贛江新區(qū)景觀格局的變化與模擬分析

王東豪，陳竹安,2*，陳 濤

(1.東華理工大學(xué) 測繪工程學(xué)院，南昌 330013；2.江西省數(shù)字國土重點實驗室，南昌 330013)

景觀格局的研究是景觀生態(tài)學(xué)中的重要內(nèi)容，不同土地類型在空間上的分布與變化是景觀格局變化的直接驅(qū)動因素.通過對城市景觀格局的分析與預(yù)測，控制土地利用的變化，對提高生態(tài)安全具有重要意義.對城市景觀格局的研究，從早期的普查數(shù)據(jù)報告到今天普遍使用的3S技術(shù)和針對景觀格局研究中經(jīng)常使用的Patch Analyst和Fragstats等景觀分析軟件的運用[1]，景觀格局的研究在不斷改進(jìn)舊技術(shù)的同時也在發(fā)展新的方法，近年來土地利用景觀格局變化過程的動態(tài)模擬主要通過CA模型[2]、Markov模型[3]、SD模型[4]和Clue-s模型[5]等實現(xiàn)，結(jié)合時空一體化模型可以動態(tài)模擬土地利用變化過程.CA-Markov模型(元胞自動機—馬爾科夫模型)將Markov模型的預(yù)測功能與CA模型的空間運算優(yōu)勢結(jié)合，通過模擬復(fù)雜系統(tǒng)的空間變化，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.呂樂婷等[6]基于東江流域景觀格局演變分析及變化預(yù)測分析；梅昭容等[7]基于移動窗口分析法的礦區(qū)景觀格局時空變化的研究；蘇凱等[8]基于GIS與RS的東北森林帶景觀格局隨時間的變化與預(yù)測研究；程剛等[9]等利用景觀指數(shù)和CA-Markov模型分析三川流域景觀類型的變化特征，并且模擬了2020年景觀格局的變化趨勢與生態(tài)環(huán)境分析；李小龍等[10]運用CA-Markov模型對新疆昌吉市進(jìn)行土地利用變化分析并對土地變化利用進(jìn)行預(yù)測研究.

隨著贛江新區(qū)的快速發(fā)展，城市布局與土地利用結(jié)構(gòu)之間的矛盾日益突出，在此背景下，深入研究城市景觀格局，將在一定程度上影響贛江新區(qū)土地利用的協(xié)調(diào)和健康可持續(xù)的發(fā)展.因此，本文利用贛江新區(qū)3期遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同景觀類型的分類，通過移動窗口法，得到不同景觀指數(shù)的空間分布情況，進(jìn)而分析贛江新區(qū)景觀破碎化的時空分布和變化特征，并結(jié)合CA-Markov模型對其2025年土地利用情況及景觀格局進(jìn)行預(yù)測，揭示其變化規(guī)律，為贛江新區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會經(jīng)濟發(fā)展提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

贛江新區(qū)位于江西省，是第18個國家級新區(qū).包括南昌臨空經(jīng)濟區(qū)、南昌經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、九江市共青城市和九江市永修縣的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，規(guī)劃范圍465 km2.贛江新區(qū)以低丘為主，由東南向西北緩慢延伸，該區(qū)域坡度為0～25°，地形高低不平，最低海拔3 m，最高海拔189 m.贛江新區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，河流眾多，水源充足，2015年地區(qū)生產(chǎn)總值已達(dá)570億元，是中部地區(qū)發(fā)展基礎(chǔ)良好，發(fā)展?jié)摿^大的區(qū)域.研究區(qū)如圖1所示.

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)處理與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

數(shù)據(jù)來自于青山湖區(qū)、新建區(qū)、永修縣和共青城市1995、2005年和2015年3個時期空間分辨率為30 m×30 m的Landsat TM遙感影像.首先通過ENVI和ArcGIS對其進(jìn)行校正、配準(zhǔn)和裁剪等預(yù)處理后，參見土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)，提取草地、耕地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6種土地類型(如圖2所示)，經(jīng)檢驗Kappa系數(shù)均在85%以上，滿足研究需求.

圖2 1995、2005和2015年贛江新區(qū)土地利用類型圖Fig.2 Land use types of Ganjiang new area in 1995,2005 and 2015

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析 土地利用動態(tài)度能夠較好地表達(dá)土地利用類型的變化情況.土地利用動態(tài)度(LCDIi)指的是某個區(qū)域內(nèi)土地利用類型的變化與研究時間的比值[11-13]，用于衡量某種土地類型向其他土地類型轉(zhuǎn)移的快慢，如式(1)所示：

(1)

其中：LCDIi為i類土地利用類型的動態(tài)度，Uia為i類土地類型初期的面積，Uib為i類土地類型末期的面積，T為研究期的時間間隔.

2.2.2 移動窗口法 景觀指數(shù)通常用來表達(dá)區(qū)域內(nèi)的景觀異質(zhì)性，用數(shù)字難以表達(dá)區(qū)域內(nèi)整體空間形態(tài)特征，移動窗口法能夠較清晰的反映區(qū)域景觀格局動態(tài)變化的空間化實現(xiàn)過程，更加深入地分析區(qū)域土地利用變化狀況，表現(xiàn)出研究區(qū)域的景觀分布格局和空間差異[14-18].本文選取斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀分裂指數(shù)(DIVISION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)等指數(shù)利用Fragstats進(jìn)行景觀指數(shù)分析和移動窗口分析，根據(jù)研究區(qū)范圍大小通過對300、400、600和800 m的窗口進(jìn)行調(diào)試，得出600 m窗口能更好地反映出研究區(qū)景觀格局的變化情況，景觀格局指數(shù)及其生態(tài)意義如表1所示.

表1 景觀格局指數(shù)及其生態(tài)意義Tab.1 Landscape pattern index and its ecological significance

2.2.3 CA-Markov模型

CA模型(cellular automata模型)是一個具有離散時間、空間和狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演化過程等非線性問題的能力[19-22]，如式(2)所示：

S(t+1)=f(St,n).

(2)

其中：S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t+1和t為不同的時刻；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則，n為元胞的鄰域.

Markov模型是一種用于模擬土地利用空間格局變化的模型.在馬爾科夫過程中，它是根據(jù)某一事件的現(xiàn)狀來預(yù)測未來某一時刻變化的一種預(yù)測方法，其本質(zhì)是預(yù)測某一事件發(fā)生的概率[23-25]；該模型基于初始時期到另一個不同時期的轉(zhuǎn)移概率，預(yù)測未來某一時刻土地利用變化趨勢，如式(3)所示：

S(t+1)=S(t)×Pij.

(3)

其中：S(t+1)，S(t)分別表示t+1和t時刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài)；Pij為轉(zhuǎn)移矩陣.

CA-Markov模型結(jié)合了CA模型對復(fù)雜系統(tǒng)空間變化能力的模擬預(yù)測和Markov模型對長時間序列定量預(yù)測的優(yōu)勢，將空間權(quán)重因子加入Markov模型中，土地利用格局的時空動態(tài)變化既可以進(jìn)行定量模擬，也可以進(jìn)行時間模擬[26-30]，因此使用CA-Markov模型可以更準(zhǔn)確地模擬景觀類型的時空變化.本文運用CA-Markov模型對景觀格局進(jìn)行預(yù)測，首先在Markov模型中用2005年作為模擬開始的時刻，2015年作為模擬結(jié)束的時刻，模擬時間10 a，比例誤差選擇0.15，得到6種景觀類型的適宜性圖像集和2005-2015年各景觀類型的轉(zhuǎn)換面積，選擇Markov模型所得的2005-2015年各景觀類型的轉(zhuǎn)換面積以及適宜性圖像集作為CA-Markov模型的元素，設(shè)置CA迭代次數(shù)為10，采用5×5的濾波器，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析.

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化分析

由贛江新區(qū)1995、2005和2015年土地利用類型的面積(如表2所示)得出，1995-2005年間，建設(shè)用地的面積大量增加，而相應(yīng)的耕地、林地和草地的面積有所減少，建設(shè)用地的面積變化最大，其次是耕地，研究表明其10年間土地利用變化主要是建設(shè)用地和耕地的相互轉(zhuǎn)換為主.通過土地利用動態(tài)度(如圖3所示)可知建設(shè)用地最高，其次是未利用地，說明建設(shè)用地變化最明顯，其土地利用變化率最高.建設(shè)用地的擴張主要發(fā)生在南昌經(jīng)開區(qū)，在此期間經(jīng)開區(qū)被國務(wù)院批準(zhǔn)升級國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，作為南昌大力發(fā)展的區(qū)域，吸引了大量企業(yè)，商業(yè)的入駐并且數(shù)量劇增，使得建設(shè)用地面積大量擴增，帶動當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展.2005-2015年間，建設(shè)用地面積擴張趨勢明顯，耕地、林地、草地的面積減少，面積變化最大的依然是建設(shè)用地，研究表明其10年間土地利用變化主要以耕地、林地和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)換為主.通過土地利用動態(tài)度可知建設(shè)用地最高，說明建設(shè)用地變化明顯，其土地利用變化率最高.2005-2015年建設(shè)用地在經(jīng)開區(qū)大力擴建，形成了一批以清華科技園、光電科技園、信息科技園、煤炭科技園和國際汽車城為支柱和特色的高科技和外向型企業(yè)和商業(yè)，以促進(jìn)經(jīng)濟快速發(fā)展.共青組團(tuán)建設(shè)用地也擴張明顯，說明共青組團(tuán)也開始發(fā)展建設(shè)起來，贛江新區(qū)處于快速發(fā)展階段.

表2 1995、2005和2015年贛江新區(qū)土地利用類型面積Tab.2 Land use type area of Ganjiang new area in 1995,2005 and 2015

圖3 1995-2015年贛江新區(qū)土地利用動態(tài)度折線圖Fig.3 Broken line diagram of dynamic degree of land use in Ganjiang New Area from 1995 to 2015

3.2 景觀指數(shù)變化分析

通過贛江新區(qū)1995、2005和2015年景觀指數(shù)(如表3所示)的分析得出，1995-2005年贛江新區(qū)景觀格局出現(xiàn)了明顯變化，NP逐漸增加，由599個增加到613個；PD也在增加，由1.29個/hm2增加到1.32個/hm2；NP和PD整體呈增加的趨勢，PD越大，斑塊越小，景觀破碎度就越高，LPI顯著減少，由42.20%減少到34.02%，說明人類活動的影響變大；DIVISION小幅增加，由0.78增加到0.84；SHDI增加量較少，由1.02增加到1.16；SHEI少量增加，由0.57增加到0.65，景觀豐富度增加，由此說明贛江新區(qū)在發(fā)展的過程中，人類活動的影響較大，景觀破碎化程度出現(xiàn)增加的趨勢，異質(zhì)性也不斷增強，優(yōu)勢度則有所下降.2005-2015年，NP逐漸增加，由613個增加到628個；PD少量增加，由1.32個/hm2增加到1.35個/hm2；LPI在減少，由34.02%減少到29.09%；DIVISION小幅增加，由0.84增加到0.89；SHDI增加量較少，由1.16增加到1.22；SHEI少量增加，由0.65增加到0.68.從整體來看1995-2015年贛江新區(qū)發(fā)展不斷加快，人類活動的影響較大導(dǎo)致破碎化程度不斷增強，優(yōu)勢度呈現(xiàn)下降趨勢，景觀類型朝著多樣化的方向進(jìn)行.

表3 贛江新區(qū)1995、2005和2015年景觀格局指數(shù)Tab.3 Landscape pattern index of Ganjiang New Area in 1995,2005 and 2015

3.3 景觀分布特征分析

由贛江新區(qū)1995年和2015年景觀指數(shù)空間分布圖(如圖4所示)可看出，贛江新區(qū)景觀格局變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.1995年，NP和PD的高值主要出現(xiàn)在共青組團(tuán)和永修組團(tuán)，臨空區(qū)和經(jīng)開區(qū)相對較低，說明共青組團(tuán)和永修組團(tuán)的破碎化相對嚴(yán)重一些；LPI高值分布范圍廣泛，臨空區(qū)和經(jīng)開區(qū)更為泛紅，說明共青組團(tuán)和永修組團(tuán)人類活動影響較大；SHDI高值主要分布在共青組團(tuán)、SHEI高低值分布均勻；DIVISION高值在共青組團(tuán)和永修組團(tuán)分布更廣泛，這是因為耕地和林地面積較大，人類大力耕種，人類活動影響較大，臨空區(qū)和經(jīng)開區(qū)的人類活動不明顯.從空間上看1995年贛江新區(qū)破碎化嚴(yán)重主要集中在共青組團(tuán)和永修組團(tuán)，呈現(xiàn)出由北向南擴散的趨勢，原因是江西省積極響應(yīng)五年計劃，大力發(fā)展農(nóng)村、農(nóng)業(yè)和生態(tài)建設(shè)，共青組團(tuán)和永修組團(tuán)的土地范圍較大，地勢低平，建設(shè)起步早，大面積開墾耕地，種植林地，導(dǎo)致破碎化程度高.2015年，NP和PD高值范圍擴大，主要出現(xiàn)在共青組團(tuán)和永修組團(tuán)，與1995年相比區(qū)域高值也變大，臨空區(qū)和經(jīng)開區(qū)指數(shù)也有明顯的變大，城市開始擴張，說明人類活動的影響也在加劇，破碎化程度加強；LPI高值指數(shù)下降且分布范圍減小，說明未利用地被開發(fā)和利用，建設(shè)用地面積擴增，人類活動也隨之增強；2015年SHDI、SHEI高值變大且分布范圍擴大，低值范圍縮小，破碎化程度提高；2015年DIVISION高值分布范圍與1995年相比有所擴大，說明人類活動劇烈，景觀破碎化程度和異質(zhì)性增強.從空間上看2015年共青組團(tuán)和永修組團(tuán)破碎化加劇，臨空區(qū)和經(jīng)開區(qū)也出現(xiàn)破碎化嚴(yán)重現(xiàn)象，是因為臨空區(qū)和經(jīng)開區(qū)在不斷發(fā)展的同時伴隨著各種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展隨之帶動經(jīng)濟的發(fā)展.由此可以看出1995-2015年贛江新區(qū)景觀格局變化呈現(xiàn)破碎化的方向發(fā)展，這與贛江新區(qū)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快有不可分割的關(guān)系.

(a)1995年

3.4 CA-Markov模型預(yù)測結(jié)果分析

為了驗證CA-Markov模型預(yù)測土地利用動態(tài)變化的精度，首先以1995年和2005年兩期土地利用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，在IDRISI中通過Markov模型得到1995-2005年轉(zhuǎn)移面積矩陣和轉(zhuǎn)移概率圖集，通過CA-Markov模型得到2015年的土地利用空間分布圖，然后運用CROSSTAB工具，對2015年贛江新區(qū)實際遙感解譯圖像和預(yù)測圖像進(jìn)行疊加分析，計算得到模擬結(jié)果的Kappa指數(shù)為0.82，表明模擬精度較高.最后根據(jù)2005年和2015年土地利用類型圖，并結(jié)合2005-2015年轉(zhuǎn)移概率矩陣和適宜性圖像集，利用CA-Markov模型分析和計算得出2025年土地利用預(yù)測圖(如圖5所示).

圖5 2025年贛江新區(qū)土地利用預(yù)測圖Fig.5 Land use prediction map of Ganjiang new area in 2025

通過計算2025年贛江新區(qū)土地利用類型面積(如表4所示)，可看出2025年建設(shè)用地面積達(dá)到15 041.83 hm2，林地面積為7 395.17 hm2,草地面積為555.82 hm2，水域面積為2 755.18 hm2，耕地面積為20 658.43 hm2，未利用地面積為34.12 hm2.2025年贛江新區(qū)土地利用類型延續(xù)1995-2015年的變化趨勢，具體表現(xiàn)為建設(shè)用地面積的增加，耕地、林地、草地和水域面積的減少.從1995-2025年土地利用類型面積看出，耕地和林地的面積隨著時間變化不斷縮小，草地、水域和未利用地面積小幅度變化，基本保持不變，建設(shè)用地迅速擴增，說明贛江新區(qū)大力發(fā)展，得益于共青組團(tuán)推進(jìn)科教聯(lián)動和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，建設(shè)面向制造業(yè)和金融及文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)、有影響力的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合基地；經(jīng)開區(qū)推進(jìn)發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)打造特色產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，以及新能源汽車和零部件產(chǎn)業(yè)園，現(xiàn)有江鈴新能源乘用車、白路佳客車等產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)發(fā)展和生物醫(yī)藥、智能裝備制造產(chǎn)業(yè)的建設(shè)等.可看出在贛江新區(qū)成立的推動下，贛江新區(qū)建設(shè)用地面積不斷擴增，帶動人類生產(chǎn)生活不斷提高，以推進(jìn)社會經(jīng)濟的發(fā)展，贛江新區(qū)發(fā)展速度加快.

表4 2025年贛江新區(qū)土地利用類型面積Tab.4 Land use type area of Ganjiang New Area in 2025

計算2025年贛江新區(qū)景觀格局指數(shù)(如表5所示)得出，NP不斷增加，由1995年的599個增加到2025年的636個；PD也出現(xiàn)增幅，由1.29個/hm2增加到1.33個/hm2，景觀破碎化進(jìn)一步加強；LPI呈現(xiàn)降低的趨勢，由42.20%下降到24.88%，人類活動影響加劇；DIVISION也由0.78增加到0.91；SHDI和SHEI都有少量的增加，由1.02增加到1.25和0.57增加到0.70，景觀類型朝著多樣化的方向發(fā)展，景觀破碎化進(jìn)一步加??；可見贛江新區(qū)景觀破碎化情況依然呈現(xiàn)上升的趨勢，在成立贛江新區(qū)及快速發(fā)展的作用下，人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展對贛江新區(qū)景觀生態(tài)的影響將變得更加突出，合理地把控贛江新區(qū)的景觀格局發(fā)展成為了重中之重.

表5 2025年贛江新區(qū)景觀格局指數(shù)Tab.5 Landscape pattern index of Ganjiang New Area in 2025

由于本研究僅考慮了土地利用類型轉(zhuǎn)化因素，利用CA-Markov模型對贛江新區(qū)未來土地利用進(jìn)行模擬，沒有設(shè)置不同的影響因素，所以不具有絕對性.針對本研究，建議贛江新區(qū)充分利用已建成的建設(shè)用地，開發(fā)未利用地，合理控制各種土地類型的使用，減少對其生態(tài)景觀的破壞.在當(dāng)前景觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化資源配置，合理使用建設(shè)用地和分配其他土地類型的使用，確保景觀格局向穩(wěn)定的方向發(fā)展.

4 結(jié)論

利用景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論，對贛江新區(qū)1995-2015年土地利用變化和景觀格局的分布與演變，進(jìn)行分析和探究，并預(yù)測2025年土地利用情況與景觀格局變化，由此得出以下結(jié)論.

1995-2015年間贛江新區(qū)土地類型的變化主要表示為建設(shè)用地的擴張及對其他土地類型的侵占,各土地類型的動態(tài)變化依次為建設(shè)用地>耕地>林地>草地>水域>未利用地.

1995年，城市處于發(fā)展階段，贛江新區(qū)破碎化程度和異質(zhì)性都比較低，城市化水平較低.2005年，贛江新區(qū)擴張速度出現(xiàn)明顯的增大趨勢，城市化水平提高.2015年，贛江新區(qū)向外擴散速度加快，城市化水平增強，贛江新區(qū)高速發(fā)展，人類活動也隨之增強，景觀破碎化程度呈現(xiàn)加劇的趨勢，景觀類型朝著多樣化的方向發(fā)展.

2025年贛江新區(qū)建設(shè)用地的面積將會延續(xù)1995-2015年的發(fā)展趨勢繼續(xù)擴增，同時伴隨著人類活動的影響及社會經(jīng)濟的發(fā)展，景觀格局變化也朝著同一方向發(fā)展，景觀破碎化程度將會進(jìn)一步加深，合理地把控贛江新區(qū)景觀格局的發(fā)展成為贛江新區(qū)發(fā)展的首要任務(wù).