盘锦市湿地动态变化监测分析

谢晓宁，王崇倡*，王 锋

（1. 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2. 浙江省工程物探勘察设计院有限公司，浙江 杭州 310000）

湿地景观具有丰富的生物多样性，具备多种生态功能和价值，被誉为“自然之肾”[1-3]。盘锦市湿地在气候调节、空气净化等方面发挥着不可或缺的作用[4]。随着经济的快速发展，盘锦市湿地的生态环境受到严重威胁，湿地面积不断萎缩，环境保护功能显著下降，湿地保护体系有待进一步完善[5]。目前，基于遥感影像的自动化高效湿地信息采集与监测已成为湿地研究中的热点，如武晋雯[6]等利用MERSI 影像监测了盘锦市湿地植被的长势；顾蕾[7]采用高分辨率航空影像监测了盘锦市湿地的地表覆盖情况及其变化；李荣平[8]等分析了盘锦市湿地的气候变化特征；还需对盘锦市湿地做进一步的自动化动态变化监测，以掌握盘锦市湿地的演变特征。

鉴于此，本文以盘锦市湿地为研究对象，利用遥感与GIS 技术对湿地进行信息提取，运用生态学和转移矩阵模型分析了3 期湿地的动态变化过程、演变特征以及动态变化驱动力，以期为湿地的管理与保护提供参考依据。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区概况

盘锦市是驰名中外的湿地之都、生态家园。盘锦市双台河口湿地保护区是全国最大的湿地自然保护区，地处辽东湾辽河入海口处，地理坐标为40°39′～41°27′N、121°25′～123°31′E。盘锦市地势地貌较平坦，整体呈北高南低趋势；春季风大、降水少、气候干燥，夏季气候湿热、降水集中，秋季多晴朗天气、昼夜温差大。研究区内天然湿地以沼泽、滩涂、河流为主，人工湿地以水田、池塘为主。

1.2 数据来源与预处理

本文采用的数据包括Landsat遥感影像数据（表1）和统计数据。本文充分考虑了研究区自然地理条件和分布特征，选取8 月植物茂盛且云量较少的遥感影像，地表光谱特征反映明显，有助于湿地植被信息的提取。本文对研究区影像进行了波段融合、辐射定标、几何校正、图像融合等预处理。

表1 盘锦市Landsat遥感影像信息

1.3 湿地提取方法

参照《湿地公约》和国家湿地分类标准，结合研究区湿地类型的分布特征等相关资料，本文将研究区分为湿地和非湿地，一级分类又分为自然湿地和人工湿地；二级分类主要包括河流、沼泽、滩涂、水库等。考虑到部分要素对盘锦市湿地影响有限，且面积占比过小，因此将其综合归并到大类中进行综合调整，本文建立的盘锦市湿地分类体系如表2所示。

表2 盘锦市湿地分类体系

决策树模型是一种分层次的数据结构，主要应用于各类信息提取与识别的研究中。遥感影像分类研究的基本原理是根据知识规则，从原始影像中按层次提取并掩膜分离出每个地类，并作为一个树节点，从而减少已分地类与待分地类混淆的情况，最终实现所有地类的分级提取[9-11]。

缨帽变换（K-T变换）常用于Landsat影像中除热红外波段外的6个波段数据中，其表达式为：

Y=RTX+B（1）

式中，X为原始数据的像元矢量；Y为变换后的像元矢量；R为变换矩阵；B为增益向量矩阵。

数据变换后的前3 个特征分量KT1、KT2、KT3分别代表亮度、绿度和湿度信息，用以反映地物的反射率特征、植被覆盖特征和地面湿度特征效果[12]。

基于盘锦市湿地分类体系，本文采用决策树分类方法，经过K-T 变换，得到典型地物的光谱曲线，如图1 所示。利用形状指数能很好地区分水体与其他区域，再将非水体区域划分为植被与非植被区域，建筑用地、滩涂湿地和部分旱地等非植被区域在蓝光波段上的值高于植被区域（沼泽湿地、水田湿地、旱地湿地）。综合上述光谱特征区分水体、植被与非植被区域，再分别对这3 类区域进行细分，具体流程如图2所示。

图1 典型地物光谱特征与KT曲线

图2 决策树模型

1）水体信息提取。水体的二次分类可根据不同类型的水体空间特征（大小、形状、位置）进行分类。河流呈长条形，通过形状判别可区分河流。利用形状和面积可区分水库与坑塘，水库的边界较平坦光滑，且有一部分呈直线；而坑塘则为规则的四边形，面积小于水库。首先将提取的水体转化为矢量多边形；再手工修改，连接提取水体的断点，对边界进行圆滑，以提高分类精度。

2）植被信息提取。除水体外，研究区主要包括植被和非植被两大地类。归一化植被指数（NDVI）是指近红外波段与可见光红光之差与这两个波段和的比值[13]，能准确提取植被信息。

近红外波段（TM4）对绿色植物湿地较敏感。由典型地物光谱曲线可知，只有植被在TM4上的波谱值大于TM3，而其他地类则相反。通过对研究区植被的湿度分量进行统计分析发现，水田的绿度分量（KT2）大于沼泽，且沼泽的湿度分量最低，据此可分离水田和沼泽。

3）非湿地信息提取。将水体和植被从数据中提取出来后，再将剩下的地类进行二次分类。通过光谱特征和空间分布特点可区分建筑用地与旱地，从而完成非湿地信息的分类提取。

4）滩涂信息提取。由于建筑物和滩涂的光谱特征非常相似，单从光谱特征的角度很难区分，而滩涂具有明显的空间分布特征，研究区的滩涂主要分布在沿海以及河边地区，据此并结合人工判读，可精确提取滩涂信息。

1.4 景观指数变化分析

景观格局是景观异质性的一种重要表现形式，反映多种生态过程在不同尺度上的作用结果[14]。本文选取斑块密度、最大斑块指数、Shannon 多样性指数、Shannon 均匀度指数、散布与并列指数以及蔓延度指数来分析研究区湿地景观格局的空间结构变化特征[15]。

2 研究结果与分析

2.1 提取结果与精度评价

2004 年、2010 年、2014 年各种湿地类型分布特征如图3 所示，面积统计结果如表3 所示，可以看出，2004 年、2010 年、2014 年沼泽湿地面积分别为771.05 km2、625 km2和583.95 km2，面积在不断萎缩；滩涂面积分别为166.74 km2、150.35 km2和201.06 km2，面积总体增加；河流面积分别为26.67 km2、22.39 km2和31.73 km2；水库面积分别为43.15 km2、43.85 km2和33.79 km2；坑塘面积分别为86.48 km2、115.18 km2和143.2 km2，面积在不断增加；水田面积分别为1 860.26 km2、1 917.82 km2和1 695.57 km2；建筑用地面积在不断增加。

表3 盘锦市各类湿地面积统计

图3 2004年、2010年、2014年3期湿地分布图

本文基于新建立的盘锦市湿地分类系统，采用决策树分类方法以及少量的人工干预提取了Landsat 遥感影像的湿地信息，取得了较理想的湿地信息提取结果：2004 年的总体精度为86.31%，Kappa 系数为0.84；2010 年的总体精度为83.52%，Kappa 系数为0.83；2014 年的总体精度为86.15%，Kappa 系数为0.823，精度满足湿地监测需要。

2.2 湿地演变特征分析

各种类型湿地之间的相互转换关系如表4、5所示，可以看出，2004年以来盘锦市湿地经历了复杂的变化过程，但总体表现稳定，湿地演变特征主要表现为人工湿地向非湿地转化；天然湿地中沼泽的面积呈逐年减少趋势，2004—2014 年沼泽向建筑用地分别转移了11.59 km2和6.42 km2，向旱地分别转移了8.51 km2和52.81 km2，由于当地经济的快速发展以及城市用地的不断扩增，这种演变特征有持续倾向；滩涂湿地的面积逐渐增加，主要分布在沿海地区，随着海洋资源的开发，呈向海洋延伸的趋势；坑塘面积在近10 年里呈稳定增加趋势，年平均增加幅度为1.5%；水田面积呈先增后减趋势；河流湿地面积总体趋于稳定，面积大小与当年的降水量紧密相关。

表4 2004年与2010年的土地利用转移矩阵/km2

表5 2010年与2014年的土地利用转移矩阵/km2

2.3 湿地景观指数变化分析

研究区湿地景观指数如表6 所示，可以看出，2004—2014 年盘锦市湿地的斑块密度从18.35 个/km2增加到23.8 个/km2；最大斑块指数急剧降低，从35.125%降至16.21%，表明湿地的破碎化程度在加深；Shannon多样性指数先减后增；Shannon均匀度指数基本稳定，表明2004—2010年研究区受人类活动影响较小，而在2010—2014年随着湿地景观水平多样化的提高，研究区受人类活动干扰影响较大，景观呈现湿地类型结构多样化以及斑块分布均匀化的变化趋势；散布与并列指数在2004—2010年基本未变，说明不同类型湿地在该时间段内连通性变化不大，而2010—2014 年该指数降低至36.31，说明该时间段内景观的小斑块数量增加，斑块优势度不断降低，景观破碎化程度升高，湿地景观的连通性在下降。

表6 研究区湿地景观指数

2.4 湿地动态变化驱动力分析

湿地具有较强的自我修复能力，但在外界因素的强烈干扰下，景观系统结构不可避免的遭受破坏，进而导致湿地景观格局发生变化。影响湿地景观格局变化的主要因素分为自然因素和人为因素，自然因素主要包括气候、地形地貌等变化，人为因素主要包括人类在工业和农业上的经济活动。人为因素是造成盘锦市湿地景观格局变化的主要原因。

盘锦市拥有丰富的矿产资源，GDP常位于辽宁省前列，而区域经济发展给土地利用带来了很大的影响。2004—2014年盘锦市经济发展迅速，人口数量不断增加（图4），土地需求不断增加，导致对湿地资源的过度开发利用。当原有的人工用地无法满足需要时，城镇的水田和坑塘湿地被大量占用。由景观格局变化特征分析可知，2010—2014 年水田面积大幅减少，湿地向非湿地转移，研究区内大量湿地被人工用地占用，导致区域内水田湿地大量减少，原有湿地景观系统的生态平衡遭到破坏。

图4 人口数量变化图

3 结 语

本文以盘锦市湿地为研究对象，利用2004 年、2010年、2014年3期遥感影像进行动态监测分析。结果表明，2004—2014年湿地面积总体呈退化趋势，主要表现为湿地向旱地转移，坑塘面积增加幅度不大，水体面积基本保持不变，人工湿地面积增加是湿地面积减少的主要原因。盘锦市人口的增加以及工业领域的快速发展导致建筑用地面积不断扩增，是湿地退化的主要因素。