基于RS與GIS的欒川縣土地利用景觀格局演變分析

摘 要：【目的】探究快速城市化發(fā)展背景下山地城市的景觀格局演變特征。【方法】以欒川縣為研究區(qū)，結(jié)合RS與GIS相關(guān)技術(shù)，基于土地利用數(shù)據(jù)，采用空間分析法、移動窗口法進(jìn)行探究，選用典型景觀格局指數(shù)分析景觀格局演變空間異質(zhì)性?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：①研究期間欒川縣林地雖占比大但呈下降趨勢，建設(shè)用地增長明顯，耕地和草地面積相對穩(wěn)定，水域面積減少，土地利用類在各類型間存在不同程度的轉(zhuǎn)換；②景觀格局方面，耕地的破碎化程度較高，林地的連貫性和整體性較高，水域的連通性下降，建設(shè)用地的斑塊數(shù)量顯著增加；③景觀格局空間異質(zhì)性顯示研究區(qū)破碎度增加，斑塊形狀不規(guī)則化，景觀類型多樣化?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為欒川縣加強(qiáng)合理規(guī)劃，促進(jìn)資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：RS；GIS；移動窗口法；景觀格局演變

中圖分類號：P901 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.020

An Analysis of Land Use and Landscape Pattern Evolution in

Luanchuan County Based on RS and GIS

DU Hongfei

（Henan Zhonggong Design & Research Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to explore the landscape pattern evolution characteristics under the background of rapid urbanization in a mountainous city.[Methods] Taking Luanchuan county as the research area， combined with RS and GIS related technologies， and based on land use data， spatial analysis method and moving window method were used to explore， and typical landscape pattern index was selected to analyze the spatial heterogeneity of landscape pattern evolution. [Findings] The results show that： ① During the study period， the proportion of forest land in Luanchuan county was large but showed a downward trend， the area of built-up land increased significantly， the area of cultivated land and grassland was relatively stable， and the area of water bodies decreased. There was different degree of conversion between the types of land use; ② In terms of landscape pattern， the fragmentation degree of cultivated land was higher， the connectivity and integrity of forest land were higher， the connectivity of water bodies decreased， and the number of patches of built-up land was significantly increased; ③ The spatial heterogeneity of landscape pattern showed that the fragmentation degree of the study area increased， the shape of patches was irregularized， and the landscape types diversified. [Conclusions] The research results can provide reference basis for Luanchuan county to strengthen rational planning， promote sustainable use of resources and ecological environmental protection， so as to achieve sustainable development of the region.

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

0 引言

近年來，隨著城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，土地利用及景觀格局正經(jīng)歷著前所未有的變化。這些變化不僅直接影響著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量，也對區(qū)域資源的合理配置、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及社會可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響［1］。為探究土地利用變化對景觀格局的影響，常運(yùn)用多學(xué)科進(jìn)行的生態(tài)分析，如地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、遙感科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科均可對土地利用景觀格局變化進(jìn)行相關(guān)研究［2］。遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)已成為研究土地利用及景觀格局變化的有力工具，有助于更加全面、深入地了解土地利用變化對景觀格局的影響，并分析其演變特征［3］。

現(xiàn)有研究大多關(guān)注城市、流域等區(qū)域，針對丘陵地形區(qū)域的研究相對較少［4］。欒川縣作為典型的丘陵地形區(qū)域，其景觀格局的演變具有獨(dú)特的規(guī)律性和復(fù)雜性。因此，本研究以欒川縣為例，依托遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，深入探究該縣土地利用變化及其伴隨的景觀格局演變特征，以期為欒川縣制定科學(xué)合理的土地管理制度、生態(tài)資源可持續(xù)利用提供有力的理論支撐和決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

欒川縣位于河南省洛陽市的西南部，介于東經(jīng)111°11′～112°01′，北緯33°39′～34°11′。欒川縣東與嵩縣毗鄰，西與盧氏接壤，南與南陽市西峽抵足，北與洛寧摩肩，總面積為2 477 km2。地形復(fù)雜多樣，包括中山、低山、斷陷盆地及侵蝕丘陵等多種類型。氣候方面屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年均氣溫12.4 ℃，年日照2 103 h，無霜期198天，年均降水量872.6 mm。由于縣境內(nèi)的氣候差異，形成了東北部熱溫帶和中南部溫涼濕潤帶，研究區(qū)內(nèi)的植被類型和景觀格局呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用數(shù)據(jù)主要為土地利用數(shù)據(jù)，包含2000年、2020年兩期數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）。該數(shù)據(jù)利用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行解譯獲得，解譯精度可滿足研究所需。利用GIS軟件，參照全國土地利用分類劃分標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分類，共劃分為5類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地。利用GIS軟件中空間信息統(tǒng)計(jì)工具對5類景觀類型進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得到各用地面積在年限范圍內(nèi)的占比，并利用生態(tài)分析軟件計(jì)算各期基礎(chǔ)景觀格局指數(shù)。

2 研究方法

2.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移分析是揭示用地類型動態(tài)變化特征的重要工具，為直觀地展現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)的變化情況，本研究參考相關(guān)研究成果，構(gòu)建土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，用于識別和量化由人類活動引發(fā)的用地類型轉(zhuǎn)變方向。具體公式見式（1）。

[Q=Q11Q12…Q1nQ21Q22…Q2n???Qs1Qs2…Qsn] （1）

式中：Q為土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；n為土地利用種類個數(shù)（n=5）；s和n分別表示轉(zhuǎn)移前后的用地類型；sn表示第s類用地類型面積轉(zhuǎn)移到第n類時的面積。

2.2 景觀格局指數(shù)

景觀格局可用于描述各種尺度不同用地類型在空間分布上的生態(tài)過程。本研究通過計(jì)算兩個時期內(nèi)的景觀格局指數(shù)，揭示土地利用變化的演變規(guī)律，進(jìn)而深入探究景觀格局的演變特征。為確保研究的準(zhǔn)確性和可靠性，參考蔣德平等［5］的研究，本研究從景觀類型水平中選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、散布與并列指數(shù)（IJI）、凝聚度指數(shù)（COHESION）、聚集度指數(shù)（AI）等8個指數(shù)；景觀尺度水平中選取斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、平均形狀指數(shù)（SHAPE_MN）、周長面積比分維數(shù)（PAFRAC）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）、分離度指數(shù)（DIVISION）和聚集度（AI）共10種指數(shù)類型。

2.3 窗口移動法

窗口移動法作為一種空間分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于景觀格局變化的研究中。該方法首先將景觀數(shù)據(jù)柵格化，在這些柵格數(shù)據(jù)上設(shè)定一個固定大小的方形窗口（或圓形窗口），其次分別計(jì)算各個窗口內(nèi)所覆蓋區(qū)域的景觀指數(shù)，如多樣性、均勻YpcxOS8LqRmvaGY4egwDAtSVWcSZPz7BpLytXIHuhas=度或破碎化等，最后將這一結(jié)果賦予窗口中心位置的像元。其原理是窗口會按照每一個柵格的大小進(jìn)行逐行逐列地滑動，從而對整體進(jìn)行計(jì)算。利用窗口移動法，可對景觀格局指數(shù)進(jìn)行空間可視化，并分析其空間分布特征。本研究參考了劉強(qiáng)等［6］的研究成果，并結(jié)合了研究區(qū)域的具體特點(diǎn)，將窗口大小設(shè)定為2 000 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)變化

通過GIS軟件對2000年、2020年兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀類型面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1可知，林地面積占比最大，近20年間均大于80%，但呈微弱下降趨勢，由2 053.407 km2下降為2 037.031 km2；建設(shè)用地的增幅最大，20年間增加25.769 km2；耕地和草地面積變化不大，呈微弱增加趨勢；水域面積減少，由16.745 km2下降為5.801 km2，面積減少10.944 km2。結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表2）分析，各類型間均有不同程度的轉(zhuǎn)換，其中，草地類型主要轉(zhuǎn)向林地，轉(zhuǎn)出面積1.117 km2；耕地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和林地，轉(zhuǎn)出面積分別為17.826 km2、6.252 km2；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)向耕地，轉(zhuǎn)出面積1.187 km2；林地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和耕地，轉(zhuǎn)出面積分別為13.553 km2、9.112 km2；水域主要轉(zhuǎn)向耕地，轉(zhuǎn)出面積11.432 km2。綜上，欒川縣景觀類型表現(xiàn)出較為明顯的轉(zhuǎn)移變化，需加強(qiáng)對各用地類型的合理規(guī)劃，確保資源可持續(xù)利用發(fā)展。

3.2 景觀格局演變特征分析

3.2.1 景觀類型水平尺度演變特征。景觀類型水平指數(shù)見表3。由表3可知，NP中耕地的數(shù)值最大，表征耕地在研究區(qū)內(nèi)分布較為離散，但該數(shù)值呈下降趨勢，說明規(guī)?；N植逐漸發(fā)展。建設(shè)用地的斑塊數(shù)量增加較為明顯，由64增加至171，說明建設(shè)用地受城鎮(zhèn)化影響較大；PD中耕地同樣較大，說明耕地的破碎化程度較高，水域的數(shù)值最小且呈下降趨勢；LPI中林地的數(shù)值最高，說明林地的連貫性、整體性較高；LSI中耕地同樣表現(xiàn)為最高，表明耕地的形狀區(qū)域不規(guī)則化；AREA_MN顯示林地的平均斑塊數(shù)值較高，均大于3 000；IJI表現(xiàn)水域數(shù)值增加，說明水域的相鄰斑塊之間的距離較遠(yuǎn)，分離度增加；COHESION指數(shù)中數(shù)值均表現(xiàn)出較高的凝聚度，但相較于其他類型，水域呈下降趨勢，這從側(cè)面反映出水域的連通性下降；AI中草地、耕地、水域呈下降趨勢，說明此3類景觀逐漸受外部環(huán)境干擾，斑塊聚集程度下降。綜上，欒川縣20年間研究區(qū)各景觀類型生態(tài)效應(yīng)均較為明顯，受外部環(huán)境干擾影響，逐漸趨于離散化且斑塊破碎風(fēng)險增加。

3.2.2 整體水平指數(shù)演變特征。景觀整體水平指數(shù)見表4。由表4可知，PD、LSI、SHAPE_MN數(shù)值增加，說明研究區(qū)整體上破碎度增加且斑塊形狀趨于不規(guī)則化；AERA_MN、CONTAG數(shù)值不斷下降，表明各類型斑塊平均面積逐漸減小，且各景觀類型間的優(yōu)勢斑塊無法形成良好的連通性，同樣這兩類指數(shù)也表明景觀的破碎化程度增高；PAFRAC、DIVISION指數(shù)不斷增加，表明景觀類型的形態(tài)越復(fù)雜，斑塊內(nèi)部的分離度不斷上升，趨于不穩(wěn)定狀態(tài)；SHDI、SHEI指數(shù)處于上升狀態(tài)，主要是由于近年來社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對城區(qū)周邊用地類型造成影響，受外部環(huán)境干擾后促使景觀類型多樣化發(fā)展；AI的變化表明景觀整體上趨向非聚集化。綜上，20年間研究區(qū)景觀變化顯著。破碎度、斑塊形狀不規(guī)則性增加，斑塊平均面積減小，連通性下降，表明景觀破碎化加劇。同時，景觀形態(tài)趨于復(fù)雜，內(nèi)部分離度上升，穩(wěn)定性降低。

3.3 景觀格局空間異質(zhì)性分析

本研究參考王文才［7］選取斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、香濃多樣性指數(shù)進(jìn)行探究景觀格局空間異質(zhì)性（如圖1所示）。由圖1可知，聚集度指數(shù)顯示，大部分處于高值區(qū)域，在白土鎮(zhèn)、三川鎮(zhèn)及河谷區(qū)域?yàn)榈椭祬^(qū)，主要原因是這些區(qū)域景觀類型較多樣，且人口居住密集，到2020年時聚集度低值呈下降趨勢，降為87.721；景觀形狀指數(shù)顯示在中部河谷、城區(qū)及西部為高值區(qū)，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展高值由4.836上升為5.235，主要原因是道路設(shè)施的完善，引起斑塊被分割，景觀連通性下降，引起高值增加；景觀分離度顯示高值區(qū)域同景觀形狀指數(shù)的空間分布相近，雖高值未發(fā)生變化，但在研究區(qū)東側(cè)，高值區(qū)域明顯增加，主要原因是合峪鎮(zhèn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，礦產(chǎn)開發(fā)引起原生景觀發(fā)生變化，各類型間的離散程度逐漸加大；香農(nóng)多樣性指數(shù)顯示，高值由1.423上升為1.483，變化區(qū)域較為明顯的是縣城附近，受旅游業(yè)發(fā)展，老君山吸引大量外來游客，引起建筑業(yè)快速發(fā)展，伴隨城區(qū)原有區(qū)域發(fā)展受限，逐漸向城區(qū)附近進(jìn)行開發(fā)資源，使得城區(qū)附近建設(shè)用地增幅較大，且北部潭頭鎮(zhèn)、秋扒鎮(zhèn)、白土鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路修繕與建設(shè)，促使經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但這一過程中必然會對自然景觀進(jìn)行分割，引發(fā)景觀類型發(fā)生變動，導(dǎo)致景觀類型多樣化發(fā)展。綜上，本研究通過斑塊密度、景觀形狀指數(shù)等分析景觀格局空間異質(zhì)性，結(jié)果顯示，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和道路網(wǎng)絡(luò)的完善，景觀的聚集度、形狀及分離度空間上均發(fā)生顯著變化，旅游業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)活動的增長，進(jìn)一步促進(jìn)了景觀類型的多樣化。

3 結(jié)論

①土地利用類型轉(zhuǎn)換中，各類型間存在不同程度的轉(zhuǎn)換，其中草地主要轉(zhuǎn)向林地，耕地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和林地，建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)向耕地，林地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和耕地，而水域主要轉(zhuǎn)向耕地。

②從景觀格局演變特征來看，耕地的破碎化程度較高，且形狀區(qū)域不規(guī)則化；林地的連貫性和整體性較高，但平均斑塊數(shù)值下降；水域的連通性下降，相鄰斑塊之間的距離增加；建設(shè)用地的斑塊數(shù)量顯著增加。

③針對上述變化，建議加強(qiáng)對各用地類型的合理規(guī)劃，特別是林地和水域的保護(hù)，以確保資源的可持續(xù)利用發(fā)展，同時，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)土地的管理和整治，提高土地利用效率；在城市化進(jìn)程中，應(yīng)注重生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，避免對自然景觀的過度破壞。

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