基于遙感技術(shù)的鄭汴地區(qū)濕地景觀變化研究

孟丹陽，王利彥，司賽楠，高寶嘉

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2鄭州工商學(xué)院，河南 鄭州 450002)

濕地與海洋、森林并稱為地球三大生態(tài)系統(tǒng)，是水陸環(huán)境交錯過渡的特殊產(chǎn)物，對于維護地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定具有重大意義[1]。近幾年來，濕地景觀作為一種特有的生態(tài)旅游資源也越來越受到重視。關(guān)于濕地景觀變化的研究，國內(nèi)、國外已經(jīng)進行了很多研究[2-6]。濕地屬于特殊的敏感生態(tài)區(qū)，因此其生態(tài)脆弱性評價至關(guān)重要，朱德明從生態(tài)脆弱帶的一般屬性出發(fā)，分析了太湖脆弱區(qū)的演變規(guī)律，提出了湖泊生態(tài)脆弱性的評價體系[7]。王曉峰，等利用RS 和GIS 分析方法，在生態(tài)系統(tǒng)理論的指導(dǎo)下，提取了研究區(qū)影響環(huán)境脆弱性的6個因子的圖層數(shù)據(jù)，疊加形成一個綜合環(huán)境指數(shù)圖層數(shù)據(jù)，并將研究區(qū)劃分為4個環(huán)境分區(qū)，對南水北調(diào)中線工程陜西水源區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行了綜合評價[8]。但這些研究多集中在自然沼澤地區(qū)、河流三角洲地區(qū)、面積較大的湖泊地區(qū)和河流源區(qū)，對于我國中部平原地區(qū)，特別是鄭汴地區(qū)這一濕地景觀特征不夠鮮明的區(qū)域研究還不夠全面、深入。近些年來，越來越多相關(guān)專家學(xué)者的研究推動著景觀生態(tài)系統(tǒng)空間特征量度的研究發(fā)展。由此建立起的諸多景觀格局評價指標，為景觀空間格局的分析提供了理論基礎(chǔ)[9]。本研究在參考、總結(jié)、分析以往濕地景觀研究成果的基礎(chǔ)上，借助遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，對鄭汴地區(qū)1992-2012年濕地景觀總體格局變化和單一要素變化進行了深入分析，旨在揭示在自然環(huán)境和人類活動的雙重影響下，區(qū)域濕地景觀的動態(tài)演變，進而為鄭汴地區(qū)濕地景觀合理科學(xué)的開發(fā)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

鄭汴地區(qū)位于河南省北部，是‘大鄭東新區(qū)’發(fā)展規(guī)劃的主要承載區(qū)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷闹芯暥扰瘻貛Т箨懶约撅L氣候，四季分明。多年平均氣溫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。主要土壤有亞砂土和份砂土2大類，雜有亞砂土和黑色淤泥夾層。

研究區(qū)域位于鄭開中心城區(qū)交界處，地理坐標在北緯34°39′～34°58′，東經(jīng)113°32′～114°28′。

東起開封市土柏崗鄉(xiāng)，西至鄭州市須水鎮(zhèn)，南起中牟縣喬莊村、開封市祥符區(qū)，北達黃河南岸。研究區(qū)涉及鄭州市、開封市、中牟縣和轄區(qū)下的多個區(qū)鎮(zhèn)。總面積約2 456.94 km2，人口約1 770萬人。

鄭汴地區(qū)濕地景觀主要由草本植物組成。草層高度5～20 cm，覆蓋度 20%～60%。主要有草甸植被、沼澤草甸植被、鹽生草甸植被、栽培作物及人造植被。草甸植被廣布于黃河上下游的下濕灘、二階河漫灘和低濕洼地，以寸草苔草、羊草為主；沼澤草甸植被分布在一階河漫灘及沼澤灘內(nèi)，呈點狀草丘，植被以草科為優(yōu)勢；鹽生草甸植被分布在疏緩丘陵和波狀高原的坡梁、干旱灘、二陰灘，以旱生叢生禾本科植物為主。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理平臺

數(shù)據(jù)源為國家基礎(chǔ)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。數(shù)據(jù)處理平臺包括Erdas 9.0、Arcgis 10.1、ENVI 4.7和Excel 2013。

2.2 鄭汴地區(qū)濕地景觀分類

對鄭汴地區(qū)濕地景觀的分類是建立在對研究區(qū)濕地特點和功能全面認識的基礎(chǔ)上的，在參考濕地基本分類的前提下，根據(jù)研究區(qū)濕地景觀特征以及土地資源利用現(xiàn)狀，綜合考慮濕地的水文、生態(tài)等要素，首先要借助在ENVI 4.7軟件中對Landsat TM/ETM+衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進行波段融合。然后，根據(jù)土地利用分類系統(tǒng)，對每一期遙感影像波段融合后的結(jié)果進行對比，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)研究區(qū)1992-2013年植被覆蓋度GPS定點調(diào)查數(shù)據(jù)等，用于判定地物類型以及驗證研究區(qū)遙感影像的分類精度，最終得出1992、2002、2013年遙感影像分類精度分別為81%、89%、87%。最后，根據(jù)鄭汴地區(qū)的實際情況以及遙感影像的分類處理后將研究區(qū)景觀類型分為耕地景觀、林地景觀、河渠景觀、灘地景觀、庫塘景觀和建設(shè)用地景觀?；诖酥匮芯糠治龊完U述河渠景觀、灘地景觀、庫塘景觀3類濕地景觀，從宏觀上反映出鄭汴地區(qū)濕地景觀的特征。

2.3 分時段景觀制圖和GIS應(yīng)用

在Erdas 9.0軟件的技術(shù)支持下，對1992年Landsat-5 TM影像、2002年Landsat-7 ETM影像、2013年Landsat-7 ETM影像進行遙感判讀、解譯工作，并對數(shù)據(jù)進行修改、編輯，分別制成3個時期的景觀類型分布圖。然后利用Arcgis 10.1強大的空間分析能力，計算各個時期濕地景觀格局數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)空間屬性信息，對鄭汴地區(qū)濕地景觀1992-2013年的變化進行分析研究，如圖1。

a 1992年景觀類型圖1992 landscape type map

b 2002年景觀類型圖2002 landscape type map

c 2013年景觀類型圖2013 landscape type map圖1 1992-2013年鄭汴地區(qū)濕地景觀類型Figure 1 type of wetland landscape in Zhengbian area from 1992 to 2013

結(jié)合鄭汴地區(qū)濕地景觀格局特點,采用香濃多樣性指數(shù)、景觀形狀指數(shù)以及蔓延度指數(shù)，從景觀格局動態(tài)變化和單一要素變化定量分析來研究該區(qū)域濕地景觀變化，以此探討人類生產(chǎn)生活干擾對于鄭汴地區(qū)濕地景觀格局演變的影響。

香濃多樣性指數(shù):香濃多樣性指數(shù)是反映景觀要素的多少和各景觀類型所占比例的變化，其取值范圍為：SHDI≥0。當香濃多樣性指數(shù)為0，說明景觀中僅存在一種要素，景觀是均質(zhì)的；當景觀的香濃多樣性指數(shù)達到最高時，說明景觀由2個以上的要素構(gòu)成，而且各景觀類型所占比例是相等的；各景觀類型所占比例差異增大，則景觀的多樣性下降。景觀多樣性指數(shù)SHDI表示為[8]：

(1)

式中：pi為景觀類型 占所有景觀類型總面積的比例，m為景觀類型的數(shù)目。

景觀形狀指數(shù):景觀形狀指數(shù)通過計算整個景觀類型的斑塊周長與同面積圓形或正方形的周長之比，來測定景觀的形狀復(fù)雜程度，是將計算尺度從單個斑塊上升到整個景觀而已。景觀形狀指數(shù)LSI表示[10]：

(2)

式中：E為所有景觀類型斑塊邊界的總長度，A為景觀總面積。

蔓延度指數(shù):蔓延度指數(shù)是反映景觀里不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢，其指數(shù)范圍為0≤C≤100。從理論上講，蔓延度指數(shù)值較小時，表明該地區(qū)景觀中存在著許多小斑塊，景觀的破碎化程度較高，呈現(xiàn)出多要素、密集型格局；蔓延度指數(shù)越是接近100，則表明景觀中存在優(yōu)勢斑塊類型，并且有極高的連通度，形成了良好的連接性。蔓延度指數(shù)Contag表示為[8]：

(3)

式中：pi為i類型斑塊所占的面積百分比，gik為i和k兩種類型斑塊毗鄰的數(shù)目，m為景觀中的斑塊類型總數(shù)目。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局動態(tài)變化

1992-2013年鄭汴地區(qū)景觀動態(tài)變化見表1。

表1 1992-2013年鄭汴地區(qū)景觀動態(tài)變化Table 1 Dynamic changes of landscape in Zhengbian area during 1992-2013

從表1可以看出，在2013年鄭汴地區(qū)景觀類型中，耕地景觀、建設(shè)用地景觀和林地景觀類型為主導(dǎo)景觀類型。耕地景觀雖然較1992年耕地景觀面積大幅度減少，但仍占到當前各類型景觀總面積的48.84%，是鄭汴地區(qū)的優(yōu)勢景觀類型；建設(shè)用地景觀占到當前各類型景觀總面積的35.12%；林地景觀較1992年林地景觀面積有所增長，占各類型景觀總面積的11.89%。而相對反映出來的就是河渠景觀、灘地景觀和庫塘景觀3類濕地景觀占各類型景觀總面積的比例極小，僅分別占到景觀總面積的0.89%、1.55%和1.71%。從表中可以看出，從1992年至2013年二十多年間，鄭汴地區(qū)景觀格局動態(tài)變化比較明顯，各類型景觀面積均發(fā)生了很大的變化。主要體現(xiàn)在：耕地面積呈現(xiàn)減小趨勢，而建設(shè)用地面積和林地面積呈現(xiàn)大幅度增加趨勢。特別值得注意的是，本身占各類型景觀總面積比例極小的3類濕地景觀面積，則呈現(xiàn)出急速減小的態(tài)勢。

1992-2013年鄭汴地區(qū)景觀斑塊數(shù)量動態(tài)變化見表2。

表2 1992-2013年鄭汴地區(qū)景觀斑塊數(shù)量動態(tài)變化Table 2 Dynamic change in the number of landscape plaques in Zhengbian area during 1992-2013

從表2可以看出，近二十年來，鄭汴地區(qū)景觀格局動態(tài)變化不僅僅體現(xiàn)在各類型景觀面積的變化，同時也伴隨著斑塊數(shù)量的巨大變化，總體來看呈現(xiàn)增加態(tài)勢。斑塊數(shù)量從1992年的22 338塊增加到2013年的27 443塊，增幅為22.85%。斑塊平均密度2013年為11.17塊/km2，相較于1992年的9.10塊/km2增加了2.07塊。而河渠景觀、灘地景觀和庫塘景觀3類濕地景觀均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，但總體上呈較少趨勢，分別較1992年斑塊數(shù)量減少了65.33%、13.12%和19.31%。

3.2 景觀格局變化分析

1992-2013年鄭汴地區(qū)景觀格局變化指數(shù)見表3。

表3 1992-2013年鄭汴地區(qū)景觀格局變化指數(shù)Table 3 Landscape pattern change index in Zhengbian area during 1992-2003

從表3可得出1992年、2002年和2013年鄭汴地區(qū)景觀格局的香濃多樣性指數(shù)，其結(jié)果分別是1.020 7、1.021 8和1.147 0，香濃多樣性指數(shù)有所增大。這說明了在確定鄭汴地區(qū)區(qū)域景觀類型體系情況下，各景觀類型占景觀總面積的比例存在一定的差異，且差異有所減小，景觀多樣性增高。表明該區(qū)域土地利用更加豐富，其不定性的信息含量也更大。1992年和2013年鄭汴地區(qū)景觀形狀指數(shù)(LSI)，其結(jié)果分別是92.079 3和134.703 5，景觀形狀指數(shù)(LSI)波動增加。由此可以看出，鄭汴地區(qū)濕地景觀的幾何形狀更加趨向規(guī)則。1992年和2013年鄭汴地區(qū)景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)，其結(jié)果分別是59.796 5和52.243 0。蔓延度指數(shù)(CONTAG)較小且呈現(xiàn)出減小趨勢，這表明鄭汴地區(qū)景觀中存在著許多小斑塊，是具有多種要素的密集格局，景觀的破碎程度增高。

3.3 濕地景觀斑塊的動態(tài)變化

3.3.1 斑塊面積的變化 斑塊是研究景觀異質(zhì)性的基本單元。因此，一個地區(qū)景觀格局的變化在一定程度上可以由斑塊的變化反映出。1992年到2013年，鄭汴地區(qū)各類型濕地景觀均發(fā)生了比較大的變化，主要表現(xiàn)在各種濕地景觀斑塊的面積和數(shù)量都發(fā)生了不同程度的增減變化。從濕地景觀斑塊面積變化上來看，1992年到2013年，河渠景觀、灘地景觀和庫塘景觀3類濕地景觀面積均呈現(xiàn)出大幅度減少的趨勢，其中灘地景觀面積減小的幅度最大。1992年河渠景觀面積占總面積的1.78%，到2013年僅占0.89%；1992年灘地景觀面積占總面積的6.32%，到2013年僅占1.55%；1992庫塘景觀面積占總面積的3.09%，到2013年僅占1.71%；從濕地景觀斑塊的平均面積來看，整個鄭汴地區(qū)景觀的斑塊平均面積從0.11 km2減小為0.09 km2，其中除了河渠景觀的平均斑塊面積增大外，灘地景觀和庫塘景觀的斑塊平均面積均有所減小。各類型濕地景觀面積的變化受自然因素和人為因素的雙重影響，特別是人類活動的干擾。如市場經(jīng)濟的影響、農(nóng)業(yè)種植政策的變化、城市化的不斷發(fā)展等。

3.3.2 斑塊數(shù)量的變化 從上述的表2可以看出，1992-2013年，河渠景觀、灘地景觀和庫塘景觀均表現(xiàn)為波動減少態(tài)勢，其中河渠景觀斑塊數(shù)量減少最為明顯，減少幅度為65.33%。這表明，隨著建設(shè)用地等景觀面積和斑塊平均面積的大幅度增大，人類生產(chǎn)生活活動，對濕地景觀的生存現(xiàn)狀產(chǎn)生了極大的負面影響。

3.4 單一景觀要素分析

在濕地景觀的動態(tài)變化中，濕地景觀類型斑塊數(shù)量也呈減少趨勢。

河渠景觀類型2013年總面積為21.91 km2，相較于1992年的43.80 km2，面積減小了49.98%，同時斑塊數(shù)量也從1992年的300塊減少到2013年的104塊，減少量高達196塊，斑塊密度從1992年的0.12塊/km2減少到2013年的0.04塊/km2，這些信息表明河渠景觀破碎化程度減小。庫塘景觀類型2013年總面積為41.98 km2，相較于1992年的75.91 km2，面積減小了44.70%，同時斑塊數(shù)量也從1992年的2 615塊減少到2013年的2 110塊，斑塊密度從1.06塊/km2減少到0.86塊/km2。灘地景觀變化最為顯著，2013年分布面積為38.17 km2，相較于1992年的155.35 km2，面積減小了75.43%，同時斑塊數(shù)量也從1992年的1 821塊減少到2013年的1 582塊，斑塊密度從0.74塊/km2減少到0.64塊/km2，這表明灘地景觀面積在急速減少的同時，破碎化程度變化卻不明顯。

根據(jù)公式(2)計算出河渠景觀、灘地景觀和庫塘景觀3類濕地景觀的形狀指數(shù)(LSI)。1992年河渠景觀和庫塘景觀的形狀指數(shù)結(jié)果分別為24.450 2和69.163 5，2013年分別為14.044 7和63.657 4，呈減小趨勢，表明2類濕地景觀幾何形狀更加復(fù)雜。而灘地景觀形狀指數(shù)則從1992年的44.073 4上升到2013年的52.444 2，表明灘地景觀的幾何形狀趨向規(guī)則。

4 結(jié)論與討論

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，1992-2013年鄭汴地區(qū)濕地景觀演變的二十年也是鄭汴地區(qū)社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的二十年。特別是2003年，河南省委、省政府為了實現(xiàn)建設(shè)小康社會和中原崛起的宏偉目標，制定發(fā)布了《河南省全面建設(shè)小康社會規(guī)劃綱要》，并在2005年4月17日首次提出“鄭汴一體化”這一歷史性概念，鄭汴新區(qū)規(guī)劃面積約是1 700～2 100 km2。社會經(jīng)濟發(fā)展直接帶動城市化發(fā)展，同時也使建設(shè)用地景觀面積急速增大。1992年鄭汴地區(qū)建設(shè)用地景觀總面積350.60 km2，占所有景觀總面積的14.27%，2013年則為862.79 km2，近二十年建設(shè)用地面積增加了146.1%。除了占用大量耕地外，對濕地景觀的侵占也是非常嚴重的。近幾年來，城市發(fā)展更加注重可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)質(zhì)量成為衡量城市發(fā)展的重要指標之一，這種現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)。

鄭汴地區(qū)生活飲用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水對黃河水這一重要水源存在這極大的依賴性。2013年，鄭州市花園口來水量534.15億m3[11]，雖然黃河上中游水庫的建造調(diào)節(jié)了黃河季節(jié)性水量，大大緩解了黃河下游斷流情況，但也影響著黃河下游整體來水量。2013年鄭州段來水量相較于90年代年平均650億m3的來水量，仍有大幅度減少。但伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源供需矛盾日益尖銳，再加上水資源存在嚴重浪費現(xiàn)象，造成鄭汴地區(qū)濕地景觀面積的減少。例如部分河渠景觀消失，灘地景觀開發(fā)為農(nóng)業(yè)用地，依賴于黃河水源的庫塘養(yǎng)殖、水稻種植等逐步轉(zhuǎn)化為旱地景觀。

在鄭汴地區(qū)景觀中，耕地景觀和建設(shè)用地景觀為優(yōu)勢景觀，濕地景觀分布面積均呈顯著減小的趨勢。1992-2013年，河渠景觀、灘地景觀和庫塘景觀3類濕地景觀類型分布面積縮小了62.9%，斑塊數(shù)量減少了19.85%。隨著社會發(fā)展和人類活動的日益頻繁，研究區(qū)景觀多樣性增加，幾何形狀趨向規(guī)則，逐漸形成多種要素共存的濕地景觀格局。事實證明，鄭汴地區(qū)濕地景觀的變化是受自然因素和人類活動雙重影響的結(jié)果。