基于RS和GIS的烏江流域(重慶段)濕地景觀動態(tài)分析

宋詩園,曾波,周廷剛?,關(guān)舒婧

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,400715,重慶;2.西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,400715,重慶)

基于RS和GIS的烏江流域(重慶段)濕地景觀動態(tài)分析

宋詩園1,曾波2,周廷剛1?,關(guān)舒婧1

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,400715,重慶;2.西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,400715,重慶)

為了探究三峽庫區(qū)的建立對烏江流域(重慶段)即重慶東南地區(qū)濕地環(huán)境產(chǎn)生的影響,以landsat-5 TM和landsat 8 OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,基于eCognition和ArcGIS平臺,采用面向?qū)ο蠓诸惖姆椒?建立重慶地區(qū)烏江流域1995、2005和2015年濕地景觀數(shù)據(jù)庫,利用景觀動態(tài)變化度、景觀破碎度及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法,分析重慶地區(qū)烏江流域內(nèi)濕地景觀近20年的時空變化特征。結(jié)果表明:1)重慶地區(qū)烏江流域整體濕地景觀面積近20年處于增長趨勢,動態(tài)變化指數(shù)最高為水庫,最低為水田;2)濕地景觀轉(zhuǎn)移以濕地景觀內(nèi)部轉(zhuǎn)移為主,濕地景觀與非濕地景觀轉(zhuǎn)移為輔,人工濕地增加比重高于天然濕地;3)研究區(qū)內(nèi)景觀破碎度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,說明該區(qū)域濕地環(huán)境先惡化后得到改善;4)1995、2005和2015年,天然濕地景觀分維數(shù)均低于1.6,人工濕地均高于1.7,說明人工濕地景觀格局比天然濕地復(fù)雜。天然濕地的穩(wěn)定性指數(shù)遠(yuǎn)低于人工濕地,且接近于0,說明自然濕地內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)更加脆弱。通過三峽工程及其他水利工程的建設(shè),導(dǎo)致烏江流域(重慶段)濕地景觀格局發(fā)生變化,對該地區(qū)的濕地環(huán)境總體改善起到明顯的促進作用。隨著三峽工程建設(shè)、庫區(qū)蓄水,以及龍?zhí)端こ?、江口電站等水利設(shè)施修建,烏江流域內(nèi)濕地總體面積增加,人工濕地變化較天然濕地更為明顯,但天然濕地相比人工濕地更易受外界干擾,應(yīng)加強相對應(yīng)的保護措施。研究為保護該地區(qū)濕地景觀,建立烏江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測體系,以及為武陵山區(qū)精準(zhǔn)扶貧提供技術(shù)支持。

濕地景觀;動態(tài)監(jiān)測;遙感與GIS;烏江流域;三峽庫區(qū)

濕地作為自然界最重要的自然生態(tài)系統(tǒng)之一,在蓄滯洪水、涵養(yǎng)水源和維護生物多樣性等方面起著重要作用,濕地面積的減少,會直接影響濕地中生物的生存,致使?jié)竦毓δ芟陆?從而導(dǎo)致水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化;反過來,水土流失嚴(yán)重必然導(dǎo)致濕地縮減,以致消亡,形成惡性循環(huán)[1-2]:因此,就我國目前濕地資源破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象,已引起諸多學(xué)者的重視[3]。隨著3S技術(shù)迅猛發(fā)展,諸多學(xué)者將3S技術(shù)廣泛應(yīng)用于濕地研究,極大地促進了濕地資源研究的速度與質(zhì)量[4-5]。如韓美等[6]基于多時期遙感影像,對黃河三角洲地區(qū)的濕地動態(tài)變化進行詳盡分析,并對濕地補償標(biāo)準(zhǔn)給予相應(yīng)評價,調(diào)查表明,黃河三角洲地區(qū)人工濕地增加,天然濕地減少,總體濕地呈現(xiàn)減少趨勢,造成黃河三角洲地區(qū)生態(tài)價值的嚴(yán)重?fù)p失;王卷樂等[7]利用遙感手段,對鄱陽湖濕地?zé)默F(xiàn)象進行快速監(jiān)測,并對其影響進行分析研究發(fā)現(xiàn),燒荒影響最大的為干涸湖底和鄰近農(nóng)田,并提出濕地資源保護和燒荒管理的建議;陳有朋等[8]對長江流域濕地現(xiàn)狀和變化進行動態(tài)遙感監(jiān)測,結(jié)果表明,長江流域濕地空間分布廣闊,濕地類型發(fā)育齊全,次級流域濕地類型不全,總體上,長江流域濕地環(huán)境趨好,但仍然存在較多局域問題。

筆者以長江重要支流之一的烏江流域下游作為研究區(qū)。該區(qū)域是重慶市經(jīng)濟發(fā)展最落后地區(qū),也是國家武陵山區(qū)集中連片貧困區(qū)域。以衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,在RS和GIS技術(shù)支持下,基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?建立重慶地區(qū)烏江流域1995、2005和2015年濕地景觀數(shù)據(jù)庫,研究三峽庫區(qū)建立近20年來,烏江流域(重慶段)濕地景觀的動態(tài)變化,評價濕地變化所造成的影響,為保護該地區(qū)濕地景觀,建立烏江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測體系,以及為武陵山區(qū)精準(zhǔn)扶貧提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

烏江(E 104°21＇～107°50＇,N 26°54＇～29° 42＇)是長江上游右岸最長的支流,古稱黔江,發(fā)源于貴州省威寧縣,流經(jīng)黔北及渝東南,最終在重慶市涪陵區(qū)注入長江。烏江干流全長1 037 km,較大支流有六沖河、清水江和芙蓉江等共計15條。烏江流域涉及貴州、云南、重慶和湖北4省市,共56個縣市。本次研究區(qū)域為烏江流域重慶段部分(E 107°24＇～107°50＇,N 28°36＇～29°42＇),即重慶市東南部,涉及酉陽土家族苗族自治縣、彭水縣、武隆縣和涪陵區(qū)等9個區(qū)縣,面積約2.1萬km2,占烏江總流域面積的23.9%。該區(qū)氣候溫和,屬典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,雨熱同期,年平均氣溫14～16℃。降水是河水補給主要來源,5—9月為汛期,占全年徑流量的80%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

以研究區(qū)域1995和2005年同/近時相的Landsat-5 TM影像,及2015年Landsat-8 OLI影像作為主要數(shù)據(jù)。遙感影像來源于http:∥glovis.usgs.gov/,空間分辨率30 m,軌道號為(126-127)/(39-40)。根據(jù)濕地景觀的物候特征,并結(jié)合烏江汛期,選取研究區(qū)7、8月份相同或相近時相的影像產(chǎn)品,并保證云量＜10%。研究區(qū)的行政邊界參考重慶市1∶10萬地形圖。

2.2 烏江流域濕地景觀遙感分類系統(tǒng)

濕地的科學(xué)分類是濕地景觀研究的基礎(chǔ),根據(jù)《中國濕地調(diào)查大綱》[9]所確定的分類系統(tǒng),結(jié)合研究區(qū)自然環(huán)境和濕地特點,建立烏江流域濕地景觀生態(tài)分類系統(tǒng)(表1)。

2.3 面向?qū)ο蟮臐竦鼐坝^遙感影像分類

衛(wèi)星遙感影像分類方法有監(jiān)督分類法、最大似然分類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法、支持向量機分類法、決策樹分類法和面向?qū)ο蟮姆诸惙ǖ萚10]。傳統(tǒng)基于像元的分類法會導(dǎo)致嚴(yán)重的“椒鹽效應(yīng)”,影響遙感影像的分類結(jié)果。筆者采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?處理的對象為影像分割出來的具有相同性質(zhì)的區(qū)域(即圖像對象),分類依據(jù)不局限于地物的光譜特性,還包括對象的大小形狀、對象間的拓?fù)潢P(guān)系等,從而使分類結(jié)果具有更高的精度[11]。面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄖ饕ㄓ跋穹指?、特征選取、對象分類和精度評價4部分(圖1),最終分類結(jié)果見圖2。

表1 重慶烏江流域濕地景觀生態(tài)分類系統(tǒng)Tab.1 Ecological classification system of wetland landscape in Wujiang River Basin(Chongqing section)

2.4 濕地景觀評價指標(biāo)

2.4.1 景觀動態(tài)變化度景觀動態(tài)變化度[12-13]是以景觀變化表現(xiàn)的數(shù)量特征作為標(biāo)準(zhǔn),定量描述區(qū)域內(nèi)景觀變化的速度。常用濕地景觀動態(tài)度模型(K)來反映研究區(qū)一定時間范圍內(nèi),某類濕地類型數(shù)量的變化,以及濕地類型之間轉(zhuǎn)化的速度。其計算公式為

圖1 面向?qū)ο蠓诸惲鞒虉DFig.1 Flow chart of object-oriented classification

圖2 濕地景觀遙感影像分類結(jié)果Fig.2 Results of remote sensing image classification of wetland landscape

式中:wa、wb分別為研究期開始(a年)和結(jié)束(b年)時,某一濕地類型的面積;T為a年到b年的研究時段;K為a至b時間段,某類濕地的年均變化率。

2.4.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[14-15]源自系統(tǒng)中狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量化的描述,它反映某一時段,初期和末期土地類型之間的相互轉(zhuǎn)化過程。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型為

式中:S為面積;n為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)目;i、j(i,j=1,2,…,n)分別為轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型;sij為轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)移后j地類的面積。

2.4.3 景觀破碎度 破碎度[16-17]用以表現(xiàn)景觀被分割的程度,反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。它是由于自然或人為干擾,導(dǎo)致景觀由連續(xù)的整體逐步變成不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程,也是生物多樣性喪失的重要原因之一,與自然資源保護密切相關(guān)。公式為

式中:Ci為景觀i的破碎度;Ni為景觀i的斑塊數(shù);Ai為景觀i的總面積。

2.4.4 分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)分形理論[18]原本是研究和揭示各種復(fù)雜現(xiàn)象內(nèi)在規(guī)律的方法,近年來,越來越多的濕地研究用到分形理論,對濕地資源動態(tài)的變化和濕地景觀格局的復(fù)雜性與穩(wěn)定性進行定量化的研究[19-20]。在濕地景觀研究中,分形維數(shù)模型為

式中:A(r)為景觀圖斑面積;P(r)為同一圖斑的周長;C為截距;2/D為斜率。維數(shù)D用2除以斜率求得,理論上D的值在1～2之間,D值越大,表明濕地景觀要素越復(fù)雜。當(dāng)D=1.50時,說明該景觀處于類似布朗運動的狀態(tài),此時要素的空間結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定;因此,可以基于分維數(shù)D定義濕地景觀格局的穩(wěn)定性指數(shù)

SK越大表示該景觀類型的空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,反之則越不穩(wěn)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地景觀面積時空變化

濕地景觀格局的改變,直接影響著區(qū)域內(nèi)土地利用的變化,筆者以10年作為時間尺度,研究區(qū)域內(nèi)濕地景觀面積的時間變化特征。由表2可知, 1995、2005和2015年濕地總面積分別為3 707.56、4 011.18和4 290.31 km2。前10年中,河流濕地和水庫濕地的面積為負(fù)增長,減少幅度分別為2.22%和1.29%,湖泊濕地和水田濕地呈現(xiàn)增長趨勢,增加幅度為4.11%和0.98%;后10年中,各個濕地類型都呈現(xiàn)增長態(tài)勢,增長幅度排序為水庫、河流、湖泊和水田?？傮w上,研究區(qū)濕地景觀在20年中面積變化明顯,濕地總面積整體呈上升趨勢。其中,湖泊的變化幅度尤為明顯,其原因在于研究區(qū)內(nèi)的主要湖泊為長壽湖,長壽湖景區(qū)于1992年被重慶市人民政府列為省級風(fēng)景名勝區(qū),從1999年起,長壽區(qū)就開始有針對性地制訂相關(guān)政策法規(guī),對該流域生態(tài)環(huán)境進行保護,投資數(shù)十億元,開展長壽湖景區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與生態(tài)移民、生態(tài)屏障體系建設(shè)以及污染源防治等項目。通過十幾年的整治,長壽湖流域的生態(tài)保護工作已經(jīng)取得階段性的成效。

表2 烏江流域濕地景觀時間變化特征及動態(tài)變化度Tab.2 Temporal variation and dynamic change degree of wetland landscape at Wujiang River Basin

3.2 濕地景觀類型轉(zhuǎn)移

根據(jù)1995—2015年研究區(qū)濕地景觀數(shù)據(jù)庫,建立不同時期濕地景觀轉(zhuǎn)移矩陣(表3和表4)。結(jié)果表明,濕地景觀類型轉(zhuǎn)移以濕地景觀內(nèi)部之間相互轉(zhuǎn)換為主,濕地景觀與非濕地景觀之間相互轉(zhuǎn)換為輔。1995—2005年間,天然濕地的變化面積僅占總變化面積的3.4%,而人工濕地面積明顯增加,占總變化面積的28%。2005—2015年間,人工濕地的變化面積占總變化面積的百分比由28%上升到35%;其中,水庫的變化尤為明顯,整體面積增加超過1倍。天然濕地面積變化幅度基本不變,占總變化面積的3.5%。

表3 1995—2005年濕地景觀轉(zhuǎn)移矩陣Tab.3 Transfer matrix of wetland landscape in 1995-2005

表4 2005—2015年濕地景觀轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Transfer matrix of wetland landscape in 2005-2015

3.3 濕地景觀破碎度

由研究區(qū)濕地景觀破碎度指數(shù)(表5)分析可知,1995年濕地景觀的破碎度指數(shù)最低,2005年最高,破碎度指數(shù)整體呈先增加后減少的趨勢。說明研究區(qū)整體的濕地生態(tài)環(huán)境雖然先出現(xiàn)惡化,但及時得到改善。分析其原因,主要在于因三峽工程的建設(shè)需要,自1994年起,政府開始組織大規(guī)模的城鎮(zhèn)遷建;其中,包括本研究區(qū)內(nèi)的涪陵區(qū)、長壽區(qū)和武隆縣,隨著城鎮(zhèn)遷建工作的不斷開展和深入,對大自然的改造在較大程度上影響了烏江流域原有的生態(tài)格局,使烏江流域自然生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重受損。直至2009年,三峽三期樞紐工程最后一次驗收通過,標(biāo)志著三峽工程建設(shè)初步完成,城鎮(zhèn)遷建的重點從“遷”轉(zhuǎn)移到“建”;同時,各地方政府積極采取各項生態(tài)環(huán)境保護措施,在一定程度上改善了三峽庫區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境,并且自2000年開始,重慶市開始實施退耕還林(草)工程,防治水土流失,也是破碎度后來減少,生態(tài)環(huán)境得以改善的主要原因。

表5 濕地景觀破碎度指數(shù)Tab.5 Fragmentation index of wetland landscape

3.4 濕地景觀分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)

由研究區(qū)分形維數(shù)和景觀格局的穩(wěn)定性指數(shù)(表6)分析可知,1995—2015年間,天然濕地的分形維數(shù)呈持續(xù)下降趨勢,且始終低于人工濕地,說明人工濕地的景觀格局要遠(yuǎn)比天然濕地的復(fù)雜的多,而天然濕地的景觀格局逐漸穩(wěn)定;但就穩(wěn)定性指數(shù)而言,天然濕地的穩(wěn)定性指數(shù)遠(yuǎn)小于人工濕地,且接近于0,說明天然濕地的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)極其脆弱,比人工濕地更容易受到外界的干擾。

4 結(jié)論

以烏江流域(重慶段)為研究對象,基于RS和GIS手段,利用景觀動態(tài)變化度、景觀破碎度及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法,分析重慶地區(qū)烏江流域內(nèi)濕地景觀近20年的時間和空間變化特征,結(jié)果表明:

1)研究區(qū)濕地面積近20年來處于增長的趨勢,天然濕地動態(tài)變化水平高于人工濕地,動態(tài)變化度由高到低依次為水庫＞湖泊＞河流＞水田。

表6 濕地景觀分形維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)Tab.6 Fractal dimension and stability index of wetland landscape

2)研究區(qū)濕地景觀轉(zhuǎn)移,以濕地景觀內(nèi)部之間轉(zhuǎn)移為主,濕地景觀與非濕地景觀之間轉(zhuǎn)移為輔。

3)濕地景觀的破碎度指數(shù)在1995、2005和2015年分別為0.72、1.17和0.99,表明研究區(qū)濕地環(huán)境雖受到破壞,但有改善的趨勢。

4)1995—2015年,研究區(qū)內(nèi)人工濕地景觀格局比天然濕地復(fù)雜,但自然濕地內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)較人工濕地更為脆弱。

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Dynamic analysis of wetland landscape in Wujiang River Basin (Chongqing section)using remote sensing and GIS technologies

SONG Shiyuan1,ZENG Bo2,ZHOU Tinggang1,GUAN Shujing1
(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region＇s Eco-Environment,Ministry of Education,School of Geographical Sciences, Southwest University,400715,Chongqing,China;2.School of Life Science,Southwest University,400715,Chongqing,China)

[Background]As one of the most important natural ecosystems,wetland impacts significantly the improvement of regional environmental quality and economic development.The decrease of wetland area will directly affect the survival of wetland,leading to the decline of wetland function,and resulting in the deterioration of soil and water loss and ecological environment.The establishment of the Three Gorges Reservoir caused the impact on the surrounding wetland landscape pattern.[Methods]Using object-oriented classification method,Landsat-5 TM and Landsat 8 OLI remote sensing image as the main data source,the wetland landscape database of Chongqing section of Wujiang River basin in 1995,2005and 2015 was established based on eCognition and ArcGIS platform.We used the dynamic change of landscape,landscape fragmentation and land use transfer matrix method to analyze the temporal and spatial changes in nearly 20 years of wetland landscape in Wujiang River Basin and to explore the reasons.[Results]1)The overall wetland landscape area of Wujiang River Basin(Chongqing section) is in the growth trend in recent 20 years,and the overall dynamic change of natural wetland is higher than that of constructed wetland.The highest index of dynamic change occurs in reservoir,and the lowest in paddy field.2)The transfer of wetland landscape is dominated by the internal transfer of wetland landscape,and the transfer of wetland landscape and non-wetland landscape is as supplement.The proportion of constructed wetland is higher than that of natural wetland.3)In the study area,landscape fragmentation shows a decreasing trend after the increase at first,indicating that the wetland environment tends to be improved after the deterioration at first.4)In 1995,2005 and 2015,the landscape fractal dimensions of natural wetland are lower than 1.6,and that of artificial wetlands is higher than 1.7, indicating that the artificial wetland landscape is more complex than natural wetland.The stability index of natural wetland is lower than that of constructed wetland,which is close to 0,indicating that the inner space structure of natural wetland is more fragile.[Conclusions]The construction of the Three Gorges Dam and other water conservancy projects lead to the change of wetland landscape pattern in Wujiang River Basin(Chongqing section),which played a significant role in promoting the overall improvement of the wetland environment in the area.With the construction of the Three Gorges project,reservoir sluicing,and water conservancy project such as Longtan hydro project,Jiangkou hydro-power station and other water conservancy facilities constructed,the total area of wetland in Wujiang River Basin increased, and the change of constructed wetland is more obvious than that of natural wetland.Compared with constructed wetland,natural wetland is more vulnerable to the external disturbance so that we should strengthen the corresponding protection measures.

wetland landscape;dynamic monitoring;remote sensing and GIS;Wujiang River Basin;the Three Gorges Reservoir Area

P208

:A

:2096-2673(2017)01-0081-08

10.16843/j.sswc.2017.01.010

2016- 08- 12

2016- 12- 13

項目名稱:國務(wù)院三峽辦三峽后續(xù)工作庫區(qū)生態(tài)與生物多樣性保護專項項目“重慶庫區(qū)重要支流(涪陵-巫山段)水生生境狀況調(diào)查與評估”(500000201BB5200002)

宋詩園(1991—),女,碩士研究生。主要研究方向:遙感與GIS應(yīng)用。E-mail:ssy_23th@163.com

?通信作者簡介:周廷剛(1971—),男,博士,教授。主要研究方向:遙感與GIS應(yīng)用,國土資源遙感,生態(tài)環(huán)境遙感。E-mail: zhoutg@163.com