黃河三角洲河道演變與景觀格局分析

畢京銳，付 俊

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

自20世紀末期以來，隨著我國沿海環境的變化，現代黃河三角洲出現河道侵蝕加快等一系列問題。因此黃河三角洲的入海河道變化具有學術研究價值。研究黃河三角洲河道演變規律可以分析出周邊生態環境、資源利用等一些比較不容易把控、人為操縱不合理的問題[1]。除了研究黃河三角洲河道演變以外，景觀格局也具有非常高的學術研究價值，景觀格局與河道演變、降水量、地形等要素息息相關。通過分析河道演變規律以及河道周圍的景觀格局，建立兩者之間的聯系，得出河道演變對景觀格局的影響規律。

近十幾年來，資源問題已經成為人類不可回避的問題，包括資源浪費、資源短缺等。不合理的資源利用進一步加深資源環境的短缺與惡化程度。隨著樹木的大量砍伐，沙漠化程度加深，沿海環境也在一定程度上受到了影響，黃河三角洲也出現了河道侵蝕加快、泥沙供應不足等問題[2，3]。將河道演變規律與景觀格局變化規律綜合分析，可以找出問題所在，找到保護黃河三角洲更加有效徹底的方法，對資源保護、黃河三角洲的可持續發展有著重要意義[4]。

2 研究區位置確定與選擇

黃河三角洲為我國的第二大三角洲，僅次于長江三角洲，面積為5450 km2，主要包括包括東營和濱州市轄區以及其周邊地區。目前，黃河三角洲為我國的重要糧食生產基地，有著不可撼動的地位。此外，黃河三角洲地區內豐富的自然資源使得其成為了我國的重要能源基地。因此，研究黃河三角洲地區河道演變規律對我國經濟發展有著重要意義[5～7]。

黃河三角洲是我國最后一個有待開發的三角洲。據統計，入海水道平均約8年改道一次。黃河入海口于1976年5月形成。三角洲位于地殼長期下沉區，第三紀即有石油形成[2]。研究黃河三角洲河道演變規律可以分析出周邊生態環境、資源利用等一些比較不容易把控、人為操縱不合理的問題。研究區位置圖如圖1所示。

圖1 研究區位置

3 研究方案與技術路線

3.1 研究方案

首先，需要下載遙感影像，本文所研究的數據來自于中科院地球與數字共享中心，然后將下載之后的遙感影像進行預處理操作，預處理過程包括影響配準、輻射定標與大氣校正3個過程，其次，結合Arc GIS，在其中提取河流矢量數據。對于景觀格局的分析，在ENVI中通過最大似然法對遙感影像進行監督分類，通過對比分析即可得出近20年間的河道演變規律以及景觀格局分布規律。

3.2 技術路線

本文的技術路線大致分為兩條，河道演變和景觀格局。其中河道演變的分析是通過ArcGIS矢量化得到基礎的河道矢量圖，從而得到河道水流量等信息；而景觀格局是通過ENVI軟件，以監督分類的方式實現土地利用類型的分類。本文將遙感與地理信息相結合，實現了對河道演變與景觀格局二者綜合演變規律的分析(圖2)。

圖2 技術路線

4 數據源及數據處理

4.1 遙感影像數據獲取

在中國科學院遙感與數字研究所中分別選取Landsat7 ETM+ 2002年、Landsat5 TM 2010年、Landsat8 OLI 2019年三期遙感影像，經緯度位于118°15′～119°43′E、37°10′～38°19′N(表1)。

4.2 數據預處理

本文使用的遙感影像數據全部為Landsat遙感影像數據，其中獲取數據的傳感器包括三種，三種傳感器獲取的遙感影像的波段信息也不同。

Landsat TM(ETM+)7個波段可以組合很多RGB方案用于不同地物的解譯，Landsat8的OLI陸地成像儀包括9個波段(表2、表3)，可以組合更多的RGB方案[8]。

5 黃河三角洲河道演變分析

本文通過裁剪之后的遙感影像獲取了河流的矢量化文件，首先在ENVI軟件中對遙感影像進行了預處理。預處理之后的遙感影像另存為TIFF格式然后加載到Arc map里進行矢量化，分別得到了三年的河道面矢量文件，并且將矢量化河道面輸出成為地圖，如圖3所示。

由圖3所見，黃河三角洲入海處的河道20年間有著明顯的改道現象，20年間在經緯度為119°12′20.685″E,37°46′22.353″N的一號位置處改道明顯，其中2002年至2010年九年間在該點處有著明顯的北移現象，2010年至2019年十年間在該點沒有明顯的變化。在經緯度為119°8′42.172″E，37°45′42.531″N的二號點處變化也較為明顯，其中2002年至2010年河道在該點有著明顯的向東改道的現象，而2010年至2019年變化更為明顯，2019年在該點處向西繼續形成支流，最終形成江心洲。在2002年黃河河道的水流量明顯少于2010年與2019年，有些地方甚至出現斷流現象。經過進一步分析發現，在20年間河道有明顯北移現象，河流水流量有著較大的差異。2019年的流路面積約為51.56 km2，2010年的流路面積約為55.40 km2，2002年的流路面積約為23.69 km2。從數據上來看，2002～2010年

表1 遙感影像概況

表2 landsatTM波段組成

表3 OLI波段組成

圖3 河道矢量圖

八年間河流流路有著非常巨大的變化，2010年的黃河流量為2002年黃河流量的兩倍之多。2010年至2019年九年間河流沒有很明顯的變化。

黃河總取水量是指黃河的總耗水量與流域外黃河地表水取水量之和，可以很好的反映出黃河流路水流量的變化。每年的《黃河水資源公報》中都有對黃河總取水量的記錄，由于一些保密性原因，只在官網找到了2002年至2012年十年的總取水量，總體趨勢如圖4所示。

圖4 河道總取水量

6 黃河三角洲土地利用景觀格局分析

6.1 土地利用景觀格局概述

土地利用與景觀格局是兩個完全不同的概念，但兩者進一步延伸卻有交叉之處，土地是地球表面的一部分，地球表面分為陸地和海洋兩種形態。狹義的土地指的是陸地部分，土地規劃學者認為，土地是指地球陸地表層，它是自然歷史的產物，是由土壤、植被、地表水以及表層的巖石和地下水等眾多要素組成的自然綜合體；地理學者認為，土地是地理環境中互相聯系的各自然地理成分所組成，包括人類活動影響在內的自然地域綜合體。景觀是指在某一區域內產生的視覺上的效果，反映的是土地及土地上的空間和物質所構成的綜合體。因此，“土地利用”與“景觀格局”看似不同實則有著密不可分的聯系[10～12]。

6.2 遙感影像解譯方法

本文以2002年、2010年、2019年三年遙感影像為基礎，對影像進行輻射定標、大氣校正、圖像增強預處理等操作[8]。后根據東營市區域內黃河三角洲地區的土壤、地形等自然因素和國家土地利用標準對所研究區域進行分類。運用監督分類法的最大似然法進行分類，最大似然法是一種原理簡單、操作方便的分類方法，但此方法也有一定的局限性，主要缺點是沒有考慮不同類別內部方差的差別，使得分類結果在邊界上會有一些重復，因其分類誤差。由于其簡便可操作，本文將訓練場分為旱地、林地、鹽堿地、水塘、淺海灘涂、沼澤濕地、水產池塘、河流、海洋、鹽田、建設用地(分為居民區和建筑用地)13種類型(表4)。

6.4 植被覆蓋

植被覆蓋是在NDVI的基礎上得到的圖，由于2019年影像采集的時間為2月份，因此僅僅憑借監督分類無法得到客觀的結果。本文利用在ENVI裁剪之后的影像，首先在ENVI中利用NDVI工具得到NDVI圖，然后利用-1>=band1=<1公式得到NDVI消除異常值，緊接著再利用(b1 gt 0.7)*1+(b1 lt 0.05)*0+(b1 ge 0.05 and b1 le 0.7)*((b1-0.05)/(0.7-0.05)最終得到2019植被覆蓋分布圖，見圖8。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

NIR為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。

NDVI指數主要反映農作物的長勢情況以及其營養信息，根據該參數，可以得到植被在不同季節對氮的需求量，主要用來檢測植物的生長狀態、植被覆蓋度，在一定程度上還可以消除輻射誤差。NDVI是最常用的植被指數，NDVI在一定程度上可以消除遙感影像中與儀器定標、云陰影、太陽角、大氣條件有關的輻射度的變化。

表4 解譯標志

6.3 分類結果

分類結果見圖5～圖7、表5、表6。

圖5 2019年分類結果

圖6 2010年分類結果

圖7 2002年分類結果

表5 分類精度評定

精度指標2002年2010年2019年Kappa系數0.84510.82930.8916

表6 2000年、2010年、2019年各土地利用類型的面積及所占比例 km2

植被覆蓋則是在NDVI的基礎上獲得的可以直接反映植被分布范圍的圖，可以去掉季節等客觀條件對植被分布的影像，是影像圖中植被的分布具有很強的說服力。恰巧由于本文所選取的影像受季節的影響比較大，植被覆蓋圖正好可以解決此問題。圖8中的顏色由淺至深變化，深色代表植被，顏色越深代表植被越茂盛，長勢越好。

圖8 2019年植被覆蓋

7 結論

7.1 景觀格局動態變化

通過對三年景觀格局變化的動態分析，在圖9中可以明顯看出，2002～2010年裸地沼澤面積明顯減少，植被面積增多，2010年裸地面積比2002年減少了516.94 km2，植被面積比2002年增加了1057.22 km2，鹽堿地面積比2002年減少8.95 km2，居民地面積比2002年減少103.1 km2，淺海灘涂面積比2002年減少156.37 km2，沼澤濕地面積比2002年減少53.27 km2，水產池塘面積比2002年增加66.61 km2，鹽田面積比2002年減少96.57 km2，河流面積比2002年減少55.46 km2，海洋面積比2002年減少47.49 km2，建筑用地面積比2002年增加317.11 km2，水塘面積比2002年減少404.76 km2?？傮w來看，2002～2010年8年間建設用地(包括居民地與建筑用地)整體增加趨勢明顯。河流與海洋都是呈現面積下降的趨勢。植被面積增加明顯。說明在城市化的進程中，隨著建設用地面積的增加人們還具有一定的環保意識，懂得植樹造林，綠色協調可持續的發展，鹽堿地、裸地與沼澤濕地的減少同樣也能說明該種問題[7]。

另外，在2010～2019年9年間也有著非常明顯的變化。通過監督分類之后轉成的矢量數據來看，植被面積有著明顯的減少，建設用地面積有著明顯的增加。通過數據具體表現為旱地(裸地)面積比2010年減少232.27 km2，植被數量比2010年減少2020.31 km2，造成此類變化的原因有兩方面，一是環境破壞嚴重，土地沙漠化現象明顯，二是遙感影像獲取時間的影響，由于現在的時間段只能獲得4月份之前的比較清晰的遙感影像，因此2019年遙感影像的時間為2月24日，此時影像的土地覆蓋率遠達不到9月份的植被覆蓋率，恰巧另外兩幅遙感影像的獲取時間均為9月份，因此，植被覆蓋率的變化沒有很強的參考價值，但是河流、沼澤濕地等的面積不會受到該客觀因素的影響。居民地面積比2010年增加了811.66 km2，淺海灘涂面積比2010年增加了256.49 km2，水產池塘面積比2010年增加了439.94 km2，河流面積比2010年減少了6.55 km2，海洋面積比2010年減少了76.81 km2，建筑用地面積比2010年增加了303.54 km2，水塘面積比2010年減少了62.75 km2。

圖9 景觀格局類型變化趨勢

7.2 景觀格局與黃河三角洲河道演變關系

宏觀方面：土地利用景觀格局的形式從沿海區域開始向內陸演變呈現一定的規律，最外環為海洋、向內依次為是淺海灘涂、灘涂、水產濕地、鹽田、旱地、沼澤濕地、植被、建設用地[13～15]。

微觀方面：監督分類結果圖顯示，在河流改道點附近，景觀格局分布類型為沼澤濕地，越接近河道入?？谄渚坝^類型則變為了淺海灘涂，在遠離入?？谔幒拥乐車木坝^格局類型為林地居多。建設用地等也均勻分布在河道兩側，但是較林地來說距離河道較遠。

由此可以看出土地利用景觀格局的分布與黃河三角洲河道緊密相關，整體呈現依水分布的形式[18]。