佛山市基塘系統多時相遙感分析

劉志根，夏麗華，崔文君

（廣州大學地理科學學院，廣東 廣州 510006）

基塘系統是珠江三角洲地區特有的、最具特色的一種人工復合農業生態系統，是城市生態平衡的重要均衡器［1］。隨著國內市場經濟的發展，珠江三角洲等地區的基塘系統發生了很大變化，桑基魚塘、蔗基魚塘、果基魚塘、花基魚塘、雜基魚塘都屬于基塘系統。珠江三角洲基塘系統的成功經驗備受國內外關注，其中桑基魚塘被聯合國教科文組織譽為“世間少有美景、良性循環典范”［2］。目前，基塘系統在生態安全、環境保護、生物多樣性維持和城鎮一體化服務等方面作用越來越顯著［3］。近20年來，隨著珠三角地區經濟快速發展，工業化和城市化進程加快，導致基塘系統的經營模式和基塘用地的空間格局均發生了巨大變化，具有多層次和立體化養殖的典型農業生態系統正在逐漸消失［4］。因此，加強基塘系統的深入研究是推進珠江三角洲經濟發展和城鎮一體化服務的重要工作。眾多學者分別從生態農業［5］、空間格局［6］、物資與能量流動［7］等方面對基塘系統進行研究。袁蘭等［8］針對基塘系統土地的整治問題，依據恢復生態學的原理，提出應用生態位原理對基塘用地進行整治和恢復。利用遙感和GIS技術在農業發展中的研究成果顯著，但在基塘系統中的研究相對較少。有學者以遙感技術為手段對基塘系統的地域分布和時空變化進行了相關研究，孫曉宇等［9］應用遙感技術和地理信息技術對珠江口基塘用地的時空變遷進行分析，結果表明基塘用地遷移模式概括為“西北模式”；劉凱等［10］使用不同時相的TM影像進行研究，發現佛山市基塘系統的空間格局演變呈先快速增長后稍有減少的趨勢。但對基塘系統的價值還有待深入研究，進一步挖掘基塘系統的利用價值，準確獲取基塘系統的空間分布現狀并監測其動態變化十分重要。本研究以佛山市為例，利用多時相Landsat系列遙感影像數據，采用最大似然法和面向對象圖像處理技術，提取得到基塘系統用地信息和分布特點，并運用GIS技術進一步分析研究區基塘系統的時空變化，探究基塘系統空間格局的演變規律。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

佛山市處于廣東省中南部、珠江三角洲腹地，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，珠江水系中的西江、北江及其支流貫穿全境，屬典型的三角洲河網地區（圖1，封三）。佛山市具有良好的地理條件，全市總面積3 868 km2，轄禪城、南海、順德、高明、三水5個行政區，水產養殖業發達，養殖品種多、周期長，形成了獨特的區域優勢，享有富饒的“魚米之鄉”美譽。

1.2 數據來源及預處理

本研究選用2000、2005、2010年TM影像數據和2015年TM8衛星遙感數據提取研究區基塘系統用地面積，空間分辨率為30 m×30 m，數據來源于美國地質勘探局（USGS），其影像質量較好。結合廣東省地圖冊2010年版、廣東省佛山市行政區劃圖2012年版、全國1∶25萬矢量邊界圖，其他輔助數據包括研究區野外調查數據和相關統計數據。

覆蓋研究區佛山市的基礎數據源由兩景遙感影像拼接而成，本研究先采用最臨近重采樣法對遙感影像進行鑲嵌處理，然后進行輻射校正和圖像三次卷積增強，再選擇GS（Gram-Schmidt）圖像融合方法，將TM8影像空間分辨率提高到15 m，完成幾何糾正預處理。最后經圖像不規則裁剪得到研究區處理后的影像數據。

1.3 研究方法

1.3.1 基塘用地遙感解譯方法 基塘用地類型與其他各類水體具有比較相似的光譜特征，依靠傳統的基于像元的分類方法很難準確提取［11-12］。通過目視解譯可以發現，影像中的基塘用地往往呈現出一定的魚鱗狀空間分布特征，而河流和溝渠等水體通常呈細長形的空間分布特征，因此本研究采用最大似然方法和面向對象方法，聯合空間關系、形狀、紋理等特征信息進行基塘系統用地的提取［13-14］。首先采用edge-based分割算法對預處理后的影像進行分割；然后基于光譜特征指數——歸一化水體指數（Normalize Difference Water Index，NDWI）［15］進行水體和陸地的劃分；最后根據分割后對象的空間特征，如面積大小、延長度等指數構建不同的規則，提取出線狀以及形狀不規則的面狀水域，將剩余部分初步判定為基塘用地。耕地、植被和城市用地采用監督分類的最大似然法來完成，結合外業勘察采集樣本以及目視判別的方法對分類結果進行檢驗，將錯分類的部分進行修改。

1.3.2 基塘系統演變分析方法 遙感動態變化監測是基于同一空間位置在不同年份的遙感圖像成像時存在的光譜特征差異，識別地物狀態或現象變化的過程［16］。土地利用動態度模型可以用來衡量土地利用類型在某一時期內動態變化的強烈程度。通過遙感方法獲取了研究區域4個時相的基塘系統的空間分布信息，并利用變化幅度和變化速率兩個指標來衡量和分析基塘系統用地的格局演變［17］。

變化幅度（P）是計算其他指標的基礎，反映土地利用/覆蓋隨時間變化的趨勢，其計算公式為：

式中，U1、U0分別代表研究區域某一種土地利用類型在研究時段初期和末期的面積。

變化速率（Q）是指研究區域內某種土地利用類型在研究時段內的年均變化指標，其計算公式為：

式中，T為研究時間段。

此外，區域土地利用的空間變化可以通過各用地類型重心坐標的空間變化來反映。重心坐標計算公式為：

式中，Xt、Yt分別為第t年某種土地利用/覆蓋類型的重心坐標，Sti為整個研究區第i個小區域單元該種土地類型的面積，X、Y分別為第i個區域單元的幾何重心坐標，n為研究區內小區域單元的數量。

2 結果與分析

2.1 基塘系統空間分布與精度檢驗

根據野外調查資料和不同地物在遙感影像上光譜特征的差異，建立解譯標志。采用監督分類方法和目視解譯法對研究區基塘系統4個時相的衛星遙感數據進行分類提取，結果見圖2。由圖2（封三）可知，2000—2015年佛山市基塘系統用地面積呈先逐漸增大后遞減的發展趨勢，主要集中在順德區，這主要是由于西江和北江兩大水系貫穿其中，為基塘系統的發展提供良好的地理條件。此外，在三水區東部、南海區北部、禪城區南部和高明區東北部，有一定范圍集中的基塘系統。對解譯結果進行野外核查和精度評定，隨機選取100個樣本點來評價分類結果，解譯精度均高于80%，說明解譯結果具有較高的可信度。

2.2 基塘系統動態變化分析

為了量化對基塘地物的空間變化特征，對基塘系統用地的變化幅度（P）和變化速率（Q）兩個指標進行對比分析。從表1可以看出，佛山市基塘系統用地單一動態變化在2000—2015年的變化幅度為-29.66%，變化速率為-5.93%，說明該時期基塘用地整體呈現減少趨勢較大。其中，2000—2005年的變化幅度和變化速率分別為1.62%和0.32%，說明該時期基塘系統用地為穩步增長的態勢；2005—2010年的變化幅度和變化速率分別為-15.11%和-3.02%，2010—2015年的變化幅度和變化速率為-17.67%和-3.53%，說明2005—2015年研究區基塘系統用地在快速減少，且2010—2015年減少幅度更大。

表1 佛山市各時期基塘系統用地動態變化特征（%）

進一步構建2000—2015年基塘用地的斑塊特征和斑塊指數，分析研究區基塘系統的空間格局演變特征。由表2可知，研究區基塘系統的斑塊數在2000—2015年先增加后減少，由2000年的15 862個增加至17 984個，至2015年減少到9 795個。由于工業化和城市化的驅動，城市擴展和工廠建設等侵占了大量的基塘用地，用城市景觀格局指數進一步加以分析，得到基塘斑塊形狀指數、破碎度指數從2000年的0.31、0.37下降到2015年的0.22、0.25，而聚合度指數則從85.63上升到92.31，表明佛山市在研究期內基塘系統用地的破碎度下降，從一定程度上反映出基塘用地進行整治規劃的結果，逐漸實現了集約化和規范化經營管理。

表2 佛山市各時期基塘系統用地斑塊特征及斑塊指數

2.3 基塘用地動態轉換分析

為進一步掌握基塘系統的格局演變規律，構建了2000—2015年的佛山市土地利用轉移矩陣（表3）。從表3可以看出，研究時段內，佛山市土地利用類型發生了巨大變化，主要表現為城市用地擴張較大，基塘系統用地面積減少近30%，并伴有嚴重的農田流失現象。將2000年和2015年基塘系統用地提取結果進行空間疊加，得到2000—2015年基塘系統用地增減變化的空間分布情況。從圖3（封三）可以看出，在此期間高明東北部、順德北部、禪城區及南海區基塘系統用地大面積減少，將減少區域的2015年TM8遙感數據進行進一步的土地利用分類，提取耕地、植被、建設用地及河流四大類別，發現2000—2015年減少的基塘系統用地主要轉變為建設用地，其次是耕地和植被。

表3 佛山市2000—2015年土地利用變化轉移矩陣

而此期間增加的基塘系統用地集中分布在順德區南部、高明區西部和三水區東北部區域，將2000年的研究區TM影像進行分類，提取耕地、植被、建設用地和河流四大類別。結果發現，2000—2015年增加的養殖用地主要來源于耕地，其次為植被和河流。可見，佛山市土地利用變化主要有4種轉換形式：耕地轉換為城市用地，耕地轉換為基塘系統，基塘系統轉換為城市用地，基塘系統轉換為耕地。耕地轉換為基塘系統的主要原因是基塘系統的經濟效率高于傳統農業種植的經濟效益，“廢田變塘”現象在佛山市普遍發生；基塘系統轉為城市用地的主要原因是隨著佛山市工業化和城市化進程加快，城市空間不斷向外擴展，導致較大范圍的“填塘造房”，加速了基塘系統的退化。

3 結論與討論

目前，珠江三角洲基塘系統已被列入城鎮規劃范圍之內，基塘系統從單一的生產功能向承擔更多的社會功能轉變，應深入挖掘基塘系統潛在的經濟、社會和生態價值，加強其應用推廣保護機制，使具有中國特色的傳統農業生態系統得以繼承和發揚［18-19］。基塘系統具有防汛和美化環境功能，將其溶入現代化生態城市建設之中，建設宜居宜業宜游的家園具有可行之處，如何更好地發揮基塘系統的生態功能，是現代化基塘系統的發展方向［20］。加強對基塘系統的深入研究，是促進珠江三角洲城鎮一體化服務的重要工作。本研究利用遙感和GIS技術得到了2000—2015年佛山市基塘系統的空間分布特點，監測了基塘系統的動態變化，并分析了其空間格局的演變特征。結果表明，研究區基塘系統的變化呈先有一定增長后快速減少的趨勢，增加的基塘系統用地集中分布在順德區南部、高明區西部和三水區東北部區域；基塘系統用地的破碎度下降，聚合度上升，說明研究區基塘系統正逐漸走向集約化和規范化，為佛山市基塘系統的進一步合理規劃和城鎮一體化發展提供參考依據。隨著佛山市工業化和城市化進程的加快，高明東北部、順德北部、禪城區及南海區基塘系統用地大面積減少，減少部分主要轉換為城市用地，并伴有嚴重的耕地流失現象。因此，在城市化發展進程中應重視土地資源規劃和利用的合理性，本研究結果對于實現長期動態監測珠江三角州基塘系統及其協調發展具有現實意義。

受遙感數據空間分辨率的限制，信息提取結果與實際存在偏差。因此，下一步將參考遙感數據的空間分辨率、數據處理方法等多方面的因素，選擇高分辨率影像數據或多源遙感數據精確地識別基塘面積，進而精確分析其空間格局演變規律。

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