基于Landsat的滇池流域景觀時(shí)空格局演變

丁 亮，王 濤

(貴州林業(yè)勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003)

1 引言

高原湖泊不僅是云南生境中重要的生態(tài)系統(tǒng)，而且是促進(jìn)云南國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)富民興滇不可缺少的重要資源[1]。流域景觀格局指流域內(nèi)不同景觀組分的空間分布形式和組合特征，是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過(guò)程在不同尺度上的作用結(jié)果[2，3]。景觀格局決定著資源和環(huán)境的分布形式，與生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力、恢復(fù)能力、穩(wěn)定性、生物多樣性有密切的關(guān)系[4]。

長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于景觀格局的研究一直是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，對(duì)于流域景觀格局的研究也是諸多學(xué)者研究討論的重點(diǎn)對(duì)象之一[5，6]。滇池是云南省九大高原湖中唯一與大城市毗鄰的湖泊，滇池流域的景觀格局特征也在近幾十年發(fā)生了巨大的改變[7]。本文基于Landsat時(shí)間系列遙感影像，通過(guò)目視解譯獲取各期土地利用分類數(shù)據(jù)庫(kù)，研究滇池流域土地利用在不同時(shí)間和空間尺度上的動(dòng)態(tài)變化特征，探究快速城市化背景下其景觀格局隨時(shí)間變化的變化范式，掌握主要景觀類型的質(zhì)心遷移規(guī)律，為今后有效保護(hù)和合理利用滇池流域土地資源提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

滇池流域位于云南省中東部，地跨24°36′55″N～25°9′42″N，102°33′25″ E～102°54′14″E，流域面積13.12萬(wàn)hm2，約占云南省總面積的3.43%，最高海拔2479 m，最低海拔1753 m，地勢(shì)東北高，西南低，呈以滇池為中心向四周不斷升高依次為盆地、丘陵和山地的典型高原湖泊地貌特征。氣候?yàn)閬啛釒У途暥雀咴降丶撅L(fēng)氣候，冬暖夏涼，年平均氣溫15 ℃，多年平均降水900 mm，且主要集中于夏季。流域?qū)匍L(zhǎng)江和珠江的分水嶺地帶，有盤(pán)龍江、寶象河、東大河等8大主要河流匯入滇池。流域位于昆明市的核心發(fā)展區(qū)域，是昆明市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)收集與處理

3期遙感數(shù)據(jù)源于滇池流域1985年、2000年TM、2015年OLI衛(wèi)星遙感影像，成像時(shí)間為當(dāng)年的1月或2月，軌道行列號(hào)為43/129。首先利用DEM高程數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS10.2軟件平臺(tái)上的Spatial Analyst—Hydrology工具提取河網(wǎng)、進(jìn)行流域分割來(lái)進(jìn)行流域范圍的提取，在ERDAS 9.2下對(duì)影像進(jìn)行融合、校正、裁剪以及增強(qiáng)處理，以提高解譯精度。采用人機(jī)交互目視解譯的方法，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類GB /T21010—2007》和歐陽(yáng)志云等人的對(duì)全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)分類體系[8]，并結(jié)合滇池流域土地利用特點(diǎn)，將研究區(qū)劃分為耕地、灌草地(包括苗圃地和城市綠地)、建設(shè)用地、林地、濕地、水域和未利用地7個(gè)景觀類型，解譯結(jié)果如圖1所示。參考Google Earth影像以及昆明市2005年全國(guó)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)解譯的結(jié)果進(jìn)行精度分析和錯(cuò)誤糾正，結(jié)果顯示各地類的解譯結(jié)果Kappa系數(shù)均達(dá)到了0.85以上，滿足研究需要。

3.2 景觀格局演變分析方法

對(duì)3期土地利用類型分類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，先對(duì)研究區(qū)景觀類型面積變化特征進(jìn)行闡述，選取指示意義明確，主要表征景觀的破碎度、形狀和多樣性指標(biāo)的斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)分維數(shù)(PAFRAC)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)探討流域景觀格局的空間變化特征。各指數(shù)的值通過(guò)Fragstats3.4軟件平臺(tái)計(jì)算獲取，其生態(tài)釋義見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。

3.3 質(zhì)心遷移模型(建設(shè)用地、耕地、水域三者的質(zhì)心)

應(yīng)用空間質(zhì)心遷移模型，計(jì)算研究區(qū)建設(shè)用地、耕地、和滇池的面積加權(quán)質(zhì)心，定量揭示滇池流域主要景觀類型的空間遷移變化。其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Xn、Yn分別表示第n年某種土地利用分布質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Cni表示第n年第個(gè)土地利用類型斑塊面積；Xi、Yi分別表示第i個(gè)土地利用類型斑塊的重心坐標(biāo)。

4 結(jié)果與分析

4.1 滇池流域景觀結(jié)構(gòu)組成及類型轉(zhuǎn)換

4.1.1 景觀組成及面積變化分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，1985～2015年研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，1985年以耕地為主，占了研究區(qū)總面積的29.32%，到了2015年，研究區(qū)景觀類型以建設(shè)用地為主，占了研究區(qū)總面積的34.51%。30年間，耕地面積持續(xù)減少，總共減少了18741.26263 hm2，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度為16.23%。灌草地面積所占比率由1985年的7.02%減少至2015年的4.66%，面積總共減少了3094.57 hm2，其單一土地利用動(dòng)態(tài)度為1.12%；建設(shè)用地急劇擴(kuò)張，面積持續(xù)增大，1985～2000年，面積增加了8761.31 hm2，2000～2015年，面積增加了16274.61 hm2，30年間，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)了123.64%；林地面積小幅度減少，其所占比率由1985年的18.93%減少至2015年的15.87%。

4.1.2 景觀類型轉(zhuǎn)換分析

滇池流域1985～2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表1所示。1985～2015年間，耕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，30年間共有50.39%的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，補(bǔ)充來(lái)源主要是灌草地；灌草地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和耕地，有29.5%的灌草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，13.83%的灌草地轉(zhuǎn)化為耕地，增加部分主要來(lái)源于林地。建設(shè)用地體現(xiàn)為單向的轉(zhuǎn)入變化，除耕地和灌草地外，濕地也是建設(shè)用地的一大補(bǔ)充來(lái)源，期間共有27.19%的濕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。林地與灌草地之間互為補(bǔ)充，相互轉(zhuǎn)化，有8.39%的林地退化為灌草地，9.39%的灌草地晉級(jí)為林地。裸地的流轉(zhuǎn)主要存在于裸地與耕地以及裸地與灌草地之間，但流轉(zhuǎn)的程度較輕。濕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和耕地，轉(zhuǎn)移的比率分別為27.19%和11.49%。水域主要向濕地轉(zhuǎn)化，共有1.09%的水域轉(zhuǎn)化為濕地。上述轉(zhuǎn)化情況體現(xiàn)了滇池流域快速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出較為頻繁，受昆明市快速擴(kuò)張的的影響，各地類向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化尤為突出。

圖1 不同時(shí)期土地利用類型面積變化

4.2 景觀格局變化

4.2.1 景觀格局指數(shù)變化分析

斑塊密度和斑塊個(gè)數(shù)能夠直觀的表現(xiàn)景觀水平上的景觀破碎化程度。流域景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。研究表明，滇池流域的斑塊個(gè)數(shù)從1985年的1244個(gè)增加到2015年的1513個(gè)，增幅為21.62%，相應(yīng)的斑塊密度從1985年的0.9479增加至2015年的1.1529，說(shuō)明滇池流域30年間斑塊數(shù)量和斑塊密度都在增加，而平均斑塊面積從1985年的105.49 hm2減小至2015年的86.74 hm2。說(shuō)明滇池流域景觀格局呈破碎化發(fā)展的趨勢(shì)。蔓延度指數(shù)描述的是景觀中不同景觀類型團(tuán)聚程度的重要指標(biāo)，其值越大表明景觀是少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，越小則為許多分散的小斑塊組成。研究表明，1985～2015年先減小后增加，1985～2000年蔓延度指數(shù)值減小了1.44%，說(shuō)明此階段某些較大斑塊類型被打破為較小的斑塊，表現(xiàn)為景觀連通性減弱，蔓延度指數(shù)降低。2000～2015年蔓延度指數(shù)值增加了1.57%，說(shuō)明景觀內(nèi)一些細(xì)小的斑塊重新組合為較大的斑塊形成了良好的連通性。香濃多樣性指數(shù)反映的是景觀要素的多少及景觀豐富程度的情況。流域的香濃多樣性指數(shù)先增加后降低，2000年香濃多樣性指數(shù)最大，說(shuō)明2000年土地利用景觀豐富度和復(fù)雜度要高于其他2個(gè)時(shí)段，到2015年香濃多樣性指數(shù)從2000年的1.6956降至2015年的1.653，流域景觀多樣性豐富程度降低，景觀趨于簡(jiǎn)單化。

圖2 滇池流域景觀指數(shù)變化趨勢(shì)

4.2.2 景觀格局空間位置變化分析

圖3為滇池流域建設(shè)用地、耕地個(gè)水域3景觀類型1985～2015年景觀質(zhì)心位置變化圖。由圖3可知，1985～2000年滇池流域建設(shè)用地主要向西北方向擴(kuò)張，建設(shè)用地景觀質(zhì)心共向西北方遷移了1.4 km，年均遷移距離達(dá)0.09 km，該時(shí)段昆明市主要向北市區(qū)方向擴(kuò)展，這與建設(shè)用地質(zhì)心的遷移方向相符。2000～2015年滇池流域建設(shè)用地主要向東南方向擴(kuò)張，其質(zhì)心以年均0.17 km的速率共遷移了2.55 km，該時(shí)段昆明市南部的呈貢發(fā)展較快，建設(shè)用地快速向東南方向擴(kuò)展。耕地的質(zhì)心一直處于向南擴(kuò)展的狀態(tài)，1985～2015年其質(zhì)心共向南遷移了9.2 km，這主要是由于北部的耕地大量被昆明市的發(fā)展所侵占，耕地被壓縮至流域南部的郊區(qū)，致使耕地質(zhì)心快速向南遷移。水域的質(zhì)心位置相對(duì)穩(wěn)定，1985～2000年共向南部遷移了241 m，2000～2015年向西北部遷移了92 m。

圖3 滇池流域主要景觀類型質(zhì)心位置變化

5 結(jié)論與討論

利用3個(gè)時(shí)期的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，解譯得到了較為精確的1985～2015的滇池流域土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)研究其景觀類型的面積變化，相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，景觀格局指數(shù)及質(zhì)心，得到的主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)景觀類型以主要以建設(shè)用地、水域和耕地為主，30年間各景觀類型的面積發(fā)生了較大變化，其中耕地、灌草地和濕地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地面積急劇擴(kuò)張，水域面積先增加后減少，未利用地面積增大。

(2)研究區(qū)景觀類型轉(zhuǎn)換過(guò)程復(fù)雜頻繁，其中建設(shè)用地以轉(zhuǎn)入為主，耕地以轉(zhuǎn)出為主，灌草地和林地體現(xiàn)為轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的雙向轉(zhuǎn)化。

(3)研究區(qū)景觀斑塊密度和斑塊數(shù)量處于漲勢(shì)，流域景觀破碎化持續(xù)加劇。蔓延度指數(shù)先降后升，多樣性指數(shù)先升后降體現(xiàn)出流域景觀斑塊不斷拆分組合的復(fù)雜變化及景觀類型由多樣變得簡(jiǎn)單的演變過(guò)程。

(4)研究區(qū)主要景觀類型質(zhì)心遷移的特征為建設(shè)用地總體向東南遷移，耕地向南遷移，而水域以較慢的速率向西南遷移。出現(xiàn)這樣的遷移規(guī)律主要是因?yàn)槲挥诹饔虮辈康睦ッ魇胁粩嘞蚰线叺牡岢匕l(fā)展，壓縮了耕地空間和北部的水域使得這些景觀的質(zhì)心向南遷移。