湿地景观动态的遥感监测

崔依凡,万鲁河

(哈尔滨师范大学)

0 引言

湿地景观( wetland landscape)是无论其为自然形成或后天人造、较长时间或实时性的泥沼、湿草甸、泥炭地或湖泊河流，包含或静止或流动、或为淡水或为咸水，包含低潮时水体高度小于6 m的水域景观.湿地能够给人类提供丰富的资源，对资源、环境、经济、社会造成很大的影响，它具有减缓径流和蓄洪防旱的功能，同时具有调节地域气候的作用.许多动物与植被的生存依托于湿地，它们依靠湿地进行繁殖和延续种族，湿地被称为“天然物种基因库”.由于其对地球具有巨大的影响，也被其他学者称为“地球之肾”.湿地带来的影响不只限制于自然环境，同时其对美术、教学、文明和思想方面都有重要意义.

目的是定期供给湿地动态监测数据，实时掌握湿地变化情况，为正确运用湿地资源、改善湿地生态系统供给科学的决策依据.随着经济的不断繁荣，人口持续增加，居民地、农业用地占用湿地的情况愈来愈严重，中国湿地资源面临很严峻的考验.利用实时性强、有用的遥感技术对湿地生态系统进行观测与统计分析，利用遥感技术迅速、定量地提取和分析湿地信息，有利于正确使用、科学珍惜、合理掌握珍贵的湿地能源，对于湿地景观的动态观测具有重大意义.

汤蕾等比较详细地归纳了湿地概念、湿地类型、湿地模型、湿地评估以及湿地开拓的有关研究结果，揭示了湿地生态系统研究的根本特征[1].冼伟明等参考目前全球近况，揭示了湿地环境的保护及近况与趋势[2].孟庆吉通过转移矩阵模型对各类型湿地的转化状况进行研究，并根据气象数据、统计年鉴等数据对呼伦湖湿地变化的驱动力因素进行分析[3].殷小菡等研究了莱州湾地区湿地景观的动态演变，为莱州湾减退湿地系统修复和重建制定方案提供了参考[4].刘晓光等采用动态度、质心分析和相关分析方法，研究4个时期大庆市湿地分布及其变化[5].马驰等采用人机交互的目视解译方法，引入湿地动态度、相对变化率、重心偏移等多种表征参数，对松嫩平原湿地进行动态监测与分析[6].刘润红等论述遥感技术在中国滨海湿地研究中的应用现状，评述如今滨海湿地遥感监测研究历程中存在的不足[7].张船红等运用TM/ETM影像对成都平原湿地进行数据提取，分析成都平原湿地现状及动态转化[8].张丽娜等针对广西澄碧河的动态监测结果，提出了相关保护对策[9].王朔等采用图表和图谱的形式展示湿地类型变化的数量及空间位置变化信息，展现了银川平原湿地景观演变规律[10].杨少文等运用GIS空间分析技术，分析安徽升金湖湿地土地覆盖的动态变化，分析升金湖湿地土地利用变化的景观格局，分析升金湖湿地的植物覆盖的时空转变趋势[11].

伴随着地理信息系统(GIS)技术和遥感(RS)技术的快速进步，基于GIS和RS技术的湿地生态环境变化研究得到了快速开展[12].目前，全球遥感应用技术在湿地景观研究中的运用已受到了相关学者的正视，并获得了一些成就，重点应用方向包含：(1)湿地识别与提取；(2)湿地类别细分；(3)湿地系统容量与生物量遥感估算；(4)湿地自然地理环境调查；(5)湿地动态监测；(6)构建湿地信息系统[13].由于湿地的独特性、地域性和丰富性，以前的野外采样检测技术已不足以支撑研究开发，而从天上对地表开展多时相、多方面、多光谱、多分辨率监测与解析的卫星遥感监测技术则可以给予湿地生态系统研究有效的技术帮助[14].

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

扎龙湿地位于中国东北部黑龙江省西南部松嫩平原的西部，处于东经123°51.5′～124°37．5′，北纬46°48′～47°31．5′.扎龙湿地是亚洲大陆上面积最大的湿地，总体面积为2100 km2，南北长度为65 km，东西宽度为37 km.扎龙曾经是嫩江的古河道，如今为乌裕尔河和双阳河的后部，产生了以芦苇与泥沼为主的内地湿地.湿地给予丹顶鹤及其他各种水域鸟类繁衍憩息地，也是亚洲东部鸟类迁移线路中的一个主要暂息地.

1.2 研究方法

1.2.1 扎龙湿地影像数据的获取、处理与分类

选择扎龙湿地作为研究区，以扎龙湿地1979～2017年的一系列遥感影像为基础数据， 以扎龙湿地1990年地形图为基准对所有的影像进行地理纠正，并进行投影设置.利用ENVI5.3软件对影像数据采用标准假彩色合成，并对影像进行图像镶嵌、图像增强、几何校正、图像拼接和裁剪等操作.进行计算机解译分类，将扎龙湿地按不同景观类型划分，划分出湿地景观，农田景观，草地景观，居民地景观等，得到1979～2017年的研究区湿地矢量数据，获得扎龙湿地近40年来湿地的时空变化规律.建立空间数据库并对处理后的数据进行时空分析，并以此作为空间行为的决策依据.

1.2.2 数量的变化

统计研究区所有湿地面积，并输出图件，其它年份按同样的方法进行处理.提取数据预处理后的影像的湿地景观不同类型不同年份的信息，获得湿地的类型分布及面积转化情况.

1.2.3 空间变化及格局分析

利用景观指数来揭示扎龙湿地的景观破碎化程度.斑块数目(NP)用来体现景观异质性，斑块数量越多，景观越破碎；斑块面积(CA)是某种类型的斑块的全部面积；斑块密度(PD)是每平方千米上的斑块数目，是用来表达景观破碎化的重要依据，代表斑块复杂度，斑块密度越大，景观破碎化越严重，据此比较不同类型景观的破碎化程度和区域整体景观破碎化水平；最大斑块指数(LPI)也反映破碎化的程度；最大斑块指数愈小，说明斑块连片的面积就愈小，景观破碎化程度愈高.

借助FRAGSTATS 4.0工具，进行扎龙湿地近40年来景观格局变化趋势分析.选择有象征性的景观空间格局分析的涉及指标，如斑块数目(NP)、斑块面积(CA)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)等，算出以上景观格局涉及的指标，揭示出扎龙湿地的景观格局的分布特征，并得出景观格局的空间变化趋势.

2 研究结果与分析

2.1 景观类型的数量变化及其成因分析

选取扎龙湿地1979、1999和2017年的 Landsat TM遥感影像图，得出了扎龙湿地地区内土地覆盖类型，根据湿地景观类型分类，将扎龙湿地分为5个类型，主要包括湿地景观，明水景观，农田景观，草地景观，居民地景观，如图1所示.统计研究区所有湿地面积，获取预处理后的影像的湿地分布信息.在整个研究时期内，景观格局的时空结构发生了转变.根据扎龙湿地的湿地类型、湿地特点的密切联系，来分析面积变化及其成因.

图1 扎龙湿地景观的空间分布

1979年扎龙湿地总面积为2250.36 km2，其中明水占3.55%，湿地占27.07%，农田占9.32%，草地占地51.74%，居民地占地8.29%；1999年扎龙湿地总面积为2253.46 km2，其中明水占4.94%，湿地占54.86%，农田占10.40%，草地占地12.23%，居民地占地17.57%；2017年扎龙湿地总面积为2243.62 km2，其中明水占5.96%，湿地占52.34%，农田占13.90%，草地占地19.01%，居民地占地8.77%(见表1).1979、1999和2017年扎龙湿地中的草地、湿地和农田所占的面积比较大，一共占全体面积的80%左右，其中湿地为研究区的核心景观基质.湿生景观——明水和湿地，大约占了30%～60%，其中，湿地的比例为27%～54%，明水和湿地是景观干湿转换过程中最为活跃的两类.旱地景观包括草地、农田与居民地，其面积大约占了总面积的40%～70%，是扎龙湿地中的非主要部分，但是它们与湿生景观中的土地类型的面积互为消长，是扎龙湿地景观中的极为重要的组成部分.

表1 扎龙湿地1979、1999与2017年的各景观类型面积和比例

具体来看，1979～1999年研究区内湿地面积大幅增长了27.79%，居民地面积增加了9.28%，而草地的面积缩减了39.51%，其他的景观类型的面积基本维持原样，变化幅度较小；在1999～2017年18年间，草地所占的面积小幅增长了6.78%，农田面积也持续增加了3.5%，居民地的面积大幅缩减了8.8%，湿地面积小幅缩减了2.52%，其余景观类型面积变化不显著.数量变化最大的土地覆盖类型是草地，比例变化最大的是湿地.例如，1979年的湿地面积只有609.34 km2，但是1999年增加到1236.18 km2，2017年增加到1174.39 km2，在近40年的时间里几乎增长了2倍. 明水的数量变化不太大，1979～1999年增长了31.24 km2，1999～2017年增长了22.52 km2，但是它的格局变化非常明显.1979年的草地面积为1164.48 km2，而1999年草地面积为275.63 km2，2017年草地的面积为426.71 km2，先减少后增加，呈现波动式变化.总体来看，近40年来，研究区内草地和湿地的面积发生剧烈变化，是1979年大旱与1999年洪水爆发造成的结果.居民地面积的显著的不稳定波动，这和近几十年人类的活动密切相关，这在一定程度上反映了人类活动对当地景观格局的强烈影响.

综上所述，扎龙湿地生态系统中，转换变化关系最为紧密的是湿地和草地之间的相互转化，其它景观类型亦主要发生与农田和草地之间的转换变化，但这一转换量很小.明水的稳定性最强，农田次之，变动性最大的是湿地和草地.值得注意的是，湿地在整个湿地景观中所占面积比例极大，说明在研究区内湿地景观处于核心支配地位.

2.2 景观格局变化分析

该文依据各类型景观指标的生态学意义、相关研究成果以及研究目的，利用景观指数法，选取几种有代表性的景观空间格局分析的涉及指标，如斑块数目(NP)、斑块面积(MPS)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)等，运用以上变量来表达扎龙湿地的格局构成特点，实现扎龙湿地的景观格局破碎度分析.研究区的3个时期景观格局指数见表2.

表2 扎龙湿地1979年与2017年3个时期的景观格局指数

在这3个时段中，扎龙湿地内起到景观基质作用的斑块类型是明水、草地和居民地，这3种类型的斑块数量没有产生太大改变,而湿地和农田的面积发生了显著变化.具体来看，1979～1999年湿地的斑块数目降低了28.12%，1999～2017年农田的斑块数目提高了1.5倍， 而这40年来草地的斑块数目持续增长(1979～1999年55.66%； 1999～2017年77.37%). 研究区内的居民地和农田的斑块密度与其他景观类型相比最大而且变化幅度不是特别大，表示近40年间这2个景观类型受人类活动影响较大.明水、湿地和草地3种景观类型PD指数相对较低且变化趋势和其斑块数目的变化趋势一样，体现这3类景观相对比较完整但是40年间的迁移变化十分明显.最大斑块指数最大的是湿地，在1999～2017年间的变化并不突出，它在整个扎龙湿地景观中处于优势地位.但是在1979～2017年间，草地的最大斑块指数减少到40年前的1/20.

1979～1999年，扎龙湿地中湿地类型的总体面积从609.34km2上升到1236.18km2，PD从0.27下降到0.11，LPI从10.82提高到51.12，说明总体面积增加，斑块密度下降，但最大斑块指数提高到原来的5倍，斑块不如从前零碎；1999～2017年，扎龙湿地中湿地类型的总体面积从1236.18km2下降至1174.40km2，但斑块密度由0.11上升到0.16，最大斑块指数从51.12减少到41.33，湿地总体面积小幅度下降，景观破碎化程度更为剧烈，可能是由于湿地类型中的农田面积增加、开垦水田造成的.扎龙湿地明水面积波动式上升，斑块密度由0.08上升至0.11再下降至0.10，最大斑块指数由0.55上升至1.00.

总之，居民地斑块分布越来越聚集，而且在居民地的边缘产生了很多分散破碎的小斑块.扎龙湿地农田面积近40年内持续增长，但PD指数从0.27提高到0.38，LPI指数从0.57增加到1.94，但从变化趋势上看，农田景观破碎度增加，人类对农田景观的影响增大.湿地与草地面积之间的变化是特别显著的，在这40年间草地大量转变为湿地.草地的PD指数由0.10提高到0.24，最大斑块指数由47.47下降至2.72.很大区域的草地几乎越来越少，分布较为零散，体现1979～2017年扎龙湿地将草地开垦为农田并建设城镇.

3 结论与讨论

1979～2017年扎龙湿地湿地、农田和明水面积增加，居民地面积基本保持不变，草地数量大量减少，破碎度增加，景观格局受人类活动影响加剧.湿地面积扩大，农田、明水总面积基本保持不变，草地数量大量减少，草地大量转变为湿地、农田和居民地，体现了扎龙湿地人类活动加剧.从景观格局变化的角度看，草地的NP和PD逐渐提高，人类活动和城镇建对草地的变化产生了极大的影响，草地NP增加，但草地逐渐变得破碎零散，最大斑块指数严重降低.草地向湿地和农田转化，提高了湿地和农田的最大斑块指数，体现了社会的快速进步和城镇化进程的加快.

该文借助景观生态学知识和卫星遥感技术，运用地理信息系统(GIS)技术，基于TM卫星遥感影像，揭示了扎龙湿地的面积和景观格局的变化情况.值得注意的是，扎龙湿地生态类型较多，湿地独特的地理特征以及人类活动的干扰因素的影响，对研究区湿地景观遥感信息的正确性把握难度较大，选取的影像的分辩率不够高，遥感解译精度不高，该次研究还有一些不足，希望可以在以后的研究中获得经验并取得进步.