劉志根，夏麗華，崔文君

（廣州大學地理科學學院，廣東 廣州 510006）

基塘系統(tǒng)是珠江三角洲地區(qū)特有的、最具特色的一種人工復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是城市生態(tài)平衡的重要均衡器［1］。隨著國內(nèi)市場經(jīng)濟的發(fā)展，珠江三角洲等地區(qū)的基塘系統(tǒng)發(fā)生了很大變化，?；~塘、蔗基魚塘、果基魚塘、花基魚塘、雜基魚塘都屬于基塘系統(tǒng)。珠江三角洲基塘系統(tǒng)的成功經(jīng)驗備受國內(nèi)外關(guān)注，其中桑基魚塘被聯(lián)合國教科文組織譽為“世間少有美景、良性循環(huán)典范”［2］。目前，基塘系統(tǒng)在生態(tài)安全、環(huán)境保護、生物多樣性維持和城鎮(zhèn)一體化服務(wù)等方面作用越來越顯著［3］。近20年來，隨著珠三角地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進程加快，導(dǎo)致基塘系統(tǒng)的經(jīng)營模式和基塘用地的空間格局均發(fā)生了巨大變化，具有多層次和立體化養(yǎng)殖的典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正在逐漸消失［4］。因此，加強基塘系統(tǒng)的深入研究是推進珠江三角洲經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)一體化服務(wù)的重要工作。眾多學者分別從生態(tài)農(nóng)業(yè)［5］、空間格局［6］、物資與能量流動［7］等方面對基塘系統(tǒng)進行研究。袁蘭等［8］針對基塘系統(tǒng)土地的整治問題，依據(jù)恢復(fù)生態(tài)學的原理，提出應(yīng)用生態(tài)位原理對基塘用地進行整治和恢復(fù)。利用遙感和GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的研究成果顯著，但在基塘系統(tǒng)中的研究相對較少。有學者以遙感技術(shù)為手段對基塘系統(tǒng)的地域分布和時空變化進行了相關(guān)研究，孫曉宇等［9］應(yīng)用遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)對珠江口基塘用地的時空變遷進行分析，結(jié)果表明基塘用地遷移模式概括為“西北模式”；劉凱等［10］使用不同時相的TM影像進行研究，發(fā)現(xiàn)佛山市基塘系統(tǒng)的空間格局演變呈先快速增長后稍有減少的趨勢。但對基塘系統(tǒng)的價值還有待深入研究，進一步挖掘基塘系統(tǒng)的利用價值，準確獲取基塘系統(tǒng)的空間分布現(xiàn)狀并監(jiān)測其動態(tài)變化十分重要。本研究以佛山市為例，利用多時相Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，采用最大似然法和面向?qū)ο髨D像處理技術(shù)，提取得到基塘系統(tǒng)用地信息和分布特點，并運用GIS技術(shù)進一步分析研究區(qū)基塘系統(tǒng)的時空變化，探究基塘系統(tǒng)空間格局的演變規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

佛山市處于廣東省中南部、珠江三角洲腹地，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，珠江水系中的西江、北江及其支流貫穿全境，屬典型的三角洲河網(wǎng)地區(qū)（圖1，封三）。佛山市具有良好的地理條件，全市總面積3 868 km2，轄禪城、南海、順德、高明、三水5個行政區(qū)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，養(yǎng)殖品種多、周期長，形成了獨特的區(qū)域優(yōu)勢，享有富饒的“魚米之鄉(xiāng)”美譽。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究選用2000、2005、2010年TM影像數(shù)據(jù)和2015年TM8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取研究區(qū)基塘系統(tǒng)用地面積，空間分辨率為30 m×30 m，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局（USGS），其影像質(zhì)量較好。結(jié)合廣東省地圖冊2010年版、廣東省佛山市行政區(qū)劃圖2012年版、全國1∶25萬矢量邊界圖，其他輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)野外調(diào)查數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

覆蓋研究區(qū)佛山市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源由兩景遙感影像拼接而成，本研究先采用最臨近重采樣法對遙感影像進行鑲嵌處理，然后進行輻射校正和圖像三次卷積增強，再選擇GS（Gram-Schmidt）圖像融合方法，將TM8影像空間分辨率提高到15 m，完成幾何糾正預(yù)處理。最后經(jīng)圖像不規(guī)則裁剪得到研究區(qū)處理后的影像數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 基塘用地遙感解譯方法 基塘用地類型與其他各類水體具有比較相似的光譜特征，依靠傳統(tǒng)的基于像元的分類方法很難準確提?。?1-12］。通過目視解譯可以發(fā)現(xiàn)，影像中的基塘用地往往呈現(xiàn)出一定的魚鱗狀空間分布特征，而河流和溝渠等水體通常呈細長形的空間分布特征，因此本研究采用最大似然方法和面向?qū)ο蠓椒ǎ?lián)合空間關(guān)系、形狀、紋理等特征信息進行基塘系統(tǒng)用地的提取［13-14］。首先采用edge-based分割算法對預(yù)處理后的影像進行分割；然后基于光譜特征指數(shù)——歸一化水體指數(shù)（Normalize Difference Water Index，NDWI）［15］進行水體和陸地的劃分；最后根據(jù)分割后對象的空間特征，如面積大小、延長度等指數(shù)構(gòu)建不同的規(guī)則，提取出線狀以及形狀不規(guī)則的面狀水域，將剩余部分初步判定為基塘用地。耕地、植被和城市用地采用監(jiān)督分類的最大似然法來完成，結(jié)合外業(yè)勘察采集樣本以及目視判別的方法對分類結(jié)果進行檢驗，將錯分類的部分進行修改。

1.3.2 基塘系統(tǒng)演變分析方法 遙感動態(tài)變化監(jiān)測是基于同一空間位置在不同年份的遙感圖像成像時存在的光譜特征差異，識別地物狀態(tài)或現(xiàn)象變化的過程［16］。土地利用動態(tài)度模型可以用來衡量土地利用類型在某一時期內(nèi)動態(tài)變化的強烈程度。通過遙感方法獲取了研究區(qū)域4個時相的基塘系統(tǒng)的空間分布信息，并利用變化幅度和變化速率兩個指標來衡量和分析基塘系統(tǒng)用地的格局演變［17］。

變化幅度（P）是計算其他指標的基礎(chǔ)，反映土地利用/覆蓋隨時間變化的趨勢，其計算公式為：

式中，U1、U0分別代表研究區(qū)域某一種土地利用類型在研究時段初期和末期的面積。

變化速率（Q）是指研究區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型在研究時段內(nèi)的年均變化指標，其計算公式為：

式中，T為研究時間段。

此外，區(qū)域土地利用的空間變化可以通過各用地類型重心坐標的空間變化來反映。重心坐標計算公式為：

式中，Xt、Yt分別為第t年某種土地利用/覆蓋類型的重心坐標，Sti為整個研究區(qū)第i個小區(qū)域單元該種土地類型的面積，X、Y分別為第i個區(qū)域單元的幾何重心坐標，n為研究區(qū)內(nèi)小區(qū)域單元的數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 基塘系統(tǒng)空間分布與精度檢驗

根據(jù)野外調(diào)查資料和不同地物在遙感影像上光譜特征的差異，建立解譯標志。采用監(jiān)督分類方法和目視解譯法對研究區(qū)基塘系統(tǒng)4個時相的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行分類提取，結(jié)果見圖2。由圖2（封三）可知，2000—2015年佛山市基塘系統(tǒng)用地面積呈先逐漸增大后遞減的發(fā)展趨勢，主要集中在順德區(qū)，這主要是由于西江和北江兩大水系貫穿其中，為基塘系統(tǒng)的發(fā)展提供良好的地理條件。此外，在三水區(qū)東部、南海區(qū)北部、禪城區(qū)南部和高明區(qū)東北部，有一定范圍集中的基塘系統(tǒng)。對解譯結(jié)果進行野外核查和精度評定，隨機選取100個樣本點來評價分類結(jié)果，解譯精度均高于80%，說明解譯結(jié)果具有較高的可信度。

2.2 基塘系統(tǒng)動態(tài)變化分析

為了量化對基塘地物的空間變化特征，對基塘系統(tǒng)用地的變化幅度（P）和變化速率（Q）兩個指標進行對比分析。從表1可以看出，佛山市基塘系統(tǒng)用地單一動態(tài)變化在2000—2015年的變化幅度為-29.66%，變化速率為-5.93%，說明該時期基塘用地整體呈現(xiàn)減少趨勢較大。其中，2000—2005年的變化幅度和變化速率分別為1.62%和0.32%，說明該時期基塘系統(tǒng)用地為穩(wěn)步增長的態(tài)勢；2005—2010年的變化幅度和變化速率分別為-15.11%和-3.02%，2010—2015年的變化幅度和變化速率為-17.67%和-3.53%，說明2005—2015年研究區(qū)基塘系統(tǒng)用地在快速減少，且2010—2015年減少幅度更大。

表1 佛山市各時期基塘系統(tǒng)用地動態(tài)變化特征（%）

進一步構(gòu)建2000—2015年基塘用地的斑塊特征和斑塊指數(shù)，分析研究區(qū)基塘系統(tǒng)的空間格局演變特征。由表2可知，研究區(qū)基塘系統(tǒng)的斑塊數(shù)在2000—2015年先增加后減少，由2000年的15 862個增加至17 984個，至2015年減少到9 795個。由于工業(yè)化和城市化的驅(qū)動，城市擴展和工廠建設(shè)等侵占了大量的基塘用地，用城市景觀格局指數(shù)進一步加以分析，得到基塘斑塊形狀指數(shù)、破碎度指數(shù)從2000年的0.31、0.37下降到2015年的0.22、0.25，而聚合度指數(shù)則從85.63上升到92.31，表明佛山市在研究期內(nèi)基塘系統(tǒng)用地的破碎度下降，從一定程度上反映出基塘用地進行整治規(guī)劃的結(jié)果，逐漸實現(xiàn)了集約化和規(guī)范化經(jīng)營管理。

表2 佛山市各時期基塘系統(tǒng)用地斑塊特征及斑塊指數(shù)

2.3 基塘用地動態(tài)轉(zhuǎn)換分析

為進一步掌握基塘系統(tǒng)的格局演變規(guī)律，構(gòu)建了2000—2015年的佛山市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。從表3可以看出，研究時段內(nèi)，佛山市土地利用類型發(fā)生了巨大變化，主要表現(xiàn)為城市用地擴張較大，基塘系統(tǒng)用地面積減少近30%，并伴有嚴重的農(nóng)田流失現(xiàn)象。將2000年和2015年基塘系統(tǒng)用地提取結(jié)果進行空間疊加，得到2000—2015年基塘系統(tǒng)用地增減變化的空間分布情況。從圖3（封三）可以看出，在此期間高明東北部、順德北部、禪城區(qū)及南海區(qū)基塘系統(tǒng)用地大面積減少，將減少區(qū)域的2015年TM8遙感數(shù)據(jù)進行進一步的土地利用分類，提取耕地、植被、建設(shè)用地及河流四大類別，發(fā)現(xiàn)2000—2015年減少的基塘系統(tǒng)用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，其次是耕地和植被。

表3 佛山市2000—2015年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

而此期間增加的基塘系統(tǒng)用地集中分布在順德區(qū)南部、高明區(qū)西部和三水區(qū)東北部區(qū)域，將2000年的研究區(qū)TM影像進行分類，提取耕地、植被、建設(shè)用地和河流四大類別。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2000—2015年增加的養(yǎng)殖用地主要來源于耕地，其次為植被和河流?？梢?，佛山市土地利用變化主要有4種轉(zhuǎn)換形式：耕地轉(zhuǎn)換為城市用地，耕地轉(zhuǎn)換為基塘系統(tǒng)，基塘系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為城市用地，基塘系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為耕地。耕地轉(zhuǎn)換為基塘系統(tǒng)的主要原因是基塘系統(tǒng)的經(jīng)濟效率高于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植的經(jīng)濟效益，“廢田變塘”現(xiàn)象在佛山市普遍發(fā)生；基塘系統(tǒng)轉(zhuǎn)為城市用地的主要原因是隨著佛山市工業(yè)化和城市化進程加快，城市空間不斷向外擴展，導(dǎo)致較大范圍的“填塘造房”，加速了基塘系統(tǒng)的退化。

3 結(jié)論與討論

目前，珠江三角洲基塘系統(tǒng)已被列入城鎮(zhèn)規(guī)劃范圍之內(nèi)，基塘系統(tǒng)從單一的生產(chǎn)功能向承擔更多的社會功能轉(zhuǎn)變，應(yīng)深入挖掘基塘系統(tǒng)潛在的經(jīng)濟、社會和生態(tài)價值，加強其應(yīng)用推廣保護機制，使具有中國特色的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)得以繼承和發(fā)揚［18-19］?；料到y(tǒng)具有防汛和美化環(huán)境功能，將其溶入現(xiàn)代化生態(tài)城市建設(shè)之中，建設(shè)宜居宜業(yè)宜游的家園具有可行之處，如何更好地發(fā)揮基塘系統(tǒng)的生態(tài)功能，是現(xiàn)代化基塘系統(tǒng)的發(fā)展方向［20］。加強對基塘系統(tǒng)的深入研究，是促進珠江三角洲城鎮(zhèn)一體化服務(wù)的重要工作。本研究利用遙感和GIS技術(shù)得到了2000—2015年佛山市基塘系統(tǒng)的空間分布特點，監(jiān)測了基塘系統(tǒng)的動態(tài)變化，并分析了其空間格局的演變特征。結(jié)果表明，研究區(qū)基塘系統(tǒng)的變化呈先有一定增長后快速減少的趨勢，增加的基塘系統(tǒng)用地集中分布在順德區(qū)南部、高明區(qū)西部和三水區(qū)東北部區(qū)域；基塘系統(tǒng)用地的破碎度下降，聚合度上升，說明研究區(qū)基塘系統(tǒng)正逐漸走向集約化和規(guī)范化，為佛山市基塘系統(tǒng)的進一步合理規(guī)劃和城鎮(zhèn)一體化發(fā)展提供參考依據(jù)。隨著佛山市工業(yè)化和城市化進程的加快，高明東北部、順德北部、禪城區(qū)及南海區(qū)基塘系統(tǒng)用地大面積減少，減少部分主要轉(zhuǎn)換為城市用地，并伴有嚴重的耕地流失現(xiàn)象。因此，在城市化發(fā)展進程中應(yīng)重視土地資源規(guī)劃和利用的合理性，本研究結(jié)果對于實現(xiàn)長期動態(tài)監(jiān)測珠江三角州基塘系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

受遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的限制，信息提取結(jié)果與實際存在偏差。因此，下一步將參考遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率、數(shù)據(jù)處理方法等多方面的因素，選擇高分辨率影像數(shù)據(jù)或多源遙感數(shù)據(jù)精確地識別基塘面積，進而精確分析其空間格局演變規(guī)律。

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