基于高分辨率卫星遥感影像的2003-2009年崂山自然保护区景观格局动态变化分析

崔文连，郭 黎，刘善伟, 王艳玲

(1.青岛市环境监测中心站， 山东 青岛 266003； 2.中国石油大学(华东)， 山东 青岛 266580)

崂山自然保护区属于暖温带森林生态系统，保护区内生物区系过渡特征明显，生物多样性丰富，分布有50余种国家一二级保护动植物，具有较高的自然生态保护和科研价值，2000年被确定为省级自然保护区。保护区开放旅游观光，且青岛市城市扩展剧烈，导致保护区内的生态系统面临挑战。因此，开展崂山自然保护区的遥感监测和生态分析，对于保护区的经济、社会和环境的可持续开发具有重要意义。

针对景观格局动态变化的研究工作已成为当前景观生态领域的热点，国内外许多学者逐步建立了一套较为成熟的景观模型和分析方法，并在行政区域或地域上进行了较广泛应用[1-4]。近年来，已有国内人员在崂山自然保护区陆续开展研究工作。李广海利用1983、1991和2001年三年的土地利用现状图对崂山森林群落进行了生态评价分析[5]；窦勇利用1984、1989、1995、2000、2002、2009年六期美国陆地卫星Landsat影像，研究了青岛市海岸线和滩涂利用变化，并结合其它资料分析了生态健康情况和变化[6]；刘林等基于1990、1997、2002、2008年四期Landsat遥感影像, 利用遥感二分像元估算模型和归一化植被指数研究了青岛市崂山区植被覆盖度演化过程及其时空动态变化特征[7]；王亚平以2009年青岛市遥感影像为基础，编制了青岛市景观生态分类图，计算了景观结构指标[8]。

综上，遥感技术已经成为生态景观格局研究的重要数据获取途径，上述研究以应用Landsat影像为主，分辨率较低，无法获取详细的景观特征，且研究范围多为青岛市或崂山林区，研究成果无法体现保护区的景观格局状况。鉴于此，本文采用2003和2009年的高分辨率遥感影像，开展崂山自然保护区的遥感监测，并进行景观格局动态变化分析。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域

崂山自然保护区位于山东半岛南部黄海之滨，划分为三个功能区：核心区、缓冲区和实验区。核心区分布于崂山林场内，占保护区总面积的 16.74%；为了更好地保护核心区内珍稀、濒危动植物和森林生态系统，避免外界人为的影响和干扰，在核心区外围划出l 000 m左右的地带作为缓冲区，占保护区总面积的19.36%；实验区位于缓冲区外围，其功能是有计划地开展科研、教学、参观考察、各种经营和旅游等活动，占保护区总面积的63.90%。本文研究区域涵盖崂山保护区的核心区、实验区和缓冲区，如图1所示。

图1 崂山自然保护区地理位置及功能区分布Fig.1 Location of the Laoshan Nature Reserve

1.2 遥感数据

本文采用的高分辨遥感影像为2003年的法国地球观测卫星SPOT-5融合影像(空间分辨率2.5米)、2009年的德国对地观测卫星RapidEye影像(空间分辨率5米)。上述影像在研究区域无云覆盖，图像质量良好，如图2所示。

2 研究方法

2.1 生态系统分类体系建立

根据崂山自然保护区生态系统特点，建立该区域的生态系统分类体系，如表1。

2.2 景观类型信息提取

生态系统景观类型信息提取是进行景观格局分析的基础环节。以2003年SPOT-5融合影像和2009年RapidEye影像的地物为准，参考Google Earth，人机交互提取2003年和2009年保护区的各个生态系统类型，分类专题图比例尺能够达到1∶50000，满足保护区生态系统景观格局分析的需求，如图3。

图2 遥感影像Fig.2 Satellite images

图3 生态系统景观分类专题图Fig.3 The matic map of the landscape classification of the ecological system

2.3景观格局指数选取本文从景观类型的结构组成、空间配置等方面来分析崂山自然保护区景观格局的动态变化特征，在描述以上特征时，分别选取了以下指标：1)描述结构组成的指标：斑块类型面积(CA)、斑块所占景观面积的比例(PLAND)、丰富度(PR)、香农多样性指数(SHDI)；2)描述空间配置的指标：斑块总数(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块大小(MPS)、景观破碎度(LFI)、景观连通度(COHESION)和聚集度(AI)[9]。

3 动态变化分析

根据研究区域内2003和2009年的生态系统景观类型提取结果，从景观结构组成、景观类型面积变化、景观类型空间配置等方面来研究崂山自然保护区生态系统景观格局的动态变化过程。

3.1 景观结构组成特征变化

景观结构的组成特征主要包括各景观类型占景观总面积的百分比，以及各景观类型面积分配的均匀程度(即多样性)。

3.1.1 景观类型面积变化分析

表2给出了2003年和2009年研究区不同生态系统景观类型的面积和百分比。从景观类型所占比重看，针阔混交林最大、旱地次之，其它类型所占比重都较小；从面积变化情况看，针阔混交林和旱地的面积呈减少态势，而居住地、工业用地和交通用地则增加明显，其它景观类型的面积基本没有改变。上述结果表明城市化进程已经影响到了保护区的生态系统。

表3给出了2003年和2009年核心区、缓冲区和实验区各景观类型所占面积和百分比。核心区各景观类型的面积在2003年到2009年期间没有变化，说明对核心区保护效果较好。在缓冲区的景观类型中，针阔混交林所占比重最大，旱地比重次之，其它类型所占比重都较小；十年间，针阔混交林和旱地的面积都在减少，居住地和工业用地面积则有所增加，其它景观类型的面积基本没有改变。在实验区的景观类型中，针阔混交林所占比重最大，其次是旱地，其它类型所占比重都较小；十年间，针阔混交林和旱地的面积都在减少，居住地、工业用地和交通用地面积则增加明显，其它景观类型的面积在这期间基本没有改变。

表3 2003-2009年各功能区景观类型变化Tab.3 Area variability of landscape types in different functional zones (2003～2009)

3.1.2 景观类型多样性变化分析

崂山自然保护区总体和各功能区的景观丰度在2003年到2009年期间没有变化，即没有产生新的生态系统类型；而总体、缓冲区和实验区的景观多样性指数从2003年到2009年呈现出小幅度上升趋势，其景观内部各斑块类型面积分配比例趋向均衡，核心区的多样性指数在十年间没有变化(见表4)。

3.2 景观类型空间配置特征分析

景观类型的空间配置特征，包括斑块与斑块之间以及同一类型斑块之间的空间关系，往往能够影响这些斑块之间的生态功能联系。2003年到2009年，崂山自然保护区整体的景观斑块数量、斑块密度和破碎度增加，平均面积、连通度和聚集度则下降(表5)，这表明景观内部各斑块破碎化程度加重，趋向小块离散分布。从各功能区来看，上述变化主要发生在缓冲区和实验区，而核心区的各项指标均没有改变。

表4 2003-2009年崂山保护区景观多样性指数变化Tab.4 Variability of the landscape diversity index in the Laoshan Nature Reserve (2003～2009)

表5 研究区景观空间配置总体特征变化Tab.5 Statistics of the landscape spatial pattern characteristics

3.3 变化驱动机制分析

2003年到2009年间，崂山自然保护区核心区基本没有发生变化，说明保护效果较好；缓冲区和实验区则呈现出一定的城市扩张态势，变化剧烈，其中居住地、工业用地和交通用地增加，农田减少，而林地基本没有发生变化，这表明在城市扩张的同时，森林得到了有效的保护。

人类活动一直以来都是影响景观变化不可忽视的营造力，主要表现在于研究区内工业用地、居住地和交通用地等方面。人口的压力导致人类对住房的需求不断增强，从而对保护区内的耕地构成威胁，影响研究区景观变化的最主要因素是人为驱动力。2007年6月青岛市委市政府调整风景区管理机构，组建了新的青岛市崂山风景区管理委员会，主要负责崂山风景区工作的组织、指导、协调和监督；后来在此基础上组建了青岛市崂山风景区管理局，但该局只负责自然保护区核心区和缓冲区内风景名胜资源的保护、利用和统一管理，实验区处于无专门部门管理状态，这也是实验区变化较大的主要原因。

4 结论

1)崂山自然保护区的生态系统景观类型包括针阔混交林、水库/坑塘、水渠、旱地、居住地、工业用地、交通用地、稀疏植被、裸岩、裸土、沙地等，其中针阔混交林所占比重最大、旱地次之、其它都较小。2003年到2009年间，针阔混交林和旱地的面积减少，居住地、工业用地和交通用地等与人类活动关系密切的景观类型增加。

2)2003年到2009年间，崂山自然保护区整体生态系统类型并没有增加，景观内部各斑块类型面积分配比例趋向均衡；核心区基本保持不变；缓冲区和实验区景观斑块数量、斑块密度、破碎度和平均面积呈增加趋势，连通度和聚集度下降。

3)缓冲区和实验区的农田转化为居住地、工业用地和交通用地，其中实验区变化最为剧烈，主要受人为驱动力影响。实验区长期处于无监管状态，是其剧烈变化的最主要原因。

[1] FORMAN R T T. Some general principles of landscape and regional ecology [J]. Landscape Ecology, 1995, 10(3):133-142.

[2] 王根绪, 郭晓寅, 程国栋. 黄河源区景观格局与生态功能的动态变化 [J]. 生态学报, 2002, 22(10):1587-1598.

WANG Genxu, GUO Xiaoyin, CHENG Guodong. Dynamic variations of landscape pattern and the landscape ecological functions in the source area of the Yellow River [J]. Acta Ecologica Sinica, 2002, 22(10):1587-1598.

[3] 陈贵廷, 刘清泉, 叶生星, 等. 内蒙古多伦县景观格局动态变化分析 [J]. 草地学报, 2011, 19(2):207-214.

CHEN Guiting, LIU Qingquan, YE Shengxing,etal. Dynamic landscape pattern changes in Duolun [J]. Acta Agrestia Sinica, 2011, 19(2):207-214.

[4] 周云凯, 白秀玲. 近17 年鄱阳湖区景观格局动态变化研究 [J]. 生态环境学报， 2011, 20(11): 1653-1658.

ZHOU Yunkai, BAI Xiuling. Dynamic changes of landscape pattern in Poyang Lake region over the recent 17 years [J]. Ecology and Environmental Sciences，2011, 20(11):1653-1658.

[5] 李广海. 崂山国家森林公园森林景观格局动态研究 [D]. 泰安：山东农业大学, 2007.

LI Guanghai. Dynamics of forest landscape pattern of Laoshan National Forest Park [D]. Tai'an:Shandong Agricultural University, 2007.

[6] 窦勇. 基于RS、GIS调查资料的青岛市海岸带生态系统健康评价 [D]. 青岛：中国海洋大学, 2012.

DOU Yong. Ecosystem health assessment of Qingdao coastal zone based on RS、GIS and survey data [D]. Qingdao:Ocean University of China, 2012.

[7] 刘林, 马安青, 马启敏, 等. 滨海半城市化地区植被覆盖度的时空变化--以青岛市崂山区为例 [J]. 环境科学与技术, 2012, 35(1):178-183.

LIU Lin, MA Anqing, MA Qimin,etal. Spatial and temporal vatiations of vegetation coverage in coastal peri-urban area:a case study of Laoshan district [J]. Enviromental Science & Technology, 2012, 35(1):178-183.

[8] 王亚平. 青岛城市景观健康评价与空间结构优化 [C]. 地理学核心问题与主线--中国地理学会2011年学术年会暨中国科学院新疆生态与地理研究所建所五十年庆典论文摘要集, 2011:117.

WANG Yaping. Landscape health assessment and spatial structure optimization of Qingdao city [C]. The core problem and line in geography--The abstract set of the academic annual conference in 2011 of the Geographical Society of China and 50th anniversary celebration of Xinjiang Institute of Ecology and Geography Chinese Academy of Sciences, 2011:117.

[9] 郭泺, 薛达元, 杜世宏, 等. 景观生态空间格局：规划与评价 [M]. 北京：中国环境科学出版社(第一版), 2009, 4.

GUO Luo, XUE Dayuan, DU Shihong,etal. The spatial pattern of landscape:planning and evaluation [M]. Beijing:China Environmental Science Press (The first edition), 2009, 4.