遥感与GIS支持下的盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价

董张玉，刘殿伟，王宗明，任春颖，张 泠，汤旭光，贾明明，丁 智

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130012;2.中国科学院大学，北京 100049;3.天津市勘察院，天津300191)

近年来，生态环境稳定性与人类社会发展的不协调程度明显增加［1］，从而引起一系列的生态环境问题，如自然和人为因素引起的生境丧失与生境破碎化已严重影响到野生动物的生存与发展［2-3］。湿地水禽是湿地生态系统中重要的组成部分［4］，对维持湿地生态系统的稳定性具有重要的作用［5］。但人类高强度的农业开发使得湿地环境遭到严重破坏，同时，对湿地水禽的生存环境也造成了巨大的压力［6］。因此，为了恢复生态系统的稳定性，有效的保护湿地水禽，结合相关分析技术对湿地水禽栖息地适宜性进行评价具有重要的意义，也是当今研究的热点之一［7］。

国内外学者根据湿地的特征，结合湿地水禽栖息地对环境的需求，从水禽栖息地特征识别、适宜性分析和空间分布的角度开展了一些研究。最早在20世纪60年代末，采用栖息地适宜性指数作为衡量栖息地优劣的指标，但仅从整体上做出推断，而不能从空间格局特征的角度加以分析［8-10］。Hepinstall［11］等结合影像纹理特征和光谱值构建鸟类分布的预测模型，结果表明通过影像的纹理特征能反映植被和生境的异质性，从而可以预测物种的空间分布特征。在此基础上，孔博［12］等结合水禽的生态环境特征，采用土地利用、地形图、植被图等参数来评价建三江水禽栖息地的适宜性，并采用K-mean聚类算法确定适宜性等级，结果表明了该方法的有效性。田波［13-14］等采用面向对象的分割方法确定评价单元实现了崇明东滩迁徙鸟类生境适宜性分析。邹丽丽［15］等采用逻辑斯蒂回归模型对鹭科水鸟的栖息地进行适宜性评价，为栖息地适宜性分析提供参考。以往的研究对野生动物栖息地适宜性评价的进一步探索起到了重要推动作用，但普遍存在以下问题:首先，广泛地应用遥感信息提取和GIS空间分析技术，在大尺度上简单、直观、方便和准确的对栖息地适宜性进行分析［16］，能极大地提高适宜性评价效率，但目前此类研究相对较少;其次，评价因子的选取是适宜性分析的关键，但当前的研究很少结合水禽的生境环境进行指标因子的选取。

论文在前人研究的基础上，选择盘锦地区作为研究区域，以遥感和GIS为技术支撑，结合水禽栖息地的环境特征以及环境状况，选择影响水禽栖息的水源状况(河流密度和湖泊密度)、干扰条件(道路密度和居民点聚集度)、食物丰富度(NDVI)以及遮蔽物状况(土地利用)作为评价指标，采用层次分析法确定各因子权重，再结合GIS的空间分析手段，实现盘锦湿地水禽栖息地适应性的空间分析。从而为盘锦地区生物多样性的保护和生态环境的改善提供基础性的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

盘锦湿地位于松辽平原南部，东起大辽河口，西至大凌河口，位于 121°25'—122°31'E，40°39'—41°27'N，总面积3646.64hm2，处于辽河三角洲的核心地带(图1)。盘锦属暖温带大陆性半湿润季风气候，年平均气温8.6°C，年平均降雨量 631 mm。年日照时间在2700 h以上。区域地貌类型以冲积平原和潮滩为主，由于区内成土物质主要来源于河水携带的大量泥沙沉积，土壤以沼泽土、盐土、潮滩土为主。盘锦湿地植物区系属华北植物区，分布种类比较单一，主要由盐沼和耐盐植物组成，其中芦苇为优势种类［17］。盘锦湿地类型主要包括芦苇沼泽、管理苇田、香蒲苇田、滩涂、湿草甸、水稻田和虾蟹田，这些湿地中有白鹳、黑鹳、白尾海雕、白天鹅和丹顶鹤等国家一类保护的珍稀水禽，因此，盘锦是重要的水禽栖息地。

图1 研究区域示意图Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 数据来源及预处理

文章涉及的数据包括2010年研究区土地利用数据;河流、湖泊、道路密度数据;以及盘锦地区2010年TM(432)数据(图2)。

盘锦地区2010年土地覆盖数据采用面向对象分类的方法，由TM与中巴资源卫星CBERS遥感影像经人工目视解译得到。面向对象分类方法主要包括两个步骤［18］:影像分割和分类规则的设定。影像分割主要涉及分割尺度、形状权重等参数的设定。经过多次试验，本文具体分割参数选择如下:颜色(光谱)权重为0.8，形状权重为0.2，其中光滑度权重为0.9，紧凑度权重为0.1，分割尺度为10。盘锦地区土地覆盖分类规则主要包括:植被指数、亮度指数、形状比等。按照以上步骤，得到7种一级土地利用类型，分别为林地、草地、湿地、水体、人工表面、耕地以及裸地(图3)。经过野外采样点验证，得知盘锦地区各土地利用类型的总体精度约为91%，满足本研究的需求。表1显示了各类型面积及其占总面积比例，其中，耕地和湿地是区域内的主要地物类型，分别为 2028.35、713.20hm2，占区域总面积的75.18%，湿地主要集中分布于滨海地区，属于芦苇沼泽湿地。耕地分布于整个盘锦地区。区域内仅有少量的林地、裸地、草地。

图2 盘锦地区TM影像(432波段)Fig.2 TM image data(432 bands)for 2010in Panjin

图3 盘锦地区2010年土地利用现状图Fig.3 The land cover data for 2010 in Panjin

表1 盘锦地区2010年土地覆盖数据Table 1 The landuse data of Panjin in 2010

文中河流、湖泊、道路矢量数据从盘锦地区2010年土地覆盖数据提取得到，以上数据均被统一到同一坐标系和投影之下。所采用的投影为UTM投影，并采用全国统一的中央经线，中央经线为东经105°，所有数据都被统一成30 m×30 m栅格大小的Grid。

1.3 研究方法

1.3.1 适宜性评价流程

结合水禽栖息地对环境的要求，首先确定影响盘锦湿地水禽栖息地的评价因子，其次，采用层次分析法确定各因子权重，在此基础上，对各指标因子进行等级划分，再结合Arcgis空间分析进行叠加，得到盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价图。

考虑到定性数据和定量数据的标准化统一计算，对适宜性指数采用百分制形式(0—100)进行量化分级，即适宜性最好 (100—75)、适宜性良好(75—50)、适宜性一般(50—25)、适宜性差(25—0)等4个等级，最终确定适宜性最好、适宜性良好、适宜性一般、适宜性差4个等级，具体的流程如图4所示。

图4 盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价流程图Fig.4 The work flowchart for waterfowls habitat suitability analysis in Panjin

1.3.2 适宜性评价因子选取

评价因子选取是水禽栖息地适宜性评价的关键之一［19］。结合盘锦湿地的分布特点，针对水禽栖息地的环境特征，论文中盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价因子选取的原则:(1)选取对水禽有直接影响的因素，如食物丰富度、水源等;(2)由于盘锦区域尺度较小，对于影响水禽栖息地的气候等大尺度因素不作为评价因子。基于以上两个原则，选择直接影响水禽栖息地的水源状况、干扰条件、遮蔽物以及食物丰富度四个以及评价指标，其中，水禽栖息的一个重要影响因子是水源的充足，因此，水源状况是水禽栖息地的重要指标，选取河流密度、湖泊密度作为二级指标;干扰条件主要是人类活动的影响，以道路密度、居民点密度为二级指标;遮蔽物显示水禽躲避外来物种侵害的状况，选取土地利用类型为二级指标;食物丰富度也是水禽栖息的一个重要指标，水禽的食物来源主要是植物，因此选取NDVI作为二级指标。最终建立盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价的主要影响因子的指标体系。

1.3.3 评价因子权重确定

采用层次分析法确定各指标因子的权重，具体适宜性计算公式如下［20-21］:

其中，HIS为盘锦湿地水禽栖息地的适宜性;n为指标因子的个数，wi为指标权重，f为指标因子计算值。具体的因子权重如表2所示。

表2 盘锦湿地水禽栖息地各影响因子权重表Table 2 The weights of each factor for the waterfowls in Panjin

2 结果与分析

2.1 适宜性评价因子获取

采用GIS空间分析技术，获取盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价的指标因子，主要包括:水源状况(河流密度、湖泊密度)、干扰条件(道路密度、居民点密度)、食物丰富度(NDVI数据)以及遮蔽物(土地利用数据)。

(1)水源状况

水的充足是水禽栖息的基本前提，选择河流、湖泊密度作为水源状况，河流、湖泊数据由2010年土地覆盖数据提取得到，再通过Arcgis9.3的density功能得到盘锦地区河流、湖泊密度图(图5)。

(2)干扰条件

水禽栖息地主要是受人为干扰，人类活动频繁对栖息地影响较大，因此选取居民点和道路密度作为水禽栖息地适宜性的干扰条件因子，居民点和道路密度越大，水禽栖息地适宜性越差。居民点和道路数据由2010年土地覆盖数据提取得到。在ArcGIS 9.3数据处理平台下，利用Line Density命令分别生成居民点、道路密度图(图5)。

(3)食物丰富度

食物丰富度是另一个影响水禽栖息的重要因子。NDVI是一种典型的植被指数，能很好的反映植物生长状况，因此可以作为水禽栖息地的食物因子，NDVI值越大，表示作物越丰富，水禽食物来源越充足。NDVI具体的计算公式为:

其中，NIR为近红外波段;R为红波段。采用TM432波段提取NDVI(图5)。

(4)遮蔽物

遮蔽物主要是考虑水禽躲避其他物种的侵害，选择土地利用作为遮蔽物指标因子。就遮蔽物因子而言，土地利用中湿地的遮蔽效果最好;其次为耕地、草地;裸地最差。土地利用数据如图3所示。

根据各评价因子的结果图，结合湿地水禽栖息地的特征，对各适宜性评价指标因子进行等级划分，地类适宜度评价等级如表3所示，河流、湖泊、道路、居民点密度，NDVI等级划分如表4所示。

2.2 水禽栖息地适宜性评价

图5 盘锦水禽栖息地适宜性评价因子分布图Fig.5 The distribution plot of Panjin wetland habitat suitability evaluation factors

表3 盘锦湿地水禽栖息地适宜性分析各种地类适宜度评价表Table 3 The grading system of land covers for waterfowls

在以上适宜性评价因子计算结果的基础上，结合GIS的空间分析手段，实现盘锦湿地水禽栖息地适宜性评价。河流密度、湖泊密度图表示湿地水禽的水源状况，密度越大，水源越充足。道路密度和居民点密度表示人为的干扰条件，密度值与栖息地适宜性负相关。NDVI表征了水禽的食物来源，NDVI值与栖息地的适宜性呈现正相关。土地利用度表示了水禽栖息的遮蔽状况。不同指标因子以栅格象元为计算单元，根据不同因子的权重，进行加权叠加，最终得到水禽栖息地适宜性的空间分布，评价单元的结果值越大，表征适宜性越好。单元的值越小说明水禽栖息地适宜性越差。将计算结果同样按照评价等级指标划分为四级，即将水禽栖息地评价分为适宜性最好(100—75)、适宜性良好(75—50)、适宜性一般(50—25)、适宜性差(25—0)4个等级。在GIS的支持下，得到盘锦湿地水禽栖息地适宜性分析结果图(图6)。对各适宜性等级单元进行计算，分别得到适宜性等级的分布面积(表5)。

3 讨论

数据显示，盘锦湿地水禽栖息地的适宜性土地较多，几乎占区域总面积的一半，这与盘锦湿地的保护措施有关，大面积的自然芦苇湿地受到保护，人类干预少，适宜水禽栖息。但是为了进一步缓解人类生产的发展与生态环境安全之间的矛盾，还需进一步加强生物多样性的保护，维持区域生态系统的稳定。在实施湿地恢复、优化的建设中，需要科学合理的规划和制定退耕还林、还湿等政策，在促进农民改善生计方式的同时，尽可能的避免和消除人类活动给生态环境带来的压力［14］。

图6 盘锦地区水禽栖息地适宜性分级图Fig.6 The integrated classification plot of Panjin waterfowls habitat suitability evaluation

在水禽栖息地适宜性评价过程中，指标的选取是其中关键步骤之一，指标选取的合理性直接影响评价的结果。但是在实际的实验和操作过程中，不可能选取影响水禽栖息地的所有指标，因此，水禽栖息地适宜性评价指标的选取只能从合理性、可操作性以及重要性等方面来考虑，从而尽可能的降低主观选择指标对结果产生的误差。由于条件的限制，本文结合水禽栖息地与周边环境的关系，仅从水源状况、干扰条件、食物丰富度以及遮蔽物四个方面综合选取指标。采用更丰富的评价指标进行湿地水禽栖息地评价可能会获取更精确的评价结果。这也是进一步深入研究的重点。

在盘锦湿地水禽栖息地适宜性分析中，本研究主要侧重于水禽的自然生境分析，充分运用了遥感和GIS技术对栖息地的影响因子、评价单元以及适宜性进行计算，但评价的模型主要以线性层次分析模型为主。遥感和GIS以其独特的技术和数据处理能力，在湿地水禽栖息地适应性评价中发挥巨大作用。其中，遥感能为分析提高重要的数据源，GIS具有强大的空间分析能力，为数据处理、分析以及适宜性评价提供重要的数据处理工具。

盘锦地区是一个重要的水禽栖息地。近几十年来，由于自然和人为的影响，该地区土地覆盖经历了快速的变化和转变。大量的外界干扰给该地区引进了许多新的外来物种。土地覆盖的变化和外来物种的入侵湿地该区域内水禽栖息地适应性发生了很大的改变，因此，对盘锦地区水禽栖息地适宜性进行评价有利于区域内湿地的恢复和生态环境的改善。研究结果表明，四个等级的水禽栖息地适宜性在数量和空间分布上有很大的不同，这与该区域湿地的空间分布有密切关系。一些研究表明，由于农业活动的增加导致盘锦地区湿地退化和萎缩［17］。这对区域内水禽栖息地的适宜性有重要的影响。所以应采取相应的政策和措施来管理和控制现有水鸟的栖息地。证据表明，栖息地的丧失和破碎是生物多样性减少物种灭绝的一个重要原因［22］。本研究显示，盘锦地区水禽栖息地适宜性最好、适宜性良好的区域占总面积的47.10%。但这些斑块大部分比较破碎，分布比较零散。要想改变这一现状，首先，当地政府需要对水禽栖息地的恢复和重建引起高度重视。需要建立国家级、省级的湿地生态修复项目，并构建水禽廊道。其次，尽量限制人类活动对重要水禽栖息地的干扰和影响，从而很好的保护现有的栖息地。

4 结论

基于以上数据分析结果表明，盘锦湿地水禽栖息地适宜性最好、适宜性良好、适宜性一般、适宜性差 的 面 积 分 别 为 803.79，913.47，905.29，1023.65hm2，其中，水禽栖息地适宜性最好、适宜性良好的区域分别为803.79，913.47hm2，占总面积的47.10%，此数据表明，盘锦地区水禽栖息地适宜性较好。集中分布在滨海的湿地区，以及河流、湖泊周围。

(1)适宜性最好

主要分布于滨海地区的大片芦苇湿地内部以及河流、湖泊等水源与食物比较充足的地区，这些区域极其适合水禽类生存。少部分分布于耕地中间。适宜性最好的区域面积为803.79hm2，占区域总面积的22.04%，其地势平坦、水源充足、有大面积的芦苇沼泽湿地及河滩地，区域内人口稀少，很少有村庄及道路设施干扰，为水禽提供了良好的觅食、隐蔽和繁殖场所。适宜性最好区域一般为水禽高度集中的区域，区域内人为干扰少，斑块比较集中，破碎度较小［12］。

(2)适宜性良好

临近适宜性最好的区域，处于栖息地适宜性最好的缓冲区，耕地低产区域，该区域内居民点相对比较分散，面积为913.47hm2，占总用地的25.05%。分布区域与适宜性最好区域大致相同，还包括一些农田护林带以及海岸带附近。在盘山县、大洼县境内的甜水、胡家、东郭等地区湿地分布集中、面积大，周围有部分的开垦，但受人为干扰相对较少，而且其处在地形、地貌和水文条件等有利位置，生态敏感性良好，系统较为稳定性，外界的开发建设活动对它的影响不大，存留大量的适宜栖息地。

(3)适宜性一般

该等级主要是中产田区，全区拥有大量的农田分布，有部分的居民点，但是距离居民密集区还有一定距离，位于零散的村庄。面积为905.29hm2，占总用地的24.83%。该区抵抗外来干扰的能力较弱，同时生态系统服务功能价值一般，需要加强环境补偿措施和补水工程，水禽栖息地适宜性一般，应该严格控制人为干扰的强度，避免过度开发而破坏该区的水资源保护。

(4)适宜性差

适宜性差的区域主要包括高产农田区，位于道路和居民密集区及其缓冲地带，受人为干扰力较强，对生态敏感性很弱，生态系统稳定性差。面积为1023.65hm2，占总用地的28.07%。主要分布在盘锦中部的城镇地带。

文章选择辽河三角洲的核心地带盘锦地区作为研究区，应用层次分析法和GIS空间分析技术进行水禽栖息地适宜性评价。结果显示了盘锦地区水禽栖息地适宜性的空间分布，同时能为盘锦湿地保护建设工程和有效的适宜性规划提供科学的评价手段，也为生物多样性的可持续发展提供借鉴。

［1］Cai Y M，Dong Z X，Deng H D.Review about Proceedings of Land Use Planning in FAO.Progress in Geography，2005，24(1):70-78.

［2］Xie F J，Xiao D N，Li X Z.Research on Post-fire Restoration of Sable.S Habitat Suitability and Landscape Pattern in the Northern Greater Hing an Mountains.Chinese Journal of Zoology，2006，41(1):60-68.

［3］Daniel G，Timothy G，Ulrike Z，2006.GIS-based modeling of spawning habitat suitability for walleye in the Sandusky River，Ohio，and implications for dam removal and river restoration.ecological engineering，28，311-323.

［4］Li X H，Ma Z J，Li D M，Ding C Q，Zhuo T Q，Lu B Z.Using resource selection functions to study nest site selection of crested ibis.Biodiversity Science，2001，9(4):352-358.

［5］Zhang Y H，Deng W，Zhang S W.The spatial structure analysis of the red-crown cranes habitat in Xianghai national nature reserve based on RS and GIS techniques.Acta Ecologica Sinica，2006，26(11):3725-3731.

［6］Weiers S，Bock M，Wissen M，Rossner G.Mapping and indicator approaches for the assessment of habitats at different scales using remote sensing and GIS methods.Landscape and Urban Planning，2004，67:43-65.

［7］Wilsey C B，Lawler J J，Cimprich D A.Performance of habitat suitability models for the endangered black-capped vireo built with remotely-sensed data.Remote Sensing of Environment，2012，119:35-42.

［8］Fish U S， Wildlife Service.North American Waterfowl Management Plan:A Strategy for Cooperation［N］.Washington，DC，1986.

［9］Christian G，Alessandro M，Diego K，Rodolphe S.A Wolf Habitat Suitability Prediction Study in Valais(Switzerland).Landscape and Urban Planning，2001，55:55-65.

［10］Osborne P E，Alonso J C，Bryant R G.Modelling landscape-scale habitat use using GIS and remote sensing:a case study with great bustards.Journal of Applied Ecology，2001，38:458-471.

［11］Hansen A J，Neilson R P，Dale V H，Flather C H，Iverson L R，Currie D J，Shafer S，Cook R，Bartlein P J.Global Change in Forests:ResponsesofSpecies， Communities， andBiomes.BioScience，2001，51(9):765-779.

［12］Kong B，Zhang S Q，Zhang B，Li X F，Yu H.Habitat suitability evaluation for waterfowls used-land based on RS and GIS.Journal of Remote Sensing，2008，12(6):1001-1009.

［13］Tian B，Zhou Y X，Zhang L Q，Yuan L.Analyzing the habitat suitability for migratory birds at the Chongming Dongtan Nature Reserve in Shanghai， China.Estuarine， Coastaland Shelf Science，2008，80，296-302.

［14］Tian B，Zhou Y X，Zhang L Q，Ma Z J，Yang B，Tang C D.A GIS and remote sensing-based analysis of migratory bird habitat suitability for Chongming Dongtan Nature Reserve，Shanghai.Acta Ecologica Sinica，2008，28(7):3049-3059.

［15］Zou L L，Chen X X，He Y，Li X，He Z J，Assessment of ardeidae waterfowl habitat suitability based on a binary logistic regression model.Acta Ecologica Sinica， 2012， 32(12):3722-3728.

［16］Pelayo A，Vanesa A，Jorge C，et al.Habitat Suitability Modelling Reveals a Strong Niche Overlap Between two Poorly Known Species，the Broom Hare and the Pyrenean Grey Partridge，in the North of Spain.Acta oecologica，2007，31:174-184.

［17］Xu L L，Zhang Y S，Chen P S，Mao L X.Analysis on the Changing Characteristicsand Influencing FactorsofPanjin Wetland During the Past 20 Years.Journal of Nature Resource.2009，24(3):483-490.

［18］Baatz M，Schäpe A.Multiresolution segmentation-an optimization approach for high quality multi-scale image segmentation.Angewandte Geographische Information sverarbeitung XII.Wichmann-Verlag，Heidelberg，2000，12-23.

［19］Hirzel A，Guisan A.Which is the optimal sampling strategy for habitat suitability modeling.Ecological Modelling，2002，157:331-341.

［20］David F，Ludwig T J，2006.Habitat equivalency in urban estuaries:An analytical hierarchy process for planning ecological restoration.Urban Ecosys，9，265-290.

［21］Stow D，Hamada Y K，Coulter L，Anguelova Z.Monitoring shrubland habitat changes through object-based change identification with airborne multi-spectral imagery.Remote Sensing of Environment，2008，112:1051-1061.

［22］Smith D F， Litvaitis J A.Foraging strategies of sympatric lagomorphs:Implications for differential success in fragmented landscapes.Canadian Journal of Zoology， 2000， 78(12):2134-2141.

参考文献:

［1］蔡玉梅，董柞继，邓红蒂.F AO土地利用规划研究进展评述.地理科学进展，2005，24(1):70-78.

［2］解伏菊，肖笃宁，李秀珍.大兴安岭北坡火后紫貂冬季生境适宜性与景观格局的恢复.动物学杂志，2006，41(1):60-68.

［4］李欣海，马志军，李典谟，丁长青，翟天庆，路宝忠.应用资源选择函数研究朱鹮的巢址选择.生物多样性，2001，9(4):352-358.

［5］张艳红，邓伟，张树文.向海自然保护区丹顶鹤生境结构空间特征.生态学报，2006，26(11):3725-3731.

［12］孔博，张树清，张柏，李晓峰，于欢.遥感和GIS技术的水禽栖息地适宜性评价中的应用.遥感学报，2008，12(6):1001-1009.

［14］田波，周云轩，张利权，马志军，杨波，汤臣栋.遥感与GIS支持下的崇明东滩迁徙鸟类生境适宜性分析.生态学报，2008，28(7):3049-3059.

［15］邹丽丽，陈晓翔，何莹，黎夏，何执兼.基于逻辑斯蒂回归模型的鹭科水鸟栖息地适宜性评价.生态学报，2012，32(12):3722-3728.

［17］徐玲玲，张玉书，陈鹏狮，毛留喜.近20年盘锦湿地变化特征及影响因素分析.自然资源学报，2009，24(3):483-490.