若爾蓋國家級自然保護區濕地變化模擬

賈虎軍，楊武年

（1.成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室/遙感與GIS研究所，四川 成都 610059）

若爾蓋國家級自然保護區濕地變化模擬

賈虎軍1，楊武年1

（1.成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室/遙感與GIS研究所，四川 成都 610059）

以1990年、1994年、2000年和2009年4期遙感影像數據為數據源，基于CA-Markov模型，利用4種不同的時間策略模擬了若爾蓋國家級自然保護區和10 km緩沖區范圍內濕地變化。以1994年保護區建立為時間節點，研究了政策干預前后保護區里外濕地類型的變化情況，從而評估若爾蓋保護區的建立對濕地保護的意義。研究結果表明，若爾蓋保護區濕地退化嚴重，濕地保護的效果并不顯著。

遙感圖像；CA-Markov模型；若爾蓋濕地；動態變化；國家級自然保護區

濕地系指天然或人工、長久或暫時性沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動淡水、半咸水、咸水體者，包括低潮時水深不超過6 m的海域。因經濟發展、人口快速增長，我國40%的濕地資源受到嚴重的威脅[1]。研究表明，1990～2000年中國的濕地總面積減少了50 358 km2[2]。若爾蓋高原是中國最大的高原沼澤濕地分布區，也是黃河長江上游最重要的水源涵養地之一[3]。已有學者對若爾蓋地區景觀格局變化及驅動力因子、沙漠化和生態安全評價做了研究[3-7]；但對若爾蓋濕地保護影響程度的研究文章很少。本文旨在研究若爾蓋保護區及其緩沖區濕地類型變化，從而評估政策干預對濕地保護的影響。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

四川若爾蓋國家級自然保護區位于四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣境內，1994年建立若爾蓋縣自然保護區，1998年晉升為國家級自然保護區，更名為若爾蓋濕地國家級自然保護區，并列入國際重要濕地。圖1為若爾蓋自然保護區及10 km緩沖區。保護區是青藏地區較為典型的濕地生態系統，是世界高山帶物種最豐富的地區之一，總面積為166 570．6 km2，是國際上著名的高寒泥炭沼澤濕地，泥炭總儲量大約有70億 m3[4]。

1.2 數據源

數據源于USGS的Landsat TM 8期影像，時間和軌道號如表1所示。對TM影像進行4、3、2波段合成、鑲嵌和裁剪等基本預處理，生成1990年、1994年、2000年和2009年4期圖像。為了消除大氣輻射的影響，用黑暗像元法進行大氣校正；用IsoData非監督分類和目視解譯，將研究區濕地類型分為濕地、退化濕地和非濕地3類；采用分類隨機采樣方法，建立誤差矩陣評價精度，4期影像分類精度均符合要求。

圖 1 若爾蓋自然保護區和10 km緩沖區邊界圖

表1 選用的Landsat影像

1.3 研究方法

1.3.1 馬爾柯夫（Markov）鏈分析

Markov模型是基于某一離散狀態與時間系統和已知轉移概率模擬事件發生概率的一種隨機過程，常用于具有無后效性特征地理事件的模擬，其公式為[8]：

式中，S(t0)、S(t1)分別表示t0、t1時刻濕地類型；Pij為濕地類型轉移矩陣。Markov鏈分析得到的轉移概率矩陣能夠用于模擬t2時刻的濕地類型。但是這個模型不是空間顯示，不能提供濕地的變化過程以及模擬濕地類型的空間屬性。

1.3.2 Cellular Automaton（CA）模型

CA模型是一種自動和空間顯示的模型，常用于土地利用覆蓋變化研究。CA模型是離散的時間、空間和狀態，每一個元胞的狀態都具有有限性，而且狀態改變的規則在時間和空間上均表現為局部特征，中心元胞的狀態通常決定于鄰域元胞的狀態。CA 模型可表示為[9]：

式中，S表示元胞有限、離散的狀態集合；t0、t1表示不同時刻；N表示元胞的鄰域；f表示局部空間的元胞轉化規則。

1.3.3 CA-Markov模擬模型

Markov鏈與CA模型均為時間、狀態離散的動力學模型，可將二者結合，從而使混合模型具有時間序列和空間特征。在濕地類型柵格圖像中，一個柵格像元就代表一個元胞，濕地類型即是元胞的狀態[9-12]。在IDRISI軟件CA-Markov模塊的支持下，利用轉移面積矩陣和一系列條件概率圖集，確定某一時間每一個元胞的轉移狀態，模擬濕地類型變化。在本文中利用CA和Markov混合模型以4種時間策略模擬2000年和2009年若爾蓋保護區濕地景觀。表2中obs表示解譯濕地類型，pre表示模擬濕地類型。

表2 模擬2000年和2009年濕地類型的4種CA-Markov模型

在政策干預影響研究中，因保護區1994年開始建立，所以將1994年作為政策干預前后的時間節點。所有解譯和模擬濕地類型以3種策略作比較，即保護區、緩沖區和研究區（包括保護區和緩沖區）。這種比較方法能夠實現政策干預“前-后”和保護區“里-外”研究的目的。圖2為模擬濕地類型的主要步驟。

圖 2 模擬濕地類型的主要步驟流程圖

利用IDRISI Andes軟件中的Markov模型，如以時間T0和T1濕地類型圖為數據源，模塊輸出一個轉移概率矩陣、一個轉移面積矩陣和一系列條件概率圖像。表3為本次研究的4種模型中濕地、退化濕地和非濕地之間的相互轉移概率。然后，以T1時刻濕地類型為基礎圖像，結合條件概率圖像與轉移面積矩陣，使用5×5濾波器，模擬時間T2的濕地類型。

表3 Markov鏈分析4種模型的轉換概率表

2 結果與分析

由本次遙感解譯的4期濕地類型圖（見圖3）可見，保護區非濕地面積發生了顯著變化。其中，非濕地面積由1990年的56．4%、1994年的59．4%、2000年65．7%增大到2009年的77．1%，變化最大，并保持增長的趨勢；濕地面積由1990年的22．6%、1994年的20．0%、 2000年的21．7%減少到2009年的14．6%，并且自2000年之后減少速度明顯加快。退化濕地面積同樣也在快速減少，1990年為21%、1994年為20．6%、2000年為12．6%、2009年為8．3%。

研究區2009年濕地模擬與解譯面積出現相反的趨勢（見表4），模擬比解譯面積百分比高1．3%～10．5%。模擬濕地面積2000年之前在減少，而后有較高的增長趨勢。值得注意的是，1994～2000年間解譯的濕地面積出現較小的增長。在保護區和緩沖區，模擬和解譯的濕地面積百分比具有相似的變化趨勢，但在保護區相差較小。在研究區、保護區和緩沖區，模型1模擬的2009年濕地面積比例都比較接近解譯面積比例，分別相差1．3%、3．0%和-0．3%。模型1是無政策干預的假設模型，這也說明政策干預對于濕地變化的影響不大。在研究區非濕地面積都在增長，且解譯比模擬的增長速度快，在2009年解譯的面積百分比比模擬要高15．8～16．7%，在保護區和緩沖區同樣也是增長趨勢，但在保護區比研究區和緩沖區都要高18．5～20．6%。退化濕地在研究區、保護區和緩沖區有相同的變化軌跡，模擬退化濕地2000年面積百分比高于解譯面積百分比。由圖4可知，研究區解譯濕地面積在減少，而在無政策干預假設場景下模擬濕地面積1990～2000年在減少，2000～2009年出現增長的變化軌跡。

圖 3 保護區和10 km緩沖區濕地類型圖

表4 2000年和2009年模擬與解譯濕地類型面積百分比

圖4 1990～2009年研究區解譯和模擬濕地類型面積百分比變化圖

3 模型驗證

本文將 2000年和2009年模型模擬和解譯濕地類型圖作了柵格數據差，計算了2類濕地類型圖之間的相似度，如表5所示。所有模型模擬與解譯的濕地類型一致性一般。然而，在所有模型模擬的結果中，模型3的模擬結果與解譯濕地類型有最高的一致性，模型3(1990～2000年)是在無政策和政策干預混合影響下模擬的2009年濕地類型。

表5 2000年和2009年模擬與解譯濕地類型相似度

4 結 語

CA-Markov模型能夠模擬在沒有政策干預的假設場景下若爾蓋保護區及其周邊緩沖區的濕地類型，并比較模擬和解譯濕地類型之間的差異。結果表明，以不同時間策略模擬的濕地類型與解譯的濕地類型一致性一般，且相似度差別較小(最高與最低相似度相差2．3%)，即本文假設的政策干預對濕地類型模擬的影響不大，保護區的建立對于若爾蓋濕地保護并不是很顯著。研究區濕地模擬和解譯的面積都是減少的趨勢，這主要是因為對濕地開溝排水和泥炭開采使湖泊、河流、沼澤面積萎縮，演化為退化濕地和非濕地。研究區、保護區和緩沖區模擬和解譯的退化濕地都有較高的減少趨勢。退化濕地是牧民良好的放牧場地，但因高強度的超載放牧，退化濕地出現荒漠化，進而轉為非濕地，如模擬和解譯的非濕地面積百分比有較高的增長，且現實中增長的速度要遠遠高于模擬速度。自若爾蓋國家級保護區建立之后采取的局部恢復和治理濕地退化措施并沒能改變濕地退化的大趨勢。

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P237.9

B

1672-4623（2014）01-0104-04

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.036

賈虎軍，碩士，研究方向為3S技術及應用。

2013-05-24。

項目來源：國家自然科學基金資助項目(41071265)；高等學校博士學科點專項科研基金課題(20105122110006)。