南昌市城市化進程中土地利用景觀格局穩定性分析

劉 影，巫偉華，冉俊茂，張宇婧

（1.江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022；2.江西師范大學地理與環境學院，江西 南昌 330022）

在城市化進程中，人類各種經濟社會活動對景觀的穩定性會產生劇烈影響［1］。城市化的概念，最早出現在18世紀歐洲的工業革命之后。城市化使土地利用景觀格局發生改變，且表現出一定規律性［2］。近10年來南昌市的城市化進程有加快趨勢，尤其是城區的快速擴張，使城區和城區附近的景觀呈現出“高度破碎化”的特征［3］，致使原本自然景觀、半自然景觀和人為景觀由連續的地帶性分布變為不連續的混合斑塊鑲嵌體，造成景觀生境破碎［4］，不利于城市化的可持續發展［5］。因此，進行城市景觀格局穩定性的時空演變分析，有助于城市生物多樣性的保護和生態城市的建設［6-7］。

穩定性是城市化進程中景觀格局演變的重要特征［8］，景觀的穩定性是景觀生態學研究中的重要內容之一，但目前國內外對景觀穩定性的定義并不統一，多借用生態系統穩定性的概念來解釋［9-13］。國內外學者發展了大量的景觀指數進行定量表征［15-16］，馬克明等［17-18］對景觀的穩定性進行了研究，但這些研究大多未能以穩定性為核心進行分析，尤其對于景觀穩定性格局的特征缺乏梳理。本文在以往研究基礎上，基于2016—2010年、2010—2016年兩個時期遙感數據的景觀類型分類數據，定量探討快速城市化背景下南昌市景觀破碎化的時空特征，分析土地利用景觀內部穩定性的格局指數，揭示其時空演變規律，為區域可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況和數據處理

1.1 研究區概況

南昌市位于 115°27′～ 116°35′E、28°09′～29°11′N之間，地處江西省中部偏北，贛江、撫河下游地區，鄱陽湖西南岸，是長江中游城市群的三大中心城市之一，下轄東湖區、西湖區、青云譜區、青山湖區、新建區、灣里區以及南昌縣、進賢縣、安義縣（6區3縣）。全市山、丘、崗、平原相間，以平原為主，東南相對平坦，西北丘陵起伏。全市江河縱橫，湖泊池塘星羅棋布，水網密布。境內氣候為亞熱帶濕潤季風氣候，夏天炎熱，有“火爐”之稱，冬天較寒冷，是夏炎冬寒的典型城市，年降雨量1 600～1 700 mm，降水日147～157 d。全市境內主要樹木有413種，常見樹種為松、杉、樟等。全市土地總面積7 412.52 km2，占江西省面積的4.31%，2015年末總人口537.14萬，比上年末增加6.85萬人。本研究主要針對南昌市城市化進程開展，研究范圍確定5個市轄區（青山湖區、青云譜區、西湖區、東湖區、灣里區），并結合南昌市近年來城區發展的實際情況，延伸至高新技術開發區及經濟技術開發區，共7個行政區域，研究區面積為884.60 km2（圖1）。

1.2 數據來源及處理

本研究利用2006、2010、2016年 的Landsat系列TM/ETM+、OLI影像，影像均為美國陸地資源衛星Landsat系列影像數據（http://www.gscloud.cn/），云量系數小于10%（表1）。由于Landsat-7 ETM+機載掃描行校正器（SLC）故障，導致此后獲取的影像出現了數據條帶丟失，本文利用ENVI5.3進行去條帶：Layer Stacking多波段合成→用Edit ENV HeaderI修改合成圖像的頭文件（比照帶條帶的多波段圖像的頭文件進行修改）→輻射定標（Radiometric Calibration工具）、大氣校正［19］。為使研究數據更具對比性，在選擇影像時，充分考慮本區域氣象條件和土地覆蓋特點，以秋冬季影像為主，所選取的影像成像時間都集中在9、10月（表1）。

首先對原始影像進行逐步處理：（1）利用ERDAS軟件進行波段融合；（2）選取基準影像，對研究影像進行自動糾正與幾何糾正，偏差小于0.5個像元為糾正成功；（3）以南昌市行政邊界矢量圖層為基準，對糾正好的影像進行裁剪、拼接等，得到南昌市遙感影像。在此基礎上，利用Arc Map與ArcInfo Workstation等Arc GIS10.2板塊，參照中國科學院資源環境數據庫標準以及《中國華中地區陸地衛星TM假彩色數據土地資源信息提取標志參照表》［3］，結合實際情況，對南昌市遙感影像進行目視解譯等工作。此外，運用谷歌地球軟件的高分數據對解譯工作進行精確度驗證，通過對研究區域實地核實的數據對解譯工作進行驗證與更正，得到南昌市不同時期各土地利用類型的數據。

表1 南昌市遙感影像時相和行列號情況

2 研究方法

以校正后的遙感影像圖、地形圖等為底圖，應用Arc GIS 10.2軟件對各底圖進行處理，根據景觀斑塊的劃分標準，并借助Arc GIS 10.2地理信息系統平臺的支持，得到2006、2010、2016年景觀斑塊類型圖，形成各景觀要素專題圖，獲取空間分析數據庫，并提取所需數據信息，然后對所得數據進行統計與運算，求出各參數并進行相關分析。

2.1 景觀類型及其變化的分類

考慮到研究區所用遙感數據時間跨度較長、進行嚴格幾何精校正難度大等因素，采用常規分類法進行LUCC變化的測量，將南昌市的土地利用類型劃分為林地、草地、水域（河渠、湖泊、水庫、坑塘、灘地）、建設用地、未利用地和耕地（旱地和水田）6大類，然后采用基于光譜特征的最大似然分類法完成2006—2010年、2010—2016年兩個時期遙感影像的LUCC分類。

2.2 利用景觀指數計算景觀格局的穩定性

景觀存在由河流、道路和人為活動導致的不穩定性，選取衡量景觀格局穩定性程度的指標時應全面考慮其時空特征。景觀學把空間的異質性與尺度的關系有機結合起來，借助其景觀學中斑塊理論，通過斑塊密度、耕地斑塊平均面積、耕地斑塊邊界形狀、斑塊間分離度等指數大小，來表征南昌市景觀格局的穩定性，有助于把握南昌市景觀格局與環境之間的關系，對研究區景觀生態規劃與經濟建設具有重要的現實意義。

根據南昌市實際情況和研究內容需要，利用Fragstates 4.2軟件對景觀格局的穩定性進行定量化分析。Fragstates 4.2的功能強大［20］，能計算出59個景觀指標，這些指標分為3組級別，代表3種不同的應用尺度：斑塊級別（patchlevel）指標：反映景觀中單個斑塊的結構特征，也是計算其他景觀級別指標的基礎；斑塊類型級別（class-level）指標：反映景觀中不同斑塊類型各自的結構特征；景觀級別（landscapelevel）指標：反映景觀的整體結構特征［21］。在研究南昌市景觀格局時，根據以往的研究結果［22-23］，考慮到研究區面積，依據研究需要本研究將選取的指標分為3大類：面積類——最大斑塊指數（LPI）、邊緣密度（ED）、平均斑塊面積（AREA_AM）、斑塊密度指數（PD）；形狀類——耕地斑塊形狀指數（LSI）、周長面積分維度（PAFRAC）；分布類指標——景觀分離度指數（DIVISION）、耕地斑塊聚集度（AI）、景觀破碎度指數（SPLIT）、斑塊聚集度指數（COHESION）。

2.3 利用分形模型計算景觀格局的穩定性

分形理論是由法裔美國數學家曼德爾布羅特（Mandelbrot）提出的，按照其說法“分形”本意就是不規則的、破碎的［24］。主要用于研究具有自相似的不規則分形幾何圖形問題，相似性是分形自相似性和缺乏平滑性2個重要特征之一，既重復放大分形的細部（分形元），又可看到與本身相似結構的再度出現，分形指數的大小可表征景觀結構的復雜性和穩定性［25］。

分形模型的計算公式如下：

式中，A（r）為某一斑塊面積，P（r）為同一斑塊周長，C為待定常數（截距），D為二維歐式空間的分維數。

如果具有分形結構，則周長、面積對數散點圖回歸分布于一條直線，可通過求取直線的斜率求得各土地利用類型分維數D的值。分維值D為斜率的倒數乘以2，即D＝2/K（K為直線斜率），D越大，表示圖形形狀越復雜；當D＝1.5時，表示圖形處于一種隨機運動狀態，即D值越接近1.5，空間結構越不穩定，且徐建華等依據景觀格局的要素定義了一個穩定性指數S，S檢驗斑塊穩定性的指標：

式中，S越大表示空間結構越穩定。

2.4 利用轉移矩陣計算景觀格局的穩定性

土地利用景觀格局的轉移矩陣能反映某一區域、某一時段初期和末期各地類面積之間相互轉化的動態過程，不但包括靜態的一定區域某時間點的各地類面積數據，還包含更為豐富的初期各地類面積轉出和末期各地類面積轉入信息。土地利用轉移矩陣通用式［26］為：

式中，S為面積，n為轉移前后的土地利用類型數，i、j（i, j=1,2,…,n）分別為轉移前與轉移后的土地利用類型；Sij為轉移前的i地類轉換成轉移后的j地類的面積。矩陣中每行元素表示轉移前的i地類向轉移后各地類的流向信息，矩陣中的每列元素表示轉移后的j地類面積從轉移前的各地類的來源信息。轉移前后土地利用類型數可以有所不同，這時Sij的行數和列數不同。

3 結果與分析

從南昌市景觀組成結構（表2）和2006、2010、2016年3個時期景觀斑塊類型（圖2）可以看出，研究區土地利用類型由林地、草地、水域、建設用地、未利用地和耕地6種景觀組成。其中，建設用地景觀單元比重相對較高，為南昌市景觀格局的基質、2016年達研究區35%以上，而未利用地的比重最低、只占研究區的1.45%。

結合實際調查可知，水域為研究區景觀的廊道，林地、草地、建設用地、未利用地、耕地為研究區景觀斑塊。伴隨著南昌市城市化的進程，與2006年相比，2016年只有建設用地面積在各階段均有增加，從2006年的28.31%增加到2016年的35.24%，在所有景觀類型中增幅最大。草地、未利用地、耕地、林地和水域面積均呈下降趨勢。

表2 南昌市景觀結構組分類型

3.1 南昌市景觀格局穩定性演變分析

3.1.1 面積類指標分析 由南昌市整體景觀格局指數（表3）可知，南昌市最大斑塊指數（LPI）持續下降，說明斑塊正在逐年變小，受人為影響較大；而邊緣密度（ED）和平均斑塊面積（AREA-AM）先下降后上升，說明景觀中的斑塊與其他地類的小斑塊鑲嵌分布，造成邊界更大、更復雜；斑塊密度指數（PD）先上升后下降，但斑塊密度指數均在1.3左右，說明景觀格局中的斑塊密度整體較穩定。

3.1.2 形狀類指標分析 景觀斑塊形狀指數（LSI）和景觀周長面積分維度（PAFRAC）均是先上升后下降，說明隨著南昌市城市化進程中，景觀形狀在人為干預的活動下在不斷變化，斑塊形狀趨于復雜化、不規則化，穩定性有所下降。

表3 南昌市整體景觀格局指數

3.1.3 分布類指標分析 2006—2016年，南昌市景觀分離度指數（DIVISION）、斑塊聚集度（AI）、破碎度指數（SPLIT）、斑塊結合度指數（COHESION）在近10年間呈現先上升后下降趨勢，但波動不大，說明南昌市的分布類指標在10年間整體上較穩定。雖然南昌市整體景觀格局指數在10年間有波動，但變化不顯著，說明南昌市的景觀格局的整體穩定性較好。

3.2 景觀格局的穩定性分析

由表4可知，南昌市各景觀格局斑塊指數的回歸擬合方程的擬合度較好，各地類的相關系數基本上在0.70以上，說明該市景觀格局斑塊面積和周長存在顯著的線性關系，應用分形理論對研究區景觀格局的斑塊進行研究是可行的。根據分析模型計算結果可知，2006年南昌市的景觀格局穩定指數表現為：草地＞林地＞水域＞未利用地＞耕地＞建設用地，草地的分離度指數最大，說明草地在景觀格局中最分散，其主要原因是草地受人為影響較明顯，且草地斑塊數少，在空間上分布零散；而建設用地景觀分離性指數最小，因為建設用地是整個南昌市的景觀基質，在空間上的面積比較大，空間分布集中且斑塊之間聯系緊密。2010、2016年分散度最大的均是建設用地、最小的是林地，表明南昌市景觀格局的穩定性隨著時間推移，受人為干擾越來越明顯，受自然因素的影響在逐漸減弱。整體上南昌市在近10年間景觀格局的穩定性較好。

3.3 土地利用轉移分析

為探究南昌市城市化進程中土地利用景觀格局的穩定性，在Arc GIS 10.2軟件下得到土地利用景觀格局轉移矩陣（表5、表6），對各土地利用類型的轉移變化進行分析。

3.3.1 林地轉移變化 2006—2010年和2010—2016年，林地新增面積分別為9.62、29.68 km2，轉出面積分別為33.01、38.58 km2；新增面積均小于轉出面積，林地面積呈減少趨勢，林地主要流轉為耕地、其次是建設用地。2006—2010年，林地新增面積來源量最多的是草地、其次是耕地；2010—2016年，流入量最多的是耕地、其次是建設用地，表明林地的雙向轉移主要表現為林地與耕地、建設用地之間，林地的來源主要是耕地、建設用地和草地。

表4 2006—2016年南昌市各地類分維計算回歸方程及相關統計量

表5 2006—2010年南昌市土地利用轉移矩陣（km2）

表6 2010—2016年南昌市土地利用轉移矩陣（km2）

3.3.2 草地轉移變化 2006—2010年、2010—2016年，草地新增面積分別為8.83、12.08 km2，轉出面積分別為5.98、3.70 km2，新增面積均大于轉出面積，表明草地面積呈小幅增加。2006—2010年，草地主要轉出為林地、其次是耕地。2010—2016年，草地主要流轉為建設用地、其次是耕地。2006—2010年草地新增面積來源量最多的是林地、其次是耕地。2010—2016年流入量最多的是林地、其次是建設用地，表明草地的雙向轉移主要表現為草地與耕地、建設用地和林地之間，草地的來源主要是耕地、建設用地和林地。

3.3.3 水域轉移變化2006—2010年、2010—2016年，水域新增面積分別為8.75、21.97 km2，轉出面積分別為7.01、19.95 km2，新增面積均大于轉出面積，水域面積略有上升。2006—2010年、2010—2016年水域主要流轉為耕地、其次是建設用地；2006—2010年水域新增面積來源量最多的是耕地、其次是建設用地。2010—2016年流入量最多的是建設用地，其次是耕地，表明水域的雙向轉移主要表現為水域與耕地和建設用地之間，水域的來源主要是耕地和建設用地。

3.3.4 建設用地轉移變化 2006—2010年、2010—2016年，建設用地新增面積分別為32.03、36.68 km2，轉出面積分別為19.94、55.16 km2。2006—2010年轉入面積大于轉出面積，2010—2016年新增面積小于轉流面積，表現出建設用地面積上升的趨勢正在逐步緩解。2006—2010年、2010—2016年建設用地主要流轉為耕地，其次是水域；相應地，2006—2010年建設用地新增面積來源量最多的是耕地、其次是林地，2010—2016年流入量最多的是耕地、其次是水域，表明建設用地的雙向轉移主要表現為建設用地與耕地和水域之間，建設用地的來源主要是耕地、林地和水域。

3.3.5 未利用地轉移變化 2006—2010年、2010—2016年，未利用地新增面積分別為5.50、53.49 km2，轉出面積分別為29.33、38.83 km2；新增面積均大于轉出面積，表現未利用地面積有上升趨勢。2006—2010年、2010—2016年未利用地主要流轉為建設用地、其次是耕地，2010—2016 年未利用地主要轉為建設用地、其次是水域；相應地，2006—2010年未利用地新增面積來源量最多的是耕地、其次是建設用地，2010—2016年轉入量最多的是建設用地、其次是水域，表明未利用地的雙向轉移主要表現為未利用地與耕地、建設用地和水域之間，同時未利用地的來源主要仍是耕地、建設用地和水域。

3.3.6 耕地轉移變化 2006—2010年、2010—2016年，建設用地新增面積分別為37.90、36.68 km2，轉出面積分別為19.94、55.16 km2。2006—2010年新增面積大于轉出面積，而2010—2016年新增面積均小于轉出面積，耕地面積上升的趨勢正在逐步下降。2006—2010年、2010—2016年耕地主要流轉為建設用地、其次是林地；相應地，2006—2010 年建設用地新增面積來源量最多的是林地、其次是建設用地，2010—2016年流入量最多的是建設用地、其次是林地，表明耕地的雙向轉移主要表現為耕地與建設用地和林地之間，耕地的來源主要是建設用地和林地。

通過2期土地利用轉移方向（表7、表8）可以看出，2006—2010年，6類土地利用類型均有變化，其中變化較為劇烈的是林地、共計減少23.39 km2，而建設用地新增12.08 km2，耕地新增8.57 km2。2010—2016年，6類土地利用類型中，變化最為劇烈的是建設用地、減少18.48 km2，其次是耕地類型、新增14.66 km2，草地新增8.38 km2。

2006—2016年，南昌市建設一直呈增長趨勢，可見城市化進程對于土地利用變化來說是一個很大的影響因素，人口的增長直接導致建設用地的增加，同時經濟的發展導致大量未利用地開發為其他土地利用類型，草地、耕地以及林地的減少速率不容忽視。

表7 2006—2010年南昌市土地利用轉移方向（km2）

表8 2010—2016年南昌市土地利用轉移方向（km2）

景觀格局的穩定性是諸多驅動因素相互作用產生的結果，其中自然因素引起的區域景觀格局變化是一個長期、緩慢的過程，而人文因素引起的景觀格局變化效果明顯且迅速［27］，如城市化進程、人口因素、政府決策為及社會消費導向等影響，因此政府調控在提高景觀格局穩定性方面具有重要影響［28］。

4 結論與討論

景觀格局的穩定性作為土地利用的重要特性之一，不僅要關注土地利用動態變化，更要注重土地利用景觀格局的穩定性結構。本文基于景觀格局穩定性演變特征、分形理論和土地利用轉移矩陣，對南昌市2006—2016年景觀格局的穩定性進行研究，得出如下結論:

從景觀格局指數分析穩定性演變可知，未利用土地和林地的穩定性最高，其次為草地、林地和水域；從景觀斑塊面積、形狀和分布3個不同層次進行景觀格局穩定性數據分析，得出的結論基本一致，進一步說明景觀格局的穩定性對城市化進程具有重要意義，應予以重視。

由于分形模型在計算景觀格局穩定性中具有特殊地位，南昌市的建設用地作為整個景觀的基質，在快速城市化進程中，其穩定性必然較低；而林地景觀的穩定性相對較高，變化率相對較小，且穩定性有所提高。總體來看，南昌市在近10年無論自然景觀還是半自然景觀，其穩定性都較高。

運用轉移矩陣的方法進行土地利用轉移分析，能直觀看出區域中不同類型土地在某個時間段的凈轉化率。通過數據分析可以看出，南昌市城市化發展趨勢明顯，同時研究區草地、耕地、水體和林地面積有所減少，土地生態服務功能明顯減弱。然而，我們發現，林地出現增加趨勢，因此我們在城市發展的同時，更需加強生態環境的保護。

本文對景觀格局的穩定性研究局限于景觀斑塊指數、分形模型和轉移矩陣，盡管這些方法在景觀生態學中已廣泛應用，但在實際研究中，景觀格局穩定性不僅受到自然因素影響，還受到諸多人文因素綜合影響，需通過緊密結合研究對象的實際情況做進一步調查，后期通過實地調研輔助選擇合理的方法以驗證其準確性。