基于RS和GIS的黑河流域景观格局变化研究

罗仪宁，丁 强，赵 蓓，杨玉珍，刘 勇，刘 芳，马爱芬

(陕西省环境监测中心站，陕西 西安 710054)

景观生态学(Landscape Ecology)是一门新兴的学科，主要研究空间格局和生态过程的相互作用及尺度效应。其最简单的表述是:研究景观的结构、功能和变化[1－3]。景观空间格局决定着资源地理环境的分布形成和组分，制约着各种生态过程。研究生态景观格局的特征及其变化，可以在表现无序的景观中发现潜在的有意义或有序的规律，有利于探讨景观空间格局及动态变化与土地利用过程之间的相互关系，揭示景观格局与生态系统的相互作用，从而进一步对景观格局在时间和空间尺度上的变化方向、程度进行模拟、评估和预测，因地制宜的制定可持续发展的土地利用政策，为资源利用和生态环境建设提供重要参考[4，5]。

黑河饮水工程是西安市的主要供水水源，占西安市城市供水量76%以上，其水质、水量与流域生态环境状况直接关系到西安市八百万市民的身体健康与社会经济的可持续发展。本研究以黑河流域为研究区，选择2000－2010年近十年来的三期Landsat TM/ETM+影像、ASTER GDEM为数据基础，结合遥感技术、地理信息系统、数理统计和景观生态学方法，对黑河流域生态景观格局特征及十年变化进行分析，为流域的生态保护目标定量分析提供依据，为流域治理、生态资源恢复及环境管理提供理论支持。

1 研究区概况

黑河流域系渭河一级支流，发源于周至县西南厚畛子南北两侧秦岭山脉主峰太白山、光头山一带，流域全域在陕西省周至县境内，全河长125.8 km，集水面积 2 258 km2，大部分为茂密森林所覆盖。在主河道上游70 km的距离内，集中发育了丰富而奇特的地质、水文、森林植被、动物等自然生态资源。目前黑河流域已有675 km2划为国家自然保护区。

黑河引水工程是一项跨流域引水、综合利用的大型水利工程，是西安市的主要供水水源。该项工程自1986年开工建设至今，累计向西安城市供水25.6亿 m3，农业灌溉供水2亿 m3，水力发电1.3亿度。近年来，伴随着人类开发利用水资源，流域生态系统及环境发生了不同方向、不同程度的变化。因此，研究黑河流域生态景观格局的变化规律，不仅对区域生态环境建设、资源开发、流域治理和农业产业结构调整具有重要的现实意义，而且对研究我国生态脆弱区生态、资源和人口的可持续发展也具有重要的参考价值。

2 数据及方法

2.1 数据基础及预处理

本研究遥感影像采用2000年、2005年及2010年的美国Landsat卫星所接收的TM/ETM数据，成像时间集中于当年的4－9月，空间分辨率30 m。数字高程模型采用 ASTER GDEM V2，即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型，空间分辨率为30 m;该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成的，第二版数据在第一版GDEM的基础上进行了修正和精度提高，更符合地表实际情况。

在进行土地覆被分类及景观格局变化研究前需要对遥感影像和GDEM数据做以下预处理。

2.1.1 流域边界确定

水文分析是DEM数字地形分析的一个重要方面。黑河流域的流域分割以ASTER GDEM V2为数据源，使用 ArcGIS软件的水文分析模块，经过水流方向提取、洼地填充、汇流累积量计算、水流长度提取、河网提取和流域分割等步骤，得到黑河流域边界的矢量数据[6，7]。

2.1.2 遥感影像预处理

遥感影像预处理使用ENVI和ERDAS软件，包括影像融合、几何校正、影像镶嵌、影像裁切等步骤，最终得到黑河流域2000年、2005年和2010年的影像数据。其中，2000年为ETM+数据，使用1－5和7共6个多光谱波段;2005和2010年为TM数据，使用1－7波段。保留较多波段能够在土地覆盖分类中根据不同分类目的采用不同的波段组合，更准确的辨别不同地类[8－10]。

2.2 研究方法

本研究的土地覆盖分类采用面向对象的分类方法[9－11]。黑河流域土地覆盖一级分类为林地、草地、湿地、农田、城镇及裸地共六类;二级分类为:阔叶林、针叶林、针阔混交林、稀疏林、阔叶灌丛、草地、沼泽、湖泊、河流、耕地、园地、居住地、工矿交通、裸地等十四类(分类体系基于《全国生态环境十年变化(2000－2010年)遥感调查与评估项目》中的生态系统分类体系)。

使用ENVI软件，对经过预处理的流域影像数据进行土地覆盖分类后，将其导入 ArcGIS，统计各生态系统景观类型的土地覆盖状况并得到流域各生态系统景观类型专题图。本研究在景观水平指数和斑块水平指数选取了斑块数、平均斑块面积、类斑块平均面积、边界密度、聚集度指数和平均斑块分维数为景观格局特征研究对象，使用Fragstats软件进行指数的计算，对比分析计算结果，研究生态景观格局特征及变化[5，12－14]。具体步骤如图 1 所示。

图1 研究步骤

2.3 景观格局评价指标

(1)生态系统景观类型面积

土地覆被分类系统中，一级分类、二级分类各类生态系统面积统计值(单位 km2)。

(2)生态系统景观类型构成比例

土地覆被分类系统中，基于一级和二级分类的各类生态系统面积比例。

(3)斑块数(Number of Patches)

评价范围内斑块的数量，用来衡量目标景观的复杂程度。

(4)平均斑块面积(Mean Patch Size)

评价范围内平均斑块面积。该指标可以用于衡量景观总体完整性和破碎化程度。

式中:MPS为平均斑块面积;NP为斑块数量;TS为评价区域总面积。

(5)边界密度(Edge Density)

从边形特征描述景观破碎化程度。

式中:ED为景观边界密度(边缘密度);Pij为景观中第 i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度。

(6)聚集度指数(Contagion index)

反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。

式中:Cmax为Pij=PiPj/i指数的最大值;n为景观中斑块类型总数;Pij为斑块类型i与j相邻的概率。(7)类斑块平均面积

式中:景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值，反映该类景观要素斑块规模的平均水平;Ni为第i类景观要素的斑块总数;Aij为第i类景观要素第j个斑块的面积。

(8)平均斑块分维数(MPFD)

描述景观和斑块周边几何形状的复杂程度。

3 结果与分析

(1)十年间黑河流域生态系统各景观类型空间分布特征明显。流域上中游多林地、草地，下游多农田、城镇和裸地。

黑河流域全境主要土地覆被类型为林地，三期林地面积在景观中所占比例分别为 81.50%、81.58%、81.59%，因此流域基质景观是林地，且属于绝对优势景观。除林地外农田也是黑河流域的主要土地覆被类型:2010年，林地和农田两类占到了流域总面积的95.41%，其他四类仅占不到5%。与2000年一致，2010年各景观类型面积从大到小依次为:林地、农田、草地、城镇、裸地、湿地。

十年间，各景观类型面积发生了不同程度的增减变化，按增加面积由大到小排序为:城镇、林地、湿地、裸地;草地在这十年间未发生变化;农田是唯一一个面积减少的景观类型，也是面积变化最大的景观类型，十年间农田面积共计减少 5.57 km2，其中增加 2.00 km2，减少 7.57 km2，转化方向为林地、城镇、湿地和裸地，且对林地贡献率最高、城镇次之。各景观类型面积在2000－2010年基本保持前五年变化程度较为剧烈、后五年变化趋于平缓。

图2 黑河流域生态系统景观类型分布

表1 黑河流域生态系统景观格局特征

(2)十年间黑河流域景观格局逐步走向完整。黑河流域在三个研究时期其土地覆被解译结果斑块数(NP)呈减少趋势，景观结构趋于简化;平均斑块面积(MPS)呈现增加趋势，与斑块数变化一致;边界密度(ED)是描述景观破碎化程度的指标，10年间流域边界密度呈现减少的趋势，说明斑块的破碎化程度在降低，景观从破碎走向完整;聚集度指数(CONT)反映了景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度，2005年聚集度指数最高，说明2005年景观格局组分空间配置斑块团聚性最好，十年间聚集度指数呈上涨趋势，十年间景观格局趋于完整化。

由此得出结论，黑河流域2000－2010年生态系统景观格局空间分布得到整合、趋于大块状化分布，景观破碎化程度降低、景观格局走向完整。

图3 黑河流域生态系统景观类型十年面积变化

表2 黑河流域景观类型格局特征

(3)十年间，黑河流域景观斑块数减少，大多数景观类型 分布格局得到整合。各景观类型斑块数从大到小依次为:农田、城镇、裸地、湿地、林地、草地。农田和城镇作为人工景观类型在整个研究区内的分布相对分散;林地、草地等自然景观类型在研究区内的分布相对集中。2000－2010年，大多数景观类型的斑块数有所减少，草地无变化，这种变化与国家和地方对生态保护及合理利用土地等政策的大力宣传有很大关系，大力宣传使得人们对生态保护和土地利用的观念有所转变，原本破碎的斑块在这十年间得到一定的整合，尤其是2000－2005年整合效果更为明显。

(4)十年间，黑河流域基质景观始终为林地且林地及其他各类自然景观格局逐步趋于完整。类斑块平均面积最大的是林地，其平均斑块面积远远大于其他几类，且十年间林地斑块面积持续增加、聚集度指数增大，说明林地斑块在优势基础上不断得到整合，林地景观格局趋于完整，说明流域退耕还林已见成效。2000年类斑块平均面积最小的为湿地，2005年则变为了裸地，2010年依旧是裸地，说明湿地景观类型在前五年整合强度较大。

(5)十年间，黑河流域人工景观格局逐步趋于完整，农田和城镇此消彼长。农田面积减少的同时平均斑块面积的增大说明农田景观得到整合，减少的农田面积从另一个侧面反映了流域退耕还林的成效。城镇景观在面积增加的同时类斑块平均面积也呈现增加趋势，其边界密度的增加更说明城镇景观趋于完整。这种变化与十年间城市化进程的推进以及新农村建设是分不开的。

(6)十年间，黑河流域景观斑块形状简单、变化较小。平均斑块分维数属于景观斑块形状指标，黑河流域各景观类型斑块形状简单，平均斑块分维数在十年间变化非常小，说明流域斑块形状整体保持稳定，变化较小。湿地平均斑块分维数在三个时期都是最大的，说明研究区湿地景观斑块形状最为复杂;同理，林地景观斑块形状最为简单。

4 结语

从生态景观格局变化来看，2000－2010年黑河流域生态系统景观格局空间分布得到整合，景观破碎化程度降低、景观格局走向完整，景观形状简单且变化较小。

三个研究时期内，黑河流域大部分生态景观类型在斑块数、面积及空间格局上都发生了不同程度的变化，但林地始终是其景观基质，属于绝对优势景观。

十年间黑河流域上中游多林地、草地，下游多农田、城镇和裸地。十年间，林地景观在优势基础上不断得到整合，林地和其他自然景观类型格局趋于完整;湿地景观类型在研究期的前五年得到更多整合且面积有所增加。十年间，人工景观格局同样逐步趋于完整，农田与城镇此消彼长:农田是唯一一个面积减少的景观类型，也是面积变化最大的景观类型，在这十年间农田转化为了林地、城镇、湿地和裸地，且对林地贡献率最高、城镇次之;城镇景观面积增加最多，景观格局趋于完整，反映了城市化进程的推进作用。

可以看出，2000－2010年，在国家“退耕还林还草”等各项生态环境治理项目的实施对流域景观格局产生影响的同时，城市化进程也推动着黑河流域生态景观格局向另一方向前进。多种自然和人为力量的不同作用，加之黑河流域特殊的生态保护意义，探寻一条可持续发展的道路是流域生态环境保护需要关注的关键问题。在今后的发展中，应根据不同时期、不同情况对流域核心区和敏感区进行重点保护，加强流域全境生态景观格局建设和保护，以增强抵御自然及人为灾害的能力;对开发区实行有限制有条件的开发、科学规划，加强流域的生态环境景观建设，从而实现资源利用与环境建设的相互促进和共同发展。

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