2012～2021年西安市景觀格局時空演變特征研究

周神亮

（廣東省國土資源測繪院, 廣東 廣州 510000）

1 引言

土地是人類賴以生存的物質(zhì)基礎，土地利用及區(qū)域景觀格局的演變是人類活動、經(jīng)濟發(fā)展以及自然調(diào)節(jié)共同作用的綜合體。人文經(jīng)濟、社會政策以及科技發(fā)展在一定程度上起著主導性作用，而自然因素對其演變特征與發(fā)展趨勢具有一定的調(diào)節(jié)作用，現(xiàn)階段隨著人們對環(huán)境保護意識的提高，對土地資源的保護性開發(fā)已成為人們關注的重點，對土地利用以及區(qū)域景觀格局的演變特征研究也成為全球環(huán)境變化研究的熱點與核心問題[1-3]。

西安市是我國歷史文化名城、陜西省省會城市、國家中心城市，地處渭河流域中部關中盆地，土地礦產(chǎn)、生物資源豐富。但隨著經(jīng)濟發(fā)展、人口增加，西安市土地利用受人文及經(jīng)濟發(fā)展因素干擾正發(fā)生改變，因此開展西安市土地利用研究十分必要。目前，對區(qū)域土地利用、景觀格局的時空演變多集中于對某一指數(shù)進行分析，或僅分析土地利用的時空演變特征。孫善良等采用土地動態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法，分析陜西省土地利用變化特征。楊麗萍、張靜、貢恩軍等采用GEE 技術獲取西安市土地，分析土地利用格局時空變化規(guī)律，并利用地理探測器從自然和社會兩方面探討土地利用格局變化的驅(qū)動機制[4]。鄒月、周忠學等分析了西安市景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[5]。劉愿理、廖和平、李靖等以云南省南澗彝族自治縣80 個行政村為評價單元，運用多邊形綜合圖示法、探索性空間數(shù)據(jù)分析和地理探測器等方法，系統(tǒng)分析了2017 年土地利用多功能空間格局特征和影響因素[6]。

本文在以上研究基礎上提出利用GIS 與Fragstats技術聯(lián)合開展西安市土地覆被演變與景觀格局時空變化特征。獲取西安市2000、2010、2020 年以十年為間隔的土地利用數(shù)據(jù)，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)度分析西安市土地利用演變特征及方向；同時為分析西安市景觀格局的變化特征，采用格網(wǎng)法聯(lián)合Fragstats 技術計算西安市景觀格局斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）和SHDI 多樣性指數(shù)（SHDI）等，分析其時空變化特征，并進行空間異質(zhì)性分析。研究西安市長時序的土地利用和景觀格局變化，可為西安市景觀格局的優(yōu)化以及生態(tài)環(huán)境建設提供參考。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)分析

西安市地處關中平原中部，是西安都市圈的核心區(qū)域，總面積達10752km2，常住人口達1316.30 萬人，截至2021 年底西安市城鎮(zhèn)化率達79.49 %，全市實現(xiàn)生產(chǎn)總值10688.28 億元。

研究所用數(shù)據(jù)來源于GlobeLand30 數(shù)據(jù)集平臺，獲取西安市2000、2010、2020 年土地利用數(shù)據(jù)，并經(jīng)過裁剪、投影變換等基本操作，完成數(shù)據(jù)預處理工作。

2.2 土地利用演變分析

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用方面的應用，對區(qū)域范圍內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)移進行定向、定量、定性分析[7,8]。引入土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣并結(jié)合GIS 技術，共同分析研究區(qū)土地利用動態(tài)演變，實現(xiàn)對演變特征的定量定性分析，并實現(xiàn)演變方向的可視化。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式如下：

土地利用變化率可用于定量分析區(qū)域土地利用變化情況，對區(qū)域土地利用差異比較及土地利用變化趨勢有一定的預測意義。土地利用變化速率計算可依據(jù)研究區(qū)一定時段范圍內(nèi)某類利用類型面積的變化量進行計算，變化率計算方法如下：

公式中，SPi為第i類地類在研究期間的變化速率，Siq、Sih為研究始末期間第i類地類面積，T為研究時段長。

2.3 景觀格局時空演變特征

景觀格局旨在分析區(qū)域景觀的空間格局，研究區(qū)各類型景觀空間單元的大小、形狀、屬性等在空間上的分布及組成規(guī)律[9]。景觀格局是景觀異質(zhì)性的體現(xiàn)，分析景觀格局要考慮景觀及其單元的拓撲特征[10]。研究采用網(wǎng)格法，以2km×2km 為研究單元計算斑塊密度PD 值、形狀指標指數(shù)LSI，分析西安市景觀格局的異質(zhì)性，同時，以整個西安市為研究區(qū)，計算研究區(qū)景觀多樣性指數(shù)SHDI 等多時期、多類型景觀指數(shù)，共同分析研究區(qū)內(nèi)景觀類型的發(fā)展趨勢。各景觀指數(shù)計算公式及意義如表1 所示。

表1 研究選取的景觀格局指數(shù)及含義

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用時空演變特征

研究期間，西安市2000、2010、2020 年不同時期的土地利用時空分布特征如圖1 所示。為定量分析其用地變化，本文通過計算各時期不同用地類型面積以及不同時間段內(nèi)的用地變化率，分析西安市各類型用地的發(fā)展趨勢，用地類型定量統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。結(jié)合圖1 和表2 分析可知：研究期間各類型用地均發(fā)生了不同程度的變化，其中以濕地、水體及建設用地變化最為明顯，濕地面積呈持續(xù)減少趨勢，且在2000～2010 年時間段內(nèi)變化最為明顯；水體、建設用地面積則呈持續(xù)增加趨勢，2000～2010 年間建設面積增加速率達4.15%，增加面積達355.83km2，2010～2020 年間建設用地面積增加速率減緩為1.51%。總體而言，西安市建設用地持續(xù)增加。從空間分布分析，建設用地均以老城區(qū)為中心向周邊延伸，其他類型用地也以原類型用地為基礎存在不同程度的收縮或擴張。研究期間通過統(tǒng)計西安市多時期各類型用地面積、變化率等可以發(fā)現(xiàn)，西安市在發(fā)展過程中，區(qū)域土地利用類型并非保持不變，而是一直處在不斷遷移過程。

圖1 西安市2000～2020年土地利用空間分布

表2 西安市2000～2020年各類型用地面積及變化速率統(tǒng)計

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的典型利用，可以定量有效分析各個時間段內(nèi)用地類型的變化速率以及增減趨勢，但缺少對各類型用地轉(zhuǎn)移方向的分析。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠?qū)^(qū)域范圍內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)移進行定向、定量、定性分析。西安市2000～2010 年、2010～2020 年土地利用轉(zhuǎn)移空間分布如圖2 所示，2000～2010 年、2010～2020 年土地利用類型轉(zhuǎn)移方向及轉(zhuǎn)移量統(tǒng)計結(jié)果分別如表3、表4 所示。

圖2 2000～2010年西安市土地利用類型轉(zhuǎn)移時空變化特征

表3 2000～2010年西安市土地利用類型轉(zhuǎn)移定向、定性分析

表4 2010～2020年西安市土地利用類型轉(zhuǎn)移定向、定性分析

結(jié)合圖2 和表3 分析可知，2000～2010 年間西安市土地利用轉(zhuǎn)移較為活躍，且主要集中于建設用地與耕地之間的轉(zhuǎn)換，建設用地面積增加355.83km2，其中，轉(zhuǎn)入建設用地面積占總轉(zhuǎn)移量的84.5%。水域范圍增加，82.3%來源于耕地面積轉(zhuǎn)化。林地面積基本保持不變，但在研究期間，林地多向草地轉(zhuǎn)移，后由耕地、草地轉(zhuǎn)入補充。草地面積減少，主要轉(zhuǎn)移為林地。其他類型用地轉(zhuǎn)移量較少 ；從轉(zhuǎn)移方向及空間分布分析，林地、耕地等多轉(zhuǎn)入建設用地類型，且耕地面積持續(xù)減少。從空間分布上分析，西安市整體范圍內(nèi)各類用地轉(zhuǎn)移較為活躍，一直處在不斷遷移過程，表明該地區(qū)人類活動以及經(jīng)濟發(fā)展正在對整個西安市土地利用產(chǎn)生重要影響。因此，研究西安市土地利用演變機制有一定必要性，揭示土地利用演變機制有利于相關部門進行土地調(diào)整、優(yōu)化土地利用。

3.3 景觀格局分析

景觀格局即能夠表現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)各類景觀的大小、形狀等在空間上的排列組合，包括構成景觀的類型數(shù)量以及空間分布等情況。本文通過結(jié)合GIS 與Fragstats 技術，采用格網(wǎng)分析法以2×2km2為研究單元，計算斑塊密度指數(shù)（PD）、形狀指數(shù)（LSI），分析西安市景觀指數(shù)演變特征及其空間異質(zhì)性，具體如圖3、圖4 所示。同時以西安市整體為研究單元計算密度指數(shù)（PD）、形狀指數(shù)（LSI）以及多樣性指數(shù)（SHDI），不同時期西安市整體景觀格局演變?nèi)绫? 所示。

圖3 西安市2000 ～ 2020年斑塊密度指數(shù)（PD）時空變化

圖4 西安市2000 ～ 2020年景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）時空變化

表5 不同時期西安市景觀格局指數(shù)

3.3.1 景觀破碎度分析

斑塊級景觀指數(shù)斑塊密度（PD），可在一定程度上反映區(qū)域范圍內(nèi)景觀整體的異質(zhì)性與破碎度，以及某一類型用地的破碎化程度。結(jié)合圖3、表5 分析：2000、2010、2020 年三個時期西安市斑塊密度變化幅度較小，斑塊密度水平主要集中在[0-25]。但不同年份的斑塊密度空間分異性較為明顯，西安市北半部區(qū)域斑塊密度值明顯較大，主要分布在[6-25]，破碎化程度較高，這主要是由于該區(qū)域為建設用地集中區(qū)，人類活動較為頻繁，對土地開發(fā)利用以及改造強度較大，土地利用類型變化較為活躍，大斑塊土地利用類型受到破碎化導致。

3.3.2 景觀形態(tài)時空演變特征分析

景觀形態(tài)指數(shù)是能夠描述區(qū)域范圍內(nèi)景觀復雜程度的定量性指標，景觀形態(tài)指數(shù)值越小，表示景觀形態(tài)越規(guī)則化；景觀形態(tài)指數(shù)值越大，則表示景觀形態(tài)越復雜。分析圖4 及表5 可以發(fā)現(xiàn)：研究期間西安市景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）整體變化幅度不大，格網(wǎng)分析方式發(fā)現(xiàn)，2000、2010、2020 年LSI 取值范圍在[0-7.5]。變化幅度較小，且在空間分布上具有一定的一致性。從西安市整體范圍分析，研究期間西安市景觀形態(tài)指數(shù)呈上升趨勢，且2020 年為較大值，這表明該區(qū)域各類用地斑塊呈規(guī)則化發(fā)展，進一步證實了西安市用地的規(guī)范化發(fā)展趨勢。

3.3.3 多樣性時空演變特征分析

香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI），能夠反映區(qū)域景觀異質(zhì)性，對景觀中各類斑塊類型的均衡性分布具有較強的敏感性，同時也能反映區(qū)域范圍景觀類型、用地類型的多樣性。基于此分析表5 西安市SHDI 時序變化特征發(fā)現(xiàn)，在2000～2020 年，西安市多樣性指數(shù)（SHDI）呈緩慢增加趨勢，表明西安市用地類型呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，各類型用地分布呈均衡發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論

研究分析區(qū)域土地覆被及景觀指數(shù)動態(tài)演變特征，有助于了解區(qū)域范圍內(nèi)用地類型的變更情況，對優(yōu)化配置土地資源、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有一定意義。本研究以西安市2000、2010、2020 年土地覆被類型數(shù)據(jù)為基礎，基于GIS 與Fragstats 技術，構建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣以及景觀格局斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）和多樣性指數(shù)（SHDI），研究西安市近年來的土地利用和景觀格局變化。

研究期間，西安市土地利用類型轉(zhuǎn)移較為活躍，主要集中于建設用地與其他如耕地、林地、水體等用地類型之間，且耕地呈持續(xù)減少趨勢，建設用地以原建設用地為中心向周圍擴張，其他用地之間均有轉(zhuǎn)移變化趨勢且均勻分布于全市域范圍，表明西安市在發(fā)展過程中區(qū)域土地利用類型并非保持不變，而是一直處在不斷遷移過程。

2000～2020 年，西安市整體空間景觀格局的時空變化特征較明顯。整體綠色空間破碎化程度呈先上升后下降的情況；景觀形狀指數(shù)（LSI）整體變化幅度不大，且在空間分布上具有一定的一致性，呈規(guī)則化發(fā)展 ；多樣性增強，用地區(qū)域均衡發(fā)展?？臻g分布上，整體景觀格局破碎化、隨景觀形態(tài)空間位置不同而變化，多樣性指數(shù)（SHDI）隨著時間推移、西安市用地類型的多樣化發(fā)展，呈持續(xù)上升趨勢。從時序發(fā)展分析，西安市景觀破碎化指數(shù)呈先上升后下降的發(fā)展趨勢，這一變化的主要原因是用地逐步規(guī)范化，土地集約化等政策實施，使得各類型用地得以充分使用、合理規(guī)劃，這也與景觀形狀指數(shù)（LSI）研究結(jié)果相契合。