基于遥感技术的郑汴地区湿地景观变化研究

孟丹阳，王利彦，司赛楠，高宝嘉

(1河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2郑州工商学院，河南 郑州 450002)

湿地与海洋、森林并称为地球三大生态系统，是水陆环境交错过渡的特殊产物，对于维护地区生态稳定具有重大意义[1]。近几年来，湿地景观作为一种特有的生态旅游资源也越来越受到重视。关于湿地景观变化的研究，国内、国外已经进行了很多研究[2-6]。湿地属于特殊的敏感生态区，因此其生态脆弱性评价至关重要，朱德明从生态脆弱带的一般属性出发，分析了太湖脆弱区的演变规律，提出了湖泊生态脆弱性的评价体系[7]。王晓峰，等利用RS 和GIS 分析方法，在生态系统理论的指导下，提取了研究区影响环境脆弱性的6个因子的图层数据，叠加形成一个综合环境指数图层数据，并将研究区划分为4个环境分区，对南水北调中线工程陕西水源区的生态环境进行了综合评价[8]。但这些研究多集中在自然沼泽地区、河流三角洲地区、面积较大的湖泊地区和河流源区，对于我国中部平原地区，特别是郑汴地区这一湿地景观特征不够鲜明的区域研究还不够全面、深入。近些年来，越来越多相关专家学者的研究推动着景观生态系统空间特征量度的研究发展。由此建立起的诸多景观格局评价指标，为景观空间格局的分析提供了理论基础[9]。本研究在参考、总结、分析以往湿地景观研究成果的基础上，借助遥感和地理信息系统等技术，对郑汴地区1992-2012年湿地景观总体格局变化和单一要素变化进行了深入分析，旨在揭示在自然环境和人类活动的双重影响下，区域湿地景观的动态演变，进而为郑汴地区湿地景观合理科学的开发利用和区域可持续发展提供科学依据。

1 研究区域概况

郑汴地区位于河南省北部，是‘大郑东新区’发展规划的主要承载区。该区域属于典型的中纬度暖温带大陆性季风气候，四季分明。多年平均气温14.2 ℃，年平均降水量580～650 mm，其中全年降水量的60%～70%集中在6～9月份。主要土壤有亚砂土和份砂土2大类，杂有亚砂土和黑色淤泥夹层。

研究区域位于郑开中心城区交界处，地理坐标在北纬34°39′～34°58′，东经113°32′～114°28′。

东起开封市土柏岗乡，西至郑州市须水镇，南起中牟县乔庄村、开封市祥符区，北达黄河南岸。研究区涉及郑州市、开封市、中牟县和辖区下的多个区镇。总面积约2 456.94 km2，人口约1 770万人。

郑汴地区湿地景观主要由草本植物组成。草层高度5～20 cm，覆盖度 20%～60%。主要有草甸植被、沼泽草甸植被、盐生草甸植被、栽培作物及人造植被。草甸植被广布于黄河上下游的下湿滩、二阶河漫滩和低湿洼地，以寸草苔草、羊草为主；沼泽草甸植被分布在一阶河漫滩及沼泽滩内，呈点状草丘，植被以草科为优势；盐生草甸植被分布在疏缓丘陵和波状高原的坡梁、干旱滩、二阴滩，以旱生丛生禾本科植物为主。

2 研究方法

2.1 数据源和数据处理平台

数据源为国家基础地理信息中心提供的1992年Landsat-5 TM影像、2002年Landsat-7 ETM影像和2013年Landsat-7 ETM影像。数据处理平台包括Erdas 9.0、Arcgis 10.1、ENVI 4.7和Excel 2013。

2.2 郑汴地区湿地景观分类

对郑汴地区湿地景观的分类是建立在对研究区湿地特点和功能全面认识的基础上的，在参考湿地基本分类的前提下，根据研究区湿地景观特征以及土地资源利用现状，综合考虑湿地的水文、生态等要素，首先要借助在ENVI 4.7软件中对Landsat TM/ETM+卫星遥感影像数据进行波段融合。然后，根据土地利用分类系统，对每一期遥感影像波段融合后的结果进行对比，结合野外调查数据研究区1992-2013年植被覆盖度GPS定点调查数据等，用于判定地物类型以及验证研究区遥感影像的分类精度，最终得出1992、2002、2013年遥感影像分类精度分别为81%、89%、87%。最后，根据郑汴地区的实际情况以及遥感影像的分类处理后将研究区景观类型分为耕地景观、林地景观、河渠景观、滩地景观、库塘景观和建设用地景观。基于此着重研究分析和阐述河渠景观、滩地景观、库塘景观3类湿地景观，从宏观上反映出郑汴地区湿地景观的特征。

2.3 分时段景观制图和GIS应用

在Erdas 9.0软件的技术支持下，对1992年Landsat-5 TM影像、2002年Landsat-7 ETM影像、2013年Landsat-7 ETM影像进行遥感判读、解译工作，并对数据进行修改、编辑，分别制成3个时期的景观类型分布图。然后利用Arcgis 10.1强大的空间分析能力，计算各个时期湿地景观格局数据，获得相应空间属性信息，对郑汴地区湿地景观1992-2013年的变化进行分析研究，如图1。

a 1992年景观类型图1992 landscape type map

b 2002年景观类型图2002 landscape type map

c 2013年景观类型图2013 landscape type map图1 1992-2013年郑汴地区湿地景观类型Figure 1 type of wetland landscape in Zhengbian area from 1992 to 2013

结合郑汴地区湿地景观格局特点,采用香浓多样性指数、景观形状指数以及蔓延度指数，从景观格局动态变化和单一要素变化定量分析来研究该区域湿地景观变化，以此探讨人类生产生活干扰对于郑汴地区湿地景观格局演变的影响。

香浓多样性指数:香浓多样性指数是反映景观要素的多少和各景观类型所占比例的变化，其取值范围为：SHDI≥0。当香浓多样性指数为0，说明景观中仅存在一种要素，景观是均质的；当景观的香浓多样性指数达到最高时，说明景观由2个以上的要素构成，而且各景观类型所占比例是相等的；各景观类型所占比例差异增大，则景观的多样性下降。景观多样性指数SHDI表示为[8]：

(1)

式中：pi为景观类型 占所有景观类型总面积的比例，m为景观类型的数目。

景观形状指数:景观形状指数通过计算整个景观类型的斑块周长与同面积圆形或正方形的周长之比，来测定景观的形状复杂程度，是将计算尺度从单个斑块上升到整个景观而已。景观形状指数LSI表示[10]：

(2)

式中：E为所有景观类型斑块边界的总长度，A为景观总面积。

蔓延度指数:蔓延度指数是反映景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势，其指数范围为0≤C≤100。从理论上讲，蔓延度指数值较小时，表明该地区景观中存在着许多小斑块，景观的破碎化程度较高，呈现出多要素、密集型格局；蔓延度指数越是接近100，则表明景观中存在优势斑块类型，并且有极高的连通度，形成了良好的连接性。蔓延度指数Contag表示为[8]：

(3)

式中：pi为i类型斑块所占的面积百分比，gik为i和k两种类型斑块毗邻的数目，m为景观中的斑块类型总数目。

3 结果与分析

3.1 景观格局动态变化

1992-2013年郑汴地区景观动态变化见表1。

表1 1992-2013年郑汴地区景观动态变化Table 1 Dynamic changes of landscape in Zhengbian area during 1992-2013

从表1可以看出，在2013年郑汴地区景观类型中，耕地景观、建设用地景观和林地景观类型为主导景观类型。耕地景观虽然较1992年耕地景观面积大幅度减少，但仍占到当前各类型景观总面积的48.84%，是郑汴地区的优势景观类型；建设用地景观占到当前各类型景观总面积的35.12%；林地景观较1992年林地景观面积有所增长，占各类型景观总面积的11.89%。而相对反映出来的就是河渠景观、滩地景观和库塘景观3类湿地景观占各类型景观总面积的比例极小，仅分别占到景观总面积的0.89%、1.55%和1.71%。从表中可以看出，从1992年至2013年二十多年间，郑汴地区景观格局动态变化比较明显，各类型景观面积均发生了很大的变化。主要体现在：耕地面积呈现减小趋势，而建设用地面积和林地面积呈现大幅度增加趋势。特别值得注意的是，本身占各类型景观总面积比例极小的3类湿地景观面积，则呈现出急速减小的态势。

1992-2013年郑汴地区景观斑块数量动态变化见表2。

表2 1992-2013年郑汴地区景观斑块数量动态变化Table 2 Dynamic change in the number of landscape plaques in Zhengbian area during 1992-2013

从表2可以看出，近二十年来，郑汴地区景观格局动态变化不仅仅体现在各类型景观面积的变化，同时也伴随着斑块数量的巨大变化，总体来看呈现增加态势。斑块数量从1992年的22 338块增加到2013年的27 443块，增幅为22.85%。斑块平均密度2013年为11.17块/km2，相较于1992年的9.10块/km2增加了2.07块。而河渠景观、滩地景观和库塘景观3类湿地景观均呈现先减少后增加的趋势，但总体上呈较少趋势，分别较1992年斑块数量减少了65.33%、13.12%和19.31%。

3.2 景观格局变化分析

1992-2013年郑汴地区景观格局变化指数见表3。

表3 1992-2013年郑汴地区景观格局变化指数Table 3 Landscape pattern change index in Zhengbian area during 1992-2003

从表3可得出1992年、2002年和2013年郑汴地区景观格局的香浓多样性指数，其结果分别是1.020 7、1.021 8和1.147 0，香浓多样性指数有所增大。这说明了在确定郑汴地区区域景观类型体系情况下，各景观类型占景观总面积的比例存在一定的差异，且差异有所减小，景观多样性增高。表明该区域土地利用更加丰富，其不定性的信息含量也更大。1992年和2013年郑汴地区景观形状指数(LSI)，其结果分别是92.079 3和134.703 5，景观形状指数(LSI)波动增加。由此可以看出，郑汴地区湿地景观的几何形状更加趋向规则。1992年和2013年郑汴地区景观蔓延度指数(CONTAG)，其结果分别是59.796 5和52.243 0。蔓延度指数(CONTAG)较小且呈现出减小趋势，这表明郑汴地区景观中存在着许多小斑块，是具有多种要素的密集格局，景观的破碎程度增高。

3.3 湿地景观斑块的动态变化

3.3.1 斑块面积的变化 斑块是研究景观异质性的基本单元。因此，一个地区景观格局的变化在一定程度上可以由斑块的变化反映出。1992年到2013年，郑汴地区各类型湿地景观均发生了比较大的变化，主要表现在各种湿地景观斑块的面积和数量都发生了不同程度的增减变化。从湿地景观斑块面积变化上来看，1992年到2013年，河渠景观、滩地景观和库塘景观3类湿地景观面积均呈现出大幅度减少的趋势，其中滩地景观面积减小的幅度最大。1992年河渠景观面积占总面积的1.78%，到2013年仅占0.89%；1992年滩地景观面积占总面积的6.32%，到2013年仅占1.55%；1992库塘景观面积占总面积的3.09%，到2013年仅占1.71%；从湿地景观斑块的平均面积来看，整个郑汴地区景观的斑块平均面积从0.11 km2减小为0.09 km2，其中除了河渠景观的平均斑块面积增大外，滩地景观和库塘景观的斑块平均面积均有所减小。各类型湿地景观面积的变化受自然因素和人为因素的双重影响，特别是人类活动的干扰。如市场经济的影响、农业种植政策的变化、城市化的不断发展等。

3.3.2 斑块数量的变化 从上述的表2可以看出，1992-2013年，河渠景观、滩地景观和库塘景观均表现为波动减少态势，其中河渠景观斑块数量减少最为明显，减少幅度为65.33%。这表明，随着建设用地等景观面积和斑块平均面积的大幅度增大，人类生产生活活动，对湿地景观的生存现状产生了极大的负面影响。

3.4 单一景观要素分析

在湿地景观的动态变化中，湿地景观类型斑块数量也呈减少趋势。

河渠景观类型2013年总面积为21.91 km2，相较于1992年的43.80 km2，面积减小了49.98%，同时斑块数量也从1992年的300块减少到2013年的104块，减少量高达196块，斑块密度从1992年的0.12块/km2减少到2013年的0.04块/km2，这些信息表明河渠景观破碎化程度减小。库塘景观类型2013年总面积为41.98 km2，相较于1992年的75.91 km2，面积减小了44.70%，同时斑块数量也从1992年的2 615块减少到2013年的2 110块，斑块密度从1.06块/km2减少到0.86块/km2。滩地景观变化最为显著，2013年分布面积为38.17 km2，相较于1992年的155.35 km2，面积减小了75.43%，同时斑块数量也从1992年的1 821块减少到2013年的1 582块，斑块密度从0.74块/km2减少到0.64块/km2，这表明滩地景观面积在急速减少的同时，破碎化程度变化却不明显。

根据公式(2)计算出河渠景观、滩地景观和库塘景观3类湿地景观的形状指数(LSI)。1992年河渠景观和库塘景观的形状指数结果分别为24.450 2和69.163 5，2013年分别为14.044 7和63.657 4，呈减小趋势，表明2类湿地景观几何形状更加复杂。而滩地景观形状指数则从1992年的44.073 4上升到2013年的52.444 2，表明滩地景观的几何形状趋向规则。

4 结论与讨论

随着社会经济的快速发展，1992-2013年郑汴地区湿地景观演变的二十年也是郑汴地区社会经济飞速发展的二十年。特别是2003年，河南省委、省政府为了实现建设小康社会和中原崛起的宏伟目标，制定发布了《河南省全面建设小康社会规划纲要》，并在2005年4月17日首次提出“郑汴一体化”这一历史性概念，郑汴新区规划面积约是1 700～2 100 km2。社会经济发展直接带动城市化发展，同时也使建设用地景观面积急速增大。1992年郑汴地区建设用地景观总面积350.60 km2，占所有景观总面积的14.27%，2013年则为862.79 km2，近二十年建设用地面积增加了146.1%。除了占用大量耕地外，对湿地景观的侵占也是非常严重的。近几年来，城市发展更加注重可持续发展，生态质量成为衡量城市发展的重要指标之一，这种现象有所好转。

郑汴地区生活饮用水和工农业生产用水对黄河水这一重要水源存在这极大的依赖性。2013年，郑州市花园口来水量534.15亿m3[11]，虽然黄河上中游水库的建造调节了黄河季节性水量，大大缓解了黄河下游断流情况，但也影响着黄河下游整体来水量。2013年郑州段来水量相较于90年代年平均650亿m3的来水量，仍有大幅度减少。但伴随着社会经济的发展，水资源供需矛盾日益尖锐，再加上水资源存在严重浪费现象，造成郑汴地区湿地景观面积的减少。例如部分河渠景观消失，滩地景观开发为农业用地，依赖于黄河水源的库塘养殖、水稻种植等逐步转化为旱地景观。

在郑汴地区景观中，耕地景观和建设用地景观为优势景观，湿地景观分布面积均呈显著减小的趋势。1992-2013年，河渠景观、滩地景观和库塘景观3类湿地景观类型分布面积缩小了62.9%，斑块数量减少了19.85%。随着社会发展和人类活动的日益频繁，研究区景观多样性增加，几何形状趋向规则，逐渐形成多种要素共存的湿地景观格局。事实证明，郑汴地区湿地景观的变化是受自然因素和人类活动双重影响的结果。