基于GIS和RS的鄭州市土地利用變化及景觀格局分析

胡欣雨 王升紅 陳舒玲 陸東芳

(福建農林大學 園林學院、藝術學院(合署)，福建 福州 350002)

地表利用變化即土地利用/覆被變化(Land use/cover change,LUCC),其中土地利用覆被側重于土地的自然屬性，土地利用側重于土地的經濟屬性[1]。土地利用變化是自然因素和社會因素共同作用的結果，但受人為因素影響較大。不同土地類型面積的變化以及變化的幅度在一定程度上反映了人類活動強度以及經濟發(fā)展的速度，人類活動驅動了土地景觀格局的不斷變化[2-3]。景觀格局(Landscape pattern)又稱為景觀空間格局(Spatial pattern)，是指景觀組成的單元類型、數目以及空間分布與配置，反映了景觀的空間結構特征，是景觀異質性的具體表現，也是景觀格局在不同生態(tài)過程和空間尺度疊加的結果[4-7]。其中，土地利用景觀格局體現了不同尺度和屬性的土地利用類型斑塊在空間上的分布狀況，具有顯著的時空特征[5-8]。對土地利用景觀格局的變化進行研究，可以有效揭示研究區(qū)域的景觀發(fā)展現狀以及趨勢變化[8-10]，為人們合理地利用土地資源和更有效地保護土地資源提供建議，從而促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境的良好發(fā)展。本文運用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(ArcGIS)技術，對鄭州市2004—2019年的土地利用景觀格局變化進行分析，了解鄭州市土地資源分布和發(fā)展的情況，為合理利用土地資源提供參考。

1 研究區(qū)概況

鄭州市是河南省省會城市，位于河南省中北部，北臨黃河，西依嵩山，東南為黃淮平原。鄭州市下轄6個市轄區(qū)、1個縣，代管5個縣級市，2016年被確定為“國家中心城市”[11]。近年來，鄭州市經濟發(fā)展迅速，2019年鄭州市的GDP為11 589.7億元；同時鄭州市也注重生態(tài)環(huán)境的建設，于2012年12月出臺了《鄭州市森林城市建設總體規(guī)劃(2011—2020年)》積極推進國家森林城市的建設，逐步提高“300米見綠，500米見園”的覆蓋率，采取“增綠、增水、增濕”的措施[12]，提高鄭州市的生態(tài)環(huán)境品質。隨著這一發(fā)展趨勢，鄭州市的景觀格局勢必會受到一定的影響。

2 材料與方法

2.1 材料來源與處理

本研究所用數據來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)，下載鄭州市2004-04-24、2009-04-06、2014-05-06、2019-04-18 四期遙感影像圖，空間分辨率為30米。下載的遙感圖成像時間相近，且云量較少，遙感圖質量較高。鄭州市矢量邊界數據來源于“2012ArcGIS全國電子地圖”。

通過ENVI5.3軟件對下載的遙感影像圖進行輻射定標、flaash大氣校正、裁剪、拉伸等預處理[13]。按照國家《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010—2007)以及鄭州市土地利用特點[13-15]，將土地利用分為：耕地、林地、建設用地、其他用地、水域。根據軟件分類和不同土地類型在軟件中所反映出的不同顏色、紋理、形狀的特點，建立各類地物的解譯標志[10][16]，采用隨機森林以及人機交互解譯的方法[17]，獲取4期土地利用分類圖(見圖1)。借助ArcGIS10.2和Fragstats4.2軟件，獲取鄭州市土地利用轉移矩陣和景觀格局指數數據。

圖1 鄭州市2004—2019年土地利用分類圖

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態(tài)變化模型的建立

(1)單一土地利用類型動態(tài)度。

單一土地利用類型動態(tài)度[18]表示某一時期某種土地利用類型面積的變化情況，公式為：

式中K是某一類土地的動態(tài)度，Ua、Ub是某種土地類型研究初期和研究末期的面積，T是研究時長，當T的單位為年時，K是某一類土地利用類型的面積年變化率。

(2)土地利用轉移矩陣。

土地利用轉移矩陣[19]可以用來分析土地利用變化的結構和方向。數學表達式為：

式中P表示面積，N表示土地利用的類型，i、j表示某一研究時期初期和期末的土地利用類型。

2.2.2 景觀指數的選擇與計算

景觀指數是景觀格局信息的高度概括，反映景觀的結構和空間配置。包括斑塊水平指數、類型水平指數和景觀水平指數，可以描述個別斑塊、某種類型的斑塊或者整個景觀空間的結構特征[16,20-22]?，F有研究表明：利用景觀破碎度、聚集度等相關指數可以在一定程度上很好地解釋土地利用變化的景觀生態(tài)現狀。例如魯亞楠[23]通過構建景觀格局指數分析了陜北地區(qū)土地利用變化與景觀格局、生態(tài)服務價值的關系；吳涌平[24]以福州市為例，運用景觀格局指數，分析了土地利用景觀格局與城市內澇之間的聯(lián)系；黃聚聰[25]運用景觀格局指數分析了廈門市城市熱島格局演變趨勢，對城市熱島景觀效應提出了一定的警示?；谇叭搜芯康慕Y果和本文所要研究土地利用景觀格局的需要，確定使用類型水平指數和景觀水平指數[23-29]。選取的指數有景觀百分比指數(PLAND)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊數指數(NP)、斑塊密度指數(PD)、景觀形狀指數(LSI)、聚合度指數(AI)、蔓延度指數(CONTAG)、Shannon多樣性指數(SHDI)、Shannon均勻度指數(SHEI)。具體的生態(tài)含義如表1所示，Fragstats4.2軟件對各種指數都有詳盡的說明。

表1 景觀格局的評價指標與含義

3 結果與分析

3.1 景觀總體構成

從土地空間分布和數量來看(見圖1、圖2和表1)，鄭州市的土地利用類型發(fā)生了較大的變化。從2004—2014年，耕地面積變化較小，只略微增加。2014—2019年，耕地面積變化幅度大，5年間耕地面積年變化率為-2.56，減少了460.55km2；15年間耕地占土地總面比由2004年的47.16%減少到2019年的41.53%。2004—2019年，林地面積逐漸減少，且2009—2014年林地減少幅度大，5年間共減少了280.38km2；2014—2019年，林地面積略微增加，15年間林地共減少了319.17km2，占土地總面積比由2004年的19.76%減少到2019年的15.54%。減少的耕地和林地主要分布在建成區(qū)的周圍，轉化為建設用地。15年來建設用地面積逐漸增加，特別是主城5區(qū)的面積擴張迅猛，從中心向外圍逐漸擴張，15年間面積增加了1 126.37km2，占土地總面積比由2004年的24.25%增加到2019年的39.14%。分布在東部的其他用地，變化顯著，占地面積逐漸減少，根據相關的文獻[14]可知，東部的其他用地主要是指沙地，15年來其他用地共減少了378.82km2，東部的沙地逐漸轉為其他可利用土地。水域占土地總面積比較小，2004—2014年水域面積逐漸減少，2014—2019年水域面積年變化率為5.60，面積增加了25.57km2。

圖2 2004—2019年鄭州市土地利用數量變化

從土地利用類型轉換上看(見表2、表3)，鄭州市的土地利用轉換主要在耕地與建設用地，耕地與林地，其他用地與耕地，其他用地與建設用地之間進行轉換。新增的建設用地主要由耕地、林地、其他用地轉化而來，其中耕地的貢獻最大，說明近年來鄭州市經濟發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)建設加快，大量耕地被侵占。2004—2014年，耕地面積略微增加，這與林地、其他用地(主要是東部沙地)轉向耕地密不可分，緩解了耕地面積減少的速度。東部沙地面積逐漸減少，主要轉向耕地和建設用地，說明在人們積極的治理下，沙地情況逐漸好轉，提高了可利用土地的面積。2014—2019年期間，林地和水域面積有所增加，這說明鄭州市在進行國家森林城市的建設中，積極保護了林地資源和水資源。

表2 2004—2019年鄭州市土地利用數量結構變化分析 單位：km2

表3 2004—2019年鄭州市土地利用轉移矩陣 單位：km2

3.2 景觀格局變化分析

從類型尺度上(見圖3)可以看出，鄭州市耕地面積減少，最大斑塊指數先上升后下降，優(yōu)勢度下降；耕地的斑塊數和斑塊密度明顯增加，表明隨著人們侵占耕地而從事其他活動，導致了耕地的破碎度提高；耕地的形狀指數總體呈增加態(tài)勢，表明耕地在人為和自然因素的干擾下形狀趨于復雜；耕地的聚合度下降，表明耕地的空間聚集度降低，分布趨向于分散。建設用地的景觀百分比指數、最大斑塊指數都逐漸增加，說明隨著鄭州市的城市化進程加快，建設用地不斷向外擴張，建設用地的優(yōu)勢度逐漸上升；斑塊數、斑塊密度呈現出先上升后下降的趨勢，表明建設用地景觀破碎化程度經歷了先增強后減弱的過程；景觀形狀指數和聚集度總體提高，說明建設用地的形狀在人為和自然因素的干擾下，形狀更加復雜化，斑塊聚集程度提高，建設用地逐漸呈連片式發(fā)展。2004—2014年林地面積減少幅度較大，斑塊數和斑塊密度增加，說明林地斑塊處于被蠶食分割的狀態(tài)，破碎度提高；2014—2019年林地面積減少幅度小，面積波動小，斑塊數、斑塊密度和景觀形狀指數減少，最大斑塊指數、聚合度增加，說明林地發(fā)展集中，對現有林地保護得較好。其他用地的斑塊數、斑塊密度總體增加，景觀形狀指數逐漸增加，聚合度逐漸下降，說明其他用地逐漸被占用，面積逐漸減少。水域景觀面積小，變化幅度較小，聚集度雖有略微下降，但總體水平較高，說明水資源保護得較好。

圖3 類型尺度上景觀格局指數

基于景觀水平來看(見表4)，景觀斑塊總數和密度呈現出先增加后減少的特點，2004—2009年顯著增加，表明這期間鄭州市景觀破碎化程度加快，2014—2019年景觀破碎化速度減緩，但破碎度仍然嚴重；蔓延度總體增加，說明隨著鄭州市道路交通網的發(fā)展，景觀斑塊之間具有良好的連接性，連接度提高；香濃多樣性指數和香濃均勻度指數整體較高，變化幅度較小，總體呈現下降的趨勢，表明鄭州市的土地利用類型豐富，各類型斑塊分布較均勻。

表4 景觀尺度上景觀格局指數

4 結論與討論

研究期間，建成區(qū)從中心逐漸向外圍擴張，且2009—2019年面積急劇增加。這10年間鄭州市建設用地迅速擴張，表明鄭州市經濟快速發(fā)展。隨著鄭州經濟的發(fā)展、人口的增加，加快了耕地向建設用地轉化的速度，同時城市化水平的提高在一定程度上增加了景觀格局的破碎性，在一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境。鄭州市采取的“拓寬渠道實現耕地占補平衡”的措施[30]，林地和其他用地轉向耕地，減緩了耕地減少的速度。隨著鄭州市積極進行國家森林城市的建設以及所采取的“增綠、增水、增濕”的措施，在一定程度上保護了鄭州市的林地資源和水資源，2014—2019期間，林地和水域的面積略微增加，林地的破碎化有所緩解，得到了較好的保護。從四期的土地利用分類圖可以看出東部沙地面積逐漸減少，說明在人們積極的治理下，沙地逐漸轉變?yōu)槠渌衫猛恋?，增加了鄭州市可利用土地的面積，提高了土地利用率。從研究結果來看，隨著鄭州市積極進行國家森林城市的建設，加強了對林地和水域的保護，生態(tài)環(huán)境有所改善，但總體景觀破碎度依然嚴重，仍然要重視土地景觀的合理規(guī)劃。

綜合上述鄭州市景觀格局存在的問題，在未來的發(fā)展中，應加強對建成區(qū)綠地和水域的保護。近年來雖然鄭州市積極推進國家森林城市的建設，綠地和水域得到保護，但所占土地總面積比仍然很小。決策者應該更加重視保護建成區(qū)周圍的綠地和水域，保護城市生態(tài)環(huán)境、豐富城市景觀。應合理進行建設用地的開發(fā)，防止建設用地的無序擴張。近年來建設用地侵占了大量的耕地和林地，導致景觀破碎度逐漸提高，破壞了生態(tài)環(huán)境。決策者應加強對建設用地的管理，更加積極推行緊湊型城市發(fā)展理念。應加強對西部林地資源的保護，防止人們無限制地侵占林地，從事耕地活動。決策者應該更加重視林地景觀的生態(tài)價值，提高林地內部生物的多樣性。