3S技術(shù)支持下的撫仙湖流域景觀格局變化研究

譚志衛(wèi)

（云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650034）

3S技術(shù)支持下的撫仙湖流域景觀格局變化研究

譚志衛(wèi)

（云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650034）

采用1976年、1994年及2011年的三期經(jīng)過校正處理的TM衛(wèi)星影像，分析了撫仙湖流域的景觀格局動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，撫仙湖流域的景觀格局變化很大，主要表現(xiàn)在建筑用地景觀面積增加、農(nóng)地景觀面積減少、林地景觀面積增加。通過分析，表明人類活動(dòng)對(duì)撫仙湖流域景觀格局的影響明顯。

3S技術(shù)；湖泊保護(hù)；景觀格局；撫仙湖

景觀格局，是大小和形狀不一的相互作用的景觀斑塊在空間上的配置，是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果［1］。景觀格局分析，是景觀生態(tài)學(xué)研究的基本內(nèi)容，其目的就是在似乎無(wú)序的景觀中發(fā)現(xiàn)潛在的、有意義的規(guī)律性［2］。近年來(lái)，景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化分析已成為景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題和重要領(lǐng)域。

1 研究區(qū)概況

撫仙湖屬南盤江水系，珠江源頭第一大湖，位于云南省玉溪市澄江、江川、華寧三縣間，距昆明70多km。撫仙湖是一個(gè)南北向的斷層溶蝕湖泊，形如倒置葫蘆狀，兩端大、中間小，北部寬而深，南部窄而淺，中呈喉扼形。湖面海拔高度1722.5m，湖面積216.6km2，湖容積206.2億m3，湖水平均深度95.2m，最深處有158.9m，相當(dāng)于12個(gè)滇池的水量，6倍的洱海水量，太湖的4.5倍，占云南九大高原湖泊總蓄水量的72.8%，占全國(guó)淡水湖泊蓄水量的9.16%。撫仙湖水質(zhì)為I類，是我國(guó)水質(zhì)最好的天然湖泊之一。2013年12月通過財(cái)政部、環(huán)境保護(hù)部組織的2013年江河湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，被納入國(guó)家15個(gè)重點(diǎn)湖泊支持范圍。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理

采用1976年6、1994年44及2011年4的三期經(jīng)過校正處理的TM衛(wèi)星影像（分辨率30M）為研究數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層無(wú)明顯云層分布，易于分辨土地利用類型。利用Arcview、Arcmap及Erdas軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 分類系統(tǒng)

為了有效地獲取景觀類型，滿足研究需要，本次建立的景觀分類體系為林地、農(nóng)地、水域、建筑用地及草地景觀。

2.3 景觀指數(shù)選取

為避免不同指標(biāo)值之間數(shù)據(jù)的冗余，本文中根據(jù)實(shí)際需要選取了斑塊密度指數(shù) （PD）、最大形狀指數(shù)（LSI）、斑塊分維數(shù)（PARFAC）、多樣性指數(shù)（SHDI）、均勻度指數(shù)（SHEI）和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（D）。

3 結(jié)果與分析

3.1 撫仙湖景觀格局動(dòng)態(tài)變化研究

3.1.1 撫仙湖流域景觀類型現(xiàn)狀分析

本研究采用了1976年、1994年、2011年2月10日過境的TM影像，利用目視解譯的方法獲取土地現(xiàn)狀情況。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，把2011年景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)整成2013年景觀格局分布情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，1976—1994—2013年間，林地景觀與水域景觀都是撫仙湖流域的優(yōu)勢(shì)景觀類型。2013年，林地景觀斑塊數(shù)為144個(gè)，面積為184.88km2，占總面積的27.37%，主要分布在流域分水嶺；水域景觀斑塊數(shù)為24個(gè)，面積為216.81km2，占總面積的32.09%，主要為撫仙湖及水庫(kù)；農(nóng)地景觀斑塊數(shù)為100個(gè)，面積為174.84km2，占總面積的25.88%，主要分布在撫仙湖湖濱帶及北部壩區(qū)；荒草地景觀斑塊數(shù)為120個(gè)，面積為78.18km2，占總面積的11.57%，夾雜林地景觀分布。1994年及1976年的景觀類型分布與2013年基本一致，只是斑塊數(shù)與斑塊面積數(shù)值上有變化，1994年農(nóng)地景觀、水域景觀及荒草地景觀的斑塊面積及斑塊數(shù)比2013年高，比1976年少，建筑用地景觀及林地景觀比2013年少，比1976年多。詳情見圖1、圖2。

表1 撫仙湖流域景觀類型結(jié)構(gòu)及面積統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 撫仙湖流域景觀類型動(dòng)態(tài)變化分析

景觀格局變化反映了不同時(shí)期人類出于各種目的對(duì)土地利用方式的改變，土地利用／覆被變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化。通過統(tǒng)計(jì)分析，1976—1994—2013年撫仙湖流域景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣見表2。

通過轉(zhuǎn)出分析得出，1976—1994年，撫仙湖流域景觀類型發(fā)生變化的總面積為25.22 km2，即流域內(nèi)景觀類型面積的3.73%發(fā)生了利用類型的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)出面積依大小排次分別為：荒草地（14.81 km2）＞＞耕地（6.26 km2）＞＞林地（3.66 km2）＞＞水域（0.47 km2）＞＞建筑用地（0.01 km2）?；牟莸剞D(zhuǎn)出面積為14.81 km2，轉(zhuǎn)出的類型主要為林地，林地面積占轉(zhuǎn)出面積的95.81%，究其原因，主要是在封山育林及植樹造林政策的驅(qū)使下，大量的荒草地被改造成林。其它1.22%轉(zhuǎn)為耕地，1.96%轉(zhuǎn)為建筑用地；耕地轉(zhuǎn)出面積為6.26 km2，主要的轉(zhuǎn)出類型為建筑用地，建筑用地面積占轉(zhuǎn)出面積的90.04%，大量的耕地轉(zhuǎn)為建筑用地，主要受經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的城市擴(kuò)張的影響。其它3.10%轉(zhuǎn)為林地，6.92%轉(zhuǎn)為水域；林地轉(zhuǎn)出面積為3.66 km2，59.57%轉(zhuǎn)為耕地，36.17%轉(zhuǎn)為建筑用地。水域轉(zhuǎn)出面積為0.47 km2，受圍湖造田的影響0.18 km2轉(zhuǎn)為耕地，城市及鄉(xiāng)村發(fā)展使0.17 km2轉(zhuǎn)為建筑用地。

1994—2013年，撫仙湖流域景觀類型發(fā)生變化的總面積為54.27 km2，即流域內(nèi)景觀類型面積的8.04%發(fā)生了利用類型的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)出面積依大小排序分別為：荒草地（23.76 km2）＞＞林地（18.82 km2）＞＞耕地（8.39km2）＞＞水域（2.00 km2）＞＞建筑用地（1.09 km2）?；牟莸剞D(zhuǎn)出面積為23.76 km2，轉(zhuǎn)出的類型主要為林地，林地面積占轉(zhuǎn)出面積的86.73%。其它6.56%轉(zhuǎn)為耕地，6.67%轉(zhuǎn)為建筑用地。林地轉(zhuǎn)出面積為18.82 km2，95.97%轉(zhuǎn)為荒草地，2.42%轉(zhuǎn)為建筑用地，1.48%轉(zhuǎn)為耕地。耕地轉(zhuǎn)出面積為8.39 km2，主要的轉(zhuǎn)出類型為建筑用地，建筑用地面積占轉(zhuǎn)出面積的43.64%，在退耕還林的驅(qū)動(dòng)下30.29%轉(zhuǎn)為林地，11.30%轉(zhuǎn)為荒草地。水域轉(zhuǎn)出面積為2.00 km2，1.05 km2轉(zhuǎn)為耕地，0.90 km2轉(zhuǎn)為建筑用地。

表2 1976—1994—2013年撫仙湖流域景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣表

3.1.3 綜合分析

從三期景觀類型分布情況及面積統(tǒng)計(jì)來(lái)看，撫仙湖流域景觀類型變化以耕地景觀、建筑用地景觀、林地景觀、荒草地景觀為主。建筑用地景觀面積大幅度增加，以犧牲農(nóng)地景觀為代價(jià)?；牟莸鼐坝^減少，林地景觀增加，水域景觀略有減少。

建筑用地景觀面積在1976—2013年不斷增加。1976年建筑用地面積為9.51km2，到1994年增長(zhǎng)到15.32km2，至2013年增長(zhǎng)到20.83km2，近40年建筑用地景觀面積翻了一翻。從上述土地利用演變分析可以看出，建筑用地景觀面積的增長(zhǎng)是以犧牲農(nóng)地為代價(jià)的，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)及旅游業(yè)高速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，大量的農(nóng)地被占用，如1976年農(nóng)地面積為184.47km2，1994年減少為179.26km2，至2013年農(nóng)地面積為174.84km2，減少近10km2。詳情見圖3。

林地景觀面積在1976—2013年持續(xù)增加，荒草地面積在期間持續(xù)減少。從上述的轉(zhuǎn)移矩陣可以看出，減少的荒草地轉(zhuǎn)為了林地。在政府針對(duì)林業(yè) “宜封則封，宜造則造，封山育林與人工造林相結(jié)合”的強(qiáng)有力政策下，撫仙湖流域30多年來(lái)森林保育良好，面積略有增長(zhǎng)。1976年森林覆蓋率為24.95%，1994年森林覆蓋率為26.72%，2013年森林覆蓋率為27.37%，詳見圖4。

水域景觀在近40年略有減少，主要是由于水位下降、灘涂裸露、人為侵占湖濱造成的。詳情見圖5。

3.2 撫仙湖景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

將景觀生態(tài)學(xué)的理論與方法應(yīng)用于撫仙湖流域景觀結(jié)構(gòu)變化的研究中，從景觀空間格局變化的某些特征分析各主要地類動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律。景觀格局指數(shù)是景觀空間格局和異質(zhì)性的定量描述。對(duì)不同時(shí)期同一景觀類型的景觀格局定量分析，可以反映撫仙湖景觀結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)以及所受到的干擾程度。

如表3所示，1976—2013年撫仙湖流域景觀多樣性指數(shù)從1.3999增加到1.4143，再增加到1.4267，表明研究區(qū)的景觀多樣性不斷增加；優(yōu)勢(shì)度在1976—1994年減少了0.0144，在1994—2013年減少了0.0124，反映了研究區(qū)各景觀類型所占的比例差異在不斷減少，即一種或者少數(shù)幾種景觀占優(yōu)勢(shì)的地位在明顯降低，該流域內(nèi)占優(yōu)勢(shì)的耕地與水域面積減少，林地面積增加是優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化的重要原因；均勻度從1976年的0.8698增加到1994年的0.8787，再增加到2013年的0.8864，表明各景觀類型的分布均勻程度在增加。從整體來(lái)看，撫仙湖流域的景觀類型比較單一，而且類型變化不是太多，所以景觀格局變化指數(shù)的變化值也不是很大。

表3 1976—2013年流域景觀類型多樣性指數(shù)

表4 撫仙湖流域景觀生態(tài)指數(shù)

從表4可以看出，農(nóng)地、建筑用地及林地的斑塊密度在增加，這一指數(shù)說明農(nóng)地與建筑用地的破碎度在增加，空間異質(zhì)性程度在增加。究其原因，主要為人為作用于這兩種景觀類型的結(jié)果。水域的斑塊密度變化不大，荒草地的斑塊密度呈先增加后減少的變化。

同樣地，從斑塊形狀指數(shù)來(lái)看，1976—2013年，建筑用地、農(nóng)地與林地的斑塊形狀指數(shù)在增加，說明這三類型斑塊的形狀越來(lái)越復(fù)雜，說明在人為干預(yù)下，斑塊形狀向不規(guī)劃方向發(fā)展。水域的斑塊形狀變化不大，荒草地的斑塊形狀呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，與斑塊密度變化趨勢(shì)基本一致。

在景觀生態(tài)學(xué)中，分維數(shù)的理論范圍為1.0～2.0，分維數(shù)越趨近于1，斑塊形狀越有規(guī)律。從總體上看，建筑用地、農(nóng)地、林地與草地的分維數(shù)值在研究年間基本都在1.5以上，反映了這四類景觀的幾何形狀很復(fù)雜的特點(diǎn)，人為因素干預(yù)比較大，斑塊形狀越來(lái)越不規(guī)律。

3.3 撫仙湖流域景觀結(jié)構(gòu)改變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響分析

結(jié)合上述撫仙湖流域景觀格局分析，分析撫仙湖流域景觀結(jié)構(gòu)改變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響從兩個(gè)方面進(jìn)行：

（1）流域的面山區(qū)域。面山區(qū)域的景觀類型主要為林地和草地，研究期間林地面積由1976年的168.56km2，增加為1994年的180.49km2，再增加到2013年的184.88km2。研究期間林地面積雖然持續(xù)增加，但據(jù)文獻(xiàn)記錄，長(zhǎng)期以來(lái)，流域受人為活動(dòng)的影響，區(qū)內(nèi)常綠闊葉林遭到嚴(yán)重破壞，現(xiàn)有森林以華山松林、云南松林等針葉林為主［3］，即人為活動(dòng)在破壞天然林的同時(shí)種植針葉林替代原來(lái)的森林，降低了生物多樣性，影響了生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。

（2）流域的湖盆區(qū)。湖盆區(qū)的景觀類型主要為湖體、農(nóng)地及建筑用地，研究期間湖體面積變化較小，建筑用地面積由1976年的9.51km2，增加為1996年的15.32km2，再增加到2013年的20.83km2，面積持續(xù)增加，面積的增加主要以犧牲農(nóng)田而來(lái)。在工業(yè)化和城市化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，建筑用地的面積及人口數(shù)量增加、旅游業(yè)的逢勃發(fā)展，“人口”與 “植口”的矛盾越來(lái)越嚴(yán)重，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運(yùn)行，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是潛在威脅。

3.4 結(jié)論

（1）通過三期遙感影像和各期數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出隨著時(shí)間的推移，撫仙湖流域在過去近40年各類景觀面積已發(fā)生了較大的變化。建筑用地及林地景觀面積增加，農(nóng)地、水域及荒草地減少。主要原因是社會(huì)經(jīng)濟(jì)及撫仙湖旅游業(yè)的發(fā)展，大量的農(nóng)田被占用變成建筑用地。另外在封山育林及退耕還林的政策驅(qū)動(dòng)下，部分荒草地被改良為林地。

（2）1976—2013年，撫仙湖流域景觀多樣性指數(shù)從1.3999增加到1.4143，再增加到1.4267，優(yōu)勢(shì)度在1976—1994年減少了0.0144，在1994—2013年減少了0.0124，均勻度從1976年的0.8698增加到1994年的0.8787，再增加到2013年的0.8864，反映了研究區(qū)各景觀類型所占的比例差異在不斷減少，各景觀類型的分布均勻程度在增加。主要原因?yàn)槿藶橐蛩氐挠绊懯沽饔蛑姓贾鲗?dǎo)地位的耕地、林地及水域面積值向均勻化的方向發(fā)展。

（3）1976—2013年，建筑用地、林地、農(nóng)地的斑塊密度與斑塊形狀指數(shù)都有所增加，說明這三類型的破碎度在增加，空間異質(zhì)性程度在增加，在人為干預(yù)下，斑塊形狀向不規(guī)劃方向發(fā)展。建筑用地、林地、農(nóng)地及荒草地的分維數(shù)在減少，這是因?yàn)檫@幾類景觀受人類規(guī)劃改造的原因所致。

（4）流域面山區(qū)域林地與草地景觀格局的變化影響森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，天然林面積的減少使常綠闊葉林受到嚴(yán)重破壞，降低了生物多樣性，影響了生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性；湖盆區(qū)在工業(yè)化和城市化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，建筑用地面積的增加，農(nóng)地景觀面積減少的格局變化，“人口”與 “植口”的矛盾越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是潛在威脅。

［1］傅伯杰.景觀生態(tài)學(xué)原理及應(yīng)用 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2001：135-136.

［2］王婷婷，侯淑濤，唐軍利，等.七臺(tái)河市土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析［J］.水土保持研究，2012，19（3）：91.

［3］孔維琳，王余州，向伶，王崇云，和兆榮，楊樹華.撫仙湖流域植物景觀格局分析 ［J］.云南大學(xué)大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（4）：468-475.

Dynam ic Changes of Landscape Pattern in the Fuxianhu Lake Basin Based on 3S Technology

TAN Zhi-wei
（Yunnan Institute of Environmental Science，Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau LakeWatershed，Kunming Yunnan 650034，China）

The corrected TM satellite imageries of three time periods of 1976，1993，and 2011 were used to track the dynamic changes of landscape pattern in the Fuxianhu Lake basin.The results demonstrated that dramatic changes of landscape pattern have occurred in the time period.The construction area was increasing massively with a slow growth of forest land.However，the farm land area was decreasing.Human activitieswere themajor driver to substantially change the landscape pattern of the basin.

3S technology；lake protection；landscape pattern；Fuxianhu Lake

X87

A

1673-9655（2015）05-0117-06

2015-03-26

譚志衛(wèi)（1982-），女，碩士研究生。