黄河三角洲河道演变与景观格局分析

毕京锐，付 俊

(安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

自20世纪末期以来，随着我国沿海环境的变化，现代黄河三角洲出现河道侵蚀加快等一系列问题。因此黄河三角洲的入海河道变化具有学术研究价值。研究黄河三角洲河道演变规律可以分析出周边生态环境、资源利用等一些比较不容易把控、人为操纵不合理的问题[1]。除了研究黄河三角洲河道演变以外，景观格局也具有非常高的学术研究价值，景观格局与河道演变、降水量、地形等要素息息相关。通过分析河道演变规律以及河道周围的景观格局，建立两者之间的联系，得出河道演变对景观格局的影响规律。

近十几年来，资源问题已经成为人类不可回避的问题，包括资源浪费、资源短缺等。不合理的资源利用进一步加深资源环境的短缺与恶化程度。随着树木的大量砍伐，沙漠化程度加深，沿海环境也在一定程度上受到了影响，黄河三角洲也出现了河道侵蚀加快、泥沙供应不足等问题[2，3]。将河道演变规律与景观格局变化规律综合分析，可以找出问题所在，找到保护黄河三角洲更加有效彻底的方法，对资源保护、黄河三角洲的可持续发展有着重要意义[4]。

2 研究区位置确定与选择

黄河三角洲为我国的第二大三角洲，仅次于长江三角洲，面积为5450 km2，主要包括包括东营和滨州市辖区以及其周边地区。目前，黄河三角洲为我国的重要粮食生产基地，有着不可撼动的地位。此外，黄河三角洲地区内丰富的自然资源使得其成为了我国的重要能源基地。因此，研究黄河三角洲地区河道演变规律对我国经济发展有着重要意义[5～7]。

黄河三角洲是我国最后一个有待开发的三角洲。据统计，入海水道平均约8年改道一次。黄河入海口于1976年5月形成。三角洲位于地壳长期下沉区，第三纪即有石油形成[2]。研究黄河三角洲河道演变规律可以分析出周边生态环境、资源利用等一些比较不容易把控、人为操纵不合理的问题。研究区位置图如图1所示。

图1 研究区位置

3 研究方案与技术路线

3.1 研究方案

首先，需要下载遥感影像，本文所研究的数据来自于中科院地球与数字共享中心，然后将下载之后的遥感影像进行预处理操作，预处理过程包括影响配准、辐射定标与大气校正3个过程，其次，结合Arc GIS，在其中提取河流矢量数据。对于景观格局的分析，在ENVI中通过最大似然法对遥感影像进行监督分类，通过对比分析即可得出近20年间的河道演变规律以及景观格局分布规律。

3.2 技术路线

本文的技术路线大致分为两条，河道演变和景观格局。其中河道演变的分析是通过ArcGIS矢量化得到基础的河道矢量图，从而得到河道水流量等信息；而景观格局是通过ENVI软件，以监督分类的方式实现土地利用类型的分类。本文将遥感与地理信息相结合，实现了对河道演变与景观格局二者综合演变规律的分析(图2)。

图2 技术路线

4 数据源及数据处理

4.1 遥感影像数据获取

在中国科学院遥感与数字研究所中分别选取Landsat7 ETM+ 2002年、Landsat5 TM 2010年、Landsat8 OLI 2019年三期遥感影像，经纬度位于118°15′～119°43′E、37°10′～38°19′N(表1)。

4.2 数据预处理

本文使用的遥感影像数据全部为Landsat遥感影像数据，其中获取数据的传感器包括三种，三种传感器获取的遥感影像的波段信息也不同。

Landsat TM(ETM+)7个波段可以组合很多RGB方案用于不同地物的解译，Landsat8的OLI陆地成像仪包括9个波段(表2、表3)，可以组合更多的RGB方案[8]。

5 黄河三角洲河道演变分析

本文通过裁剪之后的遥感影像获取了河流的矢量化文件，首先在ENVI软件中对遥感影像进行了预处理。预处理之后的遥感影像另存为TIFF格式然后加载到Arc map里进行矢量化，分别得到了三年的河道面矢量文件，并且将矢量化河道面输出成为地图，如图3所示。

由图3所见，黄河三角洲入海处的河道20年间有着明显的改道现象，20年间在经纬度为119°12′20.685″E,37°46′22.353″N的一号位置处改道明显，其中2002年至2010年九年间在该点处有着明显的北移现象，2010年至2019年十年间在该点没有明显的变化。在经纬度为119°8′42.172″E，37°45′42.531″N的二号点处变化也较为明显，其中2002年至2010年河道在该点有着明显的向东改道的现象，而2010年至2019年变化更为明显，2019年在该点处向西继续形成支流，最终形成江心洲。在2002年黄河河道的水流量明显少于2010年与2019年，有些地方甚至出现断流现象。经过进一步分析发现，在20年间河道有明显北移现象，河流水流量有着较大的差异。2019年的流路面积约为51.56 km2，2010年的流路面积约为55.40 km2，2002年的流路面积约为23.69 km2。从数据上来看，2002～2010年

表1 遥感影像概况

表2 landsatTM波段组成

表3 OLI波段组成

图3 河道矢量图

八年间河流流路有着非常巨大的变化，2010年的黄河流量为2002年黄河流量的两倍之多。2010年至2019年九年间河流没有很明显的变化。

黄河总取水量是指黄河的总耗水量与流域外黄河地表水取水量之和，可以很好的反映出黄河流路水流量的变化。每年的《黄河水资源公报》中都有对黄河总取水量的记录，由于一些保密性原因，只在官网找到了2002年至2012年十年的总取水量，总体趋势如图4所示。

图4 河道总取水量

6 黄河三角洲土地利用景观格局分析

6.1 土地利用景观格局概述

土地利用与景观格局是两个完全不同的概念，但两者进一步延伸却有交叉之处，土地是地球表面的一部分，地球表面分为陆地和海洋两种形态。狭义的土地指的是陆地部分，土地规划学者认为，土地是指地球陆地表层，它是自然历史的产物，是由土壤、植被、地表水以及表层的岩石和地下水等众多要素组成的自然综合体；地理学者认为，土地是地理环境中互相联系的各自然地理成分所组成，包括人类活动影响在内的自然地域综合体。景观是指在某一区域内产生的视觉上的效果，反映的是土地及土地上的空间和物质所构成的综合体。因此，“土地利用”与“景观格局”看似不同实则有着密不可分的联系[10～12]。

6.2 遥感影像解译方法

本文以2002年、2010年、2019年三年遥感影像为基础，对影像进行辐射定标、大气校正、图像增强预处理等操作[8]。后根据东营市区域内黄河三角洲地区的土壤、地形等自然因素和国家土地利用标准对所研究区域进行分类。运用监督分类法的最大似然法进行分类，最大似然法是一种原理简单、操作方便的分类方法，但此方法也有一定的局限性，主要缺点是没有考虑不同类别内部方差的差别，使得分类结果在边界上会有一些重复，因其分类误差。由于其简便可操作，本文将训练场分为旱地、林地、盐碱地、水塘、浅海滩涂、沼泽湿地、水产池塘、河流、海洋、盐田、建设用地(分为居民区和建筑用地)13种类型(表4)。

6.4 植被覆盖

植被覆盖是在NDVI的基础上得到的图，由于2019年影像采集的时间为2月份，因此仅仅凭借监督分类无法得到客观的结果。本文利用在ENVI裁剪之后的影像，首先在ENVI中利用NDVI工具得到NDVI图，然后利用-1>=band1=<1公式得到NDVI消除异常值，紧接着再利用(b1 gt 0.7)*1+(b1 lt 0.05)*0+(b1 ge 0.05 and b1 le 0.7)*((b1-0.05)/(0.7-0.05)最终得到2019植被覆盖分布图，见图8。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

NIR为近红外波段的反射值；R为红光波段的反射值。

NDVI指数主要反映农作物的长势情况以及其营养信息，根据该参数，可以得到植被在不同季节对氮的需求量，主要用来检测植物的生长状态、植被覆盖度，在一定程度上还可以消除辐射误差。NDVI是最常用的植被指数，NDVI在一定程度上可以消除遥感影像中与仪器定标、云阴影、太阳角、大气条件有关的辐射度的变化。

表4 解译标志

6.3 分类结果

分类结果见图5～图7、表5、表6。

图5 2019年分类结果

图6 2010年分类结果

图7 2002年分类结果

表5 分类精度评定

精度指标2002年2010年2019年Kappa系数0.84510.82930.8916

表6 2000年、2010年、2019年各土地利用类型的面积及所占比例 km2

植被覆盖则是在NDVI的基础上获得的可以直接反映植被分布范围的图，可以去掉季节等客观条件对植被分布的影像，是影像图中植被的分布具有很强的说服力。恰巧由于本文所选取的影像受季节的影响比较大，植被覆盖图正好可以解决此问题。图8中的颜色由浅至深变化，深色代表植被，颜色越深代表植被越茂盛，长势越好。

图8 2019年植被覆盖

7 结论

7.1 景观格局动态变化

通过对三年景观格局变化的动态分析，在图9中可以明显看出，2002～2010年裸地沼泽面积明显减少，植被面积增多，2010年裸地面积比2002年减少了516.94 km2，植被面积比2002年增加了1057.22 km2，盐碱地面积比2002年减少8.95 km2，居民地面积比2002年减少103.1 km2，浅海滩涂面积比2002年减少156.37 km2，沼泽湿地面积比2002年减少53.27 km2，水产池塘面积比2002年增加66.61 km2，盐田面积比2002年减少96.57 km2，河流面积比2002年减少55.46 km2，海洋面积比2002年减少47.49 km2，建筑用地面积比2002年增加317.11 km2，水塘面积比2002年减少404.76 km2。总体来看，2002～2010年8年间建设用地(包括居民地与建筑用地)整体增加趋势明显。河流与海洋都是呈现面积下降的趋势。植被面积增加明显。说明在城市化的进程中，随着建设用地面积的增加人们还具有一定的环保意识，懂得植树造林，绿色协调可持续的发展，盐碱地、裸地与沼泽湿地的减少同样也能说明该种问题[7]。

另外，在2010～2019年9年间也有着非常明显的变化。通过监督分类之后转成的矢量数据来看，植被面积有着明显的减少，建设用地面积有着明显的增加。通过数据具体表现为旱地(裸地)面积比2010年减少232.27 km2，植被数量比2010年减少2020.31 km2，造成此类变化的原因有两方面，一是环境破坏严重，土地沙漠化现象明显，二是遥感影像获取时间的影响，由于现在的时间段只能获得4月份之前的比较清晰的遥感影像，因此2019年遥感影像的时间为2月24日，此时影像的土地覆盖率远达不到9月份的植被覆盖率，恰巧另外两幅遥感影像的获取时间均为9月份，因此，植被覆盖率的变化没有很强的参考价值，但是河流、沼泽湿地等的面积不会受到该客观因素的影响。居民地面积比2010年增加了811.66 km2，浅海滩涂面积比2010年增加了256.49 km2，水产池塘面积比2010年增加了439.94 km2，河流面积比2010年减少了6.55 km2，海洋面积比2010年减少了76.81 km2，建筑用地面积比2010年增加了303.54 km2，水塘面积比2010年减少了62.75 km2。

图9 景观格局类型变化趋势

7.2 景观格局与黄河三角洲河道演变关系

宏观方面：土地利用景观格局的形式从沿海区域开始向内陆演变呈现一定的规律，最外环为海洋、向内依次为是浅海滩涂、滩涂、水产湿地、盐田、旱地、沼泽湿地、植被、建设用地[13～15]。

微观方面：监督分类结果图显示，在河流改道点附近，景观格局分布类型为沼泽湿地，越接近河道入海口其景观类型则变为了浅海滩涂，在远离入海口处河道周围的景观格局类型为林地居多。建设用地等也均匀分布在河道两侧，但是较林地来说距离河道较远。

由此可以看出土地利用景观格局的分布与黄河三角洲河道紧密相关，整体呈现依水分布的形式[18]。