基于RS和GIS的黃河口濕地景觀變化研究——以墾利縣為例

田素娟,陳為峰,田素鋒,胡金葉,張志華,侯月英

（1.山東農業大學資源與環境學院,山東泰安 271018；2.山東省墾利縣國土資源局,山東東營 257500；3.山東省墾利縣環境保護局,山東 東營 257500）

景觀空間格局與動態演變分析是景觀生態學研究的核心之一[1-3]。研究景觀格局的動態變化有助于從無序的景觀中發現潛在的有序規律,揭示景觀格局與生態過程相互作用的機理,進而對景觀變化的方向、過程和效應進行模擬、預測和調控,為資源和環境的合理有效利用提供重要的參考[4]。自然過程、人類活動一直在影響著濕地景觀格局的變化發展,尤其在人口與經濟結構頻繁調整變化發展的當今社會,人們對濕地景觀不同的作用方式更是強烈得影響甚至改變濕地景觀格局的分布[5-7]。

馬爾柯夫過程較多地用于模擬和預測自然植被以及土地利用格局的變化,濕地景觀格局的動態變化與土地利用格局的變化十分相似,因此將馬爾柯夫過程引入到濕地景觀格局分析預測中,旨在更準確地分析黃河口濕地景觀變化的未來發展趨勢。研究利用1987年和2004年2個時期的衛星影像分析了黃河口濕地景觀類型的面積變化,以期為國家級黃河三角洲新生濕地自然保護區的科學管理與保護提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況墾利縣隸屬于山東省東營市,位于 37°21′～ 38°9′N,118°24′～ 119°10′E,處于黃河下游入海口的黃泛平原上,黃河口新生濕地生態系統就位于該縣區域內。濕地總面積是153 000 hm2,是中國暖溫帶最年輕、最廣闊、保存最完整、面積最大的新生濕地生態系統,擁有典型的河口和濱海濕地生態系統以及豐富的生物資源,并以具有保護珍稀瀕危鳥類的功能而引起國內外研究學者的高度關注。該區地處溫帶半濕潤季風氣候區,四季溫差明顯,春季干旱多風,夏季炎熱濕潤,秋季天高氣爽,冬季干旱地凍,年平均氣溫11.9℃,平均日較差10.7℃,平均降水量592.2 mm,年平均蒸發量1 908.2 mm,蒸降比為3.22。土壤是在黃河沖積物上發育而成的潮土和輕重不同的鹽化潮土,表層土壤質地為中、重壤,現存排灌條件一般,潛水埋深淺,潛水礦化度高,地貌為淺平洼地與微斜平地。全縣轄5個鎮、2個鄉和2個辦事處,332個村,21.24萬人,總面積2 204.00 km2。

1.2 研究方法研究所采用的數據為黃河口濕地（東營市墾利縣）1987年5月7日和2004年11月2日獲取的分辨率為30 m的渤海灣幅TM遙感數字圖像,并收集了1987年和2004年的土地利用現狀圖以及地形圖、土壤圖、地貌圖等,以輔助遙感土地利用分類。分類方法采用ISODATA（Iterative Self-Organizing Data Algorithm）——人工交互合并與修正法。該方法首先進行非監督分類,然后在此基礎上對屬于同一類別的地物像元進行合并,對錯分的像元進行修正。研究過程中,使用的主要專業軟件有 ERDAS Imagine 8.0、ArcView GIS 3.2和 MapGIS 6.5,以上遙感影像及地形圖均利用ERDAS中IMPORT模塊導入計算機,然后對其進行進一步的處理（時像與波段的選擇、幾何校正、影像增強——去噪聲和條紋、圖像的配準等）。本文主要通過分析2個時期黃河口濕地類型景觀的轉化情況,確定相應的濕地類型之間的初始轉移概率,然后利用馬爾柯夫過程模擬研究區域的景觀動態演變過程和預測未來的變化趨勢。

2 濕地景觀格局分析

2.1 濕地景觀類型變化的幅度區域土地利用變化的幅度主要指土地利用面積變化的幅度,首先反映在不同土地利用類型的總量變化上,通過分析其總量變化,可了解研究區土地利用變化總的態勢和區域土地利用結構的變化[6]。利用以上資料,對黃河口濕地景觀類型分別進行統計計算,見表1。從表1中可以看出：灘涂和葦地是墾利縣最主要的天然濕地類型。17年來該項目區坑塘水面、水庫水面、河流水面、旱地和建設用地面積都大幅度增加,其中旱地面積增加顯著,由1987年的 104 817.60 hm2增加到 2004年的117 765.40 hm2,17年增加了12 947.80 hm2；坑塘水面、水庫水面和河流水面分別增加了2 400.80、2 823.30和1 546.11 hm2；其他幾種類型面積都減少,其中葦地和灘涂面積分別減少3 819.90和 3 894.80 hm2。

2.2 濕地景觀類型變化的速率土地利用的動態度可定量描述區域土地利用變化的速度,它對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化的趨勢都具有積極的作用[7-8]。濕地動態變化度用以反映某類型濕地數量（面積）的減少或增加、濕地類型之間轉化速度的快慢等。其數學表達式為：

表1 1987年和2004年墾利縣濕地類型及面積

式中,S1為T時段內某種濕地類型變化的動態度；Ub為研究末期某濕地類型的數量；Ua為研究初期某濕地類型的數量。

而濕地變化率也可與濕地動態變化度一樣表示某類濕地面積的增減變化和濕地類型間的轉換。其數學表達式為：

對于研究同一區域相同兩期數據的變化而言,T值可以忽略,在忽略T值的情況下得出的結論是相同的。濕地面積的增（減）和濕地類型間的轉換可以用濕地動態變化率來表示,S2的值越大,說明濕地面積的增（減）數量越大,濕地類型間轉化的速度越快。

1987—2004年的17年間,墾利縣天然濕地共減少了8 983.09 hm2。變化最大的是灘涂和葦地,分別減少了 3 894.80和3 819.90 hm2,變化率為12.54%和18.58%；灘地減少了2 814.50 hm2,變化率為80.4%。另外河流水面減少了1 546.11 hm2,變化率為21.71%；而與天然濕地銳減成鮮明對比的是人工濕地、旱地和建設用地等的增加。鹽田由最初的174 hm2,到2004年的518.7 hm2,變化率高達198%；坑塘水面更是由最初的897.2 hm2,增加到2004年的3 298 hm2,變化率高達 267.8%；水庫水面也由最初的2 662.4 hm2增加到5 485.7 hm2,變化率高達106%。人工濕地劇增的原因是大面積鹽田的開發和坑塘水庫水面的增加。

2.3 濕地景觀類型轉移轉移矩陣不僅可以定量說明土地利用類型之間的相互轉化情況,而且可以揭示不同土地利用類型之間的轉移概率,能夠很好地分析土地利用空間格局的時空變化[6]。本文在Mapgis6.5的空間分析模塊中,將1987年和 2004年兩期濕地景觀分布圖進行疊加,在屬性管理模塊中,通過屬性輸出功能,在景觀疊加圖和Excel文件之間建立連接,將疊加分析的結果輸出到Excel表中,利用Excel的統計功能得出1987-2004年17年間,墾利濕地景觀新增斑塊的分布狀況及景觀間的轉移矩陣。

由表2可以看出,在1987-2004年17年間,非濕地向濕地轉化的主要是旱地、建設用地,轉化總面積為17 920.9 hm2。其中旱地轉化為灘涂為2 664.6 hm2,而轉化為人工濕地面積共13 005.1hm2。其他用途地類轉化為灌溉水田為1 183.2 hm2。濕地總面積有較大幅度減少,其中以天然濕地為主,減少8 983.09 hm2,而人工濕地面積有所增加。天然濕地轉化為人工濕地的總面積為878.29 hm2。其中灘涂減少最多,共 3 894.80 hm2,占初始面積的27.31%。

表2 1987—2004年墾利縣濕地轉移矩陣 hm2

3 濕地景觀格局預測分析

3.1 馬爾柯夫模型馬爾柯夫過程是一種特殊的隨機運動過程,一個運動系統在T+1時刻的狀態和T時刻的狀態有關,而和以前的狀態無關,這一點用于濕地景觀格局變化的預測是適合的,成功地應用馬氏模型的關鍵在于轉移概率的確定[9-15]。

本研究以年為單位,把濕地的類型變化分解成一系列離散過程,根據各類型的年均轉化率來確定單元轉移概率,把河流水面轉移為其他類型地類的轉移概率作為第1行,把葦地轉化為其他類型地類的轉移概率作為第2行,以此類推,建立一個濕地地類轉移概率矩陣,其數學表達式為：

3.2 濕地景觀變化趨勢預測通過1987-2004年濕地景觀類型轉移矩陣,求出各地類型面積平均轉化情況,再由平均轉化情況算出濕地初始狀態各景觀類型的轉移概率矩陣（步長1年）（表3）。

表3 墾利縣濕地初始狀態地類轉移概率矩陣 %

根據馬爾柯夫隨機過程的理論,其第n期的轉移概率為：

式中,d表示所得轉移概率矩陣行列數,而第n期的轉移概率矩陣等于初始狀態的轉移概率矩陣的n次方,依次相推可計算出第2期、第 3期、…、第n期的轉移概率矩陣P（1）、P（2）、…、P（n）。根據初始狀態面積矩陣A（0）和第1期的轉移概率P,即：

同理,第n期末的面積矩陣公式為：

現從1987年經過23年來預測2010年墾利縣濕地各地類面積。首先通過初始狀態矩陣算出1987—2010年的地類轉移概率矩陣（表4）,然后利用公式（1）得出2010年的墾利縣濕地內各景觀類型的面積。

表4 1987—2010年墾利縣濕地轉移概率矩陣 %

濕地的各種地類景觀在人類的長期作用下,最終會達到各種景觀所占的比例與它們的初始狀態無關,即轉移概率達到相對穩定狀態。

limPij（n）=aj,其中aj的值可以通過解馬爾柯夫過程穩定方程組獲取[16-18]：

表5為各種地類景觀在達到穩定狀態時所占的面積比例。

表5 濕地達到穩定狀態時各地類景觀的面積及所占比例

3.3濕地景觀格局變化分析計算結果表明,至2010年,濕地總面積仍在減少,尤其是天然濕地,其中河流水面、葦地、灘涂和灘地,較 1987年分別減少2 739.72,17 392.56,23 816.28和3 271.57 hm2。人工濕地總面積也有所減少,但水庫水面面積卻增加10 074.80 hm2。相比濕地,非濕地面積都有大幅度增加,其中建設用地23年來增加7 336.36 hm2,而旱地面積更是增加了45 231.90 hm2。利用馬氏過程模型,可以得到黃河口濕地2010年以后的濕地景觀變化趨勢：1）河流水面、葦地、灘涂和灘地減少；2）水庫水面、非濕地面積、建設用地和旱地都明顯增加。當達到穩定狀態時（表5）,天然濕地面積僅存15 029.47 hm2,只占研究區總面積的6.8%；而人工濕地的面積為42 257.9 hm2,其面積將占研究區總面積的19.17%。圖1顯示了黃河口濕地中的13種不同類型的景觀格局在1987年、2010年以及土地利用格局達到相對穩定時期的面積變化發展趨勢。

圖1 黃河口濕地不同時期濕地景觀類型面積比例

4 結論與討論

1）遙感影像數據和GIS技術結合,可以有效地計算濕地類型之間相互轉化的概率信息,結合應用空間馬爾柯夫概率模型,可較為準確地預測一定時期內濕地的變化格局。

2）應用馬爾柯夫模型預測結果表明,2010年以后,黃河口區域濕地的景觀變化趨勢為河流水面、葦地、灘涂和灘地減少,水庫水面、非濕地面積、建設用地和旱地都明顯增加；人工濕地正逐漸取代天然濕地而成為濕地內的優勢景觀,濕地的人工化程度嚴重,天然濕地正在遭到破壞,應采取措施加強濕地保護。

3）由于所得的資料有限,本文只對1987-2004年一個時段的濕地景觀類型變化進行了動態分析,如有可能,應對幾個時段同時進行對比分析,通過GIS技術繪制出濕地景觀類型變化信息圖譜。

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