基于RS和GIS技術(shù)的濕地景觀格局變化研究

伊若辰，王江萍

(武漢大學(xué) 城市設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

1 濕地與景觀格局動(dòng)態(tài)變化

1.1 濕地的概念及現(xiàn)狀

濕地是一種過(guò)渡類型生態(tài)系統(tǒng)，在調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)方面均起著十分重要的作用，可以補(bǔ)充地下水并維持區(qū)域水平衡。同時(shí)作為遺傳基因庫(kù)，生息著許多珍稀甚至瀕危的生物，對(duì)維持生物多樣性和生態(tài)安全甚至全球氣候變化、人類發(fā)展息息相關(guān)。初步統(tǒng)計(jì)，我國(guó)濕地總面積約8.04億畝，居世界第四位，占國(guó)土面積的5.56%。近年來(lái)由于城市化進(jìn)程的加快，濕地資源日益減少，且景觀破碎化、功能退化問(wèn)題嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了濕地生態(tài)系統(tǒng)的利用與保護(hù)。目前我國(guó)對(duì)濕地的研究集中于概念與分類、發(fā)展演變、生物多樣性保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)與重建、濕地評(píng)價(jià)等方面。

1.2 濕地景觀格局的動(dòng)態(tài)變化

景觀格局是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一，指不同大小、形狀的景觀斑塊在空間上的布局，包括景觀的空間特征(如景觀組分大小、 形狀及結(jié)構(gòu)等)和非空間特征(如景觀元素類型、面積、比重等)兩部分[1]。目前對(duì)于景觀格局的研究集中于空間異質(zhì)性研究和格局演變研究?jī)煞矫?。濕地景觀格局取決于濕地景觀資源的地理分布和組成，并且影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、穩(wěn)定性、抗干擾能力與恢復(fù)能力等[2]。目前的濕地景觀格局是在過(guò)去景觀流的基礎(chǔ)上形成的，并不斷發(fā)展變化，影響著干擾傳播、水文、景觀演替、小氣候動(dòng)態(tài)等生態(tài)過(guò)程。

景觀格局的動(dòng)態(tài)變化指在外界干擾與自身演替的影響下，景觀結(jié)構(gòu)單元的組成成分、多樣性等方面隨時(shí)間的變化及由此產(chǎn)生的能量、物質(zhì)等的分布與運(yùn)動(dòng)差異[3]。因此，濕地景觀格局的動(dòng)態(tài)分析能幫助了解濕地的生態(tài)環(huán)境變化的狀況以及變化的動(dòng)因與機(jī)制,從而合理利用景觀，預(yù)測(cè)濕地景觀變化。

2 RS和GIS技術(shù)在濕地景觀格局研究中的應(yīng)用

近年來(lái)，在濕地景觀格局演化過(guò)程及其結(jié)構(gòu)功能的研究過(guò)程中，RS技術(shù)與GIS技術(shù)的發(fā)展給研究帶來(lái)了推動(dòng)性的進(jìn)展，已成為濕地景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究中的重要手段。

2.1 RS技術(shù)在景觀格局研究中的應(yīng)用

RS技術(shù)是非接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)技術(shù)，通過(guò)平臺(tái)上的傳感器獲取電磁波信息，并對(duì)其進(jìn)行提取、判定、分析、處理及應(yīng)用的綜合技術(shù)。其圖像資料具有覆蓋范圍廣、更新速度快的特點(diǎn)，為獲取濕地環(huán)境提供了有效的信息源，促進(jìn)了景觀格局研究的發(fā)展。景觀格局通常由空間不連續(xù)變量表示，而實(shí)際上，異質(zhì)性在空間上是連續(xù)的。因此，通過(guò)分析不同時(shí)段的RS圖像，可以研究其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。同時(shí)，遙感技術(shù)也可用于濕地景觀分類，這是濕地景觀格局變化研究中的重要環(huán)節(jié)。并且濕地遙感的分類精度直接影響濕地景觀的制圖精度，進(jìn)而影響景觀信息的分析，因此，為了提高影像精度，目前的濕地景觀格局研究在遙感分類上需要進(jìn)行深入探索[4]。

2.2 GIS技術(shù)在景觀格局研究中的應(yīng)用

GIS是一種重要的空間信息系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)的支持下，具有空間數(shù)據(jù)的獲取與處理、存儲(chǔ)與組織、空間查詢與空間分析等功能。GIS 技術(shù)在濕地景觀格局變化研究中的作用是協(xié)助景觀類別分類、景觀制圖與指數(shù)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)信息提取與分析。它可以將各類空間資料、圖中文字與數(shù)字記錄通過(guò)計(jì)算機(jī)高效地連接，對(duì)已獲取的遙感影像進(jìn)行景觀類別分類或?qū)Ψ诸惡蟮膱D像進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證，同時(shí)將濕地系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境變化分析的結(jié)果明確地表示出來(lái)。同時(shí)，GIS結(jié)合特定的軟件還可以計(jì)算景觀指數(shù), 定量分析濕地景觀格局，并進(jìn)行不同時(shí)間段內(nèi)的濕地景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析。

3 基于 RS 和 GIS 技術(shù)的濕地景觀格局指數(shù)分析

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行濕地景觀格局研究，主要利用景觀格局分布特征指數(shù)、景觀異質(zhì)性指數(shù)、破碎化指數(shù)等來(lái)研究其變化[5]。目前多數(shù)景觀格局指數(shù)存在類型少、含義相近、生態(tài)學(xué)意義不明等問(wèn)題。也很少結(jié)合RS和GIS技術(shù)來(lái)分析濕地景觀的結(jié)構(gòu)與功能，計(jì)算景觀格局指數(shù)，因此無(wú)法滿足更高層次的景觀格局研究要求。

3.2 景觀格局指數(shù)類型

景觀格局指數(shù)是高度濃縮的景觀格局信息，分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)3個(gè)類型[6]。用于濕地景觀格局特征和變化的分析時(shí)，可以進(jìn)行濕地景觀格局同時(shí)異地、同地異時(shí)和異地異時(shí)的比較研究[7]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，一些新的指數(shù)也不斷產(chǎn)生，如景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)、孔隙度指數(shù)、聚集度指數(shù)等[8]。當(dāng)前，大概有200個(gè)指數(shù)用來(lái)反映景觀格局的動(dòng)態(tài)變化特征，其可分為兩類：斑塊水平(如斑塊面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)及其平均值與標(biāo)準(zhǔn)差)與景觀水平(如景觀豐富度指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等)[9]。這些指數(shù)中部分有著相同的生態(tài)學(xué)意義，部分不具有，甚至相互矛盾。

3.3 濕地景觀格局指數(shù)選取

在自然或人為干擾下，景觀通常從單一、連續(xù)、均質(zhì)向復(fù)雜、不連續(xù)和異質(zhì)的斑塊鑲嵌體變化[10]。在分析濕地景觀結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用RS 和 GIS 技術(shù)，選擇景觀格局指數(shù)，并通過(guò)指數(shù)對(duì)空間格局進(jìn)行定量分析。首先，根據(jù)濕地的分類原則和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出所研究的濕地遙感分類系統(tǒng)；然后，選取適當(dāng)?shù)牟ǘ谓M合來(lái)處理不同時(shí)間段內(nèi)的遙感圖像，以判斷濕地類型，利用GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析；最后選取最具代表性的濕地景觀格局指數(shù)，根據(jù)它們?cè)诓煌瑫r(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化來(lái)反映景觀格局空間結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

4 問(wèn)題及展望

近年來(lái)3S技術(shù)的融合發(fā)展，圖像處理技術(shù)不斷提高，在濕地景觀格局變化的研究中起著重要作用。但RS與GIS技術(shù)的使用成本較高，部分限制了它們?cè)跐竦鼐坝^格局變化研究中的應(yīng)用。并且針對(duì)基于 RS 和 GIS 技術(shù)的濕地景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究，還應(yīng)注意增強(qiáng)RS及 GIS技術(shù)與景觀學(xué)科之間的銜接，培養(yǎng)景觀工作者更高的知識(shí)水平；在利用GIS傳統(tǒng)的空間分析功能的基礎(chǔ)上，致力于構(gòu)建基于不同生態(tài)過(guò)程的景觀格局指數(shù)；同時(shí)抓住濕地關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程，加強(qiáng)濕地景觀格局與生態(tài)過(guò)程實(shí)質(zhì)的耦合研究。