基于RS和GIS的黄河口湿地景观变化研究——以垦利县为例

田素娟,陈为峰,田素锋,胡金叶,张志华,侯月英

（1.山东农业大学资源与环境学院,山东泰安 271018；2.山东省垦利县国土资源局,山东东营 257500；3.山东省垦利县环境保护局,山东 东营 257500）

景观空间格局与动态演变分析是景观生态学研究的核心之一[1-3]。研究景观格局的动态变化有助于从无序的景观中发现潜在的有序规律,揭示景观格局与生态过程相互作用的机理,进而对景观变化的方向、过程和效应进行模拟、预测和调控,为资源和环境的合理有效利用提供重要的参考[4]。自然过程、人类活动一直在影响着湿地景观格局的变化发展,尤其在人口与经济结构频繁调整变化发展的当今社会,人们对湿地景观不同的作用方式更是强烈得影响甚至改变湿地景观格局的分布[5-7]。

马尔柯夫过程较多地用于模拟和预测自然植被以及土地利用格局的变化,湿地景观格局的动态变化与土地利用格局的变化十分相似,因此将马尔柯夫过程引入到湿地景观格局分析预测中,旨在更准确地分析黄河口湿地景观变化的未来发展趋势。研究利用1987年和2004年2个时期的卫星影像分析了黄河口湿地景观类型的面积变化,以期为国家级黄河三角洲新生湿地自然保护区的科学管理与保护提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况垦利县隶属于山东省东营市,位于 37°21′～ 38°9′N,118°24′～ 119°10′E,处于黄河下游入海口的黄泛平原上,黄河口新生湿地生态系统就位于该县区域内。湿地总面积是153 000 hm2,是中国暖温带最年轻、最广阔、保存最完整、面积最大的新生湿地生态系统,拥有典型的河口和滨海湿地生态系统以及丰富的生物资源,并以具有保护珍稀濒危鸟类的功能而引起国内外研究学者的高度关注。该区地处温带半湿润季风气候区,四季温差明显,春季干旱多风,夏季炎热湿润,秋季天高气爽,冬季干旱地冻,年平均气温11.9℃,平均日较差10.7℃,平均降水量592.2 mm,年平均蒸发量1 908.2 mm,蒸降比为3.22。土壤是在黄河冲积物上发育而成的潮土和轻重不同的盐化潮土,表层土壤质地为中、重壤,现存排灌条件一般,潜水埋深浅,潜水矿化度高,地貌为浅平洼地与微斜平地。全县辖5个镇、2个乡和2个办事处,332个村,21.24万人,总面积2 204.00 km2。

1.2 研究方法研究所采用的数据为黄河口湿地（东营市垦利县）1987年5月7日和2004年11月2日获取的分辨率为30 m的渤海湾幅TM遥感数字图像,并收集了1987年和2004年的土地利用现状图以及地形图、土壤图、地貌图等,以辅助遥感土地利用分类。分类方法采用ISODATA（Iterative Self-Organizing Data Algorithm）——人工交互合并与修正法。该方法首先进行非监督分类,然后在此基础上对属于同一类别的地物像元进行合并,对错分的像元进行修正。研究过程中,使用的主要专业软件有 ERDAS Imagine 8.0、ArcView GIS 3.2和 MapGIS 6.5,以上遥感影像及地形图均利用ERDAS中IMPORT模块导入计算机,然后对其进行进一步的处理（时像与波段的选择、几何校正、影像增强——去噪声和条纹、图像的配准等）。本文主要通过分析2个时期黄河口湿地类型景观的转化情况,确定相应的湿地类型之间的初始转移概率,然后利用马尔柯夫过程模拟研究区域的景观动态演变过程和预测未来的变化趋势。

2 湿地景观格局分析

2.1 湿地景观类型变化的幅度区域土地利用变化的幅度主要指土地利用面积变化的幅度,首先反映在不同土地利用类型的总量变化上,通过分析其总量变化,可了解研究区土地利用变化总的态势和区域土地利用结构的变化[6]。利用以上资料,对黄河口湿地景观类型分别进行统计计算,见表1。从表1中可以看出：滩涂和苇地是垦利县最主要的天然湿地类型。17年来该项目区坑塘水面、水库水面、河流水面、旱地和建设用地面积都大幅度增加,其中旱地面积增加显著,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、水库水面和河流水面分别增加了2 400.80、2 823.30和1 546.11 hm2；其他几种类型面积都减少,其中苇地和滩涂面积分别减少3 819.90和 3 894.80 hm2。

2.2 湿地景观类型变化的速率土地利用的动态度可定量描述区域土地利用变化的速度,它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化的趋势都具有积极的作用[7-8]。湿地动态变化度用以反映某类型湿地数量（面积）的减少或增加、湿地类型之间转化速度的快慢等。其数学表达式为：

表1 1987年和2004年垦利县湿地类型及面积

式中,S1为T时段内某种湿地类型变化的动态度；Ub为研究末期某湿地类型的数量；Ua为研究初期某湿地类型的数量。

而湿地变化率也可与湿地动态变化度一样表示某类湿地面积的增减变化和湿地类型间的转换。其数学表达式为：

对于研究同一区域相同两期数据的变化而言,T值可以忽略,在忽略T值的情况下得出的结论是相同的。湿地面积的增（减）和湿地类型间的转换可以用湿地动态变化率来表示,S2的值越大,说明湿地面积的增（减）数量越大,湿地类型间转化的速度越快。

1987—2004年的17年间,垦利县天然湿地共减少了8 983.09 hm2。变化最大的是滩涂和苇地,分别减少了 3 894.80和3 819.90 hm2,变化率为12.54%和18.58%；滩地减少了2 814.50 hm2,变化率为80.4%。另外河流水面减少了1 546.11 hm2,变化率为21.71%；而与天然湿地锐减成鲜明对比的是人工湿地、旱地和建设用地等的增加。盐田由最初的174 hm2,到2004年的518.7 hm2,变化率高达198%；坑塘水面更是由最初的897.2 hm2,增加到2004年的3 298 hm2,变化率高达 267.8%；水库水面也由最初的2 662.4 hm2增加到5 485.7 hm2,变化率高达106%。人工湿地剧增的原因是大面积盐田的开发和坑塘水库水面的增加。

2.3 湿地景观类型转移转移矩阵不仅可以定量说明土地利用类型之间的相互转化情况,而且可以揭示不同土地利用类型之间的转移概率,能够很好地分析土地利用空间格局的时空变化[6]。本文在Mapgis6.5的空间分析模块中,将1987年和 2004年两期湿地景观分布图进行叠加,在属性管理模块中,通过属性输出功能,在景观叠加图和Excel文件之间建立连接,将叠加分析的结果输出到Excel表中,利用Excel的统计功能得出1987-2004年17年间,垦利湿地景观新增斑块的分布状况及景观间的转移矩阵。

由表2可以看出,在1987-2004年17年间,非湿地向湿地转化的主要是旱地、建设用地,转化总面积为17 920.9 hm2。其中旱地转化为滩涂为2 664.6 hm2,而转化为人工湿地面积共13 005.1hm2。其他用途地类转化为灌溉水田为1 183.2 hm2。湿地总面积有较大幅度减少,其中以天然湿地为主,减少8 983.09 hm2,而人工湿地面积有所增加。天然湿地转化为人工湿地的总面积为878.29 hm2。其中滩涂减少最多,共 3 894.80 hm2,占初始面积的27.31%。

表2 1987—2004年垦利县湿地转移矩阵 hm2

3 湿地景观格局预测分析

3.1 马尔柯夫模型马尔柯夫过程是一种特殊的随机运动过程,一个运动系统在T+1时刻的状态和T时刻的状态有关,而和以前的状态无关,这一点用于湿地景观格局变化的预测是适合的,成功地应用马氏模型的关键在于转移概率的确定[9-15]。

本研究以年为单位,把湿地的类型变化分解成一系列离散过程,根据各类型的年均转化率来确定单元转移概率,把河流水面转移为其他类型地类的转移概率作为第1行,把苇地转化为其他类型地类的转移概率作为第2行,以此类推,建立一个湿地地类转移概率矩阵,其数学表达式为：

3.2 湿地景观变化趋势预测通过1987-2004年湿地景观类型转移矩阵,求出各地类型面积平均转化情况,再由平均转化情况算出湿地初始状态各景观类型的转移概率矩阵（步长1年）（表3）。

表3 垦利县湿地初始状态地类转移概率矩阵 %

根据马尔柯夫随机过程的理论,其第n期的转移概率为：

式中,d表示所得转移概率矩阵行列数,而第n期的转移概率矩阵等于初始状态的转移概率矩阵的n次方,依次相推可计算出第2期、第 3期、…、第n期的转移概率矩阵P（1）、P（2）、…、P（n）。根据初始状态面积矩阵A（0）和第1期的转移概率P,即：

同理,第n期末的面积矩阵公式为：

现从1987年经过23年来预测2010年垦利县湿地各地类面积。首先通过初始状态矩阵算出1987—2010年的地类转移概率矩阵（表4）,然后利用公式（1）得出2010年的垦利县湿地内各景观类型的面积。

表4 1987—2010年垦利县湿地转移概率矩阵 %

湿地的各种地类景观在人类的长期作用下,最终会达到各种景观所占的比例与它们的初始状态无关,即转移概率达到相对稳定状态。

limPij（n）=aj,其中aj的值可以通过解马尔柯夫过程稳定方程组获取[16-18]：

表5为各种地类景观在达到稳定状态时所占的面积比例。

表5 湿地达到稳定状态时各地类景观的面积及所占比例

3.3湿地景观格局变化分析计算结果表明,至2010年,湿地总面积仍在减少,尤其是天然湿地,其中河流水面、苇地、滩涂和滩地,较 1987年分别减少2 739.72,17 392.56,23 816.28和3 271.57 hm2。人工湿地总面积也有所减少,但水库水面面积却增加10 074.80 hm2。相比湿地,非湿地面积都有大幅度增加,其中建设用地23年来增加7 336.36 hm2,而旱地面积更是增加了45 231.90 hm2。利用马氏过程模型,可以得到黄河口湿地2010年以后的湿地景观变化趋势：1）河流水面、苇地、滩涂和滩地减少；2）水库水面、非湿地面积、建设用地和旱地都明显增加。当达到稳定状态时（表5）,天然湿地面积仅存15 029.47 hm2,只占研究区总面积的6.8%；而人工湿地的面积为42 257.9 hm2,其面积将占研究区总面积的19.17%。图1显示了黄河口湿地中的13种不同类型的景观格局在1987年、2010年以及土地利用格局达到相对稳定时期的面积变化发展趋势。

图1 黄河口湿地不同时期湿地景观类型面积比例

4 结论与讨论

1）遥感影像数据和GIS技术结合,可以有效地计算湿地类型之间相互转化的概率信息,结合应用空间马尔柯夫概率模型,可较为准确地预测一定时期内湿地的变化格局。

2）应用马尔柯夫模型预测结果表明,2010年以后,黄河口区域湿地的景观变化趋势为河流水面、苇地、滩涂和滩地减少,水库水面、非湿地面积、建设用地和旱地都明显增加；人工湿地正逐渐取代天然湿地而成为湿地内的优势景观,湿地的人工化程度严重,天然湿地正在遭到破坏,应采取措施加强湿地保护。

3）由于所得的资料有限,本文只对1987-2004年一个时段的湿地景观类型变化进行了动态分析,如有可能,应对几个时段同时进行对比分析,通过GIS技术绘制出湿地景观类型变化信息图谱。

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