基于Landsat影像的煙臺市近30年來濕地資源時空變化研究

閆濰虹， 衣華鵬， 馮 龍, 程振龍, 孫 曉, 由秀萍

(1.魯東大學 資源與環境工程學院, 山東 煙臺264025; 2.浙江農林大學 環境與資源學院 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室, 浙江 臨安311300; 3.山東省煙臺第二中學, 山東 煙臺264000)

基于Landsat影像的煙臺市近30年來濕地資源時空變化研究

閆濰虹1， 衣華鵬1， 馮 龍1, 程振龍2, 孫 曉1, 由秀萍3

(1.魯東大學 資源與環境工程學院, 山東 煙臺264025; 2.浙江農林大學 環境與資源學院 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室, 浙江 臨安311300; 3.山東省煙臺第二中學, 山東 煙臺264000)

[目的] 對山東省煙臺市近30 a來濕地資源時空變化進行研究，為該市濕地資源的合理利用與保護提供基礎資料和科學依據。 [方法] 在RS與GIS技術支持下，以1986和1995年TM，2005年ETM+以及2015年OLI遙感影像為數據源，解譯提取煙臺市濕地資源信息，對濕地資源的面積、變化速度以及各濕地類型的轉換進行定量分析，從而獲取近30 a來煙臺市濕地資源時空變化規律。 [結果] 近30 a來煙臺市濕地總面積以5.46 km2/a的速度呈逐年增加趨勢，濕地總面積增長了158.47 km2；各濕地類型中淺海水域一直處于主導地位；沿海灘涂和河口濕地的面積呈逐年減少趨勢；養殖池和鹽田的面積則以4.59 km2/a的速度呈逐年增加趨勢；河流濕地的面積呈現出波動變化的趨勢；水庫坑塘的面積以1.23 km2/a的速度增長了35.8 km2；煙臺市各濕地類型之間的轉換較少，而各濕地類型與非濕地之間轉換較為強烈。 [結論] 受人類活動的干擾，近30 a來煙臺市濕地資源時空變化十分顯著，須采取措施加強對濕地資源的合理利用與保護。

Landsat影像; 煙臺市; 濕地資源; 時空變化; RS與GIS技術

文獻參數： 閆濰虹， 衣華鵬， 馮龍, 等.基于Landsat影像的煙臺市近30年來濕地資源時空變化研究[J].水土保持通報，2017,37(2)：289-294.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.044； Yan Weihong， Yi Huapeng， Feng Long， et al. Temporal-Spatial Changes of Wetland Resources in Yantai City in Latest 30 Years Based on Landsat Images[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：289-294.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.044

“濕地(wetland)”不同于陸地和水域，是一種介于兩者之間的過渡生態系統，它有其獨特的生態價值與生態功能[1]。地球上的濕地覆蓋面積僅有6%，卻為20%的已知物種提供了生存環境，濕地蘊藏著豐富的水資源和獨特的動植物資源，是自然界中最富生物多樣性的生態景觀；此外，濕地被認為是二氧化碳等溫室氣體的“匯”，具有調節區域氣候的功能，在環境變化研究中有重要意義[2-3]。然而，濕地又是極其脆弱的，極易遭受破壞。濕地作為水陸過渡地帶，通行條件極差，很難深入到濕地中去進行實地調查研究，這給濕地的研究帶來了極大的困難[4-5]。20世紀70年代，衛星遙感技術開始應用于濕地研究領域。Landsat遙感影像包含著十分豐富的地表信息，而且具有較高的空間分辨率和時間分辨率。因此，Landsat影像能夠為大時間和空間尺度研究濕地變化提供便利，可以滿足濕地資源時空變化研究的需求，快速、準確、經濟地完成濕地資源調查任務[4-6]。目前，已有不少學者基于遙感影像對濕地實時監測。煙臺市的濕地資源類型多、面積大，為眾多動植物、昆蟲和鳥類提供了繁殖與棲息的場所。但是，隨著煙臺市工業化和城市化進程的加快，大量工程項目由城市用地轉移到濕地，致使濕地資源結構趨于不合理，甚至危及到了區域的生態安全。為了合理利用與保護煙臺市的濕地資源，須加強對濕地資源的研究，及時、準確地掌握濕地資源的現狀及其變化情況。本研究基于Landsat遙感影像，利用RS與GIS技術對1986，1995，2005和2015年煙臺市濕地資源的面積、變化速度以及各濕地類型的轉換等進行時間和空間上的定量提取和分析，從而獲取近30 a來煙臺市濕地資源的時空變化規律，以期為煙臺市濕地資源的合理利用與保護提供基礎資料和科學依據。

1 研究區概況

煙臺市地處山東半島東部，地理坐標為119°34′—121°57′E，36°16′—38°23′N。北部瀕臨渤海，南部瀕臨黃海，西與青島市、濰坊市接壤，東與威海市毗鄰，北部隔海與遼東半島的大連市相望。該市土地總面積約1.38×104km2，轄芝罘區、萊山區、福山區、牟平區4個市轄區及長島縣，代管龍口市、萊陽市、萊州市、蓬萊市、招遠市、棲霞市、海陽市7個縣級市和國家級經濟技術開發區、高新技術產業開發區、保稅港區及昆崳山生態自然保護區4個功能區，海岸海島曲線長909 km。

煙臺市除少量平原分布于濱海地帶和河谷兩岸外，多為低山丘陵區。境內河道縱橫，長度在10 km以上的河流有85條，流域面積在300 km2以上的河流主要有：五龍河、大沽夾河、王河、界河、黃水河、辛安河等。煙臺市屬暖溫帶大陸性季風氣候，由于南北環海，受海洋的調節，具有氣候溫和、雨水適中、空氣濕潤的特點，年平均氣溫11.8 ℃，年平均降水量661.5 mm，主要集中在6—8這3個月，占全年降水量的60%以上。

2 數據來源及濕地矢量信息提取

2.1 數據來源及預處理

遙感影像數據數量龐大、種類繁多，在作研究時必須選取合適的遙感數據源。根據實際需要以及數據的可得性等問題，最后選取了Landsat 4—5 TM，Landsat 7 ETM SLC-off和Landsat 8 OLI_TRIS衛星遙感數據作為近30 a煙臺市濕地資源時空變化研究的基礎數據。根據研究區存檔衛星遙感數據的影像質量、云量以及成像時間等信息，本文具體采用了1986年5月和1995年5月的TM，2005年5月的ETM+以及2015年5月的OLI四期Landsat影像數據[7-9]。

研究所用的Landsat影像數據是從地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)下載。此外，本文所使用的數據還有煙臺市海圖、煙臺市第一次濕地資源調查和第二次濕地資源調查的統計數據以及煙臺市第1次土地調查和第2次土地調查的統計數據。

對煙臺市濕地信息進行提取時，首要任務是對獲取的Landsat遙感影像數據進行預處理，以便能夠更好地滿足研究的需要。本文借助ENVI 5.1對4期Landsat影像數據作輻射定標、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預處理，得到煙臺市的遙感影像，再對其作波段組合、密度分割等圖像增強處理[9-11]。

2.2 濕地分類系統的確定

濕地分類是濕地研究的基礎，在進行濕地信息提取時需要進行濕地分類系統的確定。目前，國際上還沒有一個公認的濕地分類系統。借鑒《濕地公約》和我國濕地調查的分類成果，結合Landsat遙感影像對濕地的識別能力以及煙臺市濕地資源的實際情況，最終確定了煙臺市濕地資源的分類系統，將濕地劃分為濱海濕地、河流濕地和人工濕地3個類型[12-13]。其中，濱海濕地具體包括低潮時水深不超過6 m的淺海水域(包括海灣和海峽)、沿海灘涂(巖灘、沙灘、泥灘)和河口濕地(河口水域、瀉湖濕地)等，河流濕地指永久性和季節性的河流濕地，人工濕地包括水庫坑塘、溝渠、水田以及海水養殖池和鹽田等。

2.3 濕地矢量信息的提取

借助ENVI軟件預處理后的遙感影像對水和植被信息的反映更加明顯，根據遙感影像的顏色、形狀、紋理及其分布位置等，可以建立煙臺市濕地資源的遙感解譯標志[14]。在對濕地矢量信息進行提取時，利用監督分類的方法難以保證提取的精度，而利用人工目視解譯的方法又費時費力[15-16]。因此，根據煙臺市濕地資源的分類系統和遙感解譯標志，參考Google Earth歷史影像，利用ENVI 5.1和ArcGIS 10.1采取監督分類并輔以人工目視解譯方法來提取煙臺市1986，1995，2005和2015年的濕地矢量信息，從而獲得煙臺市濕地資源分布的空間與屬性數據。為了提高解譯的精度，采用野外定點調查濕地資源數據來評價并校正解譯結果，分類精度高達90%。1986，1995，2005和2015年煙臺市濕地資源的空間分布如圖1所示。總的看來，淺海水域、沿海灘涂和河口濕地等濱海濕地以及養殖池和鹽田主要沿海岸線分布在煙臺市的南北兩側；受煙臺市中間高四周低的地形影響，河流的分布主要是從中間向南北注入黃海和渤海，水庫坑塘和溝渠等人工濕地的分布比較分散。

圖1 煙臺市1986，1995，2005和2015年濕地資源的空間分布狀況

3 結果分析

基于1986，1995，2005和2015年煙臺市濕地資源的矢量數據，從各濕地類型面積、變化速度、以及各濕地類型的轉移矩陣等方面，綜合分析近30 a來煙臺市濕地資源的時空變化規律。

3.1 濕地面積的時間變化分析

利用ArcGIS提取煙臺市濕地矢量信息，可以獲得煙臺市1986，1995，2005和2015年的各濕地類型的屬性數據[17-19]。借助Excel軟件統計計算出煙臺市淺海水域、沿海灘涂和河口濕地、河流濕地、水庫坑塘以及養殖池和鹽田等各濕地類型的面積以及所占的比例(表1)。

據統計發現，從1986—2015年濕地總面積呈逐年增長趨勢，近30 a間濕地總面積增長了158.47 km2，其中淺海水域在各濕地類型中一直處于主導地位；1986年濕地總面積為1 229.97 km2，淺海水域所占比例最大為42.65%，其次是河流濕地；1995年濕地總面積為1 281.47 km2，除養殖池和鹽田所占比例有所上升外，其他各濕地類型所占比例與1986年相比均有所下降；2005年濕地總面積為1 379.55 km2，其中沿海灘涂和河口濕地所占的比例最小，為8.72%；2015年濕地總面積為1 388.44 km2，其中，養殖池和鹽田所占比例為21.49%，僅次于淺海水域，沿海灘涂和河口濕地所占比例降到近30 a來最低，僅占7.14%。

表1 1986，1995，2005和2015年煙臺市各濕地類型面積及百分比

從表2可以看出，從1896—2005年淺海水域雖然均有所變化，但是變化非常小，較為穩定；從2005—2015年淺海水域面積劇增，變化速度達到8.66 km2/a，主要是由于海岸工程設施建設以及填海造陸等人為因素導致海岸線向外延伸，使得海岸線更加曲折綿長，而海岸線的變化影響著淺海水域的面積。從1986—2015年沿海灘涂和河口濕地的面積呈逐年減少趨勢，其中從1986—1995年減少的速度僅為0.60 km2/a，從1995—2005年減少速度較大，為3.53 km2/a，從2005—2015年減少的速度為2.11 km2/a。受地理位置與季風氣候影響，近30 a來煙臺市降水極不均勻，年降水量波動較大，總體呈下降趨勢[20-21]，因此，以降水為主要補給來源的河流濕地的面積隨之呈現出上下波動、不斷減小的趨勢；此外，隨著經濟發展和人口增多，工業和生活用水增加，也會導致河流濕地面積的減小；在自然和人為因素的雙重影響，近30 a來河流濕地的面積以1.28 km2/a的速度減少了37.16 km2。從1986—2005年水庫坑塘的面積呈加速遞增趨勢，尤其是從1995—2005年水庫坑塘面積的增長速度達到8.02 km2/a，而同期年降水量總體呈下降趨勢[20-21]，水庫坑塘面積不減反增的主要原因是1986—2005年各地大力興修水利，紛紛修建攔水壩等蓄水設施的結果；而從2005—2015年水庫坑塘的面積又以4.71 km2/a的速度在減少，這主要是由于隨著工農業生產的快速發展，用水量增多以及近幾十年來氣溫升高、降水減少等人為和自然因素的影響，導致一些水庫坑塘面積萎縮，很多面積較小的坑塘水洼甚至干涸消失；近30 a來水庫坑塘的面積總體上是以1.23 km2/a的速度在增長。煙臺市南北環海，海岸線曲折綿長，適合發展濱海養殖業，在此地理優勢下從1986—2015年的近30 a來養殖池和鹽田的面積以4.59 km2/a的速度呈逐年增長趨勢。總的看來，30 a來煙臺市濕地總面積以5.46 km2/a的速度在增長，尤其是從1995—2005年的10 a間增長的速度高達9.81 km2/a。

3.2 各濕地類型的轉移矩陣分析

從空間涵義出發，濕地動態變化可以細分出未變化部分、轉移部分和新增部分，而濕地的動態轉移矩陣能明確地反映出各部分的流轉去向，對于分析濕地的動態變化具有重要價值[7,22]。根據4個時期煙臺市各濕地類型的矢量數據，借助ArcGIS軟件進行空間疊加分析，得到1986—1995年，1995—2005年以及2005—2015年3個時間段各濕地類型的轉移矩陣(表3—5)。通過對3個時間段各濕地類型的轉移矩陣的分析，可以了解近30 a來煙臺市各濕地類型之間以及各濕地類型與非濕地之間的動態變化。其中，非濕地包括其他土地利用類型和海域兩部分。從3個轉移矩陣中可以看出：煙臺市濕地內部各不同類型之間的轉換較少，主要表現在淺海水域、沿海灘涂和河口濕地、養殖池和鹽田三者之間；而煙臺市各濕地類型與非濕地之間存在大量的轉換，尤其是與其他土地利用類型之間的轉換。

表2 不同時期煙臺市各濕地類型面積的變化速度

1986—1995年期間(表3)，濕地類型之間的轉換表現在有24.55 km2的淺海水域轉換成沿海灘涂和河口濕地、有28.10 km2的沿海灘涂和河口濕地轉換成養殖池和鹽田；而淺海水域與河流濕地、水庫坑塘、養殖池和鹽田之間以及沿海灘涂和河口濕地與水庫坑塘之間轉換非常微弱，甚至不存在轉換。濕地的轉出表現最為顯著的是有27.93 km2的淺海水域、41.61 km2的河流濕地和37.04 km2的水庫坑塘轉換成其他土地利用類型；濕地的轉入主要表現為有32.00，39.32，39.02 km2的其他土地利用類型分別轉換成河流濕地、水庫坑塘以及養殖池和鹽田，此外，有65.40 km2的海域轉換成淺海水域濕地。其中，1986—1995年期間變化最為明顯的是養殖池和鹽田，凈增加了67.88 km2。

表3 煙臺市1986-1995年各濕地類型的轉移矩陣 km2

表4 煙臺市1995-2005年各濕地類型的轉移矩陣 km2

表5 煙臺市2005-2015年各濕地類型面積轉移矩陣 km2

1995—2005年期間(表4)，煙臺市各濕地類型之間轉換不是十分明顯，尤其是淺海水域與水庫坑塘之間不存在轉換；但是，由于海岸動力侵蝕，還是有37.85 km2的沿海灘涂和河口濕地轉換成淺海水域。各濕地類型與非濕地之間轉換較為強烈，主要表現是有31.74 km2的河流濕地和20.89 km2的養殖池和鹽田轉換成其他土地利用類型，有78.87 km2的淺海水域濕地轉換成海域；濕地的轉入主要來源于其他土地利用類型，此期間有233.36 km2的其他土地利用類型轉換成濕地。2005—2015年期間(表5)，濕地內部轉換與1986—1995年期間基本類似，主要是有23.27，22.69 km2的淺海水域濕地分別轉換成沿海灘涂和河口濕地以及養殖池和鹽田，有46.71 km2的沿海灘涂和河口濕地轉換成養殖池和鹽田。2005—2015年期間有256.29 km2的濕地轉換成非濕地，同時也有265.18 km2的非濕地轉換成濕地，尤其是有166.79 km2的海域轉換成淺海水域濕地。

總得看來，近30 a來煙臺市濕地結構逐漸趨于不合理，濕地調節環境的功能下降，主要表現在兩方面：一是，沿海灘涂和河口濕地面積明顯減少，而在各濕地類型中尤以沿海灘涂和河口濕地的植被覆蓋度最高，對環境的調節作用最強，沿海灘涂和河口濕地面積的減少勢必導致濕地調節環境的功能下降。二是，養殖池和鹽田往往會對環境帶來一定的破壞，所以，明顯增加的養殖池和鹽田將導致煙臺市的濕地調節功能下降。

4 結 論

(1) 近30 a來煙臺市濕地總面積以5.46 km2/a的速度呈逐年增長趨勢，濕地總面積增長了158.47 km2，到2015年濕地總面積達到1 388.44 km2。

(2) 煙臺市濕地內部各濕地類型之間的轉換較少，主要表現在淺海水域、沿海灘涂和河口濕地等自然濕地與養殖池和鹽田等人工濕地之間的轉換；煙臺市各濕地類型與非濕地之間轉換十分強烈，尤其是各濕地類型與其他土地利用類型之間存在大量的轉換。

(3) 各濕地類型中，淺海水域、水庫坑塘以及養殖池和鹽田的面積分別增加了88.51，35.80，133.17 km2；而沿海灘涂和河口濕地的面積減少了61.85 km2，河流濕地的面積減少了37.16 km2。

(4) 近30 a來煙臺市濕地資源時空變化十分顯著。雖然濕地總面積有所增長，但是沿海灘涂和河口濕地等天然濕地的面積呈顯著減少趨勢，大量的濱海濕地和河流濕地等天然濕地被開發為養殖場和鹽田等人工濕地以及其他土地利用類型。受人類活動的干擾，煙臺市濕地結構逐漸趨于不合理，自然濕地面積減少，使得濕地的生態價值降低，生態功能遭到破壞，對區域生物多樣性和生態環境產生較大影響。為了合理利用與保護煙臺市的濕地資源，須加大對濕地資源的保護力度，減少人類活動的干擾。

(5) 在對濕地信息進行提取時，受Landsat遙感影像自身精度的影響，對于很多面積較小的濕地圖斑不能做出準確的解譯，對提取的結果有輕微的影響。

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Temporal-Spatial Changes of Wetland Resources in Yantai City in Latest 30 Years Based on Landsat Images

YAN Weihong1， YI Huapeng1， FENG Long1， CHENG Zhenlong2， SUN Xiao1, YOU Xiuping3

(1.SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,LudongUniversity,Yantai,Shandong264025,China; 2.KeyLaboratoryofCarbonCyclinginForestEcosystemsandCarbonSequestrationofZhejiangProvince,SchoolofEnvironmental&ResourceSciences,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an,Zhejiang311300,China; 3.YantaiNo.2MiddleSchoolofShandongProvince,Yantai,Shandong264000,China)

[Objective] The temporal-spatial changes of wetland resources in Yantai City of Shandong Province in recent 30 years were studied to provide basic data and scientific basis for the rational utilization and conservation of wetland resources. [Methods] With RS and GIS, this paper took the TM images in 1986 and 1995, the ETM+image in 2005 and the OLI image in 2015 as data sources, to interpret and extract the information of wetland resources in Yantai City, and to make quantitative analysis on the area of wetland resources, the change rate or transformation beween various types of wetlands. Upon which, the temporal and spatial variation of wetland resources in Yantai City in the latest 30 years were demonstrated. [Results] The total area of wetlands had an increasing trend year by year at a rate of 5.46 km2/a; The increment acreage attained 158.47 km2in Yantai City for almost 30 years. In the process of wetland transformation, the shallow sea-water area still covered mostly. Other types of wetlands had different change processes. Among which, coastal tidal flat and estuarine wetland, declined year by year; Whereas, culture pond plus salt pan had been increased at yearly-averaged speed of 4.59 km2. River wetland exhibited a fluctuating trend. The area of reservoir or pond increased 35.8 km2at a rate of 1.23 km2/a. The transformation between wetland types was less, but the conversion between wetlands and non-wetlands was strong in Yantai City. [Conclusion] Due to the interference of human activities, the temporal and spatial changes of wetland resources were very significant in Yantai City in recent 30 years, so we must take measures to strengthen the rational utilization and protection of wetland resources.

landsat images; Yantai City; wetland resources; temporal and spatial variation; RS and GIS technology

2016-08-29

2016-09-14

國家自然科學基金項目“異質的植物空間分布格局和生態學機制研究”(31000197)，“黃河口生態恢復工程對濕地氮循環關鍵生物地球化學過程的影響”(41171424)，“海島植物群落構建機制研究：以廟島群島為例”(31570423)

閆濰虹(1991—),女(漢族),山東省濰坊市人,碩士研究生,研究方向為水土資源開發與高效利用。E-mail:weihongyan1228@163.com。

衣華鵬(1965—),女(漢族),山東省煙臺市人，教授,主要從事土地資源開發利用方面的科研教學工作。E-mail:huapengyi@sina.com。

A

1000-288X(2017)02-0289-06

X37， TP79