基于GIS的焦作市土地利用類型及景觀格局演變分析

馬 格 鄭琳琳 李 娜

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

0 引言

我國(guó)當(dāng)前處于城市建設(shè)快速發(fā)展的階段，城鎮(zhèn)化發(fā)展已成為不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)［1］。人為活動(dòng)對(duì)土地資源的利用最先作用于土地的自然形態(tài)，導(dǎo)致區(qū)域性或全球性的城市生態(tài)環(huán)境變化［2］。土地利用與土地覆蓋變化（Land Use and Land Cover Change，LUCC），是人類活動(dòng)和自然環(huán)境共同作用下最重要的表現(xiàn)形式之一，其不可忽視的重要性致使其越來越被認(rèn)為是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)和核心問題［3-4］。城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展的可持續(xù)性，主要取決于針對(duì)城市化發(fā)展的進(jìn)程中土地利用與土地覆蓋變化和景觀格局動(dòng)態(tài)變化［5］。不同的土地利用類型在空間上呈現(xiàn)出的不同的分布與組合形式稱為景觀格局，景觀格局的表現(xiàn)是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果［6-7］。景觀格局指數(shù)能全面地從景觀格局中提取出信息，能夠從各個(gè)等級(jí)有效的定量反映景觀格局的結(jié)構(gòu)組成和配置特征［8-10］。針對(duì)景觀格局的研究主要是對(duì)土地利用的斑塊空間分布、空間功能性、空間變化度以及景觀斑塊的管理規(guī)劃進(jìn)行分析［11］。

通過焦作市近10年的土地利用變化與景觀格局的研究，有助于深入了解該用地類型的景觀格局的結(jié)構(gòu)，對(duì)于焦作市區(qū)域景觀生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

1 研究區(qū)域概況、數(shù)據(jù)來源及處理

1.1 研究區(qū)域概況

焦作市地處河南西北部，南臨黃河，總面積約為4 071 km2。焦作境內(nèi)河流眾多，流域面積在100 km2以上的河流有23條，地表水資源充足；南水北調(diào)中線工程從中心城區(qū)斜穿而過。本研究的研究區(qū)域的范圍為整個(gè)焦作市市轄區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)是基于30 m空間分辨率的Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)，選擇2011年、2013年、2015年、2018年、2021年的焦作市影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和研究。影像數(shù)據(jù)均由地理空間數(shù)據(jù)云（http:∕∕www.gscloud.cn∕）下載獲取。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

利用Arcgis10.2軟件獲取5個(gè)時(shí)期的土地利用現(xiàn)狀，根據(jù)研究?jī)?nèi)容，將研究區(qū)域的用地分類主要?jiǎng)澐譃榻ㄔO(shè)用地、水域、農(nóng)田、林地四種用地類型。利用Fragstats4.2選取可以反映研究區(qū)域景觀的破碎度、鄰近度、多樣性和聚散度等空間特征指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型面積動(dòng)態(tài)變化分析

焦作市域總面積約為4 071 km2，筆者分別將2011年、2013年、2015年、2018年、2021年焦作市5個(gè)時(shí)期影像所分類出來的建設(shè)用地、水域、林地、農(nóng)田四種用地類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過Arcgis軟件分別對(duì)其進(jìn)行處理，完成土地利用類型分類處理，根據(jù)研究?jī)?nèi)容將研究區(qū)域的用地面積主要分為建設(shè)用地、水域、林地、農(nóng)田四種用地類型。

2011年焦作市建設(shè)用地主要集中在焦作市主城區(qū)、修武縣、博愛縣、溫縣、武陟縣、沁陽市、孟州市內(nèi)；之后建設(shè)用地逐步相連，直至2021年，焦作市主要建設(shè)用地間的交通連線更加明顯，基本構(gòu)成已以焦作主城區(qū)為核心，各個(gè)縣級(jí)市互相連通的布局模式。2011—2021年，焦作市的建設(shè)用地的面積呈現(xiàn)了先增長(zhǎng)后降低的變化趨勢(shì)，但變化的幅度不大；研究區(qū)域內(nèi)的水域較少，區(qū)位變化不明顯；林地主要集中在北部的太行山山脈和市域內(nèi)的人工林和森林公園等地；農(nóng)田呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng)趨勢(shì)，面積變化總體為先降低再增長(zhǎng)后降低。

2.2 類型水平上的景觀格局分析

基于研究區(qū)和數(shù)據(jù)的景觀格局特征，在類型水平（CLASS）上選取斑塊類型面積（CA）、最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）、邊緣密度（ED）、斑塊所占景觀面積的比例（PLAND）等景觀格局指數(shù)。

在5個(gè)研究時(shí)期中，對(duì)各個(gè)用地類型的斑塊類型面積進(jìn)行排序，5個(gè)研究時(shí)期的結(jié)果均為農(nóng)田＞建設(shè)用地＞林地＞水域。對(duì)2011年、2013年、2015年、2018年、2021年焦作市5個(gè)時(shí)期的四種用地類型的CA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，由表1可看出2021年相較于2011年農(nóng)田的CA整體減少；建設(shè)用地的CA整體有所增加；2011—2021年林地的CA則呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。

表1 2011—2021年焦作市用地類型景觀斑塊類型面積（CA）統(tǒng)計(jì) 單位：hm2

通過對(duì)2011—2021年焦作市各個(gè)用地類型的最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）進(jìn)行整理，得出表2。2011—2021年5個(gè)時(shí)期中，農(nóng)田的LPI均為4種用地類型中最大的；5個(gè)時(shí)期中，水域的LPI均為最小，2021年的LPI達(dá)到峰值，出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果的原因可能是由于2021年影像選取的時(shí)間為8月，焦作市雨水較大，水域碎片連接，所以導(dǎo)致了LPI的顯著增加；建設(shè)用地的LPI總體呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；林地的LPI排在4種用地類型的第三位，總體變化不大。

表2 2011—2021年焦作市最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）統(tǒng)計(jì) 單位：%

2011—2021年焦作市景觀的邊緣密度（ED）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。2011年4種用地類型的邊緣密度排序?yàn)檗r(nóng)田＞建設(shè)用地＞林地＞水域。2013年4種用地類型的ED排序?yàn)榻ㄔO(shè)用地＞農(nóng)田＞林地＞水域，建設(shè)用地的ED超越農(nóng)田，成為邊緣密度最大的用地類型。2015年相較于2013年，建設(shè)用地的ED有所降低，但仍位于第一位。2018年農(nóng)田的ED超過建設(shè)用地；林地的ED也有明顯的增長(zhǎng)。2021年農(nóng)田的ED相較于2018年有明顯降低，林地和水域的ED則有所增加?？傮w來看，2011—2021年建設(shè)用地和農(nóng)田的邊緣密度較大，水域和林地的景觀邊緣密度較小。

表3 2011—2021年焦作市景觀邊緣密度（ED）統(tǒng)計(jì)單位：m∕hm2

對(duì)2011年、2013年、2015年、2018年、2021年焦作市5個(gè)時(shí)期的四種用地類型的斑塊所占景觀面積的比例（PLAND）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，如表4所示。2011—2021年4種用地類型的PLAND排序?yàn)檗r(nóng)田＞建設(shè)用地＞林地＞水域。

表4 2011—2021年焦作市斑塊所占景觀面積的比例（PLAND）統(tǒng)計(jì) 單位：%

通過對(duì)2011年、2013年、2015年、2018年、2021年焦作市5個(gè)時(shí)期的四種用地類型的景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析比較，可以得出2011—2021年焦作市的景觀類型以人為景觀為主導(dǎo)，仍有部分自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變，農(nóng)田是最優(yōu)勢(shì)景觀類型，水域的面積最少，景觀優(yōu)勢(shì)度最低，建設(shè)用地和農(nóng)田的景觀破碎度最高。

2.3 景觀水平上的景觀格局分析

基于研究區(qū)和數(shù)據(jù)的景觀格局特征，在景觀水平（LANDSCAPE）上選取香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）等景觀格局指數(shù)，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）能反映景觀異質(zhì)性，并且與景觀格局的景觀多樣程度、景觀破碎化程度呈正相關(guān)關(guān)系，蔓延度指數(shù)（CONTAG）能反映景觀中不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延伸趨勢(shì)，CONTAG指標(biāo)描述的是景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)。由于該指標(biāo)包含空間信息，是描述景觀格局的最重要的指數(shù)之一。

通過對(duì)2011年、2013年、2015年、2018年、2021年焦作市5個(gè)研究時(shí)期的景觀格局進(jìn)行香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）計(jì)算，其指數(shù)變化如圖1所示。焦作市的香農(nóng)多樣性指數(shù)在2013年最高，在2018年最低。在5個(gè)研究時(shí)期內(nèi)，焦作市的香農(nóng)多樣性指數(shù)呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低之后再增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說明焦作市10年間景觀多樣程度、景觀破碎化程度變化不大，只在研究期內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化。

圖1 2011—2021年焦作市城市香農(nóng)多樣性指數(shù)變化

對(duì)2011—2021年5個(gè)時(shí)期的城市蔓延度指數(shù)（CONTAG）進(jìn)行匯總（如圖2），由圖可知，2011—2021年焦作市蔓延度指數(shù)呈現(xiàn)了先降低后升高，隨后再次小幅度降低的趨勢(shì)，指數(shù)整體呈現(xiàn)出了輕微波動(dòng)。2013年的城市蔓延度指數(shù)降低可能是由于隨著農(nóng)田用地和建設(shè)用地的侵蝕，優(yōu)勢(shì)斑塊不明顯并且斑塊的破碎化程度增高。

圖2 2011—2021年焦作市城市蔓延度指數(shù)變化

結(jié)果顯示：焦作市香農(nóng)多樣性指數(shù)變2021年相較于2011年化不大，只在研究期內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化；2011—2021年焦作市城市蔓延度指數(shù)整體呈現(xiàn)出了輕微波動(dòng)，谷值出現(xiàn)在2013年，峰值出現(xiàn)在2018年。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

2011—2021年焦作市土地利用及景觀格局變化主要如下。

①2011—2021年焦作市域內(nèi)的主要用地類型為農(nóng)田，范圍基本集中在中部、東部、南部等地勢(shì)平坦的區(qū)域；水域面積最少，主要集中在區(qū)域內(nèi)黃河流域和水庫；林地主要在北部太行山脈，且面積呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；2021年建設(shè)用地相較于2011年有明顯提升。

②2011—2021年焦作市的景觀類型以人為景觀為主導(dǎo)，仍有部分自然景觀向人為景觀轉(zhuǎn)變，農(nóng)田是最優(yōu)勢(shì)景觀類型，水域的面積最少，景觀優(yōu)勢(shì)度最低，建設(shè)用地和農(nóng)田的景觀破碎度最高。

③焦作市香農(nóng)多樣性指數(shù)2021年相較于2011年變化不大，只在研究期內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化；2011—2021年焦作市城市蔓延度指數(shù)整體呈現(xiàn)出了輕微波動(dòng)，谷值出現(xiàn)在2013年，峰值出現(xiàn)在2018年，整體有所升高。體現(xiàn)了景觀格局的空間形態(tài)向多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 展望

本研究主要采用了Arcgis和fragstats軟件對(duì)焦作市2011—2021年土地利用的改變下，景觀格局的變化分析。但是受數(shù)據(jù)獲取方式單一和研究方式的限制等原因，研究還存在一些不足，有些問題還需要進(jìn)一步的深入研究。具體問題主要表現(xiàn)在：利用遙感影像數(shù)據(jù)探究城市土地利用和景觀格局的變化已經(jīng)較為成熟，但是獲取的遙感影像數(shù)據(jù)精度不高，為30 m空間分辨率的影像數(shù)據(jù)，存在一定的誤差，在后續(xù)的研究中，需要使用精度更高的影像數(shù)據(jù)，減小誤差。