黃河三角洲居民點建成區對土地利用格局的時空影響

舒瑩，胡遠滿

摘要：取1986、1996和2001年3個時期覆蓋近代黃河三角洲的TM影像為數據源，結合1980年地形圖，經監督、非監督分類及人工目視解譯，獲得研究區各時相土地覆被類型圖。運用地形圖和TM影像人工目視解譯勾畫3個時期居民點圖，通過3個時期的居民點分布圖向外等距離擴展形成輻射狀梯度圈，并以此剪裁相應時相的土地覆被類型圖，形成不同距離輻射梯度土地覆被類型圖，計算各土地覆被類型圖的景觀指數，分析研究區15年間土地覆被動態過程、居民點動態過程以及居民點變化對景觀動態的影響。結果表明，隨著居民點建成區面積的增大，其對周圍地區影響的范圍亦不斷增大。

關鍵詞：近代黃河三角洲；居民點；土地覆被；緩沖區；梯度圈

中圖分類號：F301.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）05-1030-06

Temporal-Spatial Effects of Build-up Residential Area in Yellow River Delta on Land Use Pattern

SHU Ying1，HU Yuan-man2

（1.School of Environment and Energy Engineering， Anhui Institute of Architecture and Industry， Hefei 230023， China；

2.Institute of Applied Ecology， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016，China）

Abstract： Using TM remote sensing images of yellow river delta in 1986， 1996 and 2001 and relief maps in 1980 as data sources， land cover landscape of the studied zone in different years were obtained by supervised classification， non-supervised classification and artificial visual interpretation. The map of residential area in the different years was pictured using TM remote sensing images and relief maps. The radiation transects were set around the residential area by buffer zone techniques， according to which the land cover landscapes of different years were cut out to form land cover landscapes of different radiation distance. The landscape indices were calculated based on the land cover landscapes cut out. Based on these data， the dynamics of land cover landscape and residential area， and the effects of residential area change on landscape in the 15-year period were analyzed. The results showed that the influencing zone of residential area was increased with the increasing of its area.

Key words： recent yellow river delta； residential area； land cover； buffer zone； grading diversification

隨著人類活動對土地利用方式日益深刻的影響與干擾，全球變化已成為當今世界一個重大的課題，土地利用與土地覆被變化是全球變化中的重要內容之一[1]。基于遙感、GIS等對土地利用與土地覆被變化驅動力的分析大量涌現，結果表明土地利用與土地覆被變化的驅動力集中于自然、人口和社會經濟條件幾個方面，自然因素是土地利用變化的內在驅動力，人口增長、經濟發展引起的城鎮建成區和農村居民點用地的擴大是主要的外在驅動力[2-4]。當前對于居民點建成區的研究集中于建成區居民點自身，如建成區形態研究、擴展模式、動態模型研究和空間結構研究等方面[5-7]；農村居民點用地的變化、增長、驅動力分析及各個居民點的空間分布特征分析等方面[8，9]，但關于居民點建成區擴張對土地利用與土地覆被格局的影響研究甚少。居民點建成區從中心向周圍呈梯度擴張[10，11]，周圍土地類型和土地利用格局會隨之呈現景觀梯度分異，這就為利用緩沖區技術進行景觀梯度分異研究提供了依據。

黃河三角洲是中國三大河口三角洲之一，地處海陸生態交錯帶，自然條件復雜，一直是學術研究的熱點，眾多研究結果表明黃河三角洲土地利用與土地覆被變化的主要外在驅動力是人為干擾引起人造景觀增加造成，關于人為干擾對區域土地利用格局影響的程度、范圍及對周圍土地斑塊的梯度影響的研究極少。近代黃河三角洲內坐落著我國第二大油田——勝利油田和國家級自然保護區，區域內土地利用類型豐富多樣，有利于研究建成區居民點對不同景觀類型的影響。本研究以1986、1996和2001年3個時期的TM遙感影像為數據源，以區域土地覆被為載體，研究建成區居民點緩沖區土地覆被景觀時空梯度分異。通過研究土地覆被景觀數據的幅度效應，進一步探討不同面積幅度的梯度圈之間進行景觀特征比較的可行性； 最后，沿居民點建成區做緩沖區，形成從居民點建成區為中心向外圍擴散的輻射帶圈，分析帶圈梯度上的土地覆被景觀的梯度分異特征。通過土地覆被景觀的特征， 映射出居民點建成區發展對土地覆被變化的影響。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況

黃河三角洲根據其成陸時間可分為古代黃河三角洲、近代黃河三角洲和現代黃河三角洲。本研究的黃河三角洲區域主要指近代黃河三角洲（其中包括現代黃河三角洲），總面積60多萬公頃。近代黃河三角洲地處渤海灣畔，地理位置37°20′-38°12′ N，118°07′-119°10′E，以墾利寧海為頂點，北起套爾河口，南至淄脈溝口，境內屬暖溫帶大陸性季風氣候。行政區劃上包括山東省東營市大部分和濱州市東北部地區，坐落有山東黃河三角洲國家級自然保護區，是我國最大的新生濕地生態系統，境內有大小河流20余條。

1.2 分析數據的生成

原始數據以覆蓋整個黃河三角洲的Landsat TM遙感影像數據（1986年5月、1996年9月和2001年6月）為本研究基本數據源，輔助于該地區1980年1∶50 000地形圖。以地形圖為基準對遙感影像進行幾何校正，誤差控制在一個像元內。再通過人工解譯和計算機自動解譯遙感影像，以及現場踏勘校正解譯結構，形成研究區土地利用與土地覆被類型圖。其中的分類體系參照我國土地利用分類標準[12]，再考慮黃河三角洲實際情況以及研究內容，將近代黃河三角洲分為15種土地類型：黃河、光板灘涂、湖泊水庫、林地、蝦蟹田、鹽田、草甸、蘆葦、農田、檉柳蘆葦沼澤、灘涂、潮下帶、道路、油田和居民點。圖像處理使用軟件Erdas 8.6、Arcview 3.3和Arc/info 8.3。

不同尺度下求得的景觀指數會存在差異，尺度的不同可能直接影響到研究成果的可靠性，尺度一般用粒度和幅度進行分析。選取域值粒度以下的任一粒度大小都不會對研究結果產生質的影響，由于分析數據來源于像元大小為30 m的TM影像，為最大限度地包含原始信息量，故數據分析粒度采用30 m為基本像元[13-20]。

1.3 研究方法

1.3.1 不同幅度景觀圖的生成 本研究的幅度是指景觀分析區域面積的大小。相應地，幅度效應指景觀指數對不同景觀分析面積大小的響應。 根據研究區形狀特點，在近代黃河三角洲內部截取一個最大的正方形，此為分析的最大區域（總共包括1 600×1 600個像元）。再以正方形4個頂點為出發點，分別向內裁減50行和50列的帶寬，形成第二個區域。依次用同樣的方法在第二個區域的基礎上形成第三個區域，在第三個區域上形成第四個區域，以此類推，形成一系列不同幅度的景觀圖，共包括16個區域，記為區域1、2…16，最小的區域包括100×100個像元（圖1）。

1.3.2 居民點建成區緩沖區的生成 居民點建成區圖層形成過程：根據1980年1∶50 000地形圖對1986年TM影像進行人工目視勾繪，1996年和2001年在1986年基礎上通過判斷影像紋理和顏色特征進行勾繪。

緩沖區形成過程：以全部居民點建成區為對象，向外圍形成1 km寬度的緩沖區，剪裁建成區及其緩沖區，生成第一個梯度圈；再以第一梯度圈為基礎，向外圍形成1 km寬度的緩沖區，剪裁第一梯度圈及其外圍緩沖區，生成第二個梯度圈，以此類推，直至覆蓋整個研究區域。研究區域西南部靠近內陸，居民點建成區密集，第一個梯度圈即可延伸覆蓋研究區西南部；北部和東部與渤海毗鄰，其中坐落著黃河三角洲國家級自然保護區，居民點建成區分布少，尤其是東部黃河入海處，故在北部和東部需生成較多梯度圈，1986年生成29個梯度圈，1996年生成34個梯度圈，2001年生成30個梯度圈（黃河1996年8月經人工改道由原來東部入海改為東北方向入海，所以2001年近代黃河三角洲東部相對1996年有一定蝕退）。基于這些梯度圈剪裁各時相土地覆被景觀圖，形成從居民點建成區向外圍的一系列輻射的梯度圈景觀，如圖2所示。

1.3.3 景觀指數選取與計算 景觀格局指數（Landscape indices or metrics）用簡單數字描述復雜的景觀格局。在景觀指數中，大部分指數之間景觀格局信息重復[15，21，22]，指數之間存在一定的相關性，故可采用少數的指數代替所有指數進行分析。針對景觀水平常用的景觀指數，利用景觀格局分析軟件APACK 2.2計算不同幅度景觀圖的指數值。根據指數計算結果選取其中受幅度影響較小的指數，并考慮各指數的生態學意義及重要程度，最終選定進行土地覆被景觀的梯度分異指數。以選取的指數為介質探討居民點建成區緩沖區土地覆被景觀時空梯度分異。各指數的計算公式見該軟件的幫助文件。

2 結果與分析

黃河三角洲在1986、1996、2001年3個時期總面積先少量增加后大幅減少，1986～1996年研究區增加土地面積4 006.9 hm2（其中新生灘涂面積5 015.9 hm2，沿海蝕退面積1 009.0 hm2），1996年到2001年土地凈減少16 960.5 hm2（其中新生灘涂面積2 623.0 hm2，沿海蝕退面積19 583.5 hm2）。這是由于近年來黃河流量銳減，上游帶來泥沙日益減少，淤積速度大大小于蝕退速度所造成。

2.1 景觀的幅度效應及指數的選取

幅度是空間數據對空間地理現象或過程進行度量和評價的一個重要影響因素，研究表明幅度變化直接影響景觀格局[10，16，22]。選取常用的13個指數進行幅度效應分析，分別為歸一化平均斑塊面積（Average normalized patch area，ANPA）、平均斑塊周長面積比（Average patch perimeter-area ratio，APA）、校正的斑塊周長面積比（Average corrected patch perimeter-area ratio，ACPA）、邊界密度（Edge density，ED）、雙對數分維數（Fractal dimension，FD）、多樣性（Shannon-Weaver diversity，SWD）、均一度（Shannon-Weaver evenness，SWE）、優勢度（Dominance，DO）、蔓延度（Contagion，CI）、邊界分布均勻度（Edge density evenness，EDE）、角秒矩（Angular second moment，ASM）、反差矩（Inverse difference moment，IDM）和聚集度（Aggregation index，AI）。根據景觀格局指數的生態學意義（Fragstats的分類標準）[23，24]，以上指數可分為4個類別，其中歸一化平均斑塊面積、平均斑塊周長面積比、校正的斑塊周長面積比和邊界密度為基本指數，雙對數分維數為形狀指數，聚集度、蔓延度、角秒矩、反差矩和邊界分布均勻度為蔓延度指數，優勢度、多樣性和均一性屬于多樣性指數。

2.1.1 景觀指數的幅度效應 幅度效應決定著梯度分析結果的可靠性，在研究區域景觀特征之前，先以2001年影像為例分析土地覆被景觀幅度效應，以保證研究的完整性以及后續研究成果的可行性與可靠性。對2001年度分析區域圖進行指數計算，結果如圖3。從圖3可以看出，2001年平均斑塊周長面積比、邊界密度、反差矩、雙對數分維數和聚集度指數的幅度效應不明顯，其他指數幅度效應較為明顯；從區域16到區域12（即包括像元從100×100個到500×500個）各指數受幅度影響較敏感，區域12之前指數值變化趨緩。說明當景觀面積大于區域12（包括像元500×500個，面積22 500 hm2）并且景觀之間面積相差不大時，運用上述景觀指數法進行景觀特征分析可行有效。

2.1.2 景觀指數的選取 景觀指數之間存在信息重復，指數之間存在顯著相關性。基本指數中校正斑塊周長面積比不是一個很好的格局指數[25]，而基本指數中的歸一化平均斑塊面積與其他指數不存在顯著相關性，代表了景觀的獨特性，在景觀對比研究中應重視此指數，解釋其景觀生態學意義[23]，故在基本指數中選取歸一化平均斑塊面積指數；形狀指數表示構成景觀斑塊形狀的復雜性，雙對數分維數能預示大多形狀指數的變化趨勢，是景觀水平上常用的形狀指數；蔓延度指數表明景觀類型在空間上的聚集程度或類型間鑲嵌程度，聚集度和反差矩是常用的兩個蔓延度指數，從圖3中可看出這兩個指數受幅度影響小，研究結果可以剔除其幅度的影響；多樣性指數關系到景觀類型數以及類型的面積百分比，包括的大多數指數存在明顯的相關性，其中Shannon-Wiener多樣性指數多見于景觀格局分析。由此共選擇歸一化平均斑塊面積、雙對數分維數、聚集度、反差矩和多樣性指數這5個指數分析居民點緩沖區對區域土地利用格局的影響。

2.2 研究區景觀特征時間變化

研究區景觀特征時間變化如圖4所示，可以看出研究區15年中，土地覆被景觀變化較為平緩。其中均一化平均斑塊面積指數經歷了先上升后下降趨勢，但變化幅度不大，在0.5左右波動，說明3個年份在斑塊形狀上相似。聚集度和反差矩指數在研究年份間均出現下降趨勢，其中聚集度指數值1986年為0.976、1996年為0.973、2001年為0.972，反差矩值1986年為0.950、1996年為0.945、2001年為0.941，說明隨著年份的增加斑塊破碎化程度增加、研究區域結構趨于簡單。雙對數分維數呈現上升趨勢，但上升速度極為緩慢，說明研究年段斑塊邊緣幾何形狀僅略趨于復雜。進行研究的五個指數中變化幅度最大的為多樣性指數，呈明顯上升趨勢，說明研究年段整個研究區多樣性不斷上升，各種景觀覆被類型所占比例越來越均衡。

2.3 居民點建成區緩沖區土地覆被景觀變化的梯度分異

由于黃河三角洲地理位置的特殊性，部分區域淤積（黃河入海口為世界上成土最快的河口三角洲）、部分區域蝕退（海水沖刷），造成3個年份研究區面積不同；各年度居民點數量面積亦不同，故3個年度居民點緩沖區數量有所差別。圖5-圖9中1代表居民點第一個緩沖區形成的第一梯度圈，依次類推，直至覆蓋整個研究區，即2001年居民點外圍第30緩沖區形成的第30梯度圈覆蓋整個研究區，得出的為整個研究區指數值，1996年第34梯度圈為整個研究區指數值，1986年第29梯度圈為整個研究區指數值。根據景觀指數幅度分析結果，當景觀面積大于區域12時，運用上述景觀指數法進行景觀特征分析可行有效。測量所得3個年份居民點建成區所有緩沖區面積中，面積最小的為1986年第一個緩沖區形成的第一梯度圈，面積為212 175.9 hm2，大于面積22 500 hm2，即指數的計算結果基本不受幅度影響。

2.3.1 歸一化平均斑塊面積 從居民點緩沖區梯度分異來看，1986年從梯度圈1到梯度圈2有明顯增加趨勢，往后趨于平緩；1996年從梯度圈1到梯度圈5有明顯增加趨勢，往后趨于平緩；2001年從梯度圈1到梯度圈5有明顯增加趨勢，往后趨于平緩（圖5）。說明對于歸一化平均斑塊面積，1986年居民點建成區影響范圍為周圍2 km，1996年和2001年隨著居民點面積擴大，影響范圍為周圍5 km。

2.3.2 雙對數分維數 隨著居民點緩沖區范圍的擴大，指數值先增大后趨緩。1986年從梯度圈1到梯度圈4變化幅度明顯，往后趨緩；1996年從梯度圈1到梯度圈5變化幅度明顯，往后趨緩；2001年從梯度圈1到梯度圈6變化幅度明顯，往后趨緩（圖6）。說明對于雙對數分維數，1986年居民點建成區影響范圍為周圍4 km，隨著居民點建成區面積的增大，1996年和2001年分別擴大為5 km和6 km。

2.3.3 聚集度 3個年度聚集度變化趨勢基本相同，先逐漸下降后基本保持平穩。1986年從梯度圈1到梯度圈5指數值不斷下降，往后趨于平緩；1996年從梯度圈1到梯度圈4指數值不斷下降，往后趨于平緩；2001年從梯度圈1到梯度圈6指數值不斷下降，往后趨于平緩（圖7）。說明對于聚集度指數，1986年居民點建成區影響范圍為周圍5 km，1996年居民點建成區面積增加，影響范圍卻縮小為4 km，2001年居民點建成區面積繼續增加，影響范圍擴大為6 km。

2.3.4 反差矩 3個年份變化趨勢相似，隨著緩沖區帶擴大，數值先減少后增加再趨于平緩。1986年從梯度圈1到梯度圈5數值顯著下降，往后趨緩；1996年從梯度圈1到梯度圈5數值顯著下降，往后趨緩；2001年從梯度圈1到梯度圈6數值顯著下降，變化幅度明顯，往后趨緩（圖8）。說明對于反差矩指數，1986年居民點建成區影響范圍為5 km，1996年居民點建成區面積增加，影響范圍保持不變，為周圍5 km，2001年居民點建成區影響范圍擴大為6 km。

2.3.5 多樣性 與前4個指數相同，3個年度多樣性指數值呈現相似的變化趨勢，隨著緩沖區范圍的擴大，多樣性指數值不斷擴大直至相對穩定。1986年從梯度圈1到梯度圈5數值顯著上升，往后趨緩；1996年從梯度圈1到梯度圈5數值顯著上升，往后趨緩；2001年從梯度圈1到梯度圈6數值顯著上升，變化幅度明顯，往后趨緩（圖9）。說明對于多樣性指數，1986年居民點建成區影響范圍為周圍5 km，1996年居民點建成區面積增加，影響范圍保持為5 km，2001年居民點建成區面積繼續增加，影響范圍擴大為6 km。

3 討論

土地利用覆被變化能直接反映人類活動這一當今全球環境變化的主導因子。影響黃河三角洲的土地利用覆被變化的人類活動集中在道路、居民點、油井、農田、葦田和蝦蟹田開發等，關于居民點建成區對土地利用覆被變化的研究為本次研究的重點。

景觀研究受到粒度和幅度影響，數據主要來源于分辨率為30 m的TM影像，考慮原數據粒度特點采用分辨率30 m；通過分析，當研究面積大于22 500 hm2時，景觀研究受幅度影響明顯減小，研究區1986年、1996年和2001年居民點面積分別為23 102.4、33 110.5和39 397.8 hm2，均大于幅度影響范圍，以它們為中心形成的居民點緩沖區面積更是大于幅度影響范圍。居民點建成區對周圍地區具有輻射影響特性，它的變化會帶動周圍景觀的變化，如居民點建成區周圍道路、農田等將會有所增加。在此基礎上進一步研究15年以來居民點建成區變化對土地利用格局影響，通過分析，表現出以下規律。

基于緩沖區技術的居民點建成區輻射梯度圈景觀分析結果顯示，居民點建成區存在明顯的緩沖區效應。研究年段內，隨著居民點建成區面積不斷增加，各年份緩沖區梯度圈景觀指數變化區間也不斷變化，數據變化說明隨著居民點建成區范圍的增大，各指數的響應范圍均有所擴大；1986年歸一化平均斑塊面積指數受影響范圍為居民點建成區周圍2 km距離，雙對數分維數為4 km，聚集度指數為5 km，反差矩指數為5 km，多樣性指數為5 km；1996年歸一化平均斑塊面積指數受影響范圍為居民點建成區周圍5 km距離，雙對數分維數為5 km，聚集度指數為4 km，反差矩指數為5 km，多樣性指數為5 km；2001年歸一化平均斑塊面積指數受影響范圍為居民點建成區周圍5 km距離，雙對數分維數為6 km，聚集度指數為6 km，反差矩指數為6 km，多樣性指數為6 km。1996年雖然居民點建成區面積增大，但是部分指數受影響的距離和1986年持平，聚集度指數影響距離甚至還出現比1986年下降的趨勢，但從影響面積來看，1986年居民點建成區緩沖區5形成的第五梯度圈包含的范圍為435 008 hm2，1996年居民點建成區緩沖區5形成的第五梯度圈包含的范圍為451 238 hm2，影響面積1996年較大；隨著居民點建成區面積的擴大，2001年各指數相應距離明顯大于1986年和1996年，故相應的范圍也將大于1986年和1996年。綜上得出，隨著居民點建成區面積的增大，各指數相應的范圍呈現擴大的趨勢，即隨著居民點建成區面積的增大，其對周圍地區影響的范圍亦不斷增大。

3S技術在土地利用覆被變化中的運用為獲得區域發展時間和空間的動態過程信息提供了更加便捷的方法，在此基礎上運用梯度和景觀指數相結合的方法，分析居民點建成區變化對區域生態環境的影響范圍，可以量化居民點建成區對景觀生態影響的梯度特征，為區域規劃、區域生態環境保護和管理提供決策依據。

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