基于Landsat_TM_...域生态系统格局及其变化评估_吴作航.pdf

生态系统格局及其变化评估能反映生态系统的空间分布规律及各类生态系统之间的转换关系，对生态保护、规划区域经济发展、土地管理等生态文明建设工作具有重要意义1.气候和环境变化等自然因素是影响生态系统结构组成和分布格局的基础原因之一，而人为因素在生态系统变化中也起到了重要作用.过去20多年间我国经历了经济持续增长、城镇化进程持续推进的高速发展，同时资源开发力度不断加强，各地生态环境都受到不小的波及，各类生态系统如森林、灌丛、草地、水域与湿地、农田、城镇、裸地等局部变化明显，重要生态保护区受到人类活动的威胁不断增加.研究生态系统格局及其动态变化，能够快速了解区域生态环境现状、发现问题并提出针对性保护对策，对提高区域管理水平及规划未来生态发展有着重要意义2.开展对水体流域生态系统的有效监测工作，能够评价和分析流域内生态系统的健康状况及发展趋势，也能为生态保护相关政策和规划的制定及系统治理提供科学依据3-4.近年来，基于卫星遥感数据开展的生态系统相关研究覆盖各个领域，如地质勘探5-7、农业8-9、环境保护与治理10-11及气象应用12-13等方面.在生态系统格局变化方面也有大量的专家学者使用遥感技术进行了研究，并取得了一系列成果.如幸赞品14利用19752015年Landsat影像数据定量分析了宁夏近40年来生态系统格局宏观变化；吴丹15用人类扰动指数变化幅度和变化程度刻画人类活动对生态系统的扰动程度；马广文16以我国岷江、白龙江、赣江和闽江4个典型流域为研究对象，开展生态系统格局及变化的评估；王坎17评估了丹江口库区生态系统格局变化，提出了应时刻重视生态系统转变的结论.本研究以福建省莆田市木兰溪流域为研究区域，基于19942020年Landsat影像，通过人机交互解译、面向对象分割和监督分类的方法，获得木兰溪流域1994、1999、2005、2010、2015、2020年共6期各生态系统类型构成和分布情况，从生态系统面积、面积变化率、变化方向3个方面分析研究区主要生态系统格局及变化情况.以期为地方政府了解全流域的环境变化和生态系统格局及其变化提供有效帮助，并为今后开展木兰溪流域生态补偿、生态恢复与生态管理等工作提供科学支持.基于Landsat TM/OLI的福建省木兰溪流域生态系统格局及其变化评估吴作航1，孙蔡亮2*，廖廓1，梁宝元2（1.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001；2.福建省莆田市气象局，福建 莆田 351100）摘要：基于19942020年间的6期Landsat TM/OLI影像，分析木兰溪流域生态系统格局及其变化情况.结果表明：木兰溪流域最主要的生态系统类型为森林、农田与城镇三类生态系统，共占木兰溪流域总面积的92.87%.其中，森林生态系统占54.64%，面积为929.39 km2.19942020年，各类生态系统间存在不同程度的相互转化，基本为净转出，其中草地、灌丛生态系统转出量较大（分别为 58.35%、33.13%），仅有城镇生态系统为净转入（257.28%），增加面积214.34 km2，主要来自农田、森林和草地生态系统.总体而言，19942020年木兰溪流域生态系统格局基本保持稳定，城镇生态系统的大量增加与灌丛、草地生态系统的减少，反映了木兰溪流域生态环境与城市化、经济社会发展之间的紧密联系，更加强调了在保护生态环境的前提下实现可持续发展的重要性.关键词：木兰溪流域；生态系统格局；影像分析；Landsat TM/OLI影像中图分类号：X87；X171.1文献标识码：A文章编号：2095-2481（2023）02-0197-10收稿日期：2022-02-22作者简介：吴作航（1995），男，助理工程师.E-mail:.*通信作者:孙蔡亮（1984），男，高级工程师.E-mail:.基金项目：中国气象局创新发展专项（CXFZ2022P010）；福建省海峡气象开放室课题（2020KX03）；福建省气象局开放式科研基金项目（2021KFM03）第 35 卷第 2 期2023 年 6 月宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University（Natural Science)Vol.35 No.2Jun.2023DOI:10.15911/ki.35-1311/n.2023.02.015宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月1研究区域概况木兰溪位于福建省中部，流域面积1 732 km2，经纬度范围为11838E11906E、2522N2525N，主要流域范围为莆田市仙游县及莆田市区（图1）.北部为中山，中部地势平坦，以丘陵盆地为主，南部主要为丘陵台地.该区域为亚热带季风气候，气候湿润、雨量充足、温度适宜、日照充足，气候条件优越.并且，木兰溪流域具有较好的土壤条件、水文条件，生物资源与土地资源丰富，在生态环境保护工作方面卓有成效.km图1木兰溪流域范围2资料来源和研究方法2.1资料来源木兰溪流域生态系统类型解译所用影像主要为覆盖木兰溪流域的1994、1999、2005、2010、2015、2020 年 10 至 11 月共 6 期 Landsat TM/OLI 影像，获取方式为地理空间数据云（http:/ m.GF1/ZY3参考影像与矢量数据获取自福建省生态气象与卫星遥感中心，土地覆盖类型数据通过遥感解译获取.Landsat系列卫星数据为地球系统科学与地表特征研究中最有效的遥感数据之一，已开展了连续半个世纪的连续对地观测，积累了宝贵的影像资料，成绩斐然18-19.持续可靠的Landsat遥感资料为研究长时间序列的生态系统变化格局奠定了良好的数据基础，大多数研究者在进行相关研究时选用了Landsat数据作为主要数据源20-21.本文选用的6期遥感数据的数据分别来自Landsat TM（1994年、1999年、2005年、2010年）、Landsat OLI（2015年、2020年）两个传感器，这是为了在20多年的时间尺度上，将影像对研究结果的影响减轻至最小.-198第2期吴作航，等：基于Landsat TM/OLI的福建省木兰溪流域生态系统格局及其变化评估2.2生态系统分类体系根据 全国土地利用现状分类（GB/T 210102017）与 中国生态分类系统标准，结合福建省木兰溪流域当地各类土地覆盖类型构成、分布情况及遥感影像可解译情况，建立木兰溪生态系统分类体系表，并以Landsat影像为基准，辅以GF1和ZY3影像，建立解译标志.具体分类体系如表1所示.表1木兰溪生态系统类型分类体系一级二级解译标志一级二级解译标志森林阔叶林农田耕地针叶林园地针阔混交林城镇居住地疏林城市绿地其他林地工矿用地灌丛阔叶灌丛裸地沙质地表草地天然草地岩石地表水域湿地陆地水域泥土地表2.3遥感解译方法使用ENVI软件，采用面向对象分类方法对2010年影像进行分割，之后利用监督分类方法进行分类，得到2010年生态系统类型数据；并以此为基础，依次利用1994、2000、2005、2015、2020年影像进行逆向或顺向变更，并引用已经分类好的矢量数据参与分割和分类，得到各年份生态系统类型初步分类结果；通过ArcMap软件工具箱中Eliminate、Intersect等工具实现碎图斑去除、拓扑检查等操作，得到各期次生态系统类型数据.2.4生态系统格局评估选取3类评估内容进行木兰溪流域的生态系统格局变化评估.1)生态系统面积.各类生态系统面积统计值（单位：km2）.2)生态系统类型面积变化率.研究区一定时间内某种生态系统类型的数量变化情况.计算公式为Ev=EUb-EUaEUa100%（1）式（1）中：Ev为研究时段内某一生态系统类型的变化率；EUa/EUb为研究期初及研究期末某一种生态系统类型的数量，也可以是面积、斑块数等，本项中为生态系统面积.3）生态系统类型变化方向：采用生态系统类型转移矩阵进行展示.2.5生态系统类型遥感解译精度验证利用ArcMap软件Creat Random Points工具在研究区范围内随机生成验证点1 275个，记录每个点解译生态系统类型.将验证点叠加在GF1和ZY3高分辨率影像上，记录目视判读解译结果的正误，形成混淆矩阵并计算解译精度.结果显示，总体精度达到0.86，解译结果满足评估需要.3生态系统格局及其变化3.1生态系统构成总体情况根据1994、2000、2005、2010、2015、2020年木兰溪流域共6期次遥感影像数据解译结果（图2、图3），统计全区一、二级各类生态系统类型面积、构成及其变化（表2、表3），分析生态系统面积构成及其变化情况.-199宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm（b）2000年（c）2005年（e）2015年（a）1994年（f）2020年（d）2010年11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm（b）2000年（c）2005年图2木兰溪流域19942020年一级生态系统类型分布图（a）1994年（b）2000年11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm-200第2期吴作航，等：基于Landsat TM/OLI的福建省木兰溪流域生态系统格局及其变化评估（c）2005年（d）2010年（e）2015年（f）2020年11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm11830E11840E11850E1190E11830E11840E11850E1190E2520E2530E2520E2530Ekm图3木兰溪流域19942020年二级生态系统类型分布图表2木兰溪流域19942020年共6期影像一级生态系统面积单位：km2年份1994年2000年2005年2010年2015年2020年森林1 002.34979.31965.52950.48939.20929.39灌丛84.6374.4172.5664.0257.5456.59草地60.5931.8627.9927.8226.0925.24水域与湿地40.3240.1141.0640.9639.6838.25农田421.51429.11444.75445.47379.88348.45城镇83.31139.41142.44165.01252.63297.64裸地3.672.162.032.591.200.8