馮永玖,韓 震

(上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306)

基于遙感和 GIS的海岸帶水域生態(tài)景觀格局演變研究
——以杭州灣北岸上海市段為例

馮永玖,韓 震

(上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306)

以杭州灣北岸上海市段為例,利用譜間關(guān)系法從多時相遙感影像中提取出 1992年、2001年和 2008年的水域信息,通過水域斑塊數(shù)量、面積、密度、形狀、分維數(shù)和景觀動態(tài)度等分析其動態(tài)變化;利用 G IS空間分析方法繪制了水域密度的空間分布圖。結(jié)果顯示,由于受人類活動的干擾,16 a來杭州灣北岸上海段水域景觀格局發(fā)生了顯著變化,表現(xiàn)為總面積減少、斑塊增加、形態(tài)更趨復(fù)雜。

水域景觀格局;海岸帶;定量分析;時空演變

0 引言

水域是人類生存不可或缺的物質(zhì)條件,在社會發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代的作用,其中海岸帶水域通常包括江、河、湖、海、水庫和池塘等。伴隨著中國近 30a來東部沿海區(qū)域的快速城市化,水域環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞,其數(shù)量和形態(tài)在空間上發(fā)生持續(xù)變化,造成水環(huán)境承載力不斷降低,水域的保護(hù)受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1]。研究水域數(shù)量和形態(tài)的時空演變規(guī)律和機(jī)理,是目前水資源保護(hù)亟待解決的問題之一。

由于水域的穩(wěn)定性,通常表現(xiàn)為大小和形狀各異的斑塊在空間上的排列和組合形式,構(gòu)成了水域的景觀格局,即水域單元的類型、數(shù)量與空間分布和配置[2]。在空間格局的研究中,通常利用一系列高度濃縮的景觀格局信息定量地反映景觀結(jié)構(gòu)的組成及其空間配置特征[3,4]。在攝影測量技術(shù)的輔助下,陳德超[5]利用航空像片和河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),從河網(wǎng)體系變遷、水質(zhì)演化、污染源分析等角度對浦東開發(fā)以來的水環(huán)境變化進(jìn)行了動態(tài)評價,并進(jìn)行了水環(huán)境承載狀況分析。丁圣彥等[6]借助歷史資料和 GIS技術(shù),測算了清末以來百余年間開封市水域景觀的斑塊密度、連通性和分維數(shù)等指標(biāo),分析了開封城市水域景觀格局演變的機(jī)制和規(guī)律。李娟娟[7]對上海城市土地利用變化及其景觀格局進(jìn)行了分析,認(rèn)為水域斑塊隨時間趨于不規(guī)則化和復(fù)雜化。劉珍環(huán)等[8]從景觀生態(tài)學(xué)、軌跡分析及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度研究了深圳市水體景觀破碎化動態(tài)過程及其生態(tài)價值的變化,分析了該市水體景觀的時空變化特征。最近,李蓉等[9]利用多時相遙感影像解譯得到的土地利用數(shù)據(jù),研究了 1994～2005年快速城市化階段上海市海岸帶的景觀動態(tài)變化特征,并提出了海岸帶綜合治理的建議。

以上研究不同程度地取得了較好的結(jié)果,但從景觀格局的角度針對海岸帶水域空間形態(tài)演變的專門研究尚不多見。海岸帶水域數(shù)量和形態(tài)的變化,是對自然環(huán)境演變和海岸帶綜合開發(fā)的反映,從水域演變的角度審視人類綜合活動及地理生態(tài)過程,能夠揭示水域空間形態(tài)對自然及人文因素的響應(yīng)特征[10,11]。本文選取杭州灣北岸上海市岸段作為研究對象,利用遙感和 GIS技術(shù),綜合研究海岸帶水域生態(tài)景觀格局,在類型和景觀兩個尺度上分析其數(shù)量、斑塊和形態(tài)等的時空演變過程和趨勢。

1 景觀指數(shù)及其生態(tài)學(xué)意義

本文采用多種生態(tài)景觀指標(biāo)分析和刻畫水域景觀時間序列的演變和空間分布的差異,包括斑塊數(shù)量 (NP)、斑塊密度 (PD)、水域面積的比例(PLAND)、最大水域斑塊占景觀面積的比例 (LPI)、景觀形態(tài)指標(biāo) (LSI)、斑塊分維數(shù) (Fract)及景觀動態(tài)度 (K)[12]。以上 7種指標(biāo)的組合,能夠較好地描述水域生態(tài)景觀格局的動態(tài)變化特征,有助于探索其內(nèi)在規(guī)律。

(1)斑塊數(shù)量 (NP)。研究區(qū)域某類型斑塊的數(shù)量,即研究區(qū)域中與周圍環(huán)境在外貌和性質(zhì)上有別的均質(zhì)性生態(tài)景觀單元,本文特指水域斑塊數(shù)量。

(2)斑塊密度 (PD)。景觀中每 km2所擁有的斑塊數(shù)量,是景觀格局的基本測度,用于描述生態(tài)景觀斑塊的破碎程度,但不考慮斑塊的大小和空間分布信息。水域斑塊密度 PD表示為

式中,n為水域斑塊的總數(shù)量 (個);A為景觀總面積 (km2)。

(3)水域面積的比例 (PLAND)。用于刻畫水域面積在整個景觀中的面積比例,表明水域?qū)坝^面積的貢獻(xiàn)度[12]。水域 PLAND表示為

式中,ai為水域斑塊 i的面積 (km2);n為水域斑塊的總數(shù)量;A為景觀總面積 (km2)。

(4)最大水域斑塊占景觀面積的比例 (LPI)。最大斑塊面積與景觀總面積的比值,有助于確定水域景觀中的優(yōu)勢斑塊,其大小決定著景觀中內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征,其值的變化是人類活動的方向和強(qiáng)度的反映[12]。水域 LPI表示為

式中,m ax(aij)為水域最大斑塊的面積 (km2);A為景觀總面積 (km2)。

(5)景觀形態(tài)指標(biāo) (LSI)。斑塊形態(tài)指數(shù)反映斑塊形狀的復(fù)雜程度,斑塊形態(tài)指數(shù)越大,表明形狀越復(fù)雜,斑塊破碎化程度越高,受人類活動干擾的程度越大[12]。水域 LSI表示為

式中,LSI為斑塊形態(tài)指數(shù);E為斑塊邊界的總長度 (km);A為景觀總面積 (km2)。

(6)斑塊分維數(shù) (Fract)。斑塊分維數(shù)表示景觀斑塊的自相似及復(fù)雜程度,其值在 1～2之間,當(dāng)Fract的值接近 1時,說明斑塊的形狀規(guī)則、自相似性高;當(dāng) Fract的值接近 2時,說明斑塊的形狀高度復(fù)雜、自相似性低[12]。水域 Fract表示為

式中,Fract為水域斑塊的分維數(shù);P為水域斑塊的周長 (km);A為景觀總面積 (km2)。

(7)景觀動態(tài)度 (K)。反映水域生態(tài)景觀類型在時間序列上的動態(tài)變化,通過水域景觀面積和總面積來進(jìn)行分析,從而把握不同年份間時空演變的趨勢[12]。水域景觀動態(tài)度表示為

式中,K為研究區(qū)一定時間內(nèi)水域面積的動態(tài)度;Ua、Ub分別為研究期初及研究期末水域的面積(km2);T為以年為單位的研究時段。

2 研究區(qū)及水域信息提取

2.1 研究區(qū)概況

上海市的海岸帶包括大陸岸帶和島嶼岸帶兩部分。其中,沿杭州灣北岸—南匯嘴—長江南岸至蘇滬交界的瀏河口的大陸岸線長約 173 km,另有崇明、橫沙、長興、大小金山等島嶼沿江、沿海岸線總長460 km[9]。本文所指的杭州灣北岸上海市段包括金山、奉賢和原南匯部分區(qū)域 (圖 1),總面積為1 499.53 km2,水域密布、河網(wǎng)縱橫,是調(diào)節(jié)自然和氣候、支持區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會綜合發(fā)展的重要資源。十余年來,受金山工業(yè)區(qū)、奉賢工業(yè)區(qū)和臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)建設(shè)的影響,該段岸帶內(nèi)的土地利用和水域景觀均發(fā)生了劇烈變化。

圖 1 杭州灣北岸上海市段研究區(qū)Fig.1 Study area of Shanghaisection in northern bank of Hangzhou bay

2.2 水域信息提取

本文采用的數(shù)據(jù)主要為 3景 Landsat MSS/TM遙感影像 (分別獲取于 1992年 7月 18日、2001年 7月 3日及 2008年 3月 24日),輔以上海市行政區(qū)劃矢量地圖。

對遙感影像進(jìn)行幾何精糾正和假彩色合成,得到 3幅影像 (圖 2)。由于本文以水域?yàn)檠芯繉ο?因此必須保證水域分類的精度;而利用 Landsat影像進(jìn)行水域分類,一向是遙感分類的難點(diǎn)之一。研究證實(shí),上海市內(nèi)陸水體的水面性質(zhì)、水體中懸浮物質(zhì)的性質(zhì)和含量較為穩(wěn)定,因此不同季節(jié)的遙感影像對水體分類結(jié)果的影響并不顯著[13]。采用譜間關(guān)系法進(jìn)行水域分類,證明其結(jié)果和精度是可靠的。通過分析水體與其他地物在 TM影像各波段的灰度曲線圖,發(fā)現(xiàn)水體具有獨(dú)特的譜間關(guān)系特征,即綠波段的反射率值加紅波段的反射率值大于近紅外波段的反射率值加短波紅外波段的反射率值[14]。該水域信息提取模型為

圖 2 杭州灣北岸上海市段遙感影像及水域分類圖 (1992～2008年)Fig.2 RS images and corresponding classified maps of Shanghai section in northern bank of Hangzhou bay(1992～2008)

式中,GrayG為Landsat影像綠波段的反射率值;GrayR為紅波段的反射率值;GrayNIR為近紅外波段的反射率值;GraySIR為短波紅外波段的反射率值。

譜間關(guān)系法在水域信息提取中已得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)在于利用了Landsat衛(wèi)星影像中水域成像的特性,缺點(diǎn)在于當(dāng)缺乏基準(zhǔn)參考圖時不能夠像監(jiān)督分類方法那樣對分類結(jié)果進(jìn)行評價[13](實(shí)際上,監(jiān)督分類方法的精度評價僅僅利用了訓(xùn)練區(qū),是一種不完全的評價方法,得到的分類精度往往高于實(shí)際精度)。本文分析的重點(diǎn)在于水域景觀的時間變化與空間分異的比較,是一種相對變化分析;由于 3個時相影像的分類都采用了相同的方法,因此缺少基準(zhǔn)參考圖對水域景觀變化結(jié)果的分析與比較影響甚微。對所獲取的 3期遙感影像在 Envi4.5中利用波段計算模塊進(jìn)行水域提取,所得結(jié)果如圖 2所示。

3 水域生態(tài)景觀格局分析

3.1 水域生態(tài)景觀的時間演變

基于遙感軟件 ENV I、G IS軟件 A rcG IS和景觀分析軟件 Fragstats,測算了杭州灣北岸上海市段1992年、2001年及 2008年的 7種水域生態(tài)景觀指標(biāo) (表 1)。

表 1 杭州灣北岸上海市段水域景觀指數(shù)及其結(jié)構(gòu)特征Tab.1 Landscape indexes and the structure of water areas of Shanghai section in northern bank of Hangzhou bay

分析表明,16 a來上海市段水域面積不斷減少,斑塊數(shù)量逐年增加,斑塊密度 PD的變化趨勢與斑塊數(shù)量NP一致。由于水域斑塊總面積持續(xù)減少,而斑塊數(shù)量不斷增加,致使平均斑塊面積呈現(xiàn)減小態(tài)勢。

最大斑塊占景觀面積的比例 LPI呈現(xiàn)增加的態(tài)勢。從 1992～2008年杭州灣北岸上海段水域分布圖及景觀指數(shù)來看,區(qū)域內(nèi)最大斑塊是主要河流;隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),一些水域如坑塘、湖泊等遭到填埋,同時也產(chǎn)生了部分人工坑塘和湖泊,而主要河流面卻變化甚微,因此造成總體水域面積減少的同時 LPI指數(shù)增大。16 a年間,LSI指數(shù)年均增加量為 1.03%,表明水域景觀聚集性降低、越來越趨于分散。而水域景觀形態(tài)的分維數(shù) Fract年均增加 0.09%,表明其形態(tài)越來越復(fù)雜。從景觀動態(tài)度K來看,1992～2001年水域密度年均減少率大于2001～2008年均減少率,表明水域減少的趨勢有所減緩。

綜上所述,水域面積的比例 PLAND和景觀動態(tài)度 K指數(shù)呈減小態(tài)勢,而斑塊數(shù)量 NP、斑塊密度PD、最大水域斑塊占景觀面積的比例 LPI、景觀形狀指標(biāo) LSI和斑塊分維數(shù) Fract呈增大態(tài)勢,說明研究區(qū)水域總體面積減小、斑塊密度增大、各斑塊形態(tài)更趨復(fù)雜。

3.2 水域生態(tài)景觀的空間分異

水域面積的空間分布并不是均勻的,因此水域密度存在空間分異性,并且這種分異隨時間的推移及景觀格局的變化而變化。從時間序列來看,研究區(qū)內(nèi)水域密度從 1992年的 7.77%降低到 2001年的6.90%,再到 2008年的 6.45%。從空間分布來看,各區(qū)域水域密度隨時間而不斷演變。以水域遙感分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用 ArcGIS柵格重采樣、屬性提取和距離分析等空間分析功能,繪制出研究區(qū)水域密度分布圖 (圖 3)。

圖 3 杭州灣北岸上海市段水域密度分布及演變 (1992～2008年)Fig.3 Distribution and evolution of water of Shanghai section in northern bank of Hangzhou bay(1992～2008)

圖 3直觀地顯示出 1992～2008年間研究區(qū)的水域密度變化過程,其中高密度區(qū)域以東北部近淀山湖區(qū)和東部沿海區(qū)域?yàn)榈湫?而低密度區(qū)域以金山區(qū)行政中心以西為典型。截至 2008年,低密度區(qū)域呈微弱的擴(kuò)大趨勢,水域密度的空間分異比較明顯。

4 結(jié)論

隨著城市化進(jìn)程的加快,區(qū)域景觀生態(tài)穩(wěn)定性和安全性受到威脅,生物群落和水域受到的干擾尤為嚴(yán)重。水域景觀格局的變化,是水域?qū)ψ匀画h(huán)境變遷和人類活動等干擾的響應(yīng),而其中人類活動的干擾占據(jù)支配地位?；谶b感和 GIS技術(shù),利用景觀分析方法對杭州灣北岸上海市段水域景觀的時空演變特征進(jìn)行了初步研究。

(1)從空間距離的角度分析,研究區(qū)是除崇明縣以外距離上海市中心最遠(yuǎn)的區(qū)域,其南側(cè)面海,來自外部的干擾較少;北側(cè)緊臨黃浦江上游,水域面積較大,加之臨近上海市中心區(qū),因此受到的干擾較大。隨著上海城市建設(shè)不斷推向遠(yuǎn)郊區(qū),以及海岸帶區(qū)域港口及重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)等的布局和建設(shè),水域景觀的原態(tài)性受到影響、生態(tài)格局的安全性受到威脅。

(2)利用遙感和 GIS技術(shù),能夠方便地從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取水域信息,從而分析水域景觀的變化。本研究利用譜間關(guān)系特征提取水域面積,測算了斑塊數(shù)量、斑塊密度、水域面積的比例、最大水域斑塊占景觀面積的比例、景觀形狀指標(biāo)、斑塊分維數(shù)及景觀動態(tài)度等 7個指標(biāo)。研究表明,1992～2008年的16 a間,研究區(qū)水域面積、景觀、形態(tài)等發(fā)生了顯著變化,其中總面積趨減少態(tài)勢,斑塊呈增加態(tài)勢,景觀趨于破碎,分形維數(shù)顯示水域形態(tài)趨于復(fù)雜。

(3)總體來看,研究區(qū)水域生態(tài)的穩(wěn)定性有所降低、景觀趨于復(fù)雜,受到人類活動的干擾明顯。因此在開發(fā)利用海岸帶的同時,必須考慮到對水域的影響并進(jìn)行合理的保護(hù)。

[1] Deng J S,W ang K,Yang H,et al.Spatio-temporal Dynamics and Evolution of Land Use Change and Landscape Pattern in Response to Rapid Urbanization[J].Landscape and Urban Planning,2009,92:187-198.

[2] Lee SW,Huang S J,Lee SB,et al.Landscape Ecological Approach to the Relationships of Land Use Patterns in Watersheds to Water Quality Characteristics[J].Landscape and Urban Planning,2009,92:80-89.

[3] 劉 頌,李 倩,郭菲菲.景觀格局定量分析方法及其應(yīng)用進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,40(12):114-119.

[4] Weng Y C.Spatio-temporal Changes of Landscape Pattern in Response to Urbanization[J].Landscape and Urban Planning,2007,81:341-353.

[5] 陳德超.浦東城市化進(jìn)程中的河網(wǎng)體系變遷與水環(huán)境演化研究[D].上海:華東師范大學(xué),2003.

[6] 丁圣彥,曹新向.清末以來開封市水域景觀格局變化[J].地理學(xué)報,2004,59(6):956-963.

[7] 李娟娟.上海市景觀格局演變及其生態(tài)安全影響研究[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2007.

[8] 劉珍環(huán),王仰麟,彭 建,等.深圳市水體景觀破碎化動態(tài)及其生態(tài)價值變化 [J].北京大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2009(3):121-127.

[9] 李 蓉,李俊祥,李 鋮,等.快速城市化階段上海海岸帶景觀格局的時空動態(tài)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(11):2353-2359.

[10]岳 雋,王仰麟,彭 建.城市河流的景觀生態(tài)學(xué)研究:概念框架[J].生態(tài)學(xué)報,2005,25(6):1422-1429.

[11]傅伯杰,趙文武,陳利頂.地理——生態(tài)過程研究的進(jìn)展與展望[J].地理學(xué)報,2006,61(11):1123-1131.

[12]鄔建國.景觀生態(tài)學(xué)——格局、過程、尺度與等級 (第三版)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[13]王海波,馬明國.基于遙感的湖泊水域動態(tài)變化監(jiān)測研究進(jìn)展[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2009,24(5):174-684.

[14]汪金花,張永彬,孔改紅.譜間關(guān)系法在水體特征提取中的應(yīng)用[J].礦山測量,2004,4:30-32.

(責(zé)任編輯:劉心季)

RS and GIS Derived Spatio-temporal Evolution of Water Landscape in Coastal Areas:a Case Study of Shanghai Section on the Northern Bank of Hangzhou Bay

FENG Yong-jiu,HAN Zhen
(College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai201306,China)

On the basis of the techniques of remote sensing and geographical information system (GIS),it is possible to extract water information from the remotely sensed images for mapping and pattern study by using the method of spectrum relations. In this paper,water information was derived from the remote sensing images of Shanghai section obtained on the northern bank of Hangzhou Bay in 1992,2001 and 2008,respectively.The landscape information including a number of patches,areas,densities,shape indices and fractals were calculated for further analysis.The results show that the landscape pattern of water was changed remarkably with the reduction of total area and patches as well as the complication of the water shape from 1992 to 2008.

Landscape pattern of water;Coastal areas;Quantitative analysis;Spatio-temporal evolution

馮永玖 (1981-),男,博士,講師,主要從事遙感與 G IS、地學(xué)信息模型研究。

X 171

A

1001-070X(2011)01-0123-05

2010-06-07;

2010-09-18

上海市教育委員會科研創(chuàng)新項(xiàng)目(編號:11YZ154)、上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項(xiàng)基金(編號:SSC09018)和上海海洋大學(xué)校博士啟動基金暨環(huán)境工程重點(diǎn)學(xué)科基金(編號:A-2400-10-0134)共同資助。