基于遥感和GIS 的北京湿地生态服务功能评价与分区

苗李莉，蒋卫国，王世东，朱 琳

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875;2.北京师范大学资源学院，北京 100875;3.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875;4.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048)

0 引言

湿地与海洋、森林并称为地球三大生态系统。然而，全球湿地环境正在遭受着普遍性威胁，特别是人类胁迫强度最大的城市湿地正面临着最为严重的生态问题，城市湿地研究已日益受到重视［1－2］。目前，对湿地功能进行评价主要分为2个研究方向:①对湿地水文化学功能的评价，国外对湿地功能的评价研究较早，一般围绕具体的湿地管理目的而进行，针对性较强［3］;②对湿地生态服务功能的评价，Costanza等［4］利用价值量评价方法对全球湿地及其生态系统进行了货币化计算，认为世界湿地的生态服务功能价值约占自然生态系统服务总价值的45%。我国在湿地生态功能价值的评价研究上，大多引用国外的方法或借鉴其标准［5－8］，成果也较多［9－10］。

目前，尽管对湿地的功能评价已有综合性评价方法，但是其数据获取方式仍以传统直接观测或打分赋值为主，新技术应用研究明显不足;主流的价值量评价方法与模式在当今的社会经济发展形势下已暴露出多种不足［11］，大多数评估结果也仅仅作为参考，或者纯粹就只是一种学术行为［12］，其单纯的量化评价结果还难以和湿地管理有效结合;遥感与GIS技术在湿地生态服务功能方面的应用还主要限于对区域湿地生态服务功能价值的单纯定量评价［13－14］，缺少区域湿地生态服务功能的综合分区研究。

为了进一步加强对城市湿地资源的有效管理，需要从整体上把握城市湿地系统的状况。为此，本文基于现有的定量评价研究成果，充分发挥空间信息技术的优势，探讨适用于城市湿地生态服务功能综合评价的方法体系，并以北京地区的湿地为研究对象，综合遥感、基础地理、野外实测和社会统计等多源数据，借鉴千年生态系统评估(millennium ecosystem assessment，MA)中的概念框架［15］，利用湿地功能价值量评价方法，构建基于遥感与GIS 的城市湿地生态服务功能评价指标体系;综合层次分析(analytic hierarchy process，AHP)方法［15－18］和综合指数法，建立湿地生态服务功能综合评价模型;在GIS 技术支持下，分别从“调节”、“供给”、“文化”和“支持”4个功能类别及其功能综合，开展北京湿地功能的综合评价与分区研究。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

北京市总面积约1.6 万km2，地形西北高，东南低，山地与平原之间界线分明，属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温为11～13℃;年均降水量在600 mm 左右，主要集中在6—9月份，占全年降水量的80%～85%。北京自西向东主要有大清河、永定河、北运河、潮白河及蓟运河5 大河流;区内无天然湖泊，但有水库85 座，其中大型的有密云水库、官厅水库、怀柔水库及海子水库等。2010年之前，北京市辖有18个区(县)，包括城4 区(东城、西城、崇文和宣武)，朝阳、海淀、丰台和石景山4个近郊区以及昌平、大兴、门头沟、房山、通州、顺义、平谷、怀柔、密云和延庆10个远郊区县(图1)。根据2007年北京市湿地普查数据，全市湿地总面积510 km2，占全市总面积的3.13%，其中以人工湿地类型为主，约占全市湿地面积的85%。

图1 研究区区位图Fig.1 Location map of study area

1.2 数据源及其处理

本研究主要利用多源遥感数据、基础地理数据、湿地现场监测数据和社会经济统计数据。遥感数据为2001－05－19 和2007－05－28 的Landsat TM 遥感数据(轨道号为123/32，123/33)、2007年的航空遥感数据和SPOT Vegetation NDVI 数据，其中后2种数据则兼用作对相关指标(如湿地类型、湿地明水体分布与叶面积指数等)的反演;基础地理数据包括行政边界数据、DEM 数据、土地利用图和湿地普查数据等;湿地监测数据包括全市多年的水文、气象、土壤、水质数据，人文与社会经济统计数据等。

在遥感和GIS 技术支持下，选取研究区TM4(R)，3(G)，2(B)波段图像进行合成，并对照地形图进行几何纠正;依据研究区土地覆被类型图像的颜色、纹理、位置等特征，建立解译标志;采用决策树分类方法结合人工修正进行湿地信息提取;按照湿地分类体系将湿地分为河流、沼泽、蓄水区、水塘、水渠、采掘区和灌溉地7 种，并生成湿地分类图;选择一些典型的地点进行实地考查，对解译结果进行验证。应用误差矩阵计算出解译结果的总体分类精度为91.80%，符合精度要求。

2 研究方法

本研究的基本技术流程如图2 所示。

图2 综合评价与分区技术流程Fig.2 Flow chart of comprehensive assessment and zoning

2.1 指标体系的构建

2.1.1 指标因子的选择

在生态系统服务功能分类领域，得到国际广泛认可的功能分类系统是由MA 工作组提出的分类方法，即MA 分类体系［19］。该分类系统为区域生态系统评估提供了概念框架。基于此，按照指标选取的一般性原则，结合研究区情况，采用自上而下、逐层分解的方法，建立湿地生态服务功能评价指标体系，并明确了指标定义、指标特征、指标获取方式等内容。将研究区的湿地生态服务功能评价指标因子确定为4 大类12 小类，并在该指标体系中把湿地生态服务功能评价分为3个层次，每一个层次又分别选择反映其主要特征的要素作为评价指标(图3)。

图3 湿地生态服务功能综合评价指标体系Fig.3 Comprehensive assessment indices of wetland ecological service

2.1.2 指标信息的获取

在湿地功能评价时，以北京市18个区(县)为基本评价单元，湿地斑块为评价亚单元。在GIS 的支持下，应用湿地价值量评价方法对全市现有510 km2湿地进行不同类型生态服务功能的定量评价，各种评价指标的内涵和获取方式如表1 所示。

表1 湿地生态功能综合评价指标Tab.1 Comprehensive assessment index of wetland ecological service functions

为了实现湿地功能评价和管理的科学化、定量化，必须有一套量化的评价标准［20］。鉴于部分指标是以其特征因子来表征的，其含义可能有差异，为此，采用无量纲的极值归一化法将各类指标换算成［0，1］的量化范围，以便于实现指标间的加权处理。各指标的取值与湿地生态服务功能的对应关系为0时，代表生态服务功能重要程度最低，为1 时则其重要程度最高。

2.2 评价方法

2.2.1 指标权重的计算

由于城市湿地生态系统服务功能具有多层次结构的特点，故本文采用层次分析法(AHP)确定各指标的权重。评价指标体系按目标层、要素层和指标层3个层次构建其评判矩阵;采用专家评议法，结合文献［18］中的比例九标度法及准则的重要性判断，比较每一层指标对上一层的影响，每次都取该层的2个元素相互比较，对要素层的4个要素构建判断矩阵。总目标层(A)对要素层(B1，B2，B3，B4)各相关因子的判断矩阵见表2。

表2 中B13=2，其取值含义表示在对湿地进行生态功能评价中，北京湿地的“调节”服务功能相对于其生态“文化”功能而言，属稍微重要;B42=1/3则说明在湿地生态功能评价中，北京湿地“支持”功能相对于其生态“供给”服务功能重要性弱一些。计算比较判断矩阵的最大特征根及其所对应的特征向量，并对比较判断矩阵的一致性进行检验。进行一致性检验可通过计算一致性比例CR 来决定，即

表2 A—B 层各相关因子的判断矩阵Tab.2 Estimate matrix between the aim and synthesized evaluate layer

式中:CR 为计算一致性比例;CI=(R－N)/(N－1)为一致性指标;RI 为平均随机一致性指标;R 为判断矩阵的最大特征根;N 为比较判断方阵的阶数，也是该层次所含因素的个数。判断矩阵的一致性准则为:当CR ＜0.10 时，则判断矩阵有可以接受的不一致性;否则，就认为初步建立的判断矩阵是不能令人满意的，需要重新赋值、修正，直到一致性检验通过为止。

查“RI 取值表”可知，当RI=0.9，CR ＜0.1 时(表3)，该层次单排序的结果具有一致性。通过运算得出此判断矩阵的CR=0.02，可见，判断矩阵具有一致性，依此方法类推，分别对要素层、指标层构造出判断矩阵，通过层次分析得到各指标权重值(表3)。

表3 湿地生态服务功能综合评价指标因子的权重①Tab.3 Weights of comprehensive assessment indexes of wetland ecological service

2.2.2 综合评价指数的计算

本文采用加权求和方法构建湿地生态服务功能的综合评价指数，即

用以反映湿地综合服务功能的大小或强弱。式中:I 为生态服务功能综合评价指数，取值范围为0～1;n 为评价指标个数;Wi为第i个评价指标的权重;Si为第i个指标标准化后的值，i=1，2，…，12。

2.3 分区方法

在GIS 空间分析方法中，常用的等级划分方法有自然断点分级法、等间距分级法以及自定义间距分级法等。这些方法各有特点及其适用条件。考虑到自然断点分级法适用于非均匀的属性值分级，同时根据北京湿地功能综合评价值的数理统计分析获取的数学特征，本研究采用自然断点分级法对北京湿地功能的综合评价值进行分级评定，按照湿地功能的重要程度从低到高依次划分为4个等级:1 级为“一般重要性”，2 级为“比较重要”，3 级为“重要”，4 级为“最重要”。同时编绘出这4 类分区区域地理空间分布图，以便于直观表达北京湿地功能的现状。

3 结果与分析

通过上述流程，完成了北京市湿地生态服务功能重要性的单因子评价和综合因子评价，分别得出生态服务功能在“调节”、“供给”、“文化”和“支持”4个功能类别的重要性等级(图4(a)－(d))、服务功能的综合评价重要性等级(图4(e))及其不同等级分布面积的百分比(表4)。

图4 -1 湿地功能重要性分布Fig.4 -1 Importance of wetland ecological service

图4 -2 湿地功能重要性分布Fig.4 -2 Importance of wetland ecological service

表4 北京湿地功能各等级分布面积百分比Tab.4 Percentage of Beijing wetland ecological servical importance (%)

3.1 湿地功能类别重要程度格局

由以上评价结果可见，北京市湿地的“调节”和“供给”功能相对较强，“文化”功能次之，“支持”功能最低。这是因为，北京市湿地的主要类型是河流、蓄水区和池塘(湖泊)，再加上北京是我国著名的历史文化名城，因此其“文化”功能比较突出。

从图4(a)和表4 可以看出，在湿地的生态调节功能方面，远郊区(密云、门头沟和通州)的湿地为4级、居于“最重要”的优势地位，并且湿地面积占全市面积的44%;延庆、怀柔、平谷、大兴和房山的湿地为3 级、属“重要”地位，其面积占37%;昌平、顺义、海淀和朝阳则为“比较重要”;其他区为“一般重要”性湿地。除了湿地面积这一影响因素之外，湿地的蓄水调节指标在生态调节功能中影响较大(见表3)。密云县有面域相当大的水库，通州区和门头沟区不仅湿地资源密集，且湿地中的植被覆盖面积较大;城4 区、丰台和石景山多为景观湿地，虽然人工种植了很多树木和草地，但面积较小(4%)，其生态调节功能较为一般。

在湿地“供给”功能的重要性及其分布状况方面(图4(b)、表4)，从高到低的区县依次为:密云、通州和平谷、房山、延庆、怀柔、朝阳、其他区县。湿地“供给”功能中包含生物产品供给和水源供给2类指标，而后者对其功能的影响较大。密云有22%的湿地面积，密云水库是北京市居民最大的水源供给地，故密云的“供给”功能最强。另外，通州和平谷分布在北运河下游和蓟运河下游，湿地类型以水塘湿地为主，湿地植被丰富，且拥有大量的鱼塘，是北京水产品的重要产地，这2个区的重要性次之。

在湿地“文化”功能的重要性方面(图4(c)、表4)，城区的湿地优于郊区湿地。“文化”功能重要性的从高到低依次为:城4 区和海淀、延庆、朝阳和丰台，怀柔、密云、大兴、房山和石景山、其他区县。湿地“文化”功能包括旅游休憩指标和文化遗产指标，在这方面，海淀和城4 区的公园类水体较多，尽管其湿地面积只有3%，但这些湿地景区多为人们旅游休闲的名胜古迹，其功能和重要性不言而喻;朝阳和丰台的湿地面积虽然只占13%，但为近郊区，区位优势明显，在旅游休憩和改善居住环境中的作用比较大;延庆县有知名的野鸭湖湿地，常年吸引了大量游客，其功能重要性也是肯定的。其他区域的湿地知名度不高，缺乏区位优势，重要性较差。

北京湿地“支持”功能的重要性(图4(d))表现为郊区湿地优于城区湿地，山区湿地优于平原。“支持”功能重要性从高到低依次为:门头沟、怀柔、密云、平谷和通州、延庆、昌平和朝阳、其他区县。该项功能指标主要是防止土壤侵蚀，由于永定河上游位于门头沟地区，地处山区，地形坡度较大，土壤潜在侵蚀量大，而湿地的存在涵养了周边大量的湿生及干湿两生植物，使其实际侵蚀量很小，使得该地区的湿地支持功能明显。怀柔、密云和平谷拥有潮白河水系和蓟运河水系，而通州则有凉水河湿地群，湿地植被丰富，有利于土壤养分的循环，因此这些区县湿地的“支持”功能重要性也较明显。

3.2 湿地功能综合重要程度格局及建议

从北京湿地生态服务功能综合评价的空间分布图4(e)可见，密云湿地的重要性最大，平谷、通州、海淀和门头沟的湿地重要性居次，房山、城4 区、朝阳、延庆和怀柔的湿地重要性再次之，大兴、昌平、顺义、石景山和丰台湿地的重要性为一般。

上述研究分析成果可以作为北京市湿地科学、正确监管的决策依据。密云湿地为城市可持续发展提供了生态安全保障，其生态服务功能十分重要，应该做好湿地的培育和保护工作，严防湿地遭受破坏;湿地功能较为重要的其他地区具有约58%的湿地面积(表4)，其中大部分位于西部、北部和东北部的山区及丘陵地带，包括环境保护林、水土保持林、防风固沙林、水源涵养林等生态保护林地，以及野鸭湖湿地等重要的自然湿地，生态服务功能大，是北京市的生态涵养功能区，应严禁或限制湿地遭受破坏。位于人口密度大的城区和城镇高度开发区的湿地，不论从其面积还是生态服务功能的重要性而言，都是相当珍贵的，应该加强保护、恢复或重建等措施，提高湿地质量和生态服务功能。

对于湿地功能重要性最低的区县，可实行湿地资源开发利用和保护并行，在实现保护湿地资源与生态环境的同时，可在有效控制和科学指导下进行合理地开发，实现湿地的可持续利用。

4 结论

本文以北京市为研究区进行湿地生态服务功能的评价和分区研究，得出以下认识和结论:

1)根据千年生态系统评估(MA)分类体系及指标数据的空间信息可获取性，借助湿地价值量评价方法，建立了基于空间信息技术的湿地生态服务功能综合评价指标体系。

2)应用层次分析法(AHP)和综合指数方法，分别从“调节”、“供给”、“文化”和“支持”4个功能类别及其功能综合，对北京市的湿地生态服务功能进行了综合评价，揭示出湿地生态服务功能的重要性等级分区和空间分布状况。结果是:密云湿地的调节和供给功能的重要性最为突出，居于最高级别(4级);大兴、昌平、顺义、石景山和丰台的湿地面积较小，湿地公园特色不突出，其功能重要性属于最低级(1 级):其他区县的湿地生态服务功能重要性为2，3 级。

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