陈松林 庄剑顺
（福建师范大学地理科学学院，福州，350007）
摘要：选取晋江市1988、2001年两个时段的遥感影像数据，结合相关的统计资料以及已有的地学知识经验建立判读标志，建立了晋江市生态环境的分类系统。通过对两个时段图像进行解译及对晋江市土地利用现状分析，得到了两个不同时段的生态环境类型图。在对生态环境数量、分布特征和动态变化规律进行分析的基础上，构建度量生态环境变化的时空分析模型。研究结果表明晋江市城镇居民点和农村居民点这两个生态环境类型在监测期内变化明显，新增速率非常迅猛，而旱地生态环境类型在监测期内急剧减少。
关键词：生态环境；动态变化；空间分析模型；马尔柯夫模型；“3S”一体化技术
任何自然生态环境都有一个不断进化过程，该过程是通过组成生态环境各组分的不断变化逐步实现的。在多种不同的尺度上，人类愈加强烈的影响的结果形成了不同的生态环境类型。而生态环境变化能影响许多生态现象，如动物的迁徙，地表水的流动、侵蚀，物种的多样性以及干扰的传播或边缘效应等［1］。因此，研究生态环境动态变化具有极其重要的意义。
1 研究区概况
晋江市位于福建省东南沿海，位于北纬24°30′23″～24°54′26″，东经118°24′16″～118°41′16″之间，属于南亚热带，气候温暖，水热丰沛，年平均气温 20.4℃，年降雨量1094 mm。晋江市依山临海，地貌类型以平原和丘陵台地为主，全市土地总面积656.63 km2。2002年总人口约102.1 万人。改革开放以来，晋江市社会经济飞速发展。到2002年，其国内生产总值达 328.16 亿元，人均国内生产总值达 31876 元，分别是1990年的23.97 倍和20.79倍。经济的高速发展促进了晋江市城市化进程的加快，其内部各个生态环境的变化具有一定的典型性。通过应用“3S”技术对晋江的生态环境进行动态监测，对于了解中国小城镇经济发展、城市化发展所引起的生态环境变化具有借鉴作用。
2 数据与方法
通过GPS技术对空间数据快速定位，利用RS技术提供航天、航空遥感的航片、卫片等影像资料，以较高的精度定位、定量到地块，直观地判读地物特性和资源的现势信息，再采用 GIS 空间数据库技术，把 GPS、RS 获取的地物信息及其他手段补充的各种信息汇总成可以存储和分析处理多种性质的数据（如图形、影像、统计数据及反映实体空间相关性的拓扑数据等）［1］，这是区域生态环境信息采集的重要方法。
2.1 数据来源与处理
以晋江市1988年、2001年两个时段时相相对一致的 Land sat TM 数据作为生态环境信息获取的基本资料，其分辨率为30m×30m，同时采集了大量相关的图形、统计资料来建立研究区的本底数据库。利用地形图对 TM 影像进行几何纠正、多波段合成和镶嵌处理，并进行图像增强处理，以提高解译的精度。
2.2 生态环境分类系统和图像解译标志
从晋江市的生态环境特点出发，根据地形地貌、土壤、植被和土地利用的差异，将该区生态环境类型分为两级类型（表1）。依据 TM 图像上一般地物类型的光谱特征，结合相应的土地利用类型图、当地生物生长特点和规律，以及已有的知识经验和图像上同类型地物对比分析，找出类间差异性和类内一致性最显著的图像特征，建立各地类的直接和间接的解译标志［2］。就晋江市而言，地表主要覆盖物有水体、绿色植被、居民点、水田、旱地、沙地等，体现在 TM5、4、3 波段合成的真彩色数字遥感图像上：水体呈片状的蓝色调或近黑色调；绿色植被，包括郁闭度较大的林草地和农作物呈片状或片状夹斑的绿色调，且随地上部分生物量多少和下覆土壤背景显露程度的差异而表现出色调深浅的变化；居民点呈斑块状的红紫色调；水田呈片状夹斑或斑块状的淡紫红或蓝色调；沙地呈白色调。
表1 晋江市生态环境分类系统
2.3 生态环境信息的提取
利用Arcview GIS软件对两个时段图像进行解译，根据不同的地形地貌、土壤、植被、土地利用类型确定最小单元，并以此划分出不同的生态环境类型。利用ArcGIS将1988年和2001年生态环境类型图层叠加，获得两个时期生态环境变化图层。然后进行各生态环境类型面积的统计、数据信息提取和数据库的建立。
3 生态环境动态变化分析
3.1 生态环境演变时空建模
考虑到该生态环境分类系统是建立在各个自然要素的基础上，在建立生态环境时空演变模型时，强调其时间和空间的立体变化，因而模型中将生态环境的动态变化分为未变化部分、转移变化部分和新增变化部分［3］。第 i 类生态环境类型从研究期初 t1 （S （i，t1））到研究期末t2 （S （i，t2））的空间格局变化，可划分为：①未变化部分（USi），即生态环境与空间区位在研究期初和期末是一致的；②转移变化部分（CSi＝S （i，t1）－USi），第 i 类生态环境类型转变为其他非i类生态环境类型；③新增变化部分（NSi＝S （i，t2）－USi），其他非i类生态环境类型转变为第i类生态环境类型。
为了更为精细和准确地刻画和测算生态环境动态变化的空间过程和强烈程度，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 －t1）＝TRSi ＋IRSi
式中，TRSi为第i种生态环境类型在监测期t1 至t2 期间的转移变化率；IRSi为其新增变化率；CCSi 为其总变化率；n为区域内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是1988年和2001年晋江市生态环境类型分布图。通过两者叠加分析，可以得到晋江市生态环境未变化部分的面积为38163.1hm2，占晋江市土地总面积的41%；转移部分的面积为27499.5hm2；新增部分的面积为27499.5hm2，两者面积相等，分别占晋江市土地总面积的29.5%。表2是根据生态环境空间变化分析模型对晋江市整个地域范围在1988～2001年间的生态环境变化程度的测算结果。从中可以看出：台地生态环境的变化率最高，转移的面积和份额最大，分别为5046.0hm2 和87.9%。变化率最小的是水域生态环境，其转移的面积和份额亦最小，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，台地旱地生态环境的变化尤为突出，在这一监测时期，该类型的转移面积占区域所有生态环境类型转移总面积的近一半，其转移速度明显快于其他类型，并且其转移率是其新增率的2.5 倍，台地旱地生态环境类型是其他生态环境类型新增部分的主要来源。在人工建筑生态环境中，城镇居民点生态环境增加面积占该大类总增加面积的68%，若加上农村居民点生态环境的增加面积，则占到该大类总增加面积的 99.6%。因而，在这一监测时期，几乎所有生态类型的转移面积均转变为该生态环境类型的新增面积。
图1 1988年晋江市生态环境类型图
图2 2001年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 Arcview 的缓冲区分析，发现晋江市城镇扩张特点是沿原有的旧镇区向四周辐射扩散，并且小的乡镇镇区受到大的乡镇镇区城市化进程的牵引，有被其兼并的趋势。因而在图1和图2上出现部分畸形发展的城镇生态环境类型和农村生态环境类型，如龙湖镇区、英林镇区和金井镇区的城市化发展均呈现出狭长的形态，其周边农村居民点的变化也有相似形状出现，并且该种变化的扩张方向趋向于主要镇区所在地或社会经济较发达的区域，如东石镇区向安海镇区的延伸。而这种扩张主要占用的是农业用地，其中台地旱地生态环境的净面积减少最多。从1988～2001年台地旱地生态环境共减少了8816.4hm2，转移12556.5hm2，而转移的主要去向是人工建筑生态环境，转移了7446.6hm2，占转移部分的59.3%，其中转移为建设用地的有7100.0hm2，占转移部分的56.5%。通过该类面积变化矩阵分析可得，新增部分的来源主要为台地有林地生态环境，新增面积3740.1hm2，新增率仅为1%。转移部分的面积远大于新增部分的面积，另外，新增台地旱地生态环境的区位和质量均明显劣于其转移的部分。但由于旱地生态环境的原始面积较大，因而其转移率和变化率均较小，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柯夫过程模拟和预测
4.1 马尔柯夫过程转移概率的确定
马尔柯夫过程是一种特殊的随机运动过程，指每次状态的转移都只与前一刻的状态有关，而与过去的状态无关，或者说是无后效性的状态转移过程［4］。将生态环境变化分成一系列的离散的演化状态，从一个状态到另一个状态的转化速率即转移概率，可以通过1988～2001年时间段内某类生态环境类型的年平均转化率获得。其数学表达式为：
P11 P12 P13 …… P1n
P21 P22 P23 …… P2n
… … … …… …
Pn1 Pn2 Pn3 …… Pnn
上式中n 为研究区生态环境类型的数目，Pij为初始到末期时类型i 转移为类型j 的概率。并满足以下两个条件：
土地信息技术的创新与土地科学技术发展：2006年中国土地学会学术年会论文集
4.2 晋江市生态环境格局变化趋势
以1988～2001年时间段来确定转移概率（表3）。根据2001年各种生态环境类型的面积百分比，得到初始状态概率，借助 Matlab 和 Excel 进行马尔柯夫过程运算，每经过13年即为一步，当n＝1 时，预测年份为2014年；当n＝2 时，预测年份2027年，依次类推。预测结果如表4。
预测结果表明，未来26年内晋江市生态环境变化的趋势是，水田、旱地等生态环境类型的面积呈逐渐减少的趋势，其中旱地生态环境减少较为明显。农村居民点生态环境增加到一定程度后逐渐减少；而城镇居民点生态环境在逐渐增加，其他类型都在逐渐减少，但速度相当缓慢。这种变化将持续很长的时间，直到达到相对稳定状态，这表明人工建筑生态环境在逐渐吞并其他生态环境类型，最终形成一种城乡经济一体化的新生态环境格局。
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的马尔柯夫过程预测值 单位：hm2
5 结论
（1）晋江市的林地、园地、城镇居民点、农村居民点等生态环境类型均属于扩展型，其新增速度一般大于同期的转移速度，总面积在增长。其中城镇居民点和农村居民点生态环境在监测期内的新增速率非常迅猛，而水田、旱地、有林地等生态环境类型属于缩减型，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变化特点，可将晋江市的生态环境分为东北发展区、西南发展区和中部新生区。东北和西南发展区的生态环境变更的活力最大，建设用地的扩展最快，生态环境的变更主要是在交通干线（沿江、沿道）两侧向外围辐射扩散，其中表现较为明显的是沿泉安公路（泉州至晋江安海）和世纪大道（青阳至罗山）等主要交通干道为中心轴线向两侧呈哑铃型扩散，兼并晋江市城区和安海镇镇区。中部新生区则以农业用地为主，耕地相对得到较好保护，土地利用变更活力较大，单位空间容量远未得到充分利用［5］。其突出的特点是以单个生态环境单元的突变为主，再以突变单元为中心向周围辐射扩散。
（3）从马尔柯夫过程预测结果看，晋江市的生态环境格局处在一种变化状态，旱地、水田生态环境逐渐减少，人工建筑生态环境特别是城镇居民点生态环境逐渐增加，而且这种变化将持续很长时间，但最后可达到一个相对稳定状态，这预示着晋江市最终将形成城乡经济一体化的新生态环境格局。
参考文献
［1］陈述彭，鲁学军，周成虎.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 一体化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］刘盛和，何书金.土地利用动态变化的空间分析测算模型.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］张新长，赵玲玲，袁绍晚.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