基于RS和GIS的東錢湖鎮(zhèn)土地利用景觀格局變化分析

魏 悅 ，陳文君

(1.寧波海洋研究院，浙江 寧波 315000；2.寧波市天一測(cè)繪設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 寧波 315000)

分析土地利用變化過程、特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)因素，了解土地利用的作用機(jī)制與形成原因，可以使人類明確土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，重新審視自己的行為，合理開發(fā)自然環(huán)境，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，保持自然資源的可持續(xù)利用[1]。

本文的研究區(qū)域是位于寧波市鄞州區(qū)的東錢湖鎮(zhèn)，鎮(zhèn)內(nèi)有被郭沫若先生譽(yù)為“西子風(fēng)韻、太湖氣魄”的東錢湖，即浙江省第一大淡水湖泊、省級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)。東錢湖鎮(zhèn)有著濃厚的文化底蘊(yùn)、優(yōu)越的地理位置、優(yōu)美的自然環(huán)境、豐富的物資資源，在寧波市的旅游、文化、經(jīng)濟(jì)等方面都有著極其重要的地位。因此，對(duì)東錢湖鎮(zhèn)的土地利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行宏觀的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。本文以RS(Remote Sensing，遙感)和GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))作為技術(shù)支撐對(duì)東錢湖鎮(zhèn)的土地利用景觀格局做動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)和定量的分析，以期為本區(qū)的土地利用景觀格局規(guī)劃以及土地資源的可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究涉及四景遙感數(shù)據(jù)(1987年5月TM數(shù)據(jù)一景、2000年6月TM數(shù)據(jù)一景、2009年7月TM數(shù)據(jù)一景、2017年4月ETM數(shù)據(jù)一景)，數(shù)據(jù)影像色彩豐富、無(wú)陰影、無(wú)云、無(wú)積雪覆蓋、地物分界明顯，圖像質(zhì)量良好，便于解譯。

1.2 土地利用遙感解譯分類

RS的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了國(guó)土資源的一體化監(jiān)管體制。近年來(lái)，遙感在監(jiān)測(cè)土地利用動(dòng)態(tài)變化方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。針對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)相的遙感影像進(jìn)行分類、分析等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)的土地利用、土地覆蓋等演變過程及規(guī)律的解釋、預(yù)報(bào)和調(diào)控[2]。本研究的影像處理主要分為兩個(gè)步驟，即數(shù)據(jù)預(yù)處理和影像分類。

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 由于天氣、傳感器以及地形等原因引起的影像扭曲、變形、模糊等都對(duì)研究產(chǎn)生不利影響，所以需對(duì)原始影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正等一系列工作，以消除圖像中的不利因素，恢復(fù)圖像的真實(shí)地物信息,處理后的東錢湖鎮(zhèn)影像如圖1所示。

圖1 預(yù)處理后四期影像

1.2.2 監(jiān)督分類 本文選擇監(jiān)督分類方法進(jìn)行影像的解譯，監(jiān)督分類按兩個(gè)步驟進(jìn)行，首先提取訓(xùn)練樣本，提取訓(xùn)練樣本的前提是確定研究區(qū)土地利用分類體系。本文根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)和國(guó)土資源部關(guān)于印發(fā)試行《土地分類》的通知，結(jié)合已收集的研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮數(shù)據(jù)的分辨率等情況，將本研究區(qū)土地利用分為農(nóng)用地、林地、建設(shè)用地、水域及水利設(shè)施用地等類型。

選擇合適的分類算法是監(jiān)督分類的第二個(gè)步驟。本文選擇支持向量機(jī)分類方法進(jìn)行監(jiān)督分類[3]。支持向量機(jī)算法具有收斂性高、分類精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文監(jiān)督分類工作在ENVI4.8的Support Vector Machine模塊下進(jìn)行，最后對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行總體分類精度和KAPPA分析評(píng)定。四期影像的分類精度都在0.9以上，滿足最低分類精度的要求。四期監(jiān)督分類成果如圖2所示。

2 土地利用景觀格局變化分析

景觀生態(tài)學(xué)家提出了各式各樣的景觀指數(shù)，這些指數(shù)成功地應(yīng)用在揭示生態(tài)過程與生態(tài)機(jī)理的研究[4]，所以選擇合適的景觀指數(shù)，是對(duì)目標(biāo)區(qū)域景觀特征進(jìn)行定量研究的前提。在景觀生態(tài)格局的研究分析應(yīng)用方面， Fragstats軟件因其強(qiáng)大的功能以及豐富的景觀指標(biāo)庫(kù)應(yīng)用最廣泛，所以本文選擇Fragstats軟件指數(shù)庫(kù)中其中5個(gè)指數(shù)分別從景觀結(jié)構(gòu)、景觀優(yōu)勢(shì)度、景觀破碎度、景觀多樣性四個(gè)方面對(duì)東錢湖鎮(zhèn)土地利用景觀格局變化進(jìn)行分析，軟件分析的原始數(shù)據(jù)就是四期影像監(jiān)督分類的結(jié)果。選取的指數(shù)分別為斑塊類型面積(CA)、相似鄰接比例度(PLADJ)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊類型面積比重(PLAND)、Shannon's多樣性指數(shù)(SHDI)。

3.1 景觀類型面積變化分析

CA值是其它許多指數(shù)的計(jì)算基礎(chǔ)，也是最直觀反映斑塊類型變化的指數(shù)，東錢湖鎮(zhèn)三個(gè)時(shí)期的CA值見表1(“水域及水利設(shè)施用地”簡(jiǎn)稱為“水體”)，表中數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單明了地反映了1987-2017年?yáng)|錢湖鎮(zhèn)土地利用的變化情況，農(nóng)用地逐漸被建設(shè)用地“侵蝕”，建設(shè)用地呈現(xiàn)以發(fā)散性狀態(tài)向城鎮(zhèn)發(fā)展的趨勢(shì)。1987-2017年林地面積變化不大，主要由于東錢湖鎮(zhèn)屬于旅游保護(hù)區(qū)，且林地主要出于山區(qū)，被開發(fā)程度不高。

表1 三個(gè)時(shí)期不同土地利用類型CA值分析

3.2 景觀破碎度分析

通過PLADJ、LSI兩個(gè)指數(shù)分析景觀破碎度，PLADJ表示景觀類型復(fù)雜度和斑塊周圍復(fù)雜度，是對(duì)景觀類型在空間上的描述，若斑塊類型最大程度分散，則該指數(shù)最小，無(wú)論該斑塊類型在景觀的比例多大，只要該類型在景觀中最大限度離散化，它就會(huì)取得最小值。由數(shù)據(jù)(表2)分析可得，水體、農(nóng)用地的破碎度呈現(xiàn)“下降-上升”趨勢(shì)，建設(shè)用地破碎度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，林地的破碎化程度變化不大，并且建設(shè)用地和農(nóng)用地的破碎化程度變化幅度較大。

表2 三個(gè)時(shí)期不同土地利用類型PLADJ值分析

LSI是對(duì)斑塊聚集度或離散程度的度量，隨著它的增加，景觀越來(lái)越離散。三個(gè)時(shí)期的LSI值計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 三個(gè)時(shí)期LSI值

由數(shù)據(jù)分析，LSI的變化呈現(xiàn)上升-下降-下降的趨勢(shì)，LSI的值越大，說明其形狀越復(fù)雜，受干擾程度越低，由分析數(shù)據(jù)知1987-2000年土地利用受干擾程度較大；2000-2009年LSI值降低，斑塊的連通度升高，相應(yīng)的景觀的破碎度降低；但隨著開發(fā)的程度越來(lái)越大，2009-2017年，斑塊的聚集度降低，離散程度加大。

3.3 景觀優(yōu)勢(shì)度分析

景觀優(yōu)勢(shì)度分析主要采用斑塊類型面積比重(PLAND)指數(shù)。PLAND表示某一斑塊類型面積在景觀中所占的比重，是用來(lái)分析優(yōu)勢(shì)景觀的重要指標(biāo)。各時(shí)期PLAND指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 三個(gè)時(shí)期PLAND值

由表5知1987年農(nóng)用地的優(yōu)勢(shì)度達(dá)到28.32，遠(yuǎn)高于其它斑塊類型，占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。而到2009年農(nóng)用地的優(yōu)勢(shì)度大大降低?？v向比較可知，各景觀類型的優(yōu)勢(shì)度向均衡化發(fā)展。

3.4 景觀多樣性分析

景觀格局的多樣性是指景觀中斑塊的復(fù)雜性、多樣化狀況[4]。本文選擇Shannon's多樣性指數(shù)(SHDI)作為評(píng)價(jià)研究區(qū)多樣性的指數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 三個(gè)時(shí)期SHDI值

由表6知，研究區(qū)多樣性呈上升趨勢(shì)，說明研究區(qū)內(nèi)各景觀類型的復(fù)雜度越來(lái)越強(qiáng)，各景觀斑塊復(fù)雜度增加，各景觀類型優(yōu)勢(shì)度差距的逐漸縮小，景觀均勻度相應(yīng)增加，景觀類型越來(lái)越均勻發(fā)展。

4 結(jié)論

本文對(duì)東錢湖鎮(zhèn)土地利用景觀從斑塊面積變化分析、景觀破碎度分析、景觀優(yōu)勢(shì)度分析以及景觀多樣性和均勻度分析四個(gè)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，從整體看東錢湖鎮(zhèn)破碎度表現(xiàn)為“降低-增加”，各景觀類型優(yōu)勢(shì)度差距縮小，景觀均勻度增加，但景觀斑塊類型、形狀趨于復(fù)雜化，景觀多樣性相應(yīng)增加。隨著科技的進(jìn)步，RS和GIS技術(shù)將對(duì)土地資源規(guī)劃與管理有較大的幫助。