基于RS和GIS的南四湖濕地景觀格局演變研究

楊樂虹 向東

Study on the Landscape Pattern Changes of Nansi Lake Wetland Based on RS and GIS

摘要：在RS與GIS技術(shù)的支持下，以南四湖濕地為研究對(duì)象，選取1995年、2004年和2012年Landsat TM/ETM遙感影像，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)理論及FRAGSTATS3.3分析軟件，選取9個(gè)有代表性的景觀指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)1995～2012年間景觀格局及其演變特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1995～2012年間南四湖自然濕地退化嚴(yán)重。湖泊水面、蘆葦?shù)?、荷田破碎度增?qiáng)，養(yǎng)殖水面、水稻田面積明顯增多。景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化，相鄰景觀分布簡單化，景觀多樣性和均勻性有所改善。

Abstract： The change of landscape pattern from 1995 to 2012 for the Nansi Lake Wetland were surveyed based on using 1995， 2004 and 2012 TM / ETM remote sensing images， supported by RS，GIS. The characteristics of landscape pattern changes were analyzed by using the theories of landscape ecology. 9 representative landscape pattern indexes were chosen， and data were processed by the soft wares of FRAGSTATS 3.3. The results showed that from 1995 to 2012， the overall landscape fragmentation of lake water， reed marsh， and lotus fields enhanced. Both of the area of aquaculture water and paddy field increased significantly. The patches shape of the landscape structure types tended to be complex， the distribution of adjacent landscape tended to simplify， and the landscape diversity and evenness were improved.

關(guān)鍵詞：南四湖；濕地；RS；GIS；景觀格局演變

Key words： Nansi Lake；wetland；remote sensing；GIS；landscape pattern change

中圖分類號(hào)：S791.246 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0281-03

0 引言

濕地是地球表面水陸相互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，也是人類及其他生物最重要的生存環(huán)境之一，具有多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1]。國外已有研究成果集中在人為濕地與自然濕地的比較研究、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與氣候變化對(duì)濕地影響研究、濕地水文特征研究、全球濕地生物多樣性比較研究和濕地的景觀研究等[2-3]。國內(nèi)研究主要集中在濕地景觀格局演變的研究、濕地生態(tài)功能和生態(tài)價(jià)值的研究、濕地生態(tài)需水量的研究三個(gè)方面。

南四湖作為南水北調(diào)工程重要的調(diào)蓄樞紐，其在維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面具有重要的戰(zhàn)略意義[4]。本研究利用1995～2012年期間的3期遙感影像數(shù)據(jù)、圖件數(shù)據(jù)以及其他文字資料，借助ENVI 4.8、ArcGIS 10.0和FRAGSTATS 3.3等數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)南四湖濕地展開景觀格局演變進(jìn)行研究，為該濕地的開發(fā)、利用與保護(hù)提供理論依據(jù)，并為其土地利用格局優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況

南四湖位于山東省西南部，北緯34°27'～35°20'和東經(jīng)116°34'～117°21'之間，是山東省及華北地區(qū)最大的淡水湖，也是國內(nèi)著名的淺水型堰塞湖。全區(qū)南北長約126，東西寬5～25，湖泊平均水深1.46，最大湖水面積1266，集流總面積約為3543。湖區(qū)湖濱土壤深厚肥沃，濕地植被和植物資源豐富，分布著大片蘆葦?shù)?、人工水稻田以及人工養(yǎng)殖用地[5]，具有多種經(jīng)濟(jì)功能和生態(tài)功能。

本研究所使用的數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、圖件數(shù)據(jù)以及其他文字資料。其中，影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）及國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http：//datamirror.csdb.cn/）。圖件資料包括覆蓋研究區(qū)范圍的1：50000地形圖、2009年濟(jì)寧市土地利用現(xiàn)狀圖及其他專題圖件；其他文字資料包括地方統(tǒng)計(jì)年鑒、水利年鑒以及與研究區(qū)相關(guān)的專著、文獻(xiàn)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究中對(duì)遙感影像的預(yù)處理包括波段選擇、幾何校正、影像配準(zhǔn)、影像裁剪以及影像增強(qiáng)幾個(gè)方面。為使合成影像包含豐富的信息，且便于識(shí)別，統(tǒng)一選擇3、4、5波段合成影像。利用研究區(qū)1：50000地形圖對(duì)2012年的影像進(jìn)行校正，然后以校正后2012年影像為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)1995年、2004年兩期影像進(jìn)行配準(zhǔn)，投影坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_50N。采用矩形裁剪法對(duì)三期影像進(jìn)行裁剪，并利用ARCVIEW對(duì)研究區(qū)范圍邊界進(jìn)行矢量化，得到研究區(qū)范圍邊界。以此為基礎(chǔ)，在ENVI中建立掩膜（設(shè)置為0-1兩值化處理），并將它與裁剪后的三期影像做相乘運(yùn)算，保留邊界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。針對(duì)影像中反差較小難以辨別的地物，采用直方圖均衡化對(duì)比度拉伸對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，使影像中的亮度范圍得到拉伸，從而便于土地利用數(shù)據(jù)的提取[6]。

2.2 研究方法

本研究分別從景觀優(yōu)勢(shì)度、景觀斑塊的分形、聚集度和分離度、景觀連接度及景觀多樣性5個(gè)方面選取其中有代表性的9個(gè)指標(biāo)對(duì)南四湖濕地景觀格局演變進(jìn)行定量分析[6]（表3、圖2），參照《全國濕地資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，遵循科學(xué)性、全面性、合理性原則，從研究目的出發(fā)，建立南四湖濕地土地利用分類體系（表1），在此基礎(chǔ)上利用影像提取地物。影像分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果表明：三期影像分類總體精度均在96%以上，Kappa系數(shù)也均大于0.95，符合精度要求。

用ENVI 4.8軟件，提取1995～2012年期間3期南四湖濕地景觀信息，建立景觀格局演變分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；在此基礎(chǔ)上，利用FRAGSTATS3.3景觀格局分析軟件，分別對(duì)三期影像計(jì)算所選取的9項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出研究區(qū)在1995～2012年期間景觀格局演變特征；用ArcGIS10.0軟件制作南四湖景觀類型分布圖（圖1）。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 南四湖濕地各景觀類型的面積、分布及其變化

根據(jù)影像分類結(jié)果（圖1）可知，1995～2012年間南四湖景觀類型分布變化明顯；從濕地類型來看，在1995～2012年間，南四湖自然濕地退化趨勢(shì)明顯，人工濕地規(guī)模迅速擴(kuò)大，相對(duì)而言，其他用地面積變化不大，呈現(xiàn)出較小波動(dòng)性。

由表2可知，1995年，研究區(qū)自然濕地所占比重最大，高達(dá)69.16%，約為人工濕地的2倍，表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)；到2004年，自然濕地面積驟減，所占比重僅為43.91%，約減少了26個(gè)百分點(diǎn)。與之相反，人工濕地占總面積的比例約翻了一番，超過自然濕地所占比例而居于首位；至2012年，濕地區(qū)自然濕地所占比重持續(xù)減少，人工濕地所占比重則持續(xù)增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然濕地的比重。

3.2 南四湖濕地景觀格局變化分析

3.2.1 景觀水平的景觀格局變化分析

利用FRAGSTATS3.3計(jì)算研究區(qū)景觀格局指數(shù)，結(jié)果如表3、圖2所示。由表6可知，1995～2012年間，研究區(qū)景觀格局指數(shù)整體變化特征為：最大斑塊指數(shù)、景觀蔓延度指數(shù)及景觀連接度指數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。景觀形狀指數(shù)、平均斑塊分維數(shù)基本呈持續(xù)遞增趨勢(shì)，而散布與并列指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)以及景觀均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，與1995年相比，2012年三者都略有下降。由此表明，研究期間由于人類活動(dòng)的影響，南四湖濕地的景觀格局發(fā)生了明顯改變，具體表現(xiàn)為研究區(qū)景觀優(yōu)勢(shì)度呈增加趨勢(shì)，景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化，相鄰景觀分布簡單化，景觀多樣性和均勻性得到改善。

3.2.2 類型水平的景觀格局變化分析

整體來看，受地形、資源等自然條件限制，南四湖濕地的開發(fā)程度仍未達(dá)到最高水平，景觀上仍以湖泊水面和養(yǎng)殖水面為主，水稻田也有較大發(fā)展。人類干擾活動(dòng)使南四湖濕地景觀格局差異加大。由圖2可知，1995～2012年間，湖泊水面、蘆葦?shù)亍⒑商锞坝^受人為的影響嚴(yán)重，整體上破碎度增強(qiáng)；養(yǎng)殖水面、水稻田主要呈大面積斑塊聚集分布，景觀格局受人為干擾較多，自1995年以來二者面積明顯增大，聚集度提高；其余景觀受人類活動(dòng)的影響相對(duì)較弱，景觀格局呈現(xiàn)波動(dòng)性變化趨勢(shì)。

4 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)南四湖1995～2012年景觀格局演變的研究，主要得出以下結(jié)論：

①從景觀結(jié)構(gòu)變化角度分析。1995年以來，南四湖濕地景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。總體看來，湖泊水面始終是優(yōu)勢(shì)景觀之一，與其他地類相比，蘆葦?shù)?、養(yǎng)殖水面均是研究區(qū)的主要景觀類型；從濕地類型看，研究期間，自然濕地面積持續(xù)下滑，人工濕地面積持續(xù)上漲，二者之和占總面積的比例均發(fā)生了明顯變化。

②從景觀類型數(shù)量變化角度分析。1995～2012年間，研究區(qū)蘆葦?shù)?、荷田、湖泊水面及其他用地面積減少，養(yǎng)殖水面、水稻田、河流水渠面積增加。且在2004年之前，研究區(qū)景觀類型變化速度快，變化幅度大，而2004年之后，區(qū)內(nèi)景觀類型整體變化速率變緩，反映出該時(shí)段內(nèi)人類活動(dòng)干擾有所改善。

③從景觀生態(tài)效應(yīng)角度分析。景觀水平上，1995～2012年間，由于人類活動(dòng)的影響，濕地景觀格局產(chǎn)生了明顯變化，具體表現(xiàn)為研究區(qū)景觀優(yōu)勢(shì)度呈增加趨勢(shì)，景觀斑塊形狀趨于復(fù)雜化，相鄰景觀分布簡單化，景觀多樣性和均勻性得到改善；類型水平上，湖泊水面、蘆葦?shù)?、荷田景觀受人為的影響較大，整體上破碎度增強(qiáng)；養(yǎng)殖水面、水稻田主要呈大面積斑塊聚集分布，景觀格局受人為干擾較多。

參考文獻(xiàn)：

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