基于多时序遥感和gis技术的山东省南四湖湿地景观格局与变化特征分析

基于多时序遥感和gis技术的山东省南四湖湿地景观格局与变化特征分析

1景观格局与景观动态变化景观生态学作为生态与环境科学的一门学科，近年来取得了很大进展。景观生态学研究的中心主题之一是景观空间模式、生态过程和规模的互动，景观模式的发展及其生态效应是生态学家非常重视的问题。景观生态学中的许多研究方法和理论广泛应用于景观格局的研究当中[3，4]。当前对景观格局的研究主要采用空间统计、矩阵转移、景观指数和元胞自动机的模拟等方法;对其研究尺度主要集中在空间和时间异质性两个方面。如张秋菊等对景观格局空间格局研究中的一些问题进行了阐述;王成、何东进等对重庆、武夷山风景区的景观空间格局进行了研究[6，7];LuChao、喻广明、林卉等应用GIS技术对景观格局的演变进行了研究。目前,对空间尺度的研究虽然较多,但多集中在对中小尺度上,这些研究对解决大规模的综合治理和开发上存在着一定的局限性;另外对景观格局时间演变过程的研究也相对较少。湿地景观格局指大小和形状不一的湿地景观斑块在空间上的排列,是各种生态过程在不同尺度上综合作用的结果,具有显著的景观异质性,对景观的功能和过程有着重要的影响[11，12]。关于湿地景观格局的研究也随着GIS应用得到广泛的发展[13，14]。目前国内外主要采用景观格局数量分析方法对湿地景观格局与演化特征进行研究,主要包括景观格局指数和景观动态变化模型分析两种方法,通过收集研究区域的遥感影像,对其进行加工处理,获取不同景观类型的专题图,并借助相关技术软件进行分析,探求湿地景观动态变化特征。目前我国湿地景观格局的研究主要集中在受人类影响较严重的沿海湿地和平原湿地,而对于滨湖湿地、较小尺度的湿地研究较少。本文通过研究南四湖湿地景观格局与演化特征,对于揭示湿地演变原因、制定湿地保护措施具有重要的参考价值。作为山东省最大的天然地表水资源,南四湖湿地有着吸收有害重金属,降解有机物污染等植物群落净化功能,是南四湖水质改善的“重大功臣”,对于山东省区域的发展和生态环境有着重要的影响。南四湖是我国南水北调重要的枢纽之地,是重要的能源基地。在南四湖景观格局演变方面,刘恩峰等、袁怡、于泉洲等分别选取不同时段对南四湖的景观格局进行了研究,这些成果为进一步研究南四湖湿地奠定了良好的基础。本文以南四湖1982年、1992年、2002年以及2012年土地利用数据为基础,并对高精度航空影像和卫星遥感图像进行处理,辅以2012年和2013年对代表性湖区景观类型的野外调查,提取南四湖不同湿地类型及其空间分布数据,选取斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)等景观格局指数,在此基础上计算不同时期所选取的湿地景观格局指数,探求南四湖湿地景观格演变规律及其演变特征。2流域自然条件南四湖位于山东省西南部济宁市境内,地跨微山县、鱼台县和济宁市任城区3个县(区)(图1,见第868页)。研究区域内最大水面积约1266km2,是山东省最大的淡水湖泊,中国第六大淡水湖泊。南四湖流域属于暖温带、半湿润季风区大陆性气候,年平均气温13.7℃,年平均降水量湖西约700mm,湖东750~850mm,该区独特的地理位置和气候特征使该地区蕴藏着丰富的湿地资源,其中,高等野生动植物物种多达1700余种,包括国家重点保护野生动植物63种,是众多珍稀濒危鸟类及雁鸭类的重要栖息繁殖地,又是春秋季节候鸟重要的迁徙必经地和停歇地。该区既是百万亩稻田灌溉的供应地,也是重要水产品的生产基地;同时又是沿湖工农业发展、城镇居民生活及航运的重要水资源;还是南水北调东线调水工程中重要的调蓄库。其重要的地位,决定人类对该地区自然环境的干扰性必然会更强。3数据来源、处理和研究方法3.1遥感影像的配准、解译和测点布置(1)遥感数据。以南四湖湿地地区1982年Landsat2MSS遥感影像、1992年Landsat5TM遥感影像、2002年Landsat7ETM+遥感影像和2012年资源一号02C卫星遥感影像为数据源,利用ENVI软件进行同期影像纠正、融合、拼接,并利用该软件ImagetoImage自动配准模块进行不同期影像的配准,使误差降至最小;利用ArcGIS软件对5期影像附统一投影坐标信息:WGS_84_UTM_zone_50N。(2)选取2012年济宁市1∶1万土地利用数据,1982年、1992年、2002年济宁市1∶10万土地利用数据为数据源,利用ArcGIS中Toolbox的generalization工具箱将1∶1万数据全部综合到1∶10万,并将5期土地利用数据的地理坐标统一转换到WGS_84_UTM_zone_50N,与影像保持一致,以便进行叠加修正。(3)于2012年和2013年对代表性湖区景观类型开展野外调查(GPS定位),建立各景观类型遥感影像解译标志,在GIS软件支持下对5期遥感影像进行人机交互式目视解译,得到1982年、1992年、2002年和2012年的南四湖湿地景观格局图(图2,见本文第4页)。数据来源见表1。3.2学习方法3.2.1景观分类3.2.2景观指数的相关性湿地景观格局的变化主要表现为景观空间变化和时间变化两个方面;在进行景观格局分析时,通常需要采用多个定量化的景观指数对景观结构进行分析与评价。景观指数能够高度而又准确地反映景观格局的相关信息,是反映其空间配置和结构组成特征的定量指标。虽然景观指数的数目很多,但许多指数相互之间的相关性往往很高。因此,本文选取适当数量且能够满足研究要求的指数进行分析,初步拟定的指数包括斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA-MN)、蔓延度指数(CONTAG)、景观多样性指数(SHDI)、景观均匀度指数(SHEI),具体计算公式见表3。4人工湿地建设研究将南四湖湿地分为人工湿地和自然湿地两大部分,其中人工湿地包括水稻田、坑塘水库、人工水渠和台田养殖,自然湿地包括湖泊、河流和沼泽;景观格局指数斑块面积、平均斑块维度等反映了南四湖景观空间格局变化趋势。4.1南四湖湿地景观的现状根据上述研究方法,得到南四湖1982年、1992年、2002年以及2012年4个时间段景观类型图(图2),影像中对所提取的各种湿地分类精度较高,分类结果比较理想。从图2可以很明显的看出,1982年以来,南四湖沼泽地面积由南向北不断缩减,尤其是2002年以后,台田鱼塘面积由西南部和北部同时向南四湖中心迅速扩张,逐渐取代沼泽地。2012年南四湖湿地总面积181463.4hm2,其中自然湿地69525.63hm2,人工湿地93830.04hm2,分别占湿地总面积的38.31%、51.71%。在自然湿地中,湖泊所占面积最大为47023.2hm2,占总面积的25.91%,其次为河流和沼泽面积;人工湿地中,水稻田所占的面积最大,占总面积的25.17%;非湿地中,建筑用地所占的比重最大,为总面积的6.66%(图3,表4)。通过图3发现,1982年以来,南四湖湿地景观发生了明显的变化,总体上表现为自然湿地面积逐渐减小,而人工湿地面积逐年增大,湿地总面积波动不大。由表4可知,自然湿地中,湖泊面积最大,并且面积逐渐减小;沼泽湿地面积变化较为明显,由1982年的50661.90hm2减小到2012年的18117.09hm2;人工湿地中,台田鱼塘的增长最为明显,由1982年南四湖基本没有该类型湿地,到2012年已经增长到39143.97hm2,占总面积的21.57%,仅次于人工湿地中的水稻田面积。在非湿地中,建筑地面积呈逐年增长趋势,占总面积的比重由1982年的3.92%上升到2012年的6.66%,这与近年来南四湖附近人口增长有很大关系。4.2景观均匀度分析通过软件Fragstas3.3进行计算,得到1982年、1992年、2002年以及2012年南四湖湿地类型水平指数和湿地景观水平指数(表,表)。从湿地景观水平指数来看(表6),对比1982-2012年的斑块个数和平均斑块面积,2012年整个南四湖湿地斑块个数(NP)最大,高达8906个,平均斑块面积(AREA-MN)最小,仅为20.3754,说明该时期南四湖景观被破坏程度更大;景观多样性指数(SHDI)越大,表明景观多样性程度越高,表6中,2012年南四湖景观多样性指数为1.835,说明南四湖各湿地类型面积所占比例存在一定的差距,景观多样性程度较高;景观均匀度指数SHEI数值越大,则说明景观只受一个或几个类型所支配;表6中,2012年南四湖景观均匀度指数SHEI为0.8352,在一定程度上说明斑块类型在景观上分布比较均匀。最大斑块指数(LPI)在类型尺度上表达的是多大比例的景观面积是由该斑块类型的最大斑块组成的,其变化幅度从侧面反映了人类对湿地的干扰程度。从1982-1992年,几种湿地景观类型的最大斑块指数(LPI)中,排名在前两位的始终是自然湿地的湖泊和沼泽地,而到2002年,台田鱼塘的最大斑块指数超越了沼泽地,排在第二位,从图2中也很明显的看出2002年以后,由于过多的人类活动,使湖泊、沼泽地等自然湿地逐渐的被台田鱼塘等人工湿地所代替。平均斑块面积(AREA-MN)在一定程度上反映斑块的破碎程度,图4中湖泊的AREA-MN随时间变化较为明显,由1982年的6282.783下降为2012年的172.314,说明斑块破碎度较为明显,人类活动影响对其较为明显。在景观水平指数上,从1982-2012年斑块总数逐年增加(表6),且增长速度较快,造成上述现象主要是由于人口增长、经济发展引起的建筑面积不断增长造成的。图5中,蔓延度指数(CONTAG)从1982-2012年先呈缓慢的增长,然后逐渐下降,主要是由于1992年开始,人工湿地的不断增多,破坏了原有成面状分布自然湿地的分布状态,使其变得间断零散;平均斑块面积(AREA-MN)在研究时期内呈逐年下降的趋势,说明南四湖湿地的破碎化程度在逐年加深;从1982-1992的10年间,湿地景观的多样性指数(SHDI)、均匀度(SHEI)趋于水平,说明该时期南四湖湿地景观类型和各类型景观的面积基本没有发生改变,1992年开始,多样性指数(SHDI)增大,主要是由于人类干扰,逐渐产生大量人工湿地,增加了湿地景观类型,且人工湿地面积的扩大必然会导致自然湿地面积减小,使两者面积比重逐渐趋于均衡,进而导致景观均匀度指数的增加。上述4个指数充分地说明了人类活动是南四湖湿地景观遭到破坏的主要原因之一。5南四湖湿地景观格局演化文章选取1982年、1992年、2002年和2012年四期图像为基本数据,采用ArcGIS技术,提取南四湖不同湿地类型及其空间分布数据,分析了南四湖景观格局演变特征及其规律。在对湿地景观空间变化分析过程中,自然湿地面积逐年减少,其中以湖泊面积减少最为明显,主要由南四湖的外围边界向中心逐渐递减,取而代之的是人工湿地中面积增长最快的台田鱼塘,1982年基本没有该类湿地,而到2012年该类湿地已经增长到39143.97hm2;非湿地中,建筑用地面积西北向西南不断扩张,足以见得,人类干扰已经改变了南四湖湿地景观的分布格局。结合南四湖湿地景观格局指数的计算结果,通过对南四湖景观格局的现状和时间变化分析表明,斑块密度(PD)逐年增加,平均斑块面积(AREA-MN)逐年减小,说明南四湖湿地景观趋于破碎化,从1982-1992年,几种湿地类型中,最大斑块指数(LPI)排在第二位的始终是自然绿地中的沼泽湿地,同时,该时期景观多样性指数(SHDI)、多样性指数(SHEI)以及蔓延度指数(CONTAG)趋于水平,说明湿地景观基本保持着自然原貌,而从1992年至今,最大斑块指数(LPI)中排在第二的是人工绿地中的台田鱼塘,景观多样性指数(SHDI)、多样性指数(SHEI)逐年增大,蔓延度指数(CONTAG)逐渐减小,说明这一时期的景观类型增加,虽然增加的人工湿地面积与减少后剩余的自然湿地面积逐渐趋于均衡,但却使南四湖原有自然湿地景观分布间断零散,足以证明随着经济的发展,人类活动对南四湖的影响越来越深。所以,湿地景观的变化除了与洪涝灾害等自然因素有关外,还与人类活动等社会因素密切相关,应高度重视湿地对生态环境的重要性及其退化状况,今后应积极建立相应的湿地保护政策,在坚持“建绿色屏障,办绿色企业,创绿色文明”的“三绿”靓点的前提下,创建“三高”保护区,即资源保护上新台阶,科学管理上新水平,产业发展走新路子。同时采取退池还湖、退地还湿及退耕还林等政策,加大科学技术的投入,建立湿地监控体制以及相应的评价体系,促进湿地的可持续健康发展。湿地景观类型划分是湿地景观格局演化特征研究的基础,目前在众多的研究中,对于湿地分类还没有一个统一的标准,通常所采用的湿地景观类型分类系统多是结合研究区域景观类型及其特征对其进行划分的[