基于遥感数据的慈溪海涂围垦区景观格局分析

郑文兵，郑忠明＊，李加林，乔富珍

（1.宁波大学 海洋学院，浙江 宁波 315211；2.宁波大学 建筑工程与环境学院，浙江 宁波315211）

0 引言

海涂区域是一种非常有价值的生态土地资源，处于海陆交错带，有着较高的土地、生态及经济效益。沿海围垦造地是人类开发利用海涂的一种非常重要的手段。近些年来，我国沿海的各省市地区对海涂区域进行了大量开发利用，且随着经济发展的需要，在以后相当长的一段时间里还将进行更大规模的沿海围垦与开发。这在一定程度上引起了围垦区生态系统的景观格局变化，打破了围垦区景观生态平衡，出现了各种环境问题，如人工景观过多，生态系统抵御力差等［1］。如何对围垦区景观生态环境进行保护是当下一个新的研究重点，得到了国内外广泛的关注［2］。

本研究以景观生态学、景观敏感性等理论为依据，采用景观指数量化方法，坚持生态围垦与环境保护相结合、景观结构与功能交互影响、人类－社会－自然复合生态系统有效性与稳定性相统一、保护和增加景观多样性和异质性等原则［2］，对慈溪围垦区的景观生态环境进行研究分析，提出了慈溪围垦区是以农业利用型为主的滩涂围垦区，并采用多个时期的慈溪围垦区遥感影像进行景观格局演变特征分析，具有对比性和全面性。

1 研究区域与研究方法

1.1 慈溪市及研究区域简介

慈溪市位于中国浙江省东北部、杭州湾南岸。慈溪自古就是一座围垦城市，有“唐涂宋地”之称，境内60%～70%的土地来源于近千年来的围海造田，在版图上可以看出它南丘北海，海岸线成弧形状，处于30°02′～30°24′N，121°02′～121°42′E之间，总面积为1 718km2，其中14.9%是南部丘陵和滨海平原，19.9%是海域，25.2%是滩涂围垦。自新世纪以来，慈溪围垦滩涂规模加大，导致杭州湾生态环境恶化［3］。为此，慈溪专门对围垦区进行了相关规划。慈溪市滩涂围垦总体规划是：科学合理地开发利用慈溪围垦区的重要资源，实现对该地区的资源使用所带来的经济、社会和环境三方效益的协调发展，从而为该区域经济社会可持续发展奠定基础［4］。规划期限截止至2050年，现在处于初步规划期。

本次实验研究区域为慈溪市的围垦区（图1），研究区域范围东段以龙山镇为起始，西段至周巷镇松浦，南段至九堰松浦，北段则至十二塘为止，整个研究区域带弧形状近似长方形，弧形长约80km，两弧形间平均宽度约为5km［4］。

图1 慈溪市及研究区域示意图Fig.1 Sketch map of Cixi and study area

1.2 景观分类

依据慈溪围垦区的特点及人类活动对景观造成的影响程度，将围垦区景观分为2种基本类型，一种是自然景观，另外一种是人工景观。未受或受人类活动干扰很小的属于自然景观；受人类活动干扰很大的则为人工景观［5］。根据围垦区的属性特点和土地利用分类系统，对人工景观和自然景观进行细分，将围垦区划分为建筑、养殖塘、草地、林地、水体和裸地等几个景观水平，其中建筑和养殖塘属于人工景观，草地、林地、水体和裸地属于自然景观。选用慈溪市2000，2006和2013年3期遥感影像对围垦区的景观格局进行对比分析。

1.3 景观指数选取

景观格局定量描述需要采用相关的景观指数，目前已有40多种景观指数用于分析景观格局的变化［6－11］。本研究选取了比较有代表意义的景观指数，从类型水平和景观水平两个层次来反映慈溪市围垦区景观空间格局的变化。类型水平上选取类型斑块数（TNP）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）和周长－面积分维数（PAFRAC）；景观水平上选取景观斑块数（LNP）、优势度（D）、香农多样性指（SHDI）和均匀度指数（SHEI）等指数，各指数都代表某一特定的意义（表1），其公式为国际通用公式［11－12］，采用Frgastats 3.3软件进行计算。

1.4 研究方法

以慈溪市2000，2006和2013年3期Landstat TM影像为基础数据（它们成像时间分别是2000年8月，2006年7月和2013年8月，天气状况良好，云覆盖率低于8%，可以满足分类需要），运用地理信息处理软件ArcGIS、ENVI和ERDAS对其进行处理；采用景观格局指数，对3个时期的遥感影像进行对比；依据实践资料并结合国内外有关围垦的研究，对慈溪市围垦区13a间景观格局的动态变化过程进行研究分析。

表1 景观指数意义Tab.1 Meanings of landscape indices

1.4.1 影像预处理

由于大气、季节时令等影响，遥感影像会出现变形模糊等现象，影响遥感图像的解译工作。因此，需要对遥感影像进行预处理，得到比较真实的遥感影像［13］。预处理主要步骤是利用ArcGIS软件对3幅慈溪围垦区遥感影像进行假彩色合成，选用5、4、3三个波段，得到3个时期的合成影像，然后再利用Arc－GIS软件对合成遥感图像进行几何纠正。

1.4.2 影像分类和评价

影像分类是根据分类经验和建立的分类方法规范，归并遥感数据记录的信息中呈现的不同像元组成的几种不同景观水平［14］。不同地物、不同自然或人为因素的影响可能导致相同遥感像元信息记录不同物体现象，所以在选择样本时需要均匀分布，并抽查一些样本进行实地考查印证，得到景观分类图后需要进行评价。其具体方法为利用ERDAS软件进行监督分类；评价采用随机抽样检验的方法，每类景观分别选取40个样点并进行相关实地考查，通过对比来评价结果的准确度［14］。

1.4.3 景观指数的计算及分析

采用Fragstats 3.3软件可以计算得到类型水平和景观水平的近40多个景观指数。由于Fragstats 3.3软件对数据的格式有严格要求，所以数据处理时首先在ERDAS软件中将各景观类型的分类结果转成shp格式，然后导入Fragstats 3.3软件中，最后进行相关计算并得到所需结果［15］。

1.4.4 数据分析

根据不同时期的景观分类图和景观指数数据，同时结合野外实地调研资料，分别从类型水平和景观水平两个层次上对研究区景观格局变化进行分析和研究。

2 结果与分析

2.1 慈溪围垦区景观格局变化定性分析

在慈溪围垦区景观类型构成比例中，自然景观具有相对优势，占围垦区景观总面积的60%以上，但随着时间推移自然生态景观明显减少，而人工景观则有序增多（图2）。在2000—2013年间，围垦区的面积有所扩大，各类景观在13a间相互转化，其中裸地景观面积大幅度减少，逐渐向养殖塘和建筑等人工景观水平转化。

2.2 围垦区景观格局变化定量分析

2.2.1 类型水平上的格局变化

由表2可以看出，研究区2000—2013年13a间，围垦区类型水平的景观指数均发生了显著变化。林地、水体、草地、裸地、养殖塘和建筑在13a间变化趋势各有不同，相互转化。在类型斑块数方面，养殖塘的景观类型斑块数呈先增加后减少的趋势，其中在2006年达到最大；林地、建筑、裸地和草地的景观类型斑块数呈增加的趋势，在2013年达到最大；建筑的斑块数量从0变化至1 657，这种变化趋势的主要原因是人类对景观类型的过度人为选择。在景观形状指数方面，2000—2013年间，建筑形状指数从0变化至9.06；养殖塘的形状指数变化最大，先由16.56缓慢减小到15.64后减少为4.67，前6a有一些养殖塘连接在一起但又有大量的小养殖塘出现，后7a这些养殖塘景观有很多由分散连接成片状（图2）。在周长－面积分维数变化方面，林地、草地、裸地和水体的分维数都有一定程度的增加，而养殖场的分维数则有所减小，建筑的分维数先增后减小（表2）。林地、草地和裸地分维数的增加与大量土地用作基础建设设施、道路等各种建设用地有关，这使其边界变得弯曲曲折；基础建设设施、道路等各种建设开始没有有序规划，后来统一规划，因而建筑的分维数先增后减小；水体的分维数增加一定程度上与养殖业拓展有关，水体部分分成小块，导致分维数增加；由于养殖业大量发展，为了充分利用沿海地区地域，养殖塘由部分集中向成片发展，分维数减小，形状趋于简单。总之，受这一时段围垦造地、养殖建设等开发建设活动的影响，自然生态景观斑块的形状越来越复杂，景观形状趋于不规则化；人工景观形状趋于简单化，整体上人类干扰活动使得景观形态变得复杂化。

图2 2000—2013年慈溪围垦区景观分类图Fig.2 Classification maps of landscape in Cixi reclamation region during 2000－2013

表2 2000—2013年研究区类型水平景观指数变化Tab.2 Changes of landscape indices at patch type level in studying region during 2000－2013

2.2.2 景观水平上的格局变化

总体上看，围垦区各景观水平指数有显著变化。景观斑块数方面，在2013年达到最大值10 330（表3），表明整个研究期内人类对围垦区开发利用的程度增强，导致围垦区破碎化程度加剧，斑块总数增加，景观趋于复杂。结合表2和表3的结果可知，大多围垦区景观的最大斑块指数呈减少趋势，其中最大斑块指数减少最显著的分别是裸地（2000—2013年）和养殖塘（2006—2013年），说明这两者在研究期内受人为干扰程度最大。在优势度方面，研究期间，优势度呈减小趋势，从0.790降至0.472，这是由于随着裸地和草地不断转变为建设用地，裸地原有的斑块优势在下降，由此造成其对整个景观的控制作用减弱。13a间香农多样性指数从0.621减至0.406，减幅达35%左右，说明本研究区的景观要素多样性减幅显著。另外，均匀度指数的减幅也达30%左右，说明研究区内不同景观水平分布趋于不均匀化，各景观斑块之间的面积差异有所扩大，林地和裸地景观资源分布变化由基本聚集到分散破碎，自然生态景观转化为人工景观程度加大；与此同时，建筑及养殖塘由原来的分散状态逐渐演变成片状，说明在人工干扰下景观水平分布情况中的不均匀性在增加。

慈溪围垦区2000—2013年景观格局指数的变化结果表明：慈溪围垦区景观结构发生了显著变化。建筑和养殖塘的增加主要由裸地，水体和林地等斑块转化而来，自然生态景观斑块的形状越来越复杂，其景观斑块形状趋于不规则化；人工景观形状趋于简单化。整体景观多样性指数和均匀度指数均降低，围垦区景观在人类活动影响下破碎化程度加大，整体景观异质性升高。

表3 2000—2013年研究区景观水平指数变化Tab.3 Changes of landscape level indices in studying region during 2000－2013

3 讨论

3.1 景观指数的选取

国内外有很多有关遥感影像的景观格局分析的研究，但研究方法中景观指数的选取略有不同，不同地区有着不同的特点，根据围垦区不同利用型种类选取相应的景观指数非常重要。如冯峰［12］对大郑新区景观格局现状分析时，采用斑块面积、斑块数量、景观面积百分数、斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、景观斑块分维数及斑块聚合度等为主要景观指数；其它相关报道中景观指数的选取也各有侧重［16－17］。本研究中，与大郑新区侧重城市利用型为主的围垦区不同［12］，慈溪围垦区从整体上是以农业利用型为主，为此选取了优势度、香农多样性指数、均匀度指数等能较好反映养殖塘等农业相关景观格局变化的景观指数。

慈溪围垦区作为农业利用型的地区，在13a间斑块数在一定程度上有所增加，年增幅为4.73%，而刘鸿雁等［18］研究的哈尔滨市和刘江等［17］研究的厦门集美市都是城市利用型为主的土地利用水平，斑块数年增幅在5.0%以上，一定程度上说明农业利用型方式对生态环境的影响较小。

3.2 围垦区景观格局演变主导驱动力分析

景观格局演变驱动力系统可分为自然驱动力和社会驱动力2个部分，这2个部分又可细分为主导驱动力和非主导驱动力。由于各地区有着不同的经济发展状况和自然环境，同一地区的景观格局演变既受主导驱动力的制约，同时也是多种驱动力共同作用的结果［19］。本研究中着重探讨的是社会驱动力这一部分中的主导驱动力。初步研究表明慈溪围垦区主导驱动力是围垦区建立养殖塘及造房修路。慈溪市城市建设的土地资源比较少，围海造地极大缓解了因城市发展需求过大产生的用地矛盾，促进了建筑业和养殖业的发展，但引发的景观破碎化程度加大，整体景观异质性升高。养殖塘作为一个主要驱动力，其造成的问题主要表现在：一是养殖无序生产现象未能得到控制，总体规划方面不足；二是养殖缺少有效的调控，监督管理不规范，；三是养殖投入力度不足，生产效益不高；四是围垦区污染加剧，致使水质变坏，养殖水域污染日趋严重［20］。此外，建筑用地扩大是导致景观破碎化程度加大，整体景观异质性升高的另一重要驱动力。慈溪市的人口增长及城镇用地的变化促进了基础设施的建设，极大增加了建筑面积。截止2012年全市公路总里程达到1 454 145km2（慈溪统计局，2013）。总体上，慈溪围垦区注重建筑经济景观的开发，忽略了自然生态景观的保护。慈溪围垦区整体景观多样性减小，景观破碎化程度加大，整体景观异质性升高，受人为因素的影响明显。

本文没有对慈溪围垦土地景观格局的空间变化过程进行深入研究。因此，探究慈溪景观格局与慈溪的生态过程相互作用，结合围垦土地表层生物的生命活动过程，深入探讨土地利用方式与景观格局变化引发的慈溪生态环境效应等问题是下一步研究的方向。

4 结论

（1）利用遥感信息处理技术及景观生态学的原理，将不同时期慈溪围垦区划分为建筑、养殖塘、草地、林地、水体和裸地等几个景观水平。

（2）通过对该地区的遥感影像解译，分析围垦区景观变化过程表明2000—2013年间，慈溪围垦区景观格局发生了显著变化。围垦区景观面积随时间推移有所增加，围垦区内部景观水平之间的转化复杂，主要表现为养殖塘增加，裸地急剧减少，裸地景观大幅转化为养殖塘景观，同时建筑逐渐增多。

（3）结合景观格局指数分析和实践资料表明滩涂围垦、养殖渔业等一系列经济开发活动使慈溪围垦区景观结构发生了显著变化。建筑和养殖塘的增加主要由裸地、水体和林地等斑块转化而来。自然生态景观斑块的形状越来越复杂并趋于不规则化；人工景观形状趋于简单化。整体上景观多样性指数和均匀度指数均降低，围垦区景观在人类活动影响下景观破碎化程度加大，整体景观异质性升高。

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