基于CA模型的珠江三角洲基塘景觀破碎化分析及其模擬

摘要：在對珠江三角洲傳統基塘區2000、2006、2011年基塘景觀破碎化特征分析的基礎上，運用Logistic-CA模型開展了傳統基塘區2020年的基塘景觀的模擬研究。結果表明，2000～2011年，傳統基塘區基塘面積減少了46.65%，斑塊數量由139個增加到1 072個，平均斑塊面積減少了97.12%，反映了斑塊由集中成片發展成為破碎的狀態；形狀指數增加了36.23%，在人類活動的干預下，基塘斑塊形狀趨于復雜化；邊緣密度減少了88.57%，反映了單位面積上斑塊數量增多了；平均最近鄰近距離變化幅度最大，減少了99.75%，說明相同類型的斑塊之間的距離變近，呈團聚分布。根據2020年模擬結果，基塘面積減少53.38%，基塘斑塊數量增加為2 045個，平均斑塊面積減少82.33%，形狀指數增加22.12%，邊緣密度增加80.74%，平均最近鄰近距離減少86.00%，基塘破碎化的程度有所減緩。研究結果可為傳統基塘區生態服務功能的延續、農業生態系統的恢復和區域生態經濟的可持續發展提供參考。

關鍵詞：元胞自動機；基塘；景觀破碎化；珠江三角洲

中圖分類號：K903 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-3932-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.033

Abstract： On the basis of analyses on landscape fragmentation of the traditional dike-pond in Pearl River Delta in 2000， 2006 and 2011，the simulation study on traditional dike-pond in 2020 was carried out by Logistic-CA model. The results showed that， during 2000 to 2011， the dike-pond area decreased by 46.65%， the number of patches increased from 139 to 1 072，the average patch area decreased by 97.12%， it reflects the plaques become fragmentation from reunion state；Shape index increased by 36.23%，under the intervention of human activities， dike-pond patch shape tends to complication；Edge density decreased by 88.57%，it reflects the plaque number on unit area increased；Mean nearest neighbor distance changes sharpest decrease of 99.75%，it shows that distance between the same type of plaque becomes closer with reunited distribution. According to the simulation results in 2020，the dike-pond area decreased by 53.38%，the number of patches increased to 2 045，the average patch area decreased by 82.33%， shape index increased by 22.12%，edge density increased by 80.74%， mean nearest neighbor distance decreased by 86.00%， dike-pond fragmentation degree has slowed. The research results can provide references for continuation of the traditional pond area ecosystem service functions，the recovery of agricultural ecosystem and the sustainable development of regional ecological economy.

Key words： cellular automata； dike-pond； landscape fragmentation； Pearl River Delta

基塘是三角洲低洼易澇地區人們為了排澇灌溉，因地制宜地改造自然環境，將低洼地挖地成塘、堆泥成基而形成的一種特殊的土地利用方式[1]，是珠江三角洲獨具特色的農業生產方式，也是珠江三角洲地區具有特色的地理景觀。基塘水陸互養，能量循環，改善了多水患的自然環境，維護了當地生態環境。珠江三角洲“桑基魚塘”首先興起于三角洲北部南海縣的九江、西樵、大同一帶，逐漸形成了以九江為中心，包括南海縣的九江，高鶴縣的坡山，順德縣的龍山、龍江等地的連片基塘區。隨后不斷在珠江三角洲西部地區擴展，形成了以順德為中心的傳統基塘區，包括順德縣的沙滘、龍江、勒流、杏壇、均安、桂洲、大良、倫滘、北滘、陳村，南海縣的南莊、九江、沙頭、西樵，中山市的南頭、東鳳、小欖、古鎮，新會縣的荷塘、棠下，鶴山縣的古勞等鎮[2，3]。改革開放后，傳統基塘區經濟快速發展，城鎮、工業發展、交通建設不可避免地占用了大量的基塘用地，基塘面積急劇萎縮，基塘景觀出現了破碎化、孤島化等現象[4]，影響系統內能量平衡和物質流動，引起一系列生態環境問題，從而影響了基塘農業生產功能和當地經濟社會生態的可持續發展。進行基塘景觀的破碎化研究有助于優化景觀格局，恢復其完整性，使其發揮原有的生態功能，促進當地經濟社會的持續健康發展。

近年來，國內外專家學者采用多視角、多種方法對基塘景觀開展了大量的研究，大多集中于基塘的治理方面[5]。面對基塘系統的不斷退化，運用衛星遙感為基本手段，探討如何使基塘生態恢復、基塘農業的可持續發展[6]。根據基塘農業近年來的現狀和問題，運用遙感的方法，探討基塘農業在新形勢下可持續發展的問題與對策[7]，在分析基塘系統生態污染的基礎上，運用層次分析法構建基塘系統生態環境質量綜合評價指標體系，評價各因素對基塘系統環境質量的影響。在珠江三角洲經濟快速發展的背景下，也有研究關于城市快速發展對基塘景觀格局變化帶來的影響，從基塘景觀的生態服務功能演變的角度出發，探討如何構建基塘-城市景觀安全格局，實現基塘農業景觀在城市化過程中的有效保護和生態功能的延續[8]。目前關于基塘景觀破碎化的研究較為少見，運用CA模型對基塘景觀進行模擬的研究更為少見。為此，本研究基于元胞自動機（Cellular Autamata，簡稱CA），在探討2000、2006和2011年珠江三角洲傳統基塘區基塘景觀破碎化特征的基礎上，對2020年基塘景觀進行模擬分析，預測未來基塘景觀破碎化的變化趨勢，以期為該區域生態服務功能的延續、農業生態系統的恢復和區域生態經濟的可持續發展提供參考。

1 區域概況

珠江三角洲傳統基塘區位于廣東省中南部，南亞熱帶最大的沖擊平原，介于112°51′-113°24′E、22°11′-23°3′N之間，該區域包括佛山市南海區的西樵鎮、九江鎮，順德區，禪城區的南莊鎮，江門市新會區的棠下鎮、荷塘鎮，鶴山市的古勞鎮，還有中山市的古鎮鎮、小欖鎮、東鳳鎮、南頭鎮。研究區內地勢較低，水網密布，平原廣闊，屬于南亞熱帶季風性濕潤性氣候，雨量充沛，熱量充足，年平均氣溫為22.6～23.4 ℃。2011年該區域總面積1 674.07 km2，總人口1 148.28萬人，人口眾多，經濟發達，近10年來，經濟實力保持快速增長態勢，2009年GDP總量為2 601.91億元，占廣東省GDP總量的8.48%，伴隨著經濟的發展，城市的擴張，也帶來了土地景觀格局的變化，作為珠三角特有的農業生產方式的基塘景觀，內部格局也發生劇烈的改變，呈現破碎化的現狀。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究數據來源為2000、2006年的Landsat TM影像解譯得到的土地利用現狀圖和2011年的Quickbird衛星遙感數據來提取珠江三角洲傳統基塘區用地數據，Landsat TM影像分辨率為30 m×30 m，Quickbird遙感數據的空間分辨率為0.61 m，能夠比較清晰地看出地物的地類及形狀。Quickbird空間分辨率較高，因此通過人機交互的目視判讀解譯，使用AcrGIS 9.3進行圖像處理，對2個時段的遙感影像進行解譯和整合。通過對數據的整理，在AcrGIS 9.3平臺中繪制珠江三角洲傳統基塘區基塘斑塊矢量圖，并生成各個時期的珠江三角洲基塘斑塊的現狀圖（圖1）。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀破碎化的測度 景觀格局分析方法主要采用數量研究方法，應用于景觀整體分析的景觀格局模型分析，描述與分析景觀空間格局斑塊之間相互關系及斑塊特征，模擬景觀格局動態變化。景觀格局數量研究方法為建立景觀結構與功能過程的相互關系，以及預測景觀變化提供了有效手段[9]。在選取指標方面，景觀指數是用來表示景觀格局的定量化，能夠綜合單維指標所反映的信息，能夠高度概括景觀格局信息。景觀指數包括兩個方面：景觀單元特征指數和景觀異質性指數[10]。前者包括斑塊數量（NP），平均斑塊面積（MPS），后者包括形狀指數（LSI）、破碎度（I）、斑塊邊緣密度指數（ED）、平均最近鄰近距離（MNN）。因此選取這些指標來測量基塘斑塊的破碎度（表1）。

2.2.2 CA模型的構建

1）CA模型的基本原理。一個CA模型（Cellular Automation Model， 元胞自動機模型）通常包括4個要素：元胞（cells）、狀態（states）、鄰近范圍（neighbors）和規則（rules）[11]。元胞自動機的定義為：所有的元胞構成一個空間，所有元胞是相互分離的，一個元胞在某一時刻的狀態取自一個有限狀態集合中的一個；鄰域是元胞周圍按照一定形狀劃定的元胞集合，它們隨著時間各自發生變化。CA模型是一個基于微觀個體相互作用的時空動態模擬模型，它可以將地理實體的空間和時間特性統一在模型中， CA模型可以通過自行迭代運行，來模擬系統的演化過程[12]。CA模擬對空間變化的動態過程進行模擬，可以真實地模擬地理實體的演化進程。可以解決GIS在對過程進行模擬和優化方面存在嚴重功能不足的問題，是GIS的重要補充工具。

2）CA模型的建立。本研究基于Logistic回歸對珠三角的基塘斑塊景觀破碎化進行模擬，地理模型的核心特征是要包含地理“鄰居”環境因子，而CA模型的鄰居概念對時空動態變化的模擬能力正好滿足了地理模型的這一要求[13]。元胞自動機的運算法則是：某元胞在下一時刻（t+1）的狀態是該元胞上一時刻（t）的狀態及周圍鄰域元胞狀態的函數：

根據研究區域的地理特點，模型中引入了2種斑塊狀態轉換規則，即交通吸引規則和焦點吸引規則。其中，交通吸引規則是指城市用地的擴展與交通密切相關，一般是沿交通線分布，距離交通路線的距離越短，越容易發展為城市用地；焦點吸引規則是指在一塊區域中，若有城鎮、大的商業區或是交通樞紐等，則會影響周邊的斑塊轉換為城市用地。在模擬中，元胞是否轉變為城市，由轉換規則來決定，轉換規則通過轉換概率所實施，元胞鄰域有交通線或是城鎮、大的商業區或是交通樞紐，則改元胞轉換為城市用地的概率就大。

3 結果與分析

3.1 景觀破碎化評價

3.1.1 珠江三角洲傳統基塘區基塘景觀破碎化相關指數 在地理信息系統ArcGIS 9.3的支持下，將珠江三角洲傳統基塘區土地利用現狀圖轉為30 m×30 m的Grid格式的柵格圖，再利用Fragstats 3.3軟件設定參數，計算單一斑塊水平（patch）、斑塊類型（class）和景觀水平（landscape）3個層次上的破碎化指數（表2）。

從表2可以看出，2000～2011年，從整個珠江三角洲傳統基塘區尺度景觀水平上看，該區域的基塘用地景觀指數差異較大，基塘景觀斑塊數量增長了7倍；平均斑塊面積大幅減少，減少了98.08%，說明斑塊由集中成片發展成為分散、破碎的狀態；形狀指數逐年遞增，增加了19.96%，說明隨著時間的推移，基塘景觀在人類活動的干預下，景觀的形狀也在不斷的變化，斑塊形狀趨于復雜化，原因是由于城鎮化、工業化和交通基礎設施發展導致大量基塘被分割；邊緣密度減少了88.57%，反映了單位面積上斑塊的數量增多了；平均最近鄰近距離變化幅度較大，減少了99.75%，說明相同類型的斑塊之間的距離變近，呈團聚分布。

到2020年，基塘面積減少53.38%，基塘斑塊數量增加為2 045個，平均斑塊面積減少82.33%，形狀指數增加22.13%，邊緣密度增加80.74%，平均最近鄰近距離減少86.00%。總體上，2011年較2000年景觀破碎化程度高，到2020年破碎化程度將會減緩。上述指標揭示了由于城市化加快，人口劇增，城市建設的不斷擴展以及鐵路、公路等交通線的大量建設導致基塘斑塊被分割的程度在增高，因此基塘斑塊距城鎮、交通線等的距離的遠近在一定意義上決定了基塘斑塊的破碎化程度的高低。

3.1.2 2000、2011年傳統基塘區基塘景觀格局指數的區域差異 研究區域基塘斑塊的整體的破碎化指數：2000年為0.09，2011年為0.67。從表3可以看出，2000年各區域破碎度最高的是新會，為1.01，最小的是南海區，為0.52；斑塊數量，各區域平均值為194個；斑塊面積平均值為26.51 hm2，最大的是南海區，為41.39 hm2，最小的是新會，為17.29 hm2；形狀指數平均值為11.66；邊緣密度的平均值為26.25；平均最近鄰近距離平均值為137.21 m。

2011年各區域的基塘景觀的破碎化指數都大于2，其中禪城和南海區的景觀破碎化指數最大，分別為5.34和4.83；斑塊數量的平均值為776個，比2000增加了582個，各區域大小排序順德>南海區>新會>中山>禪城>鶴山；平均斑塊面積，最大的是新會，為29.43 hm2，最小的是中山，為15.38 hm2；形狀指數相差很大，最大的是順德，為69.61，最小的是禪城，為33；邊緣密度中山為36.73，其他各地在50～60之間；平均最近鄰近距離最大的是順德，為13.46 m，最小的是南海區，為4.94 m。

3.2 珠江三角洲傳統基塘區景觀破碎化動態模擬

3.2.1 基塘景觀變化過程模擬 模擬運用了李丹等[13]開發的GeoSOS（地理模擬優化系統）中的邏輯回歸，借助ArcGIS 9.3，實現了基塘景觀區域斑塊的CA模擬。利用珠江三角洲傳統基塘區2000年Landsat TM影像、2011年的Quickbird遙感影像，對原始數據進行解譯后再重新分類，把土地利用類型分為6類，即耕地、林地、草地、基塘、河流和建設用地，對研究區域的土地利用類型數據進行柵格化處理，柵格大小為30 m×30 m，一共有3 747 276個柵格單元，每一柵格表示一個元胞，并對每個元胞進行屬性設置，分別賦予1～6六個數值。利用ArcGIS的歐氏距離算出每一元胞距離鐵路線、國道、省道、城市、建制鎮、河流的距離，再把柵格數據轉換為ASCII數據，然后利用GeoSOS，用Logistic回歸進行珠江三角洲傳統基塘區的基塘景觀破碎化模擬。首先以2000年的遙感影像作為起始數據，來模擬2006年的土地利用類型圖，添加空間變量，進行模擬，把2006年的模擬圖與2006年的土地利用現狀圖進行精度比對，得到總精度為84.2%，模擬精度良好；之后對2011年土地利用變化進行了模擬，模擬結果與2011年土地利用現狀圖進行精度對比，得到精度為81.4%，模擬精度良好；再對2020年的土地利用變化進行模擬，結果見圖2。

3.2.2 模擬結果 對比基塘景觀演變模擬圖（圖2）和土地利用現狀（圖3），可以得出如下結論（圖4）。

1）2000年基塘面積為77 660.41 hm2，2006年基塘面積為58 716.48 hm2，2011年基塘面積為41 435.32 hm2，基塘面積減少了46.65%，2006年模擬結果中基塘面積為54 838.13 hm2，2011年模擬結果中基塘面積為51 714.07 hm2，模擬中基塘面積減少了33.41%。

2）2020年基塘面積減少53.38%，耕地面積減少53.30%，建設用地面積增加213.69%，原因是2000年以后是城市化快速發展的時期，建設用地大量增加，不可避免地要占用基塘用地。建設用地的增加來源主要是基塘和耕地。

3）評價2000～2020年基塘的景觀破碎化指標，從表2可以看出，2000～2020年，基塘斑塊數量從139個大幅增加到1 072個，到2020年增加到2 045個，基塘斑塊數目變多且變得分散，異質性增加，破碎度變高；2000年平均斑塊面積為48.546 8 hm2，2011年不足1 hm2，2020年為8.580 6 hm2，平均斑塊面積變小，斑塊變得更破碎；2000～2011年形狀指數變大，2020年略有減小，說明斑塊形狀正在變得復雜；2000～2011年斑塊邊緣密度變小，2020年增加；2000～2020年平均最近鄰近距離也是減少后增大，斑塊之間相隔距離先變小，后增大，說明斑塊總體上分布趨于離散；從模擬情況看，基塘面積在快速縮減，大量流失，基塘斑塊格局發生了明顯的變化，由于建設用地的侵占，產生了破碎的孤立的斑塊，斑塊與斑塊之間聯系變少，使得成片的基塘越來越少，導致小斑塊增多，小斑塊與大斑塊之間的距離變遠，導致小斑塊縮減加快，退化加劇，其生態服務價值也會大幅下降。基塘既是一種古老的土地利用系統，又是一種特殊的農業文化景觀[14]，基塘提高了資源利用率和經濟效益，這是中國農業生產上充分利用土地資源，變不利條件為有利條件，改造自然的突出典型，因此要加強對基塘的保護，推進基塘農業的可持續發展。

4 小結與討論

通過景觀指數的計算，借助Logistic回歸模擬，通過模擬轉換規則的制定，迭代時間的控制，模擬基塘系統的景觀格局發生劇烈的改變、破碎化的現狀，以及今后的演變趨勢，并建立基塘生態系統模型，模型首先以2000遙感圖年為初始模擬珠江三角洲傳統基塘區2011年土地利用現狀，然后模擬2020年土地利用變化情況，結果如下。

1）2000年基塘面積為77 660.41 hm2，到2011年為41 435.32 hm2，基塘面積減少了46.65%，到2020年，基塘面積減少53.38%，耕地減少53.30%，建設用地增加213.69%。原因是2000年以后是城市化快速發展的時期，建設用地大量增加，建設用地的增加來源主要是基塘和耕地。通過以上分析可以看出建設用地的發展對基塘斑塊的切割在逐年加劇，基塘斑塊破碎化趨勢逐年變大。

2）通過景觀破碎化指數的計算，2000～2011年斑塊數量由139個增加到1 072個，平均斑塊面積減少了97.12%，反映了斑塊由集中成片發展成為破碎的狀態；形狀指數增加了36.23%，說明隨著時間的推移，基塘景觀在人類活動的干預下，景觀的形狀也在不斷變化，斑塊形狀趨于復雜化；邊緣密度減少了88.57%；平均最近鄰近距離變化幅度最大，減少了99.75%。

3）模擬2020年基塘景觀破碎化，基塘面積減少53.38%，基塘斑塊數量增加到2 045個，平均斑塊面積減少82.33%，形狀指數增加22.12%，邊緣密度增加80.74%，平均最近鄰近距離減少86.00%。本研究進行定量評價，把復雜分散的斑塊量化，分析其斑塊格局，發現其破碎化趨勢及驅動力，從而為基塘生態系統的恢復與優化提供建議。研究中CA模擬用的是歐幾里得距離，是柵格化的圖，每一元胞距公路、鐵路、城市、河流的距離，而不是用基于邊緣到河流、公路、鐵路的最短路徑，忽略了公路、河流、鐵路的長度和寬度的影響，這與實際有所出入，在今后的研究中會把這一部分作為研究的重點。

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