基于移動(dòng)窗口法的登封市景觀格局時(shí)空演變分析

王文才 杜嵩 邢曉露

摘 要：【目的】揭示城市景觀格局時(shí)空演變特征，以期緩解社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展不平衡問(wèn)題?！痉椒ā窟\(yùn)用土地利用數(shù)據(jù)，基于GIS和移動(dòng)窗口法探究登封市土地結(jié)構(gòu)變化的空間特征，并從破碎度、多樣性、聚集性三個(gè)方面分析景觀格局的空間異質(zhì)性特征。【結(jié)果】結(jié)果表明：①城鎮(zhèn)化過(guò)程中對(duì)耕地類(lèi)型的影響最大；②根據(jù)各指數(shù)變化趨勢(shì)，灌木林的空間異質(zhì)性程度最大；建設(shè)用地復(fù)雜性加劇；林地斑塊逐漸破碎化；草地和建設(shè)用地呈現(xiàn)逐漸聚集化；③景觀格局空間異質(zhì)性變化顯示，南部和東部區(qū)域的變化較大，內(nèi)部斑塊的集聚效應(yīng)下降，整個(gè)研究區(qū)的景觀破碎化與多樣性程度不斷加劇?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果能夠?yàn)榈欠馐械纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)化；GIS；移動(dòng)窗口法；景觀格局演變

中圖分類(lèi)號(hào)：P901 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.020

Spatio-Temporal Evolution of Landscape Pattern in Dengfeng City Based on Moving Window Method

WANG Wencai DU Song XING Xiaolu

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd .， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper reveals reveal the spatio-temporal evolution characteristics of urban landscape pattern to effectively alleviate the development imbalance between social economy and ecological environment. [Methods] This paper explored the spatial characteristics of land structure change in Dengfeng City based on land use data， GIS and moving window method， and analyzed the spatial heterogeneity characteristics of landscape pattern from three aspects： fragmentation， diversity and aggregation. [Findings] The results showed that： ① urbanization had the greatest impact on cultivated land types; ② According to the variation trend of each index， the degree of spatial heterogeneity of shrub forest was the largest; The complexity of construction land intensifies; Gradual fragmentation of woodland patches; The grassland and construction land are gradually clustered; ③ The spatial heterogeneity of landscape pattern showed that the southern and eastern regions had significant changes， the agglomeration effect of internal patches decreased， and the degree of landscape fragmentation and diversity in the whole study area continued to intensify. [Conclusions] The research results can provide reference for ecological environment protection and coordinated development of society and economy in Dengfeng City.

Keywords： urbanization;GIS; moving window method; landscape pattern evolution

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年，中國(guó)城鎮(zhèn)化率已達(dá)63.9%，相比于1978年的17.9%，增加幅度達(dá)46%［1］。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成了重大影響，原生用地的改變使區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)和維持功能被大幅度削弱［2］。當(dāng)前，從用地類(lèi)型變化層次研究景觀格局的分異變化特征已成為熱點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)研究只側(cè)重于人為因素的影響，運(yùn)用土地利用變化數(shù)據(jù)進(jìn)行探究則綜合考慮了自然因素和人為因素的雙重作用［3-5］。隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，利用遙感影像解譯得到土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)能夠更加有針對(duì)性的對(duì)區(qū)域進(jìn)行景觀格局時(shí)空演變進(jìn)行分析［6］。

登封市位于河南省西部，是省會(huì)城市鄭州的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，該區(qū)域地形地貌較為復(fù)雜，生態(tài)敏感性較高，城市發(fā)展布局與土地利用結(jié)構(gòu)之間的矛盾日益突出，在此背景下，深入探究山區(qū)城市的景觀格局演變特征，對(duì)土地資源的可持續(xù)利用具有積極作用。本研究運(yùn)用土地利用數(shù)據(jù)，基于GIS探究了登封市的土地結(jié)構(gòu)變化的空間特征；利用移動(dòng)窗口法從破碎度、多樣性、聚集性三個(gè)方面分析登封市景觀格局的時(shí)空分布和變化特征，研究結(jié)果可為登封市的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

登封市位于鄭州市西南部，地形較為復(fù)雜，地勢(shì)總體上為南北高，中間低。常年干旱少雨，年均降水量614 mm，降雨期集中在6—8月。登封市目前處于擴(kuò)大開(kāi)放、高速發(fā)展的重要時(shí)期，隨著城鎮(zhèn)化和礦產(chǎn)資源的無(wú)序開(kāi)采，導(dǎo)致合理的用地結(jié)構(gòu)遭到破壞，景觀整體連通性降低，為此研究登封市的景觀格局的演變特征對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境極其重要。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究主要運(yùn)用2000—2020年登封市土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn），主要利用遙感數(shù)據(jù)經(jīng)人機(jī)交互解譯獲得。依據(jù)全國(guó)土地利用現(xiàn)狀劃分標(biāo)準(zhǔn)及研究目的，將登封市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)劃分為6類(lèi)，分別為耕地、林地、草地、灌木林、水域和建設(shè)用地。

1.3 研究方法

首先利用ArcGIS10.2軟件結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)登封市20年土地利用結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行分析［7］；然后基于移動(dòng)窗口法，利用景觀格局指數(shù)識(shí)別研究區(qū)的景觀格局演變特征［8］。其中，景觀格局指數(shù)是根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)及指數(shù)的生態(tài)意義進(jìn)行選取的［9-11］，在景觀類(lèi)型水平指數(shù)中選擇斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、凝聚度指數(shù)（COHESION）；在景觀整體水平指數(shù)上選擇景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、周長(zhǎng)面積比分維數(shù)（PAFRAC）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、分離度指數(shù)（DIVISION）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）、聚集度指數(shù)（AI）；在景觀格局演變的空間異質(zhì)性分析上分別從破碎度、多樣性和聚集性三個(gè)方面進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化特征分析

2000—2020年登封市土地利用結(jié)構(gòu)變化見(jiàn)表1。由表1可知，登封市的總面積為1 218.14 km?，耕地和林地是登封市的優(yōu)勢(shì)景觀。近20年各土地利用類(lèi)型的面積變化表現(xiàn)為：耕地、灌木林、水域、草地為下降趨勢(shì)，林地和建設(shè)用地為增加趨勢(shì)。變化幅度較大的是耕地減少了10.27%，建設(shè)用地增加了5.56%。該變化表明研究區(qū)的城鎮(zhèn)化過(guò)程對(duì)耕地類(lèi)型的面積影響最大。2000—2020年登封市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表2，由表2可知，近20年登封市的土地利用類(lèi)型變化，主要表現(xiàn)為耕地、灌木林的轉(zhuǎn)出，分別轉(zhuǎn)出125 km?、10.21 km?，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入，為67.76 km?。結(jié)合表1、表2可知，登封市各土地利用類(lèi)型在時(shí)間和空間上具有明顯的差異性變化，且受城鎮(zhèn)化影響較為明顯。

2.2 景觀格局演變分析

2.2.1 類(lèi)型水平指數(shù)變化特征分析。各類(lèi)型水平指數(shù)變化如圖1所示。由圖1可以看出，灌木林的PD較高，且呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明灌木林的空間異質(zhì)性程度最大，分布相對(duì)均衡，草地和水域的斑塊密度最小，呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明這兩類(lèi)的空間異質(zhì)性程度小且分布不均，為此可加強(qiáng)對(duì)草地和水域保護(hù)的強(qiáng)度，使其結(jié)構(gòu)變化更為合理。LSI表現(xiàn)特征與PD類(lèi)似，其中建設(shè)用地的變化呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)，說(shuō)明建設(shè)用地的面積增加，使得該類(lèi)型的外圍斑塊形狀呈現(xiàn)不規(guī)則化，復(fù)雜性加劇。平均斑塊面積指數(shù)顯示耕地、水域、林地的占比最大，但只有林地表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明林地面積逐漸下降，使得該類(lèi)型斑塊逐漸破碎化。COHESION表現(xiàn)為整體大于30的特征，其中水域、灌木林為下降趨勢(shì)，草地和建設(shè)用地為上升趨勢(shì)，其他兩類(lèi)變化不明顯，COHESION的變化特征說(shuō)明草地和建設(shè)用地在逐漸聚集化。

2.2.2 整體水平指數(shù)變化特征分析。2000—2020年登封市整體水平景觀格局指數(shù)見(jiàn)表3，由表3可知，近20年間登封市LSI不斷增加，說(shuō)明該區(qū)域的用地類(lèi)型變得逐漸復(fù)雜及不規(guī)則化；AREA_MN由8.308 7降至7.812 1，且DIVISION增至0.626 6，說(shuō)明研究區(qū)的斑塊破碎化加劇且分離程度在不斷上升；SHDI和SHEI指數(shù)上升，主要由于研究區(qū)土地利用越來(lái)越豐富，但各斑塊類(lèi)型優(yōu)勢(shì)度不明顯；PAFRAC由1.416 4降至1.380 8，CONTAG由65.772降至60.261 7，這兩種指數(shù)的變化反映出研究區(qū)受人類(lèi)干擾的強(qiáng)度在不斷增加，且優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型不斷下降；AI的變化則反映出不同斑塊類(lèi)型的聚集程度在逐漸下降。綜上，近20年間登封市的發(fā)展不斷加快，人類(lèi)活動(dòng)的影響在逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致研究區(qū)的斑塊破碎化程度不斷增強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)景觀呈下降趨勢(shì)，且土地利用類(lèi)型不斷多樣化。

2.2.3 景觀格局時(shí)空分異特征?；谝苿?dòng)窗口法，獲得破碎度、多樣性、聚集性三個(gè)方面景觀格局指數(shù)空間分布，如圖2所示。由此可見(jiàn)，景觀破碎度整體高值的變化為先增高后降低，南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)中白坪鄉(xiāng)、徐莊鄉(xiāng)和東華鎮(zhèn)的變化較為劇烈，說(shuō)明該區(qū)域的人為活動(dòng)影響較強(qiáng)烈，中岳街道的高值呈逐漸降低趨勢(shì)，這是因?yàn)槌鞘刑幱趦?nèi)部建設(shè)發(fā)展階段，使得建設(shè)用地連片發(fā)展。從景觀多樣性來(lái)看，整體上高值由1.435 5升至1.535 2，表明景觀呈現(xiàn)多樣化發(fā)展且各類(lèi)型景觀不斷被分割，破碎化加劇，變化較劇烈的區(qū)域同樣為南部區(qū)域，另外研究區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的高值同樣在不斷上升，東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要為城鄉(xiāng)接合部，用地類(lèi)型以建設(shè)用地、工況用地為主，說(shuō)明城市外擴(kuò)導(dǎo)致周邊區(qū)域的用地發(fā)生較大變化。從景觀聚集性來(lái)看，聚集低值在逐漸下降，由69.098 2降至67.352 4，變化較明顯的為登封市東部區(qū)域，耕地類(lèi)型在不斷被其他類(lèi)型所分割，聚集性下降較大，結(jié)合另外兩者說(shuō)明研究區(qū)東部是人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度最大的區(qū)域。

3 結(jié)論

①近20年登封市城鎮(zhèn)化過(guò)程對(duì)耕地類(lèi)型的面積影響最大，面積減少了125 km?；建設(shè)用地的增加較大，為67.759 km?。

②類(lèi)型水平指數(shù)變化中，灌木林的PD、LSI均較高，且呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明灌木林的空間異質(zhì)性程度最大。建設(shè)用地LSI表現(xiàn)為外圍斑塊形狀呈現(xiàn)不規(guī)則化，復(fù)雜性加劇。AREA_MN顯示林地為上升趨勢(shì)，表明林地面積逐漸下降，使得該類(lèi)型斑塊逐漸破碎化。COHESION表現(xiàn)為整體大于30的特征，草地的上升趨勢(shì)最為明顯，說(shuō)明草地和建設(shè)用地在逐漸聚集化。

③整體水平指數(shù)變化中，LSI、SHDI、SHEI、DIVISION表現(xiàn)為不斷增加；AREA_MN、PAFRAC、CONTAG、AI為逐漸下降。表明20年間登封市人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度在逐漸變大，導(dǎo)致研究區(qū)斑塊破碎化加劇，優(yōu)勢(shì)景觀減少，且土地利用類(lèi)型不斷多樣化。

④景觀格局空間異質(zhì)性變化中，研究區(qū)明顯受城鎮(zhèn)化經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響，南部和東部區(qū)域的變化較大，內(nèi)部斑塊的集聚效應(yīng)下降，整個(gè)研究區(qū)的景觀破碎化與多樣性程度不斷加劇。

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