基于RS和GIS的木蘭縣生態(tài)格局時空變化研究

曲建光，李 剛，劉寶玲，戚余蓉，楊春雪

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086；3.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

近年來世界各地自然災(zāi)害頻發(fā)，加之人們生活水平有所提高，從原來以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心的發(fā)展態(tài)度逐漸向生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展轉(zhuǎn)移，因此，對自然生態(tài)的關(guān)注度日益提高[1]。生態(tài)格局的變化不但影響著人們的日常生活，對社會的經(jīng)濟(jì)、政治、文化以及自然界的各種資源循環(huán)都有極其重要的影響[2]。生態(tài)格局的改變更多的表現(xiàn)為土地利用/土地覆被(LUCC)的變化，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對其進(jìn)行了探討和研究[3]。王蕊[4]在對遼河三角洲地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行評估后，對土地利用變化引起的生態(tài)服務(wù)價值動態(tài)變化進(jìn)行分析；蒙吉軍[5]等將最小累積阻力模型(MCR)引入土地利用生態(tài)安全格局的構(gòu)建過程，并制作針對生態(tài)環(huán)境敏感而脆弱的鄂爾多斯的土地利用生態(tài)安全格局優(yōu)化的方案及方案評價。

木蘭縣作為黑龍江省重要的農(nóng)林生產(chǎn)基地，尋找其經(jīng)濟(jì)生態(tài)雙贏的平衡點，對于黑龍江省的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有戰(zhàn)略性的指導(dǎo)意義。本文基于ENVI5.1和ArcGIS10.0兩款地理信息軟件，對研究區(qū)域的2006年、2012年和2017年三期遙感影像的生態(tài)格局動態(tài)變化進(jìn)行分析，從生態(tài)格局轉(zhuǎn)變的原因入手，找到合理利用土地的發(fā)展方向，達(dá)到社會和自然資源的優(yōu)化配置，實現(xiàn)二者健康發(fā)展的雙贏目的。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

木蘭縣地處黑龍江省中南部，松花江中游北岸，距省會城市哈爾濱128 km。東與通河縣相接，南與賓縣隔江相望，西與巴彥縣為鄰，北與慶安縣以青峰嶺分界北以慶安縣青峰嶺為分界。南北長77 km，東西寬60 km，總面積為3 600 km2。木蘭縣三面環(huán)山、一面臨水，為六山一水一草二分田的半山區(qū)，屬于農(nóng)業(yè)縣份,是黑龍江省糧、林綜合產(chǎn)區(qū)之一。境內(nèi)有豐富的自然資源和旅游資源，森林覆蓋率達(dá)57.9%。據(jù)第六次中國人口普查結(jié)果顯示，木蘭縣總?cè)丝?常住人口)為68.54萬人?？h轄6個鎮(zhèn)、2個鄉(xiāng)，分別為：木蘭鎮(zhèn)、東興鎮(zhèn)、大貴鎮(zhèn)、利東鎮(zhèn)、柳河鎮(zhèn)、新民鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)、吉興鄉(xiāng)。國有森工系統(tǒng)雙豐、興隆兩個林業(yè)局4個林場均在木蘭縣境內(nèi)。境內(nèi)大小河流共29條，均屬松花江水系。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均溫度為1～3 ℃，年平均降雨量為596.2 mm，無霜期127 d。

1.2 土地利用時空變化分析

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文從中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的網(wǎng)站(網(wǎng)址為：http://ids.ceode.ac.cn/)下載得到木蘭縣2006年、2012年和2017年三期的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 木蘭縣2006年、2012年和2017年Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先使用ENVI5.1對木蘭縣2006年、2012年和2017年三期的Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。為了保證精度，在實地考察和Google Earth 影像的基礎(chǔ)上對遙感影像進(jìn)行剪裁。然后對研究區(qū)域進(jìn)行輻射定標(biāo)，確定校正模型，完成大氣校正。最后進(jìn)行影像幾何校正后，通過人機交互式目視解譯的方式提取地物信息。

采用全國生態(tài)環(huán)境10年變化(2000—2010年)調(diào)查評估的遙感分類方法和分類系統(tǒng)，結(jié)合木蘭縣生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀特征，進(jìn)行遙感解譯，獲取2006年、2012年、2017年三期生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)。由分類樣本的色調(diào)、紋理等圖像特征來判別地物。TM遙感影像的432波段標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成分類特征是：水域(色調(diào)呈暗藍(lán)色，紋理變化較小)；植被(色調(diào)呈現(xiàn)紅色)；耕地(色調(diào)呈靛青色，紋理變化明顯)；住宅(色調(diào)呈現(xiàn)白色，通常與道路相連)[6]。因此，可以確定木蘭縣生態(tài)系統(tǒng)分為森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)和裸地生態(tài)系統(tǒng)共7個生態(tài)系統(tǒng)。使用ROI Tool選擇興趣區(qū)，分別為每類地物選擇興趣區(qū)。關(guān)于ROI的質(zhì)量評價，可以采用定量的評價方式，計算各個地物樣本的可分離度，將分離度較低的不理想的樣本逐一刪除并重新取樣。該過程需要反復(fù)進(jìn)行，直到成果精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。然后，實施監(jiān)督分類，在監(jiān)督分類方法中選擇最大似然法，對分類結(jié)果進(jìn)行評價，而后輸出TIF格式的數(shù)據(jù)文件，空間分辨率為30 m，其中包括一個15 m的全色波段，如圖2所示。

圖2 基于ENVI5.1的遙感影像解譯流程

最后，將分類后的TIF文件用ArcGIS10.0打開，使用轉(zhuǎn)換工具將TIF轉(zhuǎn)換為shape文件。shape文件生成后，進(jìn)行微小圖斑擦除和拐點抽稀操作，形成界線相對平滑的面狀圖斑。再通過與遙感影像疊加，對地塊面狀圖斑進(jìn)行簡單修正，剔除明顯柵格化的方形邊界拐點，形成清晰明確的地類分界線。矢量結(jié)果的空間分辨率與Landset8的空間同為30 m，可以按照需要進(jìn)行最大1∶1萬的比例出圖，如圖3所示。最后用ArcGIS的數(shù)理統(tǒng)計功能，分別統(tǒng)計計算出2006年(基準(zhǔn)年)、2012年(參照年)和2017年(現(xiàn)狀年)三期的各類生態(tài)系統(tǒng)面積(見表1)。再利用ArcGIS10.0的空間疊加分析功能計算出2006—2012年和2012—2017年的生態(tài)格局變化數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)制作出土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣和變化率轉(zhuǎn)移矩陣，見表2—表5。

圖3 木蘭縣2006年、2012年和2017年生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局

km2

1.3 生態(tài)景觀格局分析

生態(tài)格局的變換更多表現(xiàn)為土地利用的類型或位置發(fā)生改變，因此本文選取土地利用動態(tài)度和土地利用類型變化矩陣來定量描述研究期內(nèi)木蘭縣生態(tài)格局變化趨勢。

1.3.1 土地利用動態(tài)度

土地利用是人類在生產(chǎn)生活中為了獲取一定的經(jīng)濟(jì)或者社會效益而對土地自然屬性加以改變的生產(chǎn)活動大小[3,6]，算式為：

式中：PL為土地利用動態(tài)度；Sa、Sb分別為土地利用類型變化的初期和末期時的土地面積；T是研究時間的長短。假如T為年時，PL則為土地利用類型年變化率，具體計算結(jié)果見表2。

表2 2006年、2012年和2017年土地利用動態(tài)度 %

1.3.2 土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣

該矩陣可定量描述不同土地利用類型間的流轉(zhuǎn)方向和數(shù)量，因此是研究生態(tài)系統(tǒng)格局變化的常用方法[8-9]。而土地利用類型變化率轉(zhuǎn)移矩陣則是土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣的衍生體[10]。該矩陣可以直觀的反映出研究期內(nèi)某種土地利用類型的變化程度，如表3、表4所示。

表3 2006—2012年土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 2012—2017年土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2 格局變化分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)類型與分布

基于上述數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，2006—2017年12年間生態(tài)系統(tǒng)類型并未發(fā)生改變，主要為森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)和裸地生態(tài)系統(tǒng)。其中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)約占整個木蘭縣土地利用的80%以上。2012年與2006年相比，各類生態(tài)系統(tǒng)占全縣生態(tài)系統(tǒng)比例相比分別變化：-0.8%、-3.6%、3.3%、-2.2%、2.6%、0.3%、0.3%；2017年和2012年相比，變化：-2.3%、3.2%、2.4%、0.9%、-2.8%、0.4%、-1.8%。由此可知，10年間，森林生態(tài)系統(tǒng)面積呈現(xiàn)整體下降趨勢，年均減少速度為0.7%，且2012—2017年減少幅度比2006—2012年減少幅度大；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)先減少后增加的態(tài)勢，且幅度大體相當(dāng)，年均減少0.1%；城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)整體呈上升趨勢，但后期上升趨勢變緩，年均增加14.8%；草地生態(tài)系統(tǒng)呈先減少后增加，但增幅不大，年均減少2.6%；濕地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，年均減少0.9%；灌叢生態(tài)系統(tǒng)整體呈現(xiàn)上升趨勢漲幅基本持平，年均增加3.4%；裸地生態(tài)系統(tǒng)為先增加后減少，且下降幅度明顯大于前期上漲幅度，年均減少9.3%，如表5所示。

森林生態(tài)系統(tǒng)是12年來保持木蘭縣面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型，2017年面積為1 392.6 km2，占全縣面積的43.9%，主要分布在木蘭縣的東興鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)、大貴鎮(zhèn)和柳河鎮(zhèn)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為木蘭縣第二大陸地生態(tài)系統(tǒng)，2017年面積1 213.9 km2，占全縣總面積的38.3%，主要分布在大貴鎮(zhèn)、東興鎮(zhèn)、柳河鎮(zhèn)、新民鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)包括城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工礦用地、農(nóng)村居民地等，2017年面積為301.1 km2，主要分布在東興鎮(zhèn)、大貴鎮(zhèn)、柳河鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)。2017年草地生態(tài)系統(tǒng)面積為116.4 km2，占全縣總面積的3.7%，主要分布在木蘭縣的東興鎮(zhèn)、大貴鎮(zhèn)和建國鄉(xiāng)。灌叢生態(tài)系統(tǒng)2017年面積為93.2 km2，占全縣總面積的2.9%，主要分布在大貴鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)、東興鎮(zhèn)。裸地生態(tài)系統(tǒng)2017年面積為3.3 km2，占全縣總面積的0.1%，主要分布在建國鄉(xiāng)。濕地生態(tài)系統(tǒng)2017年面積為50.9 km2，占全縣總面積的1.6%，主要分布在東興鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)、柳河鎮(zhèn)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)變化特征

由表1可知，12年間木蘭縣各生態(tài)系統(tǒng)的面積發(fā)生一定程度的變化。特征如下：

1)森林生態(tài)系統(tǒng)面積整體減少97.7 km2，主要分布在東興鎮(zhèn)東北、建國鄉(xiāng)等地，在木蘭縣生態(tài)系統(tǒng)格局中，森林生態(tài)系統(tǒng)變化最大，面積減少最多，減少速度越來越快；

2)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積呈現(xiàn)前6年減少，后6年增加，整體減少13.5 km2，約占總農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積的1.1%。先減少后增加的情況主要分布在柳河鎮(zhèn)南部、東興鎮(zhèn)西南部，最終減少的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積分布在建國鄉(xiāng)中部、大貴鎮(zhèn)西部等；

3)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)是面積增加最多的生態(tài)系統(tǒng)，12年間總體增加179.9 km2，增加近1.5倍，但增加速度呈現(xiàn)放緩趨勢。主要占地類型是林地、草地、裸地和濕地。主要分布在木蘭鎮(zhèn)、吉興鄉(xiāng)、建國鄉(xiāng)以及東興鎮(zhèn)周邊等地；

4)草地生態(tài)系統(tǒng)同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)類似的特征，都出現(xiàn)先減少后增加，整體減少的情況。但增加幅度不到減少面積的一半，總體減少41.0 km2，占基期面積的26%。減少部分主要分布在東興鎮(zhèn)西南部、大貴鎮(zhèn)西部、以及建國鄉(xiāng)和利東鎮(zhèn)等地。呈現(xiàn)出減少速度快，但是恢復(fù)效果不明顯的特點；

5)灌叢生態(tài)系統(tǒng)始終穩(wěn)定增加，平均每年2.35 km2，總體增加23.5km2，增加部分主要分布在新民鎮(zhèn)、建國鄉(xiāng)、大貴鎮(zhèn)西部等地。且增加分布來看，有人類行為意愿的特征；

6)裸地生態(tài)系統(tǒng)是城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)主要的來源之一，總體減少46.1 km2，只剩3.3 km2，減少近94%。但10年間表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，且主要是近5年在減少。變化區(qū)域有東興鎮(zhèn)西南部、建國鄉(xiāng)西南部、大貴鎮(zhèn)中部等地；

7)濕地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出前6年增加與后6年減少幾乎一樣的特征，主要是對濕地生態(tài)系統(tǒng)的先退耕還濕，效果不明顯后，再進(jìn)行復(fù)墾的原因。變化面積約88 km2，分布在東興鎮(zhèn)西北部、柳河鎮(zhèn)南部、吉興鄉(xiāng)南部等。但原有濕地生態(tài)系統(tǒng)得以保留，總體減少5.0 km2，占基期年面積的9%。總體呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復(fù)向好的特征，其中恢復(fù)過程中人類行為干預(yù)特征比較明顯。主要變化為其他生態(tài)系統(tǒng)向城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

2.3 生態(tài)格局空間變化趨勢分析

根據(jù)土地利用類型變化情況構(gòu)建2006—2012年和2012—2017年土地利用類型變化率轉(zhuǎn)移矩陣，其中數(shù)值越大表示變化越穩(wěn)定，如表6和表7所示。

具體空間變化特征如下：

1)森林和農(nóng)田基本保持不變，穩(wěn)定性基本都大于80%；

2)裸地的變化最為劇烈，同時都是向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，說明人為活動干預(yù)較大，這與此時間段的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和宏觀調(diào)控密不可分；

3)城鎮(zhèn)用地量增加最大，主要來源于森林、裸地、草地和濕地等，其中森林就近變化為城鎮(zhèn)用地的量最大，占總變化量的48%。裸地幾乎都轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；

4)除城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)外，其它主要生態(tài)系統(tǒng)均以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為轉(zhuǎn)換核心，轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)主要集中在農(nóng)田、森林、草地、濕地四大生態(tài)系統(tǒng)方面，這四大生態(tài)系統(tǒng)約占縣域面積的90%左右；

5)生態(tài)系統(tǒng)間相互轉(zhuǎn)換強度最大的是城鎮(zhèn)與農(nóng)田，其次為草地與農(nóng)田。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)存在的問題與解決對策

1)由于農(nóng)民把部分的森林、草地開墾成耕地，導(dǎo)致森林、草地和濕地面積減少，造成水土流失、草地三化等生態(tài)問題。同時，農(nóng)田面積增加也將加劇農(nóng)業(yè)資源的污染和水質(zhì)污染。濕地面積減少也將

表7 2012—2017年土地利用類型變化率轉(zhuǎn)移矩陣 %

導(dǎo)致濕地持續(xù)萎縮，濕地涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)系統(tǒng)功能降低，生態(tài)質(zhì)量下降，影響人類及家畜的健康安全。

2)木蘭縣森林生態(tài)系統(tǒng)處于小興安嶺南部邊緣地帶，相對應(yīng)的保護(hù)措施和管理措施會比較薄弱。森林生態(tài)系統(tǒng)面積減少會削弱洪水調(diào)蓄、生物多樣性保護(hù)等生態(tài)服務(wù)功能，對森林生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成安全隱患。

3)隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，住房需求量占用城鎮(zhèn)周邊農(nóng)田，環(huán)境污染問題隨之而生，大量生活垃圾、廢棄物和污染氣體，對周邊農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)有持續(xù)性的危害作用。

當(dāng)?shù)卣畱?yīng)制定相應(yīng)政策。要針對其林地特點，加強生態(tài)服務(wù)功能的保護(hù)和管理工作。對不適合進(jìn)行耕作的土地實施科學(xué)、有序的退耕還林、還草、還水等過程[7]。在草原、濕地等生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域加強宏觀調(diào)控管理，建立生態(tài)屏障用以保持水源涵養(yǎng)和水質(zhì)安全，嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)化建設(shè)擴(kuò)張式土地占用方式。政府應(yīng)嚴(yán)厲打擊違法占地，對空心村等閑置的農(nóng)用建設(shè)用地要及時回收，改變農(nóng)村房屋布局分散、規(guī)模小、數(shù)量多的現(xiàn)象，提高農(nóng)用地的利用率[8]。要合理規(guī)劃布局新增建設(shè)用地，以集約節(jié)約為土地利用開發(fā)準(zhǔn)則，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

3 結(jié) 論

本文用ENVI5.1軟件處理2006、2012和2017年三期遙感影像數(shù)據(jù)后，獲得研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的土地類型，然后通過ArcGIS10.0軟件對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，并統(tǒng)計面積，得出土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣和變化率矩陣。由上述結(jié)果可以得到以下結(jié)論：12年間地類圖斑破碎程度呈整體增加趨勢，土地利用動態(tài)度尤以城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)變化較大，說明人為干預(yù)較多，城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地增加。從土地利用類型變化面積轉(zhuǎn)移矩陣可以看出土地利用方向主要是城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)化。其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的主要轉(zhuǎn)入生態(tài)系統(tǒng)。然而為了減少糧食安全問題，毀林開荒，又導(dǎo)致了森林生態(tài)系統(tǒng)流向了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。由于國家對建設(shè)用地的調(diào)控，因此城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)從年增加17.2%，降低到年增加6.7%，增長速度明顯放緩。而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由年減少1.9%到年增加1.8%，則體現(xiàn)出耕地占補平衡的保護(hù)政策效果顯著。本文建議在保證木蘭縣生態(tài)環(huán)境安全的前提下，整合多學(xué)科，融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建生態(tài)安全格局的耦合途徑[10]，讓生態(tài)服務(wù)功能發(fā)揮最大價值，滿足社會發(fā)展需求，必會成為一種新型發(fā)展趨勢。