黃河三角洲河道演變與景觀格局分析

畢京銳，付 俊

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

自20世紀(jì)末期以來(lái)，隨著我國(guó)沿海環(huán)境的變化，現(xiàn)代黃河三角洲出現(xiàn)河道侵蝕加快等一系列問題。因此黃河三角洲的入海河道變化具有學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。研究黃河三角洲河道演變規(guī)律可以分析出周邊生態(tài)環(huán)境、資源利用等一些比較不容易把控、人為操縱不合理的問題[1]。除了研究黃河三角洲河道演變以外，景觀格局也具有非常高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，景觀格局與河道演變、降水量、地形等要素息息相關(guān)。通過分析河道演變規(guī)律以及河道周圍的景觀格局，建立兩者之間的聯(lián)系，得出河道演變對(duì)景觀格局的影響規(guī)律。

近十幾年來(lái)，資源問題已經(jīng)成為人類不可回避的問題，包括資源浪費(fèi)、資源短缺等。不合理的資源利用進(jìn)一步加深資源環(huán)境的短缺與惡化程度。隨著樹木的大量砍伐，沙漠化程度加深，沿海環(huán)境也在一定程度上受到了影響，黃河三角洲也出現(xiàn)了河道侵蝕加快、泥沙供應(yīng)不足等問題[2，3]。將河道演變規(guī)律與景觀格局變化規(guī)律綜合分析，可以找出問題所在，找到保護(hù)黃河三角洲更加有效徹底的方法，對(duì)資源保護(hù)、黃河三角洲的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[4]。

2 研究區(qū)位置確定與選擇

黃河三角洲為我國(guó)的第二大三角洲，僅次于長(zhǎng)江三角洲，面積為5450 km2，主要包括包括東營(yíng)和濱州市轄區(qū)以及其周邊地區(qū)。目前，黃河三角洲為我國(guó)的重要糧食生產(chǎn)基地，有著不可撼動(dòng)的地位。此外，黃河三角洲地區(qū)內(nèi)豐富的自然資源使得其成為了我國(guó)的重要能源基地。因此，研究黃河三角洲地區(qū)河道演變規(guī)律對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義[5～7]。

黃河三角洲是我國(guó)最后一個(gè)有待開發(fā)的三角洲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，入海水道平均約8年改道一次。黃河入?？谟?976年5月形成。三角洲位于地殼長(zhǎng)期下沉區(qū)，第三紀(jì)即有石油形成[2]。研究黃河三角洲河道演變規(guī)律可以分析出周邊生態(tài)環(huán)境、資源利用等一些比較不容易把控、人為操縱不合理的問題。研究區(qū)位置圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置

3 研究方案與技術(shù)路線

3.1 研究方案

首先，需要下載遙感影像，本文所研究的數(shù)據(jù)來(lái)自于中科院地球與數(shù)字共享中心，然后將下載之后的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理操作，預(yù)處理過程包括影響配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)與大氣校正3個(gè)過程，其次，結(jié)合Arc GIS，在其中提取河流矢量數(shù)據(jù)。對(duì)于景觀格局的分析，在ENVI中通過最大似然法對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，通過對(duì)比分析即可得出近20年間的河道演變規(guī)律以及景觀格局分布規(guī)律。

3.2 技術(shù)路線

本文的技術(shù)路線大致分為兩條，河道演變和景觀格局。其中河道演變的分析是通過ArcGIS矢量化得到基礎(chǔ)的河道矢量圖，從而得到河道水流量等信息；而景觀格局是通過ENVI軟件，以監(jiān)督分類的方式實(shí)現(xiàn)土地利用類型的分類。本文將遙感與地理信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)河道演變與景觀格局二者綜合演變規(guī)律的分析(圖2)。

圖2 技術(shù)路線

4 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

4.1 遙感影像數(shù)據(jù)獲取

在中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字研究所中分別選取Landsat7 ETM+ 2002年、Landsat5 TM 2010年、Landsat8 OLI 2019年三期遙感影像，經(jīng)緯度位于118°15′～119°43′E、37°10′～38°19′N(表1)。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用的遙感影像數(shù)據(jù)全部為L(zhǎng)andsat遙感影像數(shù)據(jù)，其中獲取數(shù)據(jù)的傳感器包括三種，三種傳感器獲取的遙感影像的波段信息也不同。

Landsat TM(ETM+)7個(gè)波段可以組合很多RGB方案用于不同地物的解譯，Landsat8的OLI陸地成像儀包括9個(gè)波段(表2、表3)，可以組合更多的RGB方案[8]。

5 黃河三角洲河道演變分析

本文通過裁剪之后的遙感影像獲取了河流的矢量化文件，首先在ENVI軟件中對(duì)遙感影像進(jìn)行了預(yù)處理。預(yù)處理之后的遙感影像另存為TIFF格式然后加載到Arc map里進(jìn)行矢量化，分別得到了三年的河道面矢量文件，并且將矢量化河道面輸出成為地圖，如圖3所示。

由圖3所見，黃河三角洲入海處的河道20年間有著明顯的改道現(xiàn)象，20年間在經(jīng)緯度為119°12′20.685″E,37°46′22.353″N的一號(hào)位置處改道明顯，其中2002年至2010年九年間在該點(diǎn)處有著明顯的北移現(xiàn)象，2010年至2019年十年間在該點(diǎn)沒有明顯的變化。在經(jīng)緯度為119°8′42.172″E，37°45′42.531″N的二號(hào)點(diǎn)處變化也較為明顯，其中2002年至2010年河道在該點(diǎn)有著明顯的向東改道的現(xiàn)象，而2010年至2019年變化更為明顯，2019年在該點(diǎn)處向西繼續(xù)形成支流，最終形成江心洲。在2002年黃河河道的水流量明顯少于2010年與2019年，有些地方甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在20年間河道有明顯北移現(xiàn)象，河流水流量有著較大的差異。2019年的流路面積約為51.56 km2，2010年的流路面積約為55.40 km2，2002年的流路面積約為23.69 km2。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，2002～2010年

表1 遙感影像概況

表2 landsatTM波段組成

表3 OLI波段組成

圖3 河道矢量圖

八年間河流流路有著非常巨大的變化，2010年的黃河流量為2002年黃河流量的兩倍之多。2010年至2019年九年間河流沒有很明顯的變化。

黃河總?cè)∷渴侵更S河的總耗水量與流域外黃河地表水取水量之和，可以很好的反映出黃河流路水流量的變化。每年的《黃河水資源公報(bào)》中都有對(duì)黃河總?cè)∷康挠涗?，由于一些保密性原因，只在官網(wǎng)找到了2002年至2012年十年的總?cè)∷?，總體趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 河道總?cè)∷?/p>

6 黃河三角洲土地利用景觀格局分析

6.1 土地利用景觀格局概述

土地利用與景觀格局是兩個(gè)完全不同的概念，但兩者進(jìn)一步延伸卻有交叉之處，土地是地球表面的一部分，地球表面分為陸地和海洋兩種形態(tài)。狹義的土地指的是陸地部分，土地規(guī)劃學(xué)者認(rèn)為，土地是指地球陸地表層，它是自然歷史的產(chǎn)物，是由土壤、植被、地表水以及表層的巖石和地下水等眾多要素組成的自然綜合體；地理學(xué)者認(rèn)為，土地是地理環(huán)境中互相聯(lián)系的各自然地理成分所組成，包括人類活動(dòng)影響在內(nèi)的自然地域綜合體。景觀是指在某一區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的視覺上的效果，反映的是土地及土地上的空間和物質(zhì)所構(gòu)成的綜合體。因此，“土地利用”與“景觀格局”看似不同實(shí)則有著密不可分的聯(lián)系[10～12]。

6.2 遙感影像解譯方法

本文以2002年、2010年、2019年三年遙感影像為基礎(chǔ)，對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像增強(qiáng)預(yù)處理等操作[8]。后根據(jù)東營(yíng)市區(qū)域內(nèi)黃河三角洲地區(qū)的土壤、地形等自然因素和國(guó)家土地利用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所研究區(qū)域進(jìn)行分類。運(yùn)用監(jiān)督分類法的最大似然法進(jìn)行分類，最大似然法是一種原理簡(jiǎn)單、操作方便的分類方法，但此方法也有一定的局限性，主要缺點(diǎn)是沒有考慮不同類別內(nèi)部方差的差別，使得分類結(jié)果在邊界上會(huì)有一些重復(fù)，因其分類誤差。由于其簡(jiǎn)便可操作，本文將訓(xùn)練場(chǎng)分為旱地、林地、鹽堿地、水塘、淺海灘涂、沼澤濕地、水產(chǎn)池塘、河流、海洋、鹽田、建設(shè)用地(分為居民區(qū)和建筑用地)13種類型(表4)。

6.4 植被覆蓋

植被覆蓋是在NDVI的基礎(chǔ)上得到的圖，由于2019年影像采集的時(shí)間為2月份，因此僅僅憑借監(jiān)督分類無(wú)法得到客觀的結(jié)果。本文利用在ENVI裁剪之后的影像，首先在ENVI中利用NDVI工具得到NDVI圖，然后利用-1>=band1=<1公式得到NDVI消除異常值，緊接著再利用(b1 gt 0.7)*1+(b1 lt 0.05)*0+(b1 ge 0.05 and b1 le 0.7)*((b1-0.05)/(0.7-0.05)最終得到2019植被覆蓋分布圖，見圖8。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

NIR為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。

NDVI指數(shù)主要反映農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)情況以及其營(yíng)養(yǎng)信息，根據(jù)該參數(shù)，可以得到植被在不同季節(jié)對(duì)氮的需求量，主要用來(lái)檢測(cè)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度，在一定程度上還可以消除輻射誤差。NDVI是最常用的植被指數(shù)，NDVI在一定程度上可以消除遙感影像中與儀器定標(biāo)、云陰影、太陽(yáng)角、大氣條件有關(guān)的輻射度的變化。

表4 解譯標(biāo)志

6.3 分類結(jié)果

分類結(jié)果見圖5～圖7、表5、表6。

圖5 2019年分類結(jié)果

圖6 2010年分類結(jié)果

圖7 2002年分類結(jié)果

表5 分類精度評(píng)定

精度指標(biāo)2002年2010年2019年Kappa系數(shù)0.84510.82930.8916

表6 2000年、2010年、2019年各土地利用類型的面積及所占比例 km2

植被覆蓋則是在NDVI的基礎(chǔ)上獲得的可以直接反映植被分布范圍的圖，可以去掉季節(jié)等客觀條件對(duì)植被分布的影像，是影像圖中植被的分布具有很強(qiáng)的說服力。恰巧由于本文所選取的影像受季節(jié)的影響比較大，植被覆蓋圖正好可以解決此問題。圖8中的顏色由淺至深變化，深色代表植被，顏色越深代表植被越茂盛，長(zhǎng)勢(shì)越好。

圖8 2019年植被覆蓋

7 結(jié)論

7.1 景觀格局動(dòng)態(tài)變化

通過對(duì)三年景觀格局變化的動(dòng)態(tài)分析，在圖9中可以明顯看出，2002～2010年裸地沼澤面積明顯減少，植被面積增多，2010年裸地面積比2002年減少了516.94 km2，植被面積比2002年增加了1057.22 km2，鹽堿地面積比2002年減少8.95 km2，居民地面積比2002年減少103.1 km2，淺海灘涂面積比2002年減少156.37 km2，沼澤濕地面積比2002年減少53.27 km2，水產(chǎn)池塘面積比2002年增加66.61 km2，鹽田面積比2002年減少96.57 km2，河流面積比2002年減少55.46 km2，海洋面積比2002年減少47.49 km2，建筑用地面積比2002年增加317.11 km2，水塘面積比2002年減少404.76 km2。總體來(lái)看，2002～2010年8年間建設(shè)用地(包括居民地與建筑用地)整體增加趨勢(shì)明顯。河流與海洋都是呈現(xiàn)面積下降的趨勢(shì)。植被面積增加明顯。說明在城市化的進(jìn)程中，隨著建設(shè)用地面積的增加人們還具有一定的環(huán)保意識(shí)，懂得植樹造林，綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)的發(fā)展，鹽堿地、裸地與沼澤濕地的減少同樣也能說明該種問題[7]。

另外，在2010～2019年9年間也有著非常明顯的變化。通過監(jiān)督分類之后轉(zhuǎn)成的矢量數(shù)據(jù)來(lái)看，植被面積有著明顯的減少，建設(shè)用地面積有著明顯的增加。通過數(shù)據(jù)具體表現(xiàn)為旱地(裸地)面積比2010年減少232.27 km2，植被數(shù)量比2010年減少2020.31 km2，造成此類變化的原因有兩方面，一是環(huán)境破壞嚴(yán)重，土地沙漠化現(xiàn)象明顯，二是遙感影像獲取時(shí)間的影響，由于現(xiàn)在的時(shí)間段只能獲得4月份之前的比較清晰的遙感影像，因此2019年遙感影像的時(shí)間為2月24日，此時(shí)影像的土地覆蓋率遠(yuǎn)達(dá)不到9月份的植被覆蓋率，恰巧另外兩幅遙感影像的獲取時(shí)間均為9月份，因此，植被覆蓋率的變化沒有很強(qiáng)的參考價(jià)值，但是河流、沼澤濕地等的面積不會(huì)受到該客觀因素的影響。居民地面積比2010年增加了811.66 km2，淺海灘涂面積比2010年增加了256.49 km2，水產(chǎn)池塘面積比2010年增加了439.94 km2，河流面積比2010年減少了6.55 km2，海洋面積比2010年減少了76.81 km2，建筑用地面積比2010年增加了303.54 km2，水塘面積比2010年減少了62.75 km2。

圖9 景觀格局類型變化趨勢(shì)

7.2 景觀格局與黃河三角洲河道演變關(guān)系

宏觀方面：土地利用景觀格局的形式從沿海區(qū)域開始向內(nèi)陸演變呈現(xiàn)一定的規(guī)律，最外環(huán)為海洋、向內(nèi)依次為是淺海灘涂、灘涂、水產(chǎn)濕地、鹽田、旱地、沼澤濕地、植被、建設(shè)用地[13～15]。

微觀方面：監(jiān)督分類結(jié)果圖顯示，在河流改道點(diǎn)附近，景觀格局分布類型為沼澤濕地，越接近河道入?？谄渚坝^類型則變?yōu)榱藴\海灘涂，在遠(yuǎn)離入?？谔幒拥乐車木坝^格局類型為林地居多。建設(shè)用地等也均勻分布在河道兩側(cè)，但是較林地來(lái)說距離河道較遠(yuǎn)。

由此可以看出土地利用景觀格局的分布與黃河三角洲河道緊密相關(guān)，整體呈現(xiàn)依水分布的形式[18]。