謝曉寧，王崇倡*，王 鋒

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 浙江省工程物探勘察設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310000）

濕地景觀具有豐富的生物多樣性，具備多種生態(tài)功能和價(jià)值，被譽(yù)為“自然之腎”[1-3]。盤錦市濕地在氣候調(diào)節(jié)、空氣凈化等方面發(fā)揮著不可或缺的作用[4]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，盤錦市濕地的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅，濕地面積不斷萎縮，環(huán)境保護(hù)功能顯著下降，濕地保護(hù)體系有待進(jìn)一步完善[5]。目前，基于遙感影像的自動(dòng)化高效濕地信息采集與監(jiān)測已成為濕地研究中的熱點(diǎn)，如武晉雯[6]等利用MERSI 影像監(jiān)測了盤錦市濕地植被的長勢；顧蕾[7]采用高分辨率航空影像監(jiān)測了盤錦市濕地的地表覆蓋情況及其變化；李榮平[8]等分析了盤錦市濕地的氣候變化特征；還需對盤錦市濕地做進(jìn)一步的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測，以掌握盤錦市濕地的演變特征。

鑒于此，本文以盤錦市濕地為研究對象，利用遙感與GIS 技術(shù)對濕地進(jìn)行信息提取，運(yùn)用生態(tài)學(xué)和轉(zhuǎn)移矩陣模型分析了3 期濕地的動(dòng)態(tài)變化過程、演變特征以及動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力，以期為濕地的管理與保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

盤錦市是馳名中外的濕地之都、生態(tài)家園。盤錦市雙臺(tái)河口濕地保護(hù)區(qū)是全國最大的濕地自然保護(hù)區(qū)，地處遼東灣遼河入?？谔帲乩碜鴺?biāo)為40°39′～41°27′N、121°25′～123°31′E。盤錦市地勢地貌較平坦，整體呈北高南低趨勢；春季風(fēng)大、降水少、氣候干燥，夏季氣候濕熱、降水集中，秋季多晴朗天氣、晝夜溫差大。研究區(qū)內(nèi)天然濕地以沼澤、灘涂、河流為主，人工濕地以水田、池塘為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用的數(shù)據(jù)包括Landsat遙感影像數(shù)據(jù)（表1）和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本文充分考慮了研究區(qū)自然地理?xiàng)l件和分布特征，選取8 月植物茂盛且云量較少的遙感影像，地表光譜特征反映明顯，有助于濕地植被信息的提取。本文對研究區(qū)影像進(jìn)行了波段融合、輻射定標(biāo)、幾何校正、圖像融合等預(yù)處理。

表1 盤錦市Landsat遙感影像信息

1.3 濕地提取方法

參照《濕地公約》和國家濕地分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)濕地類型的分布特征等相關(guān)資料，本文將研究區(qū)分為濕地和非濕地，一級(jí)分類又分為自然濕地和人工濕地；二級(jí)分類主要包括河流、沼澤、灘涂、水庫等。考慮到部分要素對盤錦市濕地影響有限，且面積占比過小，因此將其綜合歸并到大類中進(jìn)行綜合調(diào)整，本文建立的盤錦市濕地分類體系如表2所示。

表2 盤錦市濕地分類體系

決策樹模型是一種分層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于各類信息提取與識(shí)別的研究中。遙感影像分類研究的基本原理是根據(jù)知識(shí)規(guī)則，從原始影像中按層次提取并掩膜分離出每個(gè)地類，并作為一個(gè)樹節(jié)點(diǎn)，從而減少已分地類與待分地類混淆的情況，最終實(shí)現(xiàn)所有地類的分級(jí)提取[9-11]。

纓帽變換（K-T變換）常用于Landsat影像中除熱紅外波段外的6個(gè)波段數(shù)據(jù)中，其表達(dá)式為：

Y=RTX+B（1）

式中，X為原始數(shù)據(jù)的像元矢量；Y為變換后的像元矢量；R為變換矩陣；B為增益向量矩陣。

數(shù)據(jù)變換后的前3 個(gè)特征分量KT1、KT2、KT3分別代表亮度、綠度和濕度信息，用以反映地物的反射率特征、植被覆蓋特征和地面濕度特征效果[12]。

基于盤錦市濕地分類體系，本文采用決策樹分類方法，經(jīng)過K-T 變換，得到典型地物的光譜曲線，如圖1 所示。利用形狀指數(shù)能很好地區(qū)分水體與其他區(qū)域，再將非水體區(qū)域劃分為植被與非植被區(qū)域，建筑用地、灘涂濕地和部分旱地等非植被區(qū)域在藍(lán)光波段上的值高于植被區(qū)域（沼澤濕地、水田濕地、旱地濕地）。綜合上述光譜特征區(qū)分水體、植被與非植被區(qū)域，再分別對這3 類區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，具體流程如圖2所示。

圖1 典型地物光譜特征與KT曲線

圖2 決策樹模型

1）水體信息提取。水體的二次分類可根據(jù)不同類型的水體空間特征（大小、形狀、位置）進(jìn)行分類。河流呈長條形，通過形狀判別可區(qū)分河流。利用形狀和面積可區(qū)分水庫與坑塘，水庫的邊界較平坦光滑，且有一部分呈直線；而坑塘則為規(guī)則的四邊形，面積小于水庫。首先將提取的水體轉(zhuǎn)化為矢量多邊形；再手工修改，連接提取水體的斷點(diǎn)，對邊界進(jìn)行圓滑，以提高分類精度。

2）植被信息提取。除水體外，研究區(qū)主要包括植被和非植被兩大地類。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是指近紅外波段與可見光紅光之差與這兩個(gè)波段和的比值[13]，能準(zhǔn)確提取植被信息。

近紅外波段（TM4）對綠色植物濕地較敏感。由典型地物光譜曲線可知，只有植被在TM4上的波譜值大于TM3，而其他地類則相反。通過對研究區(qū)植被的濕度分量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，水田的綠度分量（KT2）大于沼澤，且沼澤的濕度分量最低，據(jù)此可分離水田和沼澤。

3）非濕地信息提取。將水體和植被從數(shù)據(jù)中提取出來后，再將剩下的地類進(jìn)行二次分類。通過光譜特征和空間分布特點(diǎn)可區(qū)分建筑用地與旱地，從而完成非濕地信息的分類提取。

4）灘涂信息提取。由于建筑物和灘涂的光譜特征非常相似，單從光譜特征的角度很難區(qū)分，而灘涂具有明顯的空間分布特征，研究區(qū)的灘涂主要分布在沿海以及河邊地區(qū)，據(jù)此并結(jié)合人工判讀，可精確提取灘涂信息。

1.4 景觀指數(shù)變化分析

景觀格局是景觀異質(zhì)性的一種重要表現(xiàn)形式，反映多種生態(tài)過程在不同尺度上的作用結(jié)果[14]。本文選取斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)、Shannon 均勻度指數(shù)、散布與并列指數(shù)以及蔓延度指數(shù)來分析研究區(qū)濕地景觀格局的空間結(jié)構(gòu)變化特征[15]。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 提取結(jié)果與精度評價(jià)

2004 年、2010 年、2014 年各種濕地類型分布特征如圖3 所示，面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，可以看出，2004 年、2010 年、2014 年沼澤濕地面積分別為771.05 km2、625 km2和583.95 km2，面積在不斷萎縮；灘涂面積分別為166.74 km2、150.35 km2和201.06 km2，面積總體增加；河流面積分別為26.67 km2、22.39 km2和31.73 km2；水庫面積分別為43.15 km2、43.85 km2和33.79 km2；坑塘面積分別為86.48 km2、115.18 km2和143.2 km2，面積在不斷增加；水田面積分別為1 860.26 km2、1 917.82 km2和1 695.57 km2；建筑用地面積在不斷增加。

表3 盤錦市各類濕地面積統(tǒng)計(jì)

圖3 2004年、2010年、2014年3期濕地分布圖

本文基于新建立的盤錦市濕地分類系統(tǒng)，采用決策樹分類方法以及少量的人工干預(yù)提取了Landsat 遙感影像的濕地信息，取得了較理想的濕地信息提取結(jié)果：2004 年的總體精度為86.31%，Kappa 系數(shù)為0.84；2010 年的總體精度為83.52%，Kappa 系數(shù)為0.83；2014 年的總體精度為86.15%，Kappa 系數(shù)為0.823，精度滿足濕地監(jiān)測需要。

2.2 濕地演變特征分析

各種類型濕地之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如表4、5所示，可以看出，2004年以來盤錦市濕地經(jīng)歷了復(fù)雜的變化過程，但總體表現(xiàn)穩(wěn)定，濕地演變特征主要表現(xiàn)為人工濕地向非濕地轉(zhuǎn)化；天然濕地中沼澤的面積呈逐年減少趨勢，2004—2014 年沼澤向建筑用地分別轉(zhuǎn)移了11.59 km2和6.42 km2，向旱地分別轉(zhuǎn)移了8.51 km2和52.81 km2，由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市用地的不斷擴(kuò)增，這種演變特征有持續(xù)傾向；灘涂濕地的面積逐漸增加，主要分布在沿海地區(qū)，隨著海洋資源的開發(fā)，呈向海洋延伸的趨勢；坑塘面積在近10 年里呈穩(wěn)定增加趨勢，年平均增加幅度為1.5%；水田面積呈先增后減趨勢；河流濕地面積總體趨于穩(wěn)定，面積大小與當(dāng)年的降水量緊密相關(guān)。

表4 2004年與2010年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表5 2010年與2014年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

2.3 濕地景觀指數(shù)變化分析

研究區(qū)濕地景觀指數(shù)如表6 所示，可以看出，2004—2014 年盤錦市濕地的斑塊密度從18.35 個(gè)/km2增加到23.8 個(gè)/km2；最大斑塊指數(shù)急劇降低，從35.125%降至16.21%，表明濕地的破碎化程度在加深；Shannon多樣性指數(shù)先減后增；Shannon均勻度指數(shù)基本穩(wěn)定，表明2004—2010年研究區(qū)受人類活動(dòng)影響較小，而在2010—2014年隨著濕地景觀水平多樣化的提高，研究區(qū)受人類活動(dòng)干擾影響較大，景觀呈現(xiàn)濕地類型結(jié)構(gòu)多樣化以及斑塊分布均勻化的變化趨勢；散布與并列指數(shù)在2004—2010年基本未變，說明不同類型濕地在該時(shí)間段內(nèi)連通性變化不大，而2010—2014 年該指數(shù)降低至36.31，說明該時(shí)間段內(nèi)景觀的小斑塊數(shù)量增加，斑塊優(yōu)勢度不斷降低，景觀破碎化程度升高，濕地景觀的連通性在下降。

表6 研究區(qū)濕地景觀指數(shù)

2.4 濕地動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力分析

濕地具有較強(qiáng)的自我修復(fù)能力，但在外界因素的強(qiáng)烈干擾下，景觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不可避免的遭受破壞，進(jìn)而導(dǎo)致濕地景觀格局發(fā)生變化。影響濕地景觀格局變化的主要因素分為自然因素和人為因素，自然因素主要包括氣候、地形地貌等變化，人為因素主要包括人類在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。人為因素是造成盤錦市濕地景觀格局變化的主要原因。

盤錦市擁有豐富的礦產(chǎn)資源，GDP常位于遼寧省前列，而區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展給土地利用帶來了很大的影響。2004—2014年盤錦市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口數(shù)量不斷增加（圖4），土地需求不斷增加，導(dǎo)致對濕地資源的過度開發(fā)利用。當(dāng)原有的人工用地?zé)o法滿足需要時(shí)，城鎮(zhèn)的水田和坑塘濕地被大量占用。由景觀格局變化特征分析可知，2010—2014 年水田面積大幅減少，濕地向非濕地轉(zhuǎn)移，研究區(qū)內(nèi)大量濕地被人工用地占用，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)水田濕地大量減少，原有濕地景觀系統(tǒng)的生態(tài)平衡遭到破壞。

圖4 人口數(shù)量變化圖

3 結(jié) 語

本文以盤錦市濕地為研究對象，利用2004 年、2010年、2014年3期遙感影像進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測分析。結(jié)果表明，2004—2014年濕地面積總體呈退化趨勢，主要表現(xiàn)為濕地向旱地轉(zhuǎn)移，坑塘面積增加幅度不大，水體面積基本保持不變，人工濕地面積增加是濕地面積減少的主要原因。盤錦市人口的增加以及工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展導(dǎo)致建筑用地面積不斷擴(kuò)增，是濕地退化的主要因素。