近30年杭嘉湖平原濕地格局變化研究

龐毓雯，吳文淵,2，金　城，胡潭高,2，宋　瑜,2，徐俊峰,2

(1.杭州師范大學理學院，浙江 杭州310036; 2.浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室，浙江 杭州311121)

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近30年杭嘉湖平原濕地格局變化研究

龐毓雯1，吳文淵1,2，金城1，胡潭高1,2，宋瑜1,2，徐俊峰1,2

(1.杭州師范大學理學院，浙江 杭州310036; 2.浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室，浙江 杭州311121)

摘要：使用1993年、2003年、2008年和2015年4期Landsat TM/OIL影像，對杭嘉湖平原區(qū)進行土地利用/覆被變化(LUCC)分析.結果表明：1)1993—2015年，濕地面積持續(xù)減少，總縮幅高達46.14%，主要受城市化進程影響；2)1993—2003年，城市面積由50.18 km2擴增至118.13 km2,濕地面積同期縮小99.2 km2；3)2003—2008年，濕地退化程度較其他時期更為明顯，總縮幅達51.09%，減少的濕地類型主要轉變?yōu)槌鞘泻托莞?；同樣城市擴張也最為顯著，年均增長近30%；4)2008—2015年，在整治政策的保護下，濕地面積實現(xiàn)正增長，年平均增幅為6.32%.總體而言，杭嘉湖平原濕地格局變化受自然因素和社會因素共同作用，但人為因素占主導，2008年之前側重城鎮(zhèn)發(fā)展，將濕地用地變?yōu)槌擎?zhèn)或農(nóng)業(yè)用地，近年來在政策引導下，推動濕地保護，使其面積有所增加.

關鍵詞：杭嘉湖；濕地遙感；格局變遷；Landsat TM/OLI

0引言

濕地是地球表層生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,由水體和陸地相互作用而形成，具有特殊功能的自然綜合體，是地球上價值最高的生態(tài)系統(tǒng).它在保護水源、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候、保持生物多樣性和維護生態(tài)安全等方面都有十分重要的作用[1].近30年來，隨著人類對環(huán)境的過度開發(fā)，濕地資源遭到了大范圍的侵占和破壞，據(jù)統(tǒng)計，至19世紀末，地球上已消失近一半的濕地面積[2].人類社會對濕地的過度依賴，濕地內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀態(tài)逐年衰退，濕地景觀格局受到強烈擾動，使得濕地面積變化、濕地景觀格局變化研究成為備受關注的焦點[3-6]，而RS和GIS技術在濕地格局變遷研究中有著低成本高效益的顯著優(yōu)勢[7-8].從19世紀80年代起，我國研究者利用遙感技術結合野外考察，對我國境內(nèi)的主要濕地區(qū)域進行普查.如長江中下游平原在20世紀70～90年代，因農(nóng)業(yè)圍墾而喪失湖泊濕地12 000 km2[9]；三江平原在1980-1996年期間,沼澤濕地面積減少51.33%[10]；若爾蓋高原在近50年間，濕地縮幅近70%[11].隨著濕地面積變化研究的廣泛開展，對濕地景觀格局轉變的探討也更為深入.

目前對濕地格局變化的研究內(nèi)容主要包括：濕地格局分析、濕地景觀提取及面積分析、濕地景觀類型轉化機制分析、濕地景觀格局動態(tài)變化建模、濕地格局變化與氣候等自然因素的關系等方面[12].研究區(qū)域大都集中平原、海岸帶等人類活動較為強烈的地域[13-14].此外，濕地格局變化較為重要的是遙感濕地資源的提取技術，研究表明OIL影像較ETM+具有更高的光譜輻射亮度的采樣量化分級，能更好地從影像上區(qū)分濕地類型[15].在Landsat遙感影像濕地提取方法中，一般通過最大似然法等方法先驗知識選取樣本區(qū)分地物類別[16]，但對細小支流的水文信息提取效果不佳；利用各類水體指數(shù)、譜間關系和濕度分量變換結合最大似然法，才能提取更為精確的河網(wǎng)支流信息[17].

杭嘉湖平原是浙江省內(nèi)最大的堆積平原，位于太湖以南，錢塘江和杭州灣以北，天目山以東.平原地勢極為低平，水網(wǎng)稠密，河網(wǎng)密度平均12.7 km/km2.但近30年來，杭嘉湖平原內(nèi)城市化進程迅速，人類活動劇烈頻繁，使區(qū)域下墊面發(fā)生強烈變化，河網(wǎng)密度、徑流量大幅衰減，由此更帶來一系列水文和水資源問題，如洪澇災害加劇、河道干涸等[18].濕地大面積萎縮,引起景觀格局強烈變化[19].

本文利用研究區(qū)Landsat TM/OIL系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提取了杭嘉湖平原1993年、2003年、2008年和2015年4期土地利用分布信息，分析了區(qū)內(nèi)近30年來濕地格局時空變化規(guī)律及其影響因素，為杭嘉湖平原濕地資源的保護和治理提供數(shù)據(jù)和理論支持.

1研究區(qū)概況

杭嘉湖平原區(qū)包括嘉興市全部，湖州市大部以及杭州市的東北部，屬長江三角洲.其地理位置介于30°09′～ 31°02′N，119°52′～121°16′E之間，東西長約110 km，南北寬約60 km，平原面積約7 607 km2，地面高程約1.6～2.2 m.杭嘉湖平原地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，溫和濕潤.區(qū)內(nèi)降水豐富，但豐枯年際差異較大，氣象災害頻發(fā)[20].平原內(nèi)濕地類型較為多樣，在良好的水文條件下，形成和發(fā)育了大面積、多類型的濕地生態(tài)系統(tǒng)，包括河流濕地、湖泊濕地、庫塘濕地、近海及海岸濕地、沼澤草甸濕地等，是長江三角洲的典型區(qū)域，區(qū)域研究具代表性.2014年京杭大運河申遺成功，杭嘉湖平原內(nèi)的水網(wǎng)情況亦受到了密切關注.本研究選取杭嘉湖平原內(nèi)的核心區(qū)域，對其在近30年的濕地格局變化進行分析，為推動政府及社會各界部門對平原內(nèi)濕地退化的治理、實現(xiàn)濕地功能的協(xié)調(diào)發(fā)展給予意見和建議[21].

2數(shù)據(jù)與研究方法

2.1數(shù)據(jù)源與預處理

本文所用的主要數(shù)據(jù)為覆蓋杭嘉湖平原濕地區(qū)域的4期衛(wèi)星遙感影像，為1993年3月31日、2003年10月21日、2008年12月5日的Landsat TM影像，還有一景2015年8月3日的Landsat OIL的影像(圖1)，TM和OIL影像的數(shù)據(jù)源都是來自美國陸地衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品(http://earthexplorer.usgs.gov).成像時間錯開杭嘉湖平原的降水集中期，減少洪澇災害等特殊因素對研究結果的影響.對區(qū)域遙感影像的預處理工作包括大氣校正、輻射校正、幾何精校正、研究區(qū)剪裁等工作.

2.2分類方法

基于4期遙感影像，研究中采用最大似然法提取研究區(qū)地物類型，將區(qū)域分為五大類：城市、濕地、林地、耕地、休耕田[22].由于濕地的類型較為復雜，并受到影像分辨率影響，在影像上區(qū)分不夠明顯，因此將河流濕地、湖泊濕地、庫塘濕地、近海及海岸濕地、沼澤草甸濕地等都歸并為濕地大類中.本研究中對濕地類別的提取中采用了最大似然法分類，并且在最大似然分類方法的原始數(shù)據(jù)中加入了輔助數(shù)據(jù)(包括NDVI植被指數(shù)、NDWI水體指數(shù)、NDBI城鎮(zhèn)指數(shù)等)，以水體信息遙感提取為主，其他地類提取為輔，得到遙感影像的分類結果，同時，局部區(qū)域使用高分辨率參考數(shù)據(jù)進行精度評估，確保了地類信息提取的準確度[23-24].

圖1　Landsat遙感影像Fig. 1　Landsat image

2.3濕地分類精度評價

為了進行濕地分類精度評價，在局部區(qū)域選取了年代相近的SPOT 5 影像與4期Landsat影像進行對比，將SPOT5提供的高精度的地物信息作為驗證數(shù)據(jù)，對Landsat影像的分類結果進行評價，結果表明，4期影像的分類精度均都達到了90%以上(表1).

表1　遙感影像的分類精度

3結果分析

利用最大似然法分類，將研究區(qū)劃分為5種地物類型，在多次選擇更優(yōu)樣本提高分類精度的基礎上，得到4期研究區(qū)土地類型的空間分布圖(詳見圖2).

分類后的影像數(shù)據(jù)進行轉換矩陣處理，得到了相鄰期次間研究區(qū)域內(nèi)各地物類型土地面積轉換情況.(詳見表2-表5)

1993-2003年(表2)，城市面積擴張，總增幅達到135%，平均年漲幅超過10%.城市面積增長主要從濕地、休耕田、農(nóng)田等地物類型轉換而來，其中農(nóng)業(yè)用地占其中的72.86%，表明在19世紀末，杭嘉湖平原內(nèi)，城市由中心向外擴張，侵占大面積耕地.同時，濕地也受到較大程度破壞，面積損失23.67%.對濕地破壞較大的是農(nóng)業(yè)用地的侵占，耕地和休耕地占用率達到濕地減少面積的80%.從中國統(tǒng)計年鑒獲得的浙江省在1993-2003年第一產(chǎn)業(yè)所占比重的分析可知，第一產(chǎn)業(yè)由1993年所占16.41%下降至2003年的7.4%[25].該時段內(nèi)農(nóng)業(yè)規(guī)模不斷縮小，由此可以預計，在進入20世紀后，農(nóng)業(yè)用地對濕地資源的侵占會逐步減弱.

圖2　1993-2015年杭嘉湖平原核心區(qū)土地覆被圖Fig. 2　Land cover maps of core area of Hangjiahu plain in 1993(a),2003(b),2008(c),2015(d)

土地類型1993年城市1993年濕地1993年林地1993年農(nóng)田1993年休耕田2003年合計2003年城市24.4821.384.0431.7036.53118.132003年濕地10.45224.548.7439.1436.96319.832003年林地1.7618.5428.3315.578.5472.702003年農(nóng)田8.36128.1437.43614.3462.61851.182003年休耕田5.1326.438.9359.2125.59125.291993年合計50.18419.0387.47759.96170.23變化率/%+135.42-23.67-16.84+11.96-26.40

2003-2008年(表3)，城市面積增幅達到148.06%，平均年增幅近50%，遠遠超過1993-2003年的城市擴張速度，因而濕地破壞強度達到峰值，面積縮幅達到51.09%.從土地類型的轉變情況來看，濕地的土地資源保持主要受到城市發(fā)展脅迫，大部分轉變?yōu)槌擎?zhèn)用地和休耕地.休耕田和農(nóng)田在不同季節(jié)內(nèi)，存在相互轉變關系，而在杭嘉湖平原內(nèi)，水稻種植面積廣泛，由于遙感影像成像時間所限，在不同年段內(nèi)，未長出的水稻田會被錯劃為休耕田，因此濕地類型轉變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地存在浮動.總體而言，濕地格局變遷受人為影響劇烈(詳見表3).

表3　杭嘉湖平原2003-2008年土地覆被類型轉移變化表

2008-2015年(表4)，我國經(jīng)濟總量急劇提升，在市場的刺激下，城市面積持續(xù)增長,增幅近43%，主要由農(nóng)田、休耕田轉換而來，而濕地首次出現(xiàn)正增長，增幅達到44.26%，主要轉換來源為城鎮(zhèn)用地、休耕田及少量農(nóng)田.

于2013年末，浙江省政府提出“五水共治”政策，充分考慮自2003年來杭嘉湖平原出現(xiàn)的水資源匱乏、水質(zhì)明顯下降現(xiàn)狀.以嘉興為例，自2013年實施“五水共治”策略以來，嘉興市河流水環(huán)境狀況得以明顯改善[26].在政策的有力推動下，濕地資源得到了有效保護，在5年內(nèi)實現(xiàn)了40%的增長.

表4　杭嘉湖平原2008-2015年土地覆被類型轉移變化表

結合轉換矩陣的結果，可以看出2008年前后，濕地資源得到合理保護和修復，主要表現(xiàn)在城市類型轉變?yōu)闈竦?在社會發(fā)展時，通過侵占和破壞濕地區(qū)域來獲得城鎮(zhèn)區(qū)域的增長，在政府采取相應措施整治濕地資源后，濕地恢復效果較為理想.雖然濕地面積持續(xù)減小的趨勢有效遏制，但城市濕地功能退化已經(jīng)是長期問題.2002年,杭州市開始實施西湖綜合保護工程,工程的實施周期為5年，在執(zhí)行期內(nèi)相繼對西湖的“東南西北中”進行了全方位的保護和整治,其內(nèi)容涉及生態(tài)保護、環(huán)境美化、文脈延續(xù)、景觀修復、水質(zhì)治理、建筑整治等諸多方面.其中新增公共綠地110余公頃,恢復水面95.5公頃[27].

總體來說，1993-2015年(表5)，直觀體現(xiàn)人類活動作用方向：城市面積增長了約7倍，濕地、林地都有不同程度的縮減，而耕田和休耕田的變化與時間關系緊密，出現(xiàn)波動屬于合理情況.

而區(qū)域內(nèi)濕地格局的變化主要方式是面積的增減和類型的轉換，產(chǎn)生變化的驅動力來源于自然和社會兩方面.根據(jù)多個時段土地類型變化分析研究表明，杭嘉湖平原內(nèi)濕地景觀格局變遷主要驅動力為社會因素，濕地面積流入和流出主要方向均為城鎮(zhèn)用地，而且城市擴張速度和相關政策實施，直接影響濕地格局演變.

表5　杭嘉湖平原1993-2015年土地覆被類型轉移變化表

4討論與總結

本文使用1993年、2003年、2008年、2015年4期LandsatTM/OLI遙感影像，提取杭嘉湖平原核心區(qū)域土地利用類型情況，通過轉移矩陣，分析不同時期研究區(qū)內(nèi)濕地格局變化的特征和規(guī)律.

研究中使用了基于最大似然法的濕地分布提取，在使用最大似然法的監(jiān)督分類方法的同時，結合水體指數(shù)等各項地物特征指數(shù)為輔，使得研究區(qū)中細小水體和小河流的水文信息提取更為精確，也使得土地利用分類圖件精度達到90%以上，得到了較為精確的各期分析數(shù)據(jù)基礎.

在濕地格局變遷研究中，以杭嘉湖平原中濕地的分布情況及土地利用類型圖為基礎，對多期結果進行轉換矩陣分析.通過相鄰期次及首尾期次的比較，分析土地覆被類型變化情況，得到影響濕地格局變遷的主要驅動因素.

研究結果表明，濕地格局變化的主要影響力是城鎮(zhèn)因素，2008年之前以濕地轉換為城鎮(zhèn)用地為主，而2008-2015年在政策驅動下部分城鎮(zhèn)用地轉換回濕地類型，但總體來說卻沒有改變近30年來大多數(shù)濕地轉換為城鎮(zhèn)的趨勢.可見高速城市化進程對濕地的影響至深.1993-2015年，杭嘉湖平原內(nèi)城市擴張7倍，城市高速發(fā)展，使得研究區(qū)其他各類地物大多轉換為城鎮(zhèn)區(qū)域.其中2003-2008年，對濕地的破壞最為嚴重，損失了近50%的濕地面積.而在2008年后，在政府的保護措施下，濕地破壞的強度有所緩解，甚至實現(xiàn)小幅增長.濕地的可持續(xù)發(fā)展需要政策的支持，而濕地格局變化研究的評估也顯得尤為重要.政府和相關部門應更加重視濕地對生態(tài)環(huán)境的重要性以及其退化對人類生活產(chǎn)生的重大影響，并以遙感技術及地理信息系統(tǒng)為手段，建立相應的濕地資源監(jiān)控及濕地格局變化研究平臺，健全濕地評價與評估體系，為濕地保護與修復提供更好的決策依據(jù).

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收稿日期：2015-11-18

基金項目：國家自然科學基金項目(41402304)；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510346012)；浙江省自然科學基金項目(Q13D020005).

通信作者：吳文淵(1984—)，女，講師，博士，主要從事遙感信息提取及地學應用、遙感地質(zhì)、遙感熱紅外等研究.E-mail:wwyzju@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.04.015

中圖分類號:P942

文獻標志碼:A

文章編號:1674-232X(2016)04-0420-07

On the Wetland Pattern Changes in Hangjiahu Plain

PANG Yuwen1, WU Wenyuan1,2, JIN Cheng1, HU Tangao1,2, SONG Yu1,2, XU Junfeng1,2

(1.College of Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Urban Wetlands and Regional Change, Hangzhou 311121, China)

Abstract:In this study, four Landsat TM/OLI images in 1993, 2003, 2008 and 2015 were used to make LUCC analysis in Hangjiahu plain. The results showed that from 1993 to 2015, the great areas of wetland decreased gradually, with total area decreasing from 418.88 km2 to 225.69 km2, the reduction up to 46.14%, which was drastically affected by urbanization. The urban areas increased from 50.18 km2 to 118.13 km2 within the period from 1993 to 2003, while the areas of wetland reduced 99.2 km2. From 2003 to 2008, wetland attenuation was the most obvious than other periods, the reduction up to 51.09%, the reduced wetland types were mainly converted to urban and fallow farmland. Meanwhile, the urban expansion was more significant than other stages, its average annual growth rate was nearly 30%. The protection policy made the wetland area achieve positive growth, the average annual increase was 6.32% within the period of 2008 to 2015. In a few words, wetland pattern changes were affected by natural factors and social factors, while the human disturbance activity was the dominant factor. Prior to 2008, the focus was on urban development, and transforming wetland to urban or agricultural lands. But in recent years, under the policy adjustments, wetland protection was concerned to increase its area.

Key words:Hangjiahu; remote sensing on wetland; wetland pattern; Landsat TM/OLI