基于GF-1和Landsat/TM遙感數據的達里諾爾自然保護區近10年景觀動態分析

彭秀清，銀 山,2，秦福瑩，王艷琦，郭連發

（1.內蒙古師范大學 地理科學學院；2.內蒙古師范大學 內蒙古自治區遙感與地理信息重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

1 引言

21世紀中國景觀生態學的發展進入了創新和獨立思考的階段，景觀生態學主要研究景觀類型的動態變化特征及生態過程和空間格局之間的相互作用[1-2].景觀格局是自然和人類雙重驅動作用下形成的，同時也是景觀生態學研究的重點和熱點[3]，而景觀指數是描述景觀格局和變化及其之間的聯系，也是研究景觀生態學的定量分析方法.目前國內外現有的景觀動態變化研究，學者大多采用RS和GIS與景觀指數相結合的手段進行定量和定性分析，顧麗[4]等、丁曉輝[5]等、周銳[6]等、段翰晨[7]等基于RS和GIS技術分別對濕地、城市、耕地、沙漠等景觀格局作了動態分析，在此基礎上國外學者通過建立景觀動態模型對景觀進行優化設計，如Swetnam RD[8]等、BettingerP[9].其優點是將景觀動態變化快速地分析出來，揭示其變化規律，并以科學的設計和規劃為調控手段，為景觀合理的規劃和管理提供依據[10-11].陳宏宇[12]等、關瑞芳[13]等分別對保護區2006、1995-2008年的景觀格局變化做了研究.縱觀對保護區的研究,對其景觀動態變化方面的研究很少.因此本文以達里諾爾自然保護區為研究區，在RS和GIS技術的支持下，選用2004年Landsat/TM和2014年GF-1影像，利用景觀指數定性分析其景觀特征及動態變化規律，以期為研究區景觀格局的合理調整及可持續發展提供決策支持.

2 數據與方法

2.1 研究區

達里諾爾國家級自然保護區位于內蒙古赤峰市克什克騰旗的西部（43°11'～43°27'N，116°22'～170°00'E），總面積119,413.55hm2，崗更諾爾湖位于保護區的東部，為淡水湖，研究區的總面積為12476.58hm2，它是一個以保護鳥類及其賴以生存的湖泊、河流、沼澤型濕地、草原、林地、沙地等多樣性的生態系統和火山遺跡、歷史文化古跡為主的綜合性自然保護區[14].其屬于溫帶大陸性季風氣候，冬夏溫差大，全年降水少，位于渾善達克沙地邊緣，環境條件惡劣，沙地的邊緣效應明顯.

2.2 數據來源與處理

本研究的基礎數據采用了2004年8月Landsat/TM影像和2014年8月的GF-1影像，Landsat/TM影像的分辨率為30m，無云遮蓋，清晰易解譯.在ArcGIS10.3中繪制研究區的范圍界線矢量圖，根據光譜特征信息，將landsat/TM影像采用4、3、2標準假彩色合成，用研究區的范圍界線對其進行裁剪，得到研究區的影像圖.GF-1影像的空間分辨率是2m，利用ENVI5.1對其進行正射較正、配準、融合、鑲嵌等預處理[15]，并采用4、3、2標準假彩色合成，最后對其裁剪得到研究區的影像圖.

2.3 景觀分類

根據《2008年全國遙感監測土地利用/覆蓋分類體系》并結合研究區土地利用的特點及遙感影像顏色、形狀、大小、紋理和研究區谷歌地圖的對比，將研究區劃分為一級景觀和二級景觀，一級景觀包括林地；草地；居民、建設用地；湖泊濕地；沙地，二級景觀包括有林地（21）、灌木叢（22）、疏林地（23）；高覆蓋草地（31）、中覆蓋草地（32）、低覆蓋草地（33）；居民點（52）、道路（53）；河渠（41）、湖泊濕地（42）、鹽堿地（63）、沼澤草甸（64）；沙地（61）.

2.4 動態度

采用動態度表征各個景觀的變化幅度和速度，用轉移矩陣分析地類間的相互轉移，以此來揭示研究區景觀變化的規律及特點[16].

動態度表達式：

其中：Ua、Ub分別為研究初期和末期某地類的面積，T為研究時段.

2.5 景觀格局指數

景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標[17].本文選取景觀類型和格局水平上的7個指標，包括斑塊密度(PD)、邊緣密度 (ED)、最大斑塊指數 (LPI)、面積加權分維數(FRAC_AM）；蔓延度指數(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI).并利用ArcGIS10.3將目視解譯的矢量數據轉化為GIRD柵格數據，然后在Fragstats4.2中計算景觀指數.

3 結果分析

3.1 景觀類型面積

對2期的遙感影像數據利用ArcGIS10.3進行目視解譯，得到土地利用/覆被類型的矢量圖，并通過實地考察、核實進行精度驗證，其解譯精度達到98.2%.草地、湖泊濕地、沼澤草甸為優勢景觀，占研究區總面積的79%以上，其他各類型景觀都以補丁狀分布在其內.2004年高覆蓋草地面積最大，為3879.82hm2，占研究區總面積的31.10%；湖泊濕地次之，占17.02%；有林地所占比重最小，僅占0.28%；其余的均在16.2%-0.41%之間.2014年中覆蓋草地面積最大，為5438.73hm2，占研究區總面積的43.61%；湖泊濕地次之，占17.73%；河渠面積最小，僅占0.06%；其余的均在0.10-12%之間.

表1 研究區2個期間的景觀類型面積及變化

3.2 景觀類型變化

從表1可知，2004-2014年高覆蓋草地、中覆蓋草地、疏林地、沙地、沼澤濕地變化幅度最大，中覆蓋草地、沙地呈增加趨勢，分別增加了3420.71hm2、716.78hm2，動態度分別為16.95%、14.85%，其余的都呈減少趨勢，高覆蓋草地減少最多，為2802.82hm2，動態度為7.22%，河渠、鹽堿灘的面積減少，分別減少了 80.63hm2、44.96hm2，居民點、道路變化幅度最小，分別增加了0.75hm2、8.1hm2，動態度分別為0.15%、0.62%.這些結果表明近10a景觀類型變化幅度較大，主要原因是近年來當地牧民過度放牧導致該區域草地覆蓋度降低，沙漠化增加.

由表2知，近10a高、中覆蓋草地轉換強度最大，高覆蓋草地凈轉出3076.20hm2，主要轉化為中覆蓋草地，為2655.50hm2，中覆蓋草地主要轉化為沙地，面積為228.55hm2，而灌木叢、疏林地主要轉化為中覆蓋草地和沙地，河渠和湖泊濕地主要轉化為沼澤濕地，而沼澤草甸主要轉化為中覆蓋草地，凈轉出307.40hm2，沙地出現逆轉，主要轉化為中覆蓋草地和灌木叢，但沙地面積凈轉入715.70hm2，面積增加，湖泊濕地面積增加，主要是和沼澤濕地之間的相互轉化，有林地、居民點、道路主要也是轉化為中覆蓋草地.總體來講，由于人為的破壞，生態環境在惡化，草地覆蓋度降低，沙漠化加劇.

表2 研究區2004—2014年景觀類型轉移矩陣 單位：hm2

3.3 景觀類型水平上的格局特征

從圖1可知，2004-2014年各景觀類型的斑塊密度除了湖泊濕地從0.18塊/hm2減小到0.17塊/hm2，其余的都有不同程度的增加，灌木叢、沙地變化幅度最大，分別增加了7.94、2.84塊/hm2，說明灌木叢、沙地破碎化程度加大，異質性增加；灌木叢、中覆蓋草地、沙地、沼澤濕地的邊緣密度指數，分別從 2004 年的 6.44、13.32、6.17、9.87m/hm2增加到2014 年的 56.06、67.84、44.06、11.68m/hm2，其他景觀都有小幅度的增加或減少，說明這四類景觀受人為因素的影響比較大，景觀的破碎化程度增加；中覆蓋草地的最大斑塊指數大幅度增加，說明受人類活動的影響大，湖泊濕地、沙地最大斑塊所占景觀面積的比例小幅度增加，其余的都在減少，說明斑塊趨于小型化發展，優勢景觀在增強；面積加權維數基本都在1～1.3之間，趨向于1，說明各景觀類型斑塊趨于規律化，幾何形狀趨近于簡單，受人為因素干擾大.總體上，各景觀要素之間斑塊密度、邊緣密度、最大斑塊指數、面積加權分維數表現出類似的特征，由于外界的干擾，景觀破碎化程度加重，景觀的異質性更加明顯.

圖1 2個時期景觀類型水平上景觀指數

3.4 景觀格局水平上的格局特征

2004～2014年蔓延度指數從56.37%增加到65.00%，增加了8.63%，說明景觀的團聚程度增加，景觀的連通度增大，香農多樣性、香農均度指數都減少，分別從1.94、0.76減少到1.66、0.65，分別減少了 0.28、0.11，而研究區內景觀類型的數量沒有減少，表明由于人為因素的干擾，異質性增加，各景觀類型間所占比例增大，均勻度降低形成了某種優勢景觀.

4 討論與結論

已有對達里諾爾自然保護區景觀動態變化的研究是在2008年之前，本文是研究近10a景觀動態變化，其景觀類型較全，處于季風邊緣氣候區，對氣候變化比較敏感，且又位于渾善達克沙地邊緣，沙地環境的邊緣效應顯著.已有研究表明[18]，近10a氣溫呈明顯的下降趨勢，而降水量呈上升趨勢，因此，湖泊濕地的面積增加，但高覆蓋草地、沼澤草甸的面積減少，而中覆蓋草地、沙地的面積增加，并且景觀破碎化程度加劇，異質性增加，多樣性、均勻度降低，這些主要是由于人為因素導致的，人們定居超載放牧對草原的過渡索取，自2000年以來旅游業的開發，游客對草原的踐踏破壞，降低了草地的覆蓋度，從而使草原的載流貯水能力降低，促進了沙漠化，加劇了生態環境的破壞[14].因此，應對景觀格局加大動態監測，以期為研究區景觀格局的合理調整及可持續發展提供決策支持.

在RS和GIS技術的支持下，將遙感數據和景觀指數相結合，分析研究區近10a的景觀動態變化，得出如下結論：

（1）研究區的主要景觀類型為草地、湖泊濕地、沼澤草甸，占研究區總面積的79%以上，其他各類型景觀都以補丁狀分布在其內.

（2）中覆蓋草地、湖泊濕地、居民點、道路、沙地的面積都呈增加趨勢，其余的景觀面積都呈減少趨勢，其中變化幅度最大的是中覆蓋草地，增加了3420.71hm2，動態度為16.95%，其次是高覆蓋草地，減少了2802.82hm2，動態度為-7.22%，居民點變化幅度最小，增加了0.75hm2；景觀類型的轉移主要是高覆蓋草地向中覆蓋草地、中覆蓋草地向沙地轉化、沼澤草甸向湖泊濕地轉化，草地退化，沙漠化面積增加.

（3）各類型景觀的斑塊密度、邊緣密度均增加，但最大斑塊指數減少，說明研究區景觀的破碎化程度增加，異質性增加，面積加權維數都在1～1.3之間，趨向于1，說明各類型景觀斑塊幾何形狀簡單趨于規律化；蔓延度指數在56～65%之間，說明研究區景觀團聚程度適中，多樣性、均勻度指數均較高，表明研究區整體景觀水平的多樣性較高，分布較均勻；2004～2014年灌木叢的斑塊密度和邊緣密度的變化幅度很大，可能原因是2014年是GF-1影像分辨率較高，灌木叢易辨認.