基于景觀格局指數的江漢平原土地利用覆蓋時空變化分析

周玲玲

(貴州省國土資源勘測規劃研究院，貴州貴陽 550004)

基于景觀格局指數的江漢平原土地利用覆蓋時空變化分析

周玲玲

(貴州省國土資源勘測規劃研究院，貴州貴陽 550004)

摘要以江漢平原1993、1994、2010、2011年的TM/ETM+遙感影像為基礎數據源，獲取不同時期的土地利用/覆蓋類型數據，并運用景觀格局指數對江漢平原的土地利用/覆蓋時空格局變化特征進行深入分析。結果表明：1994～2010年，耕地是江漢平原的優勢景觀，但其優勢地位呈下降趨勢，耕地、建設用地、園林地、河流湖泊的斑塊數增多，斑塊密度增大，耕地、河流湖泊、未利用地的斑塊面積減少，建設用地、園林地和坑塘水面的斑塊面積增多；江漢平原香農多樣性指數、景觀形狀指數和破碎度指數上升，優勢度指數降低，總體景觀的多樣性水平上升，破碎化程度和異質性增加，完整性和連通性遭到破壞。

關鍵詞江漢平原；景觀格局指數；土地利用/覆蓋變化；空間格局變化

土地利用/覆蓋變化是一個非常復雜的過程，對于景觀格局的土地利用結構及其動態變化的研究，常用的方法是景觀格局指數法，運用景觀格局指數可以定量分析研究區景觀格局動態變化過程[1]。縱觀學術界的研究成果，景觀格局指數類型繁多，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種方法的區別與聯系，并展望了遙感影像分類的發展趨勢與發展前景；郭斌[3]基于GIS平臺對黃土高原南部土地景觀動態及優化進行了分析；張兵等[4]采用1986～2000年TM和ETM+影像數據計算景觀生態指數，得出甘肅中部地區整個地區景觀生態空間格局,通過對土地利用/覆蓋變化的時空變化分析，實現了空間格局和地理時間變化過程的小尺度區域有機結合。筆者運用景觀格局指數研究分析江漢平原土地利用覆蓋時空隔絕變化特征，有利于提高土地利用效率、優化土地利用結構，對各地區各相關職能部門制定科學合理的土地利用管理決策，促進土地資源合理利用和可持續發展，更對保護耕地、保障糧食安全等有重要意義。

1數據來源與研究方法

1.1研究區概況江漢平原位于111°45′～114°16′E、29°26′～31°10′N的長江中游地區，地處湖北省中南部的長江流域和漢江流域，東迄湖北省省會武漢，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江和漢江沖擊而成，是我國3大平原(東北平原、華北平原、長江中下游平原)之一的長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”。江漢平原的氣候屬于亞熱帶季風氣候，地勢地平坦，地表物質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。是長江經濟帶發展的重要農業經濟基地，其對于華中地區的經濟發展具有一定的促進作用，是華中地區經濟迅速發展的一個縮影。

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

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

1.2數據來源選取美國陸地衛星(Landsat)的TM/ETM+影像，以1993、1994、2010和2011年的遙感影像數據為主要數據源，空間分辨率為30 m×30 m，覆蓋整個研究區共需要6景影像，時相為7～10月，研究江漢平原土地利用/覆蓋空間格局變化的時期確定為1994和2010年2個時期，1994年的遙感影像由1993和1994年的影像數據組成，2010年的遙感影像由2010和2011年的影像數據組成。遙感影像數據來源于國際科學數據服務平臺和美國地質調查局(USGS)服務平臺。

1.3研究方法

1.3.1解譯法和監督分類法。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∶5萬的土地利用現狀數據為控制數據。但由于研究區的位置、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6景影像進行image to image的幾何校正、鑲嵌，對于已經鑲嵌好的2幅遙感影像，通過mask操作裁剪出研究區范圍[5]，然后結合目視解譯法和監督分類中的最大似然法[6]對研究區的2期遙感影像進行分類，在此假彩色合成影像上選擇訓練區(ROI)、計算訓練區可分離性(Compute ROI Separability)以及反復檢驗分類結果，并參照第二次全國土地調查分類的方式，結合江漢平原區土地利用/覆蓋的實際情況，將土地利用/覆蓋類型劃分為6大類：建設用地(包括城市、建制鎮、農村居民點、獨立工礦用地、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景觀格局指數法。選取景觀格局指數時盡量避免信息重疊，同時能達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。類型水平指數選取：選取斑塊數(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(LPI)、平均斑塊形狀指數(MSI)、聚集度指數(AI)等7個景觀格局指數，從景觀類型的面積、形狀及空間分布狀態等方面探討土地利用與土地覆蓋景觀的時空變化特征。景觀水平指數選取：選取斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊分維數(FRAC_MN)、景觀形狀指數(LSI)、香農多樣性指數(SHDI)、景觀優勢度指數(LDI)、景觀破碎度指數(LFI)等7個景觀格局指數，從景觀類型的形狀、空間結構及其分布形態、多樣性及優勢度等方面探討土地利用與土地覆蓋景觀的時空格局變化特征。

2結果與分析

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

表1　1994、2010年江漢平原景觀類型上景觀格局指數

從表1可看出，1994年江漢平原耕地面積比例為80.49%，在整個景觀格局中占有絕對優勢，其最大斑塊指數為42.292 3，耕地的最大斑塊指數遙遙領先于其他土地利用/覆蓋類型，同樣說明耕地在整個景觀中的優勢地位；耕地的斑塊數為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個指數都最小，說明了耕地在空間上是連片分布的，其聚集度指數在整個景觀中最大，指數值為97.635 0，進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%，說明在整個景觀中，耕地仍為主要景觀；耕地的聚集度指數在整個景觀中最大，指數值為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。但是耕地的斑塊數卻在增加，說明耕地已經受到了人為活動等因素的干擾，其破碎化程度有增大的趨勢。

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的變化趨勢，對各景觀格局指數進行了對比分析，進一步探討研究區各土地利用/覆蓋類型在數量上的變化特征。

2.1.1斑塊數和斑塊密度反映了研究區景觀類型的破碎程度。由表1可知，研究區的景觀類型中，園林地和坑塘水面的斑塊數較多，密度指數較大，說明了這2類景觀比較破碎，耕地、河流湖泊和建設用地的斑塊數相對較少，密度指數也相對較低，說明了這3類景觀比較完整或連片。從斑塊數和密度指數的變化上來講，1994～2010年園林地的斑塊數和密度指數上升最快，其次是耕地的斑塊數和密度指數，建設用地、河流湖泊也逐年上升，隨著社會經濟的發展，人類活動對建設用地、園林地、耕地的干擾程度逐漸加強，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和密度指數則是逐年下降。

2.1.2景觀類型面積百分比反映了研究區中景觀類型的優勢度。研究區的景觀類型中，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的優勢景觀類型，1994～2010年研究區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，一是因為大量耕地轉化其他非農用地諸如坑塘水面、園地等，另外是由于城鎮化、工業化加速，耕地被建設用地占用。2.1.3平均斑塊形狀指數可描述研究區景觀類型邊界形狀的復雜性和規則性。研究區平均斑塊形狀指數值是大于1的數，平均斑塊形狀指數值越接近1，說明景觀類型邊界形狀越接近正方形等規則形狀，形狀就越簡單，同時受人類活動干擾程度就越大。研究區各景觀類型的平均斑塊形狀指數都遠離1，說明各類景觀類型的邊界形狀比較復雜，1994～2010年研究區建設用地、園林地、河流湖泊、坑塘水面的平均斑塊形狀指數變化較大，逐年上升，說明這4類景觀的邊界形狀越來越復雜、越來越不規則。造成建設用地平均斑塊形狀指數增加的原因主要是中心城鎮和農村居民點間的不均衡發展，在中心城鎮由于城市用地規劃，使中心城鎮的建設用地連接成片，形狀比較簡單，但是農村居民點的建設用地卻成一種無序的狀態持續增加，使得景觀邊界形狀變得非常復雜。造成園林地平均斑塊形狀指數增加的主要原因是由于耕地轉化為果園地或是經濟林，并且規劃上的不合理性，致使園林地的形狀越來越復雜。耕地和未利用的平均斑塊形狀指數上升幅度很小，在一定程度上也說明了人類活動對其有干擾作用。

2.1.4聚集度指數能描述景觀類型物理上的連通性以及其分散與聚集程度。研究區耕地、河流湖泊和建設用地的集聚度指數相對較大，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/覆蓋時空格局變化分析該研究借助Fragstats3.3和Excel等軟件，計算得出1994和2010年江漢平原區景觀水平上相應的景觀格局指數(表2)。

表2　1994～2010年江漢平原景觀水平上景觀格局指數

對表2中景觀水平上的各景觀格局指數進行分析，可知江漢平原區的景觀格局變化具有以下特征。

(1)1994～2010年研究區的斑塊數(NP)從119 252增加到154 141，斑塊密度指數從5.760 6增加到7.445 6，且增長幅度較大，說明江漢平原區景觀格局的破碎化程度在逐漸升高。造成這一現象發生的主要原因是隨著社會經濟以及城鎮化的迅猛發展，人類活動對研究區的干擾程度越來越大，使得研究區的景觀格局向破碎化方向發展，景觀格局的完整性和連通性遭到破壞。

(2)研究區的平均斑塊分維數(FRAC_MN)和景觀形狀指數(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雜化、不規則化。造成這種現象發生的主要原因是研究區中人類活動對各個景觀類型的干擾程度上存在差異，對于有的景觀類型的干擾程度較高，比如建設用地；對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對于不同的景觀類型有不同程度的干擾影響。研究區的平均斑塊分維數雖然呈上升趨勢，但是其上升幅度很小且數值偏小，說明了研究區的形狀總體來說還是比較簡單、規則化的。

(3)研究區的香農多樣性指數(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，說明了研究區內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。雖然江漢平原區的優勢景觀是耕地，并在長期內其優勢地位不會改變，但是隨著江漢平原區的社會經濟發展、人口總數不斷增加和城鎮化水平不斷提高，建設用地、坑塘水面等景觀類型的面積不斷增加。研究區景觀多樣性的提高，表明各類景觀類型在空間上呈現均衡性分布，對于土地利用/覆蓋的景觀格局起控制作用的景觀類型在逐漸減弱。

(4)研究區的景觀優勢度指數(LDI)從1994年的1.523 9下降到2010年的1.321 2，說明研究區的景觀異質性性在逐漸增加，但是兩時期內的優勢度指數相對較高，則表明了研究區的整體景觀仍由幾個主要景觀類型在控制。

(5)研究區的景觀破碎度指數(LFI)從1994年的0.057 6增加到2010年的0.074 5，說明研究區的景觀破碎化程度增大，單位面積上的斑塊數逐漸增多，整個景觀被分割成碎塊，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的干擾使得其逐漸趨向復雜化和異質化。

3結論

該研究以江漢平原1993、1994、2010和2011年4個時期內的6景TM/ETM+影像(成像時間集中在夏、秋2個季節)為基礎數據源，運用目視解譯法和監督分類中的最大似然法對1993～1994年和2010～2011年2個時段的遙感影像進行分類，得出了研究區在兩個時段內的土地利用/覆蓋變化情況，然后運用景觀格局指數法對江漢平原的土地利用/覆蓋變化的時空變化特征進行分析。通過研究分析發現，各土地利用/覆蓋類型的景觀格局指數在1994～2010年呈現不一致的演變規律。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%，其優勢地位非常明顯；耕地、建設用地、園林地、河流湖泊景觀的斑塊數增多，斑塊密度增大，斑塊的形狀越來越復雜；坑塘水面的斑塊數減少，斑塊面積增加，斑塊密度減小，平均斑塊形狀指數大幅度降低，聚集度指數略微增大，表明坑塘水面景觀分布呈聚集狀態，且形狀趨于簡單化和規則化；未利用地景觀的

斑塊數、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景觀格局指數的角度來看，江漢平原的斑塊數增多，斑塊密度、平均斑塊分維數、景觀形狀指數、香農多樣性指數和破碎度指數均上升，優勢度度指數降低，說明江漢平原總體景觀的多樣性水平上升，破碎化程度和異質性增加，景觀形狀向復雜化和不規則化方向發展，整個景觀格局的完整性和連通性遭到破壞。

參考文獻

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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、土地規劃研究。

收稿日期2016-03-30

中圖分類號F 301.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-304-03