基于Landsat的黑龙江省大庆市湿地分布时空动态研究

蔡卓岐　田艳林　王宗明　于　皓

（1 内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特010021；2 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春130102）

遥感技术具有观测范围广、信息量大、获取信息快、可比性强等优点，是当前在区域尺度上大范围、多分辨率、多时相、动态监测湿地变化的唯一可行手段（Shanmugam et al,2006）。面向对象的遥感分析应用技术是一种新兴的技术，其研究进展和遥感技术、GIS技术研究水平与计算机技术水平相关，国外研究大概有十多年的历史，国内相关研究主要是跟踪国外进展开展的应用研究。谢静等（2014）基于多时相HJ-1A/1B卫星CCD影像，利用面向对象的分类方法，对东北地区三江平原北部湿地进行信息提取并分析了景观格局季相变化。李慧颖（2015）以Landsat 8 OLI和HJ-1 CCD影像为数据源，利用面向对象方法，分析了2013年三江平原北部洪水对沼泽湿地景观的影响。Yong Nie等（2011）基于Landsat影像，利用面对对象分类方法，提取1976年、1988年和2006年珠穆朗玛峰临近的湿地，分析了湿地的分布和气温的变化对湿地的影响。Landmann等（2010）利用MODIS影像数据对非洲半干旱地区的湿地类型进行分类并获取其时空变化信息。

黑龙江省大庆市地处松嫩平原，由于地势低平，形成了广阔的湿地，大庆市湿地具有两大特征：面积大；发育较成熟，类型齐全。大庆市湿地对调控流域水资源、维系流域水生态健康、调节水质的作用不可替代（文波龙等,2010）。近些年随着城市化发展、道路拓建、耕地开垦（徐长君等,2009），导致大庆市湿地面积减少，湿地生态功能退化，生物多样性受损（王继富等,2004）。因此，及时准确地掌握和研究湿地资源的现状和动态变化对湿地的合理开发和保护有着重要的意义。目前对于大庆湿地的监测并不充分，长时间序列的湿地动态分析尚不多见。本文以

Landsat TM/OLI遥感影像为数据源，结合GIS技术及景观生态学方法，分析得到大庆湿地25年间的时空变化特性，综合自然因素和人类活动因素，以定性和定量分析相结合的方法，探讨大庆市湿地动态变化的驱动机制，为湿地保护、利用和生态恢复提供科学依据。

图1　研究区示意图Fig. 1 Location of the study area

1　材料与方法

1.1　研究区概况

大庆市（45º46′～ 46º55′N，124º19′～ 125º12′E）位于黑龙江省西部，松辽盆地中央坳陷区北部，东与绥化地区相连，南与吉林省隔江相望，西部、北部与齐齐哈尔市接壤，总面积21 219 km2（图1）。大庆市行政区划包括5区、3县和1个自治区。年平均气温3.7℃，极端最高气温39.8℃，极端最低气温-39.2℃；年均风速3.0 m/s，年降水427.0 mm，具有大陆性强、温差大、季风性明显、降水量少的特点。海拔高度126～165 m，由北向南渐低。

1.2　数据来源及预处理

本研究选择1990年、2000年的Landsat TM和2015年Landsat OLI，且对湿地区域云覆盖不超过5%的多时相（6-9月）遥感影像作为数据源，分辨率均为30 m×30 m。在ERDAS平台上对遥感影像进行辐射定标，然后用“6s”模型完成大气校正；再以大庆市1∶5万地形图为基准图件，校正影像，选取确定的控制点，建立几何纠正模型，经二次多项式变换后将均方根误差控制在0.5个像元之内，重新采样得到矫正后的影像；最后利用ArcGIS软件，选取研究区矢量边界对影像进行裁剪，获得研究区范围内1990年、2000年和2015年的影像。

1.3　研究方法

1.3.1基于遥感技术的湿地分类系统 根据湿地分类系统，将大庆湿地划分为天然湿地和人工湿地两大类。天然湿地包括草本湿地、河流和湖泊，其中草本湿地几何形状明显呈不规则状，影像纹理细腻，湖泊和河流几何特征明显，呈现自然形态。人工湿地包括运河/水渠、水库/坑塘。其结构较为均一，几何特征明显，边界清晰，大庆市典型湿地的影像特征如表1。

表1　大庆市湿地类型及影像特征Table 1 The types and image characteristics of wetland in Daqing

1.3.2面向对象的遥感影像分类方法 与传统基于像元且仅依据像元光谱值进行分类的方法不同，面向对象的影像分类方法是把遥感图像中具有相近光谱信息、形状特征和上下文特征的像元聚类为一个目标对象，以目标对象为基础单元进行分类，提高分类精度（黄威等,2014），面向对象分类方法步骤主要有影像分割、构建分类规则和精度验证。

影像分割是根据需求，选定一些特征，将影像分割成不同类的区域，在同类的区域内，影像具有相似的特征性质，在不同类的区域内，影像有明显的差异特征（葛宏立,2004）。本研究基于遥感分类软件eCognition 8.64平台，依据分割效率最高原则对影像进行分割，参数反复修改，多次试验，最终确定分割尺度为50，颜色、形状、光滑度和紧致度权重值依次设置为0.7、0.3、0.6和0.4。

在分类过程中，基于对典型地物的光谱特征、纹理特征和形状特征分析，构建根据标准假彩色合成的监督分类和基于归一化差分植被指数的分类规则集，来提取研究区的湿地分布信息。利用规则集提取的遥感影像信息与实际地物有一定的差别，因此本研究在利用规则集分类后，再结合人工目视解译来完善分类结果，提高分类精度。

采用误差矩阵法对湿地提取结果进行分类精度验证。本研究中，利用野外选取的验证点和从Google Earth中的验证点（共103个）作为验证依据，进行精度验证。

1.3.3景观指数计算 本研究在斑块类型级别和景观级别尺度上，选取斑块类型面积、斑块平均面积、最大斑块指数、多样性指数、斑块密度和景观分离度6个景观类型指数（表2），运用fragstats 4.2软件来定量描述大庆市湿地景观格局的变化。

表2　景观指数计算公式及描述Table2　Calculation formula and description of landscape index

图2　大庆湿地1990年、2000年和2015年空间分布图Fig. 2 The spatial distribution of wetland in Daqing in 1990, 2000, and 2015

2　结果与分析

2.1　大庆湿地斑块面积及形状变化趋势分析

基于面向对象分类方法提取的湿地信息总体精度为95%，不同湿地类型分类精度均在90%以上，kappa系数为0.94，大庆湿地分布信息如图2所示。大庆湿地广布于整个研究区，天然湿地主要分布于大庆的西部，人工湿地主要分布在大庆的东北部和西南部。1990-2000年，大庆西南部天然湿地面积减少，东北部人工湿地面积有小幅度的增加。2015年研究区西南部天然湿地面积有恢复的趋势，东北部人工湿地大面积增加。

统计分析得到多年湿地总面积、天然湿地和人工湿地面积，1990-2015年大庆湿地总面积呈先减少后回升的趋势。其中1990-2000年湿地总面积以平均每年0.66%的速率缩小，减少了348.63 km2，2000年湿地总面积值最小，共计4 918.74 km2。2000-2015年，湿地面积有所增加，以平均每年0.23%的速度缓慢增长，2015年湿地总面积为5 091.20 km2。天然湿地的波动幅度远大于人工湿地，其面积变化影响着湿地总面积的消涨。天然湿地占湿地总面积的90%以上，其中1990年所占比例高达96.37%。人工湿地面积远小于天然湿地，自1990年到2015年，人工湿地处于持续增长趋势，1990年人工湿地面积值最小，之后缓慢增长，2015年人工湿地面积达到峰值，共计365.27 km2，2000年人工湿地面积是2015年的54.61%。总体看来，近25年来大庆市天然湿地面积波动较大，其中1990年面积最大为5 076.31 km2。

计算各湿地斑块类型的面积得图3(a)。草本湿地面积1990年为3 080.11 km2，2000年面积值最低为2 977.39 km2，10年间缩减了3.34%，此后面积逐渐恢复，到2015年面积最高为3 228.34 km2。运河/水渠面积增加明显，1990年面积为13.40 km2，2015年面积达到最大值，为336.49 km2。水库/坑塘和河流湿地变化趋势与运河/水渠变化趋势相反，1990年面积分别为181.91 km2和342.18 km2，2015年面积达到最小值，分别为24.73 km2和225.70 km2，相比1990年减少了86.40%和34.04%。湖泊湿地面积变化波动不大。

图3(b)为斑块平均面积变化情况，从图中可以看出湖泊斑块平均面积有明显的变化，其中2015年达到峰值4.19 km2，2000年达到最低值2.76 km2；草本湿地斑块平均面积最大，最高值为2015年的5.25 km2；河流湿地平均面积最小值为2015年的1.93 km2；运河/水渠和水库/坑塘平均面积变化不大。

最大斑块指数(LPI)的变化幅度从侧面反映了人类对湿地的干扰程度。从图3(c)可以看出几种湿地景观类型的最大斑块指数，排名前两位的是天然湿地的湖泊和草本湿地。1990-2015年，湖泊、水库/坑塘和运河/水渠变化幅度较大，说明这三类湿地景观受人类活动的干扰较大。

图3　大庆市各湿地类型面积（a）、斑块平均面积（b）和最大斑块指数（c）Fig. 3 Patch area (a), average area (b), and largest patch index (c) in Daqing

2.2　大庆湿地类型组成变化分析

大庆湿地组成中，草本湿地、湖泊和河流湿地所占比例较大，占湿地总面积的92.83%～96.37%。草本湿地占58.46%～63.69%，是大庆湿地的主要构成类型；湖泊湿地占总面积的24.93%～31.65%，成为大庆湿地除草本湿地外的优势类型（表3）。人工湿地占比不大，约占湿地总面积的3.63%～7.17%，但却发挥着独特的作用。

表3　1990-2015年大庆市各湿地类型面积所占比例变化 %Table 3 Proportional changes of wetland types in Daqing from 1990 to 2015 %

2.3　大庆湿地景观格局动态分析

由表4可以看出，1990-2015年大庆市湿地斑块密度呈先上升后下降的趋势，其中2000年斑块密度最大，2015年斑块密度最小，说明1990-2000年大庆市湿地景观破碎度呈上升趋势，并在2000年达到峰值，自2000年开始，在2015年景观破碎化达到最小。1990-2015年大庆湿地多样性指数呈下降趋势，1990年达到最高值，为0.56，说明1990年大庆湿地斑块类型最丰富，景观丰富度最高，到2015年多样性指数发生明显变化，并呈下降趋势，表明大庆湿地斑块类型逐渐趋于单一，景观丰富度降低。

表4　大庆市湿地景观斑块密度、景观分离度和景观多样性指数Table 4 Patch density, landscape isolation degree and diversity index of wetland landscape in Daqing

2.4　驱动力分析

2.4.1自然因素 自然因素对湿地资源的影响主要表现在降水和温度两个方面，主要通过补给量和蒸散量的变化影响湿地动态变化。1990-2000年，气温变化幅度不大，降水量减少，湿地的直接降水补给受到限制，因此造成2000年湿地面积和数量的减少。2000-2015年间，气温下降，降水量有明显的上升。湿地的降水补给能力被显著的提高，同时，气温的大幅下降使湿地自身的蒸发量减少，水分补给来源有所增加，因此2000-2015年间湿地面积有明显增加。

2.4.2人类活动因素 人类活动也影响着湿地的变化，本研究选择人口、社会经济2个因素对湿地面积进行分析。1990-2015年间，大庆市人口和GDP持续增长，随着人口的增长、人们生活水平的提高以及城镇化建设，对湿地产生两方面影响：①对农产品的需求数量在日益增加，致使耕地面积不断扩大，为满足这一需求增加量，湿地大面积地转化为耕地 ；②地表水的引用和地下水开采的量迅速上升，增加了水库/坑塘和运河/水渠的修建数量。

20世纪50年代至80年代，受“湿地无主，谁用谁有”观念和粗放的经济发展模式的影响，为增加经济效益和粮食生产量，人们将湿地开垦为农田，导致研究区天然湿地减少（刘畅等, 2017）。直到1992年中国加入《湿地公约》后，政府部门将工作重心做了调整，从湿地开发调整到湿地保护，出台了一系列如《黑龙江省湿地保护条例》等法律法规，增强了人们的保护意识。

3　结论

本研究以1990年、2000年的Landsat TM和2015年的Landsat OLI 影像为数据源对大庆的湿地资源进行监测制图和变化驱动力分析，研究表明：大庆市现有湿地面积5 091.20 km2，在气温、降水、人口、GDP和政策的影响下，1990-2015年大庆湿地呈先下降后上升的趋势。1990-2000年，由于降水的减少和人口的增长导致湿地总面积呈减少趋势，其中天然湿地减少了357.04 km2，人工湿地增加了8.42 km2，景观破碎度上升，丰富度下降。2000-2015年间，由于气温降低、降水量和人口用水的增加，湿地面积呈上升趋势，其中天然湿地增加了6.66 km2，人工湿地增加了165.80 km2。因此，今后应加强大庆湿地的保护和管理，增强公众保护湿地的意识，保护天然湿地，提高湿地景观的丰富度。