基于GIS的昆明市呈貢區(qū)景觀格局分析

朱沾斌，趙俊三

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

利用遙感圖像的空間特征、光譜特性和時(shí)間特性研究城市景觀過(guò)程，揭示其生態(tài)狀況及變化規(guī)律，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展景觀格局研究的新趨勢(shì)。遙感技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、周期性、宏觀性和實(shí)時(shí)獲取資源環(huán)境狀況及其變化數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)又具有多種數(shù)據(jù)的綜合處理分析能力[1-4]。本研究綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)(RS)等手段，基于ArcGIS 10.1平臺(tái)、ENVI 5.1軟件、FRAGSTATS 4.2軟件，對(duì)昆明市呈貢區(qū)1996、2001、2007和2011年的景觀格局進(jìn)行分析，旨在為昆明市呈貢區(qū)的景觀生態(tài)規(guī)劃與生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呈貢區(qū)素有“花鄉(xiāng)”“果鄉(xiāng)”“菜鄉(xiāng)”“魚(yú)米之鄉(xiāng)”“礦泉水之鄉(xiāng)”等諸多美譽(yù)，位于滇池東岸，為昆明市政府駐地，位于102°45′～103 °00′E、24°42′～25°00′N，北鄰昆明市官渡區(qū)，南接玉溪市澄江縣、昆明市晉寧縣，西鄰滇池、昆明市西山區(qū)，東接昆明市宜良縣。呈貢區(qū)屬低緯度高原平壩地區(qū)，地勢(shì)東高西低，海拔1 900～2 000 m。呈貢區(qū)總面積510.38 km2，總?cè)丝?9.40萬(wàn)，下轄10個(gè)街道辦事處，65個(gè)社區(qū)居委會(huì)，155個(gè)自然村，主要生活有漢族、彝族、白族、哈尼族。

1.2 研究資料

采用研究區(qū)1996年1月、2001年4月、2007年4月和2011年2月的4期Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。條代號(hào)均為129，行編號(hào)均為43，云量分別為0.03、0.07、0.04和0.08，影像質(zhì)量非常好，可滿足應(yīng)用需求。

1.3 遙感圖像預(yù)處理

利用ENVI 5.1處理Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)。首先對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正，然后對(duì)校正后的遙感影像進(jìn)行拼接和鑲嵌，坐標(biāo)系為WGS84，用呈貢區(qū)邊界矢量圖進(jìn)行裁剪，獲得研究區(qū)域4個(gè)時(shí)期Landsat TM遙感影像圖。

1.4 景觀遙感分類及提取

參照云南省呈貢區(qū)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查分類標(biāo)準(zhǔn)以及研究區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)土地覆被劃分為5類：水域，種植土地，林草覆蓋，建設(shè)用地，其他用地。在ArcGIS 10.1和FRAGSTATS 4.2的支持下，分別計(jì)算呈貢區(qū)4期遙感影像的土地利用景觀指數(shù)，分析土地利用變化的基本格局特征和演變規(guī)律。開(kāi)展獨(dú)立主成分分析，從分析結(jié)果中提取感興趣區(qū)，建立訓(xùn)練樣本(樣本的分離度結(jié)果值均在0.9以上)，利用樣本數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)分類，并在分類過(guò)程中導(dǎo)入1∶10 000數(shù)字高程模型以提高精度。利用研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀、土地利用變更數(shù)據(jù)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，總體精度達(dá)到90%，滿足本研究要求[4]。

1.5 景觀格局指數(shù)分析

景觀指數(shù)是反映景觀結(jié)構(gòu)格局的定量化指標(biāo)，常用以描述經(jīng)過(guò)該格局的時(shí)空變換及其與生態(tài)過(guò)程之間的聯(lián)系[5]。針對(duì)研究區(qū)景觀格局和斑塊類型的特征，選取斑塊數(shù)(NP)、散布與并列指數(shù)(IJI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、斑塊類型面積百分比(PLAND)、周長(zhǎng)面積分形維數(shù)(PAFRAC)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、形狀指數(shù)(LSI)、多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)和集聚度(AI)等指標(biāo)[6]進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀類型分布及其動(dòng)態(tài)變化

1996、2001、2007和2011年研究區(qū)景觀覆蓋類型分布如圖1所示。可以看出，其他用地和林草覆蓋是呈貢區(qū)1996—2011年的主要景觀類型(表1)。林草覆蓋面積在1996—2011年呈現(xiàn)先緩慢減少后迅速增加的趨勢(shì)，1996年林草覆蓋面積最大，達(dá)183.63 km2，2007年林草覆蓋面積最小，僅116.85 km2，至2011年研究區(qū)林草覆蓋面積又恢復(fù)至164.09 km2，這可能和當(dāng)?shù)卣雠_(tái)政策加強(qiáng)植被保護(hù)相關(guān)。其他用地面積在1996—2011年先略有增加后又減少，總面積由研究初期的143.79 km2減少到研究末期的130.74 km2。水域面積在1996—2011年緩慢平穩(wěn)減少，尤其是在2001—2011年保持相對(duì)穩(wěn)定。種植土地在1996—2011年呈現(xiàn)先緩慢增加后迅速減少的趨勢(shì)，其中，2007年種植土地面積最大，達(dá)82.72 km2，但到2011年研究區(qū)種植土地面積銳減至28.93 km2，可能與當(dāng)?shù)乜焖俚某鞘谢l(fā)展建設(shè)用地?cái)U(kuò)張有關(guān)。建設(shè)用地在1996—2011年呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)，建設(shè)用地面積由研究初期(1996年)的40.41 km2迅速增加到研究末期(2011年)的116.29 km2。這與呈貢區(qū)大規(guī)模的城市建設(shè)和9所高校進(jìn)駐，及許多原來(lái)非建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌善慕ㄔO(shè)用地等有關(guān)。

表1 1996—2011年呈貢區(qū)各景觀類型面積分布 km2

2.2 景觀指數(shù)變化

如表2所示，1996—2011年呈貢區(qū)景觀水平格局指數(shù)發(fā)生明顯變化。NP和PD能夠反映景觀的破碎化程度，這2項(xiàng)指數(shù)在1996—2011年均遞減。這主要是因?yàn)?996—2011年，呈貢區(qū)開(kāi)展了大規(guī)模的新城市建設(shè)，加之9所高等院校進(jìn)駐，許多原來(lái)破碎的非建設(shè)用地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)槌善慕ㄔO(shè)用地，綠化生態(tài)用地等也連成一片，使得研究區(qū)斑塊數(shù)目減少，相應(yīng)斑塊密度也減少。SHDI和SHEI在1996—2007年緩慢上升，說(shuō)明景觀空間呈現(xiàn)不斷向多元化均衡方向發(fā)展，但之后呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，表明原優(yōu)勢(shì)組分對(duì)景觀的控制作用減弱。LPI先下降后增加，說(shuō)明景觀中的優(yōu)勢(shì)種、內(nèi)部中的豐富度先下降后上升。PAFRAC變化平緩，說(shuō)明景觀斑塊類型的復(fù)雜度和穩(wěn)定性比較好。AI在1996—2011年表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明景觀聚集程度加大。

表2 研究區(qū)的景觀指數(shù)

水域。1996—2007年斑塊數(shù)由896個(gè)下降到336個(gè)(表3)，破碎度減小，散布與并列指數(shù)增加，斑塊復(fù)雜性和穩(wěn)定性較平穩(wěn)。2007—2011年，斑塊數(shù)增加179個(gè)，平均斑塊面積由9.97 km2增加到13.66 km2，破碎度下降，表明水體的破碎化程度減少。

種植土地。研究期間，種植土地的PLAND、LPI和平均斑塊面積變化劇烈，PLAND從研究初期的10.80%下降到研究末期的5.67%，LPI由2.87下降到0.51，平均斑塊面積則由4.87 km2減少到2.47 km2，但平均形狀指數(shù)和IJI變化相對(duì)穩(wěn)定(表3)，說(shuō)明景觀級(jí)別上各個(gè)拼塊類型間的總體散布與并列狀況穩(wěn)定。從種植土地斑塊數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看，可以分為3個(gè)階段：1996—2001年，斑塊數(shù)減少；2001—2007年，斑塊數(shù)快速增加；2007—2011年，斑塊數(shù)減少。

圖1 呈貢區(qū)土地利用景觀覆蓋類型分布

類型年份NPPLAND/%PDLPIED平均斑塊面積/km2平均形狀指數(shù)IJI水域199689617.131.7611.5311.549.761.2159.09200137114.000.7311.373.7219.261.1274.20200733613.550.6611.382.969.971.1092.92201151513.781.0111.424.2613.661.1177.09種植土地1996113310.802.222.8721.304.871.2775.50200193713.611.844.8223.117.411.2879.812007153116.213.002.3831.6520.581.2982.43201111725.672.300.5116.942.471.2575.62林草覆蓋1996159735.983.1319.0858.3811.501.3689.942001160129.473.1416.6345.009.401.3173.252007117222.902.305.2430.4812.561.3069.30201174332.152.1120.1135.6015.251.3266.63建設(shè)用地199615027.922.940.5822.212.691.2684.012001138010.382.700.6226.933.841.3271.102007128115.372.517.8129.775.401.2771.522011107622.781.4618.6630.4215.651.2980.45其他用地1996145428.172.853.3744.729.891.3471.162001147232.542.886.0849.3211.281.3870.412007130031.982.554.0344.736.121.3480.852011168225.623.303.4845.587.771.3571.28

林草覆蓋。研究期間，林草覆蓋斑塊數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，2001年NP最大，達(dá)1 601，至2011年減為743(表3)。1996—2001年，林草覆蓋NP增加，LPI、ED、平均斑塊面積、IJI減少；2001—2011年，NP快速減小，平均斑塊面積增加，而平均形狀指數(shù)趨于平穩(wěn)。

建設(shè)用地。研究期內(nèi)建設(shè)用地斑塊數(shù)減少，但平均斑塊面積快速增加(表3)，說(shuō)明集聚程度總體上升。這主要是由大規(guī)模城市建設(shè)引起的。

2.3 城市化與景觀格局的關(guān)系

不同的景觀類型在城市地域的不同組合，形成空間配置相異的城市景觀鑲嵌體，體現(xiàn)了城市不同的發(fā)展形態(tài)和階段[7]。在城市化進(jìn)程的不同階段，景觀格局也有所不同。一般地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快推動(dòng)了城市化進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的階段越高，城市建設(shè)投資額也越充足，相應(yīng)地，會(huì)促進(jìn)城市空間的加速擴(kuò)展和人口的集聚，而人口的集聚也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)城市化需求的增加[8-10]。鑒于現(xiàn)階段我國(guó)的城市化主要以城區(qū)擴(kuò)張為主，因此，本研究選擇建設(shè)用地的平均斑塊面積來(lái)表示城市擴(kuò)展特點(diǎn)，選取人口數(shù)量和GDP來(lái)反映城市化水平，分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，GDP、人口數(shù)量都與建設(shè)用地的平均斑塊面積呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，說(shuō)明呈貢區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)是城市土地利用格局變化的重要?jiǎng)恿Α?/p>

圖2 GDP、人口與建設(shè)用地景觀斑塊面積的相關(guān)性

3 小結(jié)

1996—2011年，呈貢區(qū)的景觀格局發(fā)生了顯著變化，主要是水體、種植土地、其他用地轉(zhuǎn)換成了建設(shè)用地，研究區(qū)整體的最大斑塊指數(shù)、多樣性指數(shù)、聚集度表現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，而斑塊數(shù)呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明景觀的集聚程度增加。景觀生態(tài)建設(shè)是呈貢區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，在今后的發(fā)展中應(yīng)以整體調(diào)節(jié)、局部控制、因地制宜為原則，保護(hù)和增加景觀多樣性和異質(zhì)性，使景觀結(jié)構(gòu)功能交互影響與促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)的全面協(xié)調(diào)。

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