基于遙感和GIS 的北京濕地生態服務功能評價與分區

苗李莉，蔣衛國，王世東，朱 琳

(1.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875;2.北京師范大學資源學院，北京 100875;3.北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875;4.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048)

0 引言

濕地與海洋、森林并稱為地球三大生態系統。然而，全球濕地環境正在遭受著普遍性威脅，特別是人類脅迫強度最大的城市濕地正面臨著最為嚴重的生態問題，城市濕地研究已日益受到重視［1－2］。目前，對濕地功能進行評價主要分為2個研究方向:①對濕地水文化學功能的評價，國外對濕地功能的評價研究較早，一般圍繞具體的濕地管理目的而進行，針對性較強［3］;②對濕地生態服務功能的評價，Costanza等［4］利用價值量評價方法對全球濕地及其生態系統進行了貨幣化計算，認為世界濕地的生態服務功能價值約占自然生態系統服務總價值的45%。我國在濕地生態功能價值的評價研究上，大多引用國外的方法或借鑒其標準［5－8］，成果也較多［9－10］。

目前，盡管對濕地的功能評價已有綜合性評價方法，但是其數據獲取方式仍以傳統直接觀測或打分賦值為主，新技術應用研究明顯不足;主流的價值量評價方法與模式在當今的社會經濟發展形勢下已暴露出多種不足［11］，大多數評估結果也僅僅作為參考，或者純粹就只是一種學術行為［12］，其單純的量化評價結果還難以和濕地管理有效結合;遙感與GIS技術在濕地生態服務功能方面的應用還主要限于對區域濕地生態服務功能價值的單純定量評價［13－14］，缺少區域濕地生態服務功能的綜合分區研究。

為了進一步加強對城市濕地資源的有效管理，需要從整體上把握城市濕地系統的狀況。為此，本文基于現有的定量評價研究成果，充分發揮空間信息技術的優勢，探討適用于城市濕地生態服務功能綜合評價的方法體系，并以北京地區的濕地為研究對象，綜合遙感、基礎地理、野外實測和社會統計等多源數據，借鑒千年生態系統評估(millennium ecosystem assessment，MA)中的概念框架［15］，利用濕地功能價值量評價方法，構建基于遙感與GIS 的城市濕地生態服務功能評價指標體系;綜合層次分析(analytic hierarchy process，AHP)方法［15－18］和綜合指數法，建立濕地生態服務功能綜合評價模型;在GIS 技術支持下，分別從“調節”、“供給”、“文化”和“支持”4個功能類別及其功能綜合，開展北京濕地功能的綜合評價與分區研究。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

北京市總面積約1.6 萬km2，地形西北高，東南低，山地與平原之間界線分明，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫為11～13℃;年均降水量在600 mm 左右，主要集中在6—9月份，占全年降水量的80%～85%。北京自西向東主要有大清河、永定河、北運河、潮白河及薊運河5 大河流;區內無天然湖泊，但有水庫85 座，其中大型的有密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫及海子水庫等。2010年之前，北京市轄有18個區(縣)，包括城4 區(東城、西城、崇文和宣武)，朝陽、海淀、豐臺和石景山4個近郊區以及昌平、大興、門頭溝、房山、通州、順義、平谷、懷柔、密云和延慶10個遠郊區縣(圖1)。根據2007年北京市濕地普查數據，全市濕地總面積510 km2，占全市總面積的3.13%，其中以人工濕地類型為主，約占全市濕地面積的85%。

圖1 研究區區位圖Fig.1 Location map of study area

1.2 數據源及其處理

本研究主要利用多源遙感數據、基礎地理數據、濕地現場監測數據和社會經濟統計數據。遙感數據為2001－05－19 和2007－05－28 的Landsat TM 遙感數據(軌道號為123/32，123/33)、2007年的航空遙感數據和SPOT Vegetation NDVI 數據，其中后2種數據則兼用作對相關指標(如濕地類型、濕地明水體分布與葉面積指數等)的反演;基礎地理數據包括行政邊界數據、DEM 數據、土地利用圖和濕地普查數據等;濕地監測數據包括全市多年的水文、氣象、土壤、水質數據，人文與社會經濟統計數據等。

在遙感和GIS 技術支持下，選取研究區TM4(R)，3(G)，2(B)波段圖像進行合成，并對照地形圖進行幾何糾正;依據研究區土地覆被類型圖像的顏色、紋理、位置等特征，建立解譯標志;采用決策樹分類方法結合人工修正進行濕地信息提取;按照濕地分類體系將濕地分為河流、沼澤、蓄水區、水塘、水渠、采掘區和灌溉地7 種，并生成濕地分類圖;選擇一些典型的地點進行實地考查，對解譯結果進行驗證。應用誤差矩陣計算出解譯結果的總體分類精度為91.80%，符合精度要求。

2 研究方法

本研究的基本技術流程如圖2 所示。

圖2 綜合評價與分區技術流程Fig.2 Flow chart of comprehensive assessment and zoning

2.1 指標體系的構建

2.1.1 指標因子的選擇

在生態系統服務功能分類領域，得到國際廣泛認可的功能分類系統是由MA 工作組提出的分類方法，即MA 分類體系［19］。該分類系統為區域生態系統評估提供了概念框架。基于此，按照指標選取的一般性原則，結合研究區情況，采用自上而下、逐層分解的方法，建立濕地生態服務功能評價指標體系，并明確了指標定義、指標特征、指標獲取方式等內容。將研究區的濕地生態服務功能評價指標因子確定為4 大類12 小類，并在該指標體系中把濕地生態服務功能評價分為3個層次，每一個層次又分別選擇反映其主要特征的要素作為評價指標(圖3)。

圖3 濕地生態服務功能綜合評價指標體系Fig.3 Comprehensive assessment indices of wetland ecological service

2.1.2 指標信息的獲取

在濕地功能評價時，以北京市18個區(縣)為基本評價單元，濕地斑塊為評價亞單元。在GIS 的支持下，應用濕地價值量評價方法對全市現有510 km2濕地進行不同類型生態服務功能的定量評價，各種評價指標的內涵和獲取方式如表1 所示。

表1 濕地生態功能綜合評價指標Tab.1 Comprehensive assessment index of wetland ecological service functions

為了實現濕地功能評價和管理的科學化、定量化，必須有一套量化的評價標準［20］。鑒于部分指標是以其特征因子來表征的，其含義可能有差異，為此，采用無量綱的極值歸一化法將各類指標換算成［0，1］的量化范圍，以便于實現指標間的加權處理。各指標的取值與濕地生態服務功能的對應關系為0時，代表生態服務功能重要程度最低，為1 時則其重要程度最高。

2.2 評價方法

2.2.1 指標權重的計算

由于城市濕地生態系統服務功能具有多層次結構的特點，故本文采用層次分析法(AHP)確定各指標的權重。評價指標體系按目標層、要素層和指標層3個層次構建其評判矩陣;采用專家評議法，結合文獻［18］中的比例九標度法及準則的重要性判斷，比較每一層指標對上一層的影響，每次都取該層的2個元素相互比較，對要素層的4個要素構建判斷矩陣。總目標層(A)對要素層(B1，B2，B3，B4)各相關因子的判斷矩陣見表2。

表2 中B13=2，其取值含義表示在對濕地進行生態功能評價中，北京濕地的“調節”服務功能相對于其生態“文化”功能而言，屬稍微重要;B42=1/3則說明在濕地生態功能評價中，北京濕地“支持”功能相對于其生態“供給”服務功能重要性弱一些。計算比較判斷矩陣的最大特征根及其所對應的特征向量，并對比較判斷矩陣的一致性進行檢驗。進行一致性檢驗可通過計算一致性比例CR 來決定，即

表2 A—B 層各相關因子的判斷矩陣Tab.2 Estimate matrix between the aim and synthesized evaluate layer

式中:CR 為計算一致性比例;CI=(R－N)/(N－1)為一致性指標;RI 為平均隨機一致性指標;R 為判斷矩陣的最大特征根;N 為比較判斷方陣的階數，也是該層次所含因素的個數。判斷矩陣的一致性準則為:當CR ＜0.10 時，則判斷矩陣有可以接受的不一致性;否則，就認為初步建立的判斷矩陣是不能令人滿意的，需要重新賦值、修正，直到一致性檢驗通過為止。

查“RI 取值表”可知，當RI=0.9，CR ＜0.1 時(表3)，該層次單排序的結果具有一致性。通過運算得出此判斷矩陣的CR=0.02，可見，判斷矩陣具有一致性，依此方法類推，分別對要素層、指標層構造出判斷矩陣，通過層次分析得到各指標權重值(表3)。

表3 濕地生態服務功能綜合評價指標因子的權重①Tab.3 Weights of comprehensive assessment indexes of wetland ecological service

2.2.2 綜合評價指數的計算

本文采用加權求和方法構建濕地生態服務功能的綜合評價指數，即

用以反映濕地綜合服務功能的大小或強弱。式中:I 為生態服務功能綜合評價指數，取值范圍為0～1;n 為評價指標個數;Wi為第i個評價指標的權重;Si為第i個指標標準化后的值，i=1，2，…，12。

2.3 分區方法

在GIS 空間分析方法中，常用的等級劃分方法有自然斷點分級法、等間距分級法以及自定義間距分級法等。這些方法各有特點及其適用條件。考慮到自然斷點分級法適用于非均勻的屬性值分級，同時根據北京濕地功能綜合評價值的數理統計分析獲取的數學特征，本研究采用自然斷點分級法對北京濕地功能的綜合評價值進行分級評定，按照濕地功能的重要程度從低到高依次劃分為4個等級:1 級為“一般重要性”，2 級為“比較重要”，3 級為“重要”，4 級為“最重要”。同時編繪出這4 類分區區域地理空間分布圖，以便于直觀表達北京濕地功能的現狀。

3 結果與分析

通過上述流程，完成了北京市濕地生態服務功能重要性的單因子評價和綜合因子評價，分別得出生態服務功能在“調節”、“供給”、“文化”和“支持”4個功能類別的重要性等級(圖4(a)－(d))、服務功能的綜合評價重要性等級(圖4(e))及其不同等級分布面積的百分比(表4)。

圖4 -1 濕地功能重要性分布Fig.4 -1 Importance of wetland ecological service

圖4 -2 濕地功能重要性分布Fig.4 -2 Importance of wetland ecological service

表4 北京濕地功能各等級分布面積百分比Tab.4 Percentage of Beijing wetland ecological servical importance (%)

3.1 濕地功能類別重要程度格局

由以上評價結果可見，北京市濕地的“調節”和“供給”功能相對較強，“文化”功能次之，“支持”功能最低。這是因為，北京市濕地的主要類型是河流、蓄水區和池塘(湖泊)，再加上北京是我國著名的歷史文化名城，因此其“文化”功能比較突出。

從圖4(a)和表4 可以看出，在濕地的生態調節功能方面，遠郊區(密云、門頭溝和通州)的濕地為4級、居于“最重要”的優勢地位，并且濕地面積占全市面積的44%;延慶、懷柔、平谷、大興和房山的濕地為3 級、屬“重要”地位，其面積占37%;昌平、順義、海淀和朝陽則為“比較重要”;其他區為“一般重要”性濕地。除了濕地面積這一影響因素之外，濕地的蓄水調節指標在生態調節功能中影響較大(見表3)。密云縣有面域相當大的水庫，通州區和門頭溝區不僅濕地資源密集，且濕地中的植被覆蓋面積較大;城4 區、豐臺和石景山多為景觀濕地，雖然人工種植了很多樹木和草地，但面積較小(4%)，其生態調節功能較為一般。

在濕地“供給”功能的重要性及其分布狀況方面(圖4(b)、表4)，從高到低的區縣依次為:密云、通州和平谷、房山、延慶、懷柔、朝陽、其他區縣。濕地“供給”功能中包含生物產品供給和水源供給2類指標，而后者對其功能的影響較大。密云有22%的濕地面積，密云水庫是北京市居民最大的水源供給地，故密云的“供給”功能最強。另外，通州和平谷分布在北運河下游和薊運河下游，濕地類型以水塘濕地為主，濕地植被豐富，且擁有大量的魚塘，是北京水產品的重要產地，這2個區的重要性次之。

在濕地“文化”功能的重要性方面(圖4(c)、表4)，城區的濕地優于郊區濕地。“文化”功能重要性的從高到低依次為:城4 區和海淀、延慶、朝陽和豐臺，懷柔、密云、大興、房山和石景山、其他區縣。濕地“文化”功能包括旅游休憩指標和文化遺產指標，在這方面，海淀和城4 區的公園類水體較多，盡管其濕地面積只有3%，但這些濕地景區多為人們旅游休閑的名勝古跡，其功能和重要性不言而喻;朝陽和豐臺的濕地面積雖然只占13%，但為近郊區，區位優勢明顯，在旅游休憩和改善居住環境中的作用比較大;延慶縣有知名的野鴨湖濕地，常年吸引了大量游客，其功能重要性也是肯定的。其他區域的濕地知名度不高，缺乏區位優勢，重要性較差。

北京濕地“支持”功能的重要性(圖4(d))表現為郊區濕地優于城區濕地，山區濕地優于平原。“支持”功能重要性從高到低依次為:門頭溝、懷柔、密云、平谷和通州、延慶、昌平和朝陽、其他區縣。該項功能指標主要是防止土壤侵蝕，由于永定河上游位于門頭溝地區，地處山區，地形坡度較大，土壤潛在侵蝕量大，而濕地的存在涵養了周邊大量的濕生及干濕兩生植物，使其實際侵蝕量很小，使得該地區的濕地支持功能明顯。懷柔、密云和平谷擁有潮白河水系和薊運河水系，而通州則有涼水河濕地群，濕地植被豐富，有利于土壤養分的循環，因此這些區縣濕地的“支持”功能重要性也較明顯。

3.2 濕地功能綜合重要程度格局及建議

從北京濕地生態服務功能綜合評價的空間分布圖4(e)可見，密云濕地的重要性最大，平谷、通州、海淀和門頭溝的濕地重要性居次，房山、城4 區、朝陽、延慶和懷柔的濕地重要性再次之，大興、昌平、順義、石景山和豐臺濕地的重要性為一般。

上述研究分析成果可以作為北京市濕地科學、正確監管的決策依據。密云濕地為城市可持續發展提供了生態安全保障，其生態服務功能十分重要，應該做好濕地的培育和保護工作，嚴防濕地遭受破壞;濕地功能較為重要的其他地區具有約58%的濕地面積(表4)，其中大部分位于西部、北部和東北部的山區及丘陵地帶，包括環境保護林、水土保持林、防風固沙林、水源涵養林等生態保護林地，以及野鴨湖濕地等重要的自然濕地，生態服務功能大，是北京市的生態涵養功能區，應嚴禁或限制濕地遭受破壞。位于人口密度大的城區和城鎮高度開發區的濕地，不論從其面積還是生態服務功能的重要性而言，都是相當珍貴的，應該加強保護、恢復或重建等措施，提高濕地質量和生態服務功能。

對于濕地功能重要性最低的區縣，可實行濕地資源開發利用和保護并行，在實現保護濕地資源與生態環境的同時，可在有效控制和科學指導下進行合理地開發，實現濕地的可持續利用。

4 結論

本文以北京市為研究區進行濕地生態服務功能的評價和分區研究，得出以下認識和結論:

1)根據千年生態系統評估(MA)分類體系及指標數據的空間信息可獲取性，借助濕地價值量評價方法，建立了基于空間信息技術的濕地生態服務功能綜合評價指標體系。

2)應用層次分析法(AHP)和綜合指數方法，分別從“調節”、“供給”、“文化”和“支持”4個功能類別及其功能綜合，對北京市的濕地生態服務功能進行了綜合評價，揭示出濕地生態服務功能的重要性等級分區和空間分布狀況。結果是:密云濕地的調節和供給功能的重要性最為突出，居于最高級別(4級);大興、昌平、順義、石景山和豐臺的濕地面積較小，濕地公園特色不突出，其功能重要性屬于最低級(1 級):其他區縣的濕地生態服務功能重要性為2，3 級。

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