基于RS和GIS的石臼湖周邊景觀格局動態研究

葉鵬+王鳳霞

摘要：以2003年和2013年的Landsat-7 ETM+與Landsat-8影像數據為數據源，基于MapGIS K9遙感處理系統，通過地表覆被分布空間特征和光譜特征，建立遙感解譯標志，采用監督分類和人機交互糾正相結合的方法提取了石臼湖周邊土地利用和景觀格局信息，并選取相關景觀格局指數分析了10年間區域內景觀格局的變化。結果表明，石臼湖周邊城鎮建設用地與林地面積分別增加了32.50%和40.20%，水田面積也穩步增長，水域面積下降比例最大，旱地面積下降絕對值最大，但仍為最主要的土地利用類型，其他用地是面積最小的景觀類型。研究區整體破碎度和異質性降低，區域內景觀愈來愈受到人類活動的干預，優勢景觀的斑塊連接性下降，破碎化程度加深。區內的各土地利用類型變化趨勢各異，所占比例差異較大，但是景觀類型的多樣性和空間結構復雜性能促進其穩定的發展。

關鍵詞：遙感；地理信息系統；土地利用變化；景觀格局；石臼湖

中圖分類號：TP79：S159.2；P208.2；P901（531） 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-5062-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.034

Changes of Landscape Pattern in the Shijiu Lake Surrounding Area Based on Remote Sensing and Geographic Information System

YE Peng，WANG Feng-xia

（College of Tourism ，Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Based on MapGIS K9 remote sensing processing system and the analysis of land use data obtained from 2 Landsat-7 ETM+ and Landsat-8 image in the years of 2003 and 2013， remote sensing interpretations were established through spatial distribution characteristics and spectral characteristics of land cover. The hierarchical classification method and the method combining supervised classification with the artificial visual interpretation were applied to extract landscape class information of land use in the Shijiu Lake surrounding area. Further more， related landscape indices were selected for analysis of changes in the regional landscape pattern over 10 years. The results are as follows. Urban construction land and forest area was increased by 32.50% and 40.20% in the Shijiu Lake surrounding area while paddy area was also steadily growing. The water area had the largest decline percentage while dryland area had the largest absolute decline， which was still the main land use types. The landscape type of the other land had the smallest area. The fragmentation and heterogeneity of studied area reduced as the regional landscape has been more and more intervented by human activities. The dominant landscape patches connectivity decreased； and fragmentation deepened. The ratio of different land use type in the studied area deffered； and the development trends are also different. Landscape diversity and complexity of spatial structure can promote the stablility of development.

Key words： remote sensing； geographic information system； land use change； landscape pattern； Shijiu Lake

景觀生態學是地理學與生態學的一個交叉學科[1]，為在大尺度上開展地理學、生態學綜合研究起到了啟迪和指導作用[2-4]。土地利用類型和景觀格局緊密關聯，土地利用、覆被的變化不僅會導致地表景觀結構發生巨大變化，而且會影響景觀物質循環與能量流動，這對于區域生物多樣性和重要生態過程影響深遠[5]。因此將土地利用和景觀格局理論結合在一起，有助于研究土地利用和景觀格局變化的相互關系[6]。石臼湖是江蘇省12個省管湖泊之一，已列入中國重要濕地名錄[7]。石臼湖安徽段已于1999年建立石臼湖自然保護區（省級），以保護珍稀水禽及其生境[8]，因此石臼湖的生態服務功能非常重要。本研究基于景觀格局理論，結合其在LUCC上的應用，通過提取石臼湖周邊土地利用和景觀格局的信息，并計算相關景觀格局指數，以揭示其土地利用特征及景觀格局變化趨勢，從而為該區域土地資源管理、生態功能分區和可持續發展提供理論依據。endprint

1 研究區概況

石臼湖位于長江右岸、水陽江下游，屬構造型淺水湖泊，地處北緯31°23′～31°33′、東經118°46′～118°56′，具有蓄洪、灌溉、養殖、航運等功能，分屬江蘇省南京市高淳區、溧水區和安徽省馬鞍山市博望區、當涂縣，屬跨省湖泊[9]。石臼湖流域總面積1.86萬km2，湖泊水面面積214.74 km2，其中江蘇省境內為115.4 km2，其余屬于安徽省。石臼湖周邊氣候屬北亞熱帶季風型濕潤氣候，年平均氣溫15.8 ℃，年平均降水量1 023 mm，植被屬常綠闊葉與落葉闊葉混交林地帶的沿江沿湖植被區，區內原生自然植被已不復存在，主要為次生植被和人工植被。地貌分為低山丘陵和平原圩區兩大類型。本研究區域為石臼湖及與石臼湖相鄰的馬鞍山市、當涂縣、南京市溧水區和高淳區。

2 研究方法

2.1 遙感數據獲取及處理

本研究所選用的數據為Landsat-7 ETM+（2003年）與Landsat-8（2013年）的遙感影像資料，相關信息見表1。基于MapGISK9遙感處理系統，經過波段合成、幾何校正和影像裁剪[10]后，建立遙感解譯標志，通過監督分類提取出各類土地利用景觀類型。由于“異物同譜”、“同物異譜”是光學遙感不可避免的問題，完全依靠計算機解譯遙感影像則與實際地表情況有一定的出入[11]，所以通過人機交互糾正完善分類結果，從而獲得最終的土地利用分類圖，詳見圖1、圖2。

2.2 分析方法

利用MapGIS K9對2003年、2013年土地利用分類結果進行變化檢測，得出土地利用類型轉移矩陣，并以此分析變化狀況。根據景觀生態學原理和研究區內的土地利用特點，選用斑塊數、斑塊密度指數、最大斑塊指數、斑塊形狀指數、香農多樣性指數和香農均勻度指數等評價指標[12，13]對區域進行生態景觀格局綜合評價。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

石臼湖周邊2003-2013年土地利用類型面積和動態變化情況見表2。根據表2數據統計可知，研究區域在10年間土地利用變化的總體特征為城鎮建設用地與林地面積顯著增加，分別增加了122.30 km2和111.88 km2，城鎮建設用地變化率為32.50%，林地的變化率更高達40.20%。水田面積在10年間也是穩步增長，占總面積的比例由19.05%升至21.61%。其余土地類型均為減少，水域面積下降比例最大，由2003年的325.72 km2下降至180.82 km2，平均每年下降4.45%。旱地面積減少絕對值最大，減少了157.70 km2，不過仍為該區域最主要的土地利用類型。其他用地是所有類型中面積最小的，2013年占總面積的0.71%，共減少了19.28 km2。

通過觀察2個時期土地利用覆被類型分布的變化（圖1、圖2），可以發現4個行政區劃的景觀格局變化也存在差異。馬鞍山市是其中惟一的地級市行政單位，其城鎮建設用地面積分布最廣，增長的速率也最快；當涂縣的水域和水田面積大幅度減少，主要由水域和水田轉出為城鎮建設用地和旱地；溧水區和高淳區水田面積有所增加，增加區域主要為石臼湖南部和東側，城鎮建設用地面積也有所增加，破碎狀的小面積林地分布廣泛。

3.2 景觀格局變化分析

景觀格局研究的主要方向在于空間異質性和時間異質性，景觀格局變化分析通過研究景觀格局指數及指數變化來進行[14]。相關的景觀格局指數能夠反映區域景觀格局變化趨勢，定量描摹不同方面的演化特征，著重反映景觀破碎化程度和景觀多樣性的變化[15]。

3.2.1 景觀水平變化分析 石臼湖周邊2003-2013年景觀水平的景觀格局指數動態變化情況見表3。由表3可以看出，2013年與2003年比較，研究區的斑塊數、斑塊密度指數和斑塊形狀指數分別下降，反映出研究區景觀整體的破碎度和異質性降低。由于近年來區域內經濟發展快速推進，景觀越來越受到人類活動的干預，整體景觀格局隨人類意識和政府規劃呈聚集、分塊趨勢演變，斑塊平均面積的穩定增加也印證了這種現象。從表3還可見，最大斑塊指數同樣呈下降趨勢，這說明優勢景觀受到一定程度的干預，優勢景觀的斑塊連接性下降。根據土地利用類型統計結果，石臼湖周邊的優勢景觀為農田類型景觀，其干預因素主要為城鎮建設用地和林地景觀數量的增加。另外，香農多樣性指數和香農均勻度指數均表現為小幅度增大的趨勢，說明各景觀類型面積分布較為均衡，景觀優勢類型不明顯，景觀結構組成較為復雜，且在向更優化的方向發展。

3.2.2 類型水平變化分析 石臼湖周邊2003-2013年土地利用類型景觀格局指數水平變化情況見表4，由表4可以分別看出各土地利用類型景觀格局指數水平的動態。①水域。2013年的水域斑塊數較2003年數據銳減，水域斑塊數減少也是2013年研究區斑塊數和斑塊密度指數減少的主要因素。同時斑塊形狀指數也出現下降，說明形狀更為規則，這與大量水域被改造成水田和城鎮建設用地有很大的關聯。石臼湖湖體為水域中的最大斑塊，斑塊最大面積相對穩定，沒有出現明顯的圍湖造田現象。在水域總面積減少、石臼湖面積穩定的情況下，導致了最大斑塊指數上升。②城鎮建設用地。斑塊最大面積有了很大的增加，這是因為研究區在城市化進程上有了長足發展，城區面積擴張顯著。而斑塊密度指數、斑塊形狀指數均出現下降，表明城區發展覆蓋了原本城鎮周邊的土地，范圍擴張的同時形狀變得規則。其余指標均為增長，反映出人類活動強度增加，社會經濟和基礎建設迅速發展。③林地。林地的斑塊數和景觀要素面積比例都有很大增長，林地在區域內覆蓋范圍得到了很大的提高。斑塊密度指數上升而最大斑塊指數下降，表明林地分布更加分散且破碎度增加。這與新增林地在流域內的分布有關，林地不再只局限于山地地帶，林地增加來源主要為旱地。④旱地和水田。旱地和水田的格局變化基本上呈相反的趨勢，除去斑塊形狀指數二者同時降低外，其余指標變化全部相反。旱地斑塊數和斑塊密度指數上升表明其破碎化程度加大，旱地占景觀要素面積的比例也持續走低，但依然是流域內比例最大的景觀類型，說明旱地依然是流域內的主要土地利用類型。水田的分布則更為集中，破碎化程度降低，景觀要素面積比例也僅次于旱地，同樣是流域內優勢景觀。旱地主要演化為城鎮建設用地、林地和水田，因此旱地面積減少的原因主要是城鎮發展和對外擴張占用了旱地、旱地改水田的實施以及退耕還林政策的推廣。水田面積增加主要來源于旱地和水域，許多小范圍的水體被圍湖造田改造成了水田。斑塊形狀指數的降低，說明旱地和水田受到耕作和農業規劃影響，形成分塊集中。通過這兩組數據的對比還可以看出，斑塊數與農田景觀變化的趨勢聯系不緊密。⑤其他用地。其他用地在流域內所占的比例很小，2003～2013年也一直減少。斑塊最大面積和最大斑塊指數都有上升，斑塊密度指數和斑塊形狀指數下降，反映出其他用地分布更加集中，形狀也更加完整。其他用地主要轉出城鎮建設用地和水田，表明該區域內人類活動愈加頻繁，且活動深度增加。endprint

4 小結

在分析了石臼湖周邊區域2003-2013年土地利用類型及景觀格局變化情況后，發現研究區10年間土地利用變化的總體特征是城鎮建設用地與林地面積顯著增加，分別增加了32.50%和40.20%；水田面積也穩步增長，2013年占到總面積的21.61%；其余的土地類型均減少。以水域面積下降的比例最大，旱地面積下降的絕對值最大，但仍為最主要的土地利用類型；其他用地是面積最小的景觀類型，平均每年減少4.40%。

在景觀水平變化上，研究區內的斑塊數、斑塊密度指數和斑塊形狀指數全部下降，研究區景觀整體破碎度和異質性降低，表明區域內景觀愈來愈受到人類活動的干預；最大斑塊指數同樣呈下降趨勢，優勢景觀受到一定程度的影響，優勢景觀的斑塊連接性下降；香農多樣性指數和香農均勻度指數均增加，研究區內景觀優勢類型不明顯。

在類型水平變化上，水域分布形狀更為完整；城鎮建設用地斑塊最大面積有了很大增加，主要是因為區域城市化發展，城區面積擴張顯著；林地不再局限于山地地帶，林地覆蓋范圍得到了很大提高；旱地和水田變化趨勢相反，旱地破碎化程度加大，但依然是區域內主要的土地利用類型，水田分布更加集中，景觀要素面積比例僅次于旱地，同時還可以發現斑塊數與農田景觀變化趨勢聯系不緊密；其他用地主要轉入城鎮建設用地和水田，表明該區域內人類活動更加頻繁，活動深度增加。

由于受到自然條件和人為因素的影響，研究區內各景觀類型所占比例差異較大，變化趨勢也不盡相同，當然土地利用類型多樣性和空間結構復雜性能促進區域內的穩定發展。在景觀格局的分析過程中，可以看出近年來林地覆蓋率逐步提高，因此在土地利用上應充分發揮其優勢，發展生態旅游業。但是大量水域被改造成建設用地和水田，且石臼湖本體雖基本穩定，但沿湖漁業養殖面積的擴大在一定程度上導致湖面變相萎縮。這種圍墾與周邊濕地用途的改變，增加了洪澇災害風險，同時使漁業生產、濕地經濟作物種植失去了發展場地，需要及時開展湖泊生態修復，提高石臼湖生物多樣性水平。另外，近年來研究區內行政區劃多次變更，土地利用受國家政策影響將會隨之改變。因此針對該區域景觀格局變化驅動力的深入分析，將是下一步研究的重點，進而為該區域土地資源管理、生態功能分區和可持續發展提供理論依據。

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