佛山市基塘系统多时相遥感分析

刘志根，夏丽华，崔文君

（广州大学地理科学学院，广东 广州 510006）

基塘系统是珠江三角洲地区特有的、最具特色的一种人工复合农业生态系统，是城市生态平衡的重要均衡器［1］。随着国内市场经济的发展，珠江三角洲等地区的基塘系统发生了很大变化，桑基鱼塘、蔗基鱼塘、果基鱼塘、花基鱼塘、杂基鱼塘都属于基塘系统。珠江三角洲基塘系统的成功经验备受国内外关注，其中桑基鱼塘被联合国教科文组织誉为“世间少有美景、良性循环典范”［2］。目前，基塘系统在生态安全、环境保护、生物多样性维持和城镇一体化服务等方面作用越来越显著［3］。近20年来，随着珠三角地区经济快速发展，工业化和城市化进程加快，导致基塘系统的经营模式和基塘用地的空间格局均发生了巨大变化，具有多层次和立体化养殖的典型农业生态系统正在逐渐消失［4］。因此，加强基塘系统的深入研究是推进珠江三角洲经济发展和城镇一体化服务的重要工作。众多学者分别从生态农业［5］、空间格局［6］、物资与能量流动［7］等方面对基塘系统进行研究。袁兰等［8］针对基塘系统土地的整治问题，依据恢复生态学的原理，提出应用生态位原理对基塘用地进行整治和恢复。利用遥感和GIS技术在农业发展中的研究成果显著，但在基塘系统中的研究相对较少。有学者以遥感技术为手段对基塘系统的地域分布和时空变化进行了相关研究，孙晓宇等［9］应用遥感技术和地理信息技术对珠江口基塘用地的时空变迁进行分析，结果表明基塘用地迁移模式概括为“西北模式”；刘凯等［10］使用不同时相的TM影像进行研究，发现佛山市基塘系统的空间格局演变呈先快速增长后稍有减少的趋势。但对基塘系统的价值还有待深入研究，进一步挖掘基塘系统的利用价值，准确获取基塘系统的空间分布现状并监测其动态变化十分重要。本研究以佛山市为例，利用多时相Landsat系列遥感影像数据，采用最大似然法和面向对象图像处理技术，提取得到基塘系统用地信息和分布特点，并运用GIS技术进一步分析研究区基塘系统的时空变化，探究基塘系统空间格局的演变规律。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

佛山市处于广东省中南部、珠江三角洲腹地，属亚热带季风性湿润气候，珠江水系中的西江、北江及其支流贯穿全境，属典型的三角洲河网地区（图1，封三）。佛山市具有良好的地理条件，全市总面积3 868 km2，辖禅城、南海、顺德、高明、三水5个行政区，水产养殖业发达，养殖品种多、周期长，形成了独特的区域优势，享有富饶的“鱼米之乡”美誉。

1.2 数据来源及预处理

本研究选用2000、2005、2010年TM影像数据和2015年TM8卫星遥感数据提取研究区基塘系统用地面积，空间分辨率为30 m×30 m，数据来源于美国地质勘探局（USGS），其影像质量较好。结合广东省地图册2010年版、广东省佛山市行政区划图2012年版、全国1∶25万矢量边界图，其他辅助数据包括研究区野外调查数据和相关统计数据。

覆盖研究区佛山市的基础数据源由两景遥感影像拼接而成，本研究先采用最临近重采样法对遥感影像进行镶嵌处理，然后进行辐射校正和图像三次卷积增强，再选择GS（Gram-Schmidt）图像融合方法，将TM8影像空间分辨率提高到15 m，完成几何纠正预处理。最后经图像不规则裁剪得到研究区处理后的影像数据。

1.3 研究方法

1.3.1 基塘用地遥感解译方法 基塘用地类型与其他各类水体具有比较相似的光谱特征，依靠传统的基于像元的分类方法很难准确提取［11-12］。通过目视解译可以发现，影像中的基塘用地往往呈现出一定的鱼鳞状空间分布特征，而河流和沟渠等水体通常呈细长形的空间分布特征，因此本研究采用最大似然方法和面向对象方法，联合空间关系、形状、纹理等特征信息进行基塘系统用地的提取［13-14］。首先采用edge-based分割算法对预处理后的影像进行分割；然后基于光谱特征指数——归一化水体指数（Normalize Difference Water Index，NDWI）［15］进行水体和陆地的划分；最后根据分割后对象的空间特征，如面积大小、延长度等指数构建不同的规则，提取出线状以及形状不规则的面状水域，将剩余部分初步判定为基塘用地。耕地、植被和城市用地采用监督分类的最大似然法来完成，结合外业勘察采集样本以及目视判别的方法对分类结果进行检验，将错分类的部分进行修改。

1.3.2 基塘系统演变分析方法 遥感动态变化监测是基于同一空间位置在不同年份的遥感图像成像时存在的光谱特征差异，识别地物状态或现象变化的过程［16］。土地利用动态度模型可以用来衡量土地利用类型在某一时期内动态变化的强烈程度。通过遥感方法获取了研究区域4个时相的基塘系统的空间分布信息，并利用变化幅度和变化速率两个指标来衡量和分析基塘系统用地的格局演变［17］。

变化幅度（P）是计算其他指标的基础，反映土地利用/覆盖随时间变化的趋势，其计算公式为：

式中，U1、U0分别代表研究区域某一种土地利用类型在研究时段初期和末期的面积。

变化速率（Q）是指研究区域内某种土地利用类型在研究时段内的年均变化指标，其计算公式为：

式中，T为研究时间段。

此外，区域土地利用的空间变化可以通过各用地类型重心坐标的空间变化来反映。重心坐标计算公式为：

式中，Xt、Yt分别为第t年某种土地利用/覆盖类型的重心坐标，Sti为整个研究区第i个小区域单元该种土地类型的面积，X、Y分别为第i个区域单元的几何重心坐标，n为研究区内小区域单元的数量。

2 结果与分析

2.1 基塘系统空间分布与精度检验

根据野外调查资料和不同地物在遥感影像上光谱特征的差异，建立解译标志。采用监督分类方法和目视解译法对研究区基塘系统4个时相的卫星遥感数据进行分类提取，结果见图2。由图2（封三）可知，2000—2015年佛山市基塘系统用地面积呈先逐渐增大后递减的发展趋势，主要集中在顺德区，这主要是由于西江和北江两大水系贯穿其中，为基塘系统的发展提供良好的地理条件。此外，在三水区东部、南海区北部、禅城区南部和高明区东北部，有一定范围集中的基塘系统。对解译结果进行野外核查和精度评定，随机选取100个样本点来评价分类结果，解译精度均高于80%，说明解译结果具有较高的可信度。

2.2 基塘系统动态变化分析

为了量化对基塘地物的空间变化特征，对基塘系统用地的变化幅度（P）和变化速率（Q）两个指标进行对比分析。从表1可以看出，佛山市基塘系统用地单一动态变化在2000—2015年的变化幅度为-29.66%，变化速率为-5.93%，说明该时期基塘用地整体呈现减少趋势较大。其中，2000—2005年的变化幅度和变化速率分别为1.62%和0.32%，说明该时期基塘系统用地为稳步增长的态势；2005—2010年的变化幅度和变化速率分别为-15.11%和-3.02%，2010—2015年的变化幅度和变化速率为-17.67%和-3.53%，说明2005—2015年研究区基塘系统用地在快速减少，且2010—2015年减少幅度更大。

表1 佛山市各时期基塘系统用地动态变化特征（%）

进一步构建2000—2015年基塘用地的斑块特征和斑块指数，分析研究区基塘系统的空间格局演变特征。由表2可知，研究区基塘系统的斑块数在2000—2015年先增加后减少，由2000年的15 862个增加至17 984个，至2015年减少到9 795个。由于工业化和城市化的驱动，城市扩展和工厂建设等侵占了大量的基塘用地，用城市景观格局指数进一步加以分析，得到基塘斑块形状指数、破碎度指数从2000年的0.31、0.37下降到2015年的0.22、0.25，而聚合度指数则从85.63上升到92.31，表明佛山市在研究期内基塘系统用地的破碎度下降，从一定程度上反映出基塘用地进行整治规划的结果，逐渐实现了集约化和规范化经营管理。

表2 佛山市各时期基塘系统用地斑块特征及斑块指数

2.3 基塘用地动态转换分析

为进一步掌握基塘系统的格局演变规律，构建了2000—2015年的佛山市土地利用转移矩阵（表3）。从表3可以看出，研究时段内，佛山市土地利用类型发生了巨大变化，主要表现为城市用地扩张较大，基塘系统用地面积减少近30%，并伴有严重的农田流失现象。将2000年和2015年基塘系统用地提取结果进行空间叠加，得到2000—2015年基塘系统用地增减变化的空间分布情况。从图3（封三）可以看出，在此期间高明东北部、顺德北部、禅城区及南海区基塘系统用地大面积减少，将减少区域的2015年TM8遥感数据进行进一步的土地利用分类，提取耕地、植被、建设用地及河流四大类别，发现2000—2015年减少的基塘系统用地主要转变为建设用地，其次是耕地和植被。

表3 佛山市2000—2015年土地利用变化转移矩阵

而此期间增加的基塘系统用地集中分布在顺德区南部、高明区西部和三水区东北部区域，将2000年的研究区TM影像进行分类，提取耕地、植被、建设用地和河流四大类别。结果发现，2000—2015年增加的养殖用地主要来源于耕地，其次为植被和河流。可见，佛山市土地利用变化主要有4种转换形式：耕地转换为城市用地，耕地转换为基塘系统，基塘系统转换为城市用地，基塘系统转换为耕地。耕地转换为基塘系统的主要原因是基塘系统的经济效率高于传统农业种植的经济效益，“废田变塘”现象在佛山市普遍发生；基塘系统转为城市用地的主要原因是随着佛山市工业化和城市化进程加快，城市空间不断向外扩展，导致较大范围的“填塘造房”，加速了基塘系统的退化。

3 结论与讨论

目前，珠江三角洲基塘系统已被列入城镇规划范围之内，基塘系统从单一的生产功能向承担更多的社会功能转变，应深入挖掘基塘系统潜在的经济、社会和生态价值，加强其应用推广保护机制，使具有中国特色的传统农业生态系统得以继承和发扬［18-19］。基塘系统具有防汛和美化环境功能，将其溶入现代化生态城市建设之中，建设宜居宜业宜游的家园具有可行之处，如何更好地发挥基塘系统的生态功能，是现代化基塘系统的发展方向［20］。加强对基塘系统的深入研究，是促进珠江三角洲城镇一体化服务的重要工作。本研究利用遥感和GIS技术得到了2000—2015年佛山市基塘系统的空间分布特点，监测了基塘系统的动态变化，并分析了其空间格局的演变特征。结果表明，研究区基塘系统的变化呈先有一定增长后快速减少的趋势，增加的基塘系统用地集中分布在顺德区南部、高明区西部和三水区东北部区域；基塘系统用地的破碎度下降，聚合度上升，说明研究区基塘系统正逐渐走向集约化和规范化，为佛山市基塘系统的进一步合理规划和城镇一体化发展提供参考依据。随着佛山市工业化和城市化进程的加快，高明东北部、顺德北部、禅城区及南海区基塘系统用地大面积减少，减少部分主要转换为城市用地，并伴有严重的耕地流失现象。因此，在城市化发展进程中应重视土地资源规划和利用的合理性，本研究结果对于实现长期动态监测珠江三角州基塘系统及其协调发展具有现实意义。

受遥感数据空间分辨率的限制，信息提取结果与实际存在偏差。因此，下一步将参考遥感数据的空间分辨率、数据处理方法等多方面的因素，选择高分辨率影像数据或多源遥感数据精确地识别基塘面积，进而精确分析其空间格局演变规律。

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