唐瓊?cè)f航許睿
(桂林電子科技大學(xué),廣西 桂林541004)
圍海造地使海水潮差變小,潮汐的沖刷能力降低,納潮量減少,多數(shù)圍海工程均處在內(nèi)灣,進(jìn)一步減少了內(nèi)灣的納潮量和環(huán)境容量,海水的自凈能力隨之削弱。圍海工程造地多用于船業(yè)、海運和其他工業(yè),導(dǎo)致內(nèi)灣海水富營養(yǎng)化,可能引起赤潮現(xiàn)象,給沿海漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)帶來一定的危害。圍海工程直接改變水路交錯帶的生物生存環(huán)境,破壞海洋生物鏈,可能導(dǎo)致海洋生物銳減,導(dǎo)致原生態(tài)群落結(jié)構(gòu)變化和物種減少[1]。
目前,圍填海工程影響主要集中在圍填海對環(huán)境的影響評價、圍填海的生態(tài)損害評價和圍填海的綜合損益評價等方面[2-5]。普遍研究對港灣納潮量、流場、生態(tài)影響和價值評估,均認(rèn)為單個填海工程項目對區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響較小[6-7]。根據(jù)文獻(xiàn)的研究情況來看,圍填海工程影響評價存在一個值得關(guān)注的問題,即影響范圍確定的問題。多數(shù)影響研究報道表明單個填海工程項目,評價范圍選擇的海域比填海面積大得多,對生態(tài)環(huán)境的影響評價結(jié)果總是影響較小,這是影響范圍難以量化造成的。有部分學(xué)者采用了遙感技術(shù)對圍填海工程進(jìn)行了影響分析,但多數(shù)是采用分類比較的方法,研究不同時段土地利用類型變化為主,難以量化生態(tài)環(huán)境參數(shù)影響程度[8-9]。
由于藻類代表海洋的初級生產(chǎn)力,且與海水富營養(yǎng)化程度有直接關(guān)系,是環(huán)境生態(tài)的直接表現(xiàn),本文針對圍填海工程藻類影響范圍進(jìn)行分析,引入遙感圖像與GIS數(shù)據(jù)集成分析技術(shù),從理論和技術(shù)上提供一種確定工程影響范圍的方法,為類似研究過程提供參考。
欽州灣位于廣西壯族自治區(qū)南部欽州市以南。東以犀牛腳半島南面的大面墩(玳瑁洲)、西以企沙半島的天堂角間的連線為其南界,水域面積約400平方公里。
欽州灣北部為茅尾海,有欽江、茅嶺江淡水匯入,餌料充足,魚類資源豐富,水產(chǎn)養(yǎng)殖亦發(fā)達(dá)。欽州灣潮汐以日潮為主,龍門港區(qū)平均潮差2.55米,最大潮差達(dá)5.49米,漲潮潮流流向西北,流速2.8節(jié);落潮流流向東南,流速2.8節(jié)。年均水溫21.3℃。欽州港填海工程區(qū),如圖1所示,是人為和自然活動最為強烈的區(qū)域,具有典型的代表意義。
圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Research position
針對圍填海工程前后藻類變化情況,選取特定藻類數(shù)據(jù)與遙感影像集成,對多時相影像數(shù)據(jù)和藻類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,采用遙感變化檢測技術(shù),分析多時相遙感影像數(shù)據(jù)變化和藻類數(shù)據(jù)變化之間的關(guān)系。具體研究步驟如圖2所示。
圖2 研究步驟Fig.2 Research steps
圍填海工程改變了工程區(qū)海底的形態(tài)結(jié)構(gòu),引起棲息生物和潮間帶生物的生存環(huán)境變化,破壞近海生物鏈結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其它以該區(qū)域生物為食的生物數(shù)量減少。另外,潛在的圍海區(qū)工業(yè)帶來累積效應(yīng),產(chǎn)生對近海區(qū)域藻類變化影響,需要長時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。根據(jù)圍填海工程前后多次藻類調(diào)查數(shù)據(jù),以各對應(yīng)時期遙感影像所生成的區(qū)域背景圖為基礎(chǔ),進(jìn)行數(shù)據(jù)插值生成藻類專題地理信息數(shù)據(jù)集。
數(shù)據(jù)經(jīng)過配準(zhǔn)和定位后,采用圖像融合技術(shù)將生態(tài)專題數(shù)據(jù)與遙感影響數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。通過GIS,采用基于決策層的圖像融合方式,將多時相專題數(shù)據(jù),根據(jù)生態(tài)影響指標(biāo)體系進(jìn)行融合。通過歸一化、指標(biāo)體系層次加權(quán)和變化比值處理進(jìn)行融合,融合算法如式1所示:
式中:X為圖像像素值,ω為權(quán)值,Xij1,Xij2分別為兩個時期的橫縱坐標(biāo)值,k為各專題數(shù)據(jù)標(biāo)號,n為專題數(shù)據(jù)個數(shù),C為修正常數(shù)。其中,權(quán)值的意義即生態(tài)系統(tǒng)中組成參數(shù)的重要程度,在本文中針對藻類的種類。式(1)的意義在于將不同時相遙感影像變化的程度與生態(tài)參數(shù)變化的程度相融合,得到的融合數(shù)據(jù)可以根據(jù)變化程度,分析區(qū)域生態(tài)變化與影像變化間的關(guān)系。
遙感圖像的變化檢測是根據(jù)對同一物體或現(xiàn)象不同時間的觀測來確定其不同的處理過程。在生態(tài)與環(huán)境變化集成研究方面,根據(jù)研究對象的評價體系形成融合數(shù)據(jù),采用變化檢測技術(shù)定量的分析生態(tài)與環(huán)境變化過程[10]。然后以融合數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),提取變化信息,采用空間統(tǒng)計分析方法,輸出針對圍填海工程生態(tài)影響特征的變化分布圖。最終,通過對輸出結(jié)果的解析,提取檢測結(jié)果的生態(tài)學(xué)變化過程。具體工作如下:①對融合數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理,以摒棄一些孤立的噪聲點;②對區(qū)域影響程度進(jìn)行分級,形成變化分類空間分布數(shù)據(jù)集,根據(jù)等值線判斷變化中心點;③根據(jù)等值線距離和圍填海工程區(qū)遙感影像變化,劃定影響范圍,從而有科學(xué)理論依據(jù)的確定工程范圍。
按以上研究步驟,本文收集了欽州灣2006年和2010年兩組藻類數(shù)據(jù)和遙感影像,其中藻類濃度數(shù)據(jù)包括藍(lán)藻、青藍(lán)藻、硅藻和其他藻類。首先,將樣本進(jìn)行歸一化處理后,按式(1)進(jìn)行融合處理,得到欽州灣近海藻類濃度變化比值的整合數(shù)據(jù)集,如圖3所示。
圖3 欽州灣藻類濃度變化數(shù)據(jù)集Fig.3 D ataset of algae concentration change in Qinzhou bay
其中,海域內(nèi)的高亮度區(qū)域表示濃度變化大的區(qū)域,以等值線劃分可以看出明顯的幾個區(qū)域,分別以ABC進(jìn)行標(biāo)識,其中A區(qū)域最接近圍填海工程區(qū),B區(qū)處于海灣以外,C區(qū)在海灣內(nèi)河流出??诟浇?。其次,對遙感影像進(jìn)行陸地變化檢測分析,得到欽州灣圍填海工程陸地變化空間數(shù)據(jù),如圖4所示,除海洋外的深色區(qū)域表示陸地變化大的區(qū)域。根據(jù)欽州灣現(xiàn)狀調(diào)查,A區(qū)處于工程區(qū),B區(qū)和C區(qū)為河流入??诟浇?,結(jié)合圖3和圖4,可以定性判斷A區(qū)域受工程影響最為明顯。
圖4 欽州灣圍填海工程陸地覆被變化數(shù)據(jù)集Fig.4 D atasetofland coverchangesin Qinzhou Bayreclamationarea
海洋藻類濃度變化主要受氣候和水質(zhì)影響,據(jù)文獻(xiàn)分析得知,欽州灣圍填海工程對灣內(nèi)水文影響較小,同時歷年氣候變化均不大[11-13],因此,自然環(huán)境變化影響較小,圖3中B、C區(qū)為大型河流和城市排水主要入??冢珹區(qū)域周邊無大型河流注入且陸地遙感數(shù)據(jù)變化較小,因此可判斷A區(qū)為圍填海工程的藻類主要影響區(qū),其范圍由圖中0等值線劃定。
工程行為生態(tài)環(huán)境影響研究的焦點在工程區(qū),其地表類型變化是周邊生態(tài)變化的重要驅(qū)動力,如何將影響關(guān)系量化,值得進(jìn)一步分析。該工程內(nèi)生態(tài)環(huán)境因素變化由常規(guī)值變化為0,覆被變化由海洋變化為陸地;從物質(zhì)光譜特性的角度來看,陸地變化用遙感值變化來表示,生態(tài)變化則根據(jù)指標(biāo)因素變化計算,將兩種變化疊加可得到相對其他區(qū)域變化的量化值。
圖5 融合數(shù)據(jù)Fig.5 I ntegration dataset
將本研究藻類濃度變化空間數(shù)據(jù)和工程地貌變化數(shù)據(jù)歸一化處理后,按式1集成為整合影響數(shù)據(jù),如圖5所示,其中陸地變化較大區(qū)域以“reclamation area”標(biāo)識,海洋區(qū)域高亮區(qū)域為藻類濃度變化較大區(qū)域。從圖5來看,本研究填海區(qū)數(shù)值變化在整體上為高亮區(qū)域。下一步可針對填海區(qū)域土地類型變化與生態(tài)指標(biāo)變化進(jìn)行空間相關(guān)性分析,得到填海區(qū)變化與藻類變化的量化關(guān)系。該部分研究涉及大量的數(shù)據(jù)規(guī)則和處理,由于變化區(qū)不重合現(xiàn)有空間相關(guān)性分析方法難以對其影響進(jìn)行解釋,值得從理論和實現(xiàn)技術(shù)上進(jìn)一步研究。
總的來說,根據(jù)對象指標(biāo)以遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析,結(jié)合特定工程行為的具體情況,可量化判斷其影響范圍,可作為生態(tài)環(huán)境影響規(guī)劃制定的一個技術(shù)參考。
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