基于RS和GIS的南四湖湿地景观格局演变研究

杨乐虹 向东

Study on the Landscape Pattern Changes of Nansi Lake Wetland Based on RS and GIS

摘要：在RS与GIS技术的支持下，以南四湖湿地为研究对象，选取1995年、2004年和2012年Landsat TM/ETM遥感影像，应用景观生态学理论及FRAGSTATS3.3分析软件，选取9个有代表性的景观指标，对研究区1995～2012年间景观格局及其演变特征进行分析。结果表明：1995～2012年间南四湖自然湿地退化严重。湖泊水面、芦苇地、荷田破碎度增强，养殖水面、水稻田面积明显增多。景观斑块形状趋于复杂化，相邻景观分布简单化，景观多样性和均匀性有所改善。

Abstract： The change of landscape pattern from 1995 to 2012 for the Nansi Lake Wetland were surveyed based on using 1995， 2004 and 2012 TM / ETM remote sensing images， supported by RS，GIS. The characteristics of landscape pattern changes were analyzed by using the theories of landscape ecology. 9 representative landscape pattern indexes were chosen， and data were processed by the soft wares of FRAGSTATS 3.3. The results showed that from 1995 to 2012， the overall landscape fragmentation of lake water， reed marsh， and lotus fields enhanced. Both of the area of aquaculture water and paddy field increased significantly. The patches shape of the landscape structure types tended to be complex， the distribution of adjacent landscape tended to simplify， and the landscape diversity and evenness were improved.

关键词：南四湖；湿地；RS；GIS；景观格局演变

Key words： Nansi Lake；wetland；remote sensing；GIS；landscape pattern change

中图分类号：S791.246 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0281-03

0 引言

湿地是地球表面水陆相互作用形成的独特生态系统，也是人类及其他生物最重要的生存环境之一，具有多种生态系统服务功能[1]。国外已有研究成果集中在人为湿地与自然湿地的比较研究、社会经济与气候变化对湿地影响研究、湿地水文特征研究、全球湿地生物多样性比较研究和湿地的景观研究等[2-3]。国内研究主要集中在湿地景观格局演变的研究、湿地生态功能和生态价值的研究、湿地生态需水量的研究三个方面。

南四湖作为南水北调工程重要的调蓄枢纽，其在维护区域生态平衡、促进区域经济发展方面具有重要的战略意义[4]。本研究利用1995～2012年期间的3期遥感影像数据、图件数据以及其他文字资料，借助ENVI 4.8、ArcGIS 10.0和FRAGSTATS 3.3等数据处理软件，对南四湖湿地展开景观格局演变进行研究，为该湿地的开发、利用与保护提供理论依据，并为其土地利用格局优化提供参考。

1 研究区概况

南四湖位于山东省西南部，北纬34°27'～35°20'和东经116°34'～117°21'之间，是山东省及华北地区最大的淡水湖，也是国内著名的浅水型堰塞湖。全区南北长约126，东西宽5～25，湖泊平均水深1.46，最大湖水面积1266，集流总面积约为3543。湖区湖滨土壤深厚肥沃，湿地植被和植物资源丰富，分布着大片芦苇地、人工水稻田以及人工养殖用地[5]，具有多种经济功能和生态功能。

本研究所使用的数据主要包括遥感影像数据、图件数据以及其他文字资料。其中，影像数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）及国际科学数据服务平台（http：//datamirror.csdb.cn/）。图件资料包括覆盖研究区范围的1：50000地形图、2009年济宁市土地利用现状图及其他專题图件；其他文字资料包括地方统计年鉴、水利年鉴以及与研究区相关的专著、文献等。

2 研究方法

2.1 数据预处理

本研究中对遥感影像的预处理包括波段选择、几何校正、影像配准、影像裁剪以及影像增强几个方面。为使合成影像包含丰富的信息，且便于识别，统一选择3、4、5波段合成影像。利用研究区1：50000地形图对2012年的影像进行校正，然后以校正后2012年影像为标准，对1995年、2004年两期影像进行配准，投影坐标系统为WGS_1984_UTM_Zone_50N。采用矩形裁剪法对三期影像进行裁剪，并利用ARCVIEW对研究区范围边界进行矢量化，得到研究区范围边界。以此为基础，在ENVI中建立掩膜（设置为0-1两值化处理），并将它与裁剪后的三期影像做相乘运算，保留边界范围内的数据。针对影像中反差较小难以辨别的地物，采用直方图均衡化对比度拉伸对影像进行增强处理，使影像中的亮度范围得到拉伸，从而便于土地利用数据的提取[6]。

2.2 研究方法

本研究分别从景观优势度、景观斑块的分形、聚集度和分离度、景观连接度及景观多样性5个方面选取其中有代表性的9个指标对南四湖湿地景观格局演变进行定量分析[6]（表3、图2），参照《全国湿地资源调查与监测技术规程》，遵循科学性、全面性、合理性原则，从研究目的出发，建立南四湖湿地土地利用分类体系（表1），在此基础上利用影像提取地物。影像分类精度评价结果表明：三期影像分类总体精度均在96%以上，Kappa系数也均大于0.95，符合精度要求。

用ENVI 4.8软件，提取1995～2012年期间3期南四湖湿地景观信息，建立景观格局演变分析的基础数据库；在此基础上，利用FRAGSTATS3.3景观格局分析软件，分别对三期影像计算所选取的9项指标数据进行分析，从而得出研究区在1995～2012年期间景观格局演变特征；用ArcGIS10.0软件制作南四湖景观类型分布图（图1）。

3 研究结果与分析

3.1 南四湖湿地各景观类型的面积、分布及其变化

根据影像分类结果（图1）可知，1995～2012年间南四湖景观类型分布变化明显；从湿地类型来看，在1995～2012年间，南四湖自然湿地退化趋势明显，人工湿地规模迅速扩大，相对而言，其他用地面积变化不大，呈现出较小波动性。

由表2可知，1995年，研究区自然湿地所占比重最大，高达69.16%，约为人工湿地的2倍，表现出了明显的优势；到2004年，自然湿地面积骤减，所占比重仅为43.91%，约减少了26个百分点。与之相反，人工湿地占总面积的比例约翻了一番，超过自然湿地所占比例而居于首位；至2012年，湿地区自然湿地所占比重持续减少，人工湿地所占比重则持续增加，远远超过自然湿地的比重。

3.2 南四湖湿地景观格局变化分析

3.2.1 景观水平的景观格局变化分析

利用FRAGSTATS3.3计算研究区景观格局指数，结果如表3、图2所示。由表6可知，1995～2012年间，研究区景观格局指数整体变化特征为：最大斑块指数、景观蔓延度指数及景观连接度指数均呈现先减小后增大的趋势。景观形状指数、平均斑块分维数基本呈持续递增趋势，而散布与并列指数、景观多样性指数以及景观均匀度指数均呈现先增大后减小的趋势，与1995年相比，2012年三者都略有下降。由此表明，研究期间由于人类活动的影响，南四湖湿地的景观格局发生了明显改变，具体表现为研究区景观优势度呈增加趋势，景觀斑块形状趋于复杂化，相邻景观分布简单化，景观多样性和均匀性得到改善。

3.2.2 类型水平的景观格局变化分析

整体来看，受地形、资源等自然条件限制，南四湖湿地的开发程度仍未达到最高水平，景观上仍以湖泊水面和养殖水面为主，水稻田也有较大发展。人类干扰活动使南四湖湿地景观格局差异加大。由图2可知，1995～2012年间，湖泊水面、芦苇地、荷田景观受人为的影响严重，整体上破碎度增强；养殖水面、水稻田主要呈大面积斑块聚集分布，景观格局受人为干扰较多，自1995年以来二者面积明显增大，聚集度提高；其余景观受人类活动的影响相对较弱，景观格局呈现波动性变化趋势。

4 结论与讨论

本文通过对南四湖1995～2012年景观格局演变的研究，主要得出以下结论：

①从景观结构变化角度分析。1995年以来，南四湖湿地景观结构发生了较大变化。总体看来，湖泊水面始终是优势景观之一，与其他地类相比，芦苇地、养殖水面均是研究区的主要景观类型；从湿地类型看，研究期间，自然湿地面积持续下滑，人工湿地面积持续上涨，二者之和占总面积的比例均发生了明显变化。

②从景观类型数量变化角度分析。1995～2012年间，研究区芦苇地、荷田、湖泊水面及其他用地面积减少，养殖水面、水稻田、河流水渠面积增加。且在2004年之前，研究区景观类型变化速度快，变化幅度大，而2004年之后，区内景观类型整体变化速率变缓，反映出该时段内人类活动干扰有所改善。

③从景观生态效应角度分析。景观水平上，1995～2012年间，由于人类活动的影响，湿地景观格局产生了明显变化，具体表现为研究区景观优势度呈增加趋势，景观斑块形状趋于复杂化，相邻景观分布简单化，景观多样性和均匀性得到改善；类型水平上，湖泊水面、芦苇地、荷田景观受人为的影响较大，整体上破碎度增强；养殖水面、水稻田主要呈大面积斑块聚集分布，景观格局受人为干扰较多。

参考文献：

[1]谭衢霖.鄱阳湖湿地生态环境遥感变化监测研究[D].中国科学院研究生院，2002.

[2]曾从盛，郑彩红，陈渠，等.基于3S技术的福建省湿地景观格局特征分析[J].亚热带资源与环境学报，2007，2（4）：24-32.

[3]袁力，赵雨森，龚文峰，等.基于RS和GIS扎龙湿地土地利用景观格局演变的研究[J].水土保持研究，2008，15（3）：49-53.

[4]梁春玲.南四湖湿地生态系统结构、功能与服务价值研究[D].济南：山东师范大学，2010.

[5]沈吉，张祖陆，杨丽原，等.南四湖——环境与资源研究[M].北京：地震出版社，2008.

[6]张路路.基于RS和GIS的土地利用变化及其的生态效应研究[D].保定：河北农业大学，2011.