右江谷地景觀格局空間分異特性遙感研究

李新萍，郝多虎，段 朋

右江谷地景觀格局空間分異特性遙感研究

李新萍1，郝多虎1，段 朋2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083;2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

利用1986年和2006年獲取的TM圖像，在GIS技術(shù)支持下，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)原理，選取反應(yīng)景觀空間結(jié)構(gòu)和景觀異質(zhì)性的景觀指數(shù)，以右江谷地典型區(qū)廣西平果縣為研究區(qū)，分析該區(qū)近20 a間的景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化特征。結(jié)果表明，1986～2006年間，平果縣土地利用變化總趨勢(shì)是林地、未利用地和居民地面積增加，草地、耕地和水域面積減少;各種景觀指數(shù)隨土地利用變化表現(xiàn)出明顯的時(shí)空響應(yīng)，景觀多樣性變大，景觀優(yōu)勢(shì)度、破碎度和分維度均變小，表明整體景觀朝著良性方向發(fā)展。

右江谷地;景觀格局;景觀指數(shù);空間分異特性

0 引言

景觀格局一般指景觀的空間格局，是大小、形狀、屬性不一的景觀空間單元(斑塊)在空間上的分布與組合規(guī)律。景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，分析景觀格局要考慮景觀及其單元的拓?fù)涮卣鳌＞坝^格局分析的目的是為了在看似無(wú)序的景觀中發(fā)現(xiàn)潛在的、有意義的秩序或規(guī)律。目前，國(guó)外對(duì)景觀格局的研究主要包括:①對(duì)景觀格局理論問(wèn)題的探討，如 Naveh［1］、Lieberman 和 Forman 等為景觀格局研究提供了良好的概念基礎(chǔ);②對(duì)景觀格局的尺度問(wèn)題的研究;③對(duì)新的研究手段與技術(shù)的應(yīng)用研究，如Milne等［2］以遙感和地理信息系統(tǒng)為工具，對(duì)景觀格局的變遷過(guò)程進(jìn)行了分析;④對(duì)建立空間模型方法的研究，如Robert等［3］建立了神經(jīng)模型來(lái)研究景觀格局對(duì)物種豐富度的影響。在國(guó)內(nèi)，黎樹(shù)式等［4］對(duì)右江流域提出了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)發(fā)展對(duì)策;陳煒［5］從歷史的角度重新審視了近代以來(lái)右江流域發(fā)展?fàn)顩r及其對(duì)民族經(jīng)濟(jì)融合的影響;覃小群等［6］針對(duì)巖溶石山區(qū)土壤侵蝕危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)問(wèn)題，以廣西平果縣果化示范區(qū)為例，建立了土壤侵蝕危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型;向悟生等［7］以平果縣這一典型的巖溶生態(tài)脆弱區(qū)為例，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進(jìn)行了測(cè)算，并對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但對(duì)右江谷地的研究主要集中在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、氣候等方面，涉及景觀格局、土地利用及其空間變異的研究較少。

右江谷地在廣西的西南部，地跨百色、田陽(yáng)、田東和平果4縣，東西長(zhǎng)約150 km，南北寬20～25 km。其中平果縣的巖溶石山區(qū)面積占了全縣總面積的64.65%，居住人口占全縣總?cè)丝诘?7.83%。這些巖溶石山地區(qū)石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重，景觀格局變化大，故本文選定平果縣作為右江谷地典型區(qū)的研究對(duì)象。分析右江谷地1986～2006年景觀格局空間分異性，深入了解該地區(qū)景觀生態(tài)過(guò)程的相互關(guān)系，旨在為更廣泛的區(qū)域性綜合研究提供基礎(chǔ)，為區(qū)域資源的可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選用1986年和2006年獲取的TM圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以研究區(qū)行政區(qū)劃圖、1∶5萬(wàn)地形圖、平果縣1986年土地利用現(xiàn)狀圖、1986～2006年社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料以及20 a以來(lái)土地利用的相關(guān)空間數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)，構(gòu)建平果縣土地利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 景觀分類(lèi)系統(tǒng)

根據(jù)研究區(qū)景觀類(lèi)型分布特點(diǎn)，參考全國(guó)土地利用分類(lèi)體系，將研究區(qū)的地物劃分為6種類(lèi)型(表1)。

表1 研究區(qū)地物類(lèi)別Tab.1 Classes and features of the study area

(續(xù)表)

1.3 景觀信息提取與處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括TM圖像的輻射校正、幾何糾正與配準(zhǔn)、圖像鑲嵌與裁剪等。以1986年平果縣土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)圖像，分別對(duì)1986年和2006年兩景TM圖像進(jìn)行預(yù)處理。

完成圖像預(yù)處理后，通過(guò)對(duì)圖像的分析，結(jié)合野外調(diào)查，確立了研究區(qū)各種地物在TM5(R)、4(G)、3(B)波段假彩色合成圖像中的解譯標(biāo)志(表2)。

表2 研究區(qū)地類(lèi)遙感解譯標(biāo)志Tab.2 Remote sensing interpretation keys of the study area

根據(jù)上述解譯標(biāo)志，分別對(duì)兩景TM圖像進(jìn)行了耕地、林地、草地、居民點(diǎn)、水域和未利用地等6種地物的遙感解譯，并對(duì)它們的空間關(guān)系和生態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，得到平果縣1986年景觀格局分類(lèi)現(xiàn)狀圖(圖1(左))和2006年景觀格局分類(lèi)現(xiàn)狀圖(圖1(右))。

圖1 平果縣1986年(左)和2006年(右)景觀格局分類(lèi)現(xiàn)狀圖Fig.1 Landscape pattern classification of Pingguo county in 1986(left)and in 2006(right)

1.4 景觀指數(shù)選取與計(jì)算

將研究區(qū)域不同生態(tài)結(jié)構(gòu)劃分為景觀單元斑塊，通過(guò)定量分析景觀空間格局的特征指數(shù)，從宏觀角度給出區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。采用景觀指標(biāo)定量分析研究土地利用結(jié)構(gòu)的變化，有利于揭示平果縣土地利用景觀格局，可為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。在參考文獻(xiàn)［8－11］的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的景觀特點(diǎn)和空間尺度，選用景觀多樣性、優(yōu)勢(shì)度、破碎度和分維數(shù)等4種指標(biāo)對(duì)本區(qū)景觀格局進(jìn)行定量化描述。

(1)景觀多樣性指數(shù)(diversity)。指景觀元素或生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能以及隨時(shí)間變化方面的多樣性，它反映了綠地景觀類(lèi)型的豐富度和復(fù)雜度。其計(jì)算公式為

式中，S為景觀類(lèi)型的數(shù)目;Pi為第i個(gè)景觀面積占景觀總面積的比重;H為景觀多樣性數(shù)，H值越大，表示景觀類(lèi)型越豐富，景觀類(lèi)型的多樣性越強(qiáng)。

(2)景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(dominance)。用于測(cè)度景觀結(jié)構(gòu)中一種或幾種景觀類(lèi)型占支配地位的程度。它與景觀多樣性指數(shù)成反比，對(duì)于景觀類(lèi)型數(shù)目相同的不同景觀，景觀多樣性指數(shù)越大，其優(yōu)勢(shì)度越小。其計(jì)算公式為

式中，D為優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。D值越大，表示景觀結(jié)構(gòu)受一種或少數(shù)幾種景觀類(lèi)型支配的程度越大。

(3)破碎度指數(shù)(fragmentation)。用單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)來(lái)測(cè)度。破碎度表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在一定程度上反映了人類(lèi)對(duì)景觀的干擾程度。其計(jì)算公式為

式中，Ni為第i個(gè)景觀類(lèi)型的斑塊數(shù);A為景觀總面積;F為破碎度指數(shù)，F(xiàn)的值越大，表示景觀斑塊越破碎。

(4)分維數(shù)(fractal dimension)。用來(lái)表征斑塊形狀的復(fù)雜程度。其計(jì)算公式為

式中，P和A分別為斑塊的周長(zhǎng)(m)和面積(m2);FD為分維數(shù)，F(xiàn)D值越大，表明斑塊形狀越復(fù)雜。FD值的理論范圍為1.0～2.0(1.0代表形狀最簡(jiǎn)單的正方形斑塊，2.0表示等面積條件下周邊最復(fù)雜的斑塊)。

2 景觀分析

2.1 景觀類(lèi)型

平果縣1986～2006年各種土地利用類(lèi)型變化情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 平果縣1986～2006年各類(lèi)土地利用變化Tab.3 Land －use changes from 1986 to 2006 in Pingguo county

由表3可以看出，在1986～2006年間，平果縣的土地利用類(lèi)型變化明顯，共有71 869.13 hm2土地發(fā)生了變化，林地、未利用地和居民地面積增加，草地、耕地和水域面積減少。其中林地面積增加了18 576.18 hm2(占總面積的7.47%);草地面積減少了8 704.44 hm2(占總面積的3.50%);耕地面積減少了25 550.69 hm2(占總面積的10.27%);未利用地面積增加了 12 549.88 hm2(占總面積的5.05%);居民地面積增加了4 808.50 hm2(占總面積的1.93%);水域面積減少了1 679.44 hm2(占總面積的0.68%)。

林地的面積增加幅度最大，并成為增加面積比例最大的類(lèi)型，這主要是由于1991年開(kāi)始的“沼氣工程”的實(shí)施，沼氣工程建設(shè)有力地保護(hù)了森林資源，改善了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。

草地的面積略有減少，主要變成了林地。

耕地的面積減少幅度最大，這與2002年后國(guó)家實(shí)施退耕還林政策有關(guān)，部分耕地退為林地，說(shuō)明國(guó)家生態(tài)政策已得到落實(shí);也有相當(dāng)一部分耕地轉(zhuǎn)為居民地等其他用地。

居民地的面積增加了一倍多，這主要是因?yàn)閺?995年起國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目——平果鋁礦全面建成投產(chǎn)，平果鋁礦占地面積平均每年增加100 hm2左右。受平果鋁礦的帶動(dòng)，相關(guān)的鋁業(yè)公司以及上下游產(chǎn)業(yè)紛紛落戶(hù)平果，廠房和縣城的建設(shè)都影響著居民地的變化。

2.2 景觀結(jié)構(gòu)

平果縣各種景觀指數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 平果縣各種景觀指數(shù)的特征值Tab.4 Landscape indices eigenvalue of Pingguo county

從表4可以看出，1986～2006年:①景觀多樣性指數(shù)變大，說(shuō)明本區(qū)的景觀類(lèi)型更趨豐富，景觀多樣性增加;②景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變小，說(shuō)明本區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)受一種或少數(shù)幾種景觀類(lèi)型支配的程度變小(1986年主要受林地、草地和耕地支配，而2006年主要受林地和草地支配);③破碎度值變小，說(shuō)明本區(qū)景觀斑塊更趨于規(guī)則和齊整;④分維數(shù)變小，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)總的斑塊形狀變得更加簡(jiǎn)單。

2.3 景觀格局空間分異性

利用GIS的空間分析功能，將1986年和2006年平果縣景觀格局分類(lèi)現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加分析，得到平果縣1986～2006年景觀格局時(shí)空變化圖(圖2);并利用ArcGIS軟件對(duì)上述6大類(lèi)地物分別賦予屬性值ID(2為居民地，3為未利用地，4為草地，5為林地，6為耕地，7為水域)，賦值方法為

式中，Land1986、Land2006分別為 1986、2006 年的地物屬性值ID;Land1986～2006為1986～2006年的變 化地物屬性值ID。

圖2 平果縣1986～2006年景觀格局時(shí)空變化Fig.2 Spatio － temporal changes of the landscape pattern from 1986 to 2006 in Pingguo county

表5 平果縣1986～2006年景觀類(lèi)型面積變化Tab.5 Area changes of the landscape type from 1986 to 2006 in Pingguo county (hm2)

從圖2和表5可以看出，從1986年～2006年:①林地變?yōu)椴莸氐淖疃啵植荚诒狙芯繀^(qū)的東北、東南原林地較多的地方;林地變?yōu)楦氐拇沃植荚谘芯繀^(qū)的北部和原林地的邊緣;林地變?yōu)槲蠢玫氐淖钌伲植荚谘芯繀^(qū)的中部巖溶地區(qū)且很分散。②草地變?yōu)榱值氐淖疃啵植荚谘芯繀^(qū)的東北角、東南角、西北角和西南角原林地較多的地方;草地變?yōu)槲蠢玫氐拇沃植荚谘芯繀^(qū)的中間和西南巖溶地區(qū);草地變?yōu)楦氐脑俅沃植荚谠睾蛶r溶地區(qū)的邊緣;草地變?yōu)樗虻淖钌伲植荚谠虻倪吘墶＂鄹刈優(yōu)椴莸氐淖疃啵植荚谟医奈鞅焙蜄|南部;耕地變?yōu)槲蠢玫氐拇沃植荚谘芯繀^(qū)中間巖溶地區(qū);耕地變?yōu)榱值氐脑俅沃植荚谖髂喜坑医浇皷|南部右江上游耕地與林地的邊緣;耕地變?yōu)榫用竦氐淖钌伲植荚谠用竦馗浇＂芪蠢玫刈優(yōu)椴莸氐淖疃啵植荚谘芯繀^(qū)中間和南部巖溶地區(qū);未利用地變?yōu)楦氐拇沃植荚趲r溶地區(qū)和耕地的邊緣;未利用地變?yōu)榱值氐脑俅沃植荚谘芯繀^(qū)南部巖溶地區(qū)和林地邊緣;未利用地變?yōu)榫用竦氐淖钌伲植荚谠用竦馗浇＂菰用竦鼗静蛔儭＂匏蜃優(yōu)楦氐淖疃啵植荚谠锔浇?水域變?yōu)榱值氐拇沃饕窃值刂械乃蛟跍p少。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用GIS＆RS技術(shù)和景觀格局分析方法研究了右江谷地典型區(qū)平果縣景觀格局空間分異特性，通過(guò)建立研究區(qū)的土地利用類(lèi)型圖，計(jì)算了一系列景觀格局指數(shù)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

(2)平果縣1986～2006年的景觀控制性要素中，位于第一位的草地呈不斷下降趨勢(shì)，控制性降到第二位;位于第二位的耕地則迅速下降，控制性降到第三位;位于第三位的林地呈不斷上升趨勢(shì)，并取代草地成為第一位的控制性要素，這說(shuō)明由于國(guó)家“退耕還林”政策的指導(dǎo)和“沼氣工程”的實(shí)施，對(duì)巖溶石山地區(qū)石漠化的積極治理使該區(qū)景觀整體朝良性方向發(fā)展。但耕地的迅速減少也表明生態(tài)環(huán)境破壞還相當(dāng)嚴(yán)重。

(3)平果縣1986～2006年的景觀破碎度和分維度指數(shù)減小，這與林地和居民地的增加有關(guān)。隨著人類(lèi)治理石漠化力度的加大，景觀形狀趨于規(guī)則、簡(jiǎn)單。

(4)RS＆GIS技術(shù)的結(jié)合使用對(duì)景觀格局的空間分異性研究是行之有效的，景觀生態(tài)學(xué)定量模型的應(yīng)用能夠準(zhǔn)確地刻畫(huà)景觀的動(dòng)態(tài)變化。

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Research on Spatial Differentiating Characteristics of Landscape Pattern in Youjiang Valley by Using Remote Sensing and GIS

LI Xin－ping1，HAO Duo－h(huán)u1，DUAN Peng2
(1.China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China)

Using TM data acquired in 1986 and 2006 and supported by the technology of geographic information system(GIS)and the principle of landscape ecology，the authors selected some indexes of landscape heterogeneity.Taking the Pingguo County of Guangxi，a typical area in the Youjiang valley area，as the study area，this paper analyzed the landscape pattern and its dynamic change characteristics of the study area in the past 20 years.The results show that the general trend of the land－use change from 1986 to 2006 in the study area was the increase of forest，unused land and residents，and the decrease of grassland，farmland and water area.All kinds of landscape indexes of land－use change indicate the space－time response obviously，and the diversity of landscape becomes more evident.On the other hand，the dominance and fragmentation of landscape and fractal dimension become smaller，which suggests that the whole landscape of the study area is developing in the ideal direction.

Youjiang valley area;Landscape pattern;Landscape index;Spatial differentiating characteristics

TP 79

A

1001－070X(2011)03－0095－05

2010－12－02;

2011－01－17

李新萍(1986－)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫b感與地理信息系統(tǒng)在地質(zhì)解譯中的應(yīng)用。

(責(zé)任編輯:劉心季)