基于Landsat的黑龍江省大慶市濕地分布時空動態(tài)研究

蔡卓岐　田艷林　王宗明　于　皓

（1 內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010021；2 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春130102）

遙感技術(shù)具有觀測范圍廣、信息量大、獲取信息快、可比性強等優(yōu)點，是當(dāng)前在區(qū)域尺度上大范圍、多分辨率、多時相、動態(tài)監(jiān)測濕地變化的唯一可行手段（Shanmugam et al,2006）。面向?qū)ο蟮倪b感分析應(yīng)用技術(shù)是一種新興的技術(shù)，其研究進(jìn)展和遙感技術(shù)、GIS技術(shù)研究水平與計算機技術(shù)水平相關(guān)，國外研究大概有十多年的歷史，國內(nèi)相關(guān)研究主要是跟蹤國外進(jìn)展開展的應(yīng)用研究。謝靜等（2014）基于多時相HJ-1A/1B衛(wèi)星CCD影像，利用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǎ瑢|北地區(qū)三江平原北部濕地進(jìn)行信息提取并分析了景觀格局季相變化。李慧穎（2015）以Landsat 8 OLI和HJ-1 CCD影像為數(shù)據(jù)源，利用面向?qū)ο蠓椒ǎ治隽?013年三江平原北部洪水對沼澤濕地景觀的影響。Yong Nie等（2011）基于Landsat影像，利用面對對象分類方法，提取1976年、1988年和2006年珠穆朗瑪峰臨近的濕地，分析了濕地的分布和氣溫的變化對濕地的影響。Landmann等（2010）利用MODIS影像數(shù)據(jù)對非洲半干旱地區(qū)的濕地類型進(jìn)行分類并獲取其時空變化信息。

黑龍江省大慶市地處松嫩平原，由于地勢低平，形成了廣闊的濕地，大慶市濕地具有兩大特征：面積大；發(fā)育較成熟，類型齊全。大慶市濕地對調(diào)控流域水資源、維系流域水生態(tài)健康、調(diào)節(jié)水質(zhì)的作用不可替代（文波龍等,2010）。近些年隨著城市化發(fā)展、道路拓建、耕地開墾（徐長君等,2009），導(dǎo)致大慶市濕地面積減少，濕地生態(tài)功能退化，生物多樣性受損（王繼富等,2004）。因此，及時準(zhǔn)確地掌握和研究濕地資源的現(xiàn)狀和動態(tài)變化對濕地的合理開發(fā)和保護(hù)有著重要的意義。目前對于大慶濕地的監(jiān)測并不充分，長時間序列的濕地動態(tài)分析尚不多見。本文以

Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合GIS技術(shù)及景觀生態(tài)學(xué)方法，分析得到大慶濕地25年間的時空變化特性，綜合自然因素和人類活動因素，以定性和定量分析相結(jié)合的方法，探討大慶市濕地動態(tài)變化的驅(qū)動機制，為濕地保護(hù)、利用和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1　研究區(qū)示意圖Fig. 1 Location of the study area

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

大慶市（45o46′～ 46o55′N，124o19′～ 125o12′E）位于黑龍江省西部，松遼盆地中央坳陷區(qū)北部，東與綏化地區(qū)相連，南與吉林省隔江相望，西部、北部與齊齊哈爾市接壤，總面積21 219 km2（圖1）。大慶市行政區(qū)劃包括5區(qū)、3縣和1個自治區(qū)。年平均氣溫3.7℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-39.2℃；年均風(fēng)速3.0 m/s，年降水427.0 mm，具有大陸性強、溫差大、季風(fēng)性明顯、降水量少的特點。海拔高度126～165 m，由北向南漸低。

1.2　數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究選擇1990年、2000年的Landsat TM和2015年Landsat OLI，且對濕地區(qū)域云覆蓋不超過5%的多時相（6-9月）遙感影像作為數(shù)據(jù)源，分辨率均為30 m×30 m。在ERDAS平臺上對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，然后用“6s”模型完成大氣校正；再以大慶市1∶5萬地形圖為基準(zhǔn)圖件，校正影像，選取確定的控制點，建立幾何糾正模型，經(jīng)二次多項式變換后將均方根誤差控制在0.5個像元之內(nèi)，重新采樣得到矯正后的影像；最后利用ArcGIS軟件，選取研究區(qū)矢量邊界對影像進(jìn)行裁剪，獲得研究區(qū)范圍內(nèi)1990年、2000年和2015年的影像。

1.3　研究方法

1.3.1基于遙感技術(shù)的濕地分類系統(tǒng) 根據(jù)濕地分類系統(tǒng)，將大慶濕地劃分為天然濕地和人工濕地兩大類。天然濕地包括草本濕地、河流和湖泊，其中草本濕地幾何形狀明顯呈不規(guī)則狀，影像紋理細(xì)膩，湖泊和河流幾何特征明顯，呈現(xiàn)自然形態(tài)。人工濕地包括運河/水渠、水庫/坑塘。其結(jié)構(gòu)較為均一，幾何特征明顯，邊界清晰，大慶市典型濕地的影像特征如表1。

表1　大慶市濕地類型及影像特征Table 1 The types and image characteristics of wetland in Daqing

1.3.2面向?qū)ο蟮倪b感影像分類方法 與傳統(tǒng)基于像元且僅依據(jù)像元光譜值進(jìn)行分類的方法不同，面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惙椒ㄊ前堰b感圖像中具有相近光譜信息、形狀特征和上下文特征的像元聚類為一個目標(biāo)對象，以目標(biāo)對象為基礎(chǔ)單元進(jìn)行分類，提高分類精度（黃威等,2014），面向?qū)ο蠓诸惙椒ú襟E主要有影像分割、構(gòu)建分類規(guī)則和精度驗證。

影像分割是根據(jù)需求，選定一些特征，將影像分割成不同類的區(qū)域，在同類的區(qū)域內(nèi)，影像具有相似的特征性質(zhì)，在不同類的區(qū)域內(nèi)，影像有明顯的差異特征（葛宏立,2004）。本研究基于遙感分類軟件eCognition 8.64平臺，依據(jù)分割效率最高原則對影像進(jìn)行分割，參數(shù)反復(fù)修改，多次試驗，最終確定分割尺度為50，顏色、形狀、光滑度和緊致度權(quán)重值依次設(shè)置為0.7、0.3、0.6和0.4。

在分類過程中，基于對典型地物的光譜特征、紋理特征和形狀特征分析，構(gòu)建根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的監(jiān)督分類和基于歸一化差分植被指數(shù)的分類規(guī)則集，來提取研究區(qū)的濕地分布信息。利用規(guī)則集提取的遙感影像信息與實際地物有一定的差別，因此本研究在利用規(guī)則集分類后，再結(jié)合人工目視解譯來完善分類結(jié)果，提高分類精度。

采用誤差矩陣法對濕地提取結(jié)果進(jìn)行分類精度驗證。本研究中，利用野外選取的驗證點和從Google Earth中的驗證點（共103個）作為驗證依據(jù)，進(jìn)行精度驗證。

1.3.3景觀指數(shù)計算 本研究在斑塊類型級別和景觀級別尺度上，選取斑塊類型面積、斑塊平均面積、最大斑塊指數(shù)、多樣性指數(shù)、斑塊密度和景觀分離度6個景觀類型指數(shù)（表2），運用fragstats 4.2軟件來定量描述大慶市濕地景觀格局的變化。

表2　景觀指數(shù)計算公式及描述Table2　Calculation formula and description of landscape index

圖2　大慶濕地1990年、2000年和2015年空間分布圖Fig. 2 The spatial distribution of wetland in Daqing in 1990, 2000, and 2015

2　結(jié)果與分析

2.1　大慶濕地斑塊面積及形狀變化趨勢分析

基于面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛〉臐竦匦畔⒖傮w精度為95%，不同濕地類型分類精度均在90%以上，kappa系數(shù)為0.94，大慶濕地分布信息如圖2所示。大慶濕地廣布于整個研究區(qū)，天然濕地主要分布于大慶的西部，人工濕地主要分布在大慶的東北部和西南部。1990-2000年，大慶西南部天然濕地面積減少，東北部人工濕地面積有小幅度的增加。2015年研究區(qū)西南部天然濕地面積有恢復(fù)的趨勢，東北部人工濕地大面積增加。

統(tǒng)計分析得到多年濕地總面積、天然濕地和人工濕地面積，1990-2015年大慶濕地總面積呈先減少后回升的趨勢。其中1990-2000年濕地總面積以平均每年0.66%的速率縮小，減少了348.63 km2，2000年濕地總面積值最小，共計4 918.74 km2。2000-2015年，濕地面積有所增加，以平均每年0.23%的速度緩慢增長，2015年濕地總面積為5 091.20 km2。天然濕地的波動幅度遠(yuǎn)大于人工濕地，其面積變化影響著濕地總面積的消漲。天然濕地占濕地總面積的90%以上，其中1990年所占比例高達(dá)96.37%。人工濕地面積遠(yuǎn)小于天然濕地，自1990年到2015年，人工濕地處于持續(xù)增長趨勢，1990年人工濕地面積值最小，之后緩慢增長，2015年人工濕地面積達(dá)到峰值，共計365.27 km2，2000年人工濕地面積是2015年的54.61%。總體看來，近25年來大慶市天然濕地面積波動較大，其中1990年面積最大為5 076.31 km2。

計算各濕地斑塊類型的面積得圖3(a)。草本濕地面積1990年為3 080.11 km2，2000年面積值最低為2 977.39 km2，10年間縮減了3.34%，此后面積逐漸恢復(fù)，到2015年面積最高為3 228.34 km2。運河/水渠面積增加明顯，1990年面積為13.40 km2，2015年面積達(dá)到最大值，為336.49 km2。水庫/坑塘和河流濕地變化趨勢與運河/水渠變化趨勢相反，1990年面積分別為181.91 km2和342.18 km2，2015年面積達(dá)到最小值，分別為24.73 km2和225.70 km2，相比1990年減少了86.40%和34.04%。湖泊濕地面積變化波動不大。

圖3(b)為斑塊平均面積變化情況，從圖中可以看出湖泊斑塊平均面積有明顯的變化，其中2015年達(dá)到峰值4.19 km2，2000年達(dá)到最低值2.76 km2；草本濕地斑塊平均面積最大，最高值為2015年的5.25 km2；河流濕地平均面積最小值為2015年的1.93 km2；運河/水渠和水庫/坑塘平均面積變化不大。

最大斑塊指數(shù)(LPI)的變化幅度從側(cè)面反映了人類對濕地的干擾程度。從圖3(c)可以看出幾種濕地景觀類型的最大斑塊指數(shù)，排名前兩位的是天然濕地的湖泊和草本濕地。1990-2015年，湖泊、水庫/坑塘和運河/水渠變化幅度較大，說明這三類濕地景觀受人類活動的干擾較大。

圖3　大慶市各濕地類型面積（a）、斑塊平均面積（b）和最大斑塊指數(shù)（c）Fig. 3 Patch area (a), average area (b), and largest patch index (c) in Daqing

2.2　大慶濕地類型組成變化分析

大慶濕地組成中，草本濕地、湖泊和河流濕地所占比例較大，占濕地總面積的92.83%～96.37%。草本濕地占58.46%～63.69%，是大慶濕地的主要構(gòu)成類型；湖泊濕地占總面積的24.93%～31.65%，成為大慶濕地除草本濕地外的優(yōu)勢類型（表3）。人工濕地占比不大，約占濕地總面積的3.63%～7.17%，但卻發(fā)揮著獨特的作用。

表3　1990-2015年大慶市各濕地類型面積所占比例變化 %Table 3 Proportional changes of wetland types in Daqing from 1990 to 2015 %

2.3　大慶濕地景觀格局動態(tài)分析

由表4可以看出，1990-2015年大慶市濕地斑塊密度呈先上升后下降的趨勢，其中2000年斑塊密度最大，2015年斑塊密度最小，說明1990-2000年大慶市濕地景觀破碎度呈上升趨勢，并在2000年達(dá)到峰值，自2000年開始，在2015年景觀破碎化達(dá)到最小。1990-2015年大慶濕地多樣性指數(shù)呈下降趨勢，1990年達(dá)到最高值，為0.56，說明1990年大慶濕地斑塊類型最豐富，景觀豐富度最高，到2015年多樣性指數(shù)發(fā)生明顯變化，并呈下降趨勢，表明大慶濕地斑塊類型逐漸趨于單一，景觀豐富度降低。

表4　大慶市濕地景觀斑塊密度、景觀分離度和景觀多樣性指數(shù)Table 4 Patch density, landscape isolation degree and diversity index of wetland landscape in Daqing

2.4　驅(qū)動力分析

2.4.1自然因素 自然因素對濕地資源的影響主要表現(xiàn)在降水和溫度兩個方面，主要通過補給量和蒸散量的變化影響濕地動態(tài)變化。1990-2000年，氣溫變化幅度不大，降水量減少，濕地的直接降水補給受到限制，因此造成2000年濕地面積和數(shù)量的減少。2000-2015年間，氣溫下降，降水量有明顯的上升。濕地的降水補給能力被顯著的提高，同時，氣溫的大幅下降使?jié)竦刈陨淼恼舭l(fā)量減少，水分補給來源有所增加，因此2000-2015年間濕地面積有明顯增加。

2.4.2人類活動因素 人類活動也影響著濕地的變化，本研究選擇人口、社會經(jīng)濟2個因素對濕地面積進(jìn)行分析。1990-2015年間，大慶市人口和GDP持續(xù)增長，隨著人口的增長、人們生活水平的提高以及城鎮(zhèn)化建設(shè)，對濕地產(chǎn)生兩方面影響：①對農(nóng)產(chǎn)品的需求數(shù)量在日益增加，致使耕地面積不斷擴大，為滿足這一需求增加量，濕地大面積地轉(zhuǎn)化為耕地 ；②地表水的引用和地下水開采的量迅速上升，增加了水庫/坑塘和運河/水渠的修建數(shù)量。

20世紀(jì)50年代至80年代，受“濕地?zé)o主，誰用誰有”觀念和粗放的經(jīng)濟發(fā)展模式的影響，為增加經(jīng)濟效益和糧食生產(chǎn)量，人們將濕地開墾為農(nóng)田，導(dǎo)致研究區(qū)天然濕地減少（劉暢等, 2017）。直到1992年中國加入《濕地公約》后，政府部門將工作重心做了調(diào)整，從濕地開發(fā)調(diào)整到濕地保護(hù)，出臺了一系列如《黑龍江省濕地保護(hù)條例》等法律法規(guī)，增強了人們的保護(hù)意識。

3　結(jié)論

本研究以1990年、2000年的Landsat TM和2015年的Landsat OLI 影像為數(shù)據(jù)源對大慶的濕地資源進(jìn)行監(jiān)測制圖和變化驅(qū)動力分析，研究表明：大慶市現(xiàn)有濕地面積5 091.20 km2，在氣溫、降水、人口、GDP和政策的影響下，1990-2015年大慶濕地呈先下降后上升的趨勢。1990-2000年，由于降水的減少和人口的增長導(dǎo)致濕地總面積呈減少趨勢，其中天然濕地減少了357.04 km2，人工濕地增加了8.42 km2，景觀破碎度上升，豐富度下降。2000-2015年間，由于氣溫降低、降水量和人口用水的增加，濕地面積呈上升趨勢，其中天然濕地增加了6.66 km2，人工濕地增加了165.80 km2。因此，今后應(yīng)加強大慶濕地的保護(hù)和管理，增強公眾保護(hù)濕地的意識，保護(hù)天然濕地，提高濕地景觀的豐富度。