2012～2021年西安市景觀格局時空演變特征研究

周神亮

（廣東省國土資源測繪院, 廣東 廣州 510000）

1 引言

土地是人類賴以生存的物質基礎，土地利用及區域景觀格局的演變是人類活動、經濟發展以及自然調節共同作用的綜合體。人文經濟、社會政策以及科技發展在一定程度上起著主導性作用，而自然因素對其演變特征與發展趨勢具有一定的調節作用，現階段隨著人們對環境保護意識的提高，對土地資源的保護性開發已成為人們關注的重點，對土地利用以及區域景觀格局的演變特征研究也成為全球環境變化研究的熱點與核心問題[1-3]。

西安市是我國歷史文化名城、陜西省省會城市、國家中心城市，地處渭河流域中部關中盆地，土地礦產、生物資源豐富。但隨著經濟發展、人口增加，西安市土地利用受人文及經濟發展因素干擾正發生改變，因此開展西安市土地利用研究十分必要。目前，對區域土地利用、景觀格局的時空演變多集中于對某一指數進行分析，或僅分析土地利用的時空演變特征。孫善良等采用土地動態度、土地利用轉移矩陣等方法，分析陜西省土地利用變化特征。楊麗萍、張靜、貢恩軍等采用GEE 技術獲取西安市土地，分析土地利用格局時空變化規律，并利用地理探測器從自然和社會兩方面探討土地利用格局變化的驅動機制[4]。鄒月、周忠學等分析了西安市景觀格局演變對生態系統服務價值的影響[5]。劉愿理、廖和平、李靖等以云南省南澗彝族自治縣80 個行政村為評價單元，運用多邊形綜合圖示法、探索性空間數據分析和地理探測器等方法，系統分析了2017 年土地利用多功能空間格局特征和影響因素[6]。

本文在以上研究基礎上提出利用GIS 與Fragstats技術聯合開展西安市土地覆被演變與景觀格局時空變化特征。獲取西安市2000、2010、2020 年以十年為間隔的土地利用數據，采用土地利用轉移矩陣、動態度分析西安市土地利用演變特征及方向；同時為分析西安市景觀格局的變化特征，采用格網法聯合Fragstats 技術計算西安市景觀格局斑塊密度（PD）、景觀形狀指數（LSI）和SHDI 多樣性指數（SHDI）等，分析其時空變化特征，并進行空間異質性分析。研究西安市長時序的土地利用和景觀格局變化，可為西安市景觀格局的優化以及生態環境建設提供參考。

2 數據及方法

2.1 研究區概況及數據分析

西安市地處關中平原中部，是西安都市圈的核心區域，總面積達10752km2，常住人口達1316.30 萬人，截至2021 年底西安市城鎮化率達79.49 %，全市實現生產總值10688.28 億元。

研究所用數據來源于GlobeLand30 數據集平臺，獲取西安市2000、2010、2020 年土地利用數據，并經過裁剪、投影變換等基本操作，完成數據預處理工作。

2.2 土地利用演變分析

土地利用轉移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用方面的應用，對區域范圍內土地利用類型轉移進行定向、定量、定性分析[7,8]。引入土地利用類型轉移矩陣并結合GIS 技術，共同分析研究區土地利用動態演變，實現對演變特征的定量定性分析，并實現演變方向的可視化。土地利用轉移矩陣通用形式如下：

土地利用變化率可用于定量分析區域土地利用變化情況，對區域土地利用差異比較及土地利用變化趨勢有一定的預測意義。土地利用變化速率計算可依據研究區一定時段范圍內某類利用類型面積的變化量進行計算，變化率計算方法如下：

公式中，SPi為第i類地類在研究期間的變化速率，Siq、Sih為研究始末期間第i類地類面積，T為研究時段長。

2.3 景觀格局時空演變特征

景觀格局旨在分析區域景觀的空間格局，研究區各類型景觀空間單元的大小、形狀、屬性等在空間上的分布及組成規律[9]。景觀格局是景觀異質性的體現，分析景觀格局要考慮景觀及其單元的拓撲特征[10]。研究采用網格法，以2km×2km 為研究單元計算斑塊密度PD 值、形狀指標指數LSI，分析西安市景觀格局的異質性，同時，以整個西安市為研究區，計算研究區景觀多樣性指數SHDI 等多時期、多類型景觀指數，共同分析研究區內景觀類型的發展趨勢。各景觀指數計算公式及意義如表1 所示。

表1 研究選取的景觀格局指數及含義

3 結果分析

3.1 土地利用時空演變特征

研究期間，西安市2000、2010、2020 年不同時期的土地利用時空分布特征如圖1 所示。為定量分析其用地變化，本文通過計算各時期不同用地類型面積以及不同時間段內的用地變化率，分析西安市各類型用地的發展趨勢，用地類型定量統計結果如表2 所示。結合圖1 和表2 分析可知：研究期間各類型用地均發生了不同程度的變化，其中以濕地、水體及建設用地變化最為明顯，濕地面積呈持續減少趨勢，且在2000～2010 年時間段內變化最為明顯；水體、建設用地面積則呈持續增加趨勢，2000～2010 年間建設面積增加速率達4.15%，增加面積達355.83km2，2010～2020 年間建設用地面積增加速率減緩為1.51%。總體而言，西安市建設用地持續增加。從空間分布分析，建設用地均以老城區為中心向周邊延伸，其他類型用地也以原類型用地為基礎存在不同程度的收縮或擴張。研究期間通過統計西安市多時期各類型用地面積、變化率等可以發現，西安市在發展過程中，區域土地利用類型并非保持不變，而是一直處在不斷遷移過程。

圖1 西安市2000～2020年土地利用空間分布

表2 西安市2000～2020年各類型用地面積及變化速率統計

3.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的典型利用，可以定量有效分析各個時間段內用地類型的變化速率以及增減趨勢，但缺少對各類型用地轉移方向的分析。土地利用轉移矩陣能夠對區域范圍內土地利用類型轉移進行定向、定量、定性分析。西安市2000～2010 年、2010～2020 年土地利用轉移空間分布如圖2 所示，2000～2010 年、2010～2020 年土地利用類型轉移方向及轉移量統計結果分別如表3、表4 所示。

圖2 2000～2010年西安市土地利用類型轉移時空變化特征

表3 2000～2010年西安市土地利用類型轉移定向、定性分析

表4 2010～2020年西安市土地利用類型轉移定向、定性分析

結合圖2 和表3 分析可知，2000～2010 年間西安市土地利用轉移較為活躍，且主要集中于建設用地與耕地之間的轉換，建設用地面積增加355.83km2，其中，轉入建設用地面積占總轉移量的84.5%。水域范圍增加，82.3%來源于耕地面積轉化。林地面積基本保持不變，但在研究期間，林地多向草地轉移，后由耕地、草地轉入補充。草地面積減少，主要轉移為林地。其他類型用地轉移量較少 ；從轉移方向及空間分布分析，林地、耕地等多轉入建設用地類型，且耕地面積持續減少。從空間分布上分析，西安市整體范圍內各類用地轉移較為活躍，一直處在不斷遷移過程，表明該地區人類活動以及經濟發展正在對整個西安市土地利用產生重要影響。因此，研究西安市土地利用演變機制有一定必要性，揭示土地利用演變機制有利于相關部門進行土地調整、優化土地利用。

3.3 景觀格局分析

景觀格局即能夠表現區域范圍內各類景觀的大小、形狀等在空間上的排列組合，包括構成景觀的類型數量以及空間分布等情況。本文通過結合GIS 與Fragstats 技術，采用格網分析法以2×2km2為研究單元，計算斑塊密度指數（PD）、形狀指數（LSI），分析西安市景觀指數演變特征及其空間異質性，具體如圖3、圖4 所示。同時以西安市整體為研究單元計算密度指數（PD）、形狀指數（LSI）以及多樣性指數（SHDI），不同時期西安市整體景觀格局演變如表5 所示。

圖3 西安市2000 ～ 2020年斑塊密度指數（PD）時空變化

圖4 西安市2000 ～ 2020年景觀形態指數（LSI）時空變化

表5 不同時期西安市景觀格局指數

3.3.1 景觀破碎度分析

斑塊級景觀指數斑塊密度（PD），可在一定程度上反映區域范圍內景觀整體的異質性與破碎度，以及某一類型用地的破碎化程度。結合圖3、表5 分析：2000、2010、2020 年三個時期西安市斑塊密度變化幅度較小，斑塊密度水平主要集中在[0-25]。但不同年份的斑塊密度空間分異性較為明顯，西安市北半部區域斑塊密度值明顯較大，主要分布在[6-25]，破碎化程度較高，這主要是由于該區域為建設用地集中區，人類活動較為頻繁，對土地開發利用以及改造強度較大，土地利用類型變化較為活躍，大斑塊土地利用類型受到破碎化導致。

3.3.2 景觀形態時空演變特征分析

景觀形態指數是能夠描述區域范圍內景觀復雜程度的定量性指標，景觀形態指數值越小，表示景觀形態越規則化；景觀形態指數值越大，則表示景觀形態越復雜。分析圖4 及表5 可以發現：研究期間西安市景觀形態指數（LSI）整體變化幅度不大，格網分析方式發現，2000、2010、2020 年LSI 取值范圍在[0-7.5]。變化幅度較小，且在空間分布上具有一定的一致性。從西安市整體范圍分析，研究期間西安市景觀形態指數呈上升趨勢，且2020 年為較大值，這表明該區域各類用地斑塊呈規則化發展，進一步證實了西安市用地的規范化發展趨勢。

3.3.3 多樣性時空演變特征分析

香農多樣性指數（SHDI），能夠反映區域景觀異質性，對景觀中各類斑塊類型的均衡性分布具有較強的敏感性，同時也能反映區域范圍景觀類型、用地類型的多樣性。基于此分析表5 西安市SHDI 時序變化特征發現，在2000～2020 年，西安市多樣性指數（SHDI）呈緩慢增加趨勢，表明西安市用地類型呈現多樣化發展，各類型用地分布呈均衡發展趨勢。

4 結論

研究分析區域土地覆被及景觀指數動態演變特征，有助于了解區域范圍內用地類型的變更情況，對優化配置土地資源、生態環境可持續發展具有一定意義。本研究以西安市2000、2010、2020 年土地覆被類型數據為基礎，基于GIS 與Fragstats 技術，構建土地利用轉移矩陣以及景觀格局斑塊密度（PD）、景觀形狀指數（LSI）和多樣性指數（SHDI），研究西安市近年來的土地利用和景觀格局變化。

研究期間，西安市土地利用類型轉移較為活躍，主要集中于建設用地與其他如耕地、林地、水體等用地類型之間，且耕地呈持續減少趨勢，建設用地以原建設用地為中心向周圍擴張，其他用地之間均有轉移變化趨勢且均勻分布于全市域范圍，表明西安市在發展過程中區域土地利用類型并非保持不變，而是一直處在不斷遷移過程。

2000～2020 年，西安市整體空間景觀格局的時空變化特征較明顯。整體綠色空間破碎化程度呈先上升后下降的情況；景觀形狀指數（LSI）整體變化幅度不大，且在空間分布上具有一定的一致性，呈規則化發展 ；多樣性增強，用地區域均衡發展。空間分布上，整體景觀格局破碎化、隨景觀形態空間位置不同而變化，多樣性指數（SHDI）隨著時間推移、西安市用地類型的多樣化發展，呈持續上升趨勢。從時序發展分析，西安市景觀破碎化指數呈先上升后下降的發展趨勢，這一變化的主要原因是用地逐步規范化，土地集約化等政策實施，使得各類型用地得以充分使用、合理規劃，這也與景觀形狀指數（LSI）研究結果相契合。