基于景观格局指数的江汉平原土地利用覆盖时空变化分析

周玲玲

(贵州省国土资源勘测规划研究院，贵州贵阳 550004)

基于景观格局指数的江汉平原土地利用覆盖时空变化分析

周玲玲

(贵州省国土资源勘测规划研究院，贵州贵阳 550004)

摘要以江汉平原1993、1994、2010、2011年的TM/ETM+遥感影像为基础数据源，获取不同时期的土地利用/覆盖类型数据，并运用景观格局指数对江汉平原的土地利用/覆盖时空格局变化特征进行深入分析。结果表明：1994～2010年，耕地是江汉平原的优势景观，但其优势地位呈下降趋势，耕地、建设用地、园林地、河流湖泊的斑块数增多，斑块密度增大，耕地、河流湖泊、未利用地的斑块面积减少，建设用地、园林地和坑塘水面的斑块面积增多；江汉平原香农多样性指数、景观形状指数和破碎度指数上升，优势度指数降低，总体景观的多样性水平上升，破碎化程度和异质性增加，完整性和连通性遭到破坏。

关键词江汉平原；景观格局指数；土地利用/覆盖变化；空间格局变化

土地利用/覆盖变化是一个非常复杂的过程，对于景观格局的土地利用结构及其动态变化的研究，常用的方法是景观格局指数法，运用景观格局指数可以定量分析研究区景观格局动态变化过程[1]。纵观学术界的研究成果，景观格局指数类型繁多，赵春霞等[2]从分类原理、分类过程、分类方法等不同角度分析了这2种方法的区别与联系，并展望了遥感影像分类的发展趋势与发展前景；郭斌[3]基于GIS平台对黄土高原南部土地景观动态及优化进行了分析；张兵等[4]采用1986～2000年TM和ETM+影像数据计算景观生态指数，得出甘肃中部地区整个地区景观生态空间格局,通过对土地利用/覆盖变化的时空变化分析，实现了空间格局和地理时间变化过程的小尺度区域有机结合。笔者运用景观格局指数研究分析江汉平原土地利用覆盖时空隔绝变化特征，有利于提高土地利用效率、优化土地利用结构，对各地区各相关职能部门制定科学合理的土地利用管理决策，促进土地资源合理利用和可持续发展，更对保护耕地、保障粮食安全等有重要意义。

1数据来源与研究方法

1.1研究区概况江汉平原位于111°45′～114°16′E、29°26′～31°10′N的长江中游地区，地处湖北省中南部的长江流域和汉江流域，东迄湖北省省会武汉，西接宜昌枝江，南连地处湖南省北部的洞庭湖平原，北至荆门钟祥。江汉平原的形成主要来源于长江和汉江冲击而成，是我国3大平原(东北平原、华北平原、长江中下游平原)之一的长江中下游平原的重要组成部分，并且与湖南洞庭湖平原合称为“两湖平原”。江汉平原的气候属于亚热带季风气候，地势地平坦，地表物质主要以河流冲积和湖泊淤积物为主，土壤多为砂壤地和粉砂壤土。是长江经济带发展的重要农业经济基地，其对于华中地区的经济发展具有一定的促进作用，是华中地区经济迅速发展的一个缩影。

在行政区上，江汉平原主要包括荆州市的沙市区、荆州区、江陵县、公安县、监利县、石首市、洪湖市、松滋市8个县(市、区)，以及仙桃市、潜江市、天门市3个省直管辖市，并辐射到周边武汉、孝感、荆门、宜昌和襄阳5个地级市的蔡甸区、汉川市、沙洋县、京山县、钟祥市、枝江市、宜城市等部分地区。

由于受到TM遥感影像数据的影响限制，该研究选取江汉平原的核心地区作为研究区域，包括荆州区(包括荆州市区、沙市区、江陵县)、公安县、石首市、监利县、洪湖市、潜江市、仙桃市、天门市、汉川市。

1.2数据来源选取美国陆地卫星(Landsat)的TM/ETM+影像，以1993、1994、2010和2011年的遥感影像数据为主要数据源，空间分辨率为30 m×30 m，覆盖整个研究区共需要6景影像，时相为7～10月，研究江汉平原土地利用/覆盖空间格局变化的时期确定为1994和2010年2个时期，1994年的遥感影像由1993和1994年的影像数据组成，2010年的遥感影像由2010和2011年的影像数据组成。遥感影像数据来源于国际科学数据服务平台和美国地质调查局(USGS)服务平台。

1.3研究方法

1.3.1解译法和监督分类法。该研究选定遥感影像的波段5、波段4、波段3合成假彩色遥感影像，以1∶5万的土地利用现状数据为控制数据。但由于研究区的位置、范围等原因，任何1景遥感影像都不能满足研究的需要，需对6景影像进行image to image的几何校正、镶嵌，对于已经镶嵌好的2幅遥感影像，通过mask操作裁剪出研究区范围[5]，然后结合目视解译法和监督分类中的最大似然法[6]对研究区的2期遥感影像进行分类，在此假彩色合成影像上选择训练区(ROI)、计算训练区可分离性(Compute ROI Separability)以及反复检验分类结果，并参照第二次全国土地调查分类的方式，结合江汉平原区土地利用/覆盖的实际情况，将土地利用/覆盖类型划分为6大类：建设用地(包括城市、建制镇、农村居民点、独立工矿用地、交通用地)、园林地(有林地、其他林地、果园)、河流湖泊、坑塘水面、耕地以及未利用地。1.3.2景观格局指数法。选取景观格局指数时尽量避免信息重叠，同时能达到分析空间格局变化的需求，分别从景观类型水平和景观水平选取相的景观格局指数。类型水平指数选取：选取斑块数(NP)、斑块面积(CA)、景观类型面积百分比(PLAND)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块形状指数(MSI)、聚集度指数(AI)等7个景观格局指数，从景观类型的面积、形状及空间分布状态等方面探讨土地利用与土地覆盖景观的时空变化特征。景观水平指数选取：选取斑块数(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块分维数(FRAC_MN)、景观形状指数(LSI)、香农多样性指数(SHDI)、景观优势度指数(LDI)、景观破碎度指数(LFI)等7个景观格局指数，从景观类型的形状、空间结构及其分布形态、多样性及优势度等方面探讨土地利用与土地覆盖景观的时空格局变化特征。

2结果与分析

2.1土地利用/覆盖类型水平上时空格局化分析在景观格局分析软件Fragstats3.3中，计算得出1994和2010年江汉平原区景观类型水平上相应的景观格局指数，见表1。

表1　1994、2010年江汉平原景观类型上景观格局指数

从表1可看出，1994年江汉平原耕地面积比例为80.49%，在整个景观格局中占有绝对优势，其最大斑块指数为42.292 3，耕地的最大斑块指数遥遥领先于其他土地利用/覆盖类型，同样说明耕地在整个景观中的优势地位；耕地的斑块数为5 416，斑块密度为0.261 6，与其他土地利用/覆盖类型的相比，2个指数都最小，说明了耕地在空间上是连片分布的，其聚集度指数在整个景观中最大，指数值为97.635 0，进一步说明了耕地在物理上的连通性很好，空间分布上非常聚集。2010年江汉平原耕地的面积比例仍然大于其他土地利用/覆盖类型的面积比例，其比例为75.72%，说明在整个景观中，耕地仍为主要景观；耕地的聚集度指数在整个景观中最大，指数值为96.543 5，说明2010年耕地景观的空间分布集中，物理连通性较好。但是耕地的斑块数却在增加，说明耕地已经受到了人为活动等因素的干扰，其破碎化程度有增大的趋势。

在Excel中，得出了1994～2010年江汉平原各土地利用/覆盖类型的各景观格局指数的变化趋势，对各景观格局指数进行了对比分析，进一步探讨研究区各土地利用/覆盖类型在数量上的变化特征。

2.1.1斑块数和斑块密度反映了研究区景观类型的破碎程度。由表1可知，研究区的景观类型中，园林地和坑塘水面的斑块数较多，密度指数较大，说明了这2类景观比较破碎，耕地、河流湖泊和建设用地的斑块数相对较少，密度指数也相对较低，说明了这3类景观比较完整或连片。从斑块数和密度指数的变化上来讲，1994～2010年园林地的斑块数和密度指数上升最快，其次是耕地的斑块数和密度指数，建设用地、河流湖泊也逐年上升，随着社会经济的发展，人类活动对建设用地、园林地、耕地的干扰程度逐渐加强，致使其破碎化程度逐年增加；而坑塘水面和未利用地的斑块数和密度指数则是逐年下降。

2.1.2景观类型面积百分比反映了研究区中景观类型的优势度。研究区的景观类型中，耕地的景观类型面积百分比最高，1994、2010年分别为80.49%、75.72%，说明了耕地是江汉平原区的优势景观类型，1994～2010年研究区耕地的景观类型面积百分比逐年下降，说明了耕地面积逐年减少，一是因为大量耕地转化其他非农用地诸如坑塘水面、园地等，另外是由于城镇化、工业化加速，耕地被建设用地占用。2.1.3平均斑块形状指数可描述研究区景观类型边界形状的复杂性和规则性。研究区平均斑块形状指数值是大于1的数，平均斑块形状指数值越接近1，说明景观类型边界形状越接近正方形等规则形状，形状就越简单，同时受人类活动干扰程度就越大。研究区各景观类型的平均斑块形状指数都远离1，说明各类景观类型的边界形状比较复杂，1994～2010年研究区建设用地、园林地、河流湖泊、坑塘水面的平均斑块形状指数变化较大，逐年上升，说明这4类景观的边界形状越来越复杂、越来越不规则。造成建设用地平均斑块形状指数增加的原因主要是中心城镇和农村居民点间的不均衡发展，在中心城镇由于城市用地规划，使中心城镇的建设用地连接成片，形状比较简单，但是农村居民点的建设用地却成一种无序的状态持续增加，使得景观边界形状变得非常复杂。造成园林地平均斑块形状指数增加的主要原因是由于耕地转化为果园地或是经济林，并且规划上的不合理性，致使园林地的形状越来越复杂。耕地和未利用的平均斑块形状指数上升幅度很小，在一定程度上也说明了人类活动对其有干扰作用。

2.1.4聚集度指数能描述景观类型物理上的连通性以及其分散与聚集程度。研究区耕地、河流湖泊和建设用地的集聚度指数相对较大，说明这些景观类型连通性较好，聚集程度较高，园林地、未利用地的聚集度指数较低，说明这2类景观类型比较分散，连通性不好。

2.2景观水平上土地利用/覆盖时空格局变化分析该研究借助Fragstats3.3和Excel等软件，计算得出1994和2010年江汉平原区景观水平上相应的景观格局指数(表2)。

表2　1994～2010年江汉平原景观水平上景观格局指数

对表2中景观水平上的各景观格局指数进行分析，可知江汉平原区的景观格局变化具有以下特征。

(1)1994～2010年研究区的斑块数(NP)从119 252增加到154 141，斑块密度指数从5.760 6增加到7.445 6，且增长幅度较大，说明江汉平原区景观格局的破碎化程度在逐渐升高。造成这一现象发生的主要原因是随着社会经济以及城镇化的迅猛发展，人类活动对研究区的干扰程度越来越大，使得研究区的景观格局向破碎化方向发展，景观格局的完整性和连通性遭到破坏。

(2)研究区的平均斑块分维数(FRAC_MN)和景观形状指数(LSI)分别从1994年的1.044 9、112.629 4上升到2010年的1.045 9、149.988 2，说明江汉平原的景观形状趋于复杂化、不规则化。造成这种现象发生的主要原因是研究区中人类活动对各个景观类型的干扰程度上存在差异，对于有的景观类型的干扰程度较高，比如建设用地；对于有的景观类型的干扰程度较低，比如耕地、河流湖泊等。这种变化也反映了人类活动对于不同的景观类型有不同程度的干扰影响。研究区的平均斑块分维数虽然呈上升趋势，但是其上升幅度很小且数值偏小，说明了研究区的形状总体来说还是比较简单、规则化的。

(3)研究区的香农多样性指数(SHDI)从1994年的0.735 5上升到2010年的0.876 0，说明江汉平原的多样性水平逐年提高，说明了研究区内各景观类型将呈均衡化分布，其所占面积比例的差距有缩小的趋势。虽然江汉平原区的优势景观是耕地，并在长期内其优势地位不会改变，但是随着江汉平原区的社会经济发展、人口总数不断增加和城镇化水平不断提高，建设用地、坑塘水面等景观类型的面积不断增加。研究区景观多样性的提高，表明各类景观类型在空间上呈现均衡性分布，对于土地利用/覆盖的景观格局起控制作用的景观类型在逐渐减弱。

(4)研究区的景观优势度指数(LDI)从1994年的1.523 9下降到2010年的1.321 2，说明研究区的景观异质性性在逐渐增加，但是两时期内的优势度指数相对较高，则表明了研究区的整体景观仍由几个主要景观类型在控制。

(5)研究区的景观破碎度指数(LFI)从1994年的0.057 6增加到2010年的0.074 5，说明研究区的景观破碎化程度增大，单位面积上的斑块数逐渐增多，整个景观被分割成碎块，斑块在空间上的连通性渐渐减弱，反映了整体景观格局受到人类活动的干扰使得其逐渐趋向复杂化和异质化。

3结论

该研究以江汉平原1993、1994、2010和2011年4个时期内的6景TM/ETM+影像(成像时间集中在夏、秋2个季节)为基础数据源，运用目视解译法和监督分类中的最大似然法对1993～1994年和2010～2011年2个时段的遥感影像进行分类，得出了研究区在两个时段内的土地利用/覆盖变化情况，然后运用景观格局指数法对江汉平原的土地利用/覆盖变化的时空变化特征进行分析。通过研究分析发现，各土地利用/覆盖类型的景观格局指数在1994～2010年呈现不一致的演变规律。耕地景观是江汉平原的主要景观，1994和2010年的面积比例分别为80.48%和75.72%，其优势地位非常明显；耕地、建设用地、园林地、河流湖泊景观的斑块数增多，斑块密度增大，斑块的形状越来越复杂；坑塘水面的斑块数减少，斑块面积增加，斑块密度减小，平均斑块形状指数大幅度降低，聚集度指数略微增大，表明坑塘水面景观分布呈聚集状态，且形状趋于简单化和规则化；未利用地景观的

斑块数、斑块面积均减少，斑块密度降低，说明未利用地得到开垦和充分地利用。从景观水平上的相应景观格局指数的角度来看，江汉平原的斑块数增多，斑块密度、平均斑块分维数、景观形状指数、香农多样性指数和破碎度指数均上升，优势度度指数降低，说明江汉平原总体景观的多样性水平上升，破碎化程度和异质性增加，景观形状向复杂化和不规则化方向发展，整个景观格局的完整性和连通性遭到破坏。

参考文献

[1] 李晓华,任志远,周自翔.区域景观格局变化特征及人类影响因素分析：以陕西关中平原地区为例[J].西北大学学报(自然科学版),2005,35(5):633-636.

[2] 赵春霞,钱乐祥.遥感影像监督分类与非监督分类的比较[J].河南大学学报(自然科学版),2004,34(3):90-93.

[3] 郭斌.基于GIS的黄土高原南部土地景观动态及优化[D].西安：陕西师范大学，2011.

[4] 张兵,金凤君,董晓峰.甘肃中部地区景观生态格局与土地利用变化研究[J].地理科学进展,2005,24(3):34-42.

[5] 金石柱,刘志锋.基于TM影像的延吉市土地利用动态变化研究[J].地理科学,2011,31(10):1249-1253.

[6] 张明.榆林地区脆弱生态环境的景观格局与演化研究[J].地理研究,2000,19(1):30-36.

Analysis on Temporal and Spatial Change of Jianghan Plain Land Use/Cover Based on Landscape Pattern Index

ZHOU Ling-ling

(Guizhou Provincial Institute of Land Resources Surveying and Planning, Guiyang, Guizhou 550004)

AbstractWith TM / ETM + remote sensing images of Jianghan Plain in 1993, 1994, 2010, 2011 as basic database, land use/cover data of different periods were obtained, the spatial and temporal variation characteristics of Jianghan Plain land use/cover were deeply analyzed by using landscaoe pattern index. The results showed that during 1994-2010, the cultivated land was the advantage landscape of Jianghan Plain, but its dominant position was on the decline. The number of patch and patch density of cultivated land, construction land, forest and garden land, rivers and lakes had increased. The patch area of cultivated land, rivers, lakes and unused land had decreased. In contrary, the patch area of construction land, forest and garden land and pond had increased. The Shannon’s diversity index, landscape shape index, and landscape fragmentation index of the whole Jianghan Plain had increased. The landscape dominance index had decreased. So the landscape diversity levels had risen, the degree of fragmentation and heterogeneity had increased and the integrity and connectivity of Jianghan Plain had been destroyed.

Key wordsJianghan Plain; Landscape pattern index; Land use/cover change; Temporal and spatial change

作者简介周玲玲(1988- )，女，土家族，贵州沿河人，助理工程师，硕士，从事土地利用、土地规划研究。

收稿日期2016-03-30

中图分类号F 301.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)11-304-03