贛江新區景觀格局的變化與模擬分析

王東豪，陳竹安,2*，陳 濤

(1.東華理工大學 測繪工程學院，南昌 330013；2.江西省數字國土重點實驗室，南昌 330013)

景觀格局的研究是景觀生態學中的重要內容，不同土地類型在空間上的分布與變化是景觀格局變化的直接驅動因素.通過對城市景觀格局的分析與預測，控制土地利用的變化，對提高生態安全具有重要意義.對城市景觀格局的研究，從早期的普查數據報告到今天普遍使用的3S技術和針對景觀格局研究中經常使用的Patch Analyst和Fragstats等景觀分析軟件的運用[1]，景觀格局的研究在不斷改進舊技術的同時也在發展新的方法，近年來土地利用景觀格局變化過程的動態模擬主要通過CA模型[2]、Markov模型[3]、SD模型[4]和Clue-s模型[5]等實現，結合時空一體化模型可以動態模擬土地利用變化過程.CA-Markov模型(元胞自動機—馬爾科夫模型)將Markov模型的預測功能與CA模型的空間運算優勢結合，通過模擬復雜系統的空間變化，越來越受到國內外學者的關注.呂樂婷等[6]基于東江流域景觀格局演變分析及變化預測分析；梅昭容等[7]基于移動窗口分析法的礦區景觀格局時空變化的研究；蘇凱等[8]基于GIS與RS的東北森林帶景觀格局隨時間的變化與預測研究；程剛等[9]等利用景觀指數和CA-Markov模型分析三川流域景觀類型的變化特征，并且模擬了2020年景觀格局的變化趨勢與生態環境分析；李小龍等[10]運用CA-Markov模型對新疆昌吉市進行土地利用變化分析并對土地變化利用進行預測研究.

隨著贛江新區的快速發展，城市布局與土地利用結構之間的矛盾日益突出，在此背景下，深入研究城市景觀格局，將在一定程度上影響贛江新區土地利用的協調和健康可持續的發展.因此，本文利用贛江新區3期遙感影像數據，進行不同景觀類型的分類，通過移動窗口法，得到不同景觀指數的空間分布情況，進而分析贛江新區景觀破碎化的時空分布和變化特征，并結合CA-Markov模型對其2025年土地利用情況及景觀格局進行預測，揭示其變化規律，為贛江新區的生態環境建設和社會經濟發展提供參考依據.

1 研究區概況

贛江新區位于江西省，是第18個國家級新區.包括南昌臨空經濟區、南昌經濟技術開發區、九江市共青城市和九江市永修縣的部分鄉鎮，規劃范圍465 km2.贛江新區以低丘為主，由東南向西北緩慢延伸，該區域坡度為0～25°，地形高低不平，最低海拔3 m，最高海拔189 m.贛江新區屬亞熱帶季風性氣候，河流眾多，水源充足，2015年地區生產總值已達570億元，是中部地區發展基礎良好，發展潛力較大的區域.研究區如圖1所示.

圖1 研究區域位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 數據處理與方法

2.1 數據來源和處理

數據來自于青山湖區、新建區、永修縣和共青城市1995、2005年和2015年3個時期空間分辨率為30 m×30 m的Landsat TM遙感影像.首先通過ENVI和ArcGIS對其進行校正、配準和裁剪等預處理后，參見土地利用現狀分類標準，提取草地、耕地、林地、水域、建設用地和未利用地等6種土地類型(如圖2所示)，經檢驗Kappa系數均在85%以上，滿足研究需求.

圖2 1995、2005和2015年贛江新區土地利用類型圖Fig.2 Land use types of Ganjiang new area in 1995,2005 and 2015

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析 土地利用動態度能夠較好地表達土地利用類型的變化情況.土地利用動態度(LCDIi)指的是某個區域內土地利用類型的變化與研究時間的比值[11-13]，用于衡量某種土地類型向其他土地類型轉移的快慢，如式(1)所示：

(1)

其中：LCDIi為i類土地利用類型的動態度，Uia為i類土地類型初期的面積，Uib為i類土地類型末期的面積，T為研究期的時間間隔.

2.2.2 移動窗口法 景觀指數通常用來表達區域內的景觀異質性，用數字難以表達區域內整體空間形態特征，移動窗口法能夠較清晰的反映區域景觀格局動態變化的空間化實現過程，更加深入地分析區域土地利用變化狀況，表現出研究區域的景觀分布格局和空間差異[14-18].本文選取斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、景觀分裂指數(DIVISION)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)等指數利用Fragstats進行景觀指數分析和移動窗口分析，根據研究區范圍大小通過對300、400、600和800 m的窗口進行調試，得出600 m窗口能更好地反映出研究區景觀格局的變化情況，景觀格局指數及其生態意義如表1所示.

表1 景觀格局指數及其生態意義Tab.1 Landscape pattern index and its ecological significance

2.2.3 CA-Markov模型

CA模型(cellular automata模型)是一個具有離散時間、空間和狀態的網絡動態模型，具有模擬復雜系統時空演化過程等非線性問題的能力[19-22]，如式(2)所示：

S(t+1)=f(St,n).

(2)

其中：S為元胞有限、離散的狀態集合；t+1和t為不同的時刻；f為局部空間的元胞轉換規則，n為元胞的鄰域.

Markov模型是一種用于模擬土地利用空間格局變化的模型.在馬爾科夫過程中，它是根據某一事件的現狀來預測未來某一時刻變化的一種預測方法，其本質是預測某一事件發生的概率[23-25]；該模型基于初始時期到另一個不同時期的轉移概率，預測未來某一時刻土地利用變化趨勢，如式(3)所示：

S(t+1)=S(t)×Pij.

(3)

其中：S(t+1)，S(t)分別表示t+1和t時刻土地利用系統的狀態；Pij為轉移矩陣.

CA-Markov模型結合了CA模型對復雜系統空間變化能力的模擬預測和Markov模型對長時間序列定量預測的優勢，將空間權重因子加入Markov模型中，土地利用格局的時空動態變化既可以進行定量模擬，也可以進行時間模擬[26-30]，因此使用CA-Markov模型可以更準確地模擬景觀類型的時空變化.本文運用CA-Markov模型對景觀格局進行預測，首先在Markov模型中用2005年作為模擬開始的時刻，2015年作為模擬結束的時刻，模擬時間10 a，比例誤差選擇0.15，得到6種景觀類型的適宜性圖像集和2005-2015年各景觀類型的轉換面積，選擇Markov模型所得的2005-2015年各景觀類型的轉換面積以及適宜性圖像集作為CA-Markov模型的元素，設置CA迭代次數為10，采用5×5的濾波器，對模擬結果進行分析.

3 結果分析

3.1 土地利用變化分析

由贛江新區1995、2005和2015年土地利用類型的面積(如表2所示)得出，1995-2005年間，建設用地的面積大量增加，而相應的耕地、林地和草地的面積有所減少，建設用地的面積變化最大，其次是耕地，研究表明其10年間土地利用變化主要是建設用地和耕地的相互轉換為主.通過土地利用動態度(如圖3所示)可知建設用地最高，其次是未利用地，說明建設用地變化最明顯，其土地利用變化率最高.建設用地的擴張主要發生在南昌經開區，在此期間經開區被國務院批準升級國家級經濟技術開發區，作為南昌大力發展的區域，吸引了大量企業，商業的入駐并且數量劇增，使得建設用地面積大量擴增，帶動當地的經濟發展.2005-2015年間，建設用地面積擴張趨勢明顯，耕地、林地、草地的面積減少，面積變化最大的依然是建設用地，研究表明其10年間土地利用變化主要以耕地、林地和建設用地之間的相互轉換為主.通過土地利用動態度可知建設用地最高，說明建設用地變化明顯，其土地利用變化率最高.2005-2015年建設用地在經開區大力擴建，形成了一批以清華科技園、光電科技園、信息科技園、煤炭科技園和國際汽車城為支柱和特色的高科技和外向型企業和商業，以促進經濟快速發展.共青組團建設用地也擴張明顯，說明共青組團也開始發展建設起來，贛江新區處于快速發展階段.

表2 1995、2005和2015年贛江新區土地利用類型面積Tab.2 Land use type area of Ganjiang new area in 1995,2005 and 2015

圖3 1995-2015年贛江新區土地利用動態度折線圖Fig.3 Broken line diagram of dynamic degree of land use in Ganjiang New Area from 1995 to 2015

3.2 景觀指數變化分析

通過贛江新區1995、2005和2015年景觀指數(如表3所示)的分析得出，1995-2005年贛江新區景觀格局出現了明顯變化，NP逐漸增加，由599個增加到613個；PD也在增加，由1.29個/hm2增加到1.32個/hm2；NP和PD整體呈增加的趨勢，PD越大，斑塊越小，景觀破碎度就越高，LPI顯著減少，由42.20%減少到34.02%，說明人類活動的影響變大；DIVISION小幅增加，由0.78增加到0.84；SHDI增加量較少，由1.02增加到1.16；SHEI少量增加，由0.57增加到0.65，景觀豐富度增加，由此說明贛江新區在發展的過程中，人類活動的影響較大，景觀破碎化程度出現增加的趨勢，異質性也不斷增強，優勢度則有所下降.2005-2015年，NP逐漸增加，由613個增加到628個；PD少量增加，由1.32個/hm2增加到1.35個/hm2；LPI在減少，由34.02%減少到29.09%；DIVISION小幅增加，由0.84增加到0.89；SHDI增加量較少，由1.16增加到1.22；SHEI少量增加，由0.65增加到0.68.從整體來看1995-2015年贛江新區發展不斷加快，人類活動的影響較大導致破碎化程度不斷增強，優勢度呈現下降趨勢，景觀類型朝著多樣化的方向進行.

表3 贛江新區1995、2005和2015年景觀格局指數Tab.3 Landscape pattern index of Ganjiang New Area in 1995,2005 and 2015

3.3 景觀分布特征分析

由贛江新區1995年和2015年景觀指數空間分布圖(如圖4所示)可看出，贛江新區景觀格局變化表現出一定的規律性.1995年，NP和PD的高值主要出現在共青組團和永修組團，臨空區和經開區相對較低，說明共青組團和永修組團的破碎化相對嚴重一些；LPI高值分布范圍廣泛，臨空區和經開區更為泛紅，說明共青組團和永修組團人類活動影響較大；SHDI高值主要分布在共青組團、SHEI高低值分布均勻；DIVISION高值在共青組團和永修組團分布更廣泛，這是因為耕地和林地面積較大，人類大力耕種，人類活動影響較大，臨空區和經開區的人類活動不明顯.從空間上看1995年贛江新區破碎化嚴重主要集中在共青組團和永修組團，呈現出由北向南擴散的趨勢，原因是江西省積極響應五年計劃，大力發展農村、農業和生態建設，共青組團和永修組團的土地范圍較大，地勢低平，建設起步早，大面積開墾耕地，種植林地，導致破碎化程度高.2015年，NP和PD高值范圍擴大，主要出現在共青組團和永修組團，與1995年相比區域高值也變大，臨空區和經開區指數也有明顯的變大，城市開始擴張，說明人類活動的影響也在加劇，破碎化程度加強；LPI高值指數下降且分布范圍減小，說明未利用地被開發和利用，建設用地面積擴增，人類活動也隨之增強；2015年SHDI、SHEI高值變大且分布范圍擴大，低值范圍縮小，破碎化程度提高；2015年DIVISION高值分布范圍與1995年相比有所擴大，說明人類活動劇烈，景觀破碎化程度和異質性增強.從空間上看2015年共青組團和永修組團破碎化加劇，臨空區和經開區也出現破碎化嚴重現象，是因為臨空區和經開區在不斷發展的同時伴隨著各種產業的發展隨之帶動經濟的發展.由此可以看出1995-2015年贛江新區景觀格局變化呈現破碎化的方向發展，這與贛江新區快速發展，城市化進程加快有不可分割的關系.

(a)1995年

3.4 CA-Markov模型預測結果分析

為了驗證CA-Markov模型預測土地利用動態變化的精度，首先以1995年和2005年兩期土地利用數據作為基礎，在IDRISI中通過Markov模型得到1995-2005年轉移面積矩陣和轉移概率圖集，通過CA-Markov模型得到2015年的土地利用空間分布圖，然后運用CROSSTAB工具，對2015年贛江新區實際遙感解譯圖像和預測圖像進行疊加分析，計算得到模擬結果的Kappa指數為0.82，表明模擬精度較高.最后根據2005年和2015年土地利用類型圖，并結合2005-2015年轉移概率矩陣和適宜性圖像集，利用CA-Markov模型分析和計算得出2025年土地利用預測圖(如圖5所示).

圖5 2025年贛江新區土地利用預測圖Fig.5 Land use prediction map of Ganjiang new area in 2025

通過計算2025年贛江新區土地利用類型面積(如表4所示)，可看出2025年建設用地面積達到15 041.83 hm2，林地面積為7 395.17 hm2,草地面積為555.82 hm2，水域面積為2 755.18 hm2，耕地面積為20 658.43 hm2，未利用地面積為34.12 hm2.2025年贛江新區土地利用類型延續1995-2015年的變化趨勢，具體表現為建設用地面積的增加，耕地、林地、草地和水域面積的減少.從1995-2025年土地利用類型面積看出，耕地和林地的面積隨著時間變化不斷縮小，草地、水域和未利用地面積小幅度變化，基本保持不變，建設用地迅速擴增，說明贛江新區大力發展，得益于共青組團推進科教聯動和創新創業，建設面向制造業和金融及文創產業、有影響力的產學研結合基地；經開區推進發展電子信息產業打造特色產業集聚區，以及新能源汽車和零部件產業園，現有江鈴新能源乘用車、白路佳客車等產業的推進發展和生物醫藥、智能裝備制造產業的建設等.可看出在贛江新區成立的推動下，贛江新區建設用地面積不斷擴增，帶動人類生產生活不斷提高，以推進社會經濟的發展，贛江新區發展速度加快.

表4 2025年贛江新區土地利用類型面積Tab.4 Land use type area of Ganjiang New Area in 2025

計算2025年贛江新區景觀格局指數(如表5所示)得出，NP不斷增加，由1995年的599個增加到2025年的636個；PD也出現增幅，由1.29個/hm2增加到1.33個/hm2，景觀破碎化進一步加強；LPI呈現降低的趨勢，由42.20%下降到24.88%，人類活動影響加劇；DIVISION也由0.78增加到0.91；SHDI和SHEI都有少量的增加，由1.02增加到1.25和0.57增加到0.70，景觀類型朝著多樣化的方向發展，景觀破碎化進一步加劇；可見贛江新區景觀破碎化情況依然呈現上升的趨勢，在成立贛江新區及快速發展的作用下，人類活動和社會經濟發展對贛江新區景觀生態的影響將變得更加突出，合理地把控贛江新區的景觀格局發展成為了重中之重.

表5 2025年贛江新區景觀格局指數Tab.5 Landscape pattern index of Ganjiang New Area in 2025

由于本研究僅考慮了土地利用類型轉化因素，利用CA-Markov模型對贛江新區未來土地利用進行模擬，沒有設置不同的影響因素，所以不具有絕對性.針對本研究，建議贛江新區充分利用已建成的建設用地，開發未利用地，合理控制各種土地類型的使用，減少對其生態景觀的破壞.在當前景觀結構的基礎上，優化資源配置，合理使用建設用地和分配其他土地類型的使用，確保景觀格局向穩定的方向發展.

4 結論

利用景觀生態學的相關理論，對贛江新區1995-2015年土地利用變化和景觀格局的分布與演變，進行分析和探究，并預測2025年土地利用情況與景觀格局變化，由此得出以下結論.

1995-2015年間贛江新區土地類型的變化主要表示為建設用地的擴張及對其他土地類型的侵占,各土地類型的動態變化依次為建設用地>耕地>林地>草地>水域>未利用地.

1995年，城市處于發展階段，贛江新區破碎化程度和異質性都比較低，城市化水平較低.2005年，贛江新區擴張速度出現明顯的增大趨勢，城市化水平提高.2015年，贛江新區向外擴散速度加快，城市化水平增強，贛江新區高速發展，人類活動也隨之增強，景觀破碎化程度呈現加劇的趨勢，景觀類型朝著多樣化的方向發展.

2025年贛江新區建設用地的面積將會延續1995-2015年的發展趨勢繼續擴增，同時伴隨著人類活動的影響及社會經濟的發展，景觀格局變化也朝著同一方向發展，景觀破碎化程度將會進一步加深，合理地把控贛江新區景觀格局的發展成為贛江新區發展的首要任務.