基于“3S”技術(shù)的湖南安仁縣土地利用類型變化分析

徐正剛，張 婉，黃 田，周松林，馬 楠，趙運(yùn)林*

(1．湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2．中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感大數(shù)據(jù)與生態(tài)安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410004)

基于“3S”技術(shù)的湖南安仁縣土地利用類型變化分析

徐正剛1,2，張 婉2，黃 田1，周松林1，馬 楠1，趙運(yùn)林2*

(1．湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2．中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感大數(shù)據(jù)與生態(tài)安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410004)

為更加深入了解城鎮(zhèn)化背景下縣域土地利用類型和景觀格局變化，研究以“3S”技術(shù)為手段，以湖南安仁為案例，分別對2006年和2016年土地利用類型進(jìn)行解譯，分析此期間土地利用類型變化，并分別計(jì)算各年份多種景觀指數(shù)﹒研究結(jié)果表明：林地和耕地一直是安仁縣的主要土地利用類型，研究期間，耕地面積有所增加，林地面積有所減少；建筑物面積有所增減，不同土地利用類型主要向耕地轉(zhuǎn)化；景觀破碎化程度在降低，景觀多樣性增加，斑塊分布更加均勻穩(wěn)定﹒研究認(rèn)為城鎮(zhèn)化進(jìn)程給縣域森林景觀保護(hù)帶來了很大的壓力，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，堅(jiān)持生態(tài)原則，實(shí)施生態(tài)規(guī)劃，對于景觀保護(hù)和景觀格局穩(wěn)定具有重要作用﹒本研究能夠?yàn)榭h域尺度生態(tài)規(guī)劃提供參考，對縣域景觀保護(hù)具有重要意義﹒

縣域；土地利用類型；景觀格局；城鎮(zhèn)化

景觀格局指景觀的空間結(jié)構(gòu)，是土地利用類型在空間上布局、結(jié)構(gòu)的反映，景觀格局與生態(tài)過程密切相關(guān)[1]﹒景觀格局變動是土地利用類型自身發(fā)展和外界驅(qū)動力(特別是人類活動)共同作用的結(jié)果﹒隨著“3S”技術(shù)(遙感技術(shù)，Remote sensing，RS、地理信息系統(tǒng)，Geography information systems，GIS和全球定位系統(tǒng)，Global positioning systems，GPS)的發(fā)展，為景觀格局分析提供了強(qiáng)有力工具，景觀格局變動研究成為景觀生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)內(nèi)容，在各個(gè)領(lǐng)域均發(fā)揮重要的作用﹒對空間范圍內(nèi)單一生態(tài)系統(tǒng)的景觀變動分析是明確該生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展變化規(guī)律的重要手段﹒陳穎穎等對興國縣森林生態(tài)系統(tǒng)及景觀格局進(jìn)行研究，認(rèn)為林業(yè)產(chǎn)權(quán)制度改革及造林綠化工程和自然災(zāi)害是該縣區(qū)森林景觀變化的主要驅(qū)動力[2]﹒同時(shí)，對空間范圍內(nèi)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的景觀變動分析，對于了解生態(tài)系統(tǒng)的健康水平具有重要意義[3]﹒景觀格局變動的驅(qū)動力分析，能夠?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)等人類開發(fā)活動提供有益參考[4]﹒

縣域是基于縣級行政區(qū)的空間單位，包括該行政區(qū)人口、資源、環(huán)境等一系列要素﹒由于縣域是我國具備完整經(jīng)濟(jì)統(tǒng)籌能力的基層單位，因此基于縣域空間的相關(guān)研究一直是相關(guān)研究的重點(diǎn)[5]﹒當(dāng)前關(guān)于縣域景觀格局的研究，一般均將整個(gè)縣域作為一個(gè)整體，而往往忽視了縣域內(nèi)城鄉(xiāng)差異 ，從而導(dǎo)致相關(guān)驅(qū)動力分析有失偏頗﹒為更加細(xì)致地刻畫縣域景觀格局變化，本研究對縣域景觀格局變動進(jìn)行分析，更加精確地區(qū)分不同驅(qū)動力對縣域的作用﹒本研究對于深入了解縣域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，為更加科學(xué)合理的進(jìn)行城鄉(xiāng)規(guī)劃提供參考﹒

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置圖

安仁縣 (113°05′E ～ 113°36′E ， 26°17′N ～26°50′N)位于湖南省東南部(見圖 1)，是郴州市的“北大門”，湘江一級支流洣水的中下游，與周邊八縣市毗鄰，有“八縣通衢”之稱﹒安仁縣處于羅霄山脈中段，其整體地勢自東南向西北傾斜，屬半山半丘陵區(qū)，形成“三山夾兩盆”的地貌格局，地貌形態(tài)表現(xiàn)出山地、丘陵、平原和崗地比例大體相近的格局﹒安仁縣屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，日照強(qiáng)，熱量豐富，濕度大，雨量充沛，降水集中，水熱同季，且冬夏長而春秋短，四季氣候分明﹒安仁縣河流屬湘江流域洣水水系，水系發(fā)達(dá)，大小支流共99條﹒安仁縣屬中亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，主要植被由殼斗科、木蘭科、樟科、杜英科等樹種所組成﹒經(jīng)歷常年人為活動，自然條件的變遷，逐步演替為零落的常綠闊葉混交林和馬尾松、油茶、杉木、櫧栲類為主的針、闊葉林和灌木、草本等天然植被和人工植被﹒

安仁縣是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大縣，經(jīng)濟(jì)較為落后﹒2011年發(fā)改委正式批復(fù)湖南省設(shè)立湘南承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)，安仁縣抓住發(fā)展機(jī)遇，創(chuàng)建了安仁縣工業(yè)集中區(qū)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化﹒2014年，安仁縣獲評“全國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展示范縣”榮譽(yù)稱號，經(jīng)濟(jì)逐漸步入了快速發(fā)展的軌道﹒2013年安仁縣城市化率為38.44%，進(jìn)入諾瑟姆曲線認(rèn)為的城市快速發(fā)展時(shí)期，在快速城鎮(zhèn)化的過程中，安仁土地利用類型亦發(fā)生了巨大的變化﹒

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用類型

首先對安仁縣土地利用類型進(jìn)行普查，確定該縣域內(nèi)主要土地利用類型﹒依據(jù)研究需要，將安仁縣土地利用類型定義為建筑物、耕地、石漠化區(qū)、林地、水體5類﹒在該縣北部區(qū)域存在連片的喀斯特地貌，為石漠化區(qū)﹒

由于夏季農(nóng)作物種類豐富，不利于區(qū)分，因此研究選取了2006年、2016年Landsat系列衛(wèi)星冬季遙感影像對安仁縣土地利用類型進(jìn)行遙感分類﹒2006年遙感影像時(shí)間為2006年12月份TM影像，2016年遙感影像時(shí)間為2016年3月OLI影像，遙感影像條代號為123行42列和123行41列﹒對遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射校正、大氣校正、拼接、裁剪等預(yù)處理﹒幾何校正使用安仁縣2010年0.5 m分辨率航拍影像為校正影像，選取河流轉(zhuǎn)折點(diǎn)、道路交叉點(diǎn)、山頂?shù)鹊湫偷匚镒鳛闃颖军c(diǎn)，進(jìn)行幾何校正﹒經(jīng)過一系列預(yù)處理后，計(jì)算該區(qū)域 NDVI值[7]，同時(shí)下載該區(qū)域高程數(shù)據(jù)，并將 NDVI、高程與經(jīng)預(yù)處理的遙感影像進(jìn)行波段組合，得到用于土地利用類型分類的多波段遙感影像﹒遙感影像和高程數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)﹒

計(jì)算遙感影像波段最佳指數(shù)(OIF)，采用波段6、5、7的RGB假彩色合成﹒研究對照遙感影像和實(shí)地踏查樣點(diǎn)，研究確定不同土地利用類型的遙感影像色彩和紋理特征﹒利用目視解譯確定不同土地利用類型的感興趣區(qū)，確保不同土地利用類型樣本分離度大于1.90﹒研究同時(shí)使用第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)對感興趣區(qū)樣本進(jìn)行核對﹒研究采用支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)的方法對遙感影像進(jìn)行分類，并對分類后的遙感影像進(jìn)行聚類處理等后處理﹒研究統(tǒng)計(jì)各年份不同土地利用類型的面積及比例和土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣及變化情況﹒

1.2.2 景觀指數(shù)

景觀指數(shù)是度量景觀格局和生態(tài)過程的定量指標(biāo)[8]﹒為更加細(xì)致地刻畫不同時(shí)間景觀格局變化，研究計(jì)算各年份景觀指數(shù)﹒計(jì)算的景觀指數(shù)主要包括斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、總邊緣長度(TE)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長面積分維數(shù)(PAFRAC)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均一度指數(shù)(SHEI)、斑塊聚合度(AI)，各景觀指數(shù)計(jì)算公式及含義參見文獻(xiàn)[5]﹒

研究的遙感分類在 ENVI 5.0軟件環(huán)境中完成，不同土地利用類型及轉(zhuǎn)移矩陣及相關(guān)作圖利用Arcgis 10.1完成，景觀指數(shù)計(jì)算利用Fragststs 4.2完成﹒

2 結(jié)果與分析

2.1 安仁縣土地利用類型

耕地和林地是安仁主要的土地利用類型，其所占面積比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種土地利用類型，呈現(xiàn)顯著的“三山夾兩盆”的格局(見圖 2)﹒2006年到2016年間，石漠化區(qū)域和水體分布及面積較為穩(wěn)定，建筑物、耕地、林地變化較為顯著(見圖3)﹒建筑物和耕地在此期間面積增加明顯，建筑物由2006年的1.52%增加到2016年的4.80%，耕地由 39.34%增加到 46.00%，而林地面積減小顯著，由57.57%減少到47.31%，減少了10.00%左右﹒

圖2 安仁縣土地利用類型分布

圖3 2006～2016年間安仁縣不同土地利用類型所占比例變化

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

統(tǒng)計(jì)安仁縣2006年到2016年間發(fā)生土地利用類型的空間分布，發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域分布整個(gè)縣域，主要集中在耕地和林地區(qū)域(見圖 4)﹒分析2006～2016年間不同土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，石漠化區(qū)域是保留率最低的土地利用類型，保留率僅為6.91%，而其他4種土地利用類型保留率均較高，建筑物保留率為54.70%，耕地、林地、水體保留率均超過 70.00%(見表 1)﹒建筑物、石漠化區(qū)域、林地、水體均主要是向耕地轉(zhuǎn)化，其中58.18%的石漠化區(qū)轉(zhuǎn)化為耕地﹒耕地主要向林地和建筑物轉(zhuǎn)移，比例分別為15.49%、8.65%﹒水體也主要向耕地和建筑物轉(zhuǎn)化﹒

圖4 2006-2016年間安仁縣土地利用類型變化分布

表1 2006-2016年間不同土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

表2 2006-2016年間安仁景觀指數(shù)

2.3 景觀指數(shù)變化

研究選取的景觀指數(shù)(見表 2)能定量描述研究期間安仁縣不同土地利用類型的景觀破碎化程度和復(fù)雜化程度﹒2006年到2016年期間，斑塊數(shù)(NP)、總邊緣長度(TE)減少，而最大斑塊指數(shù)(LPI)增加，說明在此期間景觀斑塊以自身為中心在“生長”，景觀破碎化程度降低﹒景觀形狀指數(shù)(LSI)和周長面積分維數(shù)(PAFRAC)降低，說明斑塊形狀復(fù)雜度降低，斑塊形狀日趨規(guī)則﹒香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均一度指數(shù)(SHEI)、斑塊聚合度(AI)均增加，說明2016年各斑塊在縣域的分布較2006年更加均勻﹒

3 結(jié)論

2006年到2016年間，是安仁縣城鎮(zhèn)化進(jìn)程急速推進(jìn)的過程，城鎮(zhèn)化率由 28.90%提升到38.44%﹒安仁土地利用類型面積與分布變化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程密切相關(guān)﹒與城鎮(zhèn)化率的提高相適應(yīng)，建筑物面積顯著增加，且耕地、水體被侵占﹒安仁縣是農(nóng)業(yè)大縣，農(nóng)業(yè)是該縣的支柱產(chǎn)業(yè)[9]﹒研究期間，耕地面積不斷增加，為該縣城鎮(zhèn)化提供了經(jīng)濟(jì)支撐﹒林地是該縣域面積最大的土地利用類型，且安仁縣有較好的旅游資源[10]，進(jìn)行森林資源保護(hù)，大力發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)是發(fā)展該縣經(jīng)濟(jì)的重要方面[11-12]，但是在近10年的快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，森林保護(hù)承受了巨大的壓力﹒

在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，如何確保土地利用類型與城鎮(zhèn)化要求相適應(yīng)，又有力保護(hù)自然資源，是制定城鎮(zhèn)化策略的重要出發(fā)點(diǎn)﹒政策的制定與實(shí)施對控制縣域土地利用類型變化密切相關(guān)﹒在很多縣域土地利用變化的研究中，很多文獻(xiàn)認(rèn)為在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，景觀類型會日趨破碎化，景觀格局會日趨不穩(wěn)定[6,13]﹒安仁縣在城鎮(zhèn)化進(jìn)程過程中，堅(jiān)持先規(guī)劃，后建設(shè)，而且規(guī)劃過程中堅(jiān)持生態(tài)原則[14-15]﹒同時(shí)，該縣采取了“就近城鎮(zhèn)化”的原則﹒上述措施，使得安仁縣在城鎮(zhèn)化過程中，景觀破碎化程度降低，且不同土地利用類型的景觀格局更加均勻，取得了良好的生態(tài)效果﹒

[1]徐延達(dá), 傅伯杰, 呂一河. 基于模型的景觀格局與生態(tài)過程研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(1): 212-220.

[2]陳穎穎, 王熙錢, 易祖濱, 等. 興國縣森林景觀格局變化分析[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(3): 82-86.

[3]何銳, 趙運(yùn)林, 徐正剛, 等. 1989-2013年西洞庭湖土地類型及水禽棲息地變動研究[J]. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(4):115-120.

[4]張溶, 孫浩添, 胡瑩. 基于景觀生態(tài)學(xué)方法的開發(fā)區(qū)建設(shè)生態(tài)影響分析[J]. 中國資源綜合利用, 2016(11): 49-52.

[5]FAN Q, DING S. Landscape pattern changes at a county scale: A case study in Fengqiu, Henan Province, China from 1990 to 2013[J]. Catena, 2016, 137: 152-160.

[6]彭志杰. 大名縣土地利用類型及景觀格局動態(tài)變化的研究[D].石家莊: 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[7]NOURI H, ANDERSON S, SUTTON P, et al. NDVI, scale invariance and the modifiable areal unit problem: An assessment of vegetation in the Adelaide Parklands[J]. Science of the Total Environment, 2017, S584–585: 11-18.

[8]鄭建蕊, 蔣衛(wèi)國, 周廷剛, 等. 洞庭湖區(qū)濕地景觀指數(shù)選取與格局分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2010, 19(3): 305-310.

[9]陳岸. 安仁縣土地利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)研究[D]. 長沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2006.

[10]湯娌娜. 湖南省安仁縣旅游扶貧開發(fā)研究[D]. 長沙: 湖南師范大學(xué), 2013.

[11]陳小林. 湖南安仁縣森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和碳貯量研究[D].長沙: 中南林業(yè)科技大學(xué), 2016.

[12]陳小林, 閆文德, 梁小翠, 等. 湖南安仁縣典型森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和碳貯量[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2017(1):94-98.

[13]張合兵, 王世東. 典型生態(tài)縣域土地利用時(shí)空與景觀格局變化[J]. 水土保持研究, 2015(02): 246-252.

[14]陳建峰. 3S技術(shù)支持下的安仁縣復(fù)合生態(tài)空間規(guī)劃研究[D].長沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2015.

[15]周松林. 3S技術(shù)支持下的安仁縣復(fù)合生態(tài)空間優(yōu)化布局研究[C]. 貴陽: 2015中國城市規(guī)劃年會, 2015: 14.

(責(zé)任編校：陳健瓊)

Analysis on Land Use Change of Anren County in Hunan Province Based on"3S" Technology

XU Zheng-gang1,2, ZHANG Wan2, HUANG Tian1, ZHOU Song-lin1, MA Nan1, ZHAO Yun-lin2*
(1. Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. Key Laboratory of Forestry Remote Sensing Based Big Data & Ecological Security for Hunan Province, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, Hunan 410004, China)

In order to understand the changes of land use and landscape patterns in the county scale under the background of urbanization, this research takes Anren, Hunan Province as an example to analyze the land use types in 2006 and 2016 respectively based on "3S" technology. Transfer matrix of land use and landscape index were calculated for each year. The results showed that forest land and cultivated land had been the main land use types of Anren County. The area of cultivated land increased and the area of forest land decreased during the study period. The area of the building increased, and the land use types were mainly converted to cultivated land during study period. The result also showed that fragmentation of Anren County was reduced, the diversity of landscape was increased and the patch distribution was more uniform and stable from 2006 to 2016. The study suggests that the process of urbanization has brought great pressure to the county forest landscape protection. In the process of urbanization, it is important to adhere to ecological principles and implement ecological planning, which is important for landscape protection and landscape pattern stabilization. The study can provide reference for the county scale ecological planning, which is of great significance to the county landscape protection.

county scale; land use and cover; landscape patterns; urbanization process

TU982；P95

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0009

1672–7304(2017)03–0039–05

2017-04-23

國家國際科技合作專項(xiàng)(2015DFA90450)；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016TP1014)；益陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014JZ07)

徐正剛(1986-)，男，湖北英山人，博士生，講師，主要從事生態(tài)安全研究﹒Email: rssq198677@163.com﹒＊通訊作者簡介：趙運(yùn)林(1959-)，男，湖南衡山人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)學(xué)研究﹒Email: zyl8291290@163.com．