基于“3S”集成技术的晋江市生态环境动态变化分析
(福建师范大学地理学院，福州，350007)
以晋江市两期(1988和2001)遥感影像数据为基础，结合相关统计数据和现有地学知识与经验，建立解译标志，建立晋江市生态环境分类体系。通过对两期影像的解译和对晋江市土地利用现状的分析，得到了两个不同时期的生态环境类型图。在分析生态环境数量、分布特征和动态变化规律的基础上，构建了一个用于度量生态环境变化的时空分析模型。结果表明，监测期间晋江市城市居民点和农村居民点变化明显，增加速度非常快，而旱地生态环境类型在监测期间急剧减少。
关键词:生态环境；动态变化；空间分析模型；马尔可夫模型；“3S”集成技术
任何自然生态环境都有一个不断演化的过程，是通过构成生态环境的成分不断变化而逐渐实现的。在许多不同的尺度上，人类日益强烈的影响导致了不同类型的生态环境。生态环境的变化可以影响许多生态现象，如动物的迁徙、地表水的流动和侵蚀、物种的多样性以及干扰的扩散或边际效应[1]。因此，研究生态环境的动态变化具有重要意义。
1研究区概况
晋江市位于福建省东南沿海，北纬24° 30′23″~ 24° 54′26″，北纬118° 24′16″~ 118° 41′65438。晋江市依山傍海，地貌类型以平原和丘陵台地为主，总土地面积656.63km2..2002年，总人口约为65 438+0 026 5438+0 000。改革开放以来，晋江社会经济发展迅速。到2002年，国内生产总值达到3281.6亿元，人均国内生产总值达到31.876元，分别是1.990的23.97倍和20.79倍。经济的快速发展加速了晋江的城市化进程，其内部生态环境的变化具有典型性。应用“3S”技术对晋江生态环境进行动态监测，可以了解我国小城镇经济发展和城市化发展引起的生态环境变化。
2数据和方法
通过GPS技术快速定位空间数据，利用RS技术为航天、航空遥感提供航拍照片、卫星照片等影像数据，以高精度定位和量化地块，直观解译地物特征和资源现状信息。然后利用GIS空间数据库技术，将GPS、RS获取的地物信息和其他手段补充的各种信息汇总成具有各种属性的数据(如图形、图像、统计数据和反映实体空间相关性的拓扑数据等)。)
2.1数据源和处理
以晋江市两期(1988和2001)的陆地卫星TM数据作为获取生态环境信息的基础数据，分辨率为30m×30m。同时收集了大量的相关图表和统计数据，建立了研究区的背景数据库。利用地形图对TM影像进行几何校正、多波段合成和镶嵌，并进行影像增强，提高解译精度。
2.2生态环境分类系统和图像判读标志
根据晋江市生态环境的特点，根据地形、土壤、植被和土地利用的不同，将该区生态环境类型分为两类(表1)。根据TM影像上一般地物的光谱特征，结合相应的土地利用类型图、当地生物生长特征和规律，以及已有的知识经验和影像上同类地物的对比分析，找出类间差异和类内一致性最显著的影像特征，建立各类别直接和间接解译标志[2]。就晋江市而言，主要地表覆盖有水体、绿色植被、居民点、水田、旱地、沙地等。，反映在TM5、4、3波段合成的真彩色数字遥感影像上:水体呈片状蓝色或近黑色；绿色植被，包括郁闭度较大的森林、草地和农作物，具有片状或片状的绿色色调，部分生物量与下垫面土壤背景暴露的差异，表现为色调深度的变化；居民区错落有致的红紫色；稻田斑驳或斑驳，带有红紫色或蓝色色调；沙子是白色的。
表1晋江生态环境分类系统
2.3生态环境信息的提取
利用Arcview GIS软件解译两期影像，根据不同的地形、土壤、植被、土地利用类型确定最小单元，划分不同的生态环境类型。利用ArcGIS对1988和2001中的生态环境类型进行图层叠加，得到两个时期的生态环境变化图层。然后，进行各种生态环境类型的面积统计、数据信息提取和数据库建立。
3生态环境动态变化分析
3.1生态环境演化的时空建模
考虑到生态环境分类体系是以各种自然要素为基础的，生态环境的时空演化模型强调其在时间和空间上的三维变化，因此在模型中将生态环境的动态变化分为未变化部分、已转移部分和新变化部分[3]。从研究开始时的t1 (S (i，t1))到t2 (S (i，t2))的I型生态环境空间格局变化可分为:①不变部分(USi)，即研究开始和结束时的生态环境和空间位置一致；(2)转移改变部分(CSI = S (I，T1)-USI)，I型生态环境将转化为其他非I型生态环境类型；(3)增加一个新的变化部分(NSI = S (I，T2)-USI)，其他非I生态环境类型将转化为I生态环境类型。
为了更准确地描述和度量生态环境动态变化的空间过程和强度，建立了理想状态下生态环境动态变化的空间分析模型:
TRSi=CSi/USi/(t2 -t1)
IRSi=NSi/USi/(t2 -t1)
CCSi =(CSi+NSi)/USi/(T2-t 1)= TRSi+IRSi
式中，TRSi为监测期t1至t2内I类生态环境类型的转移率；IRSi是它的新变化率；CCSi是它的总变化率；n是该区域生态环境类型的分类数，i∈(1，n)。
3.2晋江市生态环境的动态变化
图1和图2为1988和2001年晋江市生态环境类型分布图。通过两者的叠加分析，可以得出晋江市未改变生态环境的面积为38163.438+0hm2，占晋江市总土地面积的41%。转移部分面积为27499.5hm2；新增面积27499.5hm2，两者面积相当，分别占晋江市总用地面积的29.5%。表2是根据生态环境空间变化分析模型对晋江市从1988年到2001年整个地理范围内的生态环境变化程度的计算结果。可以看出，平台生态环境变化率最高，转移面积和份额最大，分别为5046.0hm2和87.9%。变化率最小的是水生态环境，其转移面积和份额也最小，分别为104.2hm2和9.1%。相反，人工建筑生态环境的新增面积最大，为6876.7hm2
从表2可以看出，台地旱地的生态环境变化尤为突出。本次监测期间，该类型的转移面积占该区域所有生态环境类型总转移面积的近一半，其转移速度明显快于其他类型，其转移速率是其新增速率的2.5倍。台地旱地生态环境类型是其他生态环境类型新增加的主要来源。在人工建筑生态环境中，城市居住生态环境增加的面积占该类总增加面积的68%，如果加上农村居住生态环境增加的面积，则占该类总增加面积的99.6%。因此，在本次监测期间，几乎所有生态类型的转移区都转化为该生态环境类型的新区。
图1 1988晋江市生态环境类型图
图22001晋江市生态环境类型图
表2晋江市生态环境动态变化率(1988 ~ 2001年)
3.3晋江市生态环境类型的空间变化
通过对Arcview的缓冲区分析发现，晋江的城市扩展呈现出沿原有老城区辐射扩散的特点，小城镇和村庄被大城镇和村庄的城市化进程所拖累，有被其兼并的趋势。因此，在图1和图2中，一些畸形发展的城市生态环境和农村生态环境类型，如龙湖镇、英林镇、金井镇等，都呈现出狭长的形状，其周边的农村聚落变化也有类似的形状，并且这种变化的扩展方向倾向于主要城镇所在地或社会经济较为发达的地区，如东石镇向安海镇的延伸。这种扩张主要占用农业用地，其中台地旱地的生态环境净面积减少最多。从1988年到2001年，* *平台旱地生态环境减少了8816.4hm2，转移了12556.5hm2。转移的主要目的地是人工建筑生态环境，转移了7446.6hm2，占转移部分的59.3%，其中746.6hm2转移为建设用地。通过对这种面积变化矩阵的分析，可以得出新增部分的主要来源是平台上有林地的生态环境，新增面积为3740.1hm2，新增增长率仅为1%。转移部分的面积远大于新增加部分的面积。此外，新增台地旱地的生态环境位置和质量明显不如出让部分。但由于旱地生态环境原始面积大，其转移率和变化率较小，分别为3%和4%(图3)。
图3晋江市生态环境类型动态变化(1998 ~ 2001年)
4生态环境变化的马尔可夫过程模拟与预测
4.1马尔可夫过程转移概率的确定
马尔可夫过程是一种特殊的随机运动过程，即每一次状态转移都只与前一时刻的状态有关，而与过去的状态无关，或者说是一种无后效的状态转移过程[4]。将生态环境的变化划分为一系列离散的演化状态，从一种状态到另一种状态的转化速率，即转移概率，可由某一类生态环境在1988 ~ 2001年期间的年平均转化速率得到。它的数学表达式是:
p 11 p 12 p 13……p 1n
P21 P22 P23 …… P2n
… … … …… …
Pn1 Pn2 Pn3 …… Pnn
上式中，n为研究区域内生态环境类型的数量，Pij为I型自始至终转入J型的概率。并满足以下两个条件:
土地信息技术创新与土地科技发展:2006年中国土地科学学会学术年会论文集。
4.2晋江市生态环境格局趋势
转移概率由1988 ~ 2001年的时间段决定(表3)。根据2001各生态环境类型的面积百分比，得出初始状态概率，借助Matlab和Excel进行马尔可夫过程运算。每13年为一步，当n = 1时，预测年份为2014年。当n = 2时，预测年份为2027年，以此类推。预测结果如表4所示。
预测结果表明，未来26年晋江市生态环境变化趋势是水田、旱地等生态环境类型面积逐渐减少，旱地生态环境明显减少。农村居民点的生态环境在增加到一定程度后逐渐降低；而城市居住区的生态环境在逐渐增加，其他类型在逐渐减少，但速度相当缓慢。这种变化会持续很长时间，直至达到相对稳定的状态，说明人工建筑生态环境正在逐渐吞并其他生态环境类型，最终形成城乡经济一体化的生态环境新格局。
表3晋江市生态环境类型变化转移概率矩阵(1988 ~ 2001)单位:%
表4晋江市生态环境变化马尔可夫过程预测值单位:hm2
5结论
(1)晋江市的林地、园地、城市居民点和农村居民点等生态环境类型都属于扩展型，其增加速度普遍快于同期的转移速度，总面积在增加。其中，监测期内城市居民点和农村居民点生态环境快速增加，水田、旱地、林地等生态环境类型减少，总面积在减少，其中旱地生态环境类型在监测期内急剧减少。
(2)根据晋江市生态环境的变化特征，将晋江市生态环境分为东北发展区、西南发展区和中部新发展区。东北和西南开发区生态环境变化最具活力，建设用地扩张最快。生态环境的变化主要辐射到主要交通干线(沿江、沿路)两侧的外围，特别是泉安公路(泉州至安海、晋江)、世纪大道(青阳至罗山)等主要交通干线，呈哑铃状，融合了晋江市区和安海镇。中部新生地区以农用地为主，耕地保护相对较好，土地利用变化剧烈，单位空间容量远未得到充分利用[5]。其突出特点是以单个生态环境单元的突变为主，然后以突变单元为中心向四周辐射扩散。
(3)根据马尔柯夫过程的预测结果，晋江市的生态环境格局处于变化状态，旱地和水田的生态环境在逐渐减少，人工建筑的生态环境，特别是城市居民的生态环境在逐渐增加，这种变化会持续很长时间，但最终能达到一个相对稳定的状态，这预示着晋江市最终将形成城乡经济一体化的生态环境新格局。
参考
[1]陈，陆，。地理信息系统导论。北京科学出版社2000。
[2]范月娇。基于遥感和GIS集成技术的三峡库区土地利用变化研究。地理科学，2002，22 (5): 599 ~ 603
[3]刘·，何·。土地利用动态变化的空间分析与计算模型。自然资源学报，2002，17 (5): 533 ~ 540
[4]徐建华。现代地理学中的数学方法。北京:高等教育出版社，1996
[5]张新昌、赵玲玲、袁绍万。地理信息系统支持下的城市土地利用变化研究。资源科学，2002，24 (5): 70 ~ 74。