基于RS與GIS的沈陽市土地利用及景觀格局變化

么欣欣, 韓春蘭, 劉洪彬, 錢鳳魁

(沈陽農業(yè)大學 土地與環(huán)境學院, 沈陽 110161)

基于RS與GIS的沈陽市土地利用及景觀格局變化

么欣欣, 韓春蘭, 劉洪彬, 錢鳳魁

(沈陽農業(yè)大學 土地與環(huán)境學院, 沈陽 110161)

近年來城市化過程中問題凸顯，城市景觀格局變化成為研究熱點。以2000年、2005年、2010年三期TM遙感影像為基礎數(shù)據(jù)，借助RS與GIS技術對沈陽市2000—2010年土地利用及景觀格局時空變化進行分析。研究結果表明：沈陽市土地利用類型以耕地、建設用地、林地為主，研究期間建設用地、林地、園地、草地、水域、未利用地面積均呈增加趨勢，其中建設用地面積增加最大，增加了54 527.34 hm2，耕地面積顯著降低，減少了95 924.15 hm2。研究區(qū)景觀的斑塊密度、形狀指數(shù)、香農多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別從2000年的0.413，41.480，1.170，0.563上升到2010年的0.501，49.376，1.302，0.626，優(yōu)勢度指數(shù)從0.910下降到0.778。且后期比前期的變化速率快，表明景觀破碎化速度加快，異質性增加。城鎮(zhèn)化進程中人類活動是景觀格局變化的主要驅動因子。

土地利用; 景觀格局; 遙感; 地理信息系統(tǒng)

人類面臨的許多環(huán)境與發(fā)展問題都與土地利用變化密切相關，隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展，有關研究已經成為全球變化和生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點和國際性前沿課題[1-2]。人類的各種社會經濟活動行為對土地利用的變化和景觀格局變化產生重要影響，進而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應已經成為景觀生態(tài)學研究的熱點之一[3-4]。景觀的穩(wěn)定性直接影響土地資源的可持續(xù)利用[5-6]?，F(xiàn)代景觀生態(tài)學與可持續(xù)發(fā)展問題緊密結合，為土地利用和資源管理的決策提供具有可操作性的行動指南。

城市是目前受人類社會經濟活動干擾最劇烈的生態(tài)系統(tǒng)，其景觀格局是地表景觀動態(tài)變化最快的類型之一[7-8]。從景觀空間格局角度來理解及解決城市化問題是景觀生態(tài)學的一個研究熱點。隨著城市化進程的不斷加快，城市地區(qū)景觀格局將發(fā)生明顯變化，對沈陽市土地利用及景觀格局進行分析，探求近10 a的變化特點，對于合理規(guī)劃城鎮(zhèn)用地的擴展方式及工業(yè)區(qū)的空間布局，優(yōu)化城市格局，土地資源的可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護有重要意義。

1 研究區(qū)概況

沈陽是遼寧省省會，東北地區(qū)的政治、經濟、工業(yè)、文化、金融中心，位于東經122°25′9″—123°48′24″，北緯41°11′51″—43°2′13″。東西寬115 km，南北長205 km，國土總面積1.3萬km2。沈陽地區(qū)以平原為主，地勢較為平坦，平均海拔50 m左右。第二次土地調查數(shù)據(jù)顯示沈陽農用地988 503.2 hm2，占總面積的76.74%，建設用地202 959.3 hm2，占總面積的15.76%，未利用地96 625.8 hm2，占總面積的7.50%。截至2011年底，沈陽市戶籍人口為722.7萬人，市區(qū)人口519.1萬人，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，土地利用格局變化顯著。

2 研究方法及過程

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究以遼寧省沈陽市的全部土地作為研究對象，研究的基礎數(shù)據(jù)主要有研究區(qū)域獲取時間分別為2000年7月、2005年7月、2010年8月三期Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，1∶10 000沈陽市第二次全國土地調查數(shù)據(jù)庫及各種社會經濟統(tǒng)計資料等。

根據(jù)研究區(qū)域土地利用情況及影像的實際分辨能力，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2007)分類標準，結合研究目的，本文將研究區(qū)土地利用類型分為旱地、水田、林地、園地、草地、建設用地、水域、未利用地[9]。利用ENVI 4.7，首先對影像進行波段組合、輻射校正、坐標轉換、圖像鑲嵌及圖像裁剪等預處理，然后對影像進行監(jiān)督分類同時結合野外實地調查，最終得到三期TM遙感影像的土地利用解譯的精度分別為84.76%，85.94%，85.40%，對應的Kappa系數(shù)均在0.80以上，當Kappa系數(shù)為0.80～1.00時，分類質量很高[10]，故分類結果質量滿足研究需要。在ArcGIS 9.3環(huán)境下，對解譯后得到的土地利用分類結果進行空間分析處理，得到2000—2005年和2005—2010年土地利用轉移矩陣，對土地利用變化情況進行分析。利用ArcGIS 9.3將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉化為柵格形式，用景觀指數(shù)軟件Fragstats4.1對研究區(qū)域的景觀指數(shù)進行計算。

2.2 景觀指數(shù)選擇與計算

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面的簡單定量指標。通過景觀指數(shù)可以對景觀的組成特征、空間配置、動態(tài)變化等進行定量的研究。景觀格局指數(shù)分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)[11]。本文參考景觀格局相關研究，根據(jù)研究需要，選取的景觀指數(shù)主要有斑塊類型水平上的斑塊數(shù)目(NP)、斑塊類型面積比(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、邊緣密度(ED)；景觀水平上的指數(shù)有斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、香農多樣性指數(shù)(SHDI)、香農均勻度指數(shù)(SHEI)、優(yōu)勢度指數(shù)(D)[12-20]。

斑塊類型面積比是各斑塊類型總面積在整個景觀中所占的面積比例，度量的是景觀的組分，也是確定優(yōu)勢景觀元素的依據(jù)之一；斑塊數(shù)目和斑塊密度可以反映各類型景觀的破碎程度；最大斑塊指數(shù)有助于確定景觀的優(yōu)勢類型，其值的變化反映人類活動的方向和強弱；平均斑塊面積代表的是景觀中斑塊的平均狀況，是反映景觀異質性的關鍵；邊緣密度反映各景觀中整體斑塊邊緣相對于面積的曲折性，說明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。香農多樣性指數(shù)、香農均勻度指數(shù)是描述景觀異質性的指標，反映景觀的復雜性；破碎化指數(shù)可判斷景觀的破碎化程度；根據(jù)優(yōu)勢度指數(shù)和景觀形狀指數(shù)可分別判斷占優(yōu)勢的景觀類型和景觀的空間構型。

3 結果與分析

3.1 土地利用數(shù)量結構時空變化特征

利用ENVI 4.7和ArcGIS 9.3對研究區(qū)遙感影像進行處理，得到研究區(qū)2000年、2005年、2010年土地利用類型圖(附圖3)和2000—2005年，2005—2010年土地利用轉移矩陣(見表1—2)。

土地利用遙感分類圖顯示，2000—2010年間沈陽市的土地利用類型以耕地、建設用地、林地為主，水域、園地、草地、未利用地面積較少，其中耕地主要分布在廣闊的平原地區(qū)，分布面積最大，建設用地主要分布在中心城區(qū)及整個行政區(qū)范圍內的工礦及城鎮(zhèn)村居民點，林地則主要分布于東南和西北部的丘陵山區(qū)。根據(jù)研究區(qū)域2000—2010年的土地利用變化情況可以看出，耕地面積呈減少趨勢，從2000年的985 539.98 hm2減少到2010年的889 659.58 hm2，并且2000—2005年研究區(qū)域耕地的變化率為0.82%，2005—2010年變化率為8.98%，耕地減少速度明顯上升，由于建設用地的主要來源是耕地，故建設用地呈明顯增加的態(tài)勢，從2000年的150 829.36 hm2增加到2010年的205 356.70 hm2，且建設用地的增加速率由2000—2005年的5.72%增加到2005—2010年的28.79%，說明社會經濟迅速發(fā)展的需要，沈陽市建設用地面積迅速增加。林地面積2000—2005年間略有降低，但是2005—2010年間由于林地保護政策的實施而較大幅度增加，彌補了建設用地占用面積，研究期間內林地面積總量上有所增加。研究期間內水域、園地、草地面積略有增加，變化程度較小。未利用地面積在研究期間內有所增加主要是由于部分耕地退化導致。

表1 沈陽市2000-2005年土地利用轉移矩陣 hm2

表2 沈陽市2005-2010年土地利用轉移矩陣 hm2

3.2 研究區(qū)景觀格局變化

利用ArcGIS 9.3分別對2000年、2005年、2010年的土地利用數(shù)據(jù)進行柵格化處理，然后利用Fragstats 4.1計算得到三期各景觀要素斑塊水平指數(shù)(表3)和景觀類型水平上的景觀指數(shù)(表4)。

3.2.1 研究區(qū)斑塊類型水平格局變化 由表3可以看出，旱地、水田、建設用地和林地的斑塊類型面積比較高，是控制研究區(qū)的主要景觀，在研究期間內始終是沈陽市景觀的基質類型，其余景觀斑塊類型面積比均不足3%；耕地景觀在研究區(qū)內的斑塊類型面積比最大且明顯高于其他景觀，說明耕地在沈陽市的景觀結構中占有重要地位，同時也表明農業(yè)在沈陽市社會經濟結構中的重要保障作用；建設用地景觀的斑塊類型面積比僅次于耕地，但斑塊數(shù)目最多，斑塊密度最大，斑塊平均密度增大，反映出建設用地空間布局集中化程度增加，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，人類的活動把非建設用地景觀轉變?yōu)榻ㄔO用地景觀；各景觀斑塊數(shù)目、斑塊密度總體呈增加趨勢，表明研究區(qū)內各景觀的破碎化程度逐漸增加；景觀邊緣密度的增加說明景觀邊緣效應的影響增強，旱地的邊緣密度最大，由于旱地具有較大的斑塊面積，因而對周圍其他類型景觀的影響最大；旱地、水田、建設用地、林地、水域景觀斑塊的邊緣密度均大于1，說明這幾類景觀的穩(wěn)定性較強；草地、未利用地、園地的平均斑塊面積和邊緣密度均較小，表明這幾類景觀在研究區(qū)內分布相對散亂，面積小，破碎化程度高，連通性差。總體上，土地利用景觀變化速率2005—2010年明顯高于2000—2010年，土地利用的變化隨著社會經濟發(fā)展速度的增加也越來越劇烈。

表3 2000年，2005年，2010年各景觀要素斑塊特征指數(shù)

3.2.2 研究區(qū)景觀水平格局變化 研究區(qū)2000—2010年景觀水平上的景觀指數(shù)變化為：斑塊密度由0.413增加到0.501，景觀破碎化程度增加，景觀形狀指數(shù)增加，表明人為干擾作用越來越明顯，景觀斑塊在自然和人為因素的干擾下，形狀趨于復雜；香農多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)在研究期間呈增加態(tài)勢，而優(yōu)勢度指數(shù)呈降低態(tài)勢，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別從1.170和0.563升高到1.302和0.626，優(yōu)勢度指數(shù)從0.910下降到0.778(表4)。景觀多樣性和均勻度的增加和優(yōu)勢度的降低表明景觀異質性增加，耕地作為景觀的優(yōu)勢類型在研究區(qū)內的支配作用逐漸降低，各斑塊類型在景觀中趨于均勻分布，主要是由于近年來人類活動的干擾，近些年的退耕還林政策和生態(tài)環(huán)境保護建設工程的實施，使研究區(qū)各斑塊類型的分布在景觀中趨于更均衡，景觀受到一種或幾種斑塊類型的支配作用降低。

表4 沈陽市不同年份景觀指數(shù)

4 結 論

研究結果表明，沈陽市土地利用景觀的主體是耕地，其次為建設用地和林地，2000—2010年期間耕地面積大幅度降低，林地面積少量增加，主要原因是隨著經濟的迅速發(fā)展、城市化進程的加快，城鎮(zhèn)建設用地擴張過程中占用了大量的耕地，而退耕還林的面積補償了林地建設用地占用的部分并且使林地面積總量有所增加。景觀的斑塊密度、形狀指數(shù)、香農多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈上升趨勢，優(yōu)勢度指數(shù)呈下降趨勢。原因是交通設施的建設和城市的發(fā)展使原來斑塊面積較大的斑塊被分割，進而使沈陽市景觀破碎化程度增加，異質性增加，并且土地利用和景觀指數(shù)的變化速率后期明顯快于前期，說明人類活動對土地利用及景觀的干擾越來越強。

針對沈陽市存在的耕地面積銳減、景觀破碎化程度日益增加的問題，相關部門在進行土地利用規(guī)劃時，應根據(jù)當?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境、社會經濟發(fā)展狀況及土地利用過程中存在的問題，因地制宜地制定相關政策，合理利用土地資源，保護生態(tài)環(huán)境，為沈陽經濟圈及遼寧沿海經濟帶的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。

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ChangesofLandUseandLandscapePatterninShenyangCityBasedonRSandGIS

YAO Xin-xin, HAN Chun-lan, LIU Hong-bin, QIAN Feng-kui

(CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgricultureUniversity,Shenyang110161,China)

As urbanization process resulted in a series of problems, the research on landscape pattern change has become a hot spot in recent years. Based on the three remote sensing images TM in 2000, 2005 and 2010, and by using RS and GIS technology to interpret and spatial analysis the remote sensing image, the temporal and spatial variation of land use and landscape pattern in the recent 10 years in Shenyang City was analyzed. The results showed that the main land use types were cultivated land, construction land and forest land, the area of construction land, forestland, garden plot, grassland, water body, and unutilized land increased. Construction land increased 54 527.34 hm2, which increased most, and the area of cultivated land decreased 95 924.15 hm2. From 2000 to 2010, the landscape index patch density increased from 0.413 to 0.501, shape index increased from 41.480 to 49.376, the landscape diversity index increased from 1.170 to 1.302, the landscape evenness index increased from 0.563 to 0.626, and the dominance index decreased from 0.910 to 0.778. The changes in the period from 2005 to 2010 were faster than the period from 2000 to 2005, which indicated that the landscape fragmentation speed increased and landscape heterogeneity increased in the study area. Human activities are the main driving factors on the landscape pattern change in the process of urbanization.

land use; landscape pattern; remote sensing; geographic information system

2013-07-15

：2013-08-12

遼寧省糧食主產區(qū)耕地保護調查與評價研究項目；校青年教師科研基金項目(20091003)

么欣欣(1987—),女,河北唐山人,碩士研究生,主要研究方向為土地資源與信息技術。E-mail:chinayaoxinxin@163.com

韓春蘭(1965—),女(蒙古族),內蒙古赤峰人,碩士,副教授,主要研究方向為土壤地理學、土地資源管理。E-mail:hancly@163.com

P901

：A

：1005-3409(2014)02-0158-04