基于遙感的柬埔寨金邊市濕地景觀(guān)對(duì)城市擴(kuò)張時(shí)空響應(yīng)

董 麗， 安 娜， 孫根云， 張愛(ài)竹， 矯志軍， 丁孫金衍， 葛 潔

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院，青島 266580； 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237； 3.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 4.四川省科學(xué)技術(shù)研究院(四川省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心)，成都 610045)

0 引言

濕地是水陸交互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)[1]，在涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性、維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用[2-3]。尤其是沼澤濕地，因其土壤透水力強(qiáng)，植被蒸騰作用旺盛且生產(chǎn)力高，在調(diào)節(jié)蓄洪、緩解城市熱島、維持生物多樣性等方面具有重要生態(tài)功能[4-5]。20世紀(jì)以來(lái)，全球城市化發(fā)展迅速[6]。瀾湄流域國(guó)家在“一帶一路”倡議、東盟經(jīng)濟(jì)共同體等區(qū)域合作下，獲得重大發(fā)展機(jī)遇[7-9]。城市擴(kuò)張引發(fā)了熱島、洪水泛濫、生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[10-12]，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)健康。柬埔寨自2000年開(kāi)始經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化水平大幅提升[13]，首都金邊市城市加速擴(kuò)張，對(duì)其周邊的濕地侵占破壞活動(dòng)頻繁。掌握濕地景觀(guān)在城市擴(kuò)張背景下的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變，對(duì)于當(dāng)?shù)貪竦乇Ｗo(hù)及城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

遙感技術(shù)具有觀(guān)測(cè)范圍廣、觀(guān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、快速高效的特點(diǎn)[14]，眾多學(xué)者基于多源遙感數(shù)據(jù)提取濕地變化信息，并從不同空間尺度上分析濕地在城市擴(kuò)張下的響應(yīng)[15-18]。Mao等[19]利用中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)分析了整個(gè)中國(guó)1990—2010年間城市化導(dǎo)致的濕地?fù)p失數(shù)量和模式； 婁藝涵等[20]利用高空間分辨率影像數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蠛腿斯つ恳暯庾g相結(jié)合的方法提取杭州主城區(qū)西部濕地信息，并結(jié)合景觀(guān)指數(shù)分析了濕地景觀(guān)格局變化。Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于其影像時(shí)間跨度長(zhǎng)、幅寬較大且波譜信息豐富受到更多學(xué)者青睞[21-22]。宮兆寧等[23]利用TM數(shù)據(jù)，基于單波段閾值和譜間關(guān)系，結(jié)合人工目視解譯提取北京市濕地信息，分析了氣候變化和城市擴(kuò)張等因素影響下濕地面積和結(jié)構(gòu)組成變化； 李婧賢等[24]利用4期Landsat影像，采用監(jiān)督分類(lèi)和目視解譯相結(jié)合的方法提取了珠江三角洲濱海濕地信息，并結(jié)合相關(guān)政策分析了濕地變化特征及驅(qū)動(dòng)因素。

近年來(lái)，部分學(xué)者針對(duì)東南亞、“一帶一路”沿線(xiàn)城市擴(kuò)張及其生態(tài)效應(yīng)問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。禹絲思等[9]提取了海上絲綢之路沿線(xiàn)的11個(gè)超大城市不透水層，結(jié)合景觀(guān)格局指數(shù)分析了超大城市的發(fā)展模式； 海凱等[8]結(jié)合全球土地覆蓋數(shù)據(jù)集、夜間燈光數(shù)據(jù)和LandScan人口數(shù)據(jù)等分析了“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家的城市擴(kuò)張形態(tài)及土地覆蓋變化空間格局； 谷雨[25]研究了海上絲綢之路港口城市擴(kuò)張,并通過(guò)土地利用變化分析了城市擴(kuò)張對(duì)農(nóng)田、森林、濕地等的生態(tài)效益； 韓瑞丹等[10]利用Landsat和MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了曼谷1990—2015年城市擴(kuò)張及其在綠地和城市熱島方面的生態(tài)效益?，F(xiàn)有研究多注重“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家的城市擴(kuò)張形態(tài)及模式等，涉及城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)效益，尤其是濕地的影響研究較少，且僅通過(guò)土地覆蓋變化表示，不能準(zhǔn)確全面地表現(xiàn)濕地變化特征及影響機(jī)制。

因此，為探究金邊市濕地景觀(guān)對(duì)城市擴(kuò)張的時(shí)空響應(yīng)，利用2000—2020年共5期Landsat影像數(shù)據(jù)，綜合考慮其光譜特征、指數(shù)特征、空間特征提取濕地信息，并從數(shù)量及空間分布、變化強(qiáng)度和景觀(guān)格局等多個(gè)維度全面分析濕地景觀(guān)和城市擴(kuò)張用地的時(shí)空演變特征，建立濕地變化與城市擴(kuò)張之間的定量關(guān)系，最后給出該地區(qū)城市發(fā)展的合理化建議，以期為平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

瀾湄流域國(guó)家包括中國(guó)、緬甸、老撾、泰國(guó)、柬埔寨、越南6個(gè)國(guó)家。柬埔寨位于瀾湄流域南部，毗鄰泰國(guó)、老撾、越南，發(fā)展較晚，工業(yè)落后，經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主，水稻是其主要糧食作物。柬埔寨屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為29～30 ℃，雨量豐富。金邊地處湄公河、洞里薩河與巴薩克河交匯處，是典型的柬埔寨洪泛平原區(qū)，濕地資源豐富，沼澤、湖泊分布眾多(圖1)。同時(shí)，金邊作為柬埔寨首都，還是政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心，外資投入大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。近15 a來(lái)，金邊市人口和面積翻倍增長(zhǎng)，截至2020年，金邊市總面積為692.46 km2，人口約228萬(wàn)人。隨著人口增長(zhǎng)以及城市加速擴(kuò)張，濕地被大量填平、吞噬，依靠湖泊與沼澤濕地種植稻米和捕魚(yú)為生的“水邊人家”生計(jì)和生活空間受到嚴(yán)重威脅。

圖1 研究區(qū)影像Fig.1 Image of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

研究表明柬埔寨自2000年開(kāi)始經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了迅速增長(zhǎng)[26]，因此本研究時(shí)期設(shè)定為2000—2020年。所用數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat遙感影像數(shù)據(jù)。Landsat Collection2 L2級(jí)產(chǎn)品影像數(shù)據(jù)由美國(guó)地質(zhì)勘探局USGS(https: //earthexplorer.usgs.gov/)提供。柬埔寨5—10月為雨季，容易形成洪泛災(zāi)害，淹沒(méi)水田、沼澤等。為保證研究時(shí)期間隔均勻，云量較少，影像質(zhì)量較好，物候差異較小，因此選取2005年、2011年、2015年和2020年1月份影像，2001年選取6月份影像作為研究區(qū)初期數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)詳細(xì)信息如表1所示。影像預(yù)處理通過(guò)ENVI 5.3軟件完成，原始影像數(shù)據(jù)即為地表反射率數(shù)據(jù)，因此無(wú)需進(jìn)行大氣校正，為保證空間分辨率一致，所有時(shí)期影像均保持原始空間分辨率30 m，最后，利用ArcGIS online 提供的金邊市矢量圖裁剪得到研究區(qū)影像。

表1 Landsat影像數(shù)據(jù)Tab.1 Landsat datasets

根據(jù)1971年在拉姆薩爾制定的《濕地公約》，基于金邊濕地特征與相關(guān)研究中的分類(lèi)體系[27]，通過(guò)綜合分析，建立了金邊濕地土地利用分類(lèi)體系，將研究區(qū)景觀(guān)分為自然濕地、人工濕地和非濕地3個(gè)一級(jí)類(lèi)。每個(gè)一級(jí)類(lèi)又分為若干二級(jí)類(lèi)，如表2所示。非濕地二級(jí)類(lèi)中裸地主要為對(duì)濕地進(jìn)行填埋、平整但尚未進(jìn)行工程建設(shè)的平滑、光亮斑塊，是城市擴(kuò)張影響濕地的一種典型表現(xiàn)。建設(shè)用地和裸地為主要的城市擴(kuò)張用地類(lèi)型。城市綠地主要為城市內(nèi)部非濕地植被，包括公園綠地、草坪等。由于實(shí)地勘察樣本不易采集，為保證精度，采用分層隨機(jī)抽樣算法，借助Google Earth高分辨率影像并結(jié)合Landsat影像均勻選取樣本，2020年訓(xùn)練樣本空間分布如圖1所示。訓(xùn)練樣本和驗(yàn)證樣本比例為7∶3。

表2 金邊市景觀(guān)分類(lèi)體系Tab.2 Classification system of landscapes in Phnom Penh

2 研究方法

首先，基于Landsat影像，利用光譜信息、歸一化差異植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)和改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(modified normalized difference water index，MNDWI)、紋理特征和形態(tài)學(xué)屬性剖面表征的空間信息提取金邊市景觀(guān)類(lèi)型分布； 在此基礎(chǔ)上，從面積和空間分布變化、變化強(qiáng)度、景觀(guān)格局3個(gè)方面分析濕地景觀(guān)和城市擴(kuò)張用地時(shí)空變化特點(diǎn)； 最后，利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析金邊市濕地景觀(guān)變化與城市擴(kuò)張用地相關(guān)性。具體流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程Fig.2 Flowchart

2.1 金邊市景觀(guān)類(lèi)型信息提取

多種特征變量結(jié)合可以有效提高提取精度[28]。光譜特征是遙感影像最基本的特征，其在植被、水體、建設(shè)用地、裸地等地物中差異明顯。此外，根據(jù)不同地類(lèi)在不同波段中的波譜特點(diǎn)，利用比值計(jì)算構(gòu)造的指數(shù)可以增強(qiáng)地類(lèi)信息，抑制無(wú)關(guān)背景信息，提高解譯精度[29]。因此本文加入NDVI和MNDWI[30]以提高景觀(guān)提取精度。金邊市水體濕地類(lèi)型包括河流、湖泊、養(yǎng)殖池3類(lèi)，其在光譜特征上無(wú)明顯差異，異物同譜現(xiàn)象突出，但在空間特征上差異較大。灰度共生矩陣(gray level co-occurrence matrix，GLCM)[31]提取的紋理特征和形態(tài)學(xué)屬性剖面特征(morphological attribute profiles，MAPs)[32-33]可以提高解譯精度。因此將獲得的NDVI、光譜特征、MNDWI、紋理特征及形態(tài)學(xué)屬性剖面特征進(jìn)行疊加，利用隨機(jī)森林分類(lèi)器對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分類(lèi)，各年份總體精度分別為89.12%，91.27%，89.18%，90.94%，88.96%，滿(mǎn)足后續(xù)研究需要。

面積和空間分布變化是景觀(guān)變化最直觀(guān)的表現(xiàn)，轉(zhuǎn)移矩陣可以表現(xiàn)景觀(guān)類(lèi)型間的轉(zhuǎn)換程度和方向。因此通過(guò)濕地景觀(guān)面積變化、空間分布變化和轉(zhuǎn)移矩陣3個(gè)方面表征金邊濕地?cái)?shù)量上變化特點(diǎn)。轉(zhuǎn)移矩陣?yán)?001年和2020年濕地提取結(jié)果進(jìn)行構(gòu)造，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：M為景觀(guān)類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣；P為研究區(qū)各景觀(guān)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換面積；n為研究區(qū)景觀(guān)類(lèi)型的總數(shù)；Pxy為研究初期第x類(lèi)景觀(guān)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為研究末期第y類(lèi)景觀(guān)類(lèi)型的面積。

2.2 景觀(guān)變化強(qiáng)度分析

為進(jìn)一步了解金邊市濕地與城市擴(kuò)張用地不同時(shí)間不同方向的變化差異，引入了變化強(qiáng)度指數(shù)。變化強(qiáng)度是指某一時(shí)間段內(nèi)景觀(guān)面積相對(duì)于基期面積的變化比例，表示單位時(shí)間內(nèi)景觀(guān)變化的相比強(qiáng)度差異。具體計(jì)算公式為：

(2)

式中：E為研究時(shí)段內(nèi)的景觀(guān)變化強(qiáng)度；As+t和As分別為研究末期和研究初期的景觀(guān)類(lèi)型面積；t為研究初期和研究末期相隔的年份。

為探究城市擴(kuò)張和濕地景觀(guān)在不同方向上的變化強(qiáng)度差異，以金邊市城區(qū)環(huán)路中心為圓心，按照8象限劃分方向，計(jì)算各方向的變化強(qiáng)度。方向示意圖如圖3所示。

2.3 景觀(guān)格局變化分析

景觀(guān)格局是指景觀(guān)的空間結(jié)構(gòu)特征，包括景觀(guān)組成單元的多樣性和空間配置[34]。景觀(guān)指數(shù)能夠高度濃縮景觀(guān)格局信息，計(jì)算簡(jiǎn)單但能夠反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置。利用 Fragstats軟件從類(lèi)型水平計(jì)算景觀(guān)指數(shù)，分析金邊市景觀(guān)類(lèi)型內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)。為避免冗余且能夠全面表達(dá)景觀(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在類(lèi)型水平上選取面積加權(quán)平均分維數(shù)(area-weighted mean fractal dimension index，AWMFD)、邊緣密度 (edge density，ED)、聚集度指數(shù) (aggregation index，AI)分別表征各景觀(guān)類(lèi)型的形狀、破碎度和聚集度。3個(gè)景觀(guān)指數(shù)計(jì)算公式及生態(tài)含義分別如表3所示。

表3 景觀(guān)指數(shù)計(jì)算公式及生態(tài)含義Tab.3 Formulas and ecological meanings of landscape metrics

2.4 濕地與城市擴(kuò)張相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)系數(shù)可以用指標(biāo)定量表示變量之間的相關(guān)性，基于SPSS軟件，利用Pearson系數(shù)計(jì)算濕地景觀(guān)與城市擴(kuò)張用地在面積、變化強(qiáng)度、景觀(guān)指數(shù)3個(gè)方面的相關(guān)性，探究金邊市濕地變化對(duì)城市擴(kuò)張的響應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地與城市擴(kuò)張用地面積和空間分布變化分析

2001—2020年內(nèi)不同時(shí)期金邊市景觀(guān)面積如圖4所示。在20 a間，濕地總面積呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢(shì)，由2001年的631.59 km2減少為2020年的425.04 km2。水田和沼澤作為金邊市優(yōu)勢(shì)濕地景觀(guān)，面積在2001—2020年間持續(xù)減少，2015—2020年間下降速度最快。水田在20 a內(nèi)共減少了127.67 km2，2020年的水田面積僅為2001年的49.68%。沼澤面積在2020年僅為211.24 km2，約1/3的沼澤消失。湖泊和養(yǎng)殖池面積呈上升趨勢(shì)。湖泊面積在2011年前逐漸增加，由26.85 km2增加到47.41 km2，2011年之后輕微波動(dòng)，無(wú)較大變化。養(yǎng)殖池面積較小，2020年面積僅為3.98 km2，但在過(guò)去20 a內(nèi)其面積增幅接近200%。河流在過(guò)去20 a內(nèi)無(wú)明顯變化。沼澤濕地是最主要的濕地類(lèi)型之一，隨著沼澤濕地面積的大幅減少，其調(diào)節(jié)蓄洪、降溫增濕、維持生物多樣性等生態(tài)功能也會(huì)下降。同期建設(shè)用地和裸地等城市擴(kuò)張用地面積在2001—2020年內(nèi)持續(xù)增加，共增加約200 km2。建設(shè)用地面積增加最多，20 a內(nèi)共增加了156.86 km2，裸地次之，增加了45.82 km2。建設(shè)用地和裸地在2015—2020年內(nèi)擴(kuò)張最快?？赡苁怯捎?015年之后國(guó)外對(duì)金邊市的投資加大，城市化進(jìn)程加快，最直接的表現(xiàn)是不透水面的擴(kuò)張。

圖4 金邊市景觀(guān)2001—2020年面積變化Fig.4 Area change of landscape in thePhnom Penh from 2001 to 2020

金邊市景觀(guān)類(lèi)型的空間分布如圖5所示。從圖5中可知各景觀(guān)類(lèi)型在20 a的城市化進(jìn)程中空間分布變化劇烈。建設(shè)用地聚集于洞里薩河與湄公河的交匯處，位于研究區(qū)的中心地帶。由圖5(a)可知，2001年建設(shè)用地面積較小，分布于河流交匯處以西的平原地帶。隨后不斷向外圍擴(kuò)張，并在外圍伴隨有大量裸地分布。2005—2011年間城市擴(kuò)張以西南方向的楔形擴(kuò)展最為明顯(圖5(b)—(c))，2011年之后建設(shè)用地由中心以圓形方式向各方擴(kuò)張，至2020年已成為金邊市最大的優(yōu)勢(shì)景觀(guān)。隨著城市用地的擴(kuò)張，濕地逐漸退化到城市邊緣地帶。2001年水田和沼澤分別為研究區(qū)中心以西和以東的優(yōu)勢(shì)景觀(guān)(圖5(a))，后逐漸被建設(shè)用地和裸地侵占，2020年僅存留城市邊緣地帶的水田和沼澤，且原有的大片水田和沼澤被不斷切割，趨于破碎(圖5(e))。金邊市中心的湖泊被填埋，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地或裸地。研究區(qū)北部的湖泊由于工事修筑得以保留并擴(kuò)大面積。此外，有眾多人工或自然形成的小型湖泊零散分布于研究區(qū)內(nèi)。養(yǎng)殖池在2011年之前分布于大型湖泊的東南方向，并逐漸擴(kuò)張，2011年之后由于城市擴(kuò)張用地的侵占，轉(zhuǎn)移到湖泊東北方向，并大面積擴(kuò)張。

圖5 2001—2020年景觀(guān)類(lèi)型分布

2001—2020年金邊市各景觀(guān)類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換面積及方向如表4所示。從表4中可知，景觀(guān)類(lèi)型間轉(zhuǎn)換劇烈，且主要是濕地類(lèi)型向城市擴(kuò)張用地轉(zhuǎn)換。沼澤向城市擴(kuò)張用地的轉(zhuǎn)換面積最大，共有121.213 2 km2，其中向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為98.894 1 km2，向裸地轉(zhuǎn)換了22.319 1 km2。水田向城市擴(kuò)張用地的轉(zhuǎn)換面積緊隨其后，共轉(zhuǎn)換88.011 1 km2，其中向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換63.586 8 km2，向裸地轉(zhuǎn)換24.424 3 km2。湖泊向城市擴(kuò)張用地轉(zhuǎn)換5.966 1 km2，養(yǎng)殖池向城市擴(kuò)張用地轉(zhuǎn)換0.658 8 km2。不同濕地類(lèi)型之間也有轉(zhuǎn)換，湖泊和養(yǎng)殖池面積的增加主要是由于水田和沼澤的轉(zhuǎn)入。此外，水田和沼澤之間也有大面積的相互轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)榻疬吺谐Ｄ晔芎樗謹(jǐn)_，洪水淹沒(méi)、消失等可能會(huì)影響水田、沼澤之間的識(shí)別，導(dǎo)致2001—2020年間沼澤和水田之間有較大轉(zhuǎn)換。城市擴(kuò)張用地之間的轉(zhuǎn)換主要體現(xiàn)在裸地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換。但由于2001年裸地本身面積較小，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換較少。實(shí)際上每個(gè)時(shí)期裸地向建設(shè)用地均有轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換率分別為0.27 km2/a，1.18 km2/a，2.51 km2/a，2.85 km2/a，轉(zhuǎn)換逐漸加快。

表4 金邊市2001—2020年景觀(guān)類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Transfer matrix between the different landscape types in Phnom Penh from 2001 to 2020 (km2)

3.2 濕地與城市擴(kuò)張用地變化強(qiáng)度分析

3.2.1 濕地與城市擴(kuò)張用地總體變化強(qiáng)度分析

金邊市城市擴(kuò)張用地(建設(shè)用地、裸地)和濕地(湖泊、養(yǎng)殖池、水田和沼澤)在不同時(shí)期的變化強(qiáng)度如圖6所示。河流幾乎無(wú)變化，因此不再討論。由圖6可知，建設(shè)用地和裸地等城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度在2001—2005年間最大，尤其是裸地，明顯高于其他3個(gè)時(shí)段，說(shuō)明金邊市在21世紀(jì)初經(jīng)歷了快速城市化進(jìn)程。建設(shè)用地的擴(kuò)張強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，裸地的擴(kuò)張強(qiáng)度先下降后上升。兩者的擴(kuò)張強(qiáng)度均在2011—2015年間最小，說(shuō)明2011—2015年間城市擴(kuò)張放緩。裸地在2015—2020年間擴(kuò)張強(qiáng)度達(dá)新高。金邊市濕地景觀(guān)中，水田和沼澤的變化強(qiáng)度為負(fù)值，因此將其定義為衰減強(qiáng)度。水田的衰減強(qiáng)度整體呈上升趨勢(shì)，2001—2005年間衰減強(qiáng)度較小，隨后升高，2015—2020年間衰減強(qiáng)度最大，但與城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，水田的衰減強(qiáng)度也在2011—2015年時(shí)段最低。沼澤的衰減強(qiáng)度呈先下降后上升的趨勢(shì)，在2005—2011年間衰減強(qiáng)度最小，而后增大，在2015—2020年間衰減強(qiáng)度最大。湖泊和養(yǎng)殖池的面積雖小，但擴(kuò)張強(qiáng)度較大。與城市擴(kuò)張強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，養(yǎng)殖池和湖泊同樣在2001—2005年間擴(kuò)張強(qiáng)度最大，在2011—2015年間擴(kuò)張強(qiáng)度最小，甚至湖泊呈衰減態(tài)勢(shì)。

圖6 金邊市景觀(guān)變化強(qiáng)度Fig.6 Change intensity of landscape in the Phnom Penh

3.2.2 濕地與城市擴(kuò)張用地不同方向變化強(qiáng)度分析

金邊市濕地和城市擴(kuò)張用地在不同方向上的變化強(qiáng)度如圖7所示，圖7(a)—(b)為城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度，圖7(c)—(e)為濕地變化強(qiáng)度，金邊市養(yǎng)殖池主要集中在北偏西方向(圖(5))，因此不再討論養(yǎng)殖池在不同方向上的變化強(qiáng)度。

圖7 金邊市景觀(guān)不同方向變化強(qiáng)度

如圖7(a)所示，建設(shè)用地的擴(kuò)張強(qiáng)度存在空間差異性。2001—2005年間，建設(shè)用地在SW—NW方向明顯擴(kuò)張，但各方向擴(kuò)張強(qiáng)度存在差異。WN方向擴(kuò)張強(qiáng)度最大，為27.65，SW方向次之，為17.42。2005—2011年間建設(shè)用地在SW—WN方向擴(kuò)張強(qiáng)度仍較大。此外，在ES方向也有明顯擴(kuò)張，擴(kuò)張強(qiáng)度為15.73，超過(guò)SW—WN方向。2011—2015年間擴(kuò)張強(qiáng)度較小，但在NE和ES方向有明顯擴(kuò)張，擴(kuò)張強(qiáng)度分別為10.62和11.92。2015—2020年間在NE和WN方向擴(kuò)張明顯，擴(kuò)張強(qiáng)度分別為12.36和13.03。由圖7(b)可知，裸地的擴(kuò)張主要發(fā)生在NE和SW方向，各年份均有擴(kuò)張。裸地在2001—2005年間各方向擴(kuò)張強(qiáng)度范圍在50.163 7～484.375 0之間，明顯高于其他時(shí)段，為突出其他時(shí)段擴(kuò)張強(qiáng)度的空間差異性，圖中顯示的擴(kuò)張強(qiáng)范圍僅為-10～60。裸地在2001—2005年間在SE方向擴(kuò)張強(qiáng)度最大，WN方向擴(kuò)張強(qiáng)度最小。這可能是由于SE方向在2001年幾乎沒(méi)有裸地，基數(shù)極小。2005—2011年間裸地在ES方向擴(kuò)張最為強(qiáng)烈，其次是NE方向，SW，SE和NW方向也有明顯擴(kuò)張。2011—2015年間在SE方向擴(kuò)張最為強(qiáng)烈，其次是NE方向。2015—2020年間裸地在WN方向擴(kuò)張最為強(qiáng)烈，其次是SW方向，NE方向也有明顯擴(kuò)張。

金邊市濕地景觀(guān)中湖泊在ES方向擴(kuò)張強(qiáng)烈(圖7(c))，除2005—2011年外其余時(shí)段擴(kuò)張強(qiáng)度均較大，此外，湖泊在SW，WS和WN方向在2005—2011年間和2015—2020年間也有明顯擴(kuò)張，2001—2005年間在NE方向擴(kuò)張極為強(qiáng)烈。由于水田主要分布在研究區(qū)西側(cè)SW，WS和WN方向(圖5)，因此本節(jié)只討論水田在這3個(gè)方向上的衰減強(qiáng)度差異。由圖7(d)可知，水田衰減強(qiáng)度在SW方向最大，尤其在2015—2020年間，衰減強(qiáng)度為6.8，WS方向次之。這與建設(shè)用地和裸地在2005—2011年間和2015—2020年間在SW方向和WS方向的擴(kuò)張相對(duì)應(yīng)。水田在WN方向總體衰減強(qiáng)度較小，但在2001—2005年間衰減強(qiáng)度高于其他2個(gè)方向。由圖7(e)可知，沼澤在各方向均有衰減，尤其是在2015—2020年間，除SW方向外，各方向衰減強(qiáng)度均較高。其他時(shí)段內(nèi)，沼澤在各方向的衰減強(qiáng)度存在空間差異性。2001—2005年間，沼澤在WS方向衰減強(qiáng)度最大，為7.51。2005—2011年間沼澤在NW方向衰減強(qiáng)度最大，為3.40。此外，2005—2011年間沼澤在EN—SW和EN—WN方向也有較強(qiáng)衰減。沼澤在2011—2015年間在NE，ES，SE，SW和NW方向衰減強(qiáng)烈。2011年之后沼澤在NE方向上的強(qiáng)烈衰減與建設(shè)用地和裸地在該時(shí)段內(nèi)在NE方向上的擴(kuò)張相對(duì)應(yīng)。2015—2020年間沼澤在WN方向上的衰減也與該時(shí)期建設(shè)用地和裸地在WN方向上的擴(kuò)張相對(duì)應(yīng)。綜上所述，水田受城市擴(kuò)張的影響范圍基本分布在研究區(qū)西部，沼澤各方向均受城市擴(kuò)張的影響。自2011年開(kāi)始，金邊市東部，即洞里薩河以東的沼澤濕地受城市擴(kuò)張侵占明顯。

3.3 濕地與城市擴(kuò)張用地景觀(guān)格局變化分析

3.3.1 城市擴(kuò)張用地景觀(guān)格局變化分析

各時(shí)期景觀(guān)類(lèi)型的格局指數(shù)如圖8所示。由圖8(a)可知，城市擴(kuò)張用地的ED均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且建設(shè)用地上升幅度最大，其次是裸地。結(jié)合前面的分析，城市用地ED增大可能是由于城市用地面積急劇增加導(dǎo)致。圖8(b)中表示了城市擴(kuò)張用地的AI特征，建設(shè)用地和裸地的AI值較高，說(shuō)明兩者斑塊間連通度較高，分布較為集聚。且兩者的AI指數(shù)在過(guò)去20 a間呈緩慢上升趨勢(shì)，說(shuō)明隨著城市擴(kuò)張，建設(shè)用地和裸地更加集聚。城市綠地的AI指數(shù)先上升后下降，可能是由于前期城市綠地面積增加導(dǎo)致AI上升，后期新增加的城市綠地相對(duì)分散，導(dǎo)致AI下降。建設(shè)用地的形狀復(fù)雜度明顯高于裸土和城市綠地(圖8(c))，2001—2020年間建設(shè)用地和裸地的AWMFD呈上升趨勢(shì)，建設(shè)用地上升幅度較大，說(shuō)明建設(shè)用地和裸地的斑塊形狀越來(lái)越復(fù)雜。城市擴(kuò)張用地更加集聚、斑塊形狀更加復(fù)雜，可能會(huì)加速城市斑塊間的熱量傳輸，加劇熱島效應(yīng)。

圖8 2000—2020年金邊市類(lèi)型水平上景觀(guān)格局指數(shù)變化

3.3.2 濕地景觀(guān)格局變化分析

由圖8(a)可以看出，沼澤的ED最大，其次是水田，養(yǎng)殖池的ED最小。濕地的ED均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中沼澤的ED上升最大，水田的ED在2001—2005年間大幅下降，但在2005—2020年間ED大幅上升。與水田相比，沼澤破碎化程度更大，在城市擴(kuò)張中破碎化趨勢(shì)更為明顯。濕地景觀(guān)具有蓄洪防澇、降溫增濕的作用，研究表明大斑塊的綠地和水體降溫增濕效果更明顯，濕地景觀(guān)破碎化將會(huì)導(dǎo)致其降溫效應(yīng)、保水蓄水功能被削弱[35-36]。圖8(b)表示了景觀(guān)類(lèi)型AI，水田、沼澤、湖泊的斑塊AI較高，養(yǎng)殖池AI較低。就變化趨勢(shì)而言，沼澤和水田的AI呈下降趨勢(shì)，湖泊和養(yǎng)殖池AI呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明過(guò)去20 a間水田和沼澤斑塊間的連通度降低，空間分布更為分散。景觀(guān)組分之間的連接，是維護(hù)和增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)功能的主要途徑[37]，沼澤、水田等源地景觀(guān)分散不利于濕地生態(tài)功能的發(fā)揮和生物多樣性維持。AWMFD表現(xiàn)了濕地類(lèi)型的形狀特征，圖8(c)中，水田的AWMFD最高，其次是沼澤，湖泊和養(yǎng)殖池的AWMFD最低。說(shuō)明湖泊和養(yǎng)殖池斑塊更加規(guī)則，沼澤較水田斑塊規(guī)則程度更高。水田的AWMFD在2001—2020年間逐漸下降，沼澤AWMFD雖在2001—2005年間上升，但2005—2020年間下降，這說(shuō)明在過(guò)去20 a間沼澤和水田的斑塊形狀趨于規(guī)則化，受人為干擾更為明顯。研究表明斑塊邊界的復(fù)雜程度影響了能量向周邊地區(qū)的擴(kuò)散能力，邊界復(fù)雜的斑塊對(duì)周?chē)慕禍匦Ч遊38-39]。沼澤濕地斑塊形狀趨于規(guī)則化影響了其對(duì)周邊地物的降溫增濕效果，加劇城市熱島效應(yīng)。

3.4 濕地與城市擴(kuò)張用地相關(guān)性分析

為探究濕地變化與城市擴(kuò)張之間的關(guān)系，基于SPSS軟件計(jì)算了各年份濕地景觀(guān)與城市擴(kuò)張用地之間在面積、變化強(qiáng)度、ED、AI和AWMFD方面的Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 濕地與城市擴(kuò)張用地相關(guān)性Tab.5 Correlation between wetland and urban expansion land

①**表示在0.01水平上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

由表5可知，濕地景觀(guān)面積與城市擴(kuò)張用地面積之間強(qiáng)相關(guān)性，沼澤、養(yǎng)殖池和水田與建設(shè)用地和裸地的各時(shí)期面積在0.01水平上顯著相關(guān), 其中沼澤和水田與城市擴(kuò)張用地面積變化呈負(fù)相關(guān)，沼澤較水田相關(guān)性更高。

在變化方面，養(yǎng)殖池的變化強(qiáng)度與建設(shè)用地和裸地的變化強(qiáng)度相關(guān)性較高，在0.05水平上顯著相關(guān)，湖泊的變化強(qiáng)度與建設(shè)用地的變化強(qiáng)度在0.05水平上顯著相關(guān)。沼澤和水田的變化強(qiáng)度與城市擴(kuò)張用地的變化強(qiáng)度相關(guān)性較低，可能是由于沼澤和水田面積衰減，建設(shè)用地和裸地面積擴(kuò)張，面積基數(shù)差異較大。

沼澤和湖泊的ED與城市擴(kuò)張用地的ED在0.05水平上顯著相關(guān)，就AI而言，湖泊與裸地的AI在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，沼澤與建設(shè)用地的AI在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，養(yǎng)殖池和水田的AI與建設(shè)用地AI的相關(guān)系數(shù)也高于0.8。濕地景觀(guān)與城市擴(kuò)張用地之間的AWMFD相關(guān)性較ED和AI較低，建設(shè)用地與養(yǎng)殖池和湖泊的AWMFD顯著相關(guān)，沼澤和水田的AWMFD與建設(shè)用地相關(guān)性較低，與裸地有較高相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高于0.7。由此可見(jiàn)濕地景觀(guān)格局的變化受城市擴(kuò)張用地影響，且沼澤與城市擴(kuò)張用地景觀(guān)格局相關(guān)性較水田更高，說(shuō)明沼澤濕地景觀(guān)格局受城市擴(kuò)張的影響更為明顯。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)金邊市城市擴(kuò)張對(duì)濕地景觀(guān)產(chǎn)生威脅的問(wèn)題，基于2000—2020年共5期Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，從數(shù)量、變化強(qiáng)度和景觀(guān)格局3個(gè)方面分析了金邊市濕地景觀(guān)和城市擴(kuò)張用地時(shí)空變化特征，并利用Pearson相關(guān)系數(shù)探討了濕地景觀(guān)變化與城市擴(kuò)張之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1)2000—2020年間金邊市濕地面積持續(xù)減少，水田和沼澤作為優(yōu)勢(shì)景觀(guān)面積下降最大，兩者面積分別減少了128.197 0 km2和104.133 9 km2，湖泊和養(yǎng)殖池面積增加，河流幾乎無(wú)變化。建設(shè)用地和裸地等城市擴(kuò)張用地面積持續(xù)增加，2011年前城市擴(kuò)張以西南方向的楔形擴(kuò)張為主，2011年之后以城市中心為圓心向各方擴(kuò)張。濕地向城市擴(kuò)張用地轉(zhuǎn)換強(qiáng)烈，沼澤向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化最多，水田次之。隨著城市用地?cái)U(kuò)張，濕地退化到城市邊緣。

2)金邊市城市擴(kuò)張用地在2001—2005年間擴(kuò)張強(qiáng)度最大，2011—2015年間擴(kuò)張強(qiáng)度最小。養(yǎng)殖池和湖泊的擴(kuò)張強(qiáng)度同樣在2001—2005年間最大，2011—2015年間最小。水田的衰減強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，沼澤的衰減強(qiáng)度先下降后上升。景觀(guān)類(lèi)型的變化強(qiáng)度存在空間差異，建設(shè)用地和裸地在NE和ES方向擴(kuò)張強(qiáng)烈，沼澤在這2個(gè)方向上強(qiáng)烈衰減，尤其是在2011年之后。建設(shè)用地和裸地在SW方向和WS方向上的擴(kuò)張與水田在該方向上的衰減相一致。

3)金邊市城市擴(kuò)張用地ED，AI和AWMFD均呈上升趨勢(shì)，其空間結(jié)構(gòu)更加集聚，形狀更加復(fù)雜。濕地景觀(guān)破碎化程度加重，空間分布更為分散，斑塊形狀趨于規(guī)則化。沼澤較水田破碎化程度更大，破碎化趨勢(shì)更為明顯，斑塊更加規(guī)則。沼澤濕地景觀(guān)格局變化可能會(huì)導(dǎo)致其增濕降溫、保水蓄洪等生態(tài)功能下降。

4)金邊市濕地變化與城市擴(kuò)張顯著相關(guān)，尤其是在面積方面，沼澤、水田和養(yǎng)殖池與城市擴(kuò)張用地的相關(guān)系數(shù)均高于0.97 (p<0.01)，其中沼澤與城市擴(kuò)張用地面積相關(guān)性最高。湖泊和養(yǎng)殖池的擴(kuò)張強(qiáng)度與城市用地的擴(kuò)展強(qiáng)度顯著相關(guān)，與建設(shè)用地相關(guān)系數(shù)高于0.96 (p<0.05)。沼澤與建設(shè)用地的ED和AI指數(shù)在0.05水平上顯著相關(guān)。沼澤受城市擴(kuò)張用地影響更為明顯。

5)城市擴(kuò)張應(yīng)尋求集約化發(fā)展，盡量減少對(duì)濕地的侵占和破壞，必要時(shí)優(yōu)先利用水田，保持沼澤濕地面積不變和景觀(guān)完整性，維持濕地生態(tài)功能?？赏ㄟ^(guò)建立保護(hù)區(qū)開(kāi)發(fā)濕地旅游資源平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)。

此外，金邊市景觀(guān)格局變化在瀾湄流域具有一定的典型性，本研究結(jié)論具有一定的推廣性。例如，胡志明、曼谷、萬(wàn)象和仰光等城市周邊都圍繞著大面積沼澤和水田，與金邊市景觀(guān)格局類(lèi)似，城市擴(kuò)張必然以沼澤和水田的破壞為代價(jià)。但瀾湄流域范圍廣闊，不同城市間濕地變化空間差異性仍需進(jìn)一步探討。未來(lái)將在此工作的基礎(chǔ)上將研究?jī)?nèi)容拓展到整個(gè)瀾湄流域，深入探討不同城市濕地景觀(guān)對(duì)城市擴(kuò)張響應(yīng)的一致性和空間差異性。