基于GF-1和Landsat/TM遥感数据的达里诺尔自然保护区近10年景观动态分析

彭秀清，银 山,2，秦福莹，王艳琦，郭连发

（1.内蒙古师范大学 地理科学学院；2.内蒙古师范大学 内蒙古自治区遥感与地理信息重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022）

1 引言

21世纪中国景观生态学的发展进入了创新和独立思考的阶段，景观生态学主要研究景观类型的动态变化特征及生态过程和空间格局之间的相互作用[1-2].景观格局是自然和人类双重驱动作用下形成的，同时也是景观生态学研究的重点和热点[3]，而景观指数是描述景观格局和变化及其之间的联系，也是研究景观生态学的定量分析方法.目前国内外现有的景观动态变化研究，学者大多采用RS和GIS与景观指数相结合的手段进行定量和定性分析，顾丽[4]等、丁晓辉[5]等、周锐[6]等、段翰晨[7]等基于RS和GIS技术分别对湿地、城市、耕地、沙漠等景观格局作了动态分析，在此基础上国外学者通过建立景观动态模型对景观进行优化设计，如Swetnam RD[8]等、BettingerP[9].其优点是将景观动态变化快速地分析出来，揭示其变化规律，并以科学的设计和规划为调控手段，为景观合理的规划和管理提供依据[10-11].陈宏宇[12]等、关瑞芳[13]等分别对保护区2006、1995-2008年的景观格局变化做了研究.纵观对保护区的研究,对其景观动态变化方面的研究很少.因此本文以达里诺尔自然保护区为研究区，在RS和GIS技术的支持下，选用2004年Landsat/TM和2014年GF-1影像，利用景观指数定性分析其景观特征及动态变化规律，以期为研究区景观格局的合理调整及可持续发展提供决策支持.

2 数据与方法

2.1 研究区

达里诺尔国家级自然保护区位于内蒙古赤峰市克什克腾旗的西部（43°11'～43°27'N，116°22'～170°00'E），总面积119,413.55hm2，岗更诺尔湖位于保护区的东部，为淡水湖，研究区的总面积为12476.58hm2，它是一个以保护鸟类及其赖以生存的湖泊、河流、沼泽型湿地、草原、林地、沙地等多样性的生态系统和火山遗迹、历史文化古迹为主的综合性自然保护区[14].其属于温带大陆性季风气候，冬夏温差大，全年降水少，位于浑善达克沙地边缘，环境条件恶劣，沙地的边缘效应明显.

2.2 数据来源与处理

本研究的基础数据采用了2004年8月Landsat/TM影像和2014年8月的GF-1影像，Landsat/TM影像的分辨率为30m，无云遮盖，清晰易解译.在ArcGIS10.3中绘制研究区的范围界线矢量图，根据光谱特征信息，将landsat/TM影像采用4、3、2标准假彩色合成，用研究区的范围界线对其进行裁剪，得到研究区的影像图.GF-1影像的空间分辨率是2m，利用ENVI5.1对其进行正射较正、配准、融合、镶嵌等预处理[15]，并采用4、3、2标准假彩色合成，最后对其裁剪得到研究区的影像图.

2.3 景观分类

根据《2008年全国遥感监测土地利用/覆盖分类体系》并结合研究区土地利用的特点及遥感影像颜色、形状、大小、纹理和研究区谷歌地图的对比，将研究区划分为一级景观和二级景观，一级景观包括林地；草地；居民、建设用地；湖泊湿地；沙地，二级景观包括有林地（21）、灌木丛（22）、疏林地（23）；高覆盖草地（31）、中覆盖草地（32）、低覆盖草地（33）；居民点（52）、道路（53）；河渠（41）、湖泊湿地（42）、盐碱地（63）、沼泽草甸（64）；沙地（61）.

2.4 动态度

采用动态度表征各个景观的变化幅度和速度，用转移矩阵分析地类间的相互转移，以此来揭示研究区景观变化的规律及特点[16].

动态度表达式：

其中：Ua、Ub分别为研究初期和末期某地类的面积，T为研究时段.

2.5 景观格局指数

景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[17].本文选取景观类型和格局水平上的7个指标，包括斑块密度(PD)、边缘密度 (ED)、最大斑块指数 (LPI)、面积加权分维数(FRAC_AM）；蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI).并利用ArcGIS10.3将目视解译的矢量数据转化为GIRD栅格数据，然后在Fragstats4.2中计算景观指数.

3 结果分析

3.1 景观类型面积

对2期的遥感影像数据利用ArcGIS10.3进行目视解译，得到土地利用/覆被类型的矢量图，并通过实地考察、核实进行精度验证，其解译精度达到98.2%.草地、湖泊湿地、沼泽草甸为优势景观，占研究区总面积的79%以上，其他各类型景观都以补丁状分布在其内.2004年高覆盖草地面积最大，为3879.82hm2，占研究区总面积的31.10%；湖泊湿地次之，占17.02%；有林地所占比重最小，仅占0.28%；其余的均在16.2%-0.41%之间.2014年中覆盖草地面积最大，为5438.73hm2，占研究区总面积的43.61%；湖泊湿地次之，占17.73%；河渠面积最小，仅占0.06%；其余的均在0.10-12%之间.

表1 研究区2个期间的景观类型面积及变化

3.2 景观类型变化

从表1可知，2004-2014年高覆盖草地、中覆盖草地、疏林地、沙地、沼泽湿地变化幅度最大，中覆盖草地、沙地呈增加趋势，分别增加了3420.71hm2、716.78hm2，动态度分别为16.95%、14.85%，其余的都呈减少趋势，高覆盖草地减少最多，为2802.82hm2，动态度为7.22%，河渠、盐碱滩的面积减少，分别减少了 80.63hm2、44.96hm2，居民点、道路变化幅度最小，分别增加了0.75hm2、8.1hm2，动态度分别为0.15%、0.62%.这些结果表明近10a景观类型变化幅度较大，主要原因是近年来当地牧民过度放牧导致该区域草地覆盖度降低，沙漠化增加.

由表2知，近10a高、中覆盖草地转换强度最大，高覆盖草地净转出3076.20hm2，主要转化为中覆盖草地，为2655.50hm2，中覆盖草地主要转化为沙地，面积为228.55hm2，而灌木丛、疏林地主要转化为中覆盖草地和沙地，河渠和湖泊湿地主要转化为沼泽湿地，而沼泽草甸主要转化为中覆盖草地，净转出307.40hm2，沙地出现逆转，主要转化为中覆盖草地和灌木丛，但沙地面积净转入715.70hm2，面积增加，湖泊湿地面积增加，主要是和沼泽湿地之间的相互转化，有林地、居民点、道路主要也是转化为中覆盖草地.总体来讲，由于人为的破坏，生态环境在恶化，草地覆盖度降低，沙漠化加剧.

表2 研究区2004—2014年景观类型转移矩阵 单位：hm2

3.3 景观类型水平上的格局特征

从图1可知，2004-2014年各景观类型的斑块密度除了湖泊湿地从0.18块/hm2减小到0.17块/hm2，其余的都有不同程度的增加，灌木丛、沙地变化幅度最大，分别增加了7.94、2.84块/hm2，说明灌木丛、沙地破碎化程度加大，异质性增加；灌木丛、中覆盖草地、沙地、沼泽湿地的边缘密度指数，分别从 2004 年的 6.44、13.32、6.17、9.87m/hm2增加到2014 年的 56.06、67.84、44.06、11.68m/hm2，其他景观都有小幅度的增加或减少，说明这四类景观受人为因素的影响比较大，景观的破碎化程度增加；中覆盖草地的最大斑块指数大幅度增加，说明受人类活动的影响大，湖泊湿地、沙地最大斑块所占景观面积的比例小幅度增加，其余的都在减少，说明斑块趋于小型化发展，优势景观在增强；面积加权维数基本都在1～1.3之间，趋向于1，说明各景观类型斑块趋于规律化，几何形状趋近于简单，受人为因素干扰大.总体上，各景观要素之间斑块密度、边缘密度、最大斑块指数、面积加权分维数表现出类似的特征，由于外界的干扰，景观破碎化程度加重，景观的异质性更加明显.

图1 2个时期景观类型水平上景观指数

3.4 景观格局水平上的格局特征

2004～2014年蔓延度指数从56.37%增加到65.00%，增加了8.63%，说明景观的团聚程度增加，景观的连通度增大，香农多样性、香农均度指数都减少，分别从1.94、0.76减少到1.66、0.65，分别减少了 0.28、0.11，而研究区内景观类型的数量没有减少，表明由于人为因素的干扰，异质性增加，各景观类型间所占比例增大，均匀度降低形成了某种优势景观.

4 讨论与结论

已有对达里诺尔自然保护区景观动态变化的研究是在2008年之前，本文是研究近10a景观动态变化，其景观类型较全，处于季风边缘气候区，对气候变化比较敏感，且又位于浑善达克沙地边缘，沙地环境的边缘效应显著.已有研究表明[18]，近10a气温呈明显的下降趋势，而降水量呈上升趋势，因此，湖泊湿地的面积增加，但高覆盖草地、沼泽草甸的面积减少，而中覆盖草地、沙地的面积增加，并且景观破碎化程度加剧，异质性增加，多样性、均匀度降低，这些主要是由于人为因素导致的，人们定居超载放牧对草原的过渡索取，自2000年以来旅游业的开发，游客对草原的践踏破坏，降低了草地的覆盖度，从而使草原的载流贮水能力降低，促进了沙漠化，加剧了生态环境的破坏[14].因此，应对景观格局加大动态监测，以期为研究区景观格局的合理调整及可持续发展提供决策支持.

在RS和GIS技术的支持下，将遥感数据和景观指数相结合，分析研究区近10a的景观动态变化，得出如下结论：

（1）研究区的主要景观类型为草地、湖泊湿地、沼泽草甸，占研究区总面积的79%以上，其他各类型景观都以补丁状分布在其内.

（2）中覆盖草地、湖泊湿地、居民点、道路、沙地的面积都呈增加趋势，其余的景观面积都呈减少趋势，其中变化幅度最大的是中覆盖草地，增加了3420.71hm2，动态度为16.95%，其次是高覆盖草地，减少了2802.82hm2，动态度为-7.22%，居民点变化幅度最小，增加了0.75hm2；景观类型的转移主要是高覆盖草地向中覆盖草地、中覆盖草地向沙地转化、沼泽草甸向湖泊湿地转化，草地退化，沙漠化面积增加.

（3）各类型景观的斑块密度、边缘密度均增加，但最大斑块指数减少，说明研究区景观的破碎化程度增加，异质性增加，面积加权维数都在1～1.3之间，趋向于1，说明各类型景观斑块几何形状简单趋于规律化；蔓延度指数在56～65%之间，说明研究区景观团聚程度适中，多样性、均匀度指数均较高，表明研究区整体景观水平的多样性较高，分布较均匀；2004～2014年灌木丛的斑块密度和边缘密度的变化幅度很大，可能原因是2014年是GF-1影像分辨率较高，灌木丛易辨认.