賈虎軍，楊武年

（1.成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/遙感與GIS研究所，四川 成都 610059）

若爾蓋國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)濕地變化模擬

賈虎軍1，楊武年1

（1.成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/遙感與GIS研究所，四川 成都 610059）

以1990年、1994年、2000年和2009年4期遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于CA-Markov模型，利用4種不同的時(shí)間策略模擬了若爾蓋國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和10 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)濕地變化。以1994年保護(hù)區(qū)建立為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，研究了政策干預(yù)前后保護(hù)區(qū)里外濕地類型的變化情況，從而評(píng)估若爾蓋保護(hù)區(qū)的建立對(duì)濕地保護(hù)的意義。研究結(jié)果表明，若爾蓋保護(hù)區(qū)濕地退化嚴(yán)重，濕地保護(hù)的效果并不顯著。

遙感圖像；CA-Markov模型；若爾蓋濕地；動(dòng)態(tài)變化；國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)

濕地系指天然或人工、長(zhǎng)久或暫時(shí)性沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動(dòng)淡水、半咸水、咸水體者，包括低潮時(shí)水深不超過6 m的海域。因經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口快速增長(zhǎng)，我國40%的濕地資源受到嚴(yán)重的威脅[1]。研究表明，1990～2000年中國的濕地總面積減少了50 358 km2[2]。若爾蓋高原是中國最大的高原沼澤濕地分布區(qū)，也是黃河長(zhǎng)江上游最重要的水源涵養(yǎng)地之一[3]。已有學(xué)者對(duì)若爾蓋地區(qū)景觀格局變化及驅(qū)動(dòng)力因子、沙漠化和生態(tài)安全評(píng)價(jià)做了研究[3-7]；但對(duì)若爾蓋濕地保護(hù)影響程度的研究文章很少。本文旨在研究若爾蓋保護(hù)區(qū)及其緩沖區(qū)濕地類型變化，從而評(píng)估政策干預(yù)對(duì)濕地保護(hù)的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

四川若爾蓋國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣境內(nèi)，1994年建立若爾蓋縣自然保護(hù)區(qū)，1998年晉升為國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，更名為若爾蓋濕地國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，并列入國際重要濕地。圖1為若爾蓋自然保護(hù)區(qū)及10 km緩沖區(qū)。保護(hù)區(qū)是青藏地區(qū)較為典型的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是世界高山帶物種最豐富的地區(qū)之一，總面積為166 570．6 km2，是國際上著名的高寒泥炭沼澤濕地，泥炭總儲(chǔ)量大約有70億 m3[4]。

1.2 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源于USGS的Landsat TM 8期影像，時(shí)間和軌道號(hào)如表1所示。對(duì)TM影像進(jìn)行4、3、2波段合成、鑲嵌和裁剪等基本預(yù)處理，生成1990年、1994年、2000年和2009年4期圖像。為了消除大氣輻射的影響，用黑暗像元法進(jìn)行大氣校正；用IsoData非監(jiān)督分類和目視解譯，將研究區(qū)濕地類型分為濕地、退化濕地和非濕地3類；采用分類隨機(jī)采樣方法，建立誤差矩陣評(píng)價(jià)精度，4期影像分類精度均符合要求。

圖 1 若爾蓋自然保護(hù)區(qū)和10 km緩沖區(qū)邊界圖

表1 選用的Landsat影像

1.3 研究方法

1.3.1 馬爾柯夫（Markov）鏈分析

Markov模型是基于某一離散狀態(tài)與時(shí)間系統(tǒng)和已知轉(zhuǎn)移概率模擬事件發(fā)生概率的一種隨機(jī)過程，常用于具有無后效性特征地理事件的模擬，其公式為[8]：

式中，S(t0)、S(t1)分別表示t0、t1時(shí)刻濕地類型；Pij為濕地類型轉(zhuǎn)移矩陣。Markov鏈分析得到的轉(zhuǎn)移概率矩陣能夠用于模擬t2時(shí)刻的濕地類型。但是這個(gè)模型不是空間顯示，不能提供濕地的變化過程以及模擬濕地類型的空間屬性。

1.3.2 Cellular Automaton（CA）模型

CA模型是一種自動(dòng)和空間顯示的模型，常用于土地利用覆蓋變化研究。CA模型是離散的時(shí)間、空間和狀態(tài)，每一個(gè)元胞的狀態(tài)都具有有限性，而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上均表現(xiàn)為局部特征，中心元胞的狀態(tài)通常決定于鄰域元胞的狀態(tài)。CA 模型可表示為[9]：

式中，S表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t0、t1表示不同時(shí)刻；N表示元胞的鄰域；f表示局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

1.3.3 CA-Markov模擬模型

Markov鏈與CA模型均為時(shí)間、狀態(tài)離散的動(dòng)力學(xué)模型，可將二者結(jié)合，從而使混合模型具有時(shí)間序列和空間特征。在濕地類型柵格圖像中，一個(gè)柵格像元就代表一個(gè)元胞，濕地類型即是元胞的狀態(tài)[9-12]。在IDRISI軟件CA-Markov模塊的支持下，利用轉(zhuǎn)移面積矩陣和一系列條件概率圖集，確定某一時(shí)間每一個(gè)元胞的轉(zhuǎn)移狀態(tài)，模擬濕地類型變化。在本文中利用CA和Markov混合模型以4種時(shí)間策略模擬2000年和2009年若爾蓋保護(hù)區(qū)濕地景觀。表2中obs表示解譯濕地類型，pre表示模擬濕地類型。

表2 模擬2000年和2009年濕地類型的4種CA-Markov模型

在政策干預(yù)影響研究中，因保護(hù)區(qū)1994年開始建立，所以將1994年作為政策干預(yù)前后的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。所有解譯和模擬濕地類型以3種策略作比較，即保護(hù)區(qū)、緩沖區(qū)和研究區(qū)（包括保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)）。這種比較方法能夠?qū)崿F(xiàn)政策干預(yù)“前-后”和保護(hù)區(qū)“里-外”研究的目的。圖2為模擬濕地類型的主要步驟。

圖 2 模擬濕地類型的主要步驟流程圖

利用IDRISI Andes軟件中的Markov模型，如以時(shí)間T0和T1濕地類型圖為數(shù)據(jù)源，模塊輸出一個(gè)轉(zhuǎn)移概率矩陣、一個(gè)轉(zhuǎn)移面積矩陣和一系列條件概率圖像。表3為本次研究的4種模型中濕地、退化濕地和非濕地之間的相互轉(zhuǎn)移概率。然后，以T1時(shí)刻濕地類型為基礎(chǔ)圖像，結(jié)合條件概率圖像與轉(zhuǎn)移面積矩陣，使用5×5濾波器，模擬時(shí)間T2的濕地類型。

表3 Markov鏈分析4種模型的轉(zhuǎn)換概率表

2 結(jié)果與分析

由本次遙感解譯的4期濕地類型圖（見圖3）可見，保護(hù)區(qū)非濕地面積發(fā)生了顯著變化。其中，非濕地面積由1990年的56．4%、1994年的59．4%、2000年65．7%增大到2009年的77．1%，變化最大，并保持增長(zhǎng)的趨勢(shì)；濕地面積由1990年的22．6%、1994年的20．0%、 2000年的21．7%減少到2009年的14．6%，并且自2000年之后減少速度明顯加快。退化濕地面積同樣也在快速減少，1990年為21%、1994年為20．6%、2000年為12．6%、2009年為8．3%。

研究區(qū)2009年濕地模擬與解譯面積出現(xiàn)相反的趨勢(shì)（見表4），模擬比解譯面積百分比高1．3%～10．5%。模擬濕地面積2000年之前在減少，而后有較高的增長(zhǎng)趨勢(shì)。值得注意的是，1994～2000年間解譯的濕地面積出現(xiàn)較小的增長(zhǎng)。在保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)，模擬和解譯的濕地面積百分比具有相似的變化趨勢(shì)，但在保護(hù)區(qū)相差較小。在研究區(qū)、保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)，模型1模擬的2009年濕地面積比例都比較接近解譯面積比例，分別相差1．3%、3．0%和-0．3%。模型1是無政策干預(yù)的假設(shè)模型，這也說明政策干預(yù)對(duì)于濕地變化的影響不大。在研究區(qū)非濕地面積都在增長(zhǎng)，且解譯比模擬的增長(zhǎng)速度快，在2009年解譯的面積百分比比模擬要高15．8～16．7%，在保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)同樣也是增長(zhǎng)趨勢(shì)，但在保護(hù)區(qū)比研究區(qū)和緩沖區(qū)都要高18．5～20．6%。退化濕地在研究區(qū)、保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)有相同的變化軌跡，模擬退化濕地2000年面積百分比高于解譯面積百分比。由圖4可知，研究區(qū)解譯濕地面積在減少，而在無政策干預(yù)假設(shè)場(chǎng)景下模擬濕地面積1990～2000年在減少，2000～2009年出現(xiàn)增長(zhǎng)的變化軌跡。

圖 3 保護(hù)區(qū)和10 km緩沖區(qū)濕地類型圖

表4 2000年和2009年模擬與解譯濕地類型面積百分比

圖4 1990～2009年研究區(qū)解譯和模擬濕地類型面積百分比變化圖

3 模型驗(yàn)證

本文將 2000年和2009年模型模擬和解譯濕地類型圖作了柵格數(shù)據(jù)差，計(jì)算了2類濕地類型圖之間的相似度，如表5所示。所有模型模擬與解譯的濕地類型一致性一般。然而，在所有模型模擬的結(jié)果中，模型3的模擬結(jié)果與解譯濕地類型有最高的一致性，模型3(1990～2000年)是在無政策和政策干預(yù)混合影響下模擬的2009年濕地類型。

表5 2000年和2009年模擬與解譯濕地類型相似度

4 結(jié) 語

CA-Markov模型能夠模擬在沒有政策干預(yù)的假設(shè)場(chǎng)景下若爾蓋保護(hù)區(qū)及其周邊緩沖區(qū)的濕地類型，并比較模擬和解譯濕地類型之間的差異。結(jié)果表明，以不同時(shí)間策略模擬的濕地類型與解譯的濕地類型一致性一般，且相似度差別較小(最高與最低相似度相差2．3%)，即本文假設(shè)的政策干預(yù)對(duì)濕地類型模擬的影響不大，保護(hù)區(qū)的建立對(duì)于若爾蓋濕地保護(hù)并不是很顯著。研究區(qū)濕地模擬和解譯的面積都是減少的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)閷?duì)濕地開溝排水和泥炭開采使湖泊、河流、沼澤面積萎縮，演化為退化濕地和非濕地。研究區(qū)、保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)模擬和解譯的退化濕地都有較高的減少趨勢(shì)。退化濕地是牧民良好的放牧場(chǎng)地，但因高強(qiáng)度的超載放牧，退化濕地出現(xiàn)荒漠化，進(jìn)而轉(zhuǎn)為非濕地，如模擬和解譯的非濕地面積百分比有較高的增長(zhǎng)，且現(xiàn)實(shí)中增長(zhǎng)的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬速度。自若爾蓋國家級(jí)保護(hù)區(qū)建立之后采取的局部恢復(fù)和治理濕地退化措施并沒能改變濕地退化的大趨勢(shì)。

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P237.9

B

1672-4623（2014）01-0104-04

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.036

賈虎軍，碩士，研究方向?yàn)?S技術(shù)及應(yīng)用。

2013-05-24。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41071265)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金課題(20105122110006)。