基于GIS的沿海地區生態安全時空測度與演變
——以大連市瓦房店為例

王 耕,蘇柏靈,王嘉麗, 朱正如

1 遼寧師范大學城市與環境學院, 大連 116029 2 遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展中心, 大連 116029

基于GIS的沿海地區生態安全時空測度與演變
——以大連市瓦房店為例

王 耕1,2,*,蘇柏靈2,王嘉麗2, 朱正如2

1 遼寧師范大學城市與環境學院, 大連 116029 2 遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展中心, 大連 116029

以大連瓦房店市2000 年、2005 年和2010 年Landsat TM遙感影像(軌道號為120/32，120/33)作為數據源，在景觀格局分析的基礎上，基于壓力-狀態-響應(P-S-R)框架構建沿海地區生態安全評價體系，在GIS格網技術下量化多源數據，創建區域生態安全格網數據庫，采用加權-模糊隸屬度評價方法進行生態安全狀態評價，并通過空間統計學方法對研究區生態安全格局時空演變進行分析，揭示沿海地區生態安全時空演變特點。結果表明：①2000—2010 年瓦房店市生態安全指數平均值分別為0.4636、0.3878和0.3980，說明研究區生態安全惡化后又有緩升趨勢，但西部沿海地區生態安全依然需要重視。②Moran′sI從2000 年到2010 年分別為0.9015、0.8738和0.8703，表明瓦房店市生態安全指數在空間上存在較強的正相關關系，生態安全格局表現為高值區域傾向于與生態安全程度高的區域相毗鄰，而生態安全程度低的區域傾向于與生態安全程度低的區域毗鄰，2000—2005 年表現極為明顯。③2000—2010 年瓦房店市生態安全指數的塊金值分別為0.0030、0.0007和0.0009，表明非結構因素對研究區生態安全空間分布影響效應逐漸增強，這與10年來瓦房店城市建設用地擴張、人類活動頻繁的實際情況相符。CO/(CO+C)值也是先增加后減少，表明非結構因素對研究區生態安全空間分異的影響效應先增強后減弱，2005 年以來隨著大連市土地政策的實施與管理，城鎮建設、人類活動等非結構因素對生態安全演變影響有所消減。

GIS；沿海生態安全；時空測度；演變；瓦房店

在世界范圍內競相開發海洋的熱潮下，隨著人口向沿海地區集中，海岸帶經濟的迅速擴張對生態環境造成的威脅日益嚴重，人地(海)關系矛盾日趨尖銳，沿海地區生態安全倍受關注。Louisa S. Evans以肯尼亞為例研究海岸帶生態安全問題[1]；A.R. Farhan以印度尼西亞群島為例評價生態安全條件[2]。陳菁等進行海峽西岸生態安全評價[3]；廖丹等進行廈門灣海岸帶開發的生態效應評價研究[4]；韓振華等基于景觀格局研究遼河三角洲濕地生態安全[5]；于蓉蓉等對膠州灣大姑河口濕地景觀生態安全格局進行研究[6]。沿海生態安全具有海陸空間的耦合性，海岸帶產業發展方向、結構與布局，以及城市化等特點對生態安全的影響并非靜態，而且具有空間差異，一個地區的生態安全與鄰近地區戚戚相關。目前沿海生態安全評價方法主要有綜合指數法[7- 8]、生態足跡法[9- 11]、景觀生態學方法[12- 13]和生態承載力方法[14]等。盡管沿海生態安全評價框架大多采用“壓力-狀態-響應”(P-S-R)機理框架[15- 19]，但以行政區為評價單元的總體評價結論卻難以說明生態安全空間差異，更難以表明生態安全的空間鄰近影響關系演變，因此沿海生態安全的時空演變與分異研究更加具有實用性，更有利于指導人們因地制宜地進行海岸開發與管理。本文結合景觀生態學與地統計學方法，通過研究區2000年、2005年、2010年3個時期的遙感影像、專題成果與統計數據，構建基于景觀的生態安全評價體系，在GIS格網技術下對沿海生態安全進行時空測度，并分析其空間演變特征，旨在為區域生態安全時空演變與模擬研究提供方法，為瓦房店市城市化建設與規劃提供決策依據。

1 研究區概況

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

大連瓦房店市位于遼東半島中西部(圖1)，地處北緯39°20′—40°07′，東經121°13′—122°16′，西瀕渤海，東與普蘭店接壤，南與金州區隔海相望，北與蓋州接壤，海岸線長461.2 km，占大連市海岸線總長度的24.2%。全市所轄13 個鎮，8 個鄉，總面積為3793.53 km2。瓦房店市地勢東北高西南低，千山余脈由東北向西南延伸，形成低山、丘陵、平原、陸地和灘涂結合的多種地貌類型，自然構成大體是“六山一水三分田”，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明。大連瓦房店是遼東半島連接東西、跨躍南北的交通要道，是渤海經濟圈的擴散區域。隨著遼寧沿海經濟帶建設步伐的加快，以及大連全面推進全域城市化戰略的實施，瓦房店市作為大連北部地區經濟增長極，其生態安全建設不僅是新興工業城市可持續發展的目標，而且是大連和諧海洋建設的重要保障。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究中圖形數據來源于1∶5 萬大連市區劃圖；遙感數據來源于2000 年、2005 年及2010 年Landsat TM遙感影像(軌道號為120/32，120/33)；社會統計數據來源于2010 年《大連統計年鑒》、《大連水資源公報》、《大連環境狀況公報》；專題數據來源于大連市國土資源局地質災害專題圖、地表水質類型圖、海水入侵分布圖、地震烈度分區圖等。為了便于多源數據的統計與計算，本文采用統一格網單元進行評價研究。首先在ArcGIS平臺建立1 km×1 km的網格；其次數字化瓦房店地區，數據的投影類型選擇為Transverse-Mercator投影；然后通過ERDAS軟件對2000 年、2005 年及2010 年3個時期的遙感影像進行解譯分類，得到3期的土地利用矢量圖；最后將圖形數據、遙感數據和社會經濟統計數據通過ArcGIS插值與賦值計算輸入到格網單元，建立ArcGIS格網數據庫。

2.2 沿海生態安全狀態評價模型

2.2.1 評價指標體系與權重的確定

依據系統性、空間性、實用性以及數據獲取可能性等原則，本研究選取P-S-R框架來建立指標體系，結合層次分析法(AHP)與熵值法確定各指標權重(表1)。

表1 沿海生態安全評價體系及指標權重Table 1 The evaluation system and the index weight of eco-security of coastal region

2.2.2 生態安全指數測算

生態安全評價的模型很多，由于生態安全是一個相對的概念，在安全與不安全之間存在著模糊的界限[20]，因此，本文選取模糊隸屬度的方法作為生態安全評價的模型。在評價某區域系統生態安全狀況時，根據影響生態安全狀況的多個指標，以衡量這些指標的生態安全程度的標準值為比較依據，計算生態安全度。生態安全度可以用隸屬度表示。

(1)

式中，U(j)為生態安全度；Wi為第i項指標的權重；p為距離參數，p=2(歐氏距離)計算；rij為第i項指標的值(i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n)。U(j)越大生態安全度越高，反之生態安全度越低。

2.3 沿海生態安全時空演變統計學方法

2.3.1 空間自相關分析

地理與生態現象常常表現出空間相關效應?？臻g自相關分析方法為解釋事物屬性或現象的空間依賴關系提供了途徑?？臻g自相關性的指標可分為全局指標和局部指標兩種: 全局指標用于驗證整個研究區域某一要素的空間相關關系，而局部指標則用于反映整個大區域中的一個局部小區域單元上的某種地理現象或某一屬性與相鄰局部小區域單元上同一現象或屬性的相關程度。本研究中運用全局空間自相關指標 Moran′sI和局部空間自相關指標 LISA (Local Indicators of Spatial Association) 來分析大連市瓦房店景觀生態安全的空間特征。Moran′sI和 LISA 指標的計算公式如下[21- 23]：

(2)

局部空間自相關Local Moran′sI(LISA)是將Moran′sI分解到各個空間單元。對于某一個空間單元i，LISA 計算公式為:

(3)

(4)

2.3.2 地統計學方法

地統計學是研究空間變異的有效方法，以區域化隨機變量理論為基礎，研究自然現象的空間相關性和隨機性，不僅可以解釋屬性或現象的空間相關，而且通過半變異函數可以模擬和估計空間上的未知變量[24]。景觀生態安全指數本身是一種空間變量可采用地統計學中變異函數的方法，借助半方差函數進行景觀生態安全程度的空間分析：

(5)

式中，r(h)是半變異函數；Z(xi)和Z(xi+h)是在xi和xi+h處的值；h為空間距離；n(h)為樣本對數。實驗數據用地質統計學軟件GS+(version 9.0)進行變異函數計算。

3 結果與分析

3.1 沿海地區生態安全時間演變特征

沿海地區生態安全指數計算如表2所示，格網專題地圖如圖2所示。2000 年生態安全程度最低的是瓦房店南部的交流島，北部和東北部(李官鎮、許屯鎮、萬家嶺鎮、松樹鎮、得力寺鎮)生態安全度較低；西部沿海地區生態安全度較高，其中生態安全度最高的地區為長興島鎮。2005 年沿海地區生態安全有了明顯的變化。西部沿海地區的東港鎮、仙浴灣鎮、三臺滿族鄉和中部的楊家滿族鄉生態安全狀況明顯下降，而北部的許屯和南部的交流島生態安全又有所提高。這5 年間變化最明顯的是太陽街道。2010 年與2005 年相比，生態安全度沒有明顯變化，局部地區生態安全度有所提高。總體來說，2000—2010 年，瓦房店地區生態安全度呈先下降后升高趨勢。主要原因是，人口的增長和城市化進程的加快，沿海地區景觀類型發生了變化，建設用地面積擴張占據了大量的農用地，人為活動的影響使生態環境受到的壓力越來越大，生態系統穩定性逐步降低，導致生態安全度降低。隨著環境保護措施的提出和對環境保護資金的投入，2010 年較2005 年生態安全狀況有所提升?？傮w來看，2000—2005 年期間研究區生態安全格局變化比2005—2010 年期間明顯，可見2000—2005年期間是瓦房店市生態安全格局變化的關鍵時期。生態安全度空間趨勢面分析顯示(圖3)：在南北方向和東西方向上，3個時期均呈現凸形曲線，2000 年的趨勢線呈明顯凸形，且西高東低，沿海地區生態安全程度較高。2005年和2010年南北方向上和東西方向的曲線都較為和緩，主要原因是，2000 年，城市化發展緩慢，區域生態安全度整體較高，且人為活動對沿海地區的開發利用少。隨著人口的增長、城市化進程的加快和面海發展，大面積的耕地轉換為建設用地，人為活動對沿海地區生態環境造成威脅，使西部沿海地區生態安全度降低。

表2 瓦房店市不同時期生態安全指數Table 2 Eco-security Indexes (ESI) in Wafangdian in 2000, 2005 and 2010

圖2 瓦房店生態安全度分布 Fig.2 The space distribution of eco-security degree in Wafangdian city

圖3 瓦房店市3個時期生態安全空間趨勢面顯示 Fig.3 The trend surface of eco-security in Wafangdian in 2000, 2005 and 2010

3.2 沿海地區生態安全空間演變特征

3.2.1 沿海地區生態安全空間集聚特征

利用Moran′sI指數判定區域生態安全空間相關性和聚集程度。2000 年、2005 年和2010 瓦房店生態安全的Moran′sI指數分別為0.9015、0.8738和0.8703(圖4)。表明本區域生態安全在空間上有較強的正相關。通過Moran散點圖可以定性區分每一區域與其周邊區域某一屬性值或某種地理現象的相互關系。Moran散點圖由4個象限組成，分別為HH(“高-高”空間關聯區)、LH(“低-高”空間關聯區)、LL(“低-低”空間關聯區) 和HL(“高-低”空間關聯區)。落入HH和LL象限的觀測值存在較強的空間正相關，具有均質性。落入LH和HL兩個象限的觀測值則表示存在較強的空間負相關，空間單元具有異質性。由圖4可知，各年份生態安全度集中于HH和LL區。少量分布于HL和LH兩個象限，表明瓦房店市生態安全具有較強的空間相關性，空間聚集格局顯著。

圖4 Moran 散點圖Fig.4 Moran scatter plot

生態安全度的空間分布并不是隨機的，存在一定的內在聯系，即生態安全度在空間上存在聚集趨勢。每個單元格對其周圍都有不同程度的影響，生態安全度高的單元可以對其周圍產生正面的影響，使其周圍生態安全度提高；而低值的單元也可以影響到其周圍的高-高值區域，使其生態安全度降低，生態環境惡化。瓦房店市2000—2010 年生態安全格局的局部空間自相關LISA分析結果見圖5，生態安全度高值區傾向于與生態安全度高的區域相毗鄰，而生態安全度低值區傾向于與生態安全度低的區域毗鄰。2005 年和2010 年瓦房店市生態安全局域自相關格局較為一致，與2000 年相比則有較大的格局變化。隨著沿海開發戰略的實施，人為活動對沿海地區生態安全的影響很大。沿海區域生態環境惡化，周圍低值區對散布其中的高值區有負面的影響，2000 年瓦房店生態安全高-高值區分布于南部(長興島、炮崖鄉、地臺鎮)，西部沿海地區駝山鄉，仙浴灣鎮等也有小面積高-高值區；同時有較大面積的低-低值區分布在北部(李官鎮、許屯鎮、萬家嶺鎮、松樹鎮)和西南部的交流島。2000—2005 年間瓦房店生態安全集群格局發生了明顯變化，高-高值區向北部(太陽街道、瓦房店市、李店鎮、炮臺鎮)轉移，西部沿海地區小面積的高-高值區轉變為低-低值區，并且到2010 年有大面積擴散趨勢。2000 年交流島地區是低-低值區，2005 年此地區低-低值區明顯減少，2010 年此地區低-低值區呈零星分布，表明在這10 年間，交流島鎮生態安全由不安全向安全轉變。

圖5 瓦房店市生態安全度局域空間自相關LISA集群圖Fig.5 The LISA cluster graph of local spatial autocorrelation in Wafangdian city

3.2.2 沿海地區生態安全空間分異特征

空間異質性主要由隨機性和自相關性兩部分組成。塊金值反映的是隨機部分的空間異質性，若塊金值CO較大表明此時較小尺度上的某種過程不可忽視。CO/(CO+C)的大小反映了自相關部分和隨機部分對地理要素空間分異的影響程度，該比值小，非結構性因素影響大。這里結構性因素(內因)包括氣候、地形地貌、土壤類型、植被類型等主導區域景觀生態安全格局的空間分布的因素；而非結構因素或稱隨機因素(外因)包括各種自然災害以及人為活動導致景觀變化的因素。變程值a大小反映了研究區某一特征空間自相關的尺度狀況，當取樣尺度小于該值時各要素的空間分布存在自相關，說明此時研究區主要的生態學過程、格局及功能都與該尺度有關，而當取樣尺度大于該值時，則要素呈隨機性。運用地統計學方法對瓦房店市景觀生態安全格局進行空間分異分析，各模型擬合結果見表3。2000 年、2005 年和2010年均為球形模型擬合效果最佳，復相關系數R2分別為0.9390、0.8200和0.8520。2000 年較2005 年和2010 年復相關系數高，空間隨機性程度低，這與空間自相關研究結果吻合。

2000至2010年，瓦房店市景觀生態安全指數的塊金值效應整體上先減弱后增強，從2000 年的0.0030下降到2005 年的0.0007，而2010 年上升到0.0009，表明研究區2005 年到2010 年非結構因素作用增強，不可忽視。CO/(CO+C)值也是先增加后減少，充分表明非結構因素對研究區景觀生態安全空間分異影響效應先增強后減弱，這與10 年來瓦房店城市建設用地擴張、人類活動頻繁的實際情況相符，2005 年以來隨著大連市土地政策的實施與管理，城鎮建設、人類活動等非結構因素對生態安全演變影響有所消減。2000 年、2005 年和2010 年研究區景觀生態安全格局空間分異的變程在23.1—137.3 km之間，其中2000 年變程最大(137.3 km)，表明瓦房店市生態安全格局的相關性在縮小。

表3 瓦房店景觀生態安全理論變異函數Table 3 The variogroam of landscape eco-security indexes in Wafangdian

4 結論與討論

(1)景觀格局的變化必然引起生態系統功能的改變，同時，人類的活動主要是在景觀層次上進行的，景觀成為研究人類活動對環境影響的適宜尺度，也是沿海地區生態環境研究的基礎單元。本文結合景觀指數所建立的生態安全評價模型，運用空間自相關和地統計學中的變異函數，分析不同時期研究區內的景觀生態安全結構動態，豐富了沿海生態安全時空演變研究實例。

(2)運用GIS格網技術可以有效的調節研究區的空間尺度，尤其是將指標格網化之后，對區域生態安全研究要比傳統以行政單元劃分研究區域進行生態安全空間分異研究有很大的優勢。本文以1 km×1 km格網為基本評價單元，能夠很好地研究瓦房店生態安全時空分異，為揭示區域生態安全分異規律提供參考依據。

(3)沿海地區生態系統的復雜性決定了其研究必須采用復雜系統的理論方法，特別是建立或應用基于復雜系統思想的數學模型來對沿海城市生態安全演變模擬與預測具有較強的理論價值和實踐意義。

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Spatial-temporal assessments and evolution research of coastal eco-security based on gis-a case study of wafangdian county-level city

WANG Geng1,2,*, SU Bailing2, WANG Jiali2, ZHU Zhengru2

1UrbanandEnvironmentalSchoolofLiaoningNormalUniversity,Dalian116029,China2CenterforStudiesofMaineEconomyandSustainableDevelopmentofLiaoningNormalUniversity,Dalian116029,China

In this study, taking the Landsat TM remote sensing images (track No. 120/32, 120/33) of Wafangdian County-level City in 2000, 2005 and 2010 as the data sources, the coastal ecological security evaluation system was established on the basis of landscape pattern analysis and pressure-state-response (P-S-R) framework. Grid database of coastal eco-security assessment was created by quantitative multi-source data with GIS grid technology. Eco-security status was estimated by the use of the weighted-fuzzy membership degree method. Temporal and spatial evolution of eco-security pattern was analyzed through spatial statistical methods in order to reveal evolution features of coastal region ecological safety as well. The results showed as follows: 1) The ecological safety index of Wafangdian County-level City from 2000 to 2010 was 0.4636, 0.3878 and 0.4636, respectively, which demonstrated eco-security situation had a slight improvement after deterioration, but we should pay more attention to prefect the ecological status in western coastal district. 2)Moran′sIfrom 2000 to 2010 was 0.9015, 0.8738 and 0.8703, respectively, which indicated there was a significant correlation of spatial evolution in the space. The characteristic of ecological safety pattern was that areas with high value was inclined to be close to the regions of better ecological eco-security status, while the low degree of eco-security status presented adverse tendency, which performed extremely obvious from 2000 to 2005. 3)The nuggets of eco-security index in Wafangdian County-level City was 0.0030,0.0007 and 0.000903, respectively, which showed the non-structural factors played an ever-increasing role in spatial distribution of ecological safety in the study area, which was consistent with the actual conditions of urban construction land expansion and frequent human activities in the past decade. The change about value ofC0/(C0+C)decreased as the speed increased initially and decreased afterwards, which reflected the impact of non-structural factors on the space differentiation of ecological security had experienced a consistent change trend. With the implementation of the land policy and management of Dalian City, the influence from non-structural factors such as urban construction and human activities on eco-security evolution has been cut down since 2005.

GIS; coastal eco-security; spatial-temporal assessment; evolution; Wafangdian County-level City

教育部人文社科規劃基金資助項目(13YJA790111); 遼寧省社會科學界聯合會2013年度遼寧經濟社會發展立項課題(2013lslktzixxjc-06)

2013- 04- 15;

日期:2014- 04- 03

10.5846/stxb201304150712

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lnnu_wg@hotmail.com

王耕,蘇柏靈,王嘉麗, 朱正如.基于GIS的沿海地區生態安全時空測度與演變——以大連市瓦房店為例.生態學報,2015,35(3):670- 677.

Wang G, Su B L, Wang J L, Zhu Z R.Spatial-temporal assessments and evolution research of coastal eco-security based on gis-a case study of wafangdian county-level city.Acta Ecologica Sinica,2015,35(3):670- 677.