宋诗园,曾波,周廷刚†,关舒婧

(1.三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学地理科学学院,400715,重庆;2.西南大学生命科学学院,400715,重庆)

基于RS和GIS的乌江流域(重庆段)湿地景观动态分析

宋诗园1,曾波2,周廷刚1†,关舒婧1

(1.三峡库区生态环境教育部重点实验室,西南大学地理科学学院,400715,重庆;2.西南大学生命科学学院,400715,重庆)

为了探究三峡库区的建立对乌江流域(重庆段)即重庆东南地区湿地环境产生的影响,以landsat-5 TM和landsat 8 OLI遥感影像为主要数据源,基于eCognition和ArcGIS平台,采用面向对象分类的方法,建立重庆地区乌江流域1995、2005和2015年湿地景观数据库,利用景观动态变化度、景观破碎度及土地利用转移矩阵等方法,分析重庆地区乌江流域内湿地景观近20年的时空变化特征。结果表明:1)重庆地区乌江流域整体湿地景观面积近20年处于增长趋势,动态变化指数最高为水库,最低为水田;2)湿地景观转移以湿地景观内部转移为主,湿地景观与非湿地景观转移为辅,人工湿地增加比重高于天然湿地;3)研究区内景观破碎度呈现先增加后减少的趋势,说明该区域湿地环境先恶化后得到改善;4)1995、2005和2015年,天然湿地景观分维数均低于1.6,人工湿地均高于1.7,说明人工湿地景观格局比天然湿地复杂。天然湿地的稳定性指数远低于人工湿地,且接近于0,说明自然湿地内部空间结构更加脆弱。通过三峡工程及其他水利工程的建设,导致乌江流域(重庆段)湿地景观格局发生变化,对该地区的湿地环境总体改善起到明显的促进作用。随着三峡工程建设、库区蓄水,以及龙潭水利工程、江口电站等水利设施修建,乌江流域内湿地总体面积增加,人工湿地变化较天然湿地更为明显,但天然湿地相比人工湿地更易受外界干扰,应加强相对应的保护措施。研究为保护该地区湿地景观,建立乌江流域湿地生态系统动态监测体系,以及为武陵山区精准扶贫提供技术支持。

湿地景观;动态监测;遥感与GIS;乌江流域;三峡库区

湿地作为自然界最重要的自然生态系统之一,在蓄滞洪水、涵养水源和维护生物多样性等方面起着重要作用,湿地面积的减少,会直接影响湿地中生物的生存,致使湿地功能下降,从而导致水土流失和生态环境恶化;反过来,水土流失严重必然导致湿地缩减,以致消亡,形成恶性循环[1-2]:因此,就我国目前湿地资源破坏严重的现象,已引起诸多学者的重视[3]。随着3S技术迅猛发展,诸多学者将3S技术广泛应用于湿地研究,极大地促进了湿地资源研究的速度与质量[4-5]。如韩美等[6]基于多时期遥感影像,对黄河三角洲地区的湿地动态变化进行详尽分析,并对湿地补偿标准给予相应评价,调查表明,黄河三角洲地区人工湿地增加,天然湿地减少,总体湿地呈现减少趋势,造成黄河三角洲地区生态价值的严重损失;王卷乐等[7]利用遥感手段,对鄱阳湖湿地烧荒现象进行快速监测,并对其影响进行分析研究发现,烧荒影响最大的为干涸湖底和邻近农田,并提出湿地资源保护和烧荒管理的建议;陈有朋等[8]对长江流域湿地现状和变化进行动态遥感监测,结果表明,长江流域湿地空间分布广阔,湿地类型发育齐全,次级流域湿地类型不全,总体上,长江流域湿地环境趋好,但仍然存在较多局域问题。

笔者以长江重要支流之一的乌江流域下游作为研究区。该区域是重庆市经济发展最落后地区,也是国家武陵山区集中连片贫困区域。以卫星遥感影像为主要数据源,在RS和GIS技术支持下,基于面向对象的分类方法,建立重庆地区乌江流域1995、2005和2015年湿地景观数据库,研究三峡库区建立近20年来,乌江流域(重庆段)湿地景观的动态变化,评价湿地变化所造成的影响,为保护该地区湿地景观,建立乌江流域湿地生态系统动态监测体系,以及为武陵山区精准扶贫提供技术支持。

1 研究区概况

乌江(E 104°21＇～107°50＇,N 26°54＇～29° 42＇)是长江上游右岸最长的支流,古称黔江,发源于贵州省威宁县,流经黔北及渝东南,最终在重庆市涪陵区注入长江。乌江干流全长1 037 km,较大支流有六冲河、清水江和芙蓉江等共计15条。乌江流域涉及贵州、云南、重庆和湖北4省市,共56个县市。本次研究区域为乌江流域重庆段部分(E 107°24＇～107°50＇,N 28°36＇～29°42＇),即重庆市东南部,涉及酉阳土家族苗族自治县、彭水县、武隆县和涪陵区等9个区县,面积约2.1万km2,占乌江总流域面积的23.9%。该区气候温和,属典型的亚热带季风性湿润气候,雨热同期,年平均气温14～16℃。降水是河水补给主要来源,5—9月为汛期,占全年径流量的80%。

2 研究方法

2.1 数据来源

以研究区域1995和2005年同/近时相的Landsat-5 TM影像,及2015年Landsat-8 OLI影像作为主要数据。遥感影像来源于http:∥glovis.usgs.gov/,空间分辨率30 m,轨道号为(126-127)/(39-40)。根据湿地景观的物候特征,并结合乌江汛期,选取研究区7、8月份相同或相近时相的影像产品,并保证云量＜10%。研究区的行政边界参考重庆市1∶10万地形图。

2.2 乌江流域湿地景观遥感分类系统

湿地的科学分类是湿地景观研究的基础,根据《中国湿地调查大纲》[9]所确定的分类系统,结合研究区自然环境和湿地特点,建立乌江流域湿地景观生态分类系统(表1)。

2.3 面向对象的湿地景观遥感影像分类

卫星遥感影像分类方法有监督分类法、最大似然分类法、人工神经网络分类法、支持向量机分类法、决策树分类法和面向对象的分类法等[10]。传统基于像元的分类法会导致严重的“椒盐效应”,影响遥感影像的分类结果。笔者采用面向对象的分类方法,处理的对象为影像分割出来的具有相同性质的区域(即图像对象),分类依据不局限于地物的光谱特性,还包括对象的大小形状、对象间的拓扑关系等,从而使分类结果具有更高的精度[11]。面向对象的分类方法主要包括影像分割、特征选取、对象分类和精度评价4部分(图1),最终分类结果见图2。

表1 重庆乌江流域湿地景观生态分类系统Tab.1 Ecological classification system of wetland landscape in Wujiang River Basin(Chongqing section)

2.4 湿地景观评价指标

2.4.1 景观动态变化度景观动态变化度[12-13]是以景观变化表现的数量特征作为标准,定量描述区域内景观变化的速度。常用湿地景观动态度模型(K)来反映研究区一定时间范围内,某类湿地类型数量的变化,以及湿地类型之间转化的速度。其计算公式为

图1 面向对象分类流程图Fig.1 Flow chart of object-oriented classification

图2 湿地景观遥感影像分类结果Fig.2 Results of remote sensing image classification of wetland landscape

式中:wa、wb分别为研究期开始(a年)和结束(b年)时,某一湿地类型的面积;T为a年到b年的研究时段;K为a至b时间段,某类湿地的年均变化率。

2.4.2 土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵[14-15]源自系统中状态与状态转移的定量化的描述,它反映某一时段,初期和末期土地类型之间的相互转化过程。土地利用转移矩阵模型为

式中:S为面积;n为转移前后的土地利用类型数目;i、j(i,j=1,2,…,n)分别为转移前与转移后的土地利用类型;sij为转移前的i地类转换成转移后j地类的面积。

2.4.3 景观破碎度 破碎度[16-17]用以表现景观被分割的程度,反映景观空间结构的复杂性。它是由于自然或人为干扰,导致景观由连续的整体逐步变成不连续的斑块镶嵌体的过程,也是生物多样性丧失的重要原因之一,与自然资源保护密切相关。公式为

式中:Ci为景观i的破碎度;Ni为景观i的斑块数;Ai为景观i的总面积。

2.4.4 分形维数及稳定性指数分形理论[18]原本是研究和揭示各种复杂现象内在规律的方法,近年来,越来越多的湿地研究用到分形理论,对湿地资源动态的变化和湿地景观格局的复杂性与稳定性进行定量化的研究[19-20]。在湿地景观研究中,分形维数模型为

式中:A(r)为景观图斑面积;P(r)为同一图斑的周长;C为截距;2/D为斜率。维数D用2除以斜率求得,理论上D的值在1～2之间,D值越大,表明湿地景观要素越复杂。当D=1.50时,说明该景观处于类似布朗运动的状态,此时要素的空间结构最不稳定;因此,可以基于分维数D定义湿地景观格局的稳定性指数

SK越大表示该景观类型的空间结构越稳定,反之则越不稳定。

3 结果与分析

3.1 湿地景观面积时空变化

湿地景观格局的改变,直接影响着区域内土地利用的变化,笔者以10年作为时间尺度,研究区域内湿地景观面积的时间变化特征。由表2可知, 1995、2005和2015年湿地总面积分别为3 707.56、4 011.18和4 290.31 km2。前10年中,河流湿地和水库湿地的面积为负增长,减少幅度分别为2.22%和1.29%,湖泊湿地和水田湿地呈现增长趋势,增加幅度为4.11%和0.98%;后10年中,各个湿地类型都呈现增长态势,增长幅度排序为水库、河流、湖泊和水田。总体上,研究区湿地景观在20年中面积变化明显,湿地总面积整体呈上升趋势。其中,湖泊的变化幅度尤为明显,其原因在于研究区内的主要湖泊为长寿湖,长寿湖景区于1992年被重庆市人民政府列为省级风景名胜区,从1999年起,长寿区就开始有针对性地制订相关政策法规,对该流域生态环境进行保护,投资数十亿元,开展长寿湖景区产业结构调整与生态移民、生态屏障体系建设以及污染源防治等项目。通过十几年的整治,长寿湖流域的生态保护工作已经取得阶段性的成效。

表2 乌江流域湿地景观时间变化特征及动态变化度Tab.2 Temporal variation and dynamic change degree of wetland landscape at Wujiang River Basin

3.2 湿地景观类型转移

根据1995—2015年研究区湿地景观数据库,建立不同时期湿地景观转移矩阵(表3和表4)。结果表明,湿地景观类型转移以湿地景观内部之间相互转换为主,湿地景观与非湿地景观之间相互转换为辅。1995—2005年间,天然湿地的变化面积仅占总变化面积的3.4%,而人工湿地面积明显增加,占总变化面积的28%。2005—2015年间,人工湿地的变化面积占总变化面积的百分比由28%上升到35%;其中,水库的变化尤为明显,整体面积增加超过1倍。天然湿地面积变化幅度基本不变,占总变化面积的3.5%。

表3 1995—2005年湿地景观转移矩阵Tab.3 Transfer matrix of wetland landscape in 1995-2005

表4 2005—2015年湿地景观转移矩阵Tab.4 Transfer matrix of wetland landscape in 2005-2015

3.3 湿地景观破碎度

由研究区湿地景观破碎度指数(表5)分析可知,1995年湿地景观的破碎度指数最低,2005年最高,破碎度指数整体呈先增加后减少的趋势。说明研究区整体的湿地生态环境虽然先出现恶化,但及时得到改善。分析其原因,主要在于因三峡工程的建设需要,自1994年起,政府开始组织大规模的城镇迁建;其中,包括本研究区内的涪陵区、长寿区和武隆县,随着城镇迁建工作的不断开展和深入,对大自然的改造在较大程度上影响了乌江流域原有的生态格局,使乌江流域自然生态系统严重受损。直至2009年,三峡三期枢纽工程最后一次验收通过,标志着三峡工程建设初步完成,城镇迁建的重点从“迁”转移到“建”;同时,各地方政府积极采取各项生态环境保护措施,在一定程度上改善了三峡库区内的生态环境,并且自2000年开始,重庆市开始实施退耕还林(草)工程,防治水土流失,也是破碎度后来减少,生态环境得以改善的主要原因。

表5 湿地景观破碎度指数Tab.5 Fragmentation index of wetland landscape

3.4 湿地景观分形维数及稳定性指数

由研究区分形维数和景观格局的稳定性指数(表6)分析可知,1995—2015年间,天然湿地的分形维数呈持续下降趋势,且始终低于人工湿地,说明人工湿地的景观格局要远比天然湿地的复杂的多,而天然湿地的景观格局逐渐稳定;但就稳定性指数而言,天然湿地的稳定性指数远小于人工湿地,且接近于0,说明天然湿地的内部空间结构极其脆弱,比人工湿地更容易受到外界的干扰。

4 结论

以乌江流域(重庆段)为研究对象,基于RS和GIS手段,利用景观动态变化度、景观破碎度及土地利用转移矩阵等方法,分析重庆地区乌江流域内湿地景观近20年的时间和空间变化特征,结果表明:

1)研究区湿地面积近20年来处于增长的趋势,天然湿地动态变化水平高于人工湿地,动态变化度由高到低依次为水库＞湖泊＞河流＞水田。

表6 湿地景观分形维数及稳定性指数Tab.6 Fractal dimension and stability index of wetland landscape

2)研究区湿地景观转移,以湿地景观内部之间转移为主,湿地景观与非湿地景观之间转移为辅。

3)湿地景观的破碎度指数在1995、2005和2015年分别为0.72、1.17和0.99,表明研究区湿地环境虽受到破坏,但有改善的趋势。

4)1995—2015年,研究区内人工湿地景观格局比天然湿地复杂,但自然湿地内部空间结构较人工湿地更为脆弱。

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Dynamic analysis of wetland landscape in Wujiang River Basin (Chongqing section)using remote sensing and GIS technologies

SONG Shiyuan1,ZENG Bo2,ZHOU Tinggang1,GUAN Shujing1
(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region＇s Eco-Environment,Ministry of Education,School of Geographical Sciences, Southwest University,400715,Chongqing,China;2.School of Life Science,Southwest University,400715,Chongqing,China)

[Background]As one of the most important natural ecosystems,wetland impacts significantly the improvement of regional environmental quality and economic development.The decrease of wetland area will directly affect the survival of wetland,leading to the decline of wetland function,and resulting in the deterioration of soil and water loss and ecological environment.The establishment of the Three Gorges Reservoir caused the impact on the surrounding wetland landscape pattern.[Methods]Using object-oriented classification method,Landsat-5 TM and Landsat 8 OLI remote sensing image as the main data source,the wetland landscape database of Chongqing section of Wujiang River basin in 1995,2005and 2015 was established based on eCognition and ArcGIS platform.We used the dynamic change of landscape,landscape fragmentation and land use transfer matrix method to analyze the temporal and spatial changes in nearly 20 years of wetland landscape in Wujiang River Basin and to explore the reasons.[Results]1)The overall wetland landscape area of Wujiang River Basin(Chongqing section) is in the growth trend in recent 20 years,and the overall dynamic change of natural wetland is higher than that of constructed wetland.The highest index of dynamic change occurs in reservoir,and the lowest in paddy field.2)The transfer of wetland landscape is dominated by the internal transfer of wetland landscape,and the transfer of wetland landscape and non-wetland landscape is as supplement.The proportion of constructed wetland is higher than that of natural wetland.3)In the study area,landscape fragmentation shows a decreasing trend after the increase at first,indicating that the wetland environment tends to be improved after the deterioration at first.4)In 1995,2005 and 2015,the landscape fractal dimensions of natural wetland are lower than 1.6,and that of artificial wetlands is higher than 1.7, indicating that the artificial wetland landscape is more complex than natural wetland.The stability index of natural wetland is lower than that of constructed wetland,which is close to 0,indicating that the inner space structure of natural wetland is more fragile.[Conclusions]The construction of the Three Gorges Dam and other water conservancy projects lead to the change of wetland landscape pattern in Wujiang River Basin(Chongqing section),which played a significant role in promoting the overall improvement of the wetland environment in the area.With the construction of the Three Gorges project,reservoir sluicing,and water conservancy project such as Longtan hydro project,Jiangkou hydro-power station and other water conservancy facilities constructed,the total area of wetland in Wujiang River Basin increased, and the change of constructed wetland is more obvious than that of natural wetland.Compared with constructed wetland,natural wetland is more vulnerable to the external disturbance so that we should strengthen the corresponding protection measures.

wetland landscape;dynamic monitoring;remote sensing and GIS;Wujiang River Basin;the Three Gorges Reservoir Area

P208

:A

:2096-2673(2017)01-0081-08

10.16843/j.sswc.2017.01.010

2016- 08- 12

2016- 12- 13

项目名称:国务院三峡办三峡后续工作库区生态与生物多样性保护专项项目“重庆库区重要支流(涪陵-巫山段)水生生境状况调查与评估”(500000201BB5200002)

宋诗园(1991—),女,硕士研究生。主要研究方向:遥感与GIS应用。E-mail:ssy_23th@163.com

†通信作者简介:周廷刚(1971—),男,博士,教授。主要研究方向:遥感与GIS应用,国土资源遥感,生态环境遥感。E-mail: zhoutg@163.com