基于遙感的杭州余杭森林景觀格局變化

郭 徵，江 洪，，陳 健，程苗苗，江子山，余樹全，李土生

（1.浙江林學院 國際空間生態與生態系統研究中心，浙江 臨安 311300；2.南京大學 國際地球系統科學研究所，江蘇 南京 210093；3.浙江省林業廳 生態中心，浙江 杭州 310020）

森林生態系統作為陸地生態系統的主體，是人類和多種生物賴以生存和發展的基礎。它具有豐富的生物多樣性，復雜的結構和生態過程，對改變和影響區域氣候、水資源分布、涵養水源、凈化水質、保持水土、抵御各種自然災害，都起到重要作用［1-6］。林地作為一種重要的自然景觀組分，在城市用地規?？焖倥蛎涍^程中，森林受到強烈的分割和轉化。近30 a以來，中國長江三角洲地區快速城市化過程導致景觀結構發生了劇烈變化［7］。總體變化趨勢表現為城市用地規模不斷擴大，農業和自然景觀組分類型面積不斷萎縮［8］。城郊森林作為該地區森林生態系統的重要組成部分，研究其景觀格局變化過程，對于保護城市化過程中城郊森林乃至整個森林生態系統都具有重要的現實意義［9］。近年來，浙江省杭州市余杭區經濟突飛猛進，城鎮快速發展，規模不斷擴大，已成為中國高速城鎮化地區的典型代表，人為活動對于森林景觀的破碎化影響尤為明顯。為此，本研究選定余杭區作為研究區域，運用有效的遙感信息處理方法準確地獲取研究區土地利用變化信息，并利用景觀格局指數和轉移矩陣，分析森林景觀格局的演化過程及特征，對城鎮化過程中城郊森林景觀格局的演變進行探討，旨在認識城市化過程中余杭區森林景觀的變化規律，為合理保護利用生物多樣性資源，有效發揮森林生態服務功能提供理論基礎。

1 研究區概況

研究區域為浙江省杭州市北部余杭區（圖1），地理坐標 30°10′～ 30°34′N，119°40′～ 120°20′E，處于杭嘉湖平原和浙西山地丘陵過渡地帶，地勢西高東低。總面積為1 228.8 km2，其中林業用地面積約占總面積的39.8%，全區森林覆蓋率為37.4%。氣候屬于亞熱帶南緣季風氣候，冬夏長春秋短，光溫水配合良好，年均氣溫為16.0℃，年降水量為1 150～1 550 mm。該區森林土壤主要為紅壤，約占山地土壤面積的89.0%，另外，黃壤、巖性土、潮土和水稻土等也有分布。地帶性植被類型為常綠闊葉林，現有常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林和竹林及灌木林等，竹林和松林最多，其中竹林經濟價值較高，與農民收入緊密相關。選取本研究區域對于研究城市化過程中亞熱帶森林景觀格局變化具有典型的代表意義。

圖1 余杭區位置示意圖Figure 1 Situation of Yuhang District，Hangzhou City，Zhejiang Province

2 研究方法

2.1 資料的收集

研究區域的地形圖、數字高程模型（DEM）數據、土地利用數據、行政圖和有關的文字資料，以及相關年份的3期遙感影像資料，包括質量較好的1978年Landsat/MSS，1990年Landsat/TM和2003年Landsat/ETM。

2.2 空間數據的處理

以研究區域1978年的Landsat/MSS，1990年Landsat/TM和2003年的Landsat/ETM影像為基礎數據，圖像預處理之后，利用圖像原始信息量損失最小的立體卷積法將所有遙感圖像重采樣為30 m分辨率，同時在1∶1萬地形圖幾何糾正基礎上進行圖像間的配對糾正，結合研究區域的地形圖、DEM數據、土地利用數據、行政圖以及有關的文字資料，在ERDAS IMAGE 9.1，ARCVIEW3.3，ARCGIS 9.2等軟件的支持下，采用決策樹方法進行景觀分類與制圖。確定了7種景觀類型（圖2）：1竹林，2經濟林，3針葉林，4闊葉林，5建筑用地，6農田，7水體，并編制了該區域的景觀類型圖。然后對3期遙感圖像的分類結果進行精度檢驗（每幅景觀類型圖中產生檢驗點200個），Kappa系數均達到0.75以上，符合應用要求。

圖2 1978年，1990年和2003年研究區森林景觀類型圖Figure 2 Landscape pattern of the research area in 1978，1990 and 2003

2.3 景觀格局指數的選取

景觀指數指能反映景觀格局結構和空間配置的定量指標，被廣泛地應用于城市化過程中土地利用格局研究。在斑塊類型水平上，針對該研究區景觀格局和斑塊類型的特征，筆者從邊緣（斑塊數量、邊緣密度和斑塊周長），形狀（聚集度指數、相似與鄰接百分比和面積加權的平均形狀指數），面積（斑塊密度和平均斑塊面積）3個方面選取不同類型的景觀指數來分析和認識城市化過程中城郊森林的基本格局變化特征和規律［10－13］。在景觀水平上，選取如總面積、總邊界長度、斑塊數等景觀固有屬性指數來分析研究區域的景觀格局特征［14－17］，并且分析了該研究區的景觀異質性情況。

2.4 轉移矩陣的計算

轉移矩陣指通過對不同狀態的初始概率及其狀態之間轉移概率的研究來確定狀態的變化趨勢，從而達到對未來進行預測的目的［18］。轉移矩陣模擬景觀從一種狀態向另一狀態轉移的動態過程，是一系列特定的時刻間隔下，一個亞穩定系統由一個時刻狀態向下一個時刻轉化的一系列過程。無論其初始狀態如何，總存在一個由轉移概率矩陣唯一確定的穩定狀態［19］。筆者運用轉移矩陣來研究森林景觀類型之間的相互轉化與穩定性。

3 結果分析

3.1 景觀格局指數分析

3.1.1 景觀結構邊緣指數分析 由于本研究主要分析余杭區森林景觀結構的變化，但建筑用地、農田、水體作為該地區不可分割的景觀類型，仍然被作為重要的組成部分列出。由表1可以看出斑塊數量在1990年出現激烈的增長，是1978年的近10倍，而在2003年有所下降，但與1978年相比較仍然有不小的增長；從邊緣密度和斑塊周長來分析，同樣可以得到與斑塊數量相似的結果。從中可以發現，1990年與1978年相比，該研究區的森林景觀結構破碎化程度增大，而在2003年破碎化程度有所減小。

3.1.2 景觀結構形狀指數分析 從表2可以看出，除了闊葉林的形狀指數在1990年下降外，其他林分均表現為1990年比1978年上升，在2003年又下降。這表明，在1978－1990年內人類對于森林景觀的影響導致了景觀的形狀復雜化。聚集度指數表明了同種斑塊類型之間的自然銜接程度［20］。從聚集度指數來看，余杭區的景觀類型之間相互干擾較小，同種景觀類型存在較好的連接，但可以發現，各景觀類型聚集度指數均在1990年降低而在2003年有所升高，這可以充分說明人類干擾對于森林景觀結構變化的影響。

表1 邊緣景觀格局指數分析Table 1 Spatial analysis of landscape edge pattern

表2 形狀景觀格局指數分析Table 2 Spatial analysis of landscape shape pattern

3.1.3 景觀結構面積指數分析 由表3可以看出，1990年的景觀情況破碎化嚴重。首先各種景觀類型斑塊密度指數比1978年明顯增大，到2003年時有所降低，但是與1978年相比較，該指數依然較高。從平均斑塊面積指數也可以得到一致的結論，但是最大斑塊指數的變化情況較為復雜，各種林分之間沒有一致的規律性。單個林分縱向比較可以發現，竹林和闊葉林的最大斑塊指數逐年增大，說明這兩種林分類型所受大斑塊支配的程度逐漸加大；經濟林的最大斑塊指數、斑塊密度和平均斑塊面積的變化趨勢一致，這更加說明了經濟林作為城鄉交界處一個活躍的景觀類型，受到人類活動干擾最為明顯。

3.1.4 景觀水平指數分析 表4是景觀水平的指數分析，我們用另外一個指數——分維數來衡量人類活動對于景觀結構的影響程度，該指數越大表明該地區的景觀結構越復雜。1978－1990年，分維數增大，表明該研究區內的景觀結構總體趨向于復雜和不規則，1990－2003年，分維數值減小表明該研究區的景觀結構有所好轉。

3.1.5 景觀異質性分析 對景觀異質性指標進行分析（表5），1978－2003年的斑塊豐富度沒有發生變化，是由于在這一時間段內研究區內沒有新的景觀類型出現。景觀均勻度指數和景觀多樣性指數先減小后增大，并且2003年大于1978年的水平，說明在著整個研究時間段內，余杭區的景觀優勢度進一步降低，破碎化程度加深，豐富程度和復雜程度加大，這說明了人類的活動對于景觀結構具有深刻影響。

表3 面積景觀格局指數分析Table 3 Spatial analysis of landscape area pattern

表4 景觀水平格局指數分析Table 4 Spatial analysis of landscape-level

表5 景觀異質性格局指數分析Table 5 Spatial analysis of landscape heterogeneity

3.2 余杭區景觀格局時空變化分析

3.2.1 景觀類型總面積變化分析 由表6可以看出，在3個不同時期，余杭區的森林覆蓋率各有不同，其中1978和1990年的森林覆蓋率基本持平并略有下降趨勢，分別為35.21%和32.58%，余杭區2003年的森林覆蓋率有所上升，占到全區總面積的33.71%。這說明隨著城市化進程的不斷加快與人口壓力的不斷增大，余杭區森林景觀正受到人類活動更加深入的影響?？v向分析（表6）可以看出，各種森林景觀在3個不同時期內均有變化，其中經濟林的面積下降明顯。此外，從表6可以看出竹林在該地區的各種林分當中占有較大的比例，這說明了竹林在該地區屬于優勢群落。其余各種林分景觀呈現了不規律的變化，這一點在余杭區當年的統計年鑒上也得到了證實。從景觀類型的面積變化值來看，建筑用地面積處于不斷下降過程中，這可能與人類居住方式由平面化向空間立體化轉變有關。其次是針葉林和闊葉林在1978到2003的這個時間段內面積呈現上漲的趨勢，并且經濟林面積呈現明顯下降的趨勢。

表6 各景觀類型面積、百分比統計Table 6 Area and percentage statistic of landscape types

3.2.2 景觀類型面積轉移矩陣 表7為1978－1990年余杭區各景觀版塊類之間的面積變化率轉移矩陣，由表中可以看出，1978－1990年間，竹林、經濟林、闊葉林、針葉林等4種森林景觀類型中最為穩定的斑塊類型是竹林，保持了自身面積的54.20%沒有發生變化，并且有35.32%的經濟林、35.37%的闊葉林、49.43%的針葉林轉化為竹林。而竹林只有0.4%面積變成了經濟林。可見，經濟林與竹林的相互轉化打破了原有的平衡。從轉移矩陣中還可以看到經濟林只有1.02%保持了原來的類型，大部分經濟林轉化為竹林、闊葉林與針葉林，還有22.26%轉化成了農田，結合1978－1990年的經濟林的面積變化情況，與轉移矩陣得到的結果是一致的。針葉林與闊葉林面積變化并不是很劇烈，雖然有部分面積轉換為竹林，但其他景觀類型轉化多少彌補了這一空缺。

表7 1978-1990余杭區景觀類型面積變化轉移矩陣Table 7 Translation matrix of classes（1978－1990）

表8是余杭區1990－2003年的各景觀類型斑塊之間的面積變化轉移矩陣。可以看出，在竹林、經濟林、闊葉林、針葉林等4種森林景觀類型中，竹林仍然保持了最高的穩定性，在這一時間段內，竹林保持了43.31%的面積沒有發生轉移，并且有相當一部分的針葉林與闊葉林轉化為竹林，但是我們可以看到，與1978－1990年這一時間段的竹林轉換相比較，1990－2003年時期竹林穩定性有所下降。經濟林在該時期的森林類型中仍然是最不穩定的類型，只保留了11.56%的面積沒有發生變動，而有67.23%的面積轉化為了農田，但由于有闊葉林與針葉林的轉入，結合面積變化分析，2003年經濟林的面積與1990年相比較有了一定的增加。針葉林與闊林木面積穩定性介于竹林和經濟林之間。

表8 1990－2003余杭區景觀類型面積變化轉移矩陣Table 8 Translation matrix of classes（1990－2003）

4 結論與討論

研究區森林景觀主要由竹林、針葉林、闊葉林和經濟林組成，屬于典型的亞熱帶植被區。在各個研究時段內，竹林面積與其他林分面積相比均為最大，說明竹林在該研究區森林資源中占據優勢。研究區森林景觀破碎度較高。在1978－2003年，破碎度總體趨勢表現為先增大后減小。其中竹林、闊葉林和針葉林的斑塊數量、邊緣密度及斑塊周長等景觀格局指數都呈現先增大后減小的過程。經濟林的景觀指數變化情況有明顯不同。盡管經濟林在余杭區森林景觀中的比例很小，無法直接對多樣性指數、優勢度指數和均勻度指數產生深刻影響，而且人類活動造成的破碎化程度的加大短期內也不會直接影響到林種和植被結構的變化，但是經濟林作為城區與郊區的連接處來研究十分必要，成為該連接處最為活躍的景觀成分［20－21］。

各種林分在不同年代有不同程度的內部轉移，但保持了總比例的基本穩定。只有在經濟林與農田之間發生了森林與外部景觀類型的劇烈轉移，大面積的經濟林向農田轉移。這說明，在這段時期內，城市化的進程影響到了森林景觀的分布，并且隨著當地政策的變化，森林景觀與其他景觀類型之間的關系也在發生變化。但總體來講，在該時段內余杭區的森林覆蓋率保持了很好的穩定性［22］。這一點從余杭區的統計資料上得到了驗證。

本研究著重于對余杭區森林景觀的分析，由于植被光譜的相似性以及缺乏更加可靠的當時林相圖的參考，因此存在 “混分”的現象，影響了分類的精度。另外，本研究對景觀格局的變化原因未作深入探討，只從定性角度提到人類活動對研究區景觀的影響，基礎建設投資加大、城市擴張、人口增加壓力等原因使當地的森林景觀受到了一定的影響，因此，建議當地政府在制定發展計劃時要對森林予以足夠的重視，保護和建設大型森林斑塊，規劃生態保護區。

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