基于GIS和RS的小江流域景观格局动态变化分析

摘要：以小江流域不同时期遥感数据为基础，应用多种景观格局指数，对小江流域的景观格局效应进行了分析与探讨。结果表明，各种土地利用类型的斑块形状都极不规则，而且还呈明显增大趋势；小江流域的景观类型多样性在研究期间呈递增趋势，但增幅不大，同时景观优势度指数则表现出递减趋势，表明该研究区中各景观类型所占比例的差异在不断减小，这从景观均匀度指数上也得到了验证。在各种土地利用类型中，居民点与工矿用地的破碎度最大，草地的破碎化程度最低，这与居民点与工矿用地的分布比较分散有关。

关键词：景观格局；动态变化；遥感技术；小江流域

中图分类号：Ｆ３０１．２文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）18－3980-04

Landscape Pattern and Its Dynamical Changes in Xiaojiang Basin Based on RS and GIS Technique

ＪＩＡ Ｓｏｎｇ－ｗｅｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ， Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ｉｎ Ｘｉａｏｊｉａｎｇ Ｂａｓｉｎ， ｔｈｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ Ｘｉａｏｊｉａｎｇ Ｂａｓｉｎ ｗｉｔｈ ｍａｎｙ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎｄｅｘｅｓ was analyzed． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｔｃｈ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ ｗａｓ ｖｅｒｙ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ａｎｄ ｈａｄ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ． Ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ， ｔｈｅ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ｓｏ ｉｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｔｙｐｅ ｒｅｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｄｅｘ． Ｉｎ ａｌｌ ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｔｙｐｅｓ， ｔｈｅ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｏｗｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｌａｎｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｇｒａｓｓｌａｎｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ， ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｗｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｌａｎｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： lａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ； ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｃｈａｎｇｅｓ； ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； Ｘｉａｏｊｉａｎｇ Ｂａｓｉｎ

景观生态学是以整个景观为研究对象，主要研究景观中各自然组分异质性、相互作用及与生物活动尤其是人类活动之间的相互影响［１］。景观格局是景观异质性的具体体现，景观格局及其运动、变化发展是自然、生物和社会要素相互作用的结果，景观斑块形状、大小、数量和空间组合影响着生物物种分布、动物迁移、径流和侵蚀等生态过程和边缘效应［２］。因此，通过对某一区域景观格局研究，可以揭示该区域生态状况及其空间变异性等特征，为人类定向影响生态环境并使之向良性方向演化提供依据。随着计算机技术发展，遥感和地理信息系统技术为研究景观空间结构和动态变化提供了一种有效手段，并在分析景观格局空间变化，确定斑块形状、大小、毗邻性和连接度等方面有着广泛应用［３］。以小江流域不同时期遥感数据为基础，应用景观生态学中的多种景观格局指数，对小江流域的景观格局效应进行了分析与探讨，对于小江流域生态环境建设、经济发展规划有着重要现实意义。

１研究区概况

小江流域位于云南省东北部，东经１０２°５２′－１０３°２２′，北纬２５°３２′－２６°３５′，小江发源于滇东北高原的寻甸县，自南而北流经寻甸县、昆明市东川区和会泽县注入金沙江，全长１４１．９３ ｋｍ，流域面积３ ０４４．４ ｋｍ２。流域包括和涉及到的乡镇有２１个，常住人口４８．６万人，流动人口约２.0万人，人口平均密度１６４人／ｋｍ２。随海拔升高，人口有明显减少趋势，人口主要集中在７００～１ ８００ ｍ高度带。

小江流域总体地势南高北低，两岸地形陡峭，地势高差巨大，最大高差达３ ６４９ ｍ；小江流域属亚热带季风气候区，气候垂直分带明显，立体气候特征显著，由于受大气环流的影响，小江流域的降水主要集中在５～１０月，约占全年降水量的８８％。小江流域地质构造复杂，地震活动频繁，是我国泥石流灾害最严重的地区之一。

２研究方法

２．１数据来源与处理

使用的遥感影像数据包括１９７４年ＭＳＳ数据，１９８７、１９９５和２００５年Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ影像数据。首先以 １∶１００ ０００地形图为底图，对所有影像进行几何精校正，图像切割和增强处理；然后建立解译标志，在Ｅｒｄａｓ Ｉｍａｇｉｎｅ ８．６环境下，进行人机交互式判读解译，解译结果经随机抽样验证，分类精度在８０％以上。将所得数据在ＧＩＳ软件Ａｒｃ ＧIS ９．０环境下进行编辑和修改，得到１９７４、１９８７、１９９５和２００５年小江流域土地利用图。

２．２景观类型划分

景观分类是景观格局和功能研究的基础，景观分类必须首先明确景观单元等级，根据不同空间尺度或图形比例尺的要求来确定分类的基础单元；其次景观分类应体现出景观的空间分异与组合，同时还应反映出控制景观形成过程的主导因子。在景观格局研究中，常用一定级别的土地利用类型来表达景观中的嵌块体类型，景观空间格局就是土地利用空间格局［４］。因此，在此研究中使用土地利用类型作为景观的斑块类型。根据土地利用类型划分标准，将研究区按土地一级类型划分为耕地、林地、草地、水域、居民点与工矿用地和未利用地六类。

３景观指数特征分析

在景观生态学的研究和应用中，学者们借鉴传统生物学和地理学统计方法发展了许多衡量景观特征指数和相应的数学计算方法。在斑块和景观级别上，有些指标是度量景观组分的，有些是度量景观空间格局的，景观组分和格局都能够独立和相互影响并作用于生态过程。研究在分析小江流域土地利用景观格局变化时，采用了目前国际上流行的景观空间格局分析软件包ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ。ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ可以计算６０多种景观指标［５］，根据研究特征，选取了具有代表性指标和景观指数进行计算分析。

３．１景观斑块特征指数

斑块是景观的基本单元，一个区域景观格局变化可以通过斑块的变化来实现。斑块及其他一些要素的数量、大小、类型、形状及在空间上的组合形式构成了景观空间结构。这里应用了斑块形状指数、斑块分形维数、斑块边界密度和平均斑块面积这４个指数来表征斑块在空间形态上的特征和变化规律（表１）。

根据表１中的公式分别计算了小江流域各时期的景观斑块特征指数（表２）。从斑块形状指数（ＬＳＩ）来看，研究区内各景观类型的扩展度都远远大于１，说明斑块形状与圆形相差较大，形状极不规则。并且在研究期间内，其空间扩展度都呈明显增加趋势，说明这些景观类型在形状上都发生了很大变化，但分形维数变化不明显。

边界密度最大的景观类型为居民点与工矿用地，表明其空间形状较复杂；其次为未利用地、耕地、水域和林地，最小的是草地，可能是由于草地面积最大造成的。同时可以看出，与１９７４年相比，各种景观类型在其他３个时期的边界密度都要大，说明这些景观类型的边界变得越来越复杂，斑块形状的复杂化程度呈增加趋势，但从后３个时期来看，边界密度变化并不明显，表明这些地类的斑块形状趋于稳定。

平均斑块面积最大的景观类型为草地，说明其破碎化程度最低；水域、林地、耕地居中；居民点与工矿用地和未利用地在景观中占有较小的面积比例，平均斑块面积也较小，显示出较高程度的破碎化。比较４个时期，除居民点与工矿用地外的各种景观类型后３个时期的平均斑块面积都比１９７４年要小，显示出景观的破碎化程度在增大，与边界密度的结果一致。

３．２景观类型多样性

景观多样性反映了景观的复杂程度，根据景观多样性的研究内容可将其分为３种类型，分别是斑块多样性、景观类型多样性和格局多样性。景观类型多样性是指景观类型的丰富和复杂程度，用不同景观类型（如农田、森林、草地等）数目多少及它们所占面积比例表示，其生态意义主要表现为对物种多样性的影响，同时也对径流、侵蚀等生态过程有重要影响［７］。选用景观类型多样性指数、景观优势度指数以及景观均匀度指数３个指标进行分析（表３）。

根据表3中公式分别计算了小江流域的景观类型多样性指数（ＳＨＤＩ）、优势度指数（Ｄ）和均匀度指数（Ｅ）（表４）。从表４可以看出，小江流域的景观类型多样性指数在研究期间呈递增趋势，由１９７４年的１．１０６ ５增长到２００５年的１．１３７ ８，增幅不大，但仍反映了景观类型多样性的提高；同时景观优势度指数在这期间则呈现出递减趋势，表明组成研究区各景观类型所占比例的差异在不断减小，即一种或者少数几种景观占优势的地位在下降；景观均匀度指数为０．６１７ ６～０．６３５ ０，且在不断增大，表明各类景观分布在趋于平衡化，其均匀程度处于中等水平。

３．３景观空间构型

景观作为一个整体而成为一个系统，具有一定结构和功能。而其结构和功能在外界干扰和其本身自然演替作用下，呈现出动态特征。景观结构是指景观的组分构成及其空间分布形式。景观空间构型是景观结构在空间上的表现，同时由于景观是由具有异质性的不同元素组成的整体，则景观空间构型也即为景观元素在空间上的分布状态。选取了景观破碎化指数和景观分离度指数来表征景观空间构型（表５）。

利用表５中公式分别计算出的小江流域各时期景观要素的景观破碎化指数（ＦＮi）和景观分离度指数（Ｉｋ）见表６。从表６可以看出，居民点与工矿用地的ＦＮi明显大于其他景观类型，且１９７４年的ＦＮi又高于其他３个时期，表明居民点与工矿用地的破碎化程度要远远高于其他类型，在图上呈分散状态，而随着时间推移，这种破碎化程度在降低；其次为耕地和未利用地，耕地的破碎化指数ＦＮi在４个时期变化不明显，未利用地则表现出破碎化程度增高的现象；破碎化指数ＦＮi较小的为林地、草地和水域，都处于０．０１以下，而且在各个时期变化都不明显，表明这三类景观类型分布比较集中，而且在研究期间受人为活动影响较小。

从景观分离度指数Ｉｋ来看，表现出和破碎化指数ＦＮ相似趋势，居民点与工矿用地分离度指数明显高于其他景观类型，且随着时间推移指数不断下降，表明居民点与工矿用地在不断扩张，斑块之间的距离在逐渐缩小；其次为未利用地、水域和耕地，未利用地分离度指数表现出明显增高现象，水域分离度指数表现出先增高后降低，而耕地分离度指数则不断下降，这说明了在研究期间未利用地的斑块分布越来越分散，斑块间距离越来越大，水域的斑块分布先表现出越来越分散，而后则又相对集中，耕地斑块间距离则越来越小；分离度指数Ｉｋ较小的为林地和草地，都处于１以下，林地除１９７４年分离度指数比较小为０．５７９外，其他3个时期为0.848～0.878，相差不大，而草地分离度指数为0.270～0.291，4个时期相比虽有所增加，但幅度不大，因此林地和草地，尤其是草地的斑块分布比较集中。

４结论

小江流域因长期毁林开荒，生态环境极其恶劣。从景观斑块特征、景观类型多样性和景观空间构型方面分析了小江流域景观效应。研究结果表明各种土地利用类型的斑块形状都极不规则，而且复杂化程度还呈增加趋势，在6种土地利用类型中，居民点与工矿用地的边界密度最大，平均斑块面积最小，显示出较高程度的破碎化；小江流域的景观类型多样性在研究期间呈递增趋势，但增幅不大，同时景观优势度指数则表现出递减趋势，表明该研究区中各景观类型所占比例的差异在不断减小，这从景观均匀度指数上也得到了验证；另外，各种土地利用类型中居民点与工矿用地的破碎化程度最高，草地的破碎化程度最低，这主要因为居民点与工矿用地的分布比较分散，而且面积很小。

参考文献：

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［２］ 任志远，张艳芳．土地利用变化与生态安全评价［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３．

［３］ 黄俊芳，王让会，师庆东．基于ＲＳ与ＧＩＳ的三工河流域生态景观格局分析［Ｊ］．干旱区研究，２００４，２１（１）：３３－３７．

［４］ 廖凌松，黄杏元．基于ＡrcInfo的开放式组件ＧＩＳ的开发探讨［Ｊ］．计算机应用研究，２００２，２９（２）：８５－８８．

［５］ ＭＣＧＡＲＩＧＡＬ Ｋ， ＭＡＲＫＳ Ｂ． ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ： Ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｉｆｙｉｎｇ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］． Ｏｒｅｇｏｎ： Ｆｏｒｅｓｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｏｒｅｇｏｎ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９４．

［６］ 常学礼，邬建国．科尔沁沙地景观格局特征分析［Ｊ］．生态学报，１９９８，１８（３）：２２５－２３２．

［７］ 傅伯杰，陈利顶．景观多样性的类型及其生态意义［Ｊ］．地理学报，１９９６，５１（５）：４５４－４６２．

［８］ ＴＵＲＮＥＲ Ｍ Ｇ． Ｓｐａｔｉａｌ ａｎｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｊ］． Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｅｃｏｌｏｇｙ，１９９０，４（１）：２１－３０．

［９］ 陈利顶，傅伯杰．黄河三角洲地区人类活动对景观结构的影响分析——以山东省东营市为例［Ｊ］．生态学报，１９９６，１６（４）：３３７－３４４．

（责任编辑郑威）

收稿日期：２０１２－０６－０７

基金项目：国家自然科学基金项目（４１１０１３８５）；河南省哲学社会科学规划项目（２０１０ＦＪＪ０３５）

作者简介：贾松伟（１９７９－），男，河南新密人，博士，主要从事土地利用与碳循环方面研究，（电话）１５８３８８３３９５３（电子信箱）ｊｓｗ１０１１＠１６３．ｃｏｍ。