基于遙感的三門峽庫區濕地演變特征分析與土地利用健康評價

邱瑨豪，王富強，3*，張立新，張紅璐，唐 磊，3

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.北方民族大學，寧夏 銀川 750021；3.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點試驗室，河南 鄭州 450046）

0 引言

濕地作為人類最重要的生存環境之一，具有“地球之腎”的美譽［1］。 近年來，受氣候變化和人類對土地不合理開發利用的影響， 全球濕地系統的功能和空間結構都受到了嚴重威脅［2－3］。

遙感影像是指記錄各種地物電磁波大小的膠片或照片，主要分為航空像片和衛星照片。將遙感影像應用于土地利用系統中， 可了解某一區域土地利用在時間尺度范圍內的變化情況。 郭宇等利用Landsat TM 影像對黃河三角洲濕地進行了研究，并對黃河三角洲濕地土地利用演變進行了探索［4］；黃博等利用多光譜遙感影像和半轉移深度卷積神經網絡方法，對香港和深圳部分地區土地利用類型進行劃分，準確率達到了91.25%［5］；劉一成等利用無人機機載LIDAR 點云數據以及高光譜影像數據對中科院懷來實驗站地物進行分類，分類精度達到84.39%［6］；Bigdeli 等從激光雷達影像和高光譜遙感影像提取特征后，利用SVM 分類器對休斯敦地區土地利用類型進行了劃分［7］；喬雯鈺將高光譜影像與馬爾可夫隨機場相結合， 對黃河入?？跐竦赝恋乩妙愋瓦M行分類，分類精度有所提升［8］。

土地利用系統是一個涵蓋了自然、 經濟和社會的復合系統。關注土地利用系統的健康狀況，可以為區域可持續發展提供有效幫助。戴爾阜等采用“驅動力-狀態-響應”模型，對唐山地區的土地利用持續性進行評價［9］；S.Khademi 等利用核密度估計（KDE）和AHP 模型對城市土地利用方式和空間結構進行了評價［10］；Tzai－Zang Lee 等提出基于知識的河流土地評價系統， 并采用正向鏈式推理機導出評估建議和評估結果［11］。 劉鳳蓮等基于GIS 和遙感技術對武漢市土地利用時空演變特征進行了定量分析［12］；楊清可等用SBM－undesirable 模型對長三角地區16個城市的土地利用效率進行了評價［13］；洪惠坤等基于PSR 模型并采用改進TOPSIS 方法對三峽庫區生態敏感區進行土地利用健康評價［14］；李鑫等基于TM 遙感影像， 對安徽省升金湖國家自然保護區進行了生態風險評估［15］。

綜合國內外研究可知， 它們大多是對城市土地利用健康狀況進行評價研究， 或是對河流三角洲濕地、河流源區濕地演變進行分析，涉及多泥沙河流濕地的演變分析和土地利用健康評價的相對較少。黃河是全球最典型的多泥沙河流之一，三門峽庫區濕地地處黃河中游， 是黃河中游地區濕地多樣性最豐富的區域之一［16］。 筆者基于1979～2017 年8 期Landsat 系列遙感影像數據，對三門峽庫區濕地土地利用信息進行了提取， 并選用單一土地動態模型揭示了三門峽庫區濕地土地利用類型的演變規律，運用模糊層次分析法對研究區2017 年濕地土地利用健康狀況進行了研究，以期為當地濕地保護、土地利用結構和功能的優化提供參考。

1 研究區域概況

三門峽水庫位于黃河中游， 控制流域面積占黃河流域總面積的91.5%。 本研究將潼關至三門峽大壩庫段作為研究區域。 該庫段長113.5 km， 寬度為1～6 km，河槽寬度約為0.5 km。研究區以黃河為分界線，北岸地勢較高，而南岸多為平原區，地勢較為平坦，最高海拔為633 m，最低海拔為301 m，平均相差332 m。潼關至大壩庫段位于汾渭盆地內，介于北山、呂梁山系與秦嶺山脈之間。

庫區濕地類型較為多樣，包括河流濕地、灘涂濕地、湖泊及庫塘濕地、沼澤濕地等，在黃河中游特殊的水沙條件和水庫的不同運作方式下， 濕地的景觀格局也發生相應的變化。

2 數據來源及分析

2.1 數據來源

本研究中選用的數據包括矢量數據、Landsat 遙感影像數據和實地調研資料。遙感數據選用1979 年10 月、1990 年8 月、2000 年8 月、2010 年7 月、2017年3 月、2017 年5 月、2017 年8 月、2017 年11 月共計8 期的遙感影像，具體如表1 所示。 調查數據來源于2017 年3、5、8、11 月進行的4 次實地調查，數據涵蓋濕地水質、 植被覆蓋率和濕地管理能力等指標數據。統計數據來自《三門峽市統計年鑒》等統計資料，數據涵蓋人均GDP、特色農業產值等指標數據。

表1 遙感影像選用情況Tab.1 Selection of remote sensing images

2.2 數據處理方法

對所選取的遙感影像，先進行圖像配準，再將其與Band8 進行影像融合。 對融合后的影像數據進行輻射定標和標準大氣校正，之后進行裁剪。對搜集到的指標數據進行標準化處理。

3 遙感解譯與指標體系構建

3.1 遙感解譯

根據研究目的和研究區的地物類型特點，參考相關分類標準， 對三門峽庫區濕地覆被類型進行了分類。 因人機交互式解譯既可以發揮解譯者辨別地物類型的優勢， 又可以對巨大的空間數據信息進行定量分析， 還能更加準確地對遙感影像進行解譯［17］，本研究采用人機交互式解譯的方法對三門峽庫區濕地地表覆被信息進行了提取，結果如表2 所示。

表2 三門峽庫區濕地地表各類型覆被面積 單位：km2Fig.2 Covered area of various types in Sanmenxia reservoir area（Unit：km2）

3.2 土地利用健康評價指標體系構建

土地利用系統是結合了自然、 社會和經濟的多維系統。它以人類可持續發展為目標，將整個土地利用評價系統看作一個“有機體”，從系統的結構、功能和效益等方面進行整體評價，看其是否滿足經濟、社會和生態和諧統一的要求。 本研究在參考相關文獻和實地調研的基礎上，從土地利用結構、經濟社會效益、 生態系統功能3 個方面構建土地利用健康評價指標體系， 并采用層次分析法對各指標權重進行計算，結果如表3 所示［18－19］。

表3 三門峽庫區濕地土地利用健康評價指標體系Tab.3 Index system of wetland land utilization health assessment in Sanmenxia reservoir area

4 濕地演變分析

4.1 計算模型

本研究選用單一土地動態模型計算1979～2017年三門峽庫區濕地土地利用類型的變化情況， 其表達式為式（1）［20］。

式中：K 為某種類型土地利用年變化率；U1是研究區某一類型土地面積的起始面積，km2；U2是研究區某一類型土地面積的末期面積，km2；T 為研究時間，年。

4.2 1979～2017 年年際演變及驅動機制分析

利用單一土地動態模型對1979～2017 年三門峽庫區濕地各土地利用類型年變化率進行了計算， 結果如表4 所示，各土地利用類型變化情況如圖1 所示。

圖1 1979～2017 年三門峽庫區土地利用類型變化情況Fig.1 Changes of land utilization types in Sanmenxia reservoir area from 1979 to 2017

表4 1979～2017 年三門峽庫區濕地各土地利用類型年變化率Tab.4 Annual change rates of wetland land utilization types in Sanmenxia reservoir area from 1979 to 2017

研究發現：1979～2010 年，三門峽庫區濕地總面積減少了122.24 km2；2010～2017 年，三門峽庫區濕地面積增加了33.7km2。其原因主要是受黃河上游來水量和人類活動的影響。1979～1990 年，受龍羊峽大壩的影響， 上游來水量急劇減少， 因沒有足夠的水量，濕地退化，面積不斷減少；1990～2000 年，三門峽庫區濕地氣溫整體呈上升趨勢，濕地水量減少，面積萎縮；2000～2010 年， 小浪底水庫建成并投入使用，三門峽庫區水位穩定，導致了大批灘涂濕地被侵占；2010～2017 年，在政府的引導下，制訂了相關保護和發展規劃，同時由于近年來農業生產效益較低，農業開發活動對濕地的間歇性破壞減少， 且部分耕地退化，濕地面積得以增加。

4.3 2017 年內演變及驅動機制分析

2017 年，三門峽庫區土地利用類型變化情況如圖2 所示。

圖2 2017 年三門峽庫區土地利用類型變化情況Fig.2 Changes of land utilization types in Sanmenxia reservoir area in 2017

由圖2 可以發現， 三門峽庫區濕地面積在汛期減少，非汛期增加；河流濕地面積在汛期有所減少，非汛期增加； 湖泊庫塘濕地面積在汛期與非汛期只有略微增減；灘涂濕地面積在汛期有所增加，非汛期減少。 出現這一變化規律主要是由于三門峽水庫汛期泄洪排沙， 致使濕地水量減少， 沿岸灘地逐漸裸露，灘涂濕地面積增加。 汛期又正值作物生長季節，部分灘涂濕地被侵占用于種植， 因此耕地的面積也有所上升。而非汛期水庫水位上升，被侵占的灘地又被淹沒，濕地面積有所恢復。

5 三門峽庫區濕地土地利用健康評價

本研究運用模糊綜合評價法進行土地利用健康評價。

5.1 土地利用健康等級劃分

本研究在參考國內外土地利用系統健康等級劃分的基礎上［21］，將土地利用系統劃分為：健康、亞健康、中等、不健康、惡化5 個等級，用［0，1］的值進行打分，健康等級對應的分值如表5 所示。

表5 三門峽庫區濕地土地利用健康分級標準Tab.5 Health grading standards of wetland land utilization in Sanmenxia reservoir area

5.2 構建隸屬度矩陣

隸屬函數用于描述指標在一個模糊集合中的隸屬關系。 本研究對于正向指標和負向指標采用的隸屬函數分別為式（2）和式（3）。 經計算，三門峽庫區濕地土地利用健康評級各指標隸屬度如表6所示。

表6 三門峽庫區濕地土地利用健康評級各指標隸屬度Tab.6 Membership degree of each index of wetland land utilization health rating in Sanmenxia reservoir area

5.3 評估向量計算

通過模糊算法將模糊隸屬度矩陣與指標權重結合起來，得到評估向量，如式（4）所示。

式中：ωi為評價指標i（i＝1，2，…，m） 的權重；γij為評價指標i 的第j（j＝1，2，…，n） 級模糊隸屬度；βj為評價指標在評價等級劃分中的隸屬度；m 為評價指標總數；n 為評價等級數。

5.4 綜合性指數ICEI 計算

通過多目標線性加權函數計算， 形成一個綜合性指數ICEI，對土地利用系統健康進行評價。ICEI計算公式為式（5）。

通過多目標線性加權函數計算，得到2017 年三門峽庫區濕地土地利用結構、經濟社會效益、生態系統功能3 個準則層的綜合評判指數分別為0.272、0.327 和0.244，三門峽庫區濕地土地利用健康評價綜合指數為0.843。土地利用健康狀況處于“亞健康”狀態。結果表明，三門峽庫區濕地土地利用結構比較合理，經濟社會發展與生態服務功能一般。面對輕微生態環境壓力具有一定的抵抗能力。 在維持經濟發展的同時，需要注重對土地資源的適度開發利用。

6 結語

本研究利用1979～2017 年8 期Landsat 系列遙感影像，借助遙感技術，對三門峽庫區濕地土地利用信息進行了提取，同時選用單一土地動態模型，分析了三門峽庫區濕地各土地利用類型的年際和年內演變特征， 并運用層次分析和模糊綜合評判法從土地利用結構、經濟社會效益、生態系統功能3 個方面、17 項指標進行了土地利用健康評價。 結果表明：

（1）1979～2017 年，三門峽庫區濕地面積整體下降了82.7 km2， 主要原因是黃河上游頻繁的人類活動，致使庫區來水量銳減，濕地面積減少；加之耕地侵占與氣溫上升，導致庫區濕地面積進一步減少。

（2）2017 年，三門峽庫區汛期濕地面積減少，非汛期濕地面積增加。這是由于汛期水庫泄水運行，濕地含水量減少，裸露出來的灘地被開墾為農田；非汛期水庫蓄水運行水位回升， 被破壞的灘地又得以短暫性的恢復。

（3）采用層次分析法和模糊綜合評判法，得到三門峽庫區濕地土地利用結構、經濟社會效益、生態系統功能3 個目標層的綜合評判指數分別為0.272、0.327 和0.244。2017 年三門峽庫區濕地土地利用健康評價綜合指數為0.843。 土地利用健康狀況處于“亞健康”狀態。

（4） 在對三門峽庫區濕地土地利用健康評價的基礎上， 結合汛期與非汛期各土地利用類型的演變規律，合理進行開發利用，有利于三門峽庫區濕地經濟發展、社會進步和生態服務的和諧統一。