基于土地利用變化的1987-2017年膠州灣潮灘濕地時(shí)空特征及成因分析

王志成, 高志強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 264003; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

潮灘濕地連接著海洋和陸地，是海洋和陸地之間的過渡地帶，是海洋和陸地進(jìn)行物質(zhì)交換的重要平臺(tái)[1]，也是全球“藍(lán)碳”的重要組成部分之一[2]，此外，潮灘濕地也擁有著豐富的生態(tài)資源，可以為鳥類提供棲息地，為兩棲動(dòng)物提供繁殖地[3]。隨著我國(guó)改革開放后經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，沿海潮灘濕地面積不斷減少，利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)潮灘濕地已成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)，蘇岫等[4]構(gòu)建了生態(tài)承載力評(píng)價(jià)體系并對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶附近的灘涂生態(tài)承載力進(jìn)行評(píng)估；張媛媛等[5]利用遙感水邊線最外邊界方法對(duì)2009—2017年的江蘇近岸潮灘進(jìn)行提取并進(jìn)行變化分析；彭小家等[6]基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)樂清灣海岸線進(jìn)行提取并計(jì)算了灘涂的轉(zhuǎn)化規(guī)律，分析了海岸線和海岸濕地變化的驅(qū)動(dòng)力；楊慧等[7]利用三期遙感數(shù)據(jù)并通過相同潮位對(duì)比分析法對(duì)膠州灣30 a的潮間帶面積變化以及質(zhì)心的時(shí)空分布進(jìn)行分析；王小丹等[8]利用相同潮位分析法對(duì)曹妃甸地區(qū)潮間帶的演變特征進(jìn)行了分析；Yagoub等[9]通過多時(shí)相Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)評(píng)估和量化了阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)首都阿布扎比市海岸帶的土地利用變化情況；Misra等[10]通過遙感數(shù)據(jù)對(duì)印度Gujarat南部地區(qū)1990—2014年的土地利用變化情況以及潮灘濕地變化情況進(jìn)行了研究分析。然而，很少有學(xué)者從土地利用變化的角度對(duì)近30 a膠州灣潮灘濕地的時(shí)空特征以及成因進(jìn)行研究，因此本文采用面向?qū)ο蠓诸惖姆椒▽?duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類以得到膠州灣周邊地區(qū)近30 a的土地利用變化信息，隨后利用潮位校正模型對(duì)土地利用類型中的裸潮灘進(jìn)行校正以得到真正的潮灘濕地空間分布范圍，最后基于土地利用變化信息，分析膠州灣潮灘濕地的時(shí)空特征及其成因。本文可為膠州灣潮灘濕地的可持續(xù)開發(fā)與管理提供數(shù)據(jù)與技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為膠州灣及其周邊地區(qū)，位于山東省膠東半島的南部，經(jīng)緯度范圍分別為119°51′—120°47′E，35°42′—36°29′N，面積約為7 287 km2。其行政區(qū)包括青島市區(qū)、黃島區(qū)、膠南市、膠州市以及即墨區(qū)。氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)性氣候，一年中的最低溫度為-6℃，最高氣溫為29℃。地勢(shì)南高北低。研究區(qū)內(nèi)的主要土地利用類型為耕地、建設(shè)用地以及林地，而潮灘濕地面積較小。我國(guó)實(shí)行改革開放政策后，研究區(qū)內(nèi)的人口數(shù)量迅速增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，土地利用與覆被格局發(fā)生了劇烈變化，陸地邊界不斷向膠州灣內(nèi)部推進(jìn)，造成潮灘濕地不斷變化。因此有必要從土地利用變化的角度對(duì)研究區(qū)近30 a的潮灘濕地變化狀況進(jìn)行研究。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用數(shù)據(jù)分為潮汐數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，潮汐數(shù)據(jù)從海事服務(wù)網(wǎng)獲取得到，海事服務(wù)網(wǎng)的網(wǎng)址為：https:∥www.cnss.com.cn/tide/。

遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)下載獲得，為L(zhǎng)evel1T地形矯正影像?？臻g分辨率為30 m，數(shù)據(jù)的云量小于5%，時(shí)間覆蓋范圍為1987—2017年，且影像成像時(shí)間為每年的10—11月份，時(shí)間間隔為6 a。

2.2 土地利用變化信息與潮灘上邊界提取

由于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒朔藗鹘y(tǒng)基于像元分類方法“椒鹽效應(yīng)”的缺點(diǎn)，并且能夠充分利用空間信息(如：對(duì)象之間的空間位置關(guān)系、紋理結(jié)構(gòu)等)，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理(輻射定標(biāo)、大氣校正以及研究區(qū)裁剪)完畢后，利用eCognition 9.0軟件對(duì)影像進(jìn)行多尺度分割以產(chǎn)生影像對(duì)象，采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)影像進(jìn)行分類，將遙感影像中的地物所對(duì)應(yīng)的土地利用類型分為耕地、建設(shè)用地、草地、林地、裸潮灘、道路、裸地以及內(nèi)陸水域。分類完畢后，利用updating和backdating方法對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行修正[11]，同時(shí)對(duì)裸潮灘上邊界進(jìn)行目視檢查和人工修正[12]，最后對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)[13]，分類結(jié)果的總體精度大于84%，滿足后續(xù)研究分析的精度要求。此時(shí)，土地利用類型中的裸潮灘的上邊界即為本研究所要提取的潮灘濕地上邊界。而裸潮灘的下邊界只是衛(wèi)星成像時(shí)刻的瞬時(shí)邊界，并非本文所需的潮灘濕地下邊界，因此需要進(jìn)一步對(duì)潮灘濕地的下邊界進(jìn)行提取。

2.3 潮灘濕地下邊界提取

式中：LAB，LBE，LAF，LBC，LCD分別為線段AB，BE，AF，BC，CD對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。其中，水邊線與相鄰水邊線之間的距離LBC通過ArcGIS軟件中的量測(cè)工具獲得，通過查詢潮汐表獲得每1年前50名最低潮高，并將其求平均獲得平均低潮位線對(duì)應(yīng)的潮位高度LAF，而水邊線或瞬時(shí)水邊線對(duì)應(yīng)的潮位高LBE，LCD則通過實(shí)時(shí)水邊線潮位高程計(jì)算公式[14]獲得。LAB計(jì)算完畢后，通過ArcGIS中的Buffer工具生成緩沖區(qū)得到潮灘濕地的下邊界。

圖1 潮位校正模型[15]

由于潮灘濕地的下邊界受到人類活動(dòng)的影響小，主要受到自然因素的影響，因此本文認(rèn)為通過計(jì)算獲得的潮灘濕地下邊界在空間分布上應(yīng)趨于一致。而2017年2月11日獲取的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)潮高為3 cm，該年的平均低潮位為-1.66 cm，二者極其接近，通過計(jì)算得到2017年2月11日的LAB為55 m，本文以2017年計(jì)算得到的潮灘濕地下邊界為基準(zhǔn)，對(duì)其他時(shí)間的潮灘濕地下邊界進(jìn)行校正。

2.4 圍填海信息提取

通過ArcGIS軟件中的疊加分析工具，對(duì)相鄰時(shí)期的潮灘濕地的矢量數(shù)據(jù)以及土地利用變化數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到導(dǎo)致膠州灣近30 a潮灘濕地發(fā)生變化的圍填海信息。對(duì)圍填海之后的各土地利用類型面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圍填海土地利用結(jié)構(gòu)信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 近30 a膠州灣周邊土地利用變化

膠州灣及其周邊地區(qū)近30 a來(lái)的土地利用變化情況見表1，土地利用類型的空間分布見圖2，主要表現(xiàn)為：耕地面積不斷減少，由1987年的36.63%減少到2017年的17.10%，面積總共減少了1 422.63 km2；建設(shè)用地面積不斷增加，由1987年的7.16%增加到2017年的19.84%，面積總共增加了924.49 km2；道路面積不斷增加，由1987年的0.04%增加到2017年的1.25%，面積總共增加了88.37 km2；草地以及內(nèi)陸水域的面積呈現(xiàn)“減少—增加—減少”的變化趨勢(shì)；林地面積呈現(xiàn)出“增加—減少—增加”的趨勢(shì)；裸地面積則呈現(xiàn)出“減少—增加”的趨勢(shì)。由于裸潮灘為衛(wèi)星成像時(shí)刻的潮灘，并非實(shí)際潮灘濕地，因此在此處不予討論，將在下文進(jìn)行討論分析。

表1 研究區(qū)1987-2017年土地利用類型面積及占比

3.2 近30 a膠州灣潮灘濕地時(shí)空特征分析

對(duì)潮灘濕地下邊界校正完畢后，利用ArcGIS軟件制作潮灘濕地的空間分布圖(圖3—4)、統(tǒng)計(jì)近30 a潮灘濕地的面積(圖5)以及潮灘濕地上邊界的平均推進(jìn)速度(圖6)。

圖2 1987-2017年研究區(qū)土地利用類型的空間分布

1987年膠州灣的潮灘濕地面積最多，高達(dá)122.27 km2，該年的潮灘濕地分布廣泛，集中分布于膠州灣的西岸、北岸以及唐島灣沿岸；1993年與1999年的潮灘濕地面積分別為104.03，102.73 km2，這兩年的潮灘濕地空間分布范圍大致相同，集中分布于膠州灣的北岸以及唐島灣沿岸，有少量的潮灘濕地分布于膠州灣西岸；2005年與2011年的潮灘濕地面積分別為94.73，89.09 km2，主要集中分布于膠州灣北岸以及唐島灣沿岸，而膠州灣西岸的分布范圍變小；2017年潮灘濕地面積最少，為85.31 km2，主要集中分布在膠州灣北岸以及唐島灣沿岸。

潮灘濕地上邊界在1987—2017年30 a間向膠州灣內(nèi)部推進(jìn)，且近30 a的平均推進(jìn)速度呈現(xiàn)出“減慢—加快—減慢”的趨勢(shì)，1987—1993年的平均推進(jìn)速度最快，約為42 m/a，而該時(shí)間段的青島墨水河入?？谔幰约扒盀掣厶幍耐七M(jìn)速度最快，為120 m/a；1993—1999年的平均推進(jìn)速度約為15 m/a；1999—2005年的平均推進(jìn)速度約為25 m/a，該時(shí)間段的唐島灣沿岸的推進(jìn)速度最快，最快推進(jìn)速度約為135 m/a；2011—2017年的平均推進(jìn)速度與2005—2011年相比有所減慢，平均推進(jìn)速度分別為31，29 m/a。

圖3 1987-2017年研究區(qū)潮灘濕地的空間分布

總之，膠州灣近30 a來(lái)的潮灘濕地面積不斷減少；潮灘濕地上邊界隨著時(shí)間的推移不斷地向膠州灣內(nèi)部推進(jìn)，年平均推進(jìn)速度則呈現(xiàn)出“減慢—加快—減慢”的趨勢(shì)。

圖4 典型年份潮灘濕地的空間分布

圖5 潮灘面積統(tǒng)計(jì)

圖6 潮灘上邊界推進(jìn)速度

3.3 潮灘濕地變化原因分析

根據(jù)膠州灣近30 a的土地利用類型以及潮灘濕地分布的矢量數(shù)據(jù)，通過ArcGIS軟件對(duì)而二者進(jìn)行疊加分析得到近30 a膠州灣地區(qū)潮灘濕地變化的主要原因。

如圖7所示，圍填?；顒?dòng)是膠州灣近30 a潮灘濕地變化的主要原因，膠州灣近30 a圍填海面積呈現(xiàn)“減少—增加—減少”的趨勢(shì)。1987—1999年的圍填海面積逐年減少，由1987—1993年的圍填海面積16.36 km2減少到1993—1999年的最小面積4.30 km2；1999—2011年的圍填海面積則逐年增加，在2005—2011年，面積達(dá)到最大，為19.32 km2；2011—2017年，圍填海面積則呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

圖7 1987-2017年兩種形式圍填海的空間分布

通過結(jié)合近30 a的膠州灣周邊的土地利用類型，進(jìn)一步將圍填海活動(dòng)分為：潮灘濕地向養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)變、潮灘濕地向陸地轉(zhuǎn)變。養(yǎng)殖池面積在1987—2011年逐年減少，其中1987—1993年的養(yǎng)殖池面積最大，高達(dá)11.59 km2，而在2005—2011年養(yǎng)殖池的面積最小，為0.66 km2，在2011—2017年面積有所增加，由0.66 km2增加到4.70 km2；填海造陸面積在1987—2011年則逐年增加，在2005—2011年，造陸面積達(dá)到最大，高達(dá)18.66 km2，在2011—2017年則有所減少，由18.66 km2減少到4.26 km2。

就兩種圍填?；顒?dòng)的空間分布而言，潮灘濕地向養(yǎng)殖池的轉(zhuǎn)變?cè)?987—2017年30 a間，集中分布于膠州灣北岸，少量分布在膠州灣西岸以及唐島灣沿岸；潮灘濕地向陸地的轉(zhuǎn)變?cè)诮?0 a間則集中分布于膠州灣東北岸、西岸的黃島區(qū)以及唐島灣沿岸。

3.4 圍填海土地利用結(jié)構(gòu)分析

從表2可以看出，圍填海所形成的陸地的土地利用方式主要分為建設(shè)用地、草地、裸地以及內(nèi)陸水域。1987—1993年主要的圍填海土地利用方式為建設(shè)用地和內(nèi)陸水域，二者占比分別為73%，25%，而草地和裸地的占比總共為2%；1993—1999年建設(shè)用地、裸地以及草地成為主要的土地利用方式，占比分別為62%，25%，13%，在該時(shí)間段沒有內(nèi)陸水域；1999—2005年，建設(shè)用地、內(nèi)陸水域、裸地以及草地的占比分別為80%，13%，6%，1%；2005—2011年，建設(shè)用地占比最大，高達(dá)79%，草地、裸地以及內(nèi)陸水域的占比分別為5%，5%，11%；2011—2017年，大部分圍填海陸地轉(zhuǎn)移到了建設(shè)用地和草地，轉(zhuǎn)移比例分別為41%，51%，8%的圍填海土地向裸地以及內(nèi)陸水域發(fā)生轉(zhuǎn)變。

1987—2011年的24 a間，建設(shè)用地在4種土地利用類型中占比最大，是膠州灣圍填?；顒?dòng)主導(dǎo)的土地利用類型，內(nèi)陸水域、裸地以及草地次之;2011—2017年，草地占比最大，成為該時(shí)間段圍填?；顒?dòng)主導(dǎo)的土地利用類型，建設(shè)用地占比則位于草地之后。

表2 圍填海所形成陸地的土地利用結(jié)構(gòu) %

4 結(jié) 論

(1) 近30 a的土地利用變化明顯。耕地面積占比最大，其次為建設(shè)用地和林地的面積。耕地面積不斷減少；而建設(shè)用地以及道路的面積不斷增加；林地面積則呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢(shì)；其他土地利用類型的面積變化則呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì)，無(wú)規(guī)律可循。

(2) 膠州灣區(qū)域潮灘濕地在1987—2017年這30 a間不斷減少，且減少速度隨著時(shí)間的推移，逐漸減慢。而潮灘的上邊界隨著時(shí)間的推移，不斷向膠州灣內(nèi)部推進(jìn)，年平均推進(jìn)速度呈現(xiàn)出“減慢—加快—減慢”的趨勢(shì)。

(3) 圍填?；顒?dòng)是研究區(qū)近30 a潮灘濕地變化的主要原因。1987—2017年圍填海面積變化呈現(xiàn)出“減少—增加—減少”的趨勢(shì)；圍海養(yǎng)殖和填海造陸是研究區(qū)圍填?；顒?dòng)的兩種主要形式，圍海養(yǎng)殖主要分布在膠州灣的北岸，而填海造陸分布于膠州灣東北岸、西岸以及唐島灣沿岸。

(4) 建設(shè)用地、草地、裸地以及內(nèi)陸水域是圍填海活動(dòng)主要的土地利用方式。1987—2011年，建設(shè)用地占比最大，而2011—2017年，草地占比最大，建設(shè)用地占比次之。