杭州灣南岸濱海濕地土地利用變化研究

趙賽帥，陳海珍，李 璐,吳亞文，章 璐

（1.寧波市測繪和遙感技術研究院，浙江 寧波 315040；2.寧波市阿拉圖數字科技有限公司，浙江 寧波 315040；3.浙江省諸暨中學，浙江 紹興 311800）

近年來，現代化的開發加速了土地利用方式的改變，對杭州灣濱海區域的生態環境、生物多樣性等方面都產生了較大的影響[1-5]。2019年7月，杭州灣南岸上設立了寧波前灣新區，經濟發展正處于“一帶一路”、長江經濟帶、長三角一體化、海洋經濟發展等國家戰略疊加的最強風口，具備新一輪騰飛的巨大契機[6]，其土地利用模式關乎未來經濟、社會和生態和諧發展的重要基礎。因此，本文以杭州灣南岸濱海地區為研究區，解譯近25 a的6期遙感影像獲取土地利用基本數據，分析杭州灣濱海濕地長時間的土地利用類型變化，探討土地利用變化的空間分布差異以及時間變化特征，以期為該區域未來可能出現的土地開發頻繁、利用類型變化大，開發強度大的模式下實現節約集約利用，管控緩解人地矛盾，維持環境可持續發展，為做好生態修復保護提供經驗借鑒。

1 研究區及數據源

1.1 研究區

杭州灣南岸研究區位于錢塘江河口線，西接錢塘江河口段，東臨舟山群島，北靠上海市，南至寧波甬江口。本研究區位于寧波市北部杭州灣南岸的弧形區域，西起余姚市，東至慈溪市（圖1），總面積約為1 900 km2。該區域地處亞熱帶海洋季風氣候，雨量充沛，四季分明，為典型的淤漲性淤泥質灘涂，屬于近海與海岸濕地生態系統，是中國八大鹽堿濕地之一[4]。杭州灣南岸自然濕地群落分布自海向陸依次呈現海三棱藨草、互花米草、蘆葦[7]；人工濕地類型主要包括水產養殖場、墾區農田等。

圖1 研究區

1.2 數據源

1.2.1 遙感影像

Landsat影像因其數據獲取性強、覆蓋范圍廣、光譜信息豐富，在海岸帶區域性研究中得到廣泛應用。研究選取了1992、1998、2004、2009、2013和2017年共6個時期的Landsat TM/OLI影像（表1）。為滿足土地利用類型識別的準確性和完整性，研究挑選云量不大于10%，成像質量好，潮位較低的影像，并且綜合考慮植物的生長周期（夏季，6~8月），以4~6 a為一個研究時期。影像經過輻射校正和幾何校正等預處理，主要用于地物分類提取。

表1 研究使用的遙感數據及參數

1.2.2 驗證數據

為驗證分類精度，研究利用2014年慈溪市土地利用現狀數據以及2004年的Google Earth歷史快視圖進行隨機設置興趣點，分別驗證2013和2004年的研究區的分類結果。

1）土地利用現狀數據。在2014年慈溪市土地利用現狀數據中，將公路用地、農村道路、城市、建制鎮、村莊、水工建筑用地、設施農用地、采礦用地和風景名勝劃分為研究中所需的建筑地類；將旱地、水田、裸地、水庫水面、其他草地劃分為農田地類；將坑塘水面、河流水面劃分為水產養殖場地類；將有林地、果園、灌木林地、其他林地劃分為林地地類；把已有的21類地類歸并為本次研究中所需的7類（表2）。

表2 研究區分類系統及隨機布點數量

2）Google Earth歷史快視圖（snapshot）數據。研究通過對2004年的Google Earth歷史快視圖進行隨機布點，從而對2004年的分類結果進行驗證。對于一些難以判斷地類的隨機點，可以在Google Earth中調取前一年或者后一年的歷史影像進行比對，判斷該處的地類，提高驗證效率和準確性（圖2）。

圖2 Google Earth 2004年影像以及隨機點分布

2 研究方法

2.1 影像特征指數構建

為了提高地物分類精度，在綜合國內外研究[8-9]的基礎上，結合研究區特點，針對水體、植被、建筑、農田等波譜特性構建了土壤調整植被指數（SA?VI）[10]、改進的歸一化水體指數（MNDWI）[11]、改進的歸一化建筑指數（MNDBI）[12]、亮度指數（Bright?ness）、綠度指數（Greeness）、濕度指數（Wetness）[13]等特定的特征指數（表3）來綜合識別杭州灣南岸濱海濕地的土地利用類型。其中，SAVI用于提取灘涂、濕地、林地，MNDWI用于提取水域，MNDBI用于提取建筑，Brightness、Greeness、Wetness用于提取農田。通過構建特征指數，進一步加強了不同地物在影像特征 中的區分度，為土地利用類型精確分類奠定基礎。

表3 影像特征指數選擇及計算公式

2.2 土地利用類型分類

綜合考慮不同土地利用類型在Landsat影像中的可分性，研究將杭州灣南海土地利用類型分為灘涂、濕地、水產養殖場、農田、林地、建筑和海水七類（表2）。其中，研究將河流、溝渠等劃分為水產養殖場一類，將農用旱田、水澆地等劃分為農田一類，將道路、堤壩劃分為建筑一類。

隨機森林算法由Breiman提出，采用分類樹作為基本分類器，是一種集成分類算法[14]。其原理為首先從原始訓練樣本集X中有放回地重復抽取N個新訓練集x，抽取數量約為原始數據集的2/3；然后為每個訓練集分別建立回歸樹h，產生由N棵決策樹組成的森林[15]，公式如下：

式中，x為輸入向量；{Θk}為獨立同分布的隨機向量；每棵分類樹根據一組與輸入樣本有關的隨機向量{Θk}進行分裂生長，在每棵樹生長過程中，從全部M個特征變量中隨機選取m個(m≤M)，在這m個屬性中根據基尼(Gini)指數最小原則選出最優屬性進行內部節點分支，使每棵樹完整成長而不被剪枝[16]；最后，集合N棵決策樹的預測結果，采用投票的方式決定新樣本的類別（式2），利用每次抽樣未被抽到的1/3數據來估計內部誤差，用來預測分類的正確率[17]。

隨機森林算法可以處理大數據集，在不選取和刪除變量的情況下處理大量的輸入變量，對異常值和噪聲具有較強的魯棒性，具有高準確度、無參數要求特征[18]。因此，研究采用隨機森林算法用于杭州灣南海濱海濕地土地利用類型分類。

2.3 基于Circos圖的土地利用轉移可視化

土地利用轉移反映了土地利用變化的內在過程及各類型之間的轉移方向和趨勢，其中土地利用轉移矩陣能定量表明不同地類之間的轉移方向和幅度，是馬爾科夫模型在土地利用分析方面的應用。本研究運用土地利用轉移矩陣[19]（式3）進行研究區土地利用類型變化分析，對1992—1998年、1998—2004年、2004—2009年、2009—2013年、2013—2017年和1992—2017年土地利用類型的轉移方向進行定量計算，最后得到6組6×6土地利用轉移矩陣（其中海水不做轉移分析）。

式中，矩陣中行為前一時間段，列為后一時間段，Sij表示為第i年向第j年轉換的量。

基于土地利用轉移矩陣，研究進一步利用Circos圖展現6類土地利用類型轉移情況。Circos是由Martin[20]等于2009年開發的一款生物信息可視化工具，研究對Circos圖進行延伸應用，以期從宏觀上把握土地利用類型轉化的總體特征，清晰展現各類地物轉出去向和轉入來源以及地物間最大轉化流和流量等信息。在本研究對Circos圖的設置及其解釋如下：

1）構成：Circos圖外面的圓圈由6段圓弧狀的坐標軸組成，每段圓弧對應一個地類，坐標軸代表了相應土地利用類型的總轉移面積，即轉入量與轉出量的總和，數據的單位是km2；圓弧外有三層細圓弧，其中最外層圓弧代表轉入量和轉出量占比，中間層圓弧代表轉入量占比，最內層圓弧代表轉出量占比。

2）“弦”的設置：圖中每一條“弦”代表一條轉移流數據，“弦”始于轉出地類，止于轉入地類，“弦”的兩端到坐標軸的距離不同，轉出端距離坐標軸較近，轉出端顏色同轉入地類，轉入端距離坐標軸較遠，轉入端顏色同轉出地類；“弦”的寬度代表轉移面積的大小，顏色與轉出地類坐標軸顏色保持一致。

3）配色：不同地類的坐標軸用不同顏色表示，本研究中，黃色代表灘涂，綠色代表濕地，紫色代表水產養殖場，橘色代表農田，紅色代表林地，灰色代表建筑。

3 結果與分析

3.1 精度驗證結果

針對各期土地利用分類結果，結合Google Earth歷史快視圖以及土地利用現狀圖等對解譯結果進行人工修正，并通過混淆矩陣與Kappa系數對解譯結果進行評價與驗證。2004年Google Earth歷史快視圖以及2014年慈溪市土地利用現狀圖隨機布點驗證結果（表4、5）表明，2004年研究區分類的總體精度達到85.43%，2014年分類的總體精度達到87.43%，分類結果的正確性較高，可以支持后續土地利用變化研究分析結果的可信度。

表4 基于Google Earth歷史快視圖的2004年分類結果混淆矩陣

表5 基于慈溪市土地利用現狀圖的2013年分類結果混淆矩陣

3.2 土地利用變化分析

研究基于不同時期遙感影像，利用土壤調整植被指數、改進的歸一化水體指數、改進的歸一化建筑指數、以及纓帽變換后的亮度、綠度、濕度指數等基于隨機森林分類方法提取濱海濕地土地利用類型，結合轉移矩陣繪制Circos圖（如圖3），分析杭州灣南岸濱海濕地空間變化和各地類的轉移方向，主要得出以下結論：

圖3 1992—2017年研究區各地類土地轉移Circos圖

1）近25 a來，研究區內建筑總面積持續增加，水產養殖場總面積也是呈上升趨勢。在內陸區域，農田轉變為建筑是主要土地利用轉移類型；在近海區域，土地利用轉移類型復雜且多樣化，主要是灘涂被大范圍利用，轉變為水產養殖場與建筑，同時也有相當灘涂轉變為濕地。其原因主要是杭州灣南岸土壤脫鹽過程較快，為開墾濱海濕地創造了優越的條件，潮間帶的灘涂資源開發利用在近25 a期間持續發展。

2）在人類活動加劇的過程中，杭州灣南岸濕地面積并無減少，相反增長趨勢明顯，從1992年的15.34 km2增至2017年的103.89 km2，99.76 km2的灘涂轉化為濕地，這與杭州灣濱海外來物種互花米草引種及其擴張密切相關。此外，我國沿海各地紛紛開展濱海地區濕地生態修復工作，劃定海洋生態紅線，建設海洋保護區，嚴格控制圍填海規模，尤其是2010年中央分成海域使用金返還生態修復項目和2016年“藍色海灣”整治行動的實施，對開展生態修復、保護我國濱海濕地起到了很好的推進作用。2010年2月杭州灣新區的建立，在經濟建設發展的同時，政府對濕地采取了保護措施，尤其是杭州灣濕地公園的建設，對濕地的保護及恢復起到了積極作用。