基于GIS的濟西國家濕地公園生態敏感性評價?

魯 敏， 穆回港， 譚 蕾， 伊澤坤， 王 晗， 李文月， 孔亞菲

(山東建筑大學藝術學院風景園林科學研究中心， 山東 濟南 250101)

濕地公園被稱為“城市之腎”，是具有蓄洪防旱、調節氣候、促淤造陸、降解環境污染物等多種功能的生態系統[1]。濕地公園不僅是城市重要的生態基礎設施，也是城市濕地的核心和主體，尤其是具有重要的生態保護和排毒解毒功能。它是以保護城市生態系統、合理利用城市濕地資源為目的，能夠實現濕地的生態保護與恢復、科普宣傳與教育、濕地科研與城市環境污染監測等活動的特定區域[1-3]。

濕地公園生態敏感性評價是濕地公園生態規劃的基礎前提和重要的方法手段，通過對城市濕地自然環境現狀下潛在的生態敏感和脆弱環境問題進行辨識，可以明確城市濕地公園不同區域的生態保護級別，進而進行生態規劃分區，從而為濕地公園的生態規劃提供科學的基礎依據和規劃方法支撐；同時也為濕地的保護、恢復與景觀生態規劃提供了重要的決策依據，也是濕地保護和生態建設的重要途徑和手段[4-5]。在生態因子方面，主要針對不同的生態環境問題進行敏感性評價，如沙漠化、鹽漬化、水土流失和酸雨[6-9]；從研究對象的差異來看，在空間土地類型上涵蓋了城鎮、森林、河流、濕地、自然保護區與干旱地區[10-16]等。目前對于濕地的研究，陳爽等[13]基于GIS技術，選擇了干燥度、植被覆蓋度、土地利用、人口密度等敏感因子，對大遼河地區進行了生態敏感性評價；朱金峰等[14]采用GIS技術，從水污染、濕地變化、重要自然與文化價值三個方面，對白洋淀濕地進行了生態敏感性評價。綜上研究發現，以往的研究對濕地的生態敏感性評價起到了積極的推動作用，但對于濕地的研究多集中在流域、湖泊等的自然濕地[17]，而對于國家濕地公園的生態敏感性評價研究較少。

濟西國家濕地公園是濟西濕地生態區的核心區域，其形成主要由于玉清湖水庫的外滲形成，是濟南市的重要水源地，其生態環境的可持續發展需要進行重點關注[3]。文章以濟西國家濕地公園為研究區域，基于RS和GIS為技術支撐，采用特爾斐專家評價法和層次分析法構建濟西國家濕地公園生態敏感性評價指標體系，對濟西國家濕地公園進行單因子評價和多因子綜合評價，以期為濟西國家濕地公園的可持續發展提供理論依據。

1 研究區域概況

濟南位于山東省中西部，南依泰山，北臨黃河，總體呈現南高北低的地勢[18]。濟西國家濕地公園位于濟南市西部城區,包含長清區和槐蔭區兩個行政區域，地處116°45′E—116°50′E、36°37′N—36°41′N，面積約33 km2[3](見圖1)。

圖1 濟西國家濕地公園區域位置

濟南氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候，春季干燥少雨，多西南風、南風，夏季酷熱多雨，秋季天高氣爽，冬季嚴寒干燥多東北風，年平均氣溫13.6 ℃，年平均降雨量614 mm[3]。

濟西濕地是小清河源頭，區域內主要包含黃河、玉符河、小清河和玉清湖水庫等水體，濕地公園自然環境獨特，生態系統結構完整，公園內有黃河下游最大支流玉符河穿過，對濟西濕地為季節性補給。長期以來，由于部分濕地被開墾為農田，原生植被遭破壞[3]。

2 濕地信息的遙感獲取與生態敏感性評價指標體系

2.1 數據來源

(1)高分辨率SPOT5、TM8影像；

(2)DEM高程影像數據。結合30和90 m分辨率DEM和實地調研數據處理所得。

2.2 數據獲取與濕地信息的遙感獲取

2.2.1 數據獲取

2.2.1.1 植被覆蓋度 植被覆蓋度是衡量地表植被生長狀況的重要指標，指植被垂直投影面積在研究區域總面積中的占比[19]。有研究表明，歸一化植被指數(NDVI)與植被覆蓋度的關系較為密切，具有一定的相關性[20]。歸一化植被指數在Erdas9.2軟件中獲取，通過歸一化植被指數公式建立植被覆蓋度與植被指數關系計算植被覆蓋度[3]。

2.2.1.2 水域、濕地生態緩沖區分析 緩沖區的設立是保護水域環境的重要手段和方法[21]。緩沖區分析作為ArcGIS空間分析功能之一，是研究水域、濕地的重要手段與方法，通過在分析對象周圍建立一定距離的面域來識別對鄰近對象的輻射或生態影響[22-23]。

2.2.2 濕地信息的遙感獲取 利用Erdas9.2和ArcGIS10.0軟件，以SPOT5遙感影像圖為數據源，通過幾何糾正、影像拼接、坐標糾正、地形校正等處理，使數據轉化為統一投影坐標的shapefile格式數據。

基于生成的統一投影坐標的shapefile格式數據，結合TM8遙感影像數據，運用ArcGIS10.0軟件進行人機交互解譯。根據區域用地的分布情況和空間布局特征，對濕地公園各景觀生態要素類型進行分類與統計，生成圖形數據和屬性數據，從而獲取濟西國家濕地公園的景觀生態要素類型濕地信息(見表1)。

表1 濟西國家濕地公園景觀生態要素類型信息統計表

2.3 構建生態敏感性評價指標體系

2.3.1 建立評價指標體系的基本原則 評價指標體系構建過程中，評價因子選擇、因子敏感等級劃定和權重確定最為重要，對評價結果的合理性影響最大[24]。對此，本文遵循以下原則：

(1)科學性與完整性原則。評價指標體系的建立首先要有科學性和完整性，使評價指標能夠全面、準確地反映現狀和發展趨勢，在此基礎上，注重指標體系的易操作性與概括性[3]。

(2)定性與定量相結合原則。盡可能對所選擇的生態因子進行量化，對當下認知水平難以量化的指標，采用半定量、半定性方式描述，定量分析可直觀體現數據，定性分析可使評價結果更加準確[3]。

(3)易獲取性與可操作性原則。為確保評價過程的可控度與評價結果的科學性，對評價指標的選擇應考慮到數據的可獲取性以及準確性[25]。

2.3.2 選取評價指標因子 選取評價指標因子是構建科學合理評價指標體系的基礎和前提，也是生態敏感性評價的核心與重點，應根據研究區域與研究問題的不同選取不同的評價因子，以確保評價結果的合理性。生態敏感因子的選取應充分考慮研究區域生態環境的特殊性及與其它區域的差異性，選取的生態敏感性因子應具有代表性[26]。運用特爾斐專家法從生態性、經濟性、社會性、環境效應、景觀效應五個維度選擇評價指標因子。

依據12位風景園林專家評價，選用權重值大于0.03的指標，最終確定坡度(0.03)、景觀生態價值(0.04)、景觀格局(0.045)、高程(0.06)、植被類型(0.07)、水域濕地(0.082)、植被覆蓋度(0.5)7個評價指標因子。

2.3.3 評價指標的分級 將各評價指標因子數據進行屬性分級，并在ArcGIS中生成屬性分級圖。各生態因子敏感性等級根據特爾斐專家評價法進行劃分，敏感等級劃分為不敏感、弱敏感、中敏感、高敏感、極敏感5個等級(見表2)。各評價因子敏感程度通過賦值表示，采用1、2、3、4、5代表敏感性的高低程度。

表2 生態敏感性評價單因子分級標準

單因子整體生態敏感度根據單因子各敏感區空間及面積分布特征進行劃分；若極敏感、高敏感區面積較大，則判定為高度敏感；若中敏感、弱敏感區面積較大，則判定為中度敏感；若弱敏感、不敏感區面積較大，則判定為弱度敏感[3]。

2.3.4 確定指標權重 由于不同的生態指標因子對土地利用方式的影響程度不同，為此，采用層次分析法依據各評價的生態指標因子對區域的影響程度，計算生態指標因子不同的權重值，評價指標因子影響越大則賦予的權值越大。

2.3.4.1 構建判斷矩陣 生態因子對比矩陣的建立，運用1～9標度法對生態因子之間的重要性和影響力進行評估打分。該評價的判斷矩陣見表3。

表3 生態因子對比矩陣

2.3.4.2 權重的計算 該判斷矩陣的最大特征根λmax=7.186，一致性指標CI=0.310， 隨機一致性指標RI見表4，最終得出CR=0.023。若得到的特征向量通過一致性檢驗，則該向量為指標權重。CR<0.1,所以該矩陣通過了一致性檢驗。該評價指標權重即：0.042，0.139，0.052，0.084，0.133，0.218，0.332。

表4 平均隨機一致性指標RI值

3 結果與分析

3.1 單因子生態敏感性評價與分析

3.1.1 坡度分析 研究區域相對坡度較小，坡度變化較大的區域主要集中在水域周邊及濕地公園的邊緣，其余坡度變化較小。根據表2對坡度生態敏感性進行分級賦值，并在ArcGIS中生成坡度生態敏感性分級圖(見圖2)。

表5 單指標因子生態敏感性等級信息

圖2 坡度生態敏感性分析圖像數據

從圖2和表5來看，高敏感、中敏感區分布較集中，面積較小，多在濕地公園邊緣區域和水域周邊區域，分別占總面積的4.7%、9.3%。弱敏感區與不敏感區面積較大且相對集中，分別占區域總面積的20.2%、65.8%。弱敏感區與不敏感區共占總面積的86%，由此可知該濕地公園坡度整體敏感度處于弱度敏感。

3.1.2 高程分析 通過對數字高程數據DEM進行分析可知，研究區域地形相對平坦，地勢呈現西高東低的走勢。根據表2對高程生態敏感性進行分級賦值，并在ArcGIS中生成高程生態敏感性分級圖(見圖3)。

從圖3與表5來看，極敏感、高敏感區域集中在邊緣區域，面積較小，極敏感占總面積的2.5%,高敏感占總面積的4.7%。不敏感區面積小也較為分散，分布在農田、村莊與水庫邊等區域,面積占比為3.2%。中敏感區與弱敏感區面積較大，覆蓋了濕地公園的大部分區域，囊括了村莊、農田、水域濕地、灌草地等各景觀要素類型，分別占公園總面積的57.8%、31.8%。中敏感區與弱敏感區共占公園總面積的89.6%，可見濟西國家濕地公園在高程方面的敏感度處于中度敏感程度。

圖3 高程生態敏感性分析圖像數據

3.1.3 景觀生態價值分析 濕地是城市景觀單元中最重要的自然空間,發揮著重要的景觀生態價值。景觀生態價值可為展現濕地公園整體風貌、挖掘區域特色等方面提供重要依據。景觀生態價值主要是從整體的景觀風貌、生態系統的完整性、珍稀瀕危物種集中度以及人工生態系統幾方面進行評價。根據表2對景觀生態價值敏感性進行分級賦值，并在ArcGIS中生成景觀生態價值敏感性分級圖(見圖4)。

圖4 景觀生態價值生態敏感性分析圖像數據

從圖4和表5可看出，高敏感區分布在公園西側，斑塊類型主要為村莊、建筑和農田，此處為部分稀有物種的生境地，原生境受到人為干擾且生態系統遭受一定破壞，這一敏感區域占區域總面積的23.8%。中敏感區為半自然生態系統，主要包括玉清湖水庫和部分坑塘，植被類型較單一，生物多樣性一般，人文景觀價值與自然景觀價值中等，中敏感區占總面積的37%。弱敏感區經過多年演變發展已經處于相對穩定的狀態，人工生態系統為主體，弱敏感區占總面積的39.2%。中敏感區與弱敏感區共占總面積的76.2%，由此可見，濟西國家濕地公園在景觀生態價值方面的敏感度處于中度敏感程度。

3.1.4 景觀格局分析 景觀格局分析在斑塊類型水平上選取了5個景觀格局指數進行景觀格局敏感性評價(見表6)。根據表2中各景觀格局指數的敏感度等級的評價值，在ArcGIS中疊加生成濕地公園景觀格局生態敏感性分級圖(見圖5)。

表6 景觀格局指數分析及景觀類型分級

從圖5與表5來看，極敏感、高敏感區分布較零散，多是村莊、建筑等區域，共占總面積的12.7%。中敏感區的面積比例為37%，分布區域最廣，占陸地的大部分地區。弱敏感主要分布于水域周邊的灘涂區域，占總面積的16.1%。不敏感區主要包括園區內黃河段、玉清湖水庫以及北部的水體，占總面積的34.2%。中敏感與弱敏感區域共占總面積的53.1%，由此可知景觀格局整體敏感度處于中度敏感。

圖5 景觀格局生態敏感性分析圖像數據

3.1.5 植被覆蓋度分析 植被覆蓋度越高、群落結構越豐富的區域，其生態穩定性越高，生態敏感性則越低，可反映某一區域植被生長狀況與發生水土流失的可能性。植被覆蓋度根據歸一化植被指數(NDVI)與相元二分模型進行估算。根據表2對植被覆蓋度生態敏感性進行分級賦值，并在ArcGIS中生成植被覆蓋度敏感性分級圖(見圖6)。

圖6 植被覆蓋度生態敏感性分析圖像數據

從圖6與表5來看，極敏感區主要分布于水域周邊，呈現集中態勢，占總面積的8.2%。高敏感區與中敏感區分布于除極敏感區外的各區域，分別占總面積的24.8%、26.4%。弱敏感、不敏感區分布在臨黃河及農田、村莊周圍，面積占比分別為16.7%、23.9%。中敏感區與弱敏感區共占總面積的43.1%，可見該濕地公園植被覆蓋度為中度敏感。

3.1.6 植被類型分析 不同植被類型的生態敏感度不同，植被覆蓋區的敏感度要高于建設用地，林地、灌草地生態敏感性一般高于農田。按照植被覆蓋類型將濕地公園劃分為水域濕地、農田、林地、灌草地、裸地5類。根據表2對植被類型生態敏感性進行分級賦值，并在ArcGIS中生成植被類型敏感性分級圖(見圖7)。

從圖7與表5來看，極敏感與高敏感區域分布相對集中，主要圍繞水庫、水塘等水域分布，分別占據總區域的53.2%、14.8%。中敏感、弱敏感與不敏感區分布相對零散，主要分布于水域、農田及其周邊區域，分別占總面積的19.7%、4.1%、8.2%。極敏感區與高敏感區共占總面積的68%，由此可知該濕地公園植被類型敏感度處于高度敏感。

圖7 植被類型生態敏感性分析圖像數據

3.1.7 水域、濕地分析 濕地公園內水域主要包括水庫、河流、水塘、水渠、灘涂等類型。距離水域、濕地越近的區域，生態功能越重要，生態敏感性越高。根據表2對水域、濕地生態敏感性進行分級賦值，并在ArcGIS中生成水域、濕地敏感性分級圖(見圖8)。

從圖8與表5來看，極敏感區分布在濕地公園中的水域區域，高敏感區為圍繞在水域周邊30 m范圍內的區域，分別占35%、16.8%。中敏感區為水域周邊30～80 m范圍內的區域，占總面積的17.5%。在水域周邊80～200 m范圍內的區域為弱敏感區，弱、不敏感區較集中，分別占20.7%、10%，主要分布于濕地公園西部，用地類型為農田、村莊及部分建筑。極敏感區與高敏感區共占總面積的51.8%，由此判定該濕地公園水域、濕地整體敏感度處于高度敏感。

圖8 水域、濕地生態敏感性分析圖像數據

3.2 生態敏感性綜合評價與分析

3.2.1 生態敏感性綜合評價 運用加權求和模型(見如下公式)，在ArcGIS中對7個單生態敏感性因子進行空間疊加分析，最終得到濕地公園的綜合生態敏感敏感度。

式中：j為評價單元編號；h為評價因子編號；n為評價因子總數；Sj為第j個評價單元的綜合值；Wh為第h個評價因子的權重；Cj(H)為第j個評價單元的第h個評價因子敏感性評價值。

通過上述分析得出濕地公園綜合評價值Sj的變化范圍為1.307～4.806，根據其空間分布特征確定敏感性綜合評價值的分級區間，從而進行生態敏感性等級的劃分(見表7)，最終生成濕地公園綜合生態敏感性分析圖(見圖9)。

表7 綜合生態敏感區等級信息統計表

圖9 綜合生態敏感性分析圖像數據

3.2.2 生態敏感性綜合分析 根據綜合生態敏感性分析圖與綜合生態敏感區等級信息統計表可知，濕地公園高敏感區集中分布于水體、灘涂、水渠、水庫等區域內(見圖9)，占區域總面積的32.5%，面積較大(見表7)。研究區域內珍惜動植物集中，自然生態系統遭受一定的破壞及較多人為干擾，原水系因部分濕地被開墾為農田而被破壞。這一區域對開發建設高度敏感，應以生態保護和修復為主并劃為生態保護區，嚴禁開發建設。對之前受到嚴重干擾的生態環境進行科學干預，可采取退耕還濕等方式修復濕地。

中敏感區大致分布于水域周邊的一些區域(見圖9)，占區域總面積的18.2%(見表7)，面積較小。此區域原生環境遭到了一定程度的破壞，植被覆蓋度偏低，生態環境較脆弱。此區域比較敏感，可承受輕微人為干擾，但應禁止大強度的開發建設。該敏感區的植物群落的恢復與重建是改善環境的主要方向。

弱敏感區在全園分布最廣，包括部分林地、灌草地及局部農田區域(見圖9)，占總面積的28.2%(見表7)。這一區域為半自然半人工景觀環境，植被類型單一，能夠承受一定程度的人為干擾。在此基礎上該區域可進行多功能、多途徑的開發，開發過程中應加強植被生態建設。

研究區的西部大部分區域及東部邊緣少數區域(見圖9)為不敏感區，多為村莊、農田，其面積占總面積的21.1%(見表7)。該區域可承受一定的開發建設強度，抗干擾性強，生態約束力較小，但由于此區域臨近黃河，在開發建設的過程中應防止對黃河產生污染，此外應注重場地特色的挖掘與應用，加強景觀效果。

4 結論

(1)濕地公園斑塊總數較多，各景觀要素數量及面積差異較大，各要素分布相對集中。其中水域濕地、林地、農田、灌草地面積較大，分別占總面積的34.5%、19.2%、18.3%、16%。村莊、道路、建筑、其它用地面積較小，分別占總面積的4.7%、2.6%、0.8%、3.9%。村莊、道路、農田及其他用地破碎化程度較高，其它景觀類型破碎化程度整體較小。

(2)通過對單因子生態敏感性分析，濟西國家濕地公園的水域濕地、植被類型為區域高度敏感因子，區域中度敏感因子有高程、植被覆蓋度、景觀生態價值和景觀格局，而坡度為區域弱度敏感因子。

(3)濕地公園綜合生態敏感度劃分為高度敏感、中度敏感、弱度敏感、不敏感4個等級，在區域中面積占比分別為32.5%、18.2%、28.2%、21.1%，高敏感區與中敏感區集中分布于水庫、灘涂、水渠及周邊區域內，應加大生態保護強度。整體上看，中敏感區與弱敏感區共占總面積的46.4%，因此濟西國家濕地公園綜合生態敏感度屬于中度敏感。