黑龍江省大慶地區(qū)景觀動(dòng)態(tài)變化及預(yù)測(cè)研究

于 兵，邸雪穎*，臧淑英

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040;2.哈爾濱師范大學(xué)，哈爾濱 150025)

資源型城市是指因當(dāng)?shù)氐馁Y源開發(fā)而形成、發(fā)展，并且資源型產(chǎn)業(yè)在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中仍占有重要地位的城市［1］。它既有一般城市的功能，成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，又由于對(duì)資源的過分依賴性和脆弱生態(tài)環(huán)境的制約，表現(xiàn)出獨(dú)特的城市發(fā)展特征［2，3］。把握資源型城市景觀格局特征變化的規(guī)律，對(duì)于資源型進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有重要的理論與實(shí)踐意義［4］。景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)時(shí)空變化特征，同時(shí)也注重人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響［5］。因而景觀生態(tài)學(xué)廣泛地應(yīng)用于景觀動(dòng)態(tài)和自然資源管理等方面。但專門研究城市景觀動(dòng)態(tài)及其預(yù)測(cè)的文獻(xiàn)尚少［6，7］，尤其探討資源型城市景觀動(dòng)態(tài)及其預(yù)測(cè)的文獻(xiàn)尚未見報(bào)道。因此本文采用轉(zhuǎn)移概率方法［8］及馬爾可夫模型預(yù)測(cè)方法，對(duì)大慶地區(qū)的景觀動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 自然概況

大慶地區(qū)位于北緯 45°23'～47°28'，東經(jīng) 123°45'～125°47';地處松嫩平原西部，黑龍江省西部。全區(qū)包括4縣5區(qū)70個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為212.19萬hm2，占全省土地面積的4.7%。根據(jù)行政區(qū)劃把大慶市分為市區(qū)、杜爾伯特、林甸、肇州和肇源5個(gè)子區(qū)。大慶地區(qū)地處北溫帶歐亞大陸、東緣大陸季風(fēng)氣候區(qū)，受蒙古內(nèi)陸冷空氣和海洋暖流季風(fēng)的共同影響，多年平均氣溫2.4～4.4℃。大慶地區(qū)地處溫帶半干旱草原區(qū)，地帶性土壤類型為黑鈣土，占土地總面積的33.0%;大慶地區(qū)天然植被主要由草甸草原、低地鹽化草甸和沼澤構(gòu)成。由于大慶是我國(guó)北方生態(tài)環(huán)境脆弱帶的一部分，又是歐亞沙堿帶的東端，加之大慶從1959年打出第一眼油井起，至2003年累積打井共4萬口，占用了草原、耕地、林地和水域等，使地表覆被發(fā)生了巨大變化，生態(tài)環(huán)境也由此惡化。研究這一地區(qū)的景觀動(dòng)態(tài)變化及其生態(tài)影響具有重要意義。

1.2 研究方法

1 .2 .1 遙感影像的處理

包括波段合成和幾何糾正。在土地覆蓋景觀類型的研究中采用5、4和3波段的合成方案。這是因?yàn)?波段對(duì)植物的水分較為敏感，葉綠素在4波段上反映強(qiáng)烈，3波段則能較好地分辨無植被覆蓋的地物，這三個(gè)波段包含的獨(dú)立信息很多，能使圖像解譯更為精細(xì)。幾何糾正采用二項(xiàng)式幾何糾正方法。該方法的基本思想是利用影像與地形圖的同名地物點(diǎn)對(duì)，通過最小二次乘法求解多項(xiàng)式，得到糾正系數(shù)。公式為:

式中:x、y為像元在TM影像中的坐標(biāo)，X、Y為在地形圖中的坐標(biāo)，多項(xiàng)式展開式為:

式中:a，b為幾何糾正系數(shù)，n為多項(xiàng)式次數(shù)。

選取控制點(diǎn)時(shí)盡量在堤壩、公路和水渠的交匯處。而且，控制點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)誤差控制在2～3之間，像元誤差控制在0.5個(gè)以內(nèi)。再通過Geometry＞:image→image進(jìn)行兩幅圖像配準(zhǔn)。最后實(shí)現(xiàn)不同分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的融合。

1 .2 .2 景觀嵌塊體分類

目前嵌塊體分類的人為性很強(qiáng)［9］。但在農(nóng)業(yè)景觀中大多以土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)為主。考慮到資源型城市大慶地區(qū)的具體情況，本次景觀嵌塊體包括耕地、林地、草地、濕地、鹽堿地、沙地、水域和建設(shè)用地等8類。各自的內(nèi)在含義與我國(guó)的土地利用分類系統(tǒng)相同。

1 .2 .3 景觀數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)影像特征建立判讀標(biāo)志并進(jìn)行人機(jī)交互判讀，將解譯結(jié)果導(dǎo)入到ARCGIS8.3進(jìn)行投影變換和編輯輸出。為保證解譯數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精確性，本研究在2001年遙感解譯數(shù)據(jù)中采集了50個(gè)不同區(qū)域不同地物的坐標(biāo)，用手持GPS到大慶地區(qū)進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證只有兩處解譯數(shù)據(jù)與實(shí)地不符，經(jīng)考察是由于季節(jié)不同造成的，回到室內(nèi)對(duì)所解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)糾正，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。修改無誤后拼接為一幅完整的2001年景觀現(xiàn)狀圖。之后，以2001年的TM影像為基準(zhǔn)，糾正其余影像，在ARCVIEW9支持下對(duì)比2001年影像解譯出其余各期影像景觀圖。

1 .2 .4 景觀動(dòng)態(tài)變化分析方法

應(yīng)用景觀組分保留率、景觀組分轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率、特定轉(zhuǎn)移過程貢獻(xiàn)率分析景觀組分的動(dòng)態(tài)變化［8］;應(yīng)用馬爾可夫模型對(duì)大慶地區(qū)景觀動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表1 研究時(shí)段內(nèi)景觀組分變化情況Tab.1 Changing situation of landscape components in study period

(1)馬爾可夫過程轉(zhuǎn)移概率其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:Pij為景觀類型i轉(zhuǎn)化為景觀類型j的轉(zhuǎn)移概率。轉(zhuǎn)移矩陣的每一項(xiàng)元素有以下特點(diǎn):

馬爾可夫過程的基本方程:

(2)馬爾可夫過程穩(wěn)定方程組

馬氏過程穩(wěn)定方程組如下:

本問題中N=8，其方程組為:

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀組分動(dòng)態(tài)變化分析

2 .1 .1 景觀組分年變化率分析

從表1可以看出，整個(gè)大慶地區(qū)耕地、林地、鹽堿地、沙地、水域和建設(shè)用地面積逐漸增加，草地和濕地面積逐漸下降。耕地增加主要來源于草地和山地的開墾，林地則是由于近些年植樹造林的結(jié)果，城市化過程引起的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是建設(shè)用地增長(zhǎng)的主要原因。從中可以看出大慶地區(qū)沙化鹽堿化不斷加劇，草地不斷退化。導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。

2 .1 .2 景觀組分保留率分析

表2 不同時(shí)段景觀類型保留率 %Tab.2 Preserving ratio of landscape types in different periods%

由表2可以看出，在4個(gè)比較時(shí)段內(nèi)耕地和建設(shè)用地的保留率較高，都在90%以上。耕地的保留率較高是由于面積比重對(duì)于景觀組分的保留率具有顯著影響，優(yōu)勢(shì)景觀組分的保留率顯著高于非優(yōu)勢(shì)景觀組分類型。人為活動(dòng)也是某些景觀組分保留率得以維持的主要原因，特別是建設(shè)用地和耕地的保留率能夠維持比較高的水平，主要是城市建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的結(jié)果。沙地和鹽堿地的保留率也比較高，充分顯示了沙地和鹽堿地轉(zhuǎn)化成其它景觀類型的面積比較少，說明沙地和鹽堿地有增無減。草地和濕地的保留率相對(duì)來說比較低，也充分說明了草地和濕地的減少。組分的保留率表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，反映出研究區(qū)內(nèi)的景觀結(jié)構(gòu)調(diào)整過程是不均勻的。

2 .1 .3 景觀組分轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率分析

計(jì)算結(jié)果見表3，耕地的轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率大于轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率，這是由于農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。草地和濕地的轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率大于轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率，在這里同樣也反映了草地和濕地的大面積減少。沙地和鹽堿地的轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率都大于轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率，顯示出鹽堿化的面積不斷增加，這些都反映了生態(tài)環(huán)境的惡化。建設(shè)用地和林地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率都比較小，但它們的轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率顯著大于轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率，體現(xiàn)出城市化的發(fā)展引起建設(shè)用地的不斷增加，林地面積也呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。

表3 景觀類型的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率 %Tab.3 Contribution rates of conversion－in and conversion－out for different landscape types%

2 .1 .4 景觀組分特定轉(zhuǎn)移過程貢獻(xiàn)率分析

表4 不同階段的景觀優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移過程及其貢獻(xiàn)率 %Tab.4 Conversion processes and its contributions of landscape advantage in different periods%

特定轉(zhuǎn)移過程的貢獻(xiàn)率分析可以進(jìn)一步印證組分轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)率的分析結(jié)果，且可以更加清晰地揭示景觀動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制。優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移過程的組分來源及過程的階段性分布特征可以折射出研究區(qū)內(nèi)景觀動(dòng)態(tài)變化的一些細(xì)節(jié)特征。從表4可以看出，大慶地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀轉(zhuǎn)移過程占總轉(zhuǎn)移過程的40%左右，主要表現(xiàn)在草地→耕地、草地→濕地、濕地→草地、草地→鹽堿地和濕地→鹽堿地5個(gè)主要類型 (如圖1所示)。其中草地→耕地轉(zhuǎn)移過程的貢獻(xiàn)率最大，4個(gè)階段分別為16.46%、10.96%、9.00%和10.91%。說明農(nóng)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致大面積草地被開墾，使草地逐年銳減，嚴(yán)重影響了畜牧業(yè)的發(fā)展。草地→濕地和濕地→草地兩者互相轉(zhuǎn)化，而且轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)率也差不多。最為重要的就是草地→鹽堿地和濕地→鹽堿地的轉(zhuǎn)化，這個(gè)過程引起了草地的退化和濕地的減少，并且導(dǎo)致了鹽堿地的增多，是大慶地區(qū)土地鹽堿化的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制。雖然城市化的發(fā)展引起居民用地的增加，但由于居民用地組分本身占土地總面積的比率比較小，導(dǎo)致和它有關(guān)的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出過程構(gòu)不成優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移過程。林地也是一樣，雖然逐年增長(zhǎng)，但它也不能構(gòu)成大慶地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀轉(zhuǎn)移過程。

圖1 1978～2001年大慶地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀轉(zhuǎn)移過程Fig.1 Dominant landscape conversion processes in Daqing area from 1978～2001黑色為發(fā)生變化的景觀組分 Black means landscape component changes

2.2 景觀動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)

2 .2 .1 大慶地區(qū)景觀轉(zhuǎn)移概率的確定

以1978－1996年時(shí)間段為例來確定轉(zhuǎn)移概率。初始狀態(tài)矩陣At=0，以1978年各景觀類型所占的面積百分比表示:

由1978～1996年時(shí)間段各景觀類型面積的轉(zhuǎn)化情況，求出各景觀類型面積的平均轉(zhuǎn)化情況(見表5)，再由平均轉(zhuǎn)化情況求出1978～2001年各景觀類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣 (步長(zhǎng)為1 a)，該矩陣為初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 (見表6)。初始狀態(tài)經(jīng)過n=23步轉(zhuǎn)移到2001年的轉(zhuǎn)移概率見表7。

同時(shí)借助計(jì)算機(jī)求出1978年后各景觀類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣P(n)中，任何一年的各元素Pij(n)及各景觀類型所占比例，因此可以模擬出各景觀類型所占比例變化情況。例如，從初始狀態(tài)經(jīng)過n=23步轉(zhuǎn)移到2001年的轉(zhuǎn)移概率預(yù)測(cè)2001年各景觀類型所占比例為:

耕地所占比例=初始狀態(tài)耕地占的比例×P(23)11+初始狀態(tài)林地占的比例×P(23)21+初始狀態(tài)草地占的比例×P(23)31+初始狀態(tài)水域占的比例×P(23)41+初始狀態(tài)居民用地占的比例×P(23)51+(初始狀態(tài)未利用土地占的比例) ×P(23)61=35.57×0.9142+2.68×0.2130+23.97×0.2607+25.43×0.1019+7.81×0.0422+0.02×0.0670+1.04×0.0270+3.46×0.0156=42.34%。

表5 1978－1996年各景觀類型的平均轉(zhuǎn)化情況Tab.5 The average conversion situation of landscape types from 1978 ～1996/hm2·a－1

表6 初始狀態(tài)各景觀類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.6 Landscape types transition probability matrix in initial state(n=0)

表7 1978－2001年各景觀類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.7 Landscape types transition probability matrix from 1978～2001(n=23)

依此類推:林地3.50%，草地20.70%，濕地17.80%，鹽堿地 10.52%，沙地 0.27%，水域1.14%，建設(shè)用地3.85%。

2 .2 .2 對(duì)馬氏過程模擬景觀動(dòng)態(tài)變化的檢驗(yàn)

對(duì)馬氏過程模擬的各景觀類型的模擬值與實(shí)測(cè)值的比較及檢驗(yàn)表明二者差異不明顯 (見表8)，即模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。這說明根據(jù)景觀類型面積的轉(zhuǎn)化速率所確定的轉(zhuǎn)移概率是正確的，通過馬氏過程模擬預(yù)測(cè)景觀格局變化的方法是可行的。從表8可以看出，沙地、水域和鹽堿地的模擬效果較好，對(duì)圖斑判讀正確，量算精確;建設(shè)用地、林地、草地和耕地次之。對(duì)濕地而言，由于該地區(qū)多為坑塘，面積較小，按規(guī)程規(guī)定大多數(shù)坑塘難以在圖上顯示，加之受氣候影響，不同年份能在圖上顯示的坑塘不一致，因此，從圖上統(tǒng)計(jì)的面積與實(shí)際有些出入。

表8 2001年馬氏過程模擬景觀類型的檢驗(yàn)Tab.8 Testing on Markov process simulation landscape types in 2001

2 .2 .3 大慶地區(qū)景觀變化的預(yù)測(cè)結(jié)果

將初始狀態(tài)下轉(zhuǎn)移概率矩陣各元素代入馬氏過程穩(wěn)定方程組后得:

解方程組得:

利用1978～1996年間轉(zhuǎn)移概率，預(yù)測(cè)了在保持當(dāng)前人為干擾不變的情況下，2010年后各景觀類型面積比例變化 (見表9)。結(jié)果表明，大慶地區(qū)2010年后景觀類型變化的趨勢(shì)是耕地、林地、鹽堿地、沙地和建設(shè)用地在逐年增加，草地、濕地和水域逐年減少，這種變化將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，直到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，耕地占53.45%，林地5.89%，草地12.25%，濕地7.67%，鹽堿地13.56%，沙地0.71%，水域1.01%，建設(shè)用地5.46%。

3 結(jié)論與討論

(1)大慶地區(qū)耕地、林地、鹽堿地、沙地、水域和建設(shè)用地面積呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，草地和濕地面積逐漸下降。從中可以看出大慶地區(qū)沙化、鹽堿化不斷加劇，草地不斷退化，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。

(2)大慶地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀轉(zhuǎn)移過程主要表現(xiàn)在草地→耕地、草地→濕地、濕地→草地、草地→鹽堿地和濕地→鹽堿地5個(gè)主要類型。其中最為重要的就是草地→鹽堿地和濕地→鹽堿地的轉(zhuǎn)化，這個(gè)過程引起了草地的退化和濕地的減少，并且導(dǎo)致了鹽堿地的增多，是大慶地區(qū)土地鹽堿化的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

(3)預(yù)測(cè)結(jié)果表明，大慶地區(qū)景觀類型變化的趨勢(shì)是耕地、林地、鹽堿地、沙地和建設(shè)用地在逐年增加，草地、濕地和水域逐年減少，這種變化將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，直到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)模型本身可以根據(jù)需要的復(fù)雜性程度應(yīng)用。這里應(yīng)用的是比較簡(jiǎn)單的版本，很容易理解，但是應(yīng)用動(dòng)態(tài)馬爾可夫模型也是可取的，在動(dòng)態(tài)模型中，轉(zhuǎn)移概率全時(shí)段假定為變化的。這樣的一個(gè)程序是由Vandeveer等創(chuàng)建的，他們分別應(yīng)用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型對(duì)建造水庫導(dǎo)致的景觀變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)［10－16］。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)的景觀變化典型特征要比靜態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣預(yù)測(cè)的少很多，這可能是由于估計(jì)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移概率時(shí)應(yīng)用了幾何校正的結(jié)果。

(5)由于馬爾可夫模型假定整個(gè)時(shí)段轉(zhuǎn)移概率矩陣不發(fā)生變化，也就是說，假定影響構(gòu)建轉(zhuǎn)移矩陣的整個(gè)時(shí)段景觀變化的因素在未來時(shí)期內(nèi)保持不變。由于實(shí)際上影響景觀變化的因素是變化的，所以馬爾可夫模型不能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來景觀的變化［13－15］。馬爾可夫模型的主要價(jià)值在于它提供了未來景觀變化形式的結(jié)果，并且可以用作一種為了達(dá)到具體景觀目標(biāo)而制定相關(guān)政策的分析工具。

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