基于地表覆蓋數(shù)據(jù)的生態(tài)用地景觀格局分析

石善球，柴燕妮

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

20 世紀(jì)80 年代，景觀生態(tài)學(xué)被引入中國(guó)，相關(guān)研究理論迅猛發(fā)展。21 世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)學(xué)者們發(fā)表了數(shù)量可觀的相關(guān)理論和研究成果。景觀格局指數(shù)作為景觀格局分析的重要手段，對(duì)景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，也在不同領(lǐng)域研究中引起了較大的反響[1]。地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是從地理的角度，采用空間化方法，對(duì)國(guó)情進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行描述、分析、預(yù)測(cè)和可視化的過(guò)程[2]。自2013-2015 年國(guó)務(wù)院開展第一次全國(guó)地理國(guó)情普查工作以來(lái)，連續(xù)多年的地理國(guó)情常態(tài)化監(jiān)測(cè)使測(cè)繪部門積累了多期地理國(guó)情數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有海量、準(zhǔn)確、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、綜合等特點(diǎn)，為進(jìn)一步開展地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和研究奠定了基礎(chǔ)[3-4]。很多學(xué)者也將地理國(guó)情數(shù)據(jù)應(yīng)用于景觀格局研究，并且取得了良好的應(yīng)用效果。

王華等[5]基于地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)，對(duì)佛山市三水區(qū)地表覆蓋景觀類型特征和景觀格局特征進(jìn)行了量化分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了縣域景觀格局優(yōu)化建議；賈勝韜[6]借助地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)，對(duì)曹妃甸工業(yè)園區(qū)的地表景觀格局時(shí)空變化進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)模擬出曹妃甸工業(yè)園區(qū)未來(lái)地表景觀格局結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)，對(duì)該區(qū)域國(guó)土空間開發(fā)合理提供建議，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理念；李瑞敏等[7]基于地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)對(duì)奉化市建成區(qū)的綠地景觀格局進(jìn)行了研究，并對(duì)各街區(qū)綠地景觀指數(shù)做了比較分析；劉穎[8]利用2014 年和2018 年地理國(guó)情數(shù)據(jù)研究了遼寧省某城市的景觀格局變化情況，證明研究區(qū)在研究時(shí)間段內(nèi)居民設(shè)施用地以及景觀復(fù)雜程度均有所提升，區(qū)域整體處于穩(wěn)步發(fā)展?fàn)顟B(tài)；楊曉紅等[9]基于安徽省地理國(guó)情數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，利用景觀格局指數(shù)分析研究了2015-2017 年安徽省土地利用景觀格局現(xiàn)狀等。但大部分學(xué)者的研究基本以行政區(qū)劃為研究單元，針對(duì)重點(diǎn)功能區(qū)的相關(guān)研究相對(duì)較少，因此基于江蘇省地理國(guó)情數(shù)據(jù)，以江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為例，分析重點(diǎn)功能區(qū)內(nèi)生態(tài)用地景觀格局結(jié)構(gòu)特征及變化情況。

1 研究區(qū)概況

江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)處于江蘇省中心區(qū)域，包括淮安、宿遷2 個(gè)設(shè)區(qū)市及里下河地區(qū)的高郵、寶應(yīng)、興化、建湖、阜寧5 個(gè)縣市，是全面配合國(guó)家大運(yùn)河文化帶和國(guó)家江淮生態(tài)大走廊劃定的功能區(qū)經(jīng)濟(jì)區(qū)，是揚(yáng)子江城市群、沿海經(jīng)濟(jì)帶、徐州淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市的共同腹地和后花園。境內(nèi)擁有洪澤湖、駱馬湖、白馬湖、高郵湖等大型湖泊，水網(wǎng)密布、水資源豐富，水面率高達(dá)21%，是我省乃至全國(guó)水面率最高的地區(qū)之一。在江蘇省“1+3”重點(diǎn)功能區(qū)戰(zhàn)略中，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)具有獨(dú)特的地位和作用，必須以生態(tài)為前提和底色，做足生態(tài)文章，彰顯生態(tài)優(yōu)勢(shì)，更好地優(yōu)化發(fā)展路徑和模式，在吸引優(yōu)質(zhì)資源、高端要素上下功夫，把這方水土建成生活美好、令人向往的地方[10-12]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2015 年和2018 年江蘇省地表覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，數(shù)據(jù)內(nèi)容詳實(shí)地反映了江蘇省地表自然地理要素和人文地理要素的空間狀況。2015 年地表覆蓋數(shù)據(jù)包括耕地（0100）、園地（0200）、林地（0300）、草地（0400）、房屋建筑區(qū)（0500）、道路（0600）、構(gòu)筑物（0700）、人工堆掘地（0800）、荒漠與裸露地表（0900）和水域（1000）10 個(gè)一級(jí)分類，2018 年重新調(diào)整了地表覆蓋分類結(jié)構(gòu)，將耕地和園地劃分為種植土地（0100）、林地和草地劃分為林草覆蓋（0300），其他分類不變，共包含8 個(gè)一級(jí)分類。

參考城市生態(tài)學(xué)方面的國(guó)際前沿研究[13]，從地表覆蓋分類數(shù)據(jù)中選取以提供生態(tài)產(chǎn)品或生態(tài)服務(wù)為主體功能的用地進(jìn)行重新映射，得到江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地?cái)?shù)據(jù)，其中林草覆蓋重新映射為綠色生態(tài)用地，荒漠與裸露地表重新映射為灰色生態(tài)用地，水域重新映射為藍(lán)色生態(tài)用地，如圖1 所示。

圖1 江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地空間分布圖

2.2 生態(tài)用地景觀格局指數(shù)

景觀格局指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，既表現(xiàn)出景觀異質(zhì)性，又反映出自然或人為干擾作用的結(jié)果[14]。景觀格局指數(shù)可以定量反映各土地利用類型的景觀格局特征。綜合考慮江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的自然地理特征和各景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)含義，通過(guò)對(duì)比篩選，選取9 個(gè)景觀指數(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)用地景觀格局結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律進(jìn)行分析：斑塊數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）和景觀破碎度（C）表征生態(tài)用地破碎程度，邊界密度（ED）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）和分維數(shù)（D）衡量生態(tài)用地形狀復(fù)雜性，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻性指數(shù)（SHEI）和聚集度指數(shù)（AI）體現(xiàn)生態(tài)用地分布均勻性。景觀格局指數(shù)具體含義和計(jì)算公式如下[9,15]。

2.2.1 生態(tài)用地破碎程度

1）斑塊數(shù)（NP）：指某一生態(tài)用地景觀類型的斑塊數(shù)量，反映生態(tài)用地景觀類型的空間格局，其值越大，景觀破碎度越高，反之則越低。

式中，Ni為生態(tài)用地景觀類型i 的斑塊數(shù)量。

2）斑塊密度（PD）：指單位面積的某一生態(tài)用地景觀類型的斑塊數(shù)量，反映生態(tài)用地景觀類型的分化程度，斑塊密度越大表示景觀破碎程度越高。

式中，A 為研究區(qū)總面積。

3）景觀破碎度（C）：表征生態(tài)用地景觀被自然或人為分割的破碎程度，反映生態(tài)用地景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。式中，Ai為生態(tài)用地景觀類型i 的總面積。

2.2.2 生態(tài)用地形狀復(fù)雜性

1）邊界密度（ED）：從邊形特征上描述生態(tài)用地景觀的破碎化程度。

式中，Lij為某一生態(tài)用地景觀斑塊i 與相鄰景觀斑塊j之間的邊界長(zhǎng)度；m 為生態(tài)用地景觀斑塊類型數(shù)。

2）蔓延度指數(shù)（CONTAG）：指各生態(tài)用地景觀類型斑塊的凝聚性或外延性，其值介于0～100 之間，值越大，表明生態(tài)用地景觀中的優(yōu)勢(shì)斑塊類型之間連接度越好，反之則表明生態(tài)用地景觀類型斑塊布局分散，景觀破碎化程度較高。

3）分維數(shù)（D）：D 值的理論范圍為1.0～2.0，值越大，表明生態(tài)用地景觀斑塊的形狀越復(fù)雜，1.0 表示形狀最簡(jiǎn)單的正方形斑塊，2.0 表示等面積下形狀最復(fù)雜的斑塊。

式中，Li為生態(tài)用地景觀類型i 的總周長(zhǎng)。

2.2.3 生態(tài)用地分布均勻性

1）香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）反映生態(tài)用地景觀異質(zhì)性，SHDI=0 表示生態(tài)用地景觀有一個(gè)斑塊組成，SHDI 值增大則表明生態(tài)用地景觀斑塊呈現(xiàn)均衡化的分布趨勢(shì)。

式中，Pi為生態(tài)用地景觀類型i 的面積比例。

2）香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）描述生態(tài)用地景觀中不同景觀類型的分配均勻程度。當(dāng)SHEI 趨近于1 時(shí)，表明生態(tài)用地景觀斑塊分布的均勻程度趨于最大。

3）聚集度指數(shù)（AI）反映生態(tài)用地景觀斑塊可能的最大鄰近度。當(dāng)生態(tài)用地景觀中的同類斑塊最大程度的離散分布時(shí)，AI=0；當(dāng)聚合成一個(gè)單獨(dú)的、結(jié)構(gòu)緊湊的斑塊時(shí)，AI=100。

式中，n 為某一生態(tài)用地景觀斑塊類型的斑塊個(gè)數(shù)；Pij為生態(tài)用地景觀斑塊類型i 與j 相鄰的概率。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)用地景觀格局結(jié)構(gòu)特征分析

利用ArcGIS10.2 和Fragstats4.2 軟件計(jì)算江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地景觀格局指數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

1）從生態(tài)用地破碎程度上分析：2 0 1 5 年和2018 年，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)綠色生態(tài)用地斑塊數(shù)最多、斑塊密度最大，其次為藍(lán)色生態(tài)用地，灰色生態(tài)用地的斑塊數(shù)和斑塊密度都處于較低水平，實(shí)際的景觀意義較小。由此表明江淮地區(qū)藍(lán)色生態(tài)用地的破碎化程度較低，斑塊間有著較好的連通性，這與研究區(qū)內(nèi)大型湖泊集聚的現(xiàn)狀吻合；而綠色生態(tài)用地斑塊較為破碎，林草地的生態(tài)功能有待進(jìn)一步完善。

2）從生態(tài)用地形狀復(fù)雜性上分析：2015 年和2018 年，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)綠色生態(tài)用地類型值最大，表明其形狀最為復(fù)雜，藍(lán)色生態(tài)用地的形狀復(fù)雜性低于綠色生態(tài)用地，灰色生態(tài)用地類型值最小。主要由于綠色生態(tài)用地分布較散，且受人為活動(dòng)干擾嚴(yán)重，破碎化程度高，景觀斑塊邊界不明顯；藍(lán)色生態(tài)用地來(lái)源于坑塘、河流和湖泊，坑塘與河流的形狀邊界多呈現(xiàn)一定規(guī)則性，而湖泊受圍墾和圍網(wǎng)養(yǎng)殖的影響，自然邊界受到破壞，形狀復(fù)雜性降低；灰色生態(tài)用地類型大多是人為干擾所形成，形狀較為簡(jiǎn)單。

3）從生態(tài)用地分布均勻性上分析：2015 年和2018 年，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)藍(lán)色生態(tài)用地的香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)均為最高，說(shuō)明該類型景觀結(jié)構(gòu)良好，斑塊分布均勻，生態(tài)系統(tǒng)間多樣性較高。藍(lán)色生態(tài)用地和灰色生態(tài)用地的聚集度指數(shù)均較高，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)斑塊聚集程度較高，存在明顯差異?；疑鷳B(tài)用地的香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)均最低，多樣性較為單一，而聚集度指數(shù)接近1，主要由于研究區(qū)內(nèi)灰色生態(tài)用地的數(shù)量極少，景觀特征不顯著。

表1 2015 年和2018 年江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 生態(tài)用地景觀格局變化情況分析

1）由圖2 可以看出，2015-2018 年，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)藍(lán)色生態(tài)用地的斑塊數(shù)、斑塊密度、邊界密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，表征藍(lán)色生態(tài)用地在邊緣形狀上由簡(jiǎn)單向復(fù)雜發(fā)展，景觀類型由單一向多種類發(fā)展。當(dāng)然，斑塊數(shù)和斑塊密度的增加說(shuō)明藍(lán)色生態(tài)用地景觀的破碎程度增強(qiáng)，蔓延度指數(shù)減少表明藍(lán)色生態(tài)用地景觀存在外延發(fā)展的趨勢(shì)。

綠色生態(tài)用地的蔓延度指數(shù)與聚集度指數(shù)上升，表明研究區(qū)內(nèi)綠色生態(tài)景觀的團(tuán)聚程度增強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)斑塊的存在使得生態(tài)景觀具有更好的聯(lián)通性。邊界密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)呈減少趨勢(shì)，景觀類型的均勻程度有所下降，邊緣形狀由復(fù)雜向簡(jiǎn)單發(fā)展，主要是人為干擾條件下，土地流轉(zhuǎn)政策的驅(qū)動(dòng)，使得原本相對(duì)分散的綠色生態(tài)用地趨于集聚發(fā)展。

灰色生態(tài)用地斑塊數(shù)和斑塊密度都處于較低水平，形狀簡(jiǎn)單，且多為人為干擾所形成，景觀指數(shù)變化頻繁且劇烈，實(shí)際景觀意義參考價(jià)值較小。

圖2 2015－2018 年江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地景觀指數(shù)變化圖

2）根據(jù)江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)藍(lán)色生態(tài)用地和綠色生態(tài)用地景觀格局結(jié)構(gòu)特征及變化范圍，按縣域尺度將生態(tài)用地景觀格局變化情況分為3 個(gè)顯著性等級(jí)：景觀格局變化極顯著區(qū)、景觀格局變化顯著區(qū)和景觀格局變化不顯著區(qū)，生態(tài)用地景觀格局變化分區(qū)圖如圖3 所示。

藍(lán)色生態(tài)用地景觀格局變化極顯著區(qū)包括漣水縣和泗陽(yáng)縣，景觀斑塊離散化程度增加，表明兩個(gè)縣內(nèi)人類擾動(dòng)逐漸減輕，斑塊的不規(guī)則程度繼續(xù)加大，景觀結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。景觀格局變化不顯著區(qū)有泗洪縣、洪澤區(qū)和淮安區(qū)，泗洪和洪澤都位于洪澤湖畔，對(duì)于水域濕地的保護(hù)程度處于較高水平，先后提出“水韻泗洪”和“美麗清純洪澤湖”的生態(tài)理念，因此藍(lán)色生態(tài)用地未發(fā)生較大變動(dòng)，生態(tài)格局趨于穩(wěn)定。

綠色生態(tài)用地景觀格局變化極顯著區(qū)包括阜寧縣、宿城區(qū)和漣水縣，生態(tài)景觀斑塊間的集聚度增加，人類活動(dòng)對(duì)綠色生態(tài)用地?cái)_動(dòng)加大，斑塊更加趨于簡(jiǎn)單化和規(guī)則化。景觀格局變化不顯著區(qū)有興化市和淮安區(qū)，主要由于興化市水域較多，林地與草地占地較少，淮安區(qū)是淮安市老城區(qū)，城市發(fā)展趨于成熟，用地變化平穩(wěn)，未發(fā)生劇烈變動(dòng)。

圖3 2015－2018 年江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地景觀格局變化分區(qū)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

基于江蘇省地理國(guó)情數(shù)據(jù)，通過(guò)重新映射，得到江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地分類數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析區(qū)域生態(tài)用地景觀格局結(jié)構(gòu)特征和變化情況，得到以下主要結(jié)論：

1）2015 年和2018 年，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)用地景觀格局基本呈現(xiàn)相同的分布特征，即綠色生態(tài)用地破碎化程度高，邊界形狀復(fù)雜；藍(lán)色生態(tài)用地分布集中，形狀復(fù)雜性低于綠色生態(tài)用地；灰色生態(tài)用地形狀最為簡(jiǎn)單，景觀特征不顯著。

2）2015-2018 年，江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)綠色生態(tài)用地趨向集中，斑塊團(tuán)聚程度增強(qiáng)，景觀格局趨向規(guī)則化；藍(lán)色生態(tài)用地景觀破碎度增強(qiáng)，趨向分散，景觀格局總體呈現(xiàn)逐漸復(fù)雜化、破碎化的演變特征；灰色生態(tài)用地景觀指數(shù)變化頻繁且劇烈，實(shí)際景觀意義參考價(jià)值較小。

綜合分析，人類活動(dòng)對(duì)江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)空間的擾動(dòng)處于可控狀態(tài)，干擾影響有限，生態(tài)空間相對(duì)穩(wěn)定。