基于移動窗口法的登封市景觀格局時空演變分析

王文才 杜嵩 邢曉露

摘 要：【目的】揭示城市景觀格局時空演變特征，以期緩解社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境發(fā)展不平衡問題。【方法】運用土地利用數(shù)據(jù)，基于GIS和移動窗口法探究登封市土地結構變化的空間特征，并從破碎度、多樣性、聚集性三個方面分析景觀格局的空間異質性特征。【結果】結果表明：①城鎮(zhèn)化過程中對耕地類型的影響最大；②根據(jù)各指數(shù)變化趨勢，灌木林的空間異質性程度最大；建設用地復雜性加劇；林地斑塊逐漸破碎化；草地和建設用地呈現(xiàn)逐漸聚集化；③景觀格局空間異質性變化顯示，南部和東部區(qū)域的變化較大，內部斑塊的集聚效應下降，整個研究區(qū)的景觀破碎化與多樣性程度不斷加劇。【結論】研究結果能夠為登封市的生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展提供參考依據(jù)。

關鍵詞：城鎮(zhèn)化；GIS；移動窗口法；景觀格局演變

中圖分類號：P901 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.020

Spatio-Temporal Evolution of Landscape Pattern in Dengfeng City Based on Moving Window Method

WANG Wencai DU Song XING Xiaolu

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd .， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper reveals reveal the spatio-temporal evolution characteristics of urban landscape pattern to effectively alleviate the development imbalance between social economy and ecological environment. [Methods] This paper explored the spatial characteristics of land structure change in Dengfeng City based on land use data， GIS and moving window method， and analyzed the spatial heterogeneity characteristics of landscape pattern from three aspects： fragmentation， diversity and aggregation. [Findings] The results showed that： ① urbanization had the greatest impact on cultivated land types; ② According to the variation trend of each index， the degree of spatial heterogeneity of shrub forest was the largest; The complexity of construction land intensifies; Gradual fragmentation of woodland patches; The grassland and construction land are gradually clustered; ③ The spatial heterogeneity of landscape pattern showed that the southern and eastern regions had significant changes， the agglomeration effect of internal patches decreased， and the degree of landscape fragmentation and diversity in the whole study area continued to intensify. [Conclusions] The research results can provide reference for ecological environment protection and coordinated development of society and economy in Dengfeng City.

Keywords： urbanization;GIS; moving window method; landscape pattern evolution

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，截至2020年，中國城鎮(zhèn)化率已達63.9%，相比于1978年的17.9%，增加幅度達46%［1］。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也對自然生態(tài)環(huán)境造成了重大影響，原生用地的改變使區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的自我修復和維持功能被大幅度削弱［2］。當前，從用地類型變化層次研究景觀格局的分異變化特征已成為熱點，相比于傳統(tǒng)研究只側重于人為因素的影響，運用土地利用變化數(shù)據(jù)進行探究則綜合考慮了自然因素和人為因素的雙重作用［3-5］。隨著“3S”技術的發(fā)展，利用遙感影像解譯得到土地利用數(shù)據(jù)，結合定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)能夠更加有針對性的對區(qū)域進行景觀格局時空演變進行分析［6］。

登封市位于河南省西部，是省會城市鄭州的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，該區(qū)域地形地貌較為復雜，生態(tài)敏感性較高，城市發(fā)展布局與土地利用結構之間的矛盾日益突出，在此背景下，深入探究山區(qū)城市的景觀格局演變特征，對土地資源的可持續(xù)利用具有積極作用。本研究運用土地利用數(shù)據(jù)，基于GIS探究了登封市的土地結構變化的空間特征；利用移動窗口法從破碎度、多樣性、聚集性三個方面分析登封市景觀格局的時空分布和變化特征，研究結果可為登封市的生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

登封市位于鄭州市西南部，地形較為復雜，地勢總體上為南北高，中間低。常年干旱少雨，年均降水量614 mm，降雨期集中在6—8月。登封市目前處于擴大開放、高速發(fā)展的重要時期，隨著城鎮(zhèn)化和礦產(chǎn)資源的無序開采，導致合理的用地結構遭到破壞，景觀整體連通性降低，為此研究登封市的景觀格局的演變特征對保護生態(tài)環(huán)境極其重要。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究主要運用2000—2020年登封市土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn），主要利用遙感數(shù)據(jù)經(jīng)人機交互解譯獲得。依據(jù)全國土地利用現(xiàn)狀劃分標準及研究目的，將登封市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)劃分為6類，分別為耕地、林地、草地、灌木林、水域和建設用地。

1.3 研究方法

首先利用ArcGIS10.2軟件結合轉移矩陣對登封市20年土地利用結構變化特征進行分析［7］；然后基于移動窗口法，利用景觀格局指數(shù)識別研究區(qū)的景觀格局演變特征［8］。其中，景觀格局指數(shù)是根據(jù)研究區(qū)特點及指數(shù)的生態(tài)意義進行選取的［9-11］，在景觀類型水平指數(shù)中選擇斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、凝聚度指數(shù)（COHESION）；在景觀整體水平指數(shù)上選擇景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、周長面積比分維數(shù)（PAFRAC）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、分離度指數(shù)（DIVISION）、香農多樣性指數(shù)（SHDI）、香農均勻度指數(shù)（SHEI）、聚集度指數(shù)（AI）；在景觀格局演變的空間異質性分析上分別從破碎度、多樣性和聚集性三個方面進行分析。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構變化特征分析

2000—2020年登封市土地利用結構變化見表1。由表1可知，登封市的總面積為1 218.14 km?，耕地和林地是登封市的優(yōu)勢景觀。近20年各土地利用類型的面積變化表現(xiàn)為：耕地、灌木林、水域、草地為下降趨勢，林地和建設用地為增加趨勢。變化幅度較大的是耕地減少了10.27%，建設用地增加了5.56%。該變化表明研究區(qū)的城鎮(zhèn)化過程對耕地類型的面積影響最大。2000—2020年登封市土地利用轉移矩陣見表2，由表2可知，近20年登封市的土地利用類型變化，主要表現(xiàn)為耕地、灌木林的轉出，分別轉出125 km?、10.21 km?，建設用地的轉入，為67.76 km?。結合表1、表2可知，登封市各土地利用類型在時間和空間上具有明顯的差異性變化，且受城鎮(zhèn)化影響較為明顯。

2.2 景觀格局演變分析

2.2.1 類型水平指數(shù)變化特征分析。各類型水平指數(shù)變化如圖1所示。由圖1可以看出，灌木林的PD較高，且呈上升趨勢，說明灌木林的空間異質性程度最大，分布相對均衡，草地和水域的斑塊密度最小，呈下降趨勢，說明這兩類的空間異質性程度小且分布不均，為此可加強對草地和水域保護的強度，使其結構變化更為合理。LSI表現(xiàn)特征與PD類似，其中建設用地的變化呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)，說明建設用地的面積增加，使得該類型的外圍斑塊形狀呈現(xiàn)不規(guī)則化，復雜性加劇。平均斑塊面積指數(shù)顯示耕地、水域、林地的占比最大，但只有林地表現(xiàn)為上升趨勢，表明林地面積逐漸下降，使得該類型斑塊逐漸破碎化。COHESION表現(xiàn)為整體大于30的特征，其中水域、灌木林為下降趨勢，草地和建設用地為上升趨勢，其他兩類變化不明顯，COHESION的變化特征說明草地和建設用地在逐漸聚集化。

2.2.2 整體水平指數(shù)變化特征分析。2000—2020年登封市整體水平景觀格局指數(shù)見表3，由表3可知，近20年間登封市LSI不斷增加，說明該區(qū)域的用地類型變得逐漸復雜及不規(guī)則化；AREA_MN由8.308 7降至7.812 1，且DIVISION增至0.626 6，說明研究區(qū)的斑塊破碎化加劇且分離程度在不斷上升；SHDI和SHEI指數(shù)上升，主要由于研究區(qū)土地利用越來越豐富，但各斑塊類型優(yōu)勢度不明顯；PAFRAC由1.416 4降至1.380 8，CONTAG由65.772降至60.261 7，這兩種指數(shù)的變化反映出研究區(qū)受人類干擾的強度在不斷增加，且優(yōu)勢景觀類型不斷下降；AI的變化則反映出不同斑塊類型的聚集程度在逐漸下降。綜上，近20年間登封市的發(fā)展不斷加快，人類活動的影響在逐漸增強，導致研究區(qū)的斑塊破碎化程度不斷增強，優(yōu)勢景觀呈下降趨勢，且土地利用類型不斷多樣化。

2.2.3 景觀格局時空分異特征。基于移動窗口法，獲得破碎度、多樣性、聚集性三個方面景觀格局指數(shù)空間分布，如圖2所示。由此可見，景觀破碎度整體高值的變化為先增高后降低，南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)中白坪鄉(xiāng)、徐莊鄉(xiāng)和東華鎮(zhèn)的變化較為劇烈，說明該區(qū)域的人為活動影響較強烈，中岳街道的高值呈逐漸降低趨勢，這是因為城市處于內部建設發(fā)展階段，使得建設用地連片發(fā)展。從景觀多樣性來看，整體上高值由1.435 5升至1.535 2，表明景觀呈現(xiàn)多樣化發(fā)展且各類型景觀不斷被分割，破碎化加劇，變化較劇烈的區(qū)域同樣為南部區(qū)域，另外研究區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的高值同樣在不斷上升，東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要為城鄉(xiāng)接合部，用地類型以建設用地、工況用地為主，說明城市外擴導致周邊區(qū)域的用地發(fā)生較大變化。從景觀聚集性來看，聚集低值在逐漸下降，由69.098 2降至67.352 4，變化較明顯的為登封市東部區(qū)域，耕地類型在不斷被其他類型所分割，聚集性下降較大，結合另外兩者說明研究區(qū)東部是人類活動強度最大的區(qū)域。

3 結論

①近20年登封市城鎮(zhèn)化過程對耕地類型的面積影響最大，面積減少了125 km?；建設用地的增加較大，為67.759 km?。

②類型水平指數(shù)變化中，灌木林的PD、LSI均較高，且呈上升趨勢，說明灌木林的空間異質性程度最大。建設用地LSI表現(xiàn)為外圍斑塊形狀呈現(xiàn)不規(guī)則化，復雜性加劇。AREA_MN顯示林地為上升趨勢，表明林地面積逐漸下降，使得該類型斑塊逐漸破碎化。COHESION表現(xiàn)為整體大于30的特征，草地的上升趨勢最為明顯，說明草地和建設用地在逐漸聚集化。

③整體水平指數(shù)變化中，LSI、SHDI、SHEI、DIVISION表現(xiàn)為不斷增加；AREA_MN、PAFRAC、CONTAG、AI為逐漸下降。表明20年間登封市人類活動強度在逐漸變大，導致研究區(qū)斑塊破碎化加劇，優(yōu)勢景觀減少，且土地利用類型不斷多樣化。

④景觀格局空間異質性變化中，研究區(qū)明顯受城鎮(zhèn)化經(jīng)濟活動影響，南部和東部區(qū)域的變化較大，內部斑塊的集聚效應下降，整個研究區(qū)的景觀破碎化與多樣性程度不斷加劇。

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