基于主成分分析法的土地利用景觀分區研究*
——以青龍滿族自治縣為例

寧雅楠，李 貝，楊偉州 張蓬濤（河北農業大學國土資源學院，保定 071001）

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·技術方法·

基于主成分分析法的土地利用景觀分區研究*
——以青龍滿族自治縣為例

寧雅楠，李 貝，楊偉州 張蓬濤※
（河北農業大學國土資源學院，保定 071001）

摘 要土地利用景觀分區關系到區域可持續發展與土地利用變化方向。研究內容:文章以青龍滿族自治縣為研究對象，利用2009年、2012年的土地利用現狀數據，運用Fragstats軟件分別計算出2009年、2012年的類型尺度景觀格局指數與景觀尺度景觀格局指數，對研究區進行土地利用景觀分區研究。研究方法:景觀指數法、主成分分析法。主要結論:（1）從類型尺度分析，景觀面積指數與平均斑塊面積除建設用地增加外，其余景觀類型均減少；各景觀類型的斑塊個數、斑塊密度均增加；分維數表現為建設用地與耕地增加，其余景觀類型分維數均減少。（2）從景觀尺度分析，除蔓延指數減少外，香農多樣性指數、香農均勻度指數、散布與并列指數均增加。（3）運用主成分分析法對研究區進行土地利用景觀分區，2009～2012年間青龍滿族自治縣土地利用程度向中等水平發展，受地形影響土地利用程度均呈現西北地區高、東南地區低的趨勢；各鄉鎮的土地利用水平表現為青龍鎮、八道河鎮的土地利用程度一直處于較高水平；都山林場與祖山林場由于其土地利用結構單一，土地利用等級處于較低水平。

關鍵詞主成分分析法 青龍滿族自治縣 土地利用 景觀分區

0 引言

土地資源是人類賴以生存的最基本條件，然而隨著人類經濟活動加劇與對土地資源的不合理開發利用，導致自然土地覆被格局劇烈改變，對陸地生態系統的生物多樣性、全球生物地球化學循環、區域及全球氣候都產生了廣泛而深刻的影響［1］。因此，只有科學合理的土地利用分區，才能夠保證土地資源的節約與集約利用，從而做到各類土地的高效率利用［2］。1995年國際地圈——生物圈計劃 （IGBP）與全球環境變化人文計劃 （HDP）聯合提出“土地利用與土地覆被變化”（LUCC）研究計劃，使土地利用與土地覆被變化研究成為目前全球環境變化研究的前沿與熱點領域［3-4］。

景觀格局分析是景觀生態學研究的基礎內容，是進一步研究景觀功能與動態的基礎［5］。國內對景觀格局動態的分析始于20世紀90年代初，研究受北美學派影響較大。我國學者開展景觀格局研究工作是以肖篤寧等采用美國景觀生態學派觀點對沈陽西郊景觀結構變化進行的研究為起點［5］。土地利用景觀格局是景觀異質性的具體體現，同時也是各種生態過程在不同尺度上作用的結果［6］。現階段國內對土地利用變化研究多注重于土地利用類型數量結構的變化，常常忽視土地利用的空間格局變化，景觀生態學理論可與地理信息系統方法相結合形成對土地利用空間格局進行研究的獨具特色的研究模式，而利用景觀格局指數對空間格局進行定量化研究是這種研究模式的基本內容［7］。土地利用景觀分區研究領域，不同專家學者也展開了相關工作:齊偉等［7］運用主成分分析法對德州市27個景觀格局指數進行相關性分析，并運用spss軟件進行聚類分析將11各縣市區劃分為4個土地利用類型區。曹瑞娜等［8］以棲霞市為例，提取流域地區，分別統計各流域內的景觀指數，并通過聚類分析對整個棲霞市的山區景觀進行分區。曹偉等［9］采用粗糙集與突變級數法相組合的方法對宜興市進行土地利用景觀分區研究。歐立業等［10］利用GIS與景觀生態學原理，針對斑塊與景觀鑲嵌體選取7個景觀指標，對柴達木盆地的土地利用景觀格局劃分出7個區域。

有關土地利用景觀分區的研究相對較少，分區指標及方法尚處于初級階段，特別是指標權重的確定還存在一定主觀性。該文以青龍滿族自治縣為例，選取景觀格局指數，運用SPSS軟件進行主成分分析，避免在指標權重確定中存在主觀性，進而通過景觀綜合指數得分進行土地利用景觀分區，以期為縣域土地利用景觀分區與土地利用方向改進提供理論借鑒與科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

青龍滿族自治縣位于河北省東北部邊緣，明長城北側，燕山山脈東段。地處東經118°33＇31″～119°36＇30″，北緯40°04＇40″～40°36＇52″。東北、東與遼寧省凌源縣、建昌縣、綏中縣相連，東南、南隔長城與撫寧縣、盧龍縣、遷安市毗鄰，西南與遷西縣搭界，西、西北與寬城滿族自治縣接壤。全縣土地總面積35.055 8萬hm2，其中耕地面積2.953 1萬hm2（2012年），占總土地面積的8.42%，人均耕地面積0.05hm2。下轄25個鄉鎮，396個行政村。

2012年，全縣年末總人口為55.65萬人，其中城鎮人口為9.618 1萬人，農村人口為46.031 9萬人，城鎮化水平為22.75%。全縣地區生產總值突破百億大關，達到108億元，實現財政收入14.6億元，實現五年翻兩番，其中地方一般預算收入5.7億元。社會消費品零售總額達到28.2億元，增長13.4%。引入涉外資金48.5億元，增長34.7%。城鎮居民人均可支配收入與農民人均純收入達到2.337 7萬元與5 918元，增長為10%與15.9%。

1.2 研究方法

1.2.1 景觀指數法

景觀指數是景觀格局分析常用的指標，其描述的景觀格局不但可以是空間數據獲得一定的統計性質，而且可以針對不同空間尺度上的景觀格局特征進行比較與分析，定量描述與檢測景觀空間結構隨時間的變化［11］。

根據研究目的，運用Arcgis軟件將2009年與2012年青龍滿族自治縣土地利用現狀矢量數據轉換為柵格數據，并將其景觀類型劃分為耕地、園地、林地、建設用地、水域、未利用地等6個景觀生態系統，最后運用Fragstats軟件計算出各景觀類型的景觀指數值。根據青龍滿族自治縣的現實情況與需要，選取景觀面積、斑塊密度、平均斑塊面積、分維數、香農多樣性指數、香農均勻度指數、散布與并列指數、蔓延度指數對研究區土地利用景觀分區進行定量分析。

1.2.2 主成分分析法

主成分分析法 （PCA）是通過少數幾個主成分來解釋多變量的方差-協方差結構的分析方法［12］。主成分分析法的工作目標是在保證數據信息損失最小的前提下，經線性變化與舍棄一小部分信息，以少數的綜合變量取代原始采用的多維變量，即對高危空間變量進行降維處理［13］。

該文以青龍滿族自治縣25個鄉鎮、2個林場、1個水庫共28個單元為單位，運用Arcgis軟件對2009年與2012年青龍滿族自治縣土地利用現狀柵格圖進行裁剪，并運用Fragstats軟件分別計算每個鄉鎮的景觀指數。將計算出的景觀指數進行標準化處理，以此為變量構建矩陣進行主成分分析，運用SPSS軟件計算出矩陣的特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率。依據累計方差貢獻率選擇主成分，方差貢獻率作為權重，計算每個鄉鎮的景觀指數綜合得分。

式中，Hi為第i個鄉鎮的景觀綜合指數；Mij為第i個鄉鎮第j個主成分因子得分；Nj為第j個因子的方差貢獻率。

為了更好地反映青龍滿族自治縣各鄉鎮的土地利用景觀格局狀況，將景觀綜合指數值按照百分制折算。

式中，H'為示轉換后的百分制景觀綜合指數值；Hmax為轉換前景觀綜合指數最大值，Hmin為轉換前景觀綜合指數最小值。

2 結果分析

2.1 類型尺度的景觀格局分析

運用Fragstats軟件分別計算出青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型的類型尺度景觀指數值，如表1所示。

表1 青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型的類型尺度景觀指數

景觀面積指標可以直觀反映出各景觀類型的面積總量特征。由表1可以看出，青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型面積排序均為:林地＞未利用地＞園地＞耕地＞建設用地＞水域。通過比較可以看出，除建設用地的景觀面積增加外，其余景觀類型的景觀面積均減少，這在一定程度上反映了建設用地的擴張。此外，各景觀類型中景觀面積降低率最大的為耕地，年均減少率為0.57%，這在一定程度上反映了建設用地擴張主要是占用耕地。

斑塊個數是反映景觀要素空間格局的基礎性指標，一般情況下斑塊個數的多少與景觀破碎度呈正相關［14］。青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型的斑塊個數排序均為:耕地＞林地＞園地＞建設用地＞未利用地＞水域。2009～2012年間，各景觀類型的斑塊個數均增加，反映了景觀的破碎度增加，這在一定程度上說明人類對景觀干擾不斷加強。

斑塊密度反映的是一定面積上景觀異質性及景觀整體斑塊分化程度。斑塊密度越高，說明斑塊規模越小，景觀異質性越高［14］。從表1可以看出，青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型斑塊密度排序為:耕地＞林地＞園地＞建設用地＞未利用地＞水域。說明在6種景觀類型中，耕地的景觀異質性與景觀破碎化程度最高，這主要是由于人為的分割作用，造成耕地呈現零散的斑塊分布。而水域破碎化程度最小，表明水域呈現連片分布，保護相對較好。2009～2012年間，各景觀類型的斑塊密度均表現為增加，說明斑塊規模越來越小，人為干擾程度越來越嚴重。

平均斑塊面積可以反映出區域土地利用布局中各種土地利用類型面積特征［15］。青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型的平均斑塊面積排序均為:林地＞未利用地＞水域＞園地＞耕地＞建設用地。耕地與建設用地的平均斑塊面積較小，說明這2種景觀類型受人類干擾最嚴重，破碎化程度最高。2009～2012年間，除建設用地的平均斑塊面積增加外，其余景觀類型平均斑塊面積均減少，主要原因是其它景觀類型面積大部分轉換為建設用地，使得建設用地的規模增大，斑塊形狀越來越規則。

分維數主要揭示斑塊及斑塊組成景觀的形狀特征，它反映了在一定的觀測尺度上人類活動對景觀格局的影響［16］。分維數越接近1，斑塊的幾何形狀越簡單，表明受干擾程度越大。從表1可以看出，青龍滿族自治縣2009年與2012年各景觀類型分維數排序為:水域＞耕地＞未利用地＞林地＞園地＞建設用地。水域分維數最大，說明水域的斑塊幾何形狀最簡單人為干擾程度最小；，建設用地的分維數最小，說明建設用地的斑塊幾何形狀最復雜，人為干擾程度最高。2009～2012年間，耕地與建設用地的分維數不斷增加，其余景觀類型的分維數均降低，反映出人口的增長與人類活動的加劇，對景觀類型要素影響較大，其原因是耕地粗放利用及對居民點與工礦用地沒有進行有效的規劃。

2.2 景觀尺度的景觀格局分析

運用Fragstats軟件計算出青龍滿族自治縣2009年與2012年景觀尺度的景觀指數值，如表2所示。

表2 青龍滿族自治縣2009年與2012年景觀尺度的景觀指數

香農多樣性指數是指景觀元素或生態系統在結構、功能及隨時間變化的多樣性，反映了景觀的復雜性，同時也反映景觀異質性與多樣性［17］。2009～2012年期間，香農多樣性指數增大，說明各斑塊間的景觀異質性升高，土地利用變得豐富多樣，也說明人為干擾程度更嚴重。

香農均勻度指數可以反映區域土地利用布局中各種土地利用類型分配的均勻程度，其值越大，表明區域內各土地利用類型分配越均勻。2009～2012年期間，香農均勻度指數升高，說明青龍滿族自治縣各景觀類型的分配越來越均勻，同時也說明人為干擾程度加大使得斑塊更規則均勻。

散布與并列指數反映了區域斑塊的散布與并列情況。散布與并列指數值分布在0～100之間，其值越大，表明某種景觀類型相鄰的景觀類型越多。2009年與2012年散布與并列指數均在75以上，說明青龍滿族自治縣的斑塊分布較為分散，2009～2012年期間，散布與并列指數增大，說明各景觀類型與其他景觀類型之間相鄰交錯分布的機會增加，斑塊的分布趨于復雜化。

蔓延度指數反映的是不同斑塊類型的聚集程度與延展趨勢［18］。蔓延度指數值分布在0～100之間，其值越大，說明某斑塊景觀類型的連接性越高，景觀破碎化程度越低，斑塊分布呈集中趨勢。2009～2012年期間，蔓延度指數減小，說明景觀的破碎化程度加強，斑塊景觀類型的連接性降低。

3 土地利用景觀分區研究

3.1 主成分分析法計算

將青龍滿族自治縣28個鄉鎮作為研究單元，對2009年與2012年的景觀指數進行標準化處理，運用SPSS軟件進行主成分分析，根據累計方差貢獻率≧85%的原則，提取出3個主成分因子，2009年與2012年主成分分析結果如表3所示。

表3 2009年與2012年景觀指數的特征值與方差貢獻率

運用公式 （1）（2）分別計算出各鄉鎮景觀綜合指數得分情況如表4所示。

表4 2009年與2012年各鄉鎮景觀綜合指數得分

3.2 青龍滿族自治縣土地利用景觀分區

根據已有研究成果及青龍滿族自治縣的實際情況與現實需要，將青龍滿族自治縣各鄉鎮劃分為5個土地利用景觀等級:Ⅰ級≥70；70＞Ⅱ級≥65；65＞Ⅲ級≥60；60＞Ⅳ級≥50、Ⅴ級＜50，分區結果見圖1。

圖1 2009年、2012年青龍滿族自治縣土地利用景觀分區

（1）總體來看，縣域地勢西、北高，東、南低，自西北向東南傾斜。祖山林場與都山林場土地利用類型以林地為主，用地結構較單一，土地利用程度低，除祖山林場與都山林場外，其余各鄉鎮土地利用水平均呈現西北高，東南低的趨勢。2009～2012年間，青龍滿族自治縣土地利用景觀Ⅰ級區的鄉鎮個數減少，2009年青龍鎮與八道河鎮為Ⅰ級，2012年無Ⅰ級鄉鎮；Ⅱ級的個數增加，由2009年的3個增加到2012年的4個；Ⅲ級的個數有了跨越式增長，由2009年的10個增長到2012年的17個；Ⅳ級的鄉鎮個數下降，由2009年的13個減少到2012年的5個；Ⅴ級的鄉鎮個數保持不變，均為祖山林場與都山林場。Ⅰ級的鄉鎮數量消失，Ⅳ級向Ⅲ級轉化，這一變化說明青龍滿族自治縣土地利用水平向中等發展。

（2）青龍滿族自治縣28個鄉鎮土地利用等級均向中等水平發展，區域差異有明顯變化。2009～2012年間，八道河鎮與青龍鎮的景觀綜合指數始終最高，2009年、2012年八道河鎮與青龍鎮景觀綜合指數分別為71.665、69.066與75.974、66.900；祖山林場與都山林場的景觀綜合指數始終最低，2009年、2012年祖山林場與都山林場的景觀綜合指數分別為39.138、32.478與35.974、29.066。青龍鎮與八道河鎮均位于青龍滿族自治縣的西部，土地利用面積較大，各景觀類型相對于其他鄉鎮分布較均勻，且青龍鎮與八道河鎮均為重點鄉鎮，無論是政治、經濟中在全縣都占有重要地位，是全縣居民的活動中心，因而青龍鎮與八道河鎮的景觀格局受人類活動干擾程度較嚴重，人類對土地利用方式的影響也最為明顯。木頭凳鎮為山地與丘陵交雜地形，較為復雜，并且為縣東部的政治、經濟、商貿中心，重點發展果品加工業與礦山開采業，人類對土地生態系統干擾較強烈，使得木頭凳鎮較其他相鄰鄉鎮土地利用等級高。大石嶺鄉、土門子鎮、大巫嵐鎮、雙山子鎮、涼水河鄉、朱杖子鎮土地利用等級一直為Ⅲ級，該區域是以農業生產與林果業為主，受地形影響，耕地資源較為缺乏，農業規模化經營程度較低。干溝鄉、安子嶺鄉、桃林口水庫、官場鄉土地利用等級一直處于Ⅳ級，沒有變化，土地利用特點均表現為耕地較少、林地所占比例較大、未利用地較多，桃林口水庫以水域為主，人為活動干擾較弱。祖山林場與都山林場主要以林地為主，林地面積均占土地利用總面積的90%以上，其他景觀地類面積較少，土地利用結構單一，生態系統較穩定，景觀多樣性指數較低，人為活動干擾較弱，因而祖山林場與都山林場的景觀格局指數偏低，土地利用程度較低。

4 結論與討論

該文利用2009年與2012年土地利用現狀數據，選取景觀格局指數，從類型尺度與景觀尺度對研究區景觀格局進行定量分析，并且以鄉鎮為單位，對研究區進行土地利用景觀分區研究。研究結果表明:（1）各景觀類型的景觀面積與平均斑塊面積除城鎮用地增加外，其余地類均減少；斑塊個數、斑塊密度均增加；分維數除耕地與建設用地增加，其余地類均減少；香農多樣性指數、香農均勻度指數、散布與并列指數均增大；蔓延度指數均減小。由此可以看出景觀類型均向多元化發展，尤其是耕地與建設用地的變化最明顯，表明人類活動對整個區域的景觀空間格局的影響程度越來越大。這也提醒我們要合理規劃用地布局，加強區域生態功能區劃尤其是建設用地與其他用地類型之間的轉換。（2）以鄉鎮為單元進行分區研究表明，青龍滿族自治縣兩期的土地利用程度有很大差異，在土地利用景觀分區等級上也存在著明顯差異，土地利用景觀分區等級向中等水平發展，Ⅰ級鄉鎮數量消失，這一現象也說明了青龍滿族自治縣的土地利用程度呈現不協調趨勢。由此可以看出在Ⅳ級向Ⅲ級轉化的過程中，應保證青龍鎮與八道河鎮土地利用水平不降低，這就要對整個研究區域進行景觀格局優化調整，以保證在較高土地利用等級鄉鎮不變的情況下，盡可能較大幅度的提高整個區域的土地利用水平。

該文運用景觀格局的研究方法對縣域土地利用景觀分區進行研究，選取景觀指數進行初步探索，運用主成分分析法處理景觀指數，減少研究過程中的構建指標體系中產生的主觀性，嘗試為土地利用景觀分區研究提供新的方法與思路，但是由于土地利用系統本身有其復雜性與不穩定性，加之此類研究尚不多，在指標選取與等級的劃定標準方面仍需不斷深入研究與完善。

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LANDSCAPE ZONING OF LAND USE BASED ON PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS——A CASE STUDY OF QINGLONG MANCHU AUTONOMOUS COUNTY

Ning Yanan，Li Bei，Yang Weizhou，Zhang Pengtao※
（College of land and Resources，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China）

AbstractThe land scape zoning of land use has closely related to the area of sustainable development and land use change.Taking Qinglong Manchu autonomous county as a case，based on the land use status data during 2009 to 2012，this paper calculated the type of scale landscape pattern index and the landscape scale of landscape pattern index with the help of the Fragstats software，and then studied the landscape zoning of the land use using the method of the research use landscape indices and principal component analysis.The results showed that:（1）For the type-scale analysis，the landscape area index and average plaque area showed a decrease trend apart from the construction land；the number of patches and patch density for each landscape showed an increasing trend；fractal dimension showed that construction land and arable land increased.（2）For the landscape-scale analysis，except the spread index，the Shannon diversity index，evenness index，and spread and tied index all increased.（3）The land use level in Qinglong Manchu autonomous county during the 2009 to 2012 had a moderate development trend，which was high in northwest and low in southeast due to the impact of topography.The land use degree was higher in Qinglong and the Eight River town that that in Dushan forest farm and the Zushan forest farm with single land use structure.

Keywordsprincipalcomponentanalysis（PCA）；Qinglong Manchu autonomouscounty；land use；landscape zoning

中圖分類號：F301.2；P901

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］02-0022-07

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160203

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：寧雅楠 （1990—），女，河北高碑店人，碩士。研究方向:土地經濟與評價。※通訊作者:張蓬濤 （1971—），男，河北保定人，教授。研究方向:土地經濟與評價。Email:zhangpt7528207@126.com

*資助項目：河北省社會科學發展研究課題“基于景觀格局的環京津地區土地生態安全與動態分析”（2014030224）；河北省社科基金會項目“京津冀一體化背景下的河北省生態功能區劃研究”（HB14GL039）