基于景觀格局指數(shù)的江漢平原土地利用覆蓋時(shí)空變化分析

周玲玲

(貴州省國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃研究院，貴州貴陽 550004)

基于景觀格局指數(shù)的江漢平原土地利用覆蓋時(shí)空變化分析

周玲玲

(貴州省國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃研究院，貴州貴陽 550004)

摘要以江漢平原1993、1994、2010、2011年的TM/ETM+遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，獲取不同時(shí)期的土地利用/覆蓋類型數(shù)據(jù)，并運(yùn)用景觀格局指數(shù)對(duì)江漢平原的土地利用/覆蓋時(shí)空格局變化特征進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明：1994～2010年，耕地是江漢平原的優(yōu)勢(shì)景觀，但其優(yōu)勢(shì)地位呈下降趨勢(shì)，耕地、建設(shè)用地、園林地、河流湖泊的斑塊數(shù)增多，斑塊密度增大，耕地、河流湖泊、未利用地的斑塊面積減少，建設(shè)用地、園林地和坑塘水面的斑塊面積增多；江漢平原香農(nóng)多樣性指數(shù)、景觀形狀指數(shù)和破碎度指數(shù)上升，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)降低，總體景觀的多樣性水平上升，破碎化程度和異質(zhì)性增加，完整性和連通性遭到破壞。

關(guān)鍵詞江漢平原；景觀格局指數(shù)；土地利用/覆蓋變化；空間格局變化

土地利用/覆蓋變化是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，對(duì)于景觀格局的土地利用結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化的研究，常用的方法是景觀格局指數(shù)法，運(yùn)用景觀格局指數(shù)可以定量分析研究區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)變化過程[1]。縱觀學(xué)術(shù)界的研究成果，景觀格局指數(shù)類型繁多，趙春霞等[2]從分類原理、分類過程、分類方法等不同角度分析了這2種方法的區(qū)別與聯(lián)系，并展望了遙感影像分類的發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展前景；郭斌[3]基于GIS平臺(tái)對(duì)黃土高原南部土地景觀動(dòng)態(tài)及優(yōu)化進(jìn)行了分析；張兵等[4]采用1986～2000年TM和ETM+影像數(shù)據(jù)計(jì)算景觀生態(tài)指數(shù)，得出甘肅中部地區(qū)整個(gè)地區(qū)景觀生態(tài)空間格局,通過對(duì)土地利用/覆蓋變化的時(shí)空變化分析，實(shí)現(xiàn)了空間格局和地理時(shí)間變化過程的小尺度區(qū)域有機(jī)結(jié)合。筆者運(yùn)用景觀格局指數(shù)研究分析江漢平原土地利用覆蓋時(shí)空隔絕變化特征，有利于提高土地利用效率、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，對(duì)各地區(qū)各相關(guān)職能部門制定科學(xué)合理的土地利用管理決策，促進(jìn)土地資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展，更對(duì)保護(hù)耕地、保障糧食安全等有重要意義。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況江漢平原位于111°45′～114°16′E、29°26′～31°10′N的長(zhǎng)江中游地區(qū)，地處湖北省中南部的長(zhǎng)江流域和漢江流域，東迄湖北省省會(huì)武漢，西接宜昌枝江，南連地處湖南省北部的洞庭湖平原，北至荊門鐘祥。江漢平原的形成主要來源于長(zhǎng)江和漢江沖擊而成，是我國(guó)3大平原(東北平原、華北平原、長(zhǎng)江中下游平原)之一的長(zhǎng)江中下游平原的重要組成部分，并且與湖南洞庭湖平原合稱為“兩湖平原”。江漢平原的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，地勢(shì)地平坦，地表物質(zhì)主要以河流沖積和湖泊淤積物為主，土壤多為砂壤地和粉砂壤土。是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的重要農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)基地，其對(duì)于華中地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用，是華中地區(qū)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的一個(gè)縮影。

在行政區(qū)上，江漢平原主要包括荊州市的沙市區(qū)、荊州區(qū)、江陵縣、公安縣、監(jiān)利縣、石首市、洪湖市、松滋市8個(gè)縣(市、區(qū))，以及仙桃市、潛江市、天門市3個(gè)省直管轄市，并輻射到周邊武漢、孝感、荊門、宜昌和襄陽5個(gè)地級(jí)市的蔡甸區(qū)、漢川市、沙洋縣、京山縣、鐘祥市、枝江市、宜城市等部分地區(qū)。

由于受到TM遙感影像數(shù)據(jù)的影響限制，該研究選取江漢平原的核心地區(qū)作為研究區(qū)域，包括荊州區(qū)(包括荊州市區(qū)、沙市區(qū)、江陵縣)、公安縣、石首市、監(jiān)利縣、洪湖市、潛江市、仙桃市、天門市、漢川市。

1.2數(shù)據(jù)來源選取美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat)的TM/ETM+影像，以1993、1994、2010和2011年的遙感影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m×30 m，覆蓋整個(gè)研究區(qū)共需要6景影像，時(shí)相為7～10月，研究江漢平原土地利用/覆蓋空間格局變化的時(shí)期確定為1994和2010年2個(gè)時(shí)期，1994年的遙感影像由1993和1994年的影像數(shù)據(jù)組成，2010年的遙感影像由2010和2011年的影像數(shù)據(jù)組成。遙感影像數(shù)據(jù)來源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)服務(wù)平臺(tái)。

1.3研究方法

1.3.1解譯法和監(jiān)督分類法。該研究選定遙感影像的波段5、波段4、波段3合成假彩色遙感影像，以1∶5萬的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為控制數(shù)據(jù)。但由于研究區(qū)的位置、范圍等原因，任何1景遙感影像都不能滿足研究的需要，需對(duì)6景影像進(jìn)行image to image的幾何校正、鑲嵌，對(duì)于已經(jīng)鑲嵌好的2幅遙感影像，通過mask操作裁剪出研究區(qū)范圍[5]，然后結(jié)合目視解譯法和監(jiān)督分類中的最大似然法[6]對(duì)研究區(qū)的2期遙感影像進(jìn)行分類，在此假彩色合成影像上選擇訓(xùn)練區(qū)(ROI)、計(jì)算訓(xùn)練區(qū)可分離性(Compute ROI Separability)以及反復(fù)檢驗(yàn)分類結(jié)果，并參照第二次全國(guó)土地調(diào)查分類的方式，結(jié)合江漢平原區(qū)土地利用/覆蓋的實(shí)際情況，將土地利用/覆蓋類型劃分為6大類：建設(shè)用地(包括城市、建制鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、獨(dú)立工礦用地、交通用地)、園林地(有林地、其他林地、果園)、河流湖泊、坑塘水面、耕地以及未利用地。1.3.2景觀格局指數(shù)法。選取景觀格局指數(shù)時(shí)盡量避免信息重疊，同時(shí)能達(dá)到分析空間格局變化的需求，分別從景觀類型水平和景觀水平選取相的景觀格局指數(shù)。類型水平指數(shù)選?。哼x取斑塊數(shù)(NP)、斑塊面積(CA)、景觀類型面積百分比(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)、聚集度指數(shù)(AI)等7個(gè)景觀格局指數(shù)，從景觀類型的面積、形狀及空間分布狀態(tài)等方面探討土地利用與土地覆蓋景觀的時(shí)空變化特征。景觀水平指數(shù)選?。哼x取斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LDI)、景觀破碎度指數(shù)(LFI)等7個(gè)景觀格局指數(shù)，從景觀類型的形狀、空間結(jié)構(gòu)及其分布形態(tài)、多樣性及優(yōu)勢(shì)度等方面探討土地利用與土地覆蓋景觀的時(shí)空格局變化特征。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用/覆蓋類型水平上時(shí)空格局化分析在景觀格局分析軟件Fragstats3.3中，計(jì)算得出1994和2010年江漢平原區(qū)景觀類型水平上相應(yīng)的景觀格局指數(shù)，見表1。

表1　1994、2010年江漢平原景觀類型上景觀格局指數(shù)

從表1可看出，1994年江漢平原耕地面積比例為80.49%，在整個(gè)景觀格局中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其最大斑塊指數(shù)為42.292 3，耕地的最大斑塊指數(shù)遙遙領(lǐng)先于其他土地利用/覆蓋類型，同樣說明耕地在整個(gè)景觀中的優(yōu)勢(shì)地位；耕地的斑塊數(shù)為5 416，斑塊密度為0.261 6，與其他土地利用/覆蓋類型的相比，2個(gè)指數(shù)都最小，說明了耕地在空間上是連片分布的，其聚集度指數(shù)在整個(gè)景觀中最大，指數(shù)值為97.635 0，進(jìn)一步說明了耕地在物理上的連通性很好，空間分布上非常聚集。2010年江漢平原耕地的面積比例仍然大于其他土地利用/覆蓋類型的面積比例，其比例為75.72%，說明在整個(gè)景觀中，耕地仍為主要景觀；耕地的聚集度指數(shù)在整個(gè)景觀中最大，指數(shù)值為96.543 5，說明2010年耕地景觀的空間分布集中，物理連通性較好。但是耕地的斑塊數(shù)卻在增加，說明耕地已經(jīng)受到了人為活動(dòng)等因素的干擾，其破碎化程度有增大的趨勢(shì)。

在Excel中，得出了1994～2010年江漢平原各土地利用/覆蓋類型的各景觀格局指數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)各景觀格局指數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步探討研究區(qū)各土地利用/覆蓋類型在數(shù)量上的變化特征。

2.1.1斑塊數(shù)和斑塊密度反映了研究區(qū)景觀類型的破碎程度。由表1可知，研究區(qū)的景觀類型中，園林地和坑塘水面的斑塊數(shù)較多，密度指數(shù)較大，說明了這2類景觀比較破碎，耕地、河流湖泊和建設(shè)用地的斑塊數(shù)相對(duì)較少，密度指數(shù)也相對(duì)較低，說明了這3類景觀比較完整或連片。從斑塊數(shù)和密度指數(shù)的變化上來講，1994～2010年園林地的斑塊數(shù)和密度指數(shù)上升最快，其次是耕地的斑塊數(shù)和密度指數(shù)，建設(shè)用地、河流湖泊也逐年上升，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)建設(shè)用地、園林地、耕地的干擾程度逐漸加強(qiáng)，致使其破碎化程度逐年增加；而坑塘水面和未利用地的斑塊數(shù)和密度指數(shù)則是逐年下降。

2.1.2景觀類型面積百分比反映了研究區(qū)中景觀類型的優(yōu)勢(shì)度。研究區(qū)的景觀類型中，耕地的景觀類型面積百分比最高，1994、2010年分別為80.49%、75.72%，說明了耕地是江漢平原區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型，1994～2010年研究區(qū)耕地的景觀類型面積百分比逐年下降，說明了耕地面積逐年減少，一是因?yàn)榇罅扛剞D(zhuǎn)化其他非農(nóng)用地諸如坑塘水面、園地等，另外是由于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化加速，耕地被建設(shè)用地占用。2.1.3平均斑塊形狀指數(shù)可描述研究區(qū)景觀類型邊界形狀的復(fù)雜性和規(guī)則性。研究區(qū)平均斑塊形狀指數(shù)值是大于1的數(shù)，平均斑塊形狀指數(shù)值越接近1，說明景觀類型邊界形狀越接近正方形等規(guī)則形狀，形狀就越簡(jiǎn)單，同時(shí)受人類活動(dòng)干擾程度就越大。研究區(qū)各景觀類型的平均斑塊形狀指數(shù)都遠(yuǎn)離1，說明各類景觀類型的邊界形狀比較復(fù)雜，1994～2010年研究區(qū)建設(shè)用地、園林地、河流湖泊、坑塘水面的平均斑塊形狀指數(shù)變化較大，逐年上升，說明這4類景觀的邊界形狀越來越復(fù)雜、越來越不規(guī)則。造成建設(shè)用地平均斑塊形狀指數(shù)增加的原因主要是中心城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)間的不均衡發(fā)展，在中心城鎮(zhèn)由于城市用地規(guī)劃，使中心城鎮(zhèn)的建設(shè)用地連接成片，形狀比較簡(jiǎn)單，但是農(nóng)村居民點(diǎn)的建設(shè)用地卻成一種無序的狀態(tài)持續(xù)增加，使得景觀邊界形狀變得非常復(fù)雜。造成園林地平均斑塊形狀指數(shù)增加的主要原因是由于耕地轉(zhuǎn)化為果園地或是經(jīng)濟(jì)林，并且規(guī)劃上的不合理性，致使園林地的形狀越來越復(fù)雜。耕地和未利用的平均斑塊形狀指數(shù)上升幅度很小，在一定程度上也說明了人類活動(dòng)對(duì)其有干擾作用。

2.1.4聚集度指數(shù)能描述景觀類型物理上的連通性以及其分散與聚集程度。研究區(qū)耕地、河流湖泊和建設(shè)用地的集聚度指數(shù)相對(duì)較大，說明這些景觀類型連通性較好，聚集程度較高，園林地、未利用地的聚集度指數(shù)較低，說明這2類景觀類型比較分散，連通性不好。

2.2景觀水平上土地利用/覆蓋時(shí)空格局變化分析該研究借助Fragstats3.3和Excel等軟件，計(jì)算得出1994和2010年江漢平原區(qū)景觀水平上相應(yīng)的景觀格局指數(shù)(表2)。

表2　1994～2010年江漢平原景觀水平上景觀格局指數(shù)

對(duì)表2中景觀水平上的各景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析，可知江漢平原區(qū)的景觀格局變化具有以下特征。

(1)1994～2010年研究區(qū)的斑塊數(shù)(NP)從119 252增加到154 141，斑塊密度指數(shù)從5.760 6增加到7.445 6，且增長(zhǎng)幅度較大，說明江漢平原區(qū)景觀格局的破碎化程度在逐漸升高。造成這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及城鎮(zhèn)化的迅猛發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)的干擾程度越來越大，使得研究區(qū)的景觀格局向破碎化方向發(fā)展，景觀格局的完整性和連通性遭到破壞。

(2)研究區(qū)的平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN)和景觀形狀指數(shù)(LSI)分別從1994年的1.044 9、112.629 4上升到2010年的1.045 9、149.988 2，說明江漢平原的景觀形狀趨于復(fù)雜化、不規(guī)則化。造成這種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是研究區(qū)中人類活動(dòng)對(duì)各個(gè)景觀類型的干擾程度上存在差異，對(duì)于有的景觀類型的干擾程度較高，比如建設(shè)用地；對(duì)于有的景觀類型的干擾程度較低，比如耕地、河流湖泊等。這種變化也反映了人類活動(dòng)對(duì)于不同的景觀類型有不同程度的干擾影響。研究區(qū)的平均斑塊分維數(shù)雖然呈上升趨勢(shì)，但是其上升幅度很小且數(shù)值偏小，說明了研究區(qū)的形狀總體來說還是比較簡(jiǎn)單、規(guī)則化的。

(3)研究區(qū)的香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)從1994年的0.735 5上升到2010年的0.876 0，說明江漢平原的多樣性水平逐年提高，說明了研究區(qū)內(nèi)各景觀類型將呈均衡化分布，其所占面積比例的差距有縮小的趨勢(shì)。雖然江漢平原區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀是耕地，并在長(zhǎng)期內(nèi)其優(yōu)勢(shì)地位不會(huì)改變，但是隨著江漢平原區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口總數(shù)不斷增加和城鎮(zhèn)化水平不斷提高，建設(shè)用地、坑塘水面等景觀類型的面積不斷增加。研究區(qū)景觀多樣性的提高，表明各類景觀類型在空間上呈現(xiàn)均衡性分布，對(duì)于土地利用/覆蓋的景觀格局起控制作用的景觀類型在逐漸減弱。

(4)研究區(qū)的景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(LDI)從1994年的1.523 9下降到2010年的1.321 2，說明研究區(qū)的景觀異質(zhì)性性在逐漸增加，但是兩時(shí)期內(nèi)的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)相對(duì)較高，則表明了研究區(qū)的整體景觀仍由幾個(gè)主要景觀類型在控制。

(5)研究區(qū)的景觀破碎度指數(shù)(LFI)從1994年的0.057 6增加到2010年的0.074 5，說明研究區(qū)的景觀破碎化程度增大，單位面積上的斑塊數(shù)逐漸增多，整個(gè)景觀被分割成碎塊，斑塊在空間上的連通性漸漸減弱，反映了整體景觀格局受到人類活動(dòng)的干擾使得其逐漸趨向復(fù)雜化和異質(zhì)化。

3結(jié)論

該研究以江漢平原1993、1994、2010和2011年4個(gè)時(shí)期內(nèi)的6景TM/ETM+影像(成像時(shí)間集中在夏、秋2個(gè)季節(jié))為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，運(yùn)用目視解譯法和監(jiān)督分類中的最大似然法對(duì)1993～1994年和2010～2011年2個(gè)時(shí)段的遙感影像進(jìn)行分類，得出了研究區(qū)在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的土地利用/覆蓋變化情況，然后運(yùn)用景觀格局指數(shù)法對(duì)江漢平原的土地利用/覆蓋變化的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，各土地利用/覆蓋類型的景觀格局指數(shù)在1994～2010年呈現(xiàn)不一致的演變規(guī)律。耕地景觀是江漢平原的主要景觀，1994和2010年的面積比例分別為80.48%和75.72%，其優(yōu)勢(shì)地位非常明顯；耕地、建設(shè)用地、園林地、河流湖泊景觀的斑塊數(shù)增多，斑塊密度增大，斑塊的形狀越來越復(fù)雜；坑塘水面的斑塊數(shù)減少，斑塊面積增加，斑塊密度減小，平均斑塊形狀指數(shù)大幅度降低，聚集度指數(shù)略微增大，表明坑塘水面景觀分布呈聚集狀態(tài)，且形狀趨于簡(jiǎn)單化和規(guī)則化；未利用地景觀的

斑塊數(shù)、斑塊面積均減少，斑塊密度降低，說明未利用地得到開墾和充分地利用。從景觀水平上的相應(yīng)景觀格局指數(shù)的角度來看，江漢平原的斑塊數(shù)增多，斑塊密度、平均斑塊分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和破碎度指數(shù)均上升，優(yōu)勢(shì)度度指數(shù)降低，說明江漢平原總體景觀的多樣性水平上升，破碎化程度和異質(zhì)性增加，景觀形狀向復(fù)雜化和不規(guī)則化方向發(fā)展，整個(gè)景觀格局的完整性和連通性遭到破壞。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉華,任志遠(yuǎn),周自翔.區(qū)域景觀格局變化特征及人類影響因素分析：以陜西關(guān)中平原地區(qū)為例[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,35(5):633-636.

[2] 趙春霞,錢樂祥.遙感影像監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類的比較[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,34(3):90-93.

[3] 郭斌.基于GIS的黃土高原南部土地景觀動(dòng)態(tài)及優(yōu)化[D].西安：陜西師范大學(xué)，2011.

[4] 張兵,金鳳君,董曉峰.甘肅中部地區(qū)景觀生態(tài)格局與土地利用變化研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2005,24(3):34-42.

[5] 金石柱,劉志鋒.基于TM影像的延吉市土地利用動(dòng)態(tài)變化研究[J].地理科學(xué),2011,31(10):1249-1253.

[6] 張明.榆林地區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境的景觀格局與演化研究[J].地理研究,2000,19(1):30-36.

Analysis on Temporal and Spatial Change of Jianghan Plain Land Use/Cover Based on Landscape Pattern Index

ZHOU Ling-ling

(Guizhou Provincial Institute of Land Resources Surveying and Planning, Guiyang, Guizhou 550004)

AbstractWith TM / ETM + remote sensing images of Jianghan Plain in 1993, 1994, 2010, 2011 as basic database, land use/cover data of different periods were obtained, the spatial and temporal variation characteristics of Jianghan Plain land use/cover were deeply analyzed by using landscaoe pattern index. The results showed that during 1994-2010, the cultivated land was the advantage landscape of Jianghan Plain, but its dominant position was on the decline. The number of patch and patch density of cultivated land, construction land, forest and garden land, rivers and lakes had increased. The patch area of cultivated land, rivers, lakes and unused land had decreased. In contrary, the patch area of construction land, forest and garden land and pond had increased. The Shannon’s diversity index, landscape shape index, and landscape fragmentation index of the whole Jianghan Plain had increased. The landscape dominance index had decreased. So the landscape diversity levels had risen, the degree of fragmentation and heterogeneity had increased and the integrity and connectivity of Jianghan Plain had been destroyed.

Key wordsJianghan Plain; Landscape pattern index; Land use/cover change; Temporal and spatial change

作者簡(jiǎn)介周玲玲(1988- )，女，土家族，貴州沿河人，助理工程師，碩士，從事土地利用、土地規(guī)劃研究。

收稿日期2016-03-30

中圖分類號(hào)F 301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)11-304-03