基于GIS與景觀指數(shù)的黃驊市景觀格局分析

王永 劉春玲 賀鵬 姚翔龍

摘要通過對黃驊市柵格影像的景觀指數(shù)計算，獲得10個斑塊類型的景觀指數(shù)和9個景觀水平的指數(shù)。對黃驊市土地利用類型進(jìn)行重分類，通過對景觀指數(shù)的分析，得出黃驊市農(nóng)業(yè)景觀、荒漠景觀等景觀分布格局。結(jié)果表明，黃驊市景觀整體聚集程度較高、多樣性顯著、均勻度較高、破碎化程度較高，形成以農(nóng)業(yè)景觀為景觀基質(zhì)，荒漠、陸地景觀散碎分布，工業(yè)、水域景觀團(tuán)塊式分布，居住、交通運輸景觀規(guī)律分布的景觀格局。

關(guān)鍵詞景觀指數(shù)；景觀格局；斑塊；黃驊市

中圖分類號TU984.18；TP79文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）16-0063-05

Landscape Pattern Analysis Based on GIS and Landscape Index in Huanghua City

WANG Yong1， LIU Chunling2， HE Peng2 et al（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences， Beijing 100083； 2. China Land and Resources Aerial Geophysical Remote Sensing Center，Beijing 100083）

AbstractThrough the calculation by the Huanghua City grid image for the landscape index，the landscape indices of 10 patch types and 9 landscape levels were obtained.Land use types in Huanghua City were reclassified. Through the analysis of landscape index，the landscape distribution pattern of agricultural landscape and desert landscape in Huanghua City was obtained. The results showed that Huanghua City landscape pattern have high degree of aggregation， significant diversity， higher degree of fragmentation and high uniformity. The formation of the agricultural landscape as the landscape stroma，desert and land landscape scattered distribution，industrial and water landscape mass distribution， living and transportation regular distribution landscape pattern.

Key words

Landscape index；Landscape pattern；Plaque；Huanghua City

景觀生態(tài)學(xué)的研究對象涵蓋了從荒野到城市景觀，對景觀要素或景觀格局現(xiàn)狀分析是景觀生態(tài)學(xué)的重點研究內(nèi)容之一[1]。而對景觀內(nèi)各斑塊類型在景觀中分布規(guī)律的研究是景觀格局現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)。目前，以土地利用類型所反映的景觀格局幾何特征，結(jié)合數(shù)值統(tǒng)計的分析方法在景觀格局分析方面較為成熟。在區(qū)域景觀格局分析研究領(lǐng)域，專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究。曹瑞娜等[2]通過棲霞市各流域信息提取，計算獲得棲霞市各流域景觀指數(shù)，結(jié)合DEM模型、自然因素以及地區(qū)發(fā)展模式對棲霞市進(jìn)行景觀格局分析。劉飛等[3]通過不同斑塊類型指數(shù)的選取計算，分析了貴州習(xí)水縣景觀空間特征。寧雅楠等[4]通過景觀指數(shù)法結(jié)合主成分分析法對青龍滿族自治縣進(jìn)行景觀分區(qū)研究。另外，用景觀指數(shù)研究景觀格局對指數(shù)的選取依賴性較大，部分學(xué)者利用統(tǒng)計回歸、因子分析等方法，建立景觀指數(shù)之間的相關(guān)性、敏感性的關(guān)系。何鵬等[5]通過相關(guān)分析方法，解決了指數(shù)繁多冗余的問題。彭建等[6]通過研究深圳寶安區(qū)土地利用分類，探討景觀格局指數(shù)隨土地利用分類系統(tǒng)變化的基本規(guī)律。由于人類對自然資源不斷開發(fā)和謀求土地資源的可持續(xù)利用，使得景觀格局隨空間和時間的轉(zhuǎn)變而不斷改變[1]。因此，通過對景觀格局的分析有助于把握研究區(qū)宏觀的生態(tài)環(huán)境狀況、景觀格局發(fā)展趨勢及科學(xué)合理地規(guī)劃人們的生活環(huán)境，實現(xiàn)土地資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。筆者基于GIS與景觀指數(shù)，對黃驊市土地利用類型進(jìn)行了重分類，研究該市的農(nóng)業(yè)景觀、荒漠景觀的分布格局，以期為今后黃驊市土地資源管理及土地整治提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

黃驊市地處117°05′～117°40′ E，38°09′～38°39′ N，位于河北省東南部，地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中部位置和環(huán)京津樞紐地帶，有河北省東出西聯(lián)的出?？诤蜆蝾^堡之稱。全市總面積2 411.6 km2，截至2010年總?cè)丝跒?4.35萬。主要為平原和海岸地貌，其中海岸平坦寬闊，屬于淤泥質(zhì)海岸，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。轄區(qū)土壤類型可歸為潮土、鹽土和沼澤土類3類，其中鹽土遍布全市。全市交通發(fā)達(dá)，自然資源豐富，其中鹽業(yè)資源較為著名，是全國的海鹽生產(chǎn)基地之一。

1.2數(shù)據(jù)來源及處理

研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2016年GF1遙感數(shù)據(jù)影像，以2009年第二次全國土地調(diào)查分類表為依據(jù)，基于ArcGis10.3進(jìn)行目視人機(jī)交互解譯，最終獲取解譯精度為1∶5萬，共29類土地利用類型的gdb數(shù)據(jù)庫格式的文件。然后結(jié)合當(dāng)?shù)鼐坝^特色及發(fā)展模式，重新對29類土地利用類型進(jìn)行歸并分類，分類形成8種一級景觀類型（圖1）。

最終利用8種一級景觀類型進(jìn)行景觀指數(shù)的計算。計算步驟：①將8種景觀類型放在同一數(shù)據(jù)庫中，利用ArcGis10的功能轉(zhuǎn)化為20×20大小的geo.tiff格式的柵格圖像。②將該圖像導(dǎo)入到 Fragstats 4.2軟件中，設(shè)置相關(guān)權(quán)重文件并選擇參數(shù)。③計算。以斑塊類型指數(shù)（class類）和景觀水平指數(shù)（landscape類）為主，最終以這2類景觀指數(shù)對黃驊市景觀格局進(jìn)行分析。研究區(qū)景觀類型分布如圖2所示。

1.3景觀指數(shù)軟件Fragstats 4.2經(jīng)過多年的發(fā)展和改良，界面操作簡單，并能與ArcGis10軟件進(jìn)行良好的互補(bǔ)，其包含的景觀指數(shù)多達(dá)上百種，能從各方面反映區(qū)域景觀格局分布特征。同時景觀指數(shù)之間存在明顯的相關(guān)性、功能的重疊性甚至相互矛盾的問題。該研究通過遙感解譯了解黃驊市景觀特征，結(jié)合前人在指數(shù)選取方面的方法以及全面了解所選指標(biāo)所有生態(tài)意義、公式的前提下[6-8]，選取了以下斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)（表1、2）。

2結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)整體結(jié)構(gòu)

斑塊水平指數(shù)中CA、PLAND、NP、PD、LPI指數(shù)以及景觀水平指數(shù)中TA、NP、PD、LPI、PR指數(shù)是對斑塊類型和景觀整體水平的基本特征進(jìn)行描述的指數(shù)類型。其余指數(shù)均為描述景觀空間異質(zhì)性、復(fù)雜多樣性及連通性方面的特征。通過指數(shù)計算，分別獲得表3所示的景觀格局分析數(shù)據(jù)。

經(jīng)計算可知，由景觀水平指數(shù)TA、NP、PD、LPI可知，研究區(qū)的TA為241 160.44 km2，除去沿岸淺海景觀外，總面積約226 263.00 km2。NP為15 773塊，PD為6.54個/100 hm2，LPI占景觀總面積的10.61%。由表3可知，參與計算的8類景觀類型中，農(nóng)業(yè)景觀面積最大，為97 092.12 hm2，占研究區(qū)總面積的40.26%，其次為水域景觀，為38 245.08 hm2，占研究區(qū)總面積的15.86%。由于水域景觀包括水庫、水工建筑、河流、沼澤等地類，且研究區(qū)與海相鄰，水資源豐富，所以面積較其他土地類型較多。此外，荒漠景觀面積達(dá)36 776.40 hm2，占總面積的15.25%；工業(yè)景觀為23 560.44 hm2，占總面積的9.77%；居住景觀為22 208.44 km2，占總面積的9.21%；沿岸淺海景觀、交通運輸景觀及陸地景觀面積分別為14 897.68、5 511.40、2 868.88 hm2，分別占總面積的6.18%、2.29%、1.19%。農(nóng)業(yè)景觀、水域景觀及荒漠景觀占總面積的71.00%以上，說明這3類景觀是研究區(qū)的優(yōu)勢景觀類型。在景觀基質(zhì)方面，由于農(nóng)業(yè)景觀占40.28%，大范圍地分布在市中心周邊及內(nèi)陸地區(qū)（圖2），且連通性較好可以認(rèn)為是研究區(qū)的景觀基質(zhì)。斑塊類型面積分布如圖3所示。

在NP、PD方面，居住景觀和荒漠景觀是研究區(qū)最多的，分別是4 366、4 324個和1.81、1.79，說明居住景觀和荒漠景觀的分布特征是部分斑塊散碎，點狀分布于研究區(qū)。其次為農(nóng)業(yè)景觀、水域景觀、工業(yè)景觀，NP分別為2 658、1 560、1 295，分別為1.10、0.65、0.54；農(nóng)業(yè)景觀、水域景觀是景觀類型中面積最大的2類，但NP、PD并不是最大。交通運輸景觀和陸地景觀的NP、PD較少，分別為833、731個和0.35、0.30（表3），說明黃驊市草地、林地分布面積較少。沿岸淺海景觀是基于海洋資源大力開發(fā)的背景下設(shè)立的一種景觀類型，該景觀類型沿岸分布且聚集在一起，因此NP、PD均為最少。

2.2景觀面積特征的景觀格局

由上述可知，以農(nóng)業(yè)景觀為景觀基質(zhì)的黃驊市在景觀類型面積分布上呈多種現(xiàn)狀。農(nóng)業(yè)景觀面積最大占40%以上，但NP、PD不是最多，說明農(nóng)業(yè)景觀在黃驊市具有連通性。而且農(nóng)業(yè)景觀的AREA-MN為36.53 hm2，是除沿岸淺海景觀外最大的一類，說明黃驊市存在著大量農(nóng)業(yè)用地，聚集度程度較高的分布在研究區(qū)。由圖2可知，農(nóng)業(yè)用地大量分布在整個研究區(qū)，尤其是內(nèi)陸地區(qū)農(nóng)業(yè)景觀連通性更好，所占比例更大。水域景觀主要分布在研究區(qū)東北部，其中水庫水面占絕大部分面積。水域景觀中存在著研究區(qū)中LPI屬性為水庫水面，為10.61%。水域景觀和工業(yè)景觀連通性較好，水域景觀和工業(yè)景觀分別為24.52和18.19 hm2，但斑塊數(shù)量和斑塊密度較??；說明水域景觀和工業(yè)景觀呈團(tuán)聚式分布，其中海鹽產(chǎn)出為研究區(qū)特色資源，以采鹽場為主的工業(yè)景觀集中分布在研究區(qū)東部且形狀較為規(guī)則（圖2）。居住景觀和荒漠景觀的LPI不大，但AREA-MN卻是最多，分別為5.09和8.51 hm2，說明居住景觀和荒漠景觀內(nèi)部破碎程度高，人為干擾現(xiàn)象嚴(yán)重。居住景觀主要分布在研究區(qū)中部，在研究區(qū)邊緣地區(qū)也散布著居住斑塊，但斑塊類型分布均勻有序、形狀規(guī)則。荒漠景觀主要是以鹽堿地為主的景觀特征，荒漠景觀主要分布在研究區(qū)中部和東南部，形狀不規(guī)則，景觀內(nèi)部支離破碎，是整個研究區(qū)整治和改造的重點部分。在其他景觀方面，陸地景觀和交通運輸景觀所占面積較少；陸地景觀中以草地林地為主的綠化帶在整個研究區(qū)分布較少，交通運輸景觀中交通用地交錯縱橫，聚集程度較低。沿岸淺海景觀的AREA-MN最大，達(dá)2 482.95 hm2，這與集中在海岸帶一側(cè)斑塊聚集程度較高有關(guān)。

45卷16期王 永等基于GIS與景觀指數(shù)的黃驊市景觀格局分析

2.3景觀形狀及邊緣特征的景觀格局

LSI是通過計算某一斑塊類型的形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量斑塊形狀復(fù)雜程度。因此，可通過LSI指數(shù)反映黃驊市某一景觀類型整體的空間展布特征。由表3可知，LSI由大到小依次為交通運輸、荒漠、農(nóng)業(yè)、水域、居住、陸地、工業(yè)及沿岸淺海景觀。交通運輸景觀和荒漠景觀的LSI分別為97.95和87.76。從數(shù)值上看，交通運輸景觀和荒漠景觀在研究區(qū)的空間展布不均衡。交通運輸景觀的屬性是長條形、交錯縱橫的，荒漠景觀是內(nèi)部散碎地分布在整個研究區(qū)，2個景觀類型偏離正方形的程度都很大。農(nóng)業(yè)景觀、水域景觀和居住景觀的LSI分別為70.60、61.47和52.28。一般來說，景觀類型面積越大，則LSI指數(shù)的數(shù)值越高，研究區(qū)農(nóng)業(yè)景觀面積最大，景觀內(nèi)部破碎程度較高，但內(nèi)陸地區(qū)的連通性較好，因此LSI指數(shù)不是最高。水域景觀中由于水庫水面等面積大、聚集程度較高的土地類型的存在也使LSI指數(shù)較低。由于居住景觀主要分布在市中心及其周邊地帶，雖然部分斑塊散碎分布在研究區(qū)周邊地帶，但所占面積較小，因此LSI指數(shù)較小。陸地景觀、工業(yè)景觀占景觀面積不大且呈團(tuán)聚式分布， LSI指數(shù)較低，由于沿岸淺海景觀只分布于海岸一側(cè)，形狀面積最接近相同類型的正方形，LSI指數(shù)最低，為3.62。研究區(qū)的LSI指數(shù)分布見圖4a。

面積加權(quán)的分形維數(shù)CFRAC-AM是描述斑塊類型的形狀指標(biāo)，與LSI側(cè)重于面積對比不同的是FRAC從斑塊類型的整體形狀上進(jìn)行對比。交通運輸景觀和水域景觀的FRAC-AM，由長條分布的交通道路和蔓延曲折形狀的河流水面使FRAC-AM分別為1.43和1.31。其他景觀中，按FRAC-AM越簡單，人為干擾程度就越大的理論，人為干擾程度由強(qiáng)到低分別為工業(yè)、居住、沿岸淺海、陸地、荒漠、農(nóng)業(yè)景觀類型，除沿岸淺海景觀外，人工干擾強(qiáng)度次序基本符合實際。沿岸淺海景觀在海岸線一側(cè)形狀規(guī)則，遙感解譯時人為因素較大，所以FRAC-AM較高。陸地景觀面積最小，但FRAC-AM較高，說明FRAC-AM在描述非優(yōu)勢種等異質(zhì)性方面較為突出。

2.4景觀聚集度的景觀格局

AI是基于同一類景觀斑塊間公共邊界長度來計算，當(dāng)同一類景觀斑塊像元間不存在公共邊界時，該類的聚集程度最低；而當(dāng)同一景觀類型中所有像元值存在的公共邊界達(dá)到最大值時，具有最大的聚集指數(shù)。研究區(qū)各景觀AI均較高（表3），由高到低依次為沿岸淺海、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水域、居住、荒漠、陸地、交通運輸景觀；沿岸淺海景觀由于其天然屬性，AI最高，達(dá)99.57%，一方面說明干擾程度較小，另一方面沿岸淺海景觀聚集連通程度遠(yuǎn)高于其他景觀類型。由于工業(yè)景觀是單一的采鹽場，大部分采鹽場的集中分布是AI較高的原因。也說明黃驊市作為海鹽生產(chǎn)基地之一，大面積海鹽集中生產(chǎn)有利于管理和運作。農(nóng)業(yè)景觀由于大范圍的分布與市中心及內(nèi)陸地區(qū)，是整個研究區(qū)的景觀基質(zhì)，在景觀內(nèi)部被其他景觀類型填充，因此AI僅次于沿岸淺海景觀和工業(yè)景觀，為95.53%。水域景觀、居住景觀、荒漠景觀、陸地景觀的AI分別是93.81%、93.11%、90.94%及86.24%，說明各景觀類型中主體斑塊聚集程度較高，但仍有大量散碎的斑塊類型分布在研究區(qū)各處，如居住景觀、荒漠景觀和陸地景觀的散碎性，同時也使這3類景觀的聚集度低于其他聚集程度較高的幾類。交通運輸景觀根據(jù)其自身屬性AI為 73.79%，通過參考對比交通運輸景觀的聚集度，同樣可以得到其他幾類景觀類型的聚集度和散碎程度。景觀水平的AI達(dá)到88.15%，說明在景觀整體水平具有較高的聚集程度和連貫性。

2.5景觀多樣性及蔓延度的景觀格局

SHDI指數(shù)在景觀級別上等于各斑塊類型的面積比乘以其值的自然對數(shù)之后的和的負(fù)值。當(dāng)SHDI為0時，表明整個景觀僅由一個斑塊組成，無多樣性；SHEI等于1.00，表明各斑塊類型均勻分布，有最大多樣性；SHDI增大，說明斑塊類型增加或斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢。該研究表明，研究區(qū)SHDI為1.70，通過對比其他研究的SHDI，如曹瑞娜等[2]基于多流域計算出的SHDI分布圖及其地類分析以及曹偉等[7]基于宜興市每個城鎮(zhèn)的SHDI計算統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)的SHDI略大于基于多流域計算的最大值（1.60），屬于景觀類型豐富，斑塊均勻程度較為平衡。說明黃驊市土地利用類型豐富，斑塊類型復(fù)雜多樣，景觀破碎化程度較高，多樣性顯著以及景觀異質(zhì)性不明顯。SHEI是指除以給定景觀豐度下的最大可能多樣性。研究區(qū)的SHEI數(shù)值為0.82，數(shù)值較高，表明黃驊市各土地利用類型均勻分布，斑塊破碎化程度較為突出，同時也說明黃驊市不存在優(yōu)勢度非常明顯的景觀類型。

CONTAG是表征景觀格局重要的指數(shù)之一，通過景觀中斑塊的團(tuán)聚程度和延展趨勢描述景觀格局的蔓延度。由表4可知，研究區(qū)的CONTAG為52.02%，表明研究區(qū)無某種優(yōu)勢的景觀類型在整個研究范圍形成較好的連通性，即使農(nóng)業(yè)景觀也只是在研究區(qū)內(nèi)陸形成較好的連通性。研究區(qū)中的景觀類型是以多種斑塊類型互相嵌套的密集格局，同時也說明研究區(qū)破碎化程度較高。

3結(jié)論與討論

（1）黃驊市的景觀格局構(gòu)成按照比例從大到小依次為農(nóng)業(yè)景觀、水域景觀、荒漠景觀、工業(yè)景觀、居住景觀、沿岸淺海景觀、交通運輸景觀及陸地景觀，總面積達(dá)2 411.6 km2。農(nóng)業(yè)、水域、荒漠景觀構(gòu)成黃驊市景觀格局的主體特征，占總面積的71.00%以上。農(nóng)業(yè)景觀在黃驊市內(nèi)陸地區(qū)呈大面積、多斑塊、高聚集度的分布，占研究區(qū)總面積的40.28%，成為黃驊市的景觀基質(zhì)。以水庫水面和坑塘水面為主的水域景觀集中分布在黃驊市東北部，斑塊連通性較好，斑塊破碎程度較低。以鹽堿地為主的荒漠景觀是黃驊市需要大力整治的一類景觀類型，大量存在于黃驊市中南部，面積大，破碎程度高，屬黃驊市重點治理土類。工業(yè)景觀人工干擾強(qiáng)烈，呈團(tuán)塊式分布。居住景觀分布較廣，斑塊數(shù)量最多，聚集程度較低，形狀規(guī)則。以城市綠化為主的陸地景觀整體面積較少，散碎分布，人為干擾程度強(qiáng)烈。

（2）從景觀格局整體來看，研究區(qū)PR為8，具有較高的景觀聚集性和均勻度，景觀種類豐富，蔓延度一般。但荒漠景觀突出，分布較為散亂，影響黃驊市的發(fā)展進(jìn)程。農(nóng)業(yè)景觀內(nèi)部破碎也較為嚴(yán)重，邊緣特征復(fù)雜，陸地景觀面積較少，有必要加強(qiáng)城市綠化建設(shè)。

（3）黃驊市景觀格局比較清晰，下一步可以通過對比黃驊市10年之內(nèi)景觀格局的動態(tài)演變，提出黃驊市景觀格局的演變方向及其優(yōu)缺點，為黃驊市更好的土地資源管理以及土地整治提供更好的建議意見。

參考文獻(xiàn)

[1]

陳利頂，孫然好，劉海蓮.城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2013，33（4）：1042-1050.

[2] 曹瑞娜，齊偉，李樂，等.基于流域的山區(qū)景觀格局分析和分區(qū)研究：以山東省棲霞市為例[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，22（7）：859-865.

[3] 劉飛，謝雙喜，謝鵬，等.貴州習(xí)水縣土地利用景觀格局特征分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，21（12）：84-88.

[4] 寧雅楠，李貝，楊偉州，等.基于主成分分析法的土地利用景觀分區(qū)研究：以青龍滿族自治縣為例[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2016，37（2）：22-28.

[5] 何鵬，張會儒.常用景觀指數(shù)的因子分析和篩選方法研究[J].林業(yè)科學(xué)研究，2009，22（4）：470-474.

[6] 彭建，王仰麟，張源，等.土地利用分類對景觀格局指數(shù)的影響[J].地理學(xué)報，2006，61（2）：157-168.

[7] 曹偉，周生路，吳紹華，等.基于粗糙集與突變級數(shù)法的土地利用景觀分區(qū)研究[J].地理科學(xué)，2011，31（4）：421-426.

[8] 李秀珍，布仁倉，常禹，等.景觀格局指標(biāo)對不同景觀格局的反應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報，2004，24（1）：123-134.