基于RS與GIS的湖南省平江縣景觀格局分析

黃子豪 葛大兵

(1.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128;2.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128)

1 引言

景觀格局是某個時空尺度的斑塊的空間分布，是景觀過程在某個時間和空間尺度上的具體表現，它包括空間異質性、空間相關性和景觀規律性等內容［1］。景觀格局分析正是為了更好地了解該景觀在空間尺度和時間尺度上的生態意義，從而為景觀、環境規劃與建設服務。

湖南省平江縣位于湖南省東北部，為湘、贛、鄂三省交界處，地理坐標范圍為28°25'N 至29°06'N，113°11'E 至114°09'E。東西總長98.5km，南北總長為76.1km，總面積4125.26km2，2013年末總人口約為108.08 萬人。縣域降水量變化大，最大降水量2749.9毫米、最小降雨量992.8 毫米。年平均氣溫為16.8℃，平江縣地處濕潤的大陸季風氣候區，屬中亞熱帶向北區亞熱帶過度氣候帶，有針葉林、闊葉林、針闊混交林及竹林等類型。

以平江縣為研究區，應用景觀生態學的原理和方法，借助RS 與GIS 等手段，在獲得大量數據的基礎上，對該地區進行景觀格局動態變化分析評價，對平江縣區域“社會——經濟——環境”復合生態系統的發展是非常必要和有意義的。同時，作為“湘東北重鎮”平江縣的景觀格局分析與評價也可以為湖南省其他縣市區開展景觀生態學的研究提供一定的借鑒。

2 研究方法與數據處理

2.1 研究方法

2.1.1 影像預處理

本研究區以由中科院遙感與數字地球研究所提供的2006年8月、2010年10月、2014年9月三期研究區Landsat 遙感影像為主要數據，進行景觀格局對比分析。在對遙感圖像處理過程中，結合了前期收集的平江縣土地利用、地形地貌的基礎資料，使得最終的景觀格局劃分圖精度與實際的土地利用類型數據基本吻合。

由于本研究區域的范圍過大，在遙感影像剪裁過程中，首先通過選取一些精確的控制點對遙感影像與研究區地形圖、行政區劃圖進行地理配準。其次對配準后的行政區劃圖進行幾何校正，然后在Acgis10.2 軟件上依照已完成幾何校正的平江縣行政區劃圖構建研究區邊界矢量圖，再將制作好的研究區邊界矢量圖導入到Landsat 遙感影像中進行掩膜提取，從而完成遙感影像的剪裁過程，最終制成得到研究區遙感衛星剪切圖。這樣一來，景觀制圖精度得到了極大程度的提高。

一般來講，Landsat 遙感影像標準假彩色合成是由4、3、2 波段分別賦予紅、綠、藍色，獲得圖像植被均成紅色，由于極大程度上突出反應了植被特征，在遙感影像處理上得到了廣泛的應用，故被稱之為標準假彩色。

但由于結合平江縣的實際情況，植被覆蓋率遠高于全省平均水平的事實依據上，為確保景觀格局分類效果的精確性，本研究沒有采用432 標準假彩色合成圖。經多次監督分類效果對比，采取4、5、3 波段分別賦紅、綠、藍色合成的圖像，色彩層次明顯，對比強烈，內容豐富，符合目視判斷讀取習慣，更適合運用于平江縣的景觀格局的分類。

在453 假彩色波段合成圖上，水田呈淺綠色，旱地呈粉紅色;荒地呈灰白色;園地呈淺褐色，且地塊規則整齊、輪廓清晰;林地呈黃到黃褐色;牧草地大多呈綠色到墨綠色;建設用地、城鎮均呈藍色;公路呈線狀，色調灰白;草地呈藍綠色;水域呈藍黑色調，如圖1。

圖1 研究區Landsat－8 遙感影像圖

2.1.2 遙感影像分類及信息提取

依據研究區的自然地貌及人類活動對景觀造成的影響程度，將研究區景觀分為2 種基本類型，一種是自然景觀，另外一種是人工景觀。未受或受人類活動干擾很小的屬于自然景觀;受人類活動干擾很大的則為人工景觀［2］。根據研究區的自然屬性特征和土地利用特點，對人工景觀和自然景觀進行細分，將研究區劃分為建筑、水田、草地、林地、水域、旱田、園地和裸地等幾個景觀水平，其中建筑和水田、旱田、園地屬于人工景觀，草地、林地、河流、湖泊和裸地屬于自然景觀。對圖1得到的假彩色遙感影像合成圖，運用Arcgis 10.2 軟件完成對其監督分類［3］。

在完成對假彩色合成圖的監督分類后，還可通過Spatial Analyst 工具里的“眾數濾波”以及“邊界清理”等功能過濾掉合成圖上一些微乎其微的斑塊，并對分類不規整的邊緣進行平滑處理，從而進一步增加影像分類的精確性。

本研究在Arcgis 10.2 軟件的平臺上，進行了最大似然法監督分類、眾數濾波、邊界清理等步驟，并通過比對了平江縣實際的土地利用類型情況，使得研究區景觀類型劃分更加精確，見圖2。

2.2 景觀指數選取與計算

景觀格局的分析需要采用相應的景觀格局指數，目前已有40 多種景觀指數用于分析景觀格局的變化［4］。本研究選用了幾個非常具有代表意義的景觀指數，從類型水平和景觀水平兩個層次來反映平江縣景觀格局的變化。類型水平上選取類型斑塊數(TNP)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、周長－面積分維數(PAFRAC)、斑塊聚合度(COHESION)和斑塊密度(PD);景觀水平上選取景觀斑塊數(LNP)、香農均勻度指數(SHEI)、香農多樣性指(SHDI)和景觀蔓延度指數(CONTAG)等指數，各指數都代表某一特定的意義(表1)，其公式為國際通用公式［4－5］計算。

圖2 平江縣景觀格局分類圖2006－2014

在景觀格局指數計算過程中，本研究采用了Fragstats 4.2 軟件，可將研究區的景觀格局劃分圖轉成柵格ArcGRID 格式從而直接導入到Fragstats 4.2 軟件，選取上述景觀格局指數進行計算，結果見表2、表3。

3 結果與分析

3.1 類型水平上的景觀格局指數分析

如表2 所示，平江縣在2006－2014年8a 內，各景觀格局指數均發生了顯著的改變，建筑用地、水田、旱田、園地、裸地、林地、草地、水域在8a 內變化趨勢各不相同，相互轉換。在類型總面積方面，草地、水田、裸地均呈持續減少的趨勢，并在2014年達到了最小;園地、旱地則呈先增后減的趨勢，并在2010年達到了最大;建筑用地、林地則呈持續增長的趨勢，從建筑用地面積的持續增長趨勢來看這反應了這8a 時間內平江縣伴隨人口的增長的一個城鎮化水平的提高，從林地類型面積的持續增長趨勢來看這也是與近8a年來平江縣政府大力開展的植樹造林、封山育林活動密不可分的。水域面積則出現了先減少后大幅增長的趨勢，這也是與2010年以后平江縣全境開展的水土保持、汨羅江流域治理活動有關聯的。在類型斑塊數方面，裸地呈持續減少的趨勢，水域呈持續增長的趨勢，其余類型均呈先增加后減少的趨勢。在形狀指數方面，草地與裸地呈持續減少的趨勢，說明了這8a 間，這兩種類型的斑塊正不斷受著人類活動的干擾。在最大斑塊指數方面，建筑用地、旱田、裸地、旱田的呈持續增長的趨勢，表明其景觀破碎度正在不斷降低，這也在一定程度上反映了城鎮化進度的加快、農業機械化程度的提高，而在周長面積分維數方面，所有類型的分維數均呈先增加后減少的趨勢，這也說明了這8a 間平江縣的土地利用情況經歷了一個沒統一規劃雜亂無序，再到統一規劃協調發展的過程。在斑塊聚合度方面，8a 時間內，林地和水田類型的聚合度一直位居前兩位，同類型總面積的排名保持一致，也充分凸顯了這兩景觀類型在平江縣整體景觀格局中的優勢類型地位。

表1 景觀指數的意義

表2 2006－2014年研究區類型水平上的景觀格局指數變化

3.2 景觀水平上的景觀格局指數分析

如表3 所示，從景觀的整體總體角度來看，2006年－2014 這8a 間研究區的景觀水平上的各景觀格局指數均發生了顯著變化。在2010年，斑塊總數達到了最大值，為312577，表明了研究區在2010年的土地的開發利用達到了一個峰值，這一時期斑塊總數相比起2006年及2014年要多出了很多，斑塊的破碎程度也最高，景觀亦最復雜。結合表2、表3 數據來看，景觀的蔓延度指數經歷了一個先減少再增加的過程，這是與林地這一優勢拼塊類型的變化趨勢緊緊相關聯的，在2010年的景觀蔓延度指數最高，達到了56.98，說明了在這一時期林地這一優勢拼塊類型的連接性是最高的。從香農多樣性指標來看，研究區三期的香農多樣性指數分別為1.06、1.17、1.12，其中2006－2010 這一時間的香農多樣性指數變化最大，差值達到了0.11，香農多樣性指標對景觀中非優勢類型的變化非常敏感［6］，說明從2006－2010 這4a 時間內研究區的非優勢類型拼塊變化幅度最大，受人工干擾程度也最大，并且在2010年香農多樣性指數達到了峰值1.17，說明這一時期的景觀破碎化程度達到了最高。從香農均勻度指數看，三期的均勻度指數分別是0.61、0.57、0.52，呈持續下降趨勢，則說明了研究區內林地這一優勢景觀類型所占景觀面積比例越來越大。

表3 2006－2014年研究區景觀水平上的景觀格局指數變化

4 研究區景觀格局變化驅動力分析

景觀格局演變驅動力系統可分為自然驅動力和社會驅動力2 個部分，這2 個部分又可細分為主導驅動力和非主導驅動力。由于各地區有著不同的經濟發展狀況和自然環境，同一地區的景觀格局演變既受主導驅動力的制約，同時也是多種驅動力共同作用的結果［7］。初步分析不難發現，研究區從2006～2014 這8a 時間內受人工干擾程度很大，社會驅動力成為了主導驅動力，故本研究從人口增長、農業生產的影響、和國家及地方政策三方面入手，著重分析社會驅動力中這一部分。

表4 2006－2014 平江縣人口、經濟水平變化情況

4.1 人口增長的影響

人口增長是造成研究區景觀格局變化的一個非常重要的因素，如表4 所示，2006～2014年，研究區的人口總量從103.78 萬人增長至109.05 萬人，人口密度由251.57 人/km2增長至264.35 人/km2，人口的迅速增長加快了平江縣的景觀類型轉換速度，這樣一來出現了大肆開墾荒地，使之轉化為建設用地的情況。在2006～2014 這8a 時間內，研究區的建設用地一直呈增長趨勢，而裸地、草地、水田則呈一直下降的趨勢。這些變化都是與人口的迅速增長有一定關系的。而在2010年，建筑用地、水田、旱田、園地、林地、草地類型斑塊數均達到了最大值，雖然景觀多樣性指數有所增加，但同時也提高了景觀破碎度，使得研究區景觀自我調節和恢復能力降低，這也與與研究區人口的迅速增長有關。

4.2 農業生產的影響

平江縣位于湘、鄂、贛三省交界處，地貌以山地和丘陵為主，是全國糧食、牲豬、木材、楠竹、黑山羊、水果等農產品生產大縣，農林牧副漁產業在平江縣國民經濟產業中占據了一個重要地位。據平江縣相關的統計數據顯示，2006年平江縣的農村人均純收入僅為2612 元，農林牧副漁總產值25.59 億元，2014年人均純收入增長到6744 元，農林牧副漁總產值達到了53.60 億元。一方面這與農業生產技術進步的進步、農業機械化水平的提高有關，更重要的還是社會發展形勢所做出的農業產業結構調整、優化所促成的。對比2006～2014年這8a年間和農業相關的土地利用類型變化，我們不難發現，傳統的糧食播種面積——水田類型斑塊面積一直呈減少趨勢，經濟作物種植面積——旱地、園地類型的斑塊面積總體上呈波動增長趨勢。而林地類型的斑塊一直呈增長趨勢，平江縣林業的總產值、產量也一直在飛速的增長。

4.3 國家及地方政策的影響

平江曾是全省水土流失較為嚴重的縣之一，從2006年開始，平江縣開展了一系列整治亂采濫挖、破壞地貌植被等造成嚴重水土流失的行動，截止2013年末，全縣累計完成水土流失綜合治理面積178.49km2，防治效果十分明顯，這也是研究期內裸地、草地景觀類型面積持續減少的原因之一。此外，平江縣先后建成了福壽山—汨羅江國家重點風景名勝區、幕阜山省級自然保護區、石牛寨國家級地質公園。到2014年末，平江縣規劃的受保護地區包括自然保護區、風景名勝區、飲用水源保護區、生態公益林等總面積達到1235.22km2，占全縣總國土面積4125.26km2的29.94%。同時，湖南省政府、平江縣政府先后出臺了《湖南省平江縣鞏固退耕還林成果專項規劃(2008－2015)》、《平江縣環境保護“十二五”發展規劃》、《湖南省平江縣生態縣建設規劃(2013－2018)》，研究區在2010－2014 這一時間的景觀破碎度有所降低，景觀蔓延度指數有所提高，這表明在2010年以后，國家級地方政策的影響正在逐漸增長。在經歷了一個沒統一規劃雜亂無序的景觀格局變化之后，受國家及地方政策影響的統一規劃、協調發展的景觀格局正在逐步形成。

5 結論與討論

5.1 結論

基于landsat 遙感影像資料，運用GIS、Fragstats 等軟件分析研究區的景觀格局各指數的變化及其驅動力，可以得出以下結論。

(1)2006－2012年平江縣主要的景觀類型分別是林地。研究期內平江縣各景觀類型水平上動態變化顯著，其中變化量最大的景觀類型是是林地，變化率最大的景觀類型是裸地。

(2)從景觀水平上看，2006－2014 這8a 時間內，研究區的景觀格局雖有所變化，但總體呈一個較為穩定的水平。在2010年，受人為干擾嚴重，斑塊總數量達到了最大值，景觀破碎度也最為嚴重，但在2014年，景觀破碎度有所降低，說明受人類活動干擾程度有所降低，而景觀蔓延度指數有所提高，研究區總體景觀格局是呈可持續發展趨勢。

(3)引起研究區景觀格局變化的驅動力主要包括近幾年人口的迅速增長引起的土地利用類型轉變;生產技術進步、農業機械化水平提高、農業產業結構調整引起的景觀格局變化;受湖南省和平江縣制定的相關政策、相關規劃影響的統一規劃、協調發展的景觀格局正在逐步形成。

5.2 討論

本文從類型水平、景觀水平兩層次分析了平江縣景觀格局的動態變化，在分析過程中所選取的各景觀指數均很好的反映了研究期內平江縣各尺度的景觀格局變化情況，并取得了一個較為良好的效果。但在景觀格局劃分過程中，由于受限于遙感影像的解譯精度，沒有能夠把林地景觀類型細分為針葉林、闊葉林、灌木、竹林等景觀類型，從而更細致的分析景觀格局。在驅動因素上，本文還存在一些未分析的因素，如自然災害、水土流失、工礦開采與環境污染等因素，這些因素也會對研究區景觀格局變化造成一定程度的影響，受制于研究期限和相關資料的缺乏，本文沒有分析這些因素，故這也是未來進一步的研究方向。

此外，本研究所采用的三期Landsat 遙感數據分別是Landsat－7 ETM(2006)、Landsat－5 TM 數據(2010)以及Landsat－8 ETM(2014)三顆不同衛星所獲取的遙感數據，其對應波段的波長有所不同，是否會對各時期景觀格局指數產生影響，仍需近一步討論。

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