基于土地利用變化的1987-2017年膠州灣潮灘濕地時空特征及成因分析

王志成, 高志強

(1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所, 山東 煙臺 264003; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

潮灘濕地連接著海洋和陸地，是海洋和陸地之間的過渡地帶，是海洋和陸地進行物質交換的重要平臺[1]，也是全球“藍碳”的重要組成部分之一[2]，此外，潮灘濕地也擁有著豐富的生態資源，可以為鳥類提供棲息地，為兩棲動物提供繁殖地[3]。隨著我國改革開放后經濟的不斷發展，沿海潮灘濕地面積不斷減少，利用遙感技術監測潮灘濕地已成為學者的研究熱點，蘇岫等[4]構建了生態承載力評價體系并對長江經濟帶附近的灘涂生態承載力進行評估；張媛媛等[5]利用遙感水邊線最外邊界方法對2009—2017年的江蘇近岸潮灘進行提取并進行變化分析；彭小家等[6]基于遙感數據對樂清灣海岸線進行提取并計算了灘涂的轉化規律，分析了海岸線和海岸濕地變化的驅動力；楊慧等[7]利用三期遙感數據并通過相同潮位對比分析法對膠州灣30 a的潮間帶面積變化以及質心的時空分布進行分析；王小丹等[8]利用相同潮位分析法對曹妃甸地區潮間帶的演變特征進行了分析；Yagoub等[9]通過多時相Landsat衛星數據評估和量化了阿拉伯聯合酋長國首都阿布扎比市海岸帶的土地利用變化情況；Misra等[10]通過遙感數據對印度Gujarat南部地區1990—2014年的土地利用變化情況以及潮灘濕地變化情況進行了研究分析。然而，很少有學者從土地利用變化的角度對近30 a膠州灣潮灘濕地的時空特征以及成因進行研究，因此本文采用面向對象分類的方法對遙感數據進行分類以得到膠州灣周邊地區近30 a的土地利用變化信息，隨后利用潮位校正模型對土地利用類型中的裸潮灘進行校正以得到真正的潮灘濕地空間分布范圍，最后基于土地利用變化信息，分析膠州灣潮灘濕地的時空特征及其成因。本文可為膠州灣潮灘濕地的可持續開發與管理提供數據與技術參考。

1 研究區概況

研究區為膠州灣及其周邊地區，位于山東省膠東半島的南部，經緯度范圍分別為119°51′—120°47′E，35°42′—36°29′N，面積約為7 287 km2。其行政區包括青島市區、黃島區、膠南市、膠州市以及即墨區。氣候為溫帶季風性氣候，一年中的最低溫度為-6℃，最高氣溫為29℃。地勢南高北低。研究區內的主要土地利用類型為耕地、建設用地以及林地，而潮灘濕地面積較小。我國實行改革開放政策后，研究區內的人口數量迅速增長、經濟快速發展，土地利用與覆被格局發生了劇烈變化，陸地邊界不斷向膠州灣內部推進，造成潮灘濕地不斷變化。因此有必要從土地利用變化的角度對研究區近30 a的潮灘濕地變化狀況進行研究。

2 研究方法

2.1 數據來源

研究所用數據分為潮汐數據和遙感數據，潮汐數據從海事服務網獲取得到，海事服務網的網址為：https:∥www.cnss.com.cn/tide/。

遙感數據為Landsat TM/ETM+/OLI數據，數據均從地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn)下載獲得，為Level1T地形矯正影像。空間分辨率為30 m，數據的云量小于5%，時間覆蓋范圍為1987—2017年，且影像成像時間為每年的10—11月份，時間間隔為6 a。

2.2 土地利用變化信息與潮灘上邊界提取

由于面向對象的分類方法克服了傳統基于像元分類方法“椒鹽效應”的缺點，并且能夠充分利用空間信息(如：對象之間的空間位置關系、紋理結構等)，因此數據預處理(輻射定標、大氣校正以及研究區裁剪)完畢后，利用eCognition 9.0軟件對影像進行多尺度分割以產生影像對象，采用面向對象的方法對影像進行分類，將遙感影像中的地物所對應的土地利用類型分為耕地、建設用地、草地、林地、裸潮灘、道路、裸地以及內陸水域。分類完畢后，利用updating和backdating方法對分類結果進行修正[11]，同時對裸潮灘上邊界進行目視檢查和人工修正[12]，最后對分類結果進行精度評價[13]，分類結果的總體精度大于84%，滿足后續研究分析的精度要求。此時，土地利用類型中的裸潮灘的上邊界即為本研究所要提取的潮灘濕地上邊界。而裸潮灘的下邊界只是衛星成像時刻的瞬時邊界，并非本文所需的潮灘濕地下邊界，因此需要進一步對潮灘濕地的下邊界進行提取。

2.3 潮灘濕地下邊界提取

式中：LAB，LBE，LAF，LBC，LCD分別為線段AB，BE，AF，BC，CD對應的長度。其中，水邊線與相鄰水邊線之間的距離LBC通過ArcGIS軟件中的量測工具獲得，通過查詢潮汐表獲得每1年前50名最低潮高，并將其求平均獲得平均低潮位線對應的潮位高度LAF，而水邊線或瞬時水邊線對應的潮位高LBE，LCD則通過實時水邊線潮位高程計算公式[14]獲得。LAB計算完畢后，通過ArcGIS中的Buffer工具生成緩沖區得到潮灘濕地的下邊界。

圖1 潮位校正模型[15]

由于潮灘濕地的下邊界受到人類活動的影響小，主要受到自然因素的影響，因此本文認為通過計算獲得的潮灘濕地下邊界在空間分布上應趨于一致。而2017年2月11日獲取的數據所對應的瞬時潮高為3 cm，該年的平均低潮位為-1.66 cm，二者極其接近，通過計算得到2017年2月11日的LAB為55 m，本文以2017年計算得到的潮灘濕地下邊界為基準，對其他時間的潮灘濕地下邊界進行校正。

2.4 圍填海信息提取

通過ArcGIS軟件中的疊加分析工具，對相鄰時期的潮灘濕地的矢量數據以及土地利用變化數據進行疊加分析，得到導致膠州灣近30 a潮灘濕地發生變化的圍填海信息。對圍填海之后的各土地利用類型面積進行統計，得到圍填海土地利用結構信息。

3 結果與分析

3.1 近30 a膠州灣周邊土地利用變化

膠州灣及其周邊地區近30 a來的土地利用變化情況見表1，土地利用類型的空間分布見圖2，主要表現為：耕地面積不斷減少，由1987年的36.63%減少到2017年的17.10%，面積總共減少了1 422.63 km2；建設用地面積不斷增加，由1987年的7.16%增加到2017年的19.84%，面積總共增加了924.49 km2；道路面積不斷增加，由1987年的0.04%增加到2017年的1.25%，面積總共增加了88.37 km2；草地以及內陸水域的面積呈現“減少—增加—減少”的變化趨勢；林地面積呈現出“增加—減少—增加”的趨勢；裸地面積則呈現出“減少—增加”的趨勢。由于裸潮灘為衛星成像時刻的潮灘，并非實際潮灘濕地，因此在此處不予討論，將在下文進行討論分析。

表1 研究區1987-2017年土地利用類型面積及占比

3.2 近30 a膠州灣潮灘濕地時空特征分析

對潮灘濕地下邊界校正完畢后，利用ArcGIS軟件制作潮灘濕地的空間分布圖(圖3—4)、統計近30 a潮灘濕地的面積(圖5)以及潮灘濕地上邊界的平均推進速度(圖6)。

圖2 1987-2017年研究區土地利用類型的空間分布

1987年膠州灣的潮灘濕地面積最多，高達122.27 km2，該年的潮灘濕地分布廣泛，集中分布于膠州灣的西岸、北岸以及唐島灣沿岸；1993年與1999年的潮灘濕地面積分別為104.03，102.73 km2，這兩年的潮灘濕地空間分布范圍大致相同，集中分布于膠州灣的北岸以及唐島灣沿岸，有少量的潮灘濕地分布于膠州灣西岸；2005年與2011年的潮灘濕地面積分別為94.73，89.09 km2，主要集中分布于膠州灣北岸以及唐島灣沿岸，而膠州灣西岸的分布范圍變小；2017年潮灘濕地面積最少，為85.31 km2，主要集中分布在膠州灣北岸以及唐島灣沿岸。

潮灘濕地上邊界在1987—2017年30 a間向膠州灣內部推進，且近30 a的平均推進速度呈現出“減慢—加快—減慢”的趨勢，1987—1993年的平均推進速度最快，約為42 m/a，而該時間段的青島墨水河入海口處以及前灣港處的推進速度最快，為120 m/a；1993—1999年的平均推進速度約為15 m/a；1999—2005年的平均推進速度約為25 m/a，該時間段的唐島灣沿岸的推進速度最快，最快推進速度約為135 m/a；2011—2017年的平均推進速度與2005—2011年相比有所減慢，平均推進速度分別為31，29 m/a。

圖3 1987-2017年研究區潮灘濕地的空間分布

總之，膠州灣近30 a來的潮灘濕地面積不斷減少；潮灘濕地上邊界隨著時間的推移不斷地向膠州灣內部推進，年平均推進速度則呈現出“減慢—加快—減慢”的趨勢。

圖4 典型年份潮灘濕地的空間分布

圖5 潮灘面積統計

圖6 潮灘上邊界推進速度

3.3 潮灘濕地變化原因分析

根據膠州灣近30 a的土地利用類型以及潮灘濕地分布的矢量數據，通過ArcGIS軟件對而二者進行疊加分析得到近30 a膠州灣地區潮灘濕地變化的主要原因。

如圖7所示，圍填海活動是膠州灣近30 a潮灘濕地變化的主要原因，膠州灣近30 a圍填海面積呈現“減少—增加—減少”的趨勢。1987—1999年的圍填海面積逐年減少，由1987—1993年的圍填海面積16.36 km2減少到1993—1999年的最小面積4.30 km2；1999—2011年的圍填海面積則逐年增加，在2005—2011年，面積達到最大，為19.32 km2；2011—2017年，圍填海面積則呈現減少趨勢。

圖7 1987-2017年兩種形式圍填海的空間分布

通過結合近30 a的膠州灣周邊的土地利用類型，進一步將圍填海活動分為：潮灘濕地向養殖池轉變、潮灘濕地向陸地轉變。養殖池面積在1987—2011年逐年減少，其中1987—1993年的養殖池面積最大，高達11.59 km2，而在2005—2011年養殖池的面積最小，為0.66 km2，在2011—2017年面積有所增加，由0.66 km2增加到4.70 km2；填海造陸面積在1987—2011年則逐年增加，在2005—2011年，造陸面積達到最大，高達18.66 km2，在2011—2017年則有所減少，由18.66 km2減少到4.26 km2。

就兩種圍填海活動的空間分布而言，潮灘濕地向養殖池的轉變在1987—2017年30 a間，集中分布于膠州灣北岸，少量分布在膠州灣西岸以及唐島灣沿岸；潮灘濕地向陸地的轉變在近30 a間則集中分布于膠州灣東北岸、西岸的黃島區以及唐島灣沿岸。

3.4 圍填海土地利用結構分析

從表2可以看出，圍填海所形成的陸地的土地利用方式主要分為建設用地、草地、裸地以及內陸水域。1987—1993年主要的圍填海土地利用方式為建設用地和內陸水域，二者占比分別為73%，25%，而草地和裸地的占比總共為2%；1993—1999年建設用地、裸地以及草地成為主要的土地利用方式，占比分別為62%，25%，13%，在該時間段沒有內陸水域；1999—2005年，建設用地、內陸水域、裸地以及草地的占比分別為80%，13%，6%，1%；2005—2011年，建設用地占比最大，高達79%，草地、裸地以及內陸水域的占比分別為5%，5%，11%；2011—2017年，大部分圍填海陸地轉移到了建設用地和草地，轉移比例分別為41%，51%，8%的圍填海土地向裸地以及內陸水域發生轉變。

1987—2011年的24 a間，建設用地在4種土地利用類型中占比最大，是膠州灣圍填海活動主導的土地利用類型，內陸水域、裸地以及草地次之;2011—2017年，草地占比最大，成為該時間段圍填海活動主導的土地利用類型，建設用地占比則位于草地之后。

表2 圍填海所形成陸地的土地利用結構 %

4 結 論

(1) 近30 a的土地利用變化明顯。耕地面積占比最大，其次為建設用地和林地的面積。耕地面積不斷減少；而建設用地以及道路的面積不斷增加；林地面積則呈現出先減少后增加的變化趨勢；其他土地利用類型的面積變化則呈現出上下波動的趨勢，無規律可循。

(2) 膠州灣區域潮灘濕地在1987—2017年這30 a間不斷減少，且減少速度隨著時間的推移，逐漸減慢。而潮灘的上邊界隨著時間的推移，不斷向膠州灣內部推進，年平均推進速度呈現出“減慢—加快—減慢”的趨勢。

(3) 圍填海活動是研究區近30 a潮灘濕地變化的主要原因。1987—2017年圍填海面積變化呈現出“減少—增加—減少”的趨勢；圍海養殖和填海造陸是研究區圍填海活動的兩種主要形式，圍海養殖主要分布在膠州灣的北岸，而填海造陸分布于膠州灣東北岸、西岸以及唐島灣沿岸。

(4) 建設用地、草地、裸地以及內陸水域是圍填海活動主要的土地利用方式。1987—2011年，建設用地占比最大，而2011—2017年，草地占比最大，建設用地占比次之。