基于GIS和RS的小江流域景觀格局動態變化分析

摘要：以小江流域不同時期遙感數據為基礎，應用多種景觀格局指數，對小江流域的景觀格局效應進行了分析與探討。結果表明，各種土地利用類型的斑塊形狀都極不規則，而且還呈明顯增大趨勢；小江流域的景觀類型多樣性在研究期間呈遞增趨勢，但增幅不大，同時景觀優勢度指數則表現出遞減趨勢，表明該研究區中各景觀類型所占比例的差異在不斷減小，這從景觀均勻度指數上也得到了驗證。在各種土地利用類型中，居民點與工礦用地的破碎度最大，草地的破碎化程度最低，這與居民點與工礦用地的分布比較分散有關。

關鍵詞：景觀格局；動態變化；遙感技術；小江流域

中圖分類號：Ｆ３０１．２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）18－3980-04

Landscape Pattern and Its Dynamical Changes in Xiaojiang Basin Based on RS and GIS Technique

ＪＩＡ Ｓｏｎｇ－ｗｅｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ， Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ｉｎ Ｘｉａｏｊｉａｎｇ Ｂａｓｉｎ， ｔｈｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｘｉａｏｊｉａｎｇ Ｂａｓｉｎ ｗｉｔｈ ｍａｎｙ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎｄｅｘｅｓ was analyzed． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｔｃｈ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ ｗａｓ ｖｅｒｙ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ａｎｄ ｈａｄ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ． Ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ， ｔｈｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ｓｏ ｉｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｔｙｐｅ ｒｅｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｄｅｘ． Ｉｎ ａｌｌ ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ， ｔｈｅ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｏｗｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｌａｎｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ， ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｗｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｌａｎｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： lａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ； ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｃｈａｎｇｅｓ； ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； Ｘｉａｏｊｉａｎｇ Ｂａｓｉｎ

景觀生態學是以整個景觀為研究對象，主要研究景觀中各自然組分異質性、相互作用及與生物活動尤其是人類活動之間的相互影響［１］。景觀格局是景觀異質性的具體體現，景觀格局及其運動、變化發展是自然、生物和社會要素相互作用的結果，景觀斑塊形狀、大小、數量和空間組合影響著生物物種分布、動物遷移、徑流和侵蝕等生態過程和邊緣效應［２］。因此，通過對某一區域景觀格局研究，可以揭示該區域生態狀況及其空間變異性等特征，為人類定向影響生態環境并使之向良性方向演化提供依據。隨著計算機技術發展，遙感和地理信息系統技術為研究景觀空間結構和動態變化提供了一種有效手段，并在分析景觀格局空間變化，確定斑塊形狀、大小、毗鄰性和連接度等方面有著廣泛應用［３］。以小江流域不同時期遙感數據為基礎，應用景觀生態學中的多種景觀格局指數，對小江流域的景觀格局效應進行了分析與探討，對于小江流域生態環境建設、經濟發展規劃有著重要現實意義。

１研究區概況

小江流域位于云南省東北部，東經１０２°５２′－１０３°２２′，北緯２５°３２′－２６°３５′，小江發源于滇東北高原的尋甸縣，自南而北流經尋甸縣、昆明市東川區和會澤縣注入金沙江，全長１４１．９３ ｋｍ，流域面積３ ０４４．４ ｋｍ２。流域包括和涉及到的鄉鎮有２１個，常住人口４８．６萬人，流動人口約２.0萬人，人口平均密度１６４人／ｋｍ２。隨海拔升高，人口有明顯減少趨勢，人口主要集中在７００～１ ８００ ｍ高度帶。

小江流域總體地勢南高北低，兩岸地形陡峭，地勢高差巨大，最大高差達３ ６４９ ｍ；小江流域屬亞熱帶季風氣候區，氣候垂直分帶明顯，立體氣候特征顯著，由于受大氣環流的影響，小江流域的降水主要集中在５～１０月，約占全年降水量的８８％。小江流域地質構造復雜，地震活動頻繁，是我國泥石流災害最嚴重的地區之一。

２研究方法

２．１數據來源與處理

使用的遙感影像數據包括１９７４年ＭＳＳ數據，１９８７、１９９５和２００５年Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ影像數據。首先以 １∶１００ ０００地形圖為底圖，對所有影像進行幾何精校正，圖像切割和增強處理；然后建立解譯標志，在Ｅｒｄａｓ Ｉｍａｇｉｎｅ ８．６環境下，進行人機交互式判讀解譯，解譯結果經隨機抽樣驗證，分類精度在８０％以上。將所得數據在ＧＩＳ軟件Ａｒｃ ＧIS ９．０環境下進行編輯和修改，得到１９７４、１９８７、１９９５和２００５年小江流域土地利用圖。

２．２景觀類型劃分

景觀分類是景觀格局和功能研究的基礎，景觀分類必須首先明確景觀單元等級，根據不同空間尺度或圖形比例尺的要求來確定分類的基礎單元；其次景觀分類應體現出景觀的空間分異與組合，同時還應反映出控制景觀形成過程的主導因子。在景觀格局研究中，常用一定級別的土地利用類型來表達景觀中的嵌塊體類型，景觀空間格局就是土地利用空間格局［４］。因此，在此研究中使用土地利用類型作為景觀的斑塊類型。根據土地利用類型劃分標準，將研究區按土地一級類型劃分為耕地、林地、草地、水域、居民點與工礦用地和未利用地六類。

３景觀指數特征分析

在景觀生態學的研究和應用中，學者們借鑒傳統生物學和地理學統計方法發展了許多衡量景觀特征指數和相應的數學計算方法。在斑塊和景觀級別上，有些指標是度量景觀組分的，有些是度量景觀空間格局的，景觀組分和格局都能夠獨立和相互影響并作用于生態過程。研究在分析小江流域土地利用景觀格局變化時，采用了目前國際上流行的景觀空間格局分析軟件包ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ。ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ可以計算６０多種景觀指標［５］，根據研究特征，選取了具有代表性指標和景觀指數進行計算分析。

３．１景觀斑塊特征指數

斑塊是景觀的基本單元，一個區域景觀格局變化可以通過斑塊的變化來實現。斑塊及其他一些要素的數量、大小、類型、形狀及在空間上的組合形式構成了景觀空間結構。這里應用了斑塊形狀指數、斑塊分形維數、斑塊邊界密度和平均斑塊面積這４個指數來表征斑塊在空間形態上的特征和變化規律（表１）。

根據表１中的公式分別計算了小江流域各時期的景觀斑塊特征指數（表２）。從斑塊形狀指數（ＬＳＩ）來看，研究區內各景觀類型的擴展度都遠遠大于１，說明斑塊形狀與圓形相差較大，形狀極不規則。并且在研究期間內，其空間擴展度都呈明顯增加趨勢，說明這些景觀類型在形狀上都發生了很大變化，但分形維數變化不明顯。

邊界密度最大的景觀類型為居民點與工礦用地，表明其空間形狀較復雜；其次為未利用地、耕地、水域和林地，最小的是草地，可能是由于草地面積最大造成的。同時可以看出，與１９７４年相比，各種景觀類型在其他３個時期的邊界密度都要大，說明這些景觀類型的邊界變得越來越復雜，斑塊形狀的復雜化程度呈增加趨勢，但從后３個時期來看，邊界密度變化并不明顯，表明這些地類的斑塊形狀趨于穩定。

平均斑塊面積最大的景觀類型為草地，說明其破碎化程度最低；水域、林地、耕地居中；居民點與工礦用地和未利用地在景觀中占有較小的面積比例，平均斑塊面積也較小，顯示出較高程度的破碎化。比較４個時期，除居民點與工礦用地外的各種景觀類型后３個時期的平均斑塊面積都比１９７４年要小，顯示出景觀的破碎化程度在增大，與邊界密度的結果一致。

３．２景觀類型多樣性

景觀多樣性反映了景觀的復雜程度，根據景觀多樣性的研究內容可將其分為３種類型，分別是斑塊多樣性、景觀類型多樣性和格局多樣性。景觀類型多樣性是指景觀類型的豐富和復雜程度，用不同景觀類型（如農田、森林、草地等）數目多少及它們所占面積比例表示，其生態意義主要表現為對物種多樣性的影響，同時也對徑流、侵蝕等生態過程有重要影響［７］。選用景觀類型多樣性指數、景觀優勢度指數以及景觀均勻度指數３個指標進行分析（表３）。

根據表3中公式分別計算了小江流域的景觀類型多樣性指數（ＳＨＤＩ）、優勢度指數（Ｄ）和均勻度指數（Ｅ）（表４）。從表４可以看出，小江流域的景觀類型多樣性指數在研究期間呈遞增趨勢，由１９７４年的１．１０６ ５增長到２００５年的１．１３７ ８，增幅不大，但仍反映了景觀類型多樣性的提高；同時景觀優勢度指數在這期間則呈現出遞減趨勢，表明組成研究區各景觀類型所占比例的差異在不斷減小，即一種或者少數幾種景觀占優勢的地位在下降；景觀均勻度指數為０．６１７ ６～０．６３５ ０，且在不斷增大，表明各類景觀分布在趨于平衡化，其均勻程度處于中等水平。

３．３景觀空間構型

景觀作為一個整體而成為一個系統，具有一定結構和功能。而其結構和功能在外界干擾和其本身自然演替作用下，呈現出動態特征。景觀結構是指景觀的組分構成及其空間分布形式。景觀空間構型是景觀結構在空間上的表現，同時由于景觀是由具有異質性的不同元素組成的整體，則景觀空間構型也即為景觀元素在空間上的分布狀態。選取了景觀破碎化指數和景觀分離度指數來表征景觀空間構型（表５）。

利用表５中公式分別計算出的小江流域各時期景觀要素的景觀破碎化指數（ＦＮi）和景觀分離度指數（Ｉｋ）見表６。從表６可以看出，居民點與工礦用地的ＦＮi明顯大于其他景觀類型，且１９７４年的ＦＮi又高于其他３個時期，表明居民點與工礦用地的破碎化程度要遠遠高于其他類型，在圖上呈分散狀態，而隨著時間推移，這種破碎化程度在降低；其次為耕地和未利用地，耕地的破碎化指數ＦＮi在４個時期變化不明顯，未利用地則表現出破碎化程度增高的現象；破碎化指數ＦＮi較小的為林地、草地和水域，都處于０．０１以下，而且在各個時期變化都不明顯，表明這三類景觀類型分布比較集中，而且在研究期間受人為活動影響較小。

從景觀分離度指數Ｉｋ來看，表現出和破碎化指數ＦＮ相似趨勢，居民點與工礦用地分離度指數明顯高于其他景觀類型，且隨著時間推移指數不斷下降，表明居民點與工礦用地在不斷擴張，斑塊之間的距離在逐漸縮小；其次為未利用地、水域和耕地，未利用地分離度指數表現出明顯增高現象，水域分離度指數表現出先增高后降低，而耕地分離度指數則不斷下降，這說明了在研究期間未利用地的斑塊分布越來越分散，斑塊間距離越來越大，水域的斑塊分布先表現出越來越分散，而后則又相對集中，耕地斑塊間距離則越來越小；分離度指數Ｉｋ較小的為林地和草地，都處于１以下，林地除１９７４年分離度指數比較小為０．５７９外，其他3個時期為0.848～0.878，相差不大，而草地分離度指數為0.270～0.291，4個時期相比雖有所增加，但幅度不大，因此林地和草地，尤其是草地的斑塊分布比較集中。

４結論

小江流域因長期毀林開荒，生態環境極其惡劣。從景觀斑塊特征、景觀類型多樣性和景觀空間構型方面分析了小江流域景觀效應。研究結果表明各種土地利用類型的斑塊形狀都極不規則，而且復雜化程度還呈增加趨勢，在6種土地利用類型中，居民點與工礦用地的邊界密度最大，平均斑塊面積最小，顯示出較高程度的破碎化；小江流域的景觀類型多樣性在研究期間呈遞增趨勢，但增幅不大，同時景觀優勢度指數則表現出遞減趨勢，表明該研究區中各景觀類型所占比例的差異在不斷減小，這從景觀均勻度指數上也得到了驗證；另外，各種土地利用類型中居民點與工礦用地的破碎化程度最高，草地的破碎化程度最低，這主要因為居民點與工礦用地的分布比較分散，而且面積很小。

參考文獻：

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［９］ 陳利頂，傅伯杰．黃河三角洲地區人類活動對景觀結構的影響分析——以山東省東營市為例［Ｊ］．生態學報，１９９６，１６（４）：３３７－３４４．

（責任編輯鄭威）

收稿日期：２０１２－０６－０７

基金項目：國家自然科學基金項目（４１１０１３８５）；河南省哲學社會科學規劃項目（２０１０ＦＪＪ０３５）

作者簡介：賈松偉（１９７９－），男，河南新密人，博士，主要從事土地利用與碳循環方面研究，（電話）１５８３８８３３９５３（電子信箱）ｊｓｗ１０１１＠１６３．ｃｏｍ。