基于GIS的曲阜市景觀格局分析

許淑婧， 張杰云， 呂海成， 魏新玲， 白玉娜

(信陽師范學(xué)院華銳學(xué)院，河南信陽 464000)

基于GIS的曲阜市景觀格局分析

許淑婧， 張杰云， 呂海成， 魏新玲， 白玉娜

(信陽師范學(xué)院華銳學(xué)院，河南信陽 464000)

摘要以1987年和2002年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，在ENVI 4.0平臺(tái)下提取曲阜市1987～2002年景觀格局動(dòng)態(tài)變化信息，利用FRAGSTATS 3.3軟件提取研究區(qū)的斑塊指數(shù)、形狀指數(shù)等景觀格局指標(biāo)，并進(jìn)行分析。結(jié)果如下：研究區(qū)建設(shè)用地、林地面積增加，農(nóng)用地、水域面積減少；斑塊數(shù)量、密度增加，形狀指數(shù)降低。這表明研究區(qū)景觀格局的變化受人類活動(dòng)的影響較大，應(yīng)加大對(duì)土地資源的保護(hù)并進(jìn)行合理規(guī)劃，走可持續(xù)發(fā)展之路。

關(guān)鍵詞RS；GIS；景觀格局變化；景觀指數(shù)

土地利用景觀格局是自然因素與人為因素相互作用產(chǎn)生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系內(nèi)的綜合反映。目前，相關(guān)學(xué)者常結(jié)合景觀格局及變化的分析模型來研究景觀格局變化的空間結(jié)構(gòu)及其變化趨勢(shì)。利用遙感圖像的空間特征、光譜特性和時(shí)間特性研究城市景觀過程，揭示其生態(tài)狀況及變化規(guī)律，已成為當(dāng)前國內(nèi)外開展景觀格局研究的最新趨勢(shì)。遙感技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、周期性、宏觀性和實(shí)時(shí)獲取資源環(huán)境狀況及其變化數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)又具有多種數(shù)據(jù)的綜合處理分析能力[1-4]。在遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的支持下，對(duì)曲阜市景觀格局進(jìn)行分析具有重要意義。

該研究以曲阜市為例，運(yùn)用ENVI4.0軟件、FRAGSTATS軟件對(duì)曲阜市土地利用景觀格局進(jìn)行分析，旨在為曲阜市的景觀生態(tài)規(guī)劃與生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)，以改善日益脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況曲阜市位于山東省西南部，是國務(wù)院首批公布的歷史文化名城之一，地理坐標(biāo)為116°51′～117°13′E，35°29′～35°49′N，南北最大縱距35.8km，東西最大橫距25km，總面積895.93km2。曲阜市屬暖溫帶季風(fēng)性大陸氣候，四季分明，具有春季多旱、夏季多雨、秋季干旱、冬季干冷少雪的氣候特點(diǎn)。

1.2研究方法首先使用ENVI4.0軟件在1987年和2002年兩幅不同時(shí)相的TM影像中截取曲阜市所在區(qū)域，并進(jìn)行圖像預(yù)處理，主要進(jìn)行圖像校正、圖像配準(zhǔn)、直方圖匹配與中心化等工作。在此基礎(chǔ)上，對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類，采用計(jì)算機(jī)解譯和人機(jī)交互解譯相結(jié)合的方法，研究其景觀格局變化規(guī)律。為了提取景觀格局變化信息，采用多波段遙感數(shù)據(jù)融合的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析。根據(jù)地表景觀特征建立景觀格局解譯標(biāo)志，解譯出兩期景觀格局現(xiàn)狀圖。其次，將解譯結(jié)果中的景觀格局分類圖像導(dǎo)入FRAGSTATS軟件中進(jìn)行處理，得出研究區(qū)的斑塊指數(shù)、形狀指數(shù)等景觀格局指標(biāo)。最后，由所得結(jié)果及統(tǒng)計(jì)資料分析影響景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)力因子。

1.3數(shù)據(jù)來源遙感數(shù)據(jù)源采用曲阜市所在地兩期LandsatTM影像，成像時(shí)間分別是1987年9月19日和2002年5月31日，軌道號(hào)為122-35。每景TM影像的地面覆蓋面積為185×185km2，主要從可見光到紅外波長范圍，有7個(gè)波段。其中TM1～5，7波段空間分辨率為30 m，TM6波段空間分辨率為120 m。1987年影像采用1(R)、4(G)、7(B)假彩色合成方案，2002年影像采用4(R)、3(G)、2(B)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成方案，方案層次好，色彩分明。非遙感信息數(shù)據(jù)包括曲阜市土地利用類型圖和各種文獻(xiàn)資料、相關(guān)年份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

2結(jié)果與分析

2.1圖像預(yù)處理

2.1.1幾何校正。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)和飛行路線的變化以及傳感器本身的誤差，存在著像片傾斜和地形起伏而引起的像點(diǎn)位移，以及受地球表面曲率、大氣折射、地球自轉(zhuǎn)的影響，常常會(huì)引起衛(wèi)星圖像的幾何畸變。因此，在進(jìn)一步應(yīng)用遙感圖像之前，必須進(jìn)行圖像的幾何校正。幾何校正的過程包括兩個(gè)基本環(huán)節(jié)：一是像素的坐標(biāo)變換；二是像素亮度值的重采樣。坐標(biāo)變換過程中控制點(diǎn)(GCP)的選取是其關(guān)鍵步驟，控制點(diǎn)選取越準(zhǔn)確，其校正結(jié)果越精確。重采樣過程中配準(zhǔn)精度應(yīng)在1個(gè)像素之內(nèi)，為進(jìn)一步的遙感影像融合、分類做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

2.1.2圖像配準(zhǔn)與增強(qiáng)。對(duì)幾何校正后的TM多波段影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)與增強(qiáng)處理，以增強(qiáng)圖像的目視解譯效果，提高解譯精度。研究中，借助ENVI4.0軟件，以經(jīng)過幾何校正后的2002年曲阜市TM影像為標(biāo)準(zhǔn)參照?qǐng)D像，選取了17個(gè)同名地物點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)(GCP)，對(duì)1987年曲阜市影像進(jìn)行配準(zhǔn)，控制點(diǎn)在圖像的4個(gè)角和中央位置均有分布，以保證不同年份的控制點(diǎn)在同一位置。配準(zhǔn)后圖像的投影為UTM，以WGS-84大地坐標(biāo)系為基礎(chǔ)面。配準(zhǔn)的結(jié)果滿足均方根誤差不大于1個(gè)像元的要求。然后將2002年的曲阜市遙感圖像邊界利用ArcGIS9.2進(jìn)行矢量化，以矢量化后的圖層為基準(zhǔn)，利用ENVI4.0軟件建立感興趣區(qū)域(ROI)，在1987年遙感影像上切取出曲阜市行政轄區(qū)，即得到研究區(qū)。

2.2遙感圖像融合遙感圖像融合是將多波段信息或多源數(shù)據(jù)信息加以綜合，以增強(qiáng)圖像中信息透明度，改善解譯精度。曲阜市遙感圖像融合主要是依據(jù)選擇最佳波段進(jìn)行融合時(shí)要以合成后的信息量最大和波段之間的信息相關(guān)最小的原則，結(jié)合研究目的，為突出顯示農(nóng)用地、建設(shè)用地、林地、水域等信息，在1987年9月19日的TM單波段文件中選取1、4、7三個(gè)波段分別賦予紅、綠、藍(lán)進(jìn)行假彩色合成，2002年5月31日的TM單波段文件中則選取4、3、2三個(gè)波段分別賦予紅、綠、藍(lán)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，合成后的假彩色合成圖像如圖1、圖2所示。

2.3圖像分類研究參考中科院的土地利用分類系統(tǒng)，并結(jié)合研究區(qū)的具體狀況及遙感影像特點(diǎn)，把曲阜市的景觀分為以下幾個(gè)類型：農(nóng)用地、建設(shè)用地、水域、林地、其他用地。通過對(duì)兩個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯，得到各個(gè)時(shí)期的土地利用分類圖。圖3為1987年曲阜市遙感影像解譯結(jié)果，圖4為2002年曲阜市遙感影像解譯結(jié)果。分類過程中，利用ENVI4.0軟件的sieve、clump、combine等功能對(duì)分類不精確的小圖斑進(jìn)行修改，使之達(dá)到分類精度要求。

各時(shí)期景觀格局類型面積如圖5所示。由圖5可知，1987～2002年景觀格局類型基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生大的變化，優(yōu)勢(shì)類型均為農(nóng)用地、建設(shè)用地，分別占總面積的72.71%，12.84%(1987年)和61.58%，22.69%(2002年)。曲阜市1987～2002年建設(shè)用地、林地和其他用地面積均有逐漸增加的趨勢(shì)，建設(shè)用地面積增加了8 825.35hm2，變化率為76.69%，林地面積增加了1 003.55hm2，變化率為41.51%，其他用地面積增加了587.66 hm2，變化率為11.02%。農(nóng)用地和水域面積呈逐漸縮小的趨勢(shì)，農(nóng)用地面積減少了9 971.26hm2，變化率為-15.31%，水域面積減少了445.29 hm2，變化率為-8.58%。這表明隨著人口增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居住與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占用了大量土地。

2.4景觀指數(shù)分析根據(jù)研究區(qū)土地景觀特點(diǎn)，運(yùn)用FRAGSTATS軟件在景觀水平上選取斑塊數(shù)、斑塊密度、形狀指數(shù)等[5]，結(jié)果如表1所示。

景觀斑塊數(shù)量、密度反映景觀整體斑塊分化程度，斑塊數(shù)量、密度指數(shù)越大，破碎化程度越高，景觀異質(zhì)性也越高。

從整體景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)上看，1987～2002年斑塊數(shù)量、密度均表現(xiàn)出稍有增加的態(tài)勢(shì)，斑塊數(shù)量和密度均增加了4.64%，這表明研究區(qū)的景觀破碎化程度增加，斑塊越來越趨向于離散分布，亦驗(yàn)證了在城市化進(jìn)程中，受人類活動(dòng)的干擾，城市的土地利用景觀破碎化程度升高的趨勢(shì)。

形狀指數(shù)主要反映斑塊形狀的復(fù)雜性，即形狀指數(shù)越小，斑塊的幾何形狀越簡單，表明受人類干擾的程度越大。在過去的16年間，形狀指數(shù)下降了0.96，斑塊形狀的復(fù)雜程度呈下降趨勢(shì)，表明人類活動(dòng)對(duì)土地利用格局的影響在逐步加強(qiáng)。

3討論

3.1自然因素的影響自然條件是人類一切活動(dòng)的前提，包括地質(zhì)、地貌、土壤、植被、氣象、氣候和水文等方面的因素。不同的自然條件下適宜人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的方式是不同的，且不同的地域決定景觀格局變化的主導(dǎo)性因子也是不同的。其中，氣候條件對(duì)景觀格局變化有制約作用，主要表現(xiàn)在其對(duì)農(nóng)作物、林木種類選擇及其分布、組合、耕作制度和產(chǎn)量的影響上。對(duì)曲阜市而言，氣溫和降水狀況是主要限制因子。由以下各年平均氣溫分布圖可以看出，1987～2002年氣溫變化幅度不大，對(duì)景觀格局變化的影響比較微弱(圖6)。

3.2人文因素的影響盡管從長時(shí)間尺度上看，自然和人為因素都驅(qū)動(dòng)著景觀格局變化，但在短時(shí)間尺度上，人類活動(dòng)無疑是景觀格局變化最主要的驅(qū)動(dòng)因素[6-9]。

3.2.1人口因素。曲阜地區(qū)人口比較稠密，農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較高，在景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)力中，人口是個(gè)非常重要的因素。隨著人口的增加，人們的棲息地和其他用地要增大，在一定程度上要占用部分農(nóng)用地。人口增加對(duì)景觀格局變化產(chǎn)生了一系列影響。

首先，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，建設(shè)用地迅速擴(kuò)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1987年曲阜市年末總?cè)丝跒?5.7萬人，人口密度為684人/km2，到2002年人口增長至63.94萬人，人口密度為785人/km2，比1987年增長了14.8%。由圖5可知，2002年建設(shè)用地面積比1987年增加了88.25 km2。這表明由于生產(chǎn)生活的需要，人口增加會(huì)導(dǎo)致建設(shè)用地面積總量增加。建設(shè)用地增加還表現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張上。隨著城市化的發(fā)展，農(nóng)村人口不斷向城市轉(zhuǎn)移，使城區(qū)居民用地面積迅速擴(kuò)展，大量的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為工礦建設(shè)用地、城鎮(zhèn)用地。

其次，人口增加會(huì)造成農(nóng)用地?cái)?shù)量的減少。從圖5可以看出，2002年農(nóng)用地面積比1987年減少了9 971.26hm2。這表明，雖然人口增加會(huì)引起農(nóng)用地需求的增加，比如曲阜東部山區(qū)實(shí)施了生態(tài)退耕的措施，但在市場與比較利益驅(qū)動(dòng)下，農(nóng)用地，特別是城鎮(zhèn)周圍的優(yōu)質(zhì)耕地仍不斷被占用且大量流向交通用地、工礦用地等建設(shè)用地。

最后，人口增加造成的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張會(huì)導(dǎo)致部分林、草地被破壞，水域面積減少，加速了生態(tài)環(huán)境惡化，但由于曲阜市在植樹造林方面取得了一定成效，比如隨著旅游業(yè)的發(fā)展，政府加大對(duì)林地的保護(hù)力度，使得曲阜市的林地面積有所增加。

3.2.2經(jīng)濟(jì)因素。改革開放以來，處于工業(yè)化和城市化過程中的曲阜市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平位居濟(jì)寧市前列，處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展粗放型階段。隨著GDP的增長，建設(shè)用地面積增加，農(nóng)用地面積減少。由圖7可看出，曲阜市2002年第二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重比1987年分別增加了23.2%、17.2%，增幅較

大。1987～2002年，曲阜市著力推進(jìn)了工業(yè)、商貿(mào)流通業(yè)、旅游業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的重大項(xiàng)目建設(shè)，并發(fā)展了機(jī)電汽配、電纜電源、紡織建材、生物醫(yī)藥、煤炭電力等優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。這些大規(guī)模的生產(chǎn)活動(dòng)，尤其是工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)都要求有地勢(shì)平坦、面積大且承壓力強(qiáng)的土地，因而大量的農(nóng)用地被占用。而且，隨著城市發(fā)展，尤其是旅游業(yè)的需求，道路交通設(shè)施等城市基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，如327國道、104國道在曲阜段的規(guī)劃建設(shè)，孔孟新道等各類公路的建成，使得部分農(nóng)用地流向交通建設(shè)用地。由圖5也可以看出，農(nóng)用地面積由1987年的651.44km2減少到2002年的551.73 km2，建設(shè)用地面積由1987年的115.07 km2增加到2002年的203.33 km2。農(nóng)用地大量流向非農(nóng)建設(shè)用地是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)面臨的一個(gè)普遍問題。

4結(jié)論

(1)研究區(qū)景觀格局類型以農(nóng)用地和建設(shè)用地為主，16年來研究區(qū)農(nóng)用地、水域面積有所減少，建設(shè)用地、林地和其他用地面積有所增加。

(2)研究區(qū)景觀格局變化的方向是部分農(nóng)用地、水域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地和其他用地。

(3)曲阜市景觀格局驅(qū)動(dòng)力分析表明，在較短時(shí)期內(nèi)，自然因素對(duì)景觀格局的變化影響較小，人口壓力、經(jīng)濟(jì)因素是影響景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)力。

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中圖分類號(hào)S127;TP75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)30-083-03

作者簡介許淑婧(1988- )，女，山東菏澤人，助教，碩士，從事城市污染方面的研究。

收稿日期2015-09-16

AnalysisonLandscapePatterninQufuCityBasedonGIS

XUShu-jing,ZHANGJie-yun,LVHai-chengetal(HuaruiCollege,XinyangNormalUniversity,Xinyang,Henan464000)

AbstractWith remote sensing TM image of 1987 and 2002 as the data source, extracting landscape pattern of dynamic change information of 1987 and 2002 in Qufu City under ENVI4.0 platform, and use FRAGSTATS3.3 to extract the area’s plaque index, shape index and so on. The results are as follows: the area of building land and forest land are increasing; the area of agriculture land and waters are decreasing; the number and the density of plague are increasing, the shape index is decreasing. This shows that the change of landscape pattern is more influenced by the human factors. We should increase the protection of land resources to maintain a sustainable development.

Key wordsRS; GIS; Landscape pattern change; Landscape index