基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像的2003-2009年嶗山自然保護區(qū)景觀格局動態(tài)變化分析

崔文連，郭 黎，劉善偉, 王艷玲

(1.青島市環(huán)境監(jiān)測中心站， 山東 青島 266003； 2.中國石油大學(xué)(華東)， 山東 青島 266580)

嶗山自然保護區(qū)屬于暖溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)，保護區(qū)內(nèi)生物區(qū)系過渡特征明顯，生物多樣性豐富，分布有50余種國家一二級保護動植物，具有較高的自然生態(tài)保護和科研價值，2000年被確定為省級自然保護區(qū)。保護區(qū)開放旅游觀光，且青島市城市擴展劇烈，導(dǎo)致保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)。因此，開展嶗山自然保護區(qū)的遙感監(jiān)測和生態(tài)分析，對于保護區(qū)的經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)開發(fā)具有重要意義。

針對景觀格局動態(tài)變化的研究工作已成為當(dāng)前景觀生態(tài)領(lǐng)域的熱點，國內(nèi)外許多學(xué)者逐步建立了一套較為成熟的景觀模型和分析方法，并在行政區(qū)域或地域上進行了較廣泛應(yīng)用[1-4]。近年來，已有國內(nèi)人員在嶗山自然保護區(qū)陸續(xù)開展研究工作。李廣海利用1983、1991和2001年三年的土地利用現(xiàn)狀圖對嶗山森林群落進行了生態(tài)評價分析[5]；竇勇利用1984、1989、1995、2000、2002、2009年六期美國陸地衛(wèi)星Landsat影像，研究了青島市海岸線和灘涂利用變化，并結(jié)合其它資料分析了生態(tài)健康情況和變化[6]；劉林等基于1990、1997、2002、2008年四期Landsat遙感影像, 利用遙感二分像元估算模型和歸一化植被指數(shù)研究了青島市嶗山區(qū)植被覆蓋度演化過程及其時空動態(tài)變化特征[7]；王亞平以2009年青島市遙感影像為基礎(chǔ)，編制了青島市景觀生態(tài)分類圖，計算了景觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)[8]。

綜上，遙感技術(shù)已經(jīng)成為生態(tài)景觀格局研究的重要數(shù)據(jù)獲取途徑，上述研究以應(yīng)用Landsat影像為主，分辨率較低，無法獲取詳細(xì)的景觀特征，且研究范圍多為青島市或嶗山林區(qū)，研究成果無法體現(xiàn)保護區(qū)的景觀格局狀況。鑒于此，本文采用2003和2009年的高分辨率遙感影像，開展嶗山自然保護區(qū)的遙感監(jiān)測，并進行景觀格局動態(tài)變化分析。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

嶗山自然保護區(qū)位于山東半島南部黃海之濱，劃分為三個功能區(qū)：核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)。核心區(qū)分布于嶗山林場內(nèi)，占保護區(qū)總面積的 16.74%；為了更好地保護核心區(qū)內(nèi)珍稀、瀕危動植物和森林生態(tài)系統(tǒng)，避免外界人為的影響和干擾，在核心區(qū)外圍劃出l 000 m左右的地帶作為緩沖區(qū)，占保護區(qū)總面積的19.36%；實驗區(qū)位于緩沖區(qū)外圍，其功能是有計劃地開展科研、教學(xué)、參觀考察、各種經(jīng)營和旅游等活動，占保護區(qū)總面積的63.90%。本文研究區(qū)域涵蓋嶗山保護區(qū)的核心區(qū)、實驗區(qū)和緩沖區(qū)，如圖1所示。

圖1 嶗山自然保護區(qū)地理位置及功能區(qū)分布Fig.1 Location of the Laoshan Nature Reserve

1.2 遙感數(shù)據(jù)

本文采用的高分辨遙感影像為2003年的法國地球觀測衛(wèi)星SPOT-5融合影像(空間分辨率2.5米)、2009年的德國對地觀測衛(wèi)星RapidEye影像(空間分辨率5米)。上述影像在研究區(qū)域無云覆蓋，圖像質(zhì)量良好，如圖2所示。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)分類體系建立

根據(jù)嶗山自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點，建立該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)分類體系，如表1。

2.2 景觀類型信息提取

生態(tài)系統(tǒng)景觀類型信息提取是進行景觀格局分析的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。以2003年SPOT-5融合影像和2009年RapidEye影像的地物為準(zhǔn)，參考Google Earth，人機交互提取2003年和2009年保護區(qū)的各個生態(tài)系統(tǒng)類型，分類專題圖比例尺能夠達到1∶50000，滿足保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局分析的需求，如圖3。

圖2 遙感影像Fig.2 Satellite images

圖3 生態(tài)系統(tǒng)景觀分類專題圖Fig.3 The matic map of the landscape classification of the ecological system

2.3景觀格局指數(shù)選取本文從景觀類型的結(jié)構(gòu)組成、空間配置等方面來分析嶗山自然保護區(qū)景觀格局的動態(tài)變化特征，在描述以上特征時，分別選取了以下指標(biāo)：1)描述結(jié)構(gòu)組成的指標(biāo)：斑塊類型面積(CA)、斑塊所占景觀面積的比例(PLAND)、豐富度(PR)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)；2)描述空間配置的指標(biāo)：斑塊總數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊大小(MPS)、景觀破碎度(LFI)、景觀連通度(COHESION)和聚集度(AI)[9]。

3 動態(tài)變化分析

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)2003和2009年的生態(tài)系統(tǒng)景觀類型提取結(jié)果，從景觀結(jié)構(gòu)組成、景觀類型面積變化、景觀類型空間配置等方面來研究嶗山自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)景觀格局的動態(tài)變化過程。

3.1 景觀結(jié)構(gòu)組成特征變化

景觀結(jié)構(gòu)的組成特征主要包括各景觀類型占景觀總面積的百分比，以及各景觀類型面積分配的均勻程度(即多樣性)。

3.1.1 景觀類型面積變化分析

表2給出了2003年和2009年研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)景觀類型的面積和百分比。從景觀類型所占比重看，針闊混交林最大、旱地次之，其它類型所占比重都較小；從面積變化情況看，針闊混交林和旱地的面積呈減少態(tài)勢，而居住地、工業(yè)用地和交通用地則增加明顯，其它景觀類型的面積基本沒有改變。上述結(jié)果表明城市化進程已經(jīng)影響到了保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。

表3給出了2003年和2009年核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)各景觀類型所占面積和百分比。核心區(qū)各景觀類型的面積在2003年到2009年期間沒有變化，說明對核心區(qū)保護效果較好。在緩沖區(qū)的景觀類型中，針闊混交林所占比重最大，旱地比重次之，其它類型所占比重都較小；十年間，針闊混交林和旱地的面積都在減少，居住地和工業(yè)用地面積則有所增加，其它景觀類型的面積基本沒有改變。在實驗區(qū)的景觀類型中，針闊混交林所占比重最大，其次是旱地，其它類型所占比重都較小；十年間，針闊混交林和旱地的面積都在減少，居住地、工業(yè)用地和交通用地面積則增加明顯，其它景觀類型的面積在這期間基本沒有改變。

表3 2003-2009年各功能區(qū)景觀類型變化Tab.3 Area variability of landscape types in different functional zones (2003～2009)

3.1.2 景觀類型多樣性變化分析

嶗山自然保護區(qū)總體和各功能區(qū)的景觀豐度在2003年到2009年期間沒有變化，即沒有產(chǎn)生新的生態(tài)系統(tǒng)類型；而總體、緩沖區(qū)和實驗區(qū)的景觀多樣性指數(shù)從2003年到2009年呈現(xiàn)出小幅度上升趨勢，其景觀內(nèi)部各斑塊類型面積分配比例趨向均衡，核心區(qū)的多樣性指數(shù)在十年間沒有變化(見表4)。

3.2 景觀類型空間配置特征分析

景觀類型的空間配置特征，包括斑塊與斑塊之間以及同一類型斑塊之間的空間關(guān)系，往往能夠影響這些斑塊之間的生態(tài)功能聯(lián)系。2003年到2009年，嶗山自然保護區(qū)整體的景觀斑塊數(shù)量、斑塊密度和破碎度增加，平均面積、連通度和聚集度則下降(表5)，這表明景觀內(nèi)部各斑塊破碎化程度加重，趨向小塊離散分布。從各功能區(qū)來看，上述變化主要發(fā)生在緩沖區(qū)和實驗區(qū)，而核心區(qū)的各項指標(biāo)均沒有改變。

表4 2003-2009年嶗山保護區(qū)景觀多樣性指數(shù)變化Tab.4 Variability of the landscape diversity index in the Laoshan Nature Reserve (2003～2009)

表5 研究區(qū)景觀空間配置總體特征變化Tab.5 Statistics of the landscape spatial pattern characteristics

3.3 變化驅(qū)動機制分析

2003年到2009年間，嶗山自然保護區(qū)核心區(qū)基本沒有發(fā)生變化，說明保護效果較好；緩沖區(qū)和實驗區(qū)則呈現(xiàn)出一定的城市擴張態(tài)勢，變化劇烈，其中居住地、工業(yè)用地和交通用地增加，農(nóng)田減少，而林地基本沒有發(fā)生變化，這表明在城市擴張的同時，森林得到了有效的保護。

人類活動一直以來都是影響景觀變化不可忽視的營造力，主要表現(xiàn)在于研究區(qū)內(nèi)工業(yè)用地、居住地和交通用地等方面。人口的壓力導(dǎo)致人類對住房的需求不斷增強，從而對保護區(qū)內(nèi)的耕地構(gòu)成威脅，影響研究區(qū)景觀變化的最主要因素是人為驅(qū)動力。2007年6月青島市委市政府調(diào)整風(fēng)景區(qū)管理機構(gòu)，組建了新的青島市嶗山風(fēng)景區(qū)管理委員會，主要負(fù)責(zé)嶗山風(fēng)景區(qū)工作的組織、指導(dǎo)、協(xié)調(diào)和監(jiān)督；后來在此基礎(chǔ)上組建了青島市嶗山風(fēng)景區(qū)管理局，但該局只負(fù)責(zé)自然保護區(qū)核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)風(fēng)景名勝資源的保護、利用和統(tǒng)一管理，實驗區(qū)處于無專門部門管理狀態(tài)，這也是實驗區(qū)變化較大的主要原因。

4 結(jié)論

1)嶗山自然保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)景觀類型包括針闊混交林、水庫/坑塘、水渠、旱地、居住地、工業(yè)用地、交通用地、稀疏植被、裸巖、裸土、沙地等，其中針闊混交林所占比重最大、旱地次之、其它都較小。2003年到2009年間，針闊混交林和旱地的面積減少，居住地、工業(yè)用地和交通用地等與人類活動關(guān)系密切的景觀類型增加。

2)2003年到2009年間，嶗山自然保護區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)類型并沒有增加，景觀內(nèi)部各斑塊類型面積分配比例趨向均衡；核心區(qū)基本保持不變；緩沖區(qū)和實驗區(qū)景觀斑塊數(shù)量、斑塊密度、破碎度和平均面積呈增加趨勢，連通度和聚集度下降。

3)緩沖區(qū)和實驗區(qū)的農(nóng)田轉(zhuǎn)化為居住地、工業(yè)用地和交通用地，其中實驗區(qū)變化最為劇烈，主要受人為驅(qū)動力影響。實驗區(qū)長期處于無監(jiān)管狀態(tài)，是其劇烈變化的最主要原因。

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