基于RS和GIS的百色市西林縣耕地景觀格局演變及其驅(qū)動因子分析

童新華張福文韋燕飛

（1.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.廣西師范學(xué)院國土資源與測繪學(xué)院，廣西 南寧 530001）

基于RS和GIS的百色市西林縣耕地景觀格局演變及其驅(qū)動因子分析

童新華1張福文1韋燕飛2

（1.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.廣西師范學(xué)院國土資源與測繪學(xué)院，廣西 南寧 530001）

利用Erdas軟件對獲取的2005年和2012年西林縣TM影像數(shù)據(jù)進行遙感解譯，并用ARCGIS軟件對圖像進行數(shù)字化，柵格格式轉(zhuǎn)換處理，最終獲取百色市西林縣的耕地格局；選擇相關(guān)景觀指數(shù)使用 fragstas3.4軟件結(jié)合相關(guān)的數(shù)學(xué)分析方法，對西林縣的耕地空間分布特征進行定量分析，研究其變化的驅(qū)動因素。結(jié)果顯示：西林縣2012年的耕地景觀比2005年更顯離散化分布，耕地景觀破碎度增加，耕地的數(shù)量有所下降，而耕地景觀的整體形狀顯得更有規(guī)則化。

耕地；景觀指數(shù)；格局演變；驅(qū)動因子

國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示，2013年我國糧食總產(chǎn)量達到 60193.5萬噸，人口總數(shù) 13.6億人，人均糧食產(chǎn)量為442.60kg，還遠遠低于發(fā)達國家的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)2013年我國國土資源公報，截止2012年底我國耕地面積為20.27億畝。從數(shù)據(jù)上看全國耕地總面積雖然大于國家提出的18億畝耕地，但由于我國是一個多山區(qū)的國家，耕地資源分布極不均勻，特別是西部地區(qū)耕地數(shù)量少且耕地的質(zhì)量水平總體較低；另外耕地資源利用方式粗放，糧食生產(chǎn)成本較高、產(chǎn)量提升空間小，耕地保護形勢依然嚴峻。

廣西壯族自治區(qū)是一個多山地少平原的地區(qū)，2012年底廣西壯族自治區(qū)總?cè)丝跒?240萬人，2012年廣西土地利用年度變更調(diào)查成果顯示2012年底廣西的耕地面積為6624.59萬畝，人均耕地面積為 0.0843公頃，低于全國的平均水平0.093公頃[1]；耕地資源總量較少，經(jīng)濟、科技相對比較落后，對耕地資源的利用更是處于比較粗淺的層次，耕地資源少及利用不合理的雙重制約，更加加劇了快速增長的糧食需求與糧食產(chǎn)量不足的矛盾。因此切實保護耕地，充分合理利用耕地資源成為了人們生活的重中之重。

1 研究區(qū)概況

西林縣位于廣西壯族自治區(qū)最西端，地處桂、滇、黔三省（區(qū)）結(jié)合部，介于東經(jīng) 104°29′～105°36′，北緯24°11′～24°44′之間。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年內(nèi)最冷月與最熱月平均氣溫差值較小，夏無酷暑、冬無嚴寒。全境以土山為主，占全縣總面積的95%。土壤以山地紅壤為主，其他類型還包括水稻土、黃壤土、石灰?guī)r土、沖積土等四類。土壤質(zhì)地多屬壤質(zhì)，土壤結(jié)構(gòu)旱地以團粒結(jié)構(gòu)為主，水田以小塊狀結(jié)構(gòu)為主，土壤耕層疏松。2012年末西林縣土地總面積為299725.99公頃，占廣西壯族自治區(qū)國土面積的1.26%，2012年末西林耕地面積為22018.55公頃，占廣西壯族自治區(qū)總耕地的0.5%。

圖1 西林縣位置示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源包括：由統(tǒng)計年鑒記錄的2012年西林縣的自然、經(jīng)濟及人口數(shù)據(jù)；西林縣2005年和2012年的TM遙感影像數(shù)據(jù)；西林縣2012年度土地利用年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)及部分相關(guān)的土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及信息獲取

參考全國土地利用分類體系結(jié)合研究區(qū)域的景觀類型特點[2]，西林縣耕地景觀包括水田、旱地、水澆地、望天田、菜地和其他農(nóng)用地。在ERDARS9.1軟件的支持下，對2005年和2012年西林縣兩期TM遙感影像進行幾何校正與配準(zhǔn)，輻射校正，投影變換，空間增強和裁剪等預(yù)處理。在通過野外實地調(diào)查獲得研究區(qū)域?qū)嶋H經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將土地利用類型分為耕地和非耕地兩類，并結(jié)合2005年和2012年西林縣土地利用現(xiàn)狀圖及野外調(diào)查數(shù)據(jù)對TM影像進行遙感解譯，從而得到西林縣耕地空間分布圖。選用隨機采樣方法在各地取 100個像元，經(jīng)實地野外調(diào)查形成誤差評價表（表1），從表1可以看出2005年和2012年得解譯結(jié)果總體精度分別為0.865和0.875，kappa系數(shù)分別為0.73和0.75，均滿足最低容許判別精度0.7的要求。

表1 解譯誤差評價表

將解譯結(jié)果導(dǎo)入ARCGIS軟件進行數(shù)字化，在西林縣土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括耕地數(shù)據(jù)的提取，屬性的剔除與屬性的增加，數(shù)據(jù)的裁剪，拓撲錯誤的改正，同時建立空間數(shù)據(jù)庫；再利用ARCGIS軟件進行拓撲處理，柵格轉(zhuǎn)化，空間統(tǒng)計，最后將耕地景觀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成GRID格式，使用Fragstats3.4軟件進行景觀指數(shù)的計算。

2.3 景觀指數(shù)選取和計算

景觀格局包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及大小不一的景觀斑塊在空間上的配置，是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)[3]。景觀格局特征可以在 3個層次上分析：單個斑塊、由若干單個斑塊類型的整個組成的斑塊類型和包括若干斑塊類型的整個景觀鑲嵌體。相應(yīng)的景觀格局指數(shù)也存在三個水平上不同的指數(shù):斑塊水平指數(shù)、類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)。斑塊水平指數(shù)包括斑塊的面積、形狀、邊界特征等[4]；類型水平有斑塊的平均面積、平均形狀指數(shù)、斑塊密度等；景觀水平指數(shù)除了各種類型指數(shù)外還有各種多樣性指數(shù)、聚集度指數(shù)、距離指數(shù)和生境破碎化指數(shù)等。本文選取以下幾個指數(shù)進行分析。

（1）平均斑塊最近距離，即斑塊之間距離的大小，可以直接反映景觀要素分布離散或團聚程度，一般來說ENN值大，反映出同類型斑塊間相隔距離遠，分布較離散；反之，說明同類型斑塊間相距近，呈團聚分布[5]。其計算公式為：

式中，hij為景觀中每一個斑塊與其最近鄰體的距離，N’是具有鄰體斑塊的總數(shù)。

（2）)斑塊密度（PD）

該指數(shù)是斑塊個數(shù)與景觀總面積的比值，即每平方千米（100hm2）的斑塊數(shù)。值愈大，景觀破碎化程度愈高，空間異質(zhì)性愈大。它反映了景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，根據(jù)這一指數(shù)可以比較耕地景觀破碎化程度。斑塊密度表達式為：

N表示研究區(qū)斑塊總數(shù)或景觀中某類型景觀的斑塊個數(shù)，A表示各研究區(qū)域的總面積或景觀的總面積[6]。

（3）最大斑塊指數(shù)（LPI）等于某一斑塊類型中的最大斑塊占據(jù)整個景觀面積的比例。該指數(shù)有助于確定景觀中的優(yōu)勢類型，其值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢種、內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征；其值的變化可以改變干擾的強度和頻率，反映人類活動的方向和強弱[7]。計算公式為：

其中aij是斑塊的面積，A為包括景觀內(nèi)部背景在內(nèi)的總面積。

（4）平均形狀斑塊指數(shù)（SHAPE＿MN）

該指數(shù)是度量景觀斑塊邊界的規(guī)則程度、斑塊形狀復(fù)雜性的重要指標(biāo)。該指數(shù)的值越小說明景觀斑塊的形狀越接近最為簡單的方形，值越大說明斑塊形狀越復(fù)雜越?jīng)]有規(guī)則[8]。計算公式為：

式中：m為斑塊類型，p為斑塊的周長，a為斑塊的面積，N為景觀中的斑塊總數(shù)。

（5）平均斑塊分維數(shù)（FRAC＿MN）是景觀組中單個斑塊的分維數(shù)以面積為基準(zhǔn)的加權(quán)平均值，用來衡量斑塊邊界的復(fù)雜程度，值越大說明斑塊邊界的形狀越復(fù)雜，它的取值范圍是1≤FRAC＿MN≤2[9]。計算公式為：

其中aij，pij分別是斑塊的面積和周長。m為斑塊類型，n為斑塊的數(shù)量。

（6）聚合度指數(shù)（AI）是基于同類型斑塊公共邊界長度來計算，當(dāng)類型斑塊不存在公共邊界時，該類型的聚合度最低，而當(dāng)類型斑塊的公共邊界達到最大值時，該類型的聚合度最高?？梢苑从尘坝^組分的空間配置特征，度量斑塊類型的非隨機性或聚合程度。計算公式為

其中g(shù)ij是相應(yīng)景觀類型的相似鄰接斑塊數(shù)量[10]。

3 西林縣耕地景觀格局變化結(jié)果與分析

利用RS和GIS方法處理西林縣2005年和2012年兩期TM遙感圖像，并結(jié)合土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)建立耕地空間數(shù)據(jù)庫，并Fragstats3.4軟件進行景觀指數(shù)的計算，得出西林縣耕地景觀格局各種分布特征。

3.1 耕地景觀單元特征變化

西林縣耕地景觀斑塊數(shù)從2005年的17370減少到17294，斑塊總面積減少了 24.3961hm22，年均減少 3.4852 hm22。另外斑塊最小面積減小，斑塊的平均面積增大。斑塊總面積的減少及斑塊最小面積的減小反映了耕地景觀呈退化的趨勢，這一方面與國家實施的退耕還林政策有關(guān)[11]；另一方面也受快速的城鎮(zhèn)化及工業(yè)發(fā)展等人類的經(jīng)濟建設(shè)擠占耕地資源的影響。

表2 耕地景觀單元特征指數(shù)

3.2 耕地景觀斑塊數(shù)量特征

西林縣 2005年、2012年耕地斑塊面積在 1hm2以下和1-5hm2的斑塊占的比重較大，在 5hm2以下的分別達到了95.64%和96%，而10hm2以上的斑塊數(shù)均不到總數(shù)的2%，體現(xiàn)了該縣耕地較為破碎零散，不易于管理和有效利用耕地資源。1hm2以下的斑塊比重由71.42%增加到72.32%，1hm2以上的比重均呈下降趨勢，說明斑塊破碎程度進一步增大，反映耕地資源退化與流失。

圖2 年度斑塊面積等級比重圖

3.3 耕地景觀指數(shù)變化

耕地景觀指數(shù)變化表明：西林縣2012年耕地景觀平均斑塊最近距離（ENN＿MN）大于 2005年，同時斑塊密度（PD）減小，聚合度（AI）降低，說明耕地景觀的破碎度增加，耕地的空間分布日趨離散，集中度越來越來小。2012年最大斑塊指數(shù)（LPI）由2005年得1.9578上升到2012年的1.9600，說明面積較大的耕地斑塊數(shù)量有所增加，連片的耕地分布變得更加緊密。2012年的耕地平均斑塊形狀指數(shù)（SHAPE＿MN）和平均斑塊分維數(shù)（FRAC＿MN）均比2005有所降低，表明耕地景觀邊界日益規(guī)則化，形狀的復(fù)雜程度下降。整體表明，隨著土地利用總體規(guī)劃的實施及基本農(nóng)田劃定工作的實行，西林的耕地景觀整體的復(fù)雜度降低變得日趨有規(guī)則，較之以前更方便耕作和管理；但隨著快速的經(jīng)濟社會發(fā)展和城鎮(zhèn)化，人地矛盾的進一步加劇，耕地受到的破壞和侵占也進一步加重，往后保護耕地的工作有待進一步的加強。

表3 耕地景觀格局指數(shù)

3.4 驅(qū)動因子分析

通過2005年和2012年兩個時段的耕地景觀格局對比分析，可以得出西林縣的耕地景觀數(shù)量有所下降，空間分布呈離散化趨勢，耕地景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，存在退化的現(xiàn)象。結(jié)合近年來的西林縣統(tǒng)計年鑒和社會經(jīng)濟實際數(shù)據(jù)，把影響耕地景觀格局演變的因素分為內(nèi)驅(qū)動因子和外驅(qū)動因子。內(nèi)驅(qū)動因子主要包括地形、地貌、區(qū)位、水熱、光照等；外驅(qū)動因子主要包括工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、耕地政策等人為的干擾活動。

3.4.1 內(nèi)驅(qū)動因子

西林縣地處云貴高原向廣西丘陵過渡地帶，全境以土山為主，占全縣總面積的95%[12]。地貌類型復(fù)雜，地勢起伏不平，谷深坡陡，耕地主要沿著河流兩岸零散分布；另外該地區(qū)巖溶地貌發(fā)育，水土流失發(fā)生和發(fā)展的潛在危險性很大，為治理水土流失不得不實行退耕還林政策，其中 1996-2005年，退耕還林面積就達到了 9586.73公頃?？梢姀?fù)雜地貌的類型及該地區(qū)生態(tài)安全的需求是決定該地區(qū)耕地離散化分布及耕地資源量少的主要內(nèi)驅(qū)動因子。

3.4.2 外驅(qū)動因子

該地區(qū)以山地丘陵為主，適合開發(fā)建設(shè)的用地較少，同時為治理水土流失需保護森林植被，為了發(fā)展和生存不得不占用部分耕地。但隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及人口的增加，城鎮(zhèn)化及工業(yè)化的同步推進，人們的生產(chǎn)生活用地的需求量也急劇增加，使得耕地保護布局與城鎮(zhèn)化、工業(yè)化布局時有重疊，耕地保護與經(jīng)濟社會發(fā)展沖突日益增多，人地矛盾日趨加重。人類生存，生產(chǎn)需求對耕地產(chǎn)生的強烈干擾活動是驅(qū)動該區(qū)域耕地景觀格局發(fā)生變化的主要外在因子。

4 結(jié)語

運用RS技術(shù)和GIS技術(shù)結(jié)合景觀格局分析方法，對西林縣耕地景觀格局的變化研究及驅(qū)動因子分析表明，該縣2005-2012年間的耕地景觀格局破碎程度有所增加，主要表現(xiàn)為斑塊的最大面積減小，面積較小的斑塊數(shù)量增加；景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有所降低，主要表現(xiàn)為斑塊邊界日益規(guī)則化；景觀數(shù)量有所下降，主要表現(xiàn)為2012年的耕地數(shù)量比2005年的少。耕地景觀格局的變化一方面受由該地區(qū)的地貌以丘陵土山為主，耕地資源總量少，同時為治理水土流失保證生態(tài)安全實行退耕還林政策驅(qū)動變化；另一方面，經(jīng)濟社會的發(fā)展，人口的增加，“一要吃飯，二要建設(shè)”兩者矛盾的激化也是驅(qū)動耕地景觀格局變化的重要因子。

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Based on RS and GIS in the Baise Xilin farmland landscape pattern evolution and its driving factors analysis

Using Erdas software to obtain the xilin county in 2005 and 2005 TM remote sensing image data, and interpret the image by ARCGIS software digital, grid format conversion processing, eventually taking baise distribution of farmland landscape xilin；Select the relevant landscape index using fragstas3.4 software combined with related mathematical analysis method, carries on the quantitative analysis on the arable land, the spatial distribution characteristics of xilin, to study the changes of drivers. Results show that the xilin of farmland landscape in 2012 more than 2005 discrete distribution of farmland landscape fragmentation increases, the amount of cultivated land decreased, while the overall shape of the farmland landscape more rules.

arable land;landscape index;pattern of evolution;driving factors

S29

A

1008-1151(2015)02-0052-03

2015-01-10

童新華（1964－），男，廣西百色人，廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院副教授，從事國土信息技術(shù)研究。