近20年来淇澳岛红树林湿地景观格局分析

收稿日期:2004-10-25; 修订日期:2005-01-07
基金项目:广东省自然科学基金(031647);联合国环境规划署(U NEP)/全球环境基金(GEF)湿地专题;国家水利部/珠江河口综合治理
规划0专题(03-32110-4108164);/985工程0中山大学GIS 与遥感的地学应用科技创新平台(Ò类)项目
作者简介:王树功(1971-),男,讲师,从事资源环境与区域可持续发展研究,已发表论文30多篇。

E-mail:esswsg@
近20年来淇澳岛红树林湿地景观格局分析
王树功
1,2
,黎 夏3,刘 凯
4,5
,周永章2,陈桂珠
1
(1.中山大学环境科学研究所,广东广州510275;2.中山大学地球环境与地球资源研究中心,广东广州510275;3.中山大学遥感与地理信息工程系,广东广州510275;4.中国科学院广州地球化学研究所,广东广州510064;
5.广州地理研究所,广东广州510070)
摘要:该文分析近20a 来淇澳岛红树林湿地景观格局演变,采用遥感和GIS 相结合的方法,利用遥感图像处理软件ERDAS 对3个时相(1988年、1995年、2002年)的Landsat TM 遥感图像应用专家系统方法分类;结合ARCGIS 811,辅助FRAGSTATS 3101景观软件计算斑块和类型水平上的景观格局指数。

淇澳岛红树林面积呈上升趋势,1988年、1995年和2002年分别为20116hm 2、28108hm 2、57196hm 2;斑块数目从1988年的1个增加到2002年的18个,总斑块密度、平均斑块周长面积比呈上升趋势;平均斑块大小、平均斑块分维数、平均斑块形状指数呈下降趋势。

近20a 来淇澳岛红树林湿地景观受人为干扰,景观破碎化程度不断扩大,需对湿地多功能景观进行科学调控。

关键词:红树林湿地;景观格局分析;遥感;GIS;淇澳岛
中图分类号:Q149 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2005)02-0053-05
湿地景观空间格局是研究湿地景观功能和动态的基础,可以揭示湿地景观变化的动因、规律和机制,为湿地资源的可持续利用和自然保护区管理提供依据,并对湿地恢复有所帮助。

20世纪80年代以来,遥感和GIS 的发展为湿地景观的定量研究提供了条件。

景观格局指标已成为景观生态学界广泛使用的一种定量研究方法,最近应用到湿地景观研究中。

国内外[1-16]已有较多利用遥感与GIS 进行湿地景观格局的研究。

针对红树林湿地景观,笔者选择珠江口淇澳岛红树林湿地为研究对象,利用遥感图像处理软件ERDAS 对3个时相(1988年、1995年、2002年)的遥感图像应用专家系统方法分类;结合ARCGIS 811,辅助FRAGSTATS 3101景观软件进行景观指数计算,在斑块和类型水平上进行空间指数分析,揭示导致其变化的驱动力,为淇澳岛红树林湿地保护和利用提供依据。

1 研究区概况
淇澳岛位于珠海市唐家镇东北约2km 处,面积约24km 2,常住人口约2000人。

它是珠江口伶仃洋内的一个小岛(图1),位于伶仃洋水道(西槽)西
侧,金星门的东北侧,横门浅滩、进口浅滩、西边滩的南面。

该岛分布有大围湾、石井湾、金星湾等海湾。

淇澳岛属于南亚热带海洋性气候,常年平均气温为2214e ,最低气温出现在1月,历年极端最低气温为
图1 研究区域略图
Fig.1 The sketch of the study area
215e 。

\10e 年积温为804313e ,年平均日照时数为190714h,年平均降水量为196414mm 。

潮汐属不正规半日潮,平均高潮位为0117m,平均低潮位为-0114m 。

淇澳岛夏季以东南风为主,冬季以东北风为主。

海水盐度年平均值为1812j ,土壤属于滨海盐渍草甸沼泽土,其表土(0~13cm)含盐量为20182j 。

淇澳岛泥沙主要来源于横门水道来沙以及涨潮时金星门小环流的输沙,其海岸滩涂广阔,历史上曾生长大片红树林。

1984年在石井湾、大澳湾、大围湾分布有红树林10912hm 2
,至1998年仅大围湾有3212hm 2
保存下来,且40%为桐花树、老鼠勒和卤蕨群落,高度仅为018~215m [17]。

从1998年开始,珠海市政府每年投入120万元
第21卷 第2期
2005年3月
地理与地理信息科学
Geography and Geo-Infor mation Science
Vol.21 No.2March 2005
引种扩种红树林,2000年批准成立淇澳岛红树林保护区。

2004年7月14日在首届泛珠三角区域经贸合作洽谈会上,珠海市签下总投资约415亿元的淇澳红树林湿地公园项目[18]。

该项目的投资者准备依托淇澳岛的红树林湿地资源,在红树林保护区外围建设一座占地384hm2的红树林湿地公园,并进行生态旅游开发。

2研究方法
2.1遥感图像的处理
2.1.1数据来源、数据处理及研究方法本研究选用3个时相的Landsat TM卫星遥感数据,分辨率为30m@30m。

成像时间分别为1988年12月10日、1995年12月30日和2002年11月7日。

辅助数据有珠江口1B25万DEM数据、珠江口附近1B5万的矢量水系分布图、潮位信息数据、珠江口附近行政界线图以及相关文献资料等。

数据预处理主要是对原始数据进行辐射校正、几何纠正,并对不同时相遥感图像之间进行辐射度匹配与归一化处理。

预处理以2002年TM图像的直方图为基础,将其它图像的直方图与之匹配,以便不同时相图像上的像元亮度值具有可对比性。

研究方法为选择分类后比较的方法,同时采取结合地学信息的专家分类方法,以减少人为干预对分类精度带来的影响。

2.1.2基于专家系统红树林信息提取方法红树林信息提取是根据所制定的专家分类器(Expert Cla ssifi2 er)对多时相TM图像分类获得。

专家分类器提供了一种基于规则的方法[19],用于对多波段图像进行分类。

TM2波段对植物的绿反射敏感,一般可应用在识别植物类别;TM图像的两个红外波段(TM5、TM7)对水体和水陆界线的反应特别敏锐,因为水体在红外波段的反射率低,而陆地上的土壤、植被、建筑物等亮度值较高;归一化植被指数(ND VI)被定义为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值。

众多研究表明,ND VI是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。

综合TM图像的以上特点,本研究选用TM2、TM5、TM7和NDVI作为专家分类器的基本条件参数。

对经过几何纠正和直方图匹配后的3个时相的T M图像,求其归一化植被指数图,因为一直使用2002年的TM图像作为其它2个时相几何纠正和直方图匹配的基础,所以结合野外红树林调查的GPS 控制点,在2002年的植被指数图像上训练红树林样地的光谱值。

经过反复训练、检查,最后确定在植被指数图像上的[01664,01852]为红树林的光谱值区间。

在3个时相的遥感图像中,水体在TM5、TM7波段的DN值(遥感图像的灰度值)基本都是0,以0作为判别水体和陆地的依据;不同植被在TM2的DN值不同,根据野外采样的红树林样地,训练红树林位于T M2的DN值区间为[41,47]。

由于研究区域淇澳岛上植被覆盖率高,山体上植被的光谱信息难区分。

为此,依据红树林一般位于潮间带地区、海拔低的生长特性,利用珠江口地区1B25万的DEM数据,屏蔽掉海拔超过10m的地区,以去除山体的混合信息。

2.2景观指数计算方法
景观指数是指能够浓缩景观格局信息[20],反映其结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标,一般分为缀块水平指数(patch-level index)、缀块类型水平指数(class-level index)以及景观水平指数(landscape-level index)。

具体包括:面积指数,如总栖息地面积;边缘指数,如栖息地周长;斑块指数,如斑块形状指数;连通性指数,如破碎化;斑块多样性,如斑块类型平均和优势。

随着GIS技术的应用以及FRAGSTATS、APACK等免费软件包的不断升级,结合GIS软件进行湿地景观指数计算,并依据计算数据对湿地景观变化进行定量分析,已成为湿地景观变化过程和影响机制研究趋势之一。

本研究主要借助FRAGSTATS的栅格矢量版本进行计算。

由于这里主要针对红树林这一单一湿地景观进行研究,因此选用斑块和类型水平上的一些指数(如面积、周长、平均斑块大小、分维数、平均形状指数(MSI)、平均斑块周长面积比等)进行景观空间格局分析,其科学性更强。

具体计算方法[14,15,20,21]如下(更详细的计算公式及其说明参见景观软件说明手册/ products/fragstatsarc/手册):
(1)总斑块数目:景观或类型水平上的斑块数目。

(2)平均斑块大小(mean patch size,average area per patch)
MPSi=
2
n
j=1
area-of-patch-j
total-patches-of-class-i
式中:MPSi为类型i的平均斑块大小,n为类型i的斑块个数。

或MPS=A/N@106,表示景观中所有缀块的总面积(m2)除以缀块总数,再乘以106(转换成km2)。

取值范围:MPS>0,无上限。

(3)分维数(mean fractal dimension index)实际上是一个回归系数的2倍,即:D=2k。

这里D是分
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第地理与地理信息科学第21卷
维数,k是斑块面积与周长之间的回归系数:
log2(l/4)=klog2(s)+c
式中:l为斑块的周长;s为同一斑块的面积;c为常数。

此指标在类型水平和斑块水平上都可以计算,取值为1~2。

其值越接近1,景观中斑块的边界形状越简单,越接近于直线;分维数越接近2,构成景观的斑块边界形状越复杂。

(4)平均斑块周长面积比(average patch perime2 ter/area ratio)
PAi=2
n
j=1
per imeter-of-patch-j area-of-patch-j
n
式中:PAi为平均斑块周长面积比;n是类型i的斑块个数。

此指标在景观水平上也适用。

(5)总斑块边界密度(total edge density)
EDi=per imeter-of-class-i total-study-area
式中:EDi为类型i的斑块边界密度。

(6)平均形状指数
MSI=2(0125p/a)
n
式中:p为周长;a为面积;n为斑块数量;MSI取值为1~]。

(7)最大斑块指数
LPI=Max(a1,,,a n)
A
@100
式中:a1,,,a n为各斑块的面积;A为景观总面积; LPI取值为0~100。

3研究结果
3.1遥感分类结果
根据上述方法,对3个时相的TM图像进行专家分类,生成红树林图像(图2)。

3个时相的红树林面积变化见表1。

图23个时相淇澳岛红树林景观演变
Fig.2The landscape evolution of Qi.ao Island
over the3multiple temporal p hases
表1淇澳岛3个时相的红树林面积变化
Table1Area changes of mangrove in Qi.ao I s land
over the3multiple temporal phases
年份红树林面积(hm2)红树林面积变化(%)
198820.16100
199528.08139.283.2景观指数计算结果
借助FRAGSTATS3101景观软件计算淇澳岛3个时相的空间指数(表2)。

表2淇澳岛3个时相景观指数计算结果
Table2Landscape pattern metrics of Qi.ao Island
mangrove forests in the3multiple temporal phases
景观指数1988年1995年2002年总斑块数目(NP)1518
斑块密度(PD)0.08200.4099 1.4758
平均斑块大小(MPS)(hm2)9.27 4.4284 3.22总面积(hm2)9.2722.1457.96
总周长(m)288006660021720平均斑块周长面积比(PA)310.6796702.2854873.3572
平均斑块分维数(FRAC-MN) 1.1505 1.1001 1.0578总斑块边界密度(ED) 2.3613 5.460417.8079平均斑块形状指数(MSI) 2.2857 1.6986 1.5050最大斑块指数(LPI)0.7600 1.4168 3.0106
4结果分析
4.1红树林面积变化分析
从图2和表1看出,1988年该岛的东北部和西北部有两个红树林条带,为自然生的红树林;到1995年,东北部的红树林已经被破坏,而西北部大围湾地区的红树林保护较好,并且向海的方向扩展较多,所以这一段时间总体面积呈现上升趋势。

自1999年珠海市政府每年投入120万元发展红树林,2000年批准建立淇澳岛市级红树林保护区,西北部大围湾地区红树林迅速扩展,由1995年的28108hm2发展到2002年的57196hm2(不包括当年新种植的红树林,因为新种植的红树林比较矮小且没有茂密的枝叶,其光谱信息不强,整体上反映出水体和泥沙的光谱信息)。

在2004年6月野外复查时,当地对外宣传有红树林500hm2(是红树林湿地面积,不是单纯的红树林面积),并已成为当地及周边地区有名的旅游地,所以2002年图像上淇澳岛的红树林统计面积比实地要低。

其红树林已由1988年的自然林转变为现在的人工林,但引种扩种红树林群落的种类比较单一,主要以无瓣海桑群落(son2 neratia apetala community)为主。

4.2红树林湿地景观格局变化分析
根据表2的计算结果,选取其中6个景观指数说明淇澳岛红树林湿地景观(1988)2002年的变化情况如图3所示)。

4.2.1淇澳岛红树林湿地景观的破碎化程度逐步增大从景观指数的变化看出,斑块数目不断增多,从1988年的1个增加到2002年的18个;平均斑块大小在近20a呈下降趋势;斑块密度呈上升趋势。

其原因主要是人类在淇澳岛上的干扰活动逐步增多
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第
第2期王树功等:近20年来淇澳岛红树林湿地景观格局分析
和增强。

从图2可以看出,道路面积逐年增多,更加便于人类活动,特别是养殖、
旅游等。

图3 淇澳岛红树林湿地景观格局变化的定量描述
Fig.3 Quantitative descr iption of landscape pattern change
for Qi .ao Island mangrove forest wetland
4.2.2 淇澳岛红树林景观的平均斑块分维数呈下降趋势 1988年的分维数为1115,1995年为1110,2002年为1105,说明淇澳岛红树林斑块的形状复杂程度降低,这主要由人类干扰活动所致。

随着人类干扰程度的增加,斑块数迅速增多,而新增加的斑块主要是人为引种扩种红树林形成,形状相对规则,平均间距一般为2m @2m 。

分维数可通过几种途径描述湿地缀块形状的生态意义[15]。

1)一个有机体遭遇边界增加的可能性,作为缀块增加的维数;2)群落交错区功能依赖于其扩充的表面面积;3)如果湿地缀块的维数降至一个临界值,那么有机体的丰富度(需要边界生境的总量)受限;4)不规则曲线或面的重要特性是:当测量单元降低时,长度和面积呈现不协调的大;5)湿地不规则型的事实可为生态学家构造景观模型提供信息;6)维数可用于检测湿地受人类活动的影响。

4.2.3 平均斑块形状指数呈现下降趋势 说明淇澳岛红树林湿地景观中的斑块形状趋于简单,这主要由人类活动造成,即人工新形成的斑块较为规则。

4.3 红树林湿地景观格局调控建议
通过上述分析,淇澳岛红树林湿地景观近20a 已经越来越多地受到人类活动的干扰。

为此,提出如下建议:为恢复淇澳岛红树林湿地典型生态序列,需要在引种扩种基础上,发挥红树林湿地景观多重功能,特别是要将重点放在当地红树林树种的恢复上;淇澳岛红树林市级保护区的设立对红树林保护和管理提供了法律支撑,建议近期申报省级保护区;生态旅游也是红树林湿地资源的功能和价值之一,建设红树林湿地公园是实现的手段之一,必须高标
准、高规划设计湿地公园,真正实现生态旅游;进一步利用遥感与GIS 技术开展淇澳岛红树林景观格局及其它方面的研究,为科学管理和研究提供依据。

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Landscape Pattern Analyses on the Mangrove Forest Wetland of Qi .ao Island in the Last Two Decades
WANG Shu-gong 1,2,LI Xia 3,LIU Kai 4,5,ZHOU Yong-zhang 2,CHEN Gui-zhu 1(1.I nstitute o f Environmental Science,Zhongsha n Univer sity,Gua ngzhou 510275;2.Center f or Ear th Environment &Reso ur ces,Zhongsha n Univer sity,Guangzhou 510275;
3.Depar tment of Remote Sensing and G eo gr aphical I n f or mation Engineer ing ,Zhongsha n Univer sity,Gua ngzhou 510275;
4.Gua ngz hou I nstitute o f Geochemistry,CAS ,Guangzhou 510064;
5.Guangzhou I nstitute of Geo gr aphy,Gua ngzhou 510070,China )
Abstr act:In order to realize the sustainable utilization of wetland resour ces,conservation management and wetland r estor ation,the landscape pattern change of mangrove for est wetland in Qi .ao Island was analyzed.With ERDAS software,three temporal remote sensing imageries (in 1988,1995,2002)were processed by expert classification method.The landscape metrics/indexes,such as total number of patches,mean patch size,average patch perimeter/area r atio,total edge density,mean patch fractal dimension,mean shape index,largest patch index,total area,total edge,were calculated by Fragstats3101softwar e.T he r esults showed as follows:1)The area of mangrove forest presented rise trend,the area was 20116hm 2in 1988,28108hm 2in 1995,57196hm 2in 2002,which was mainly induced by the reforestation engineering since 1999.2)Disturbed by human activities,total number of patches increased from 1in 1988to 18in 2002,total patch edge density increased fr om 213613in 1988to 1718079in 2002,average patch perimeter/area r atio increased from 31016796in 1988to 87313572in 2002.This showed the fr agmentat ion of mangrove forest landscape enhanced by hu 2man-induced activit ies.3)Mean patch fractal dimension decreased from 111505in 1988to 110578in 2002,mean shape index de 2creased from 212857in 1988to 115050in 2002,which showed the complexity of patches decreasing by human disturbance.I n the fu 2ture,some regulating and controlling counter measures should be put forward for mangrove forest wetland multi-function landscape patter n.
Key words:mangrove forest wetland;landscape pattern analysis;remote sensing;GI S;Qi .ao Island
(上接第52页)
A Review and Prospect of Studies on the Intensified Ur ban Land Use in China since 1990s
MAO Jiang-xing,YAN Xiao-pei,WANG Ai-min,LI Xiang,QIAN Zi-hua
(Center f or Ur ba n a nd Regional Studies,Zhongsha n Univer sity,Gua ngzhou 510275,China )
Abstr act:One of the most headachy problems that have aroused the extensive attentions of r esearchers,planners and government offi 2cials is the coexistence of t he vast farmland occupation and t he serious waste of urban land in the process of China .s economy boom and rapid urbanization.With lot .s of literatures,the authors give a comprehensive review of the progr ess in the studies of the intensi 2fied urban land use (IULU)mainly fr om the following thr ee angles:qualitative studies,quantificat ional studies and methods of ap 2proaching intensified land use.Firstly,in the categor y of qualitative studies,the authors summar ize the ideas in this research field around thr ee points,that is,the concept and meanings of the IULU,the existing problems and the necessary for the IULU,and the r elat ive theoretical studies in t he IULU.Secondly,in the quantificat ional study category,t he authors examine the achievements of the studies of IULU evaluation from three aspects:the methods,the index systems,and the techniques and t heir applications.Thirdly,from the problem-solving angle,the authors make a useful contr ibut ion by sorting the suggestions of the literatures,based on their emphasis,into four channels:laws and stages of urbanization,market force mechanism,gover nmental macro-regulation mechanism and public participation principle.At the end,some suggestions and elicitations for refer ence to the related researches in China are put forward.
Key words:urban land use;intensified urban land use;index system
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57第第2期 王树功等:近20年来淇澳岛红树林湿地景观格局分析。