基于RS和GIS的木蘭縣生態格局時空變化研究

曲建光，李 剛，劉寶玲，戚余蓉，楊春雪

(1.黑龍江工程學院 測繪工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱學院 地理與旅游學院，黑龍江 哈爾濱 150086；3.黑龍江建筑職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

近年來世界各地自然災害頻發，加之人們生活水平有所提高，從原來以經濟建設為中心的發展態度逐漸向生態環境健康發展轉移，因此，對自然生態的關注度日益提高[1]。生態格局的變化不但影響著人們的日常生活，對社會的經濟、政治、文化以及自然界的各種資源循環都有極其重要的影響[2]。生態格局的改變更多的表現為土地利用/土地覆被(LUCC)的變化，國內外學者從不同角度對其進行了探討和研究[3]。王蕊[4]在對遼河三角洲地區的生態服務價值進行評估后，對土地利用變化引起的生態服務價值動態變化進行分析；蒙吉軍[5]等將最小累積阻力模型(MCR)引入土地利用生態安全格局的構建過程，并制作針對生態環境敏感而脆弱的鄂爾多斯的土地利用生態安全格局優化的方案及方案評價。

木蘭縣作為黑龍江省重要的農林生產基地，尋找其經濟生態雙贏的平衡點，對于黑龍江省的經濟、生態可持續發展有戰略性的指導意義。本文基于ENVI5.1和ArcGIS10.0兩款地理信息軟件，對研究區域的2006年、2012年和2017年三期遙感影像的生態格局動態變化進行分析，從生態格局轉變的原因入手，找到合理利用土地的發展方向，達到社會和自然資源的優化配置，實現二者健康發展的雙贏目的。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

木蘭縣地處黑龍江省中南部，松花江中游北岸，距省會城市哈爾濱128 km。東與通河縣相接，南與賓縣隔江相望，西與巴彥縣為鄰，北與慶安縣以青峰嶺分界北以慶安縣青峰嶺為分界。南北長77 km，東西寬60 km，總面積為3 600 km2。木蘭縣三面環山、一面臨水，為六山一水一草二分田的半山區，屬于農業縣份,是黑龍江省糧、林綜合產區之一。境內有豐富的自然資源和旅游資源，森林覆蓋率達57.9%。據第六次中國人口普查結果顯示，木蘭縣總人口(常住人口)為68.54萬人?？h轄6個鎮、2個鄉，分別為：木蘭鎮、東興鎮、大貴鎮、利東鎮、柳河鎮、新民鎮、建國鄉、吉興鄉。國有森工系統雙豐、興隆兩個林業局4個林場均在木蘭縣境內。境內大小河流共29條，均屬松花江水系。氣候屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度為1～3 ℃，年平均降雨量為596.2 mm，無霜期127 d。

1.2 土地利用時空變化分析

1.2.1 數據來源

本文從中國科學院遙感與數字地球研究所的網站(網址為：http://ids.ceode.ac.cn/)下載得到木蘭縣2006年、2012年和2017年三期的Landsat8遙感影像數據，如圖1所示。

圖1 木蘭縣2006年、2012年和2017年Landsat8遙感影像數據

1.2.2 數據預處理

首先使用ENVI5.1對木蘭縣2006年、2012年和2017年三期的Landsat8遙感影像數據進行預處理。為了保證精度，在實地考察和Google Earth 影像的基礎上對遙感影像進行剪裁。然后對研究區域進行輻射定標，確定校正模型，完成大氣校正。最后進行影像幾何校正后，通過人機交互式目視解譯的方式提取地物信息。

采用全國生態環境10年變化(2000—2010年)調查評估的遙感分類方法和分類系統，結合木蘭縣生態系統現狀特征，進行遙感解譯，獲取2006年、2012年、2017年三期生態系統分類數據。由分類樣本的色調、紋理等圖像特征來判別地物。TM遙感影像的432波段標準假彩色合成分類特征是：水域(色調呈暗藍色，紋理變化較小)；植被(色調呈現紅色)；耕地(色調呈靛青色，紋理變化明顯)；住宅(色調呈現白色，通常與道路相連)[6]。因此，可以確定木蘭縣生態系統分為森林生態系統、農田生態系統、城市生態系統、濕地生態系統、灌叢生態系統、草地生態系統和裸地生態系統共7個生態系統。使用ROI Tool選擇興趣區，分別為每類地物選擇興趣區。關于ROI的質量評價，可以采用定量的評價方式，計算各個地物樣本的可分離度，將分離度較低的不理想的樣本逐一刪除并重新取樣。該過程需要反復進行，直到成果精度達到標準。然后，實施監督分類，在監督分類方法中選擇最大似然法，對分類結果進行評價，而后輸出TIF格式的數據文件，空間分辨率為30 m，其中包括一個15 m的全色波段，如圖2所示。

圖2 基于ENVI5.1的遙感影像解譯流程

最后，將分類后的TIF文件用ArcGIS10.0打開，使用轉換工具將TIF轉換為shape文件。shape文件生成后，進行微小圖斑擦除和拐點抽稀操作，形成界線相對平滑的面狀圖斑。再通過與遙感影像疊加，對地塊面狀圖斑進行簡單修正，剔除明顯柵格化的方形邊界拐點，形成清晰明確的地類分界線。矢量結果的空間分辨率與Landset8的空間同為30 m，可以按照需要進行最大1∶1萬的比例出圖，如圖3所示。最后用ArcGIS的數理統計功能，分別統計計算出2006年(基準年)、2012年(參照年)和2017年(現狀年)三期的各類生態系統面積(見表1)。再利用ArcGIS10.0的空間疊加分析功能計算出2006—2012年和2012—2017年的生態格局變化數據，并以此為依據制作出土地利用類型變化面積轉移矩陣和變化率轉移矩陣，見表2—表5。

圖3 木蘭縣2006年、2012年和2017年生態系統空間分布格局

km2

1.3 生態景觀格局分析

生態格局的變換更多表現為土地利用的類型或位置發生改變，因此本文選取土地利用動態度和土地利用類型變化矩陣來定量描述研究期內木蘭縣生態格局變化趨勢。

1.3.1 土地利用動態度

土地利用是人類在生產生活中為了獲取一定的經濟或者社會效益而對土地自然屬性加以改變的生產活動大小[3,6]，算式為：

式中：PL為土地利用動態度；Sa、Sb分別為土地利用類型變化的初期和末期時的土地面積；T是研究時間的長短。假如T為年時，PL則為土地利用類型年變化率，具體計算結果見表2。

表2 2006年、2012年和2017年土地利用動態度 %

1.3.2 土地利用類型變化面積轉移矩陣

該矩陣可定量描述不同土地利用類型間的流轉方向和數量，因此是研究生態系統格局變化的常用方法[8-9]。而土地利用類型變化率轉移矩陣則是土地利用類型變化面積轉移矩陣的衍生體[10]。該矩陣可以直觀的反映出研究期內某種土地利用類型的變化程度，如表3、表4所示。

表3 2006—2012年土地利用類型變化面積轉移矩陣 km2

表4 2012—2017年土地利用類型變化面積轉移矩陣 km2

2 格局變化分析

2.1 生態系統類型與分布

基于上述數據處理結果顯示，2006—2017年12年間生態系統類型并未發生改變，主要為森林生態系統、農田生態系統、城鎮生態系統、草地生態系統、濕地生態系統、灌叢生態系統和裸地生態系統。其中，農田生態系統和森林生態系統約占整個木蘭縣土地利用的80%以上。2012年與2006年相比，各類生態系統占全縣生態系統比例相比分別變化：-0.8%、-3.6%、3.3%、-2.2%、2.6%、0.3%、0.3%；2017年和2012年相比，變化：-2.3%、3.2%、2.4%、0.9%、-2.8%、0.4%、-1.8%。由此可知，10年間，森林生態系統面積呈現整體下降趨勢，年均減少速度為0.7%，且2012—2017年減少幅度比2006—2012年減少幅度大；農田生態系統呈現先減少后增加的態勢，且幅度大體相當，年均減少0.1%；城鎮生態系統整體呈上升趨勢，但后期上升趨勢變緩，年均增加14.8%；草地生態系統呈先減少后增加，但增幅不大，年均減少2.6%；濕地生態系統呈現先增加后減少的趨勢，年均減少0.9%；灌叢生態系統整體呈現上升趨勢漲幅基本持平，年均增加3.4%；裸地生態系統為先增加后減少，且下降幅度明顯大于前期上漲幅度，年均減少9.3%，如表5所示。

森林生態系統是12年來保持木蘭縣面積最大的生態系統類型，2017年面積為1 392.6 km2，占全縣面積的43.9%，主要分布在木蘭縣的東興鎮、建國鄉、大貴鎮和柳河鎮。農田生態系統為木蘭縣第二大陸地生態系統，2017年面積1 213.9 km2，占全縣總面積的38.3%，主要分布在大貴鎮、東興鎮、柳河鎮、新民鎮、建國鄉。城鎮生態系統包括城鎮建設用地、工礦用地、農村居民地等，2017年面積為301.1 km2，主要分布在東興鎮、大貴鎮、柳河鎮、建國鄉。2017年草地生態系統面積為116.4 km2，占全縣總面積的3.7%，主要分布在木蘭縣的東興鎮、大貴鎮和建國鄉。灌叢生態系統2017年面積為93.2 km2，占全縣總面積的2.9%，主要分布在大貴鎮、建國鄉、東興鎮。裸地生態系統2017年面積為3.3 km2，占全縣總面積的0.1%，主要分布在建國鄉。濕地生態系統2017年面積為50.9 km2，占全縣總面積的1.6%，主要分布在東興鎮、建國鄉、柳河鎮。

2.2 生態系統變化特征

由表1可知，12年間木蘭縣各生態系統的面積發生一定程度的變化。特征如下：

1)森林生態系統面積整體減少97.7 km2，主要分布在東興鎮東北、建國鄉等地，在木蘭縣生態系統格局中，森林生態系統變化最大，面積減少最多，減少速度越來越快；

2)農田生態系統面積呈現前6年減少，后6年增加，整體減少13.5 km2，約占總農田生態系統面積的1.1%。先減少后增加的情況主要分布在柳河鎮南部、東興鎮西南部，最終減少的農田生態系統面積分布在建國鄉中部、大貴鎮西部等；

3)城鎮生態系統是面積增加最多的生態系統，12年間總體增加179.9 km2，增加近1.5倍，但增加速度呈現放緩趨勢。主要占地類型是林地、草地、裸地和濕地。主要分布在木蘭鎮、吉興鄉、建國鄉以及東興鎮周邊等地；

4)草地生態系統同農田生態系統呈現類似的特征，都出現先減少后增加，整體減少的情況。但增加幅度不到減少面積的一半，總體減少41.0 km2，占基期面積的26%。減少部分主要分布在東興鎮西南部、大貴鎮西部、以及建國鄉和利東鎮等地。呈現出減少速度快，但是恢復效果不明顯的特點；

5)灌叢生態系統始終穩定增加，平均每年2.35 km2，總體增加23.5km2，增加部分主要分布在新民鎮、建國鄉、大貴鎮西部等地。且增加分布來看，有人類行為意愿的特征；

6)裸地生態系統是城鎮生態系統主要的來源之一，總體減少46.1 km2，只剩3.3 km2，減少近94%。但10年間表現出先增加后減少的趨勢，且主要是近5年在減少。變化區域有東興鎮西南部、建國鄉西南部、大貴鎮中部等地；

7)濕地生態系統呈現出前6年增加與后6年減少幾乎一樣的特征，主要是對濕地生態系統的先退耕還濕，效果不明顯后，再進行復墾的原因。變化面積約88 km2，分布在東興鎮西北部、柳河鎮南部、吉興鄉南部等。但原有濕地生態系統得以保留，總體減少5.0 km2，占基期年面積的9%?？傮w呈現出生態系統逐漸恢復向好的特征，其中恢復過程中人類行為干預特征比較明顯。主要變化為其他生態系統向城鎮生態系統轉變，農業生態系統保持穩定。

2.3 生態格局空間變化趨勢分析

根據土地利用類型變化情況構建2006—2012年和2012—2017年土地利用類型變化率轉移矩陣，其中數值越大表示變化越穩定，如表6和表7所示。

具體空間變化特征如下：

1)森林和農田基本保持不變，穩定性基本都大于80%；

2)裸地的變化最為劇烈，同時都是向農田生態系統和城鎮生態系統轉變，說明人為活動干預較大，這與此時間段的經濟建設和宏觀調控密不可分；

3)城鎮用地量增加最大，主要來源于森林、裸地、草地和濕地等，其中森林就近變化為城鎮用地的量最大，占總變化量的48%。裸地幾乎都轉化為建設用地；

4)除城鎮生態系統外，其它主要生態系統均以農田生態系統為轉換核心，轉換的生態系統主要集中在農田、森林、草地、濕地四大生態系統方面，這四大生態系統約占縣域面積的90%左右；

5)生態系統間相互轉換強度最大的是城鎮與農田，其次為草地與農田。

2.4 生態系統存在的問題與解決對策

1)由于農民把部分的森林、草地開墾成耕地，導致森林、草地和濕地面積減少，造成水土流失、草地三化等生態問題。同時，農田面積增加也將加劇農業資源的污染和水質污染。濕地面積減少也將

表7 2012—2017年土地利用類型變化率轉移矩陣 %

導致濕地持續萎縮，濕地涵養水源、凈化水質、調節氣候等生態系統功能降低，生態質量下降，影響人類及家畜的健康安全。

2)木蘭縣森林生態系統處于小興安嶺南部邊緣地帶，相對應的保護措施和管理措施會比較薄弱。森林生態系統面積減少會削弱洪水調蓄、生物多樣性保護等生態服務功能，對森林生態系統構成安全隱患。

3)隨著社會經濟發展，住房需求量占用城鎮周邊農田，環境污染問題隨之而生，大量生活垃圾、廢棄物和污染氣體，對周邊農田和森林生態系統有持續性的危害作用。

當地政府應制定相應政策。要針對其林地特點，加強生態服務功能的保護和管理工作。對不適合進行耕作的土地實施科學、有序的退耕還林、還草、還水等過程[7]。在草原、濕地等生態環境敏感區域加強宏觀調控管理，建立生態屏障用以保持水源涵養和水質安全，嚴格控制城鎮化建設擴張式土地占用方式。政府應嚴厲打擊違法占地，對空心村等閑置的農用建設用地要及時回收，改變農村房屋布局分散、規模小、數量多的現象，提高農用地的利用率[8]。要合理規劃布局新增建設用地，以集約節約為土地利用開發準則，實現經濟效益的提高。

3 結 論

本文用ENVI5.1軟件處理2006、2012和2017年三期遙感影像數據后，獲得研究區域的生態系統的土地類型，然后通過ArcGIS10.0軟件對獲取數據進行空間疊加分析，并統計面積，得出土地利用類型變化面積轉移矩陣和變化率矩陣。由上述結果可以得到以下結論：12年間地類圖斑破碎程度呈整體增加趨勢，土地利用動態度尤以城鎮生態系統和濕地生態系統變化較大，說明人為干預較多，城市化進程加快，建設用地增加。從土地利用類型變化面積轉移矩陣可以看出土地利用方向主要是城鎮生態系統、農田生態系統和森林生態系統之間的轉化。其中農田生態系統是城鎮生態系統的主要轉入生態系統。然而為了減少糧食安全問題，毀林開荒，又導致了森林生態系統流向了農田生態系統。由于國家對建設用地的調控，因此城鎮生態系統從年增加17.2%，降低到年增加6.7%，增長速度明顯放緩。而農田生態系統由年減少1.9%到年增加1.8%，則體現出耕地占補平衡的保護政策效果顯著。本文建議在保證木蘭縣生態環境安全的前提下，整合多學科，融合多源數據，構建生態安全格局的耦合途徑[10]，讓生態服務功能發揮最大價值，滿足社會發展需求，必會成為一種新型發展趨勢。