基于RS和GIS的石臼湖周邊景觀格局動態(tài)研究

葉鵬+王鳳霞

摘要：以2003年和2013年的Landsat-7 ETM+與Landsat-8影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于MapGIS K9遙感處理系統(tǒng)，通過地表覆被分布空間特征和光譜特征，建立遙感解譯標志，采用監(jiān)督分類和人機交互糾正相結(jié)合的方法提取了石臼湖周邊土地利用和景觀格局信息，并選取相關景觀格局指數(shù)分析了10年間區(qū)域內(nèi)景觀格局的變化。結(jié)果表明，石臼湖周邊城鎮(zhèn)建設用地與林地面積分別增加了32.50%和40.20%，水田面積也穩(wěn)步增長，水域面積下降比例最大，旱地面積下降絕對值最大，但仍為最主要的土地利用類型，其他用地是面積最小的景觀類型。研究區(qū)整體破碎度和異質(zhì)性降低，區(qū)域內(nèi)景觀愈來愈受到人類活動的干預，優(yōu)勢景觀的斑塊連接性下降，破碎化程度加深。區(qū)內(nèi)的各土地利用類型變化趨勢各異，所占比例差異較大，但是景觀類型的多樣性和空間結(jié)構(gòu)復雜性能促進其穩(wěn)定的發(fā)展。

關鍵詞：遙感；地理信息系統(tǒng)；土地利用變化；景觀格局；石臼湖

中圖分類號：TP79：S159.2；P208.2；P901（531） 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-5062-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.034

Changes of Landscape Pattern in the Shijiu Lake Surrounding Area Based on Remote Sensing and Geographic Information System

YE Peng，WANG Feng-xia

（College of Tourism ，Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Based on MapGIS K9 remote sensing processing system and the analysis of land use data obtained from 2 Landsat-7 ETM+ and Landsat-8 image in the years of 2003 and 2013， remote sensing interpretations were established through spatial distribution characteristics and spectral characteristics of land cover. The hierarchical classification method and the method combining supervised classification with the artificial visual interpretation were applied to extract landscape class information of land use in the Shijiu Lake surrounding area. Further more， related landscape indices were selected for analysis of changes in the regional landscape pattern over 10 years. The results are as follows. Urban construction land and forest area was increased by 32.50% and 40.20% in the Shijiu Lake surrounding area while paddy area was also steadily growing. The water area had the largest decline percentage while dryland area had the largest absolute decline， which was still the main land use types. The landscape type of the other land had the smallest area. The fragmentation and heterogeneity of studied area reduced as the regional landscape has been more and more intervented by human activities. The dominant landscape patches connectivity decreased； and fragmentation deepened. The ratio of different land use type in the studied area deffered； and the development trends are also different. Landscape diversity and complexity of spatial structure can promote the stablility of development.

Key words： remote sensing； geographic information system； land use change； landscape pattern； Shijiu Lake

景觀生態(tài)學是地理學與生態(tài)學的一個交叉學科[1]，為在大尺度上開展地理學、生態(tài)學綜合研究起到了啟迪和指導作用[2-4]。土地利用類型和景觀格局緊密關聯(lián)，土地利用、覆被的變化不僅會導致地表景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，而且會影響景觀物質(zhì)循環(huán)與能量流動，這對于區(qū)域生物多樣性和重要生態(tài)過程影響深遠[5]。因此將土地利用和景觀格局理論結(jié)合在一起，有助于研究土地利用和景觀格局變化的相互關系[6]。石臼湖是江蘇省12個省管湖泊之一，已列入中國重要濕地名錄[7]。石臼湖安徽段已于1999年建立石臼湖自然保護區(qū)（省級），以保護珍稀水禽及其生境[8]，因此石臼湖的生態(tài)服務功能非常重要。本研究基于景觀格局理論，結(jié)合其在LUCC上的應用，通過提取石臼湖周邊土地利用和景觀格局的信息，并計算相關景觀格局指數(shù)，以揭示其土地利用特征及景觀格局變化趨勢，從而為該區(qū)域土地資源管理、生態(tài)功能分區(qū)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。endprint

1 研究區(qū)概況

石臼湖位于長江右岸、水陽江下游，屬構(gòu)造型淺水湖泊，地處北緯31°23′～31°33′、東經(jīng)118°46′～118°56′，具有蓄洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運等功能，分屬江蘇省南京市高淳區(qū)、溧水區(qū)和安徽省馬鞍山市博望區(qū)、當涂縣，屬跨省湖泊[9]。石臼湖流域總面積1.86萬km2，湖泊水面面積214.74 km2，其中江蘇省境內(nèi)為115.4 km2，其余屬于安徽省。石臼湖周邊氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L型濕潤氣候，年平均氣溫15.8 ℃，年平均降水量1 023 mm，植被屬常綠闊葉與落葉闊葉混交林地帶的沿江沿湖植被區(qū)，區(qū)內(nèi)原生自然植被已不復存在，主要為次生植被和人工植被。地貌分為低山丘陵和平原圩區(qū)兩大類型。本研究區(qū)域為石臼湖及與石臼湖相鄰的馬鞍山市、當涂縣、南京市溧水區(qū)和高淳區(qū)。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取及處理

本研究所選用的數(shù)據(jù)為Landsat-7 ETM+（2003年）與Landsat-8（2013年）的遙感影像資料，相關信息見表1。基于MapGISK9遙感處理系統(tǒng)，經(jīng)過波段合成、幾何校正和影像裁剪[10]后，建立遙感解譯標志，通過監(jiān)督分類提取出各類土地利用景觀類型。由于“異物同譜”、“同物異譜”是光學遙感不可避免的問題，完全依靠計算機解譯遙感影像則與實際地表情況有一定的出入[11]，所以通過人機交互糾正完善分類結(jié)果，從而獲得最終的土地利用分類圖，詳見圖1、圖2。

2.2 分析方法

利用MapGIS K9對2003年、2013年土地利用分類結(jié)果進行變化檢測，得出土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，并以此分析變化狀況。根據(jù)景觀生態(tài)學原理和研究區(qū)內(nèi)的土地利用特點，選用斑塊數(shù)、斑塊密度指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、斑塊形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)等評價指標[12，13]對區(qū)域進行生態(tài)景觀格局綜合評價。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

石臼湖周邊2003-2013年土地利用類型面積和動態(tài)變化情況見表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，研究區(qū)域在10年間土地利用變化的總體特征為城鎮(zhèn)建設用地與林地面積顯著增加，分別增加了122.30 km2和111.88 km2，城鎮(zhèn)建設用地變化率為32.50%，林地的變化率更高達40.20%。水田面積在10年間也是穩(wěn)步增長，占總面積的比例由19.05%升至21.61%。其余土地類型均為減少，水域面積下降比例最大，由2003年的325.72 km2下降至180.82 km2，平均每年下降4.45%。旱地面積減少絕對值最大，減少了157.70 km2，不過仍為該區(qū)域最主要的土地利用類型。其他用地是所有類型中面積最小的，2013年占總面積的0.71%，共減少了19.28 km2。

通過觀察2個時期土地利用覆被類型分布的變化（圖1、圖2），可以發(fā)現(xiàn)4個行政區(qū)劃的景觀格局變化也存在差異。馬鞍山市是其中惟一的地級市行政單位，其城鎮(zhèn)建設用地面積分布最廣，增長的速率也最快；當涂縣的水域和水田面積大幅度減少，主要由水域和水田轉(zhuǎn)出為城鎮(zhèn)建設用地和旱地；溧水區(qū)和高淳區(qū)水田面積有所增加，增加區(qū)域主要為石臼湖南部和東側(cè)，城鎮(zhèn)建設用地面積也有所增加，破碎狀的小面積林地分布廣泛。

3.2 景觀格局變化分析

景觀格局研究的主要方向在于空間異質(zhì)性和時間異質(zhì)性，景觀格局變化分析通過研究景觀格局指數(shù)及指數(shù)變化來進行[14]。相關的景觀格局指數(shù)能夠反映區(qū)域景觀格局變化趨勢，定量描摹不同方面的演化特征，著重反映景觀破碎化程度和景觀多樣性的變化[15]。

3.2.1 景觀水平變化分析 石臼湖周邊2003-2013年景觀水平的景觀格局指數(shù)動態(tài)變化情況見表3。由表3可以看出，2013年與2003年比較，研究區(qū)的斑塊數(shù)、斑塊密度指數(shù)和斑塊形狀指數(shù)分別下降，反映出研究區(qū)景觀整體的破碎度和異質(zhì)性降低。由于近年來區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展快速推進，景觀越來越受到人類活動的干預，整體景觀格局隨人類意識和政府規(guī)劃呈聚集、分塊趨勢演變，斑塊平均面積的穩(wěn)定增加也印證了這種現(xiàn)象。從表3還可見，最大斑塊指數(shù)同樣呈下降趨勢，這說明優(yōu)勢景觀受到一定程度的干預，優(yōu)勢景觀的斑塊連接性下降。根據(jù)土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果，石臼湖周邊的優(yōu)勢景觀為農(nóng)田類型景觀，其干預因素主要為城鎮(zhèn)建設用地和林地景觀數(shù)量的增加。另外，香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為小幅度增大的趨勢，說明各景觀類型面積分布較為均衡，景觀優(yōu)勢類型不明顯，景觀結(jié)構(gòu)組成較為復雜，且在向更優(yōu)化的方向發(fā)展。

3.2.2 類型水平變化分析 石臼湖周邊2003-2013年土地利用類型景觀格局指數(shù)水平變化情況見表4，由表4可以分別看出各土地利用類型景觀格局指數(shù)水平的動態(tài)。①水域。2013年的水域斑塊數(shù)較2003年數(shù)據(jù)銳減，水域斑塊數(shù)減少也是2013年研究區(qū)斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)減少的主要因素。同時斑塊形狀指數(shù)也出現(xiàn)下降，說明形狀更為規(guī)則，這與大量水域被改造成水田和城鎮(zhèn)建設用地有很大的關聯(lián)。石臼湖湖體為水域中的最大斑塊，斑塊最大面積相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的圍湖造田現(xiàn)象。在水域總面積減少、石臼湖面積穩(wěn)定的情況下，導致了最大斑塊指數(shù)上升。②城鎮(zhèn)建設用地。斑塊最大面積有了很大的增加，這是因為研究區(qū)在城市化進程上有了長足發(fā)展，城區(qū)面積擴張顯著。而斑塊密度指數(shù)、斑塊形狀指數(shù)均出現(xiàn)下降，表明城區(qū)發(fā)展覆蓋了原本城鎮(zhèn)周邊的土地，范圍擴張的同時形狀變得規(guī)則。其余指標均為增長，反映出人類活動強度增加，社會經(jīng)濟和基礎建設迅速發(fā)展。③林地。林地的斑塊數(shù)和景觀要素面積比例都有很大增長，林地在區(qū)域內(nèi)覆蓋范圍得到了很大的提高。斑塊密度指數(shù)上升而最大斑塊指數(shù)下降，表明林地分布更加分散且破碎度增加。這與新增林地在流域內(nèi)的分布有關，林地不再只局限于山地地帶，林地增加來源主要為旱地。④旱地和水田。旱地和水田的格局變化基本上呈相反的趨勢，除去斑塊形狀指數(shù)二者同時降低外，其余指標變化全部相反。旱地斑塊數(shù)和斑塊密度指數(shù)上升表明其破碎化程度加大，旱地占景觀要素面積的比例也持續(xù)走低，但依然是流域內(nèi)比例最大的景觀類型，說明旱地依然是流域內(nèi)的主要土地利用類型。水田的分布則更為集中，破碎化程度降低，景觀要素面積比例也僅次于旱地，同樣是流域內(nèi)優(yōu)勢景觀。旱地主要演化為城鎮(zhèn)建設用地、林地和水田，因此旱地面積減少的原因主要是城鎮(zhèn)發(fā)展和對外擴張占用了旱地、旱地改水田的實施以及退耕還林政策的推廣。水田面積增加主要來源于旱地和水域，許多小范圍的水體被圍湖造田改造成了水田。斑塊形狀指數(shù)的降低，說明旱地和水田受到耕作和農(nóng)業(yè)規(guī)劃影響，形成分塊集中。通過這兩組數(shù)據(jù)的對比還可以看出，斑塊數(shù)與農(nóng)田景觀變化的趨勢聯(lián)系不緊密。⑤其他用地。其他用地在流域內(nèi)所占的比例很小，2003～2013年也一直減少。斑塊最大面積和最大斑塊指數(shù)都有上升，斑塊密度指數(shù)和斑塊形狀指數(shù)下降，反映出其他用地分布更加集中，形狀也更加完整。其他用地主要轉(zhuǎn)出城鎮(zhèn)建設用地和水田，表明該區(qū)域內(nèi)人類活動愈加頻繁，且活動深度增加。endprint

4 小結(jié)

在分析了石臼湖周邊區(qū)域2003-2013年土地利用類型及景觀格局變化情況后，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)10年間土地利用變化的總體特征是城鎮(zhèn)建設用地與林地面積顯著增加，分別增加了32.50%和40.20%；水田面積也穩(wěn)步增長，2013年占到總面積的21.61%；其余的土地類型均減少。以水域面積下降的比例最大，旱地面積下降的絕對值最大，但仍為最主要的土地利用類型；其他用地是面積最小的景觀類型，平均每年減少4.40%。

在景觀水平變化上，研究區(qū)內(nèi)的斑塊數(shù)、斑塊密度指數(shù)和斑塊形狀指數(shù)全部下降，研究區(qū)景觀整體破碎度和異質(zhì)性降低，表明區(qū)域內(nèi)景觀愈來愈受到人類活動的干預；最大斑塊指數(shù)同樣呈下降趨勢，優(yōu)勢景觀受到一定程度的影響，優(yōu)勢景觀的斑塊連接性下降；香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)均增加，研究區(qū)內(nèi)景觀優(yōu)勢類型不明顯。

在類型水平變化上，水域分布形狀更為完整；城鎮(zhèn)建設用地斑塊最大面積有了很大增加，主要是因為區(qū)域城市化發(fā)展，城區(qū)面積擴張顯著；林地不再局限于山地地帶，林地覆蓋范圍得到了很大提高；旱地和水田變化趨勢相反，旱地破碎化程度加大，但依然是區(qū)域內(nèi)主要的土地利用類型，水田分布更加集中，景觀要素面積比例僅次于旱地，同時還可以發(fā)現(xiàn)斑塊數(shù)與農(nóng)田景觀變化趨勢聯(lián)系不緊密；其他用地主要轉(zhuǎn)入城鎮(zhèn)建設用地和水田，表明該區(qū)域內(nèi)人類活動更加頻繁，活動深度增加。

由于受到自然條件和人為因素的影響，研究區(qū)內(nèi)各景觀類型所占比例差異較大，變化趨勢也不盡相同，當然土地利用類型多樣性和空間結(jié)構(gòu)復雜性能促進區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定發(fā)展。在景觀格局的分析過程中，可以看出近年來林地覆蓋率逐步提高，因此在土地利用上應充分發(fā)揮其優(yōu)勢，發(fā)展生態(tài)旅游業(yè)。但是大量水域被改造成建設用地和水田，且石臼湖本體雖基本穩(wěn)定，但沿湖漁業(yè)養(yǎng)殖面積的擴大在一定程度上導致湖面變相萎縮。這種圍墾與周邊濕地用途的改變，增加了洪澇災害風險，同時使?jié)O業(yè)生產(chǎn)、濕地經(jīng)濟作物種植失去了發(fā)展場地，需要及時開展湖泊生態(tài)修復，提高石臼湖生物多樣性水平。另外，近年來研究區(qū)內(nèi)行政區(qū)劃多次變更，土地利用受國家政策影響將會隨之改變。因此針對該區(qū)域景觀格局變化驅(qū)動力的深入分析，將是下一步研究的重點，進而為該區(qū)域土地資源管理、生態(tài)功能分區(qū)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

參考文獻：

[1] 郭 濼，薛達元，馮金朝.基于3S技術(shù)的民族地區(qū)景觀生態(tài)學研究[J].中央民族大學學報（自然科學版），2009，18（3）：13-17.

[2] CHOPRA R， VERMA V K， SHARMA P K. Mapping， monitoring and conservation of Harike wetland ecosystem， Punjab， India， through remote sensing[J]. International Journal of Remote Sensing， 2001， 22（1）：89-98.

[3] XIAO D R， TIAN B， TIAN K， et al. Landscape patterns and their changes in Sichuan Ruoergai Wetland National Nature Reserve[J]. Acta Ecologica Sinica，2010，30（1）：27-32.

[4] 王永麗，于君寶，董洪芳，等.黃河三角洲濱海濕地的景觀格局空間演變分析[J].地理科學，2012，32（6）：717-724.

[5] 田 穎，李 冰，王 水.江蘇沿海地區(qū)土地利用/覆被及景觀格局變化分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014，42（1）：318-322.

[6] 伍 星，沈珍瑤.長江上游地區(qū)土地利用/覆被和景觀格局變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（10）：86-92，291.

[7] 于忠華，劉海濱，張 漲.石臼湖流域江蘇段生態(tài)環(huán)境驅(qū)動因素分析[J].水資源保護，2010，26（6）：70-74.

[8] 朱同林，張光生.安徽省沿江濕地資源現(xiàn)狀、問題與對策[J].資源開發(fā)與市場，2005，21（4）：300-302.

[9] 張繼勇.石臼湖水利樞紐工程建設研究[J].安徽工業(yè)大學學報（社會科學版），2014，31（2）：22-24.

[10] 汪權(quán)方，李家永，陳百明.基于地表覆蓋物光譜特征的土地覆被分類系統(tǒng)——以鄱陽湖流域為例[J].地理學報，2006，61（4）：359-368.

[11] 段宏山.淺談遙感圖像的解譯方法[A].廣東省測繪學會.廣東省測繪學會第九次會員代表大會暨學術(shù)交流會論文集[C].廣州：廣東省測繪學會，2010.

[12] 王 原，吳澤民，張 浩，等.基于RS和GIS的馬鞍山市分區(qū)城森林景觀格局綜合評價[J].北京林業(yè)大學學報，2008，30（4）：46-52.

[13] 王 原.安徽沿江三城市城市森林景觀格局分析與綜合評價[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學，2006.

[14] 何丙輝，徐 霞，辜世賢.潼南縣土地利用景觀格局特征分析[J].水土保持研究，2005，12（5）：134-137.

[15] 臧淑英，黃 樨，鄭樹峰.資源型城市土地利用變化的景觀過程響應——以黑龍江省大慶市為例[J].生態(tài)學報，2005，25（7）：1699-1706.endprint