基于RS和GIS的石臼湖周边景观格局动态研究

叶鹏+王凤霞

摘要：以2003年和2013年的Landsat-7 ETM+与Landsat-8影像数据为数据源，基于MapGIS K9遥感处理系统，通过地表覆被分布空间特征和光谱特征，建立遥感解译标志，采用监督分类和人机交互纠正相结合的方法提取了石臼湖周边土地利用和景观格局信息，并选取相关景观格局指数分析了10年间区域内景观格局的变化。结果表明，石臼湖周边城镇建设用地与林地面积分别增加了32.50%和40.20%，水田面积也稳步增长，水域面积下降比例最大，旱地面积下降绝对值最大，但仍为最主要的土地利用类型，其他用地是面积最小的景观类型。研究区整体破碎度和异质性降低，区域内景观愈来愈受到人类活动的干预，优势景观的斑块连接性下降，破碎化程度加深。区内的各土地利用类型变化趋势各异，所占比例差异较大，但是景观类型的多样性和空间结构复杂性能促进其稳定的发展。

关键词：遥感；地理信息系统；土地利用变化；景观格局；石臼湖

中图分类号：TP79：S159.2；P208.2；P901（531） 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-5062-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.034

Changes of Landscape Pattern in the Shijiu Lake Surrounding Area Based on Remote Sensing and Geographic Information System

YE Peng，WANG Feng-xia

（College of Tourism ，Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Based on MapGIS K9 remote sensing processing system and the analysis of land use data obtained from 2 Landsat-7 ETM+ and Landsat-8 image in the years of 2003 and 2013， remote sensing interpretations were established through spatial distribution characteristics and spectral characteristics of land cover. The hierarchical classification method and the method combining supervised classification with the artificial visual interpretation were applied to extract landscape class information of land use in the Shijiu Lake surrounding area. Further more， related landscape indices were selected for analysis of changes in the regional landscape pattern over 10 years. The results are as follows. Urban construction land and forest area was increased by 32.50% and 40.20% in the Shijiu Lake surrounding area while paddy area was also steadily growing. The water area had the largest decline percentage while dryland area had the largest absolute decline， which was still the main land use types. The landscape type of the other land had the smallest area. The fragmentation and heterogeneity of studied area reduced as the regional landscape has been more and more intervented by human activities. The dominant landscape patches connectivity decreased； and fragmentation deepened. The ratio of different land use type in the studied area deffered； and the development trends are also different. Landscape diversity and complexity of spatial structure can promote the stablility of development.

Key words： remote sensing； geographic information system； land use change； landscape pattern； Shijiu Lake

景观生态学是地理学与生态学的一个交叉学科[1]，为在大尺度上开展地理学、生态学综合研究起到了启迪和指导作用[2-4]。土地利用类型和景观格局紧密关联，土地利用、覆被的变化不仅会导致地表景观结构发生巨大变化，而且会影响景观物质循环与能量流动，这对于区域生物多样性和重要生态过程影响深远[5]。因此将土地利用和景观格局理论结合在一起，有助于研究土地利用和景观格局变化的相互关系[6]。石臼湖是江苏省12个省管湖泊之一，已列入中国重要湿地名录[7]。石臼湖安徽段已于1999年建立石臼湖自然保护区（省级），以保护珍稀水禽及其生境[8]，因此石臼湖的生态服务功能非常重要。本研究基于景观格局理论，结合其在LUCC上的应用，通过提取石臼湖周边土地利用和景观格局的信息，并计算相关景观格局指数，以揭示其土地利用特征及景观格局变化趋势，从而为该区域土地资源管理、生态功能分区和可持续发展提供理论依据。endprint

1 研究区概况

石臼湖位于长江右岸、水阳江下游，属构造型浅水湖泊，地处北纬31°23′～31°33′、东经118°46′～118°56′，具有蓄洪、灌溉、养殖、航运等功能，分属江苏省南京市高淳区、溧水区和安徽省马鞍山市博望区、当涂县，属跨省湖泊[9]。石臼湖流域总面积1.86万km2，湖泊水面面积214.74 km2，其中江苏省境内为115.4 km2，其余属于安徽省。石臼湖周边气候属北亚热带季风型湿润气候，年平均气温15.8 ℃，年平均降水量1 023 mm，植被属常绿阔叶与落叶阔叶混交林地带的沿江沿湖植被区，区内原生自然植被已不复存在，主要为次生植被和人工植被。地貌分为低山丘陵和平原圩区两大类型。本研究区域为石臼湖及与石臼湖相邻的马鞍山市、当涂县、南京市溧水区和高淳区。

2 研究方法

2.1 遥感数据获取及处理

本研究所选用的数据为Landsat-7 ETM+（2003年）与Landsat-8（2013年）的遥感影像资料，相关信息见表1。基于MapGISK9遥感处理系统，经过波段合成、几何校正和影像裁剪[10]后，建立遥感解译标志，通过监督分类提取出各类土地利用景观类型。由于“异物同谱”、“同物异谱”是光学遥感不可避免的问题，完全依靠计算机解译遥感影像则与实际地表情况有一定的出入[11]，所以通过人机交互纠正完善分类结果，从而获得最终的土地利用分类图，详见图1、图2。

2.2 分析方法

利用MapGIS K9对2003年、2013年土地利用分类结果进行变化检测，得出土地利用类型转移矩阵，并以此分析变化状况。根据景观生态学原理和研究区内的土地利用特点，选用斑块数、斑块密度指数、最大斑块指数、斑块形状指数、香农多样性指数和香农均匀度指数等评价指标[12，13]对区域进行生态景观格局综合评价。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

石臼湖周边2003-2013年土地利用类型面积和动态变化情况见表2。根据表2数据统计可知，研究区域在10年间土地利用变化的总体特征为城镇建设用地与林地面积显著增加，分别增加了122.30 km2和111.88 km2，城镇建设用地变化率为32.50%，林地的变化率更高达40.20%。水田面积在10年间也是稳步增长，占总面积的比例由19.05%升至21.61%。其余土地类型均为减少，水域面积下降比例最大，由2003年的325.72 km2下降至180.82 km2，平均每年下降4.45%。旱地面积减少绝对值最大，减少了157.70 km2，不过仍为该区域最主要的土地利用类型。其他用地是所有类型中面积最小的，2013年占总面积的0.71%，共减少了19.28 km2。

通过观察2个时期土地利用覆被类型分布的变化（图1、图2），可以发现4个行政区划的景观格局变化也存在差异。马鞍山市是其中惟一的地级市行政单位，其城镇建设用地面积分布最广，增长的速率也最快；当涂县的水域和水田面积大幅度减少，主要由水域和水田转出为城镇建设用地和旱地；溧水区和高淳区水田面积有所增加，增加区域主要为石臼湖南部和东侧，城镇建设用地面积也有所增加，破碎状的小面积林地分布广泛。

3.2 景观格局变化分析

景观格局研究的主要方向在于空间异质性和时间异质性，景观格局变化分析通过研究景观格局指数及指数变化来进行[14]。相关的景观格局指数能够反映区域景观格局变化趋势，定量描摹不同方面的演化特征，着重反映景观破碎化程度和景观多样性的变化[15]。

3.2.1 景观水平变化分析 石臼湖周边2003-2013年景观水平的景观格局指数动态变化情况见表3。由表3可以看出，2013年与2003年比较，研究区的斑块数、斑块密度指数和斑块形状指数分别下降，反映出研究区景观整体的破碎度和异质性降低。由于近年来区域内经济发展快速推进，景观越来越受到人类活动的干预，整体景观格局随人类意识和政府规划呈聚集、分块趋势演变，斑块平均面积的稳定增加也印证了这种现象。从表3还可见，最大斑块指数同样呈下降趋势，这说明优势景观受到一定程度的干预，优势景观的斑块连接性下降。根据土地利用类型统计结果，石臼湖周边的优势景观为农田类型景观，其干预因素主要为城镇建设用地和林地景观数量的增加。另外，香农多样性指数和香农均匀度指数均表现为小幅度增大的趋势，说明各景观类型面积分布较为均衡，景观优势类型不明显，景观结构组成较为复杂，且在向更优化的方向发展。

3.2.2 类型水平变化分析 石臼湖周边2003-2013年土地利用类型景观格局指数水平变化情况见表4，由表4可以分别看出各土地利用类型景观格局指数水平的动态。①水域。2013年的水域斑块数较2003年数据锐减，水域斑块数减少也是2013年研究区斑块数和斑块密度指数减少的主要因素。同时斑块形状指数也出现下降，说明形状更为规则，这与大量水域被改造成水田和城镇建设用地有很大的关联。石臼湖湖体为水域中的最大斑块，斑块最大面积相对稳定，没有出现明显的围湖造田现象。在水域总面积减少、石臼湖面积稳定的情况下，导致了最大斑块指数上升。②城镇建设用地。斑块最大面积有了很大的增加，这是因为研究区在城市化进程上有了长足发展，城区面积扩张显著。而斑块密度指数、斑块形状指数均出现下降，表明城区发展覆盖了原本城镇周边的土地，范围扩张的同时形状变得规则。其余指标均为增长，反映出人类活动强度增加，社会经济和基础建设迅速发展。③林地。林地的斑块数和景观要素面积比例都有很大增长，林地在区域内覆盖范围得到了很大的提高。斑块密度指数上升而最大斑块指数下降，表明林地分布更加分散且破碎度增加。这与新增林地在流域内的分布有关，林地不再只局限于山地地带，林地增加来源主要为旱地。④旱地和水田。旱地和水田的格局变化基本上呈相反的趋势，除去斑块形状指数二者同时降低外，其余指标变化全部相反。旱地斑块数和斑块密度指数上升表明其破碎化程度加大，旱地占景观要素面积的比例也持续走低，但依然是流域内比例最大的景观类型，说明旱地依然是流域内的主要土地利用类型。水田的分布则更为集中，破碎化程度降低，景观要素面积比例也仅次于旱地，同样是流域内优势景观。旱地主要演化为城镇建设用地、林地和水田，因此旱地面积减少的原因主要是城镇发展和对外扩张占用了旱地、旱地改水田的实施以及退耕还林政策的推广。水田面积增加主要来源于旱地和水域，许多小范围的水体被围湖造田改造成了水田。斑块形状指数的降低，说明旱地和水田受到耕作和农业规划影响，形成分块集中。通过这两组数据的对比还可以看出，斑块数与农田景观变化的趋势联系不紧密。⑤其他用地。其他用地在流域内所占的比例很小，2003～2013年也一直减少。斑块最大面积和最大斑块指数都有上升，斑块密度指数和斑块形状指数下降，反映出其他用地分布更加集中，形状也更加完整。其他用地主要转出城镇建设用地和水田，表明该区域内人类活动愈加频繁，且活动深度增加。endprint

4 小结

在分析了石臼湖周边区域2003-2013年土地利用类型及景观格局变化情况后，发现研究区10年间土地利用变化的总体特征是城镇建设用地与林地面积显著增加，分别增加了32.50%和40.20%；水田面积也稳步增长，2013年占到总面积的21.61%；其余的土地类型均减少。以水域面积下降的比例最大，旱地面积下降的绝对值最大，但仍为最主要的土地利用类型；其他用地是面积最小的景观类型，平均每年减少4.40%。

在景观水平变化上，研究区内的斑块数、斑块密度指数和斑块形状指数全部下降，研究区景观整体破碎度和异质性降低，表明区域内景观愈来愈受到人类活动的干预；最大斑块指数同样呈下降趋势，优势景观受到一定程度的影响，优势景观的斑块连接性下降；香农多样性指数和香农均匀度指数均增加，研究区内景观优势类型不明显。

在类型水平变化上，水域分布形状更为完整；城镇建设用地斑块最大面积有了很大增加，主要是因为区域城市化发展，城区面积扩张显著；林地不再局限于山地地带，林地覆盖范围得到了很大提高；旱地和水田变化趋势相反，旱地破碎化程度加大，但依然是区域内主要的土地利用类型，水田分布更加集中，景观要素面积比例仅次于旱地，同时还可以发现斑块数与农田景观变化趋势联系不紧密；其他用地主要转入城镇建设用地和水田，表明该区域内人类活动更加频繁，活动深度增加。

由于受到自然条件和人为因素的影响，研究区内各景观类型所占比例差异较大，变化趋势也不尽相同，当然土地利用类型多样性和空间结构复杂性能促进区域内的稳定发展。在景观格局的分析过程中，可以看出近年来林地覆盖率逐步提高，因此在土地利用上应充分发挥其优势，发展生态旅游业。但是大量水域被改造成建设用地和水田，且石臼湖本体虽基本稳定，但沿湖渔业养殖面积的扩大在一定程度上导致湖面变相萎缩。这种围垦与周边湿地用途的改变，增加了洪涝灾害风险，同时使渔业生产、湿地经济作物种植失去了发展场地，需要及时开展湖泊生态修复，提高石臼湖生物多样性水平。另外，近年来研究区内行政区划多次变更，土地利用受国家政策影响将会随之改变。因此针对该区域景观格局变化驱动力的深入分析，将是下一步研究的重点，进而为该区域土地资源管理、生态功能分区和可持续发展提供理论依据。

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