唐山市植被覆蓋度及景觀格局動態變化

陳凌偉

區域資源與經濟研究

唐山市植被覆蓋度及景觀格局動態變化

陳凌偉

（唐山師范學院 資源管理系，河北 唐山 063000）

針對唐山市的生態問題，在唐山市土地類型圖的基礎上計算植被覆蓋率，得出三年內植被覆蓋度的發展趨勢；對處理好的影像通過監督分類制成了土地利用類型圖，對其選取了合適的景觀指數，制成了相應的數據表，從而研究了植被覆蓋情況和唐山市的景觀格局變化情況，對唐山市的生態環境和生態景觀保護進行了分析。結果表明：（1）2013-2017年，植被覆蓋率呈現上升狀態；（2）2013-2017年間唐山市總面積擴大，林地、建設用地和未利用地面積呈增長趨勢；草地、水域和耕地面積呈削減趨勢；（3）景觀破碎度呈增長狀態，各種土地類型呈聚集狀態。

植被覆蓋度；景觀格局指數；像元二分模型；NDVI

植被不僅是人類生存的根本，也是生物圈和生態系統的中心，而植被覆蓋率表明植被的生長情況。從20世紀70年代到現在，植被覆蓋度的計算方法已經從費時費力的人工地面測量發展到高效快捷的衛星遙感監測，但遙感監測的結果還是要以地面實測數據作為基礎數據來獲得。在地面測量方面，國外研究的時間較早，國內也已將地面測量法分為了目估法、概率計算法和儀器法三種。由于遙感技術的不斷發展進步，植被覆蓋度的估算有了新的思路和方向。王靜、周偉奇和許開鵬等利用GIS和遙感方法，研究植被覆蓋度及其景觀格局的動態變化情況，研究表明京津冀2000-2010年城市化發展對不同植被景觀及生態質量的影響，并分析了其變化規律[1]。彭文甫、王廣杰和周介銘等運用像元二分模型、遙感和GIS手段，得到岷江汶川——都江堰植被覆蓋動態變化情況，并結合高程、坡度和坡向數據，揭示了汶川地震前后植被受損與恢復的空間動態變化情況[2]。

景觀學在19世紀初被引入地理學，成為地理學研究的主要問題。景觀格局反映了景觀的空間結構特征，其變化研究已深入到了景觀生態學和地理學領域。目前，很多國家都在進行景觀格局的分析，國內研究中，張芬在RS和GIS的支撐下，研究濟南市歷城區景觀格局的變化，并運用CA－Markov這一景觀模型模擬該區的景觀格局發展趨向[3]。楊磊、張梅和羅明良等使用2000年、2005年和2010年這3年的MODIS－NDVI數據，提取3年的植被覆蓋度從而生成不同的覆蓋度等級圖，對其斑塊進行景觀格局分析，得到10年來植被覆蓋情況，為川中地區的生態環境保護提供了一定的科學基礎，作為今后分析其植被景觀動態變化的借鑒[4]。

本文擬對唐山市土地類型圖計算植被覆蓋率，并對景觀格局指數進行景觀分析，從而研究不同年份植被的覆蓋情況與景觀格局動態變化情況，總結兩者變化之間的規律，并結合唐山市近年來的政策要求和發展情況對其生態功能以及生態保護進行分析，提出可行性意見，以提高唐山市的生態效益，為唐山市的生態環境保護和生態景觀建設提供決策支持和科學依據。

1 區域研究與研究方法

1.1 研究區概況

唐山是河北省的地級市，是一座沿海城市，四季分明，依山臨海，良好的自然環境為本地旅游業和水產業帶來了巨大的經濟效益，帶動了城市化的發展。此外，唐山市礦產資源豐富，對礦產資源的開發利用帶來了利益，也使植被覆蓋率和景觀格局都發生了變化。

1.2 數據來源與處理

本研究的遙感數據是地理空間數據云上的Landsat8衛星影像，分辨率為30 m，選定的時間范圍是2013-2017年，選取了2013年、2015年和2017年的7-10月份的遙感影像。這一時段能夠較好地反映唐山市近幾年的植被覆蓋度變化和景觀格局變化情況，并能相對準確的分析出唐山市近期的變化。

在ENVI5.3軟件里對的遙感影像進行預處理，包括輻射校正和大氣校正，在很大程度上削弱了少量大氣和光照等外界因素的影響，獲得相對準確的影像數據；對預處理好的遙感影像利用在谷歌里下載的唐山市行政界線shp數據進行規則裁剪，獲得唐山市的遙感影像數據。

在ENVI軟件里進行監督分類，土地類型分成林地、草地、水體、耕地、建設用地和未利用地，在得到影像分類數據后，進行精度驗證，得出驗證結果，2013、2015和2017年各期遙感影像數據的分類精度表（見表1），數據顯示本次分類質量較好，適合用于后期的分析研究（圖1）。

表1 遙感影像分類結果評價精度表

圖1 2013、2015和2017年唐山市土地類型圖

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度（FVC）的估算

NDVI又叫歸一化植被指數，用來表示植被生長的情況[2]，表達式為：

式中NIR為近紅外波段處反射值，R為紅波段處反射值[2]；NDVI的值取在[-1, 1]之內，可以有效的減少數據過大或過小帶來的麻煩，數值越大說明植被覆蓋越多。經過計算保留除去異常值的NDVI數據。

利用像元二分模型提取FVC，是設定一個像元信息，由植被和裸土覆蓋兩部分構成[5]，則可以用植被信息v與裸土信息s兩者之和來表示混合像元，即

假設純植被的像元是veg，純裸土的像元是soil，混合像元中植被覆蓋度為（），裸土覆蓋度為（1-），則v和s的可分別表示為

將(3)和(4)代入(2)中，得的計算公式：

由于和兩者間有線性相關關系，所以建立一個模型來提取植被覆蓋度[6]。在像元二分原理的基礎上，將代入(5)中，得到的計算公式：

上式的veg指純植被覆蓋的值，soil指裸土覆蓋的值。

由于氣候、地形、時間和地區等自然因素的影響，在時間和空間變化時，veg、soil的值也會發生變化[7]。實際情況中veg為max，soil為min。這是估算植被覆蓋度最常用的方法。

1.3.2 景觀格局分析

表2 景觀格局及描述

在ArcGIS平臺上將tif格式的土地類型圖添加到景觀格局分析軟件Fragstas4.2[6]中。同時選取了斑塊類型面積（CA）[8]，斑塊個數（NP）[9]，斑塊密度（PD）[10]，分離度指數（DIVISION）[11]，景觀結合度（COHESION）[12]等5個景觀指數格局的動態變化。

本文的技術路線圖如圖2所示。

圖2 技術路線圖

2 結果和分析

2.1 植被覆蓋率變化分析

在ENVI平臺下，利用唐山市遙感影像數據計算出的不同年份的NDVI是不同的，植被覆蓋率也不同，大多數植被覆蓋在唐山市北部，包括遷西縣、遵化市和豐潤區，其他地區有少量植被覆蓋。從表3可以看出，自2013-2017年，植被覆蓋率從2013年的13.47%升至2015年的13.54%、2017年的13.63%，呈現逐年增長趨勢。但其中，2015年的覆蓋率在2013年的基礎上擴大了0.07%，2017年的覆蓋率在2015年的基礎上擴大了0.09%，表明植被增長速度逐年加快，植被面積越來越多，有利于城市生態建設，符合綠色城市的發展道路。

表3 唐山市2013-2017年植被覆蓋率情況

2.2 景觀格局分析

將唐山市土地類型圖（圖1）導入Fragstas4.2中分析得到斑塊類型面積（CA）、斑塊個數（NP）、斑塊密度（PD）、分離度指數（DIVISION）和景觀結合度（COHESION）共5個景觀指數。

由圖1可知唐山市遷西縣和市區西北部主要聚集分布林地草地；耕地多分布在唐山市的西北部、東北部和中部、南部；建設用地呈團狀相對均勻的分布于各區縣中心，其中2015-2017年建設用地增加的部分主要屬于曹妃甸；水體主要分布在遷西縣、遷安市和唐山市最南部，包括灤河、青龍河、陡河和沙河等水系；未利用地分布在最北部。其中耕地占地面積最大，其次為建設用地，占地面積最小的為未利用地。

表4 2013-2017年斑塊類型面積（CA）（單位：km2）

注：建設指建設用地，未用指未利用地。下同。

可以看出，2013-2017年林地面積隨年擴大，其中2013年的面積最小，為1 791.23 km2；2017年面積最大，為1 815.03 km2；草地面積在2015年間持增長狀態，而在2017年又呈現為下降趨勢；水體面積持續減少，2017年減至1 229.77 km2；耕地面積是各類土地類型中占地面積最大的一部分，三年來面積持續減少；建設用地面積在增長，2015-2017年間增長的最快，達到2 088.16 km2；未利用地面積先減少后增加，到2017年間增長到28.13 km2。根據圖中數據的變化，可以了解到2015-2017年各類土地類型變化比較大，人類活動比較活躍。

綠地斑塊面積越大，越能高度表現出其生態效益；水體面積越大，生態功能越強[13]。遷安市（縣級市）和市區西北部的綠地和植被較多，所以該地區的生態環境比較好，青山綠水為當地居民的生活和經濟發展提供了良好的機會；曹妃甸區和樂亭縣臨近渤海，逐漸開發建設以自然生態環境和娛樂休閑為主的度假旅游景點，也是提高唐山市經濟快速發展的重要成份。

自2013-2017年林地、草地、水體、建設用地破碎度逐年升高；耕地NP值先增大后減小，但2017年破碎度比2015年的破碎度高，總體破碎度呈增大狀態，其變化主要集中在遷安市、曹妃甸區和豐南區；未利用地破碎度先減后加，古治區和樂亭縣變化較為明顯。唐山市總體破碎度變化較明顯的體現在建設用地和水體上，主要是由于曹妃甸工業區建立和南湖公園改造。

表5 2013-2017年斑塊個數（NP）

表6 2013-2017年斑塊密度（PD）

建設用地的斑塊密度在六種類型中密度相對較大并持上升狀態，破碎度較大，未利用地的破碎度最小，林草地主要集中在南部；建設用地分布范圍較廣，但分塊緊湊；水體主要集中于唐山北部；遷西縣的耕地分布比較稀疏，大多數耕地還是分布于除遷西縣的其他地區。

表7 2013-2017年景觀分離度指數（DIVISION）

由表7可以看出唐山市整個景觀的分離度程度。林地、草地、未利用地的分離度指數浮動較小，林地、草地、水體、建設用地和未利用地這五類土地類型相對于耕地類型來說分離度大，較分散，但六種土地類型的分離度指數都較小，未超過1，說明整體分布相對聚集。

表8 2013-2017年景觀結合度（COHESION）

從表8展現的景觀結合度可以看出，這六種用地類型都比較聚集，不分散，看起來比較規則，各種土地類型的結合度都較高，林地、草地、水體和耕地的結合度高達99%，呈連片或連塊狀態發展，建設用地和未利用地分離度相對較低，主要由于人類居住條件和人類活動的限制，符合實際生產發展的現狀。土地規則的分布有利于進行唐山市的園林設計和城市規劃實施。

3 驅動力分析

3.1 自然條件

3.1.1 地形

唐山市位居燕山以南，地勢北高南低；地貌從南到北呈現出由沿海平原到丘陵臺地再到山地的現象，所以在北部林草地分布較多，植被覆蓋率較大；中部位于燕山山前平原地帶，海拔50米以下，地勢較平坦，分布的土地類型為耕地；南部呈低洼狀，大面積水域集中在南部。

3.1.2 氣象

唐山市是低海拔地區，背山臨海，氣候資源優越，冬天干燥夏天潮濕、春夏秋冬四季變換明顯、降水集中、季風明顯。唐山西北部屬于溫和濕潤氣候，林草地較旺盛；唐山中部屬山前平原，溫暖較濕潤氣候，耕地分布較多；唐山南部為溫和半濕潤氣候，農業資源較差，水域居多。唐山市氣候變化影響也比較敏感，因為降水減少，導致水資源短缺帶來的干旱，極端災害天氣如強雷暴、強對流性天氣、冰雹等的影響都會造成各景觀的變動，尤其是林草、耕地和水體。

3.1.3 自然資源

唐山市盛產煤礦，礦區普遍分布在唐山北部，尤其多分布于古治、遷安、遷西和遵化，礦山開采帶來景觀格局的變化，加速了林草地向建設用地和未利用地的轉化。

由于唐山市地處渤海中心，海洋資源相當豐富，可為旅游業和水產業發展提供良好基礎，景觀格局也會隨之發生變化。

3.2 人文條件

3.2.1 政策

在2008-2020年城市總體規劃中全市的主要發展包括曹妃甸新區、豐南沿海工業區、樂亭新區及蘆漢經濟技術開發區，所以這些地區的景觀格局變化相對來說較大。雖然向南發展是唐山建設的主要方向，但北部因城市建設、礦山開采給景觀格局和植被覆蓋度帶來的變化也很大。

3.2.2 人類活動

人類活動是唐山市的植被覆蓋度和景觀格局變化的主要因素之一。人類利用土地方式的改變、農作物的種植種類及形式等也是改變植被覆蓋的原因。經濟發展是城市發展的基礎，因此必須要提高經濟發展和生態發展，這就使得人類的經濟活動對景觀格局的影響較大。

4 結論

本文從植被覆蓋率和景觀格局兩方面入手，采用遙感解譯圖像和景觀格局分析的方法分析了唐山市的植被覆蓋率和景觀格局變化，得到以下結論和啟發：

唐山市的植被覆蓋度呈現上升趨勢，水體和耕地面積呈降低趨勢，建設用地面積增大，未利用地面積增加。今后的規劃建設中，要在保持住植被覆蓋度持續增長的基礎上，繼續增加生態用地，以便于改善唐山市的綠化環境，加強生態循環，提高生態效益。

耕地和建設用地的變化幅度較大，林草地和水體為兩者變化提供了基礎。由于建設用地轉換的不可逆性，應合理進行生態用地和耕地建設地之間的分配，在保持經濟發展的基礎上提升人類居住環境質量，打造綠色城市。

自然環境的變動、城市化及唐山市新興工業、農業、城鎮化現代化協調發展策略的施行是導致唐山市景觀格局變化的主要因素。唐山市的景觀基本呈聚集分布，今后應根據唐山市經濟和生態的實際情況均勻的進行布局建設，增加其景觀分布的均勻度，降低其聚集度。

要堅持提高綠化程度，減少土地資源的浪費，合理開發利用，在開發利用的同時更要注重保護土地資源，兩者兼并，運用科學技術手段來提高唐山的經濟效益和生態效益，為唐山的經濟發展提供基礎。

[1] 王靜,周偉奇,許開鵬,等.京津冀地區城市化對植被覆蓋度及景觀格局的影響[J].生態學報,2017,37(21): 7019-7029.

[2] 彭文甫,王廣杰,周介銘,等.基于多時相Landsat5/8影像的岷江汶川——都江堰段植被覆蓋動態監測[J].生態學報,2016,36(7):1975-1988.

[3] 張芬.基于RS和GIS的景觀格局動態演變分析及模擬預測——以濟南市歷城區為例[D].濟南:山東師范大學,2013:11-21.

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[5] 湛青青.近20年陜北黃土高原植被覆蓋度動態變化及景觀格局研究[D].西安:西北大學,2014:16-30.

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[13] 鄔建國.景觀生態學:格局,過程尺度與等級[M].北京:高等教育出版社,2007:13-27.

Dynamic Changes of Vegetation Coverage and Landscape Pattern in Tangshan City

CHEN Ling-wei

(Department of Resources Management, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

In view of the ecological problems of Tangshan City, the vegetation coverage was calculated on the basis of the land classification thematic map of Tangshan City, and the development trend of vegetation coverage in three years was obtained. The land use type map was made by supervising and classifying the processed image, and the appropriate landscape index was selected to make the corresponding data table, thus the vegetation coverage and the landscape of Tangshan City were studied. The ecological environment and landscape protection of Tangshan City were analyzed. The results show that: (1) From 2013 to 2017, vegetation coverage increased. (2) From 2013 to 2017, the total area of Tangshan City expanded, and the woodland, construction land and unused land showed an increasing trend, while the grassland, water area and cultivated land showed a decreasing trend. (3) Landscape fragmentation is increasing and various land types are clustering.

vegetation coverage; landscape pattern index; pixel binary model; NDVI

F301.2

A

1009-9115(2020)03-0123-06

10.3969/j.issn.1009-9115.2020.03.029

河北省社科基金項目（HB18GL067），唐山師范學院科學研究基金項目（2018A05）

2019-11-25

2020-03-27

陳凌偉（1991-），女，河北唐山人，碩士，講師，研究方向為土地資源與地理信息技術。

（責任編輯、校對：王淑娟）