基于“3S”技术的湖南安仁县土地利用类型变化分析

徐正刚，张 婉，黄 田，周松林，马 楠，赵运林*

(1．湖南城市学院，湖南 益阳 413000；2．中南林业科技大学 林业遥感大数据与生态安全湖南省重点实验室，长沙410004)

基于“3S”技术的湖南安仁县土地利用类型变化分析

徐正刚1,2，张 婉2，黄 田1，周松林1，马 楠1，赵运林2*

(1．湖南城市学院，湖南 益阳 413000；2．中南林业科技大学 林业遥感大数据与生态安全湖南省重点实验室，长沙410004)

为更加深入了解城镇化背景下县域土地利用类型和景观格局变化，研究以“3S”技术为手段，以湖南安仁为案例，分别对2006年和2016年土地利用类型进行解译，分析此期间土地利用类型变化，并分别计算各年份多种景观指数﹒研究结果表明：林地和耕地一直是安仁县的主要土地利用类型，研究期间，耕地面积有所增加，林地面积有所减少；建筑物面积有所增减，不同土地利用类型主要向耕地转化；景观破碎化程度在降低，景观多样性增加，斑块分布更加均匀稳定﹒研究认为城镇化进程给县域森林景观保护带来了很大的压力，在城镇化进程中，坚持生态原则，实施生态规划，对于景观保护和景观格局稳定具有重要作用﹒本研究能够为县域尺度生态规划提供参考，对县域景观保护具有重要意义﹒

县域；土地利用类型；景观格局；城镇化

景观格局指景观的空间结构，是土地利用类型在空间上布局、结构的反映，景观格局与生态过程密切相关[1]﹒景观格局变动是土地利用类型自身发展和外界驱动力(特别是人类活动)共同作用的结果﹒随着“3S”技术(遥感技术，Remote sensing，RS、地理信息系统，Geography information systems，GIS和全球定位系统，Global positioning systems，GPS)的发展，为景观格局分析提供了强有力工具，景观格局变动研究成为景观生态学的热点内容，在各个领域均发挥重要的作用﹒对空间范围内单一生态系统的景观变动分析是明确该生态系统发展变化规律的重要手段﹒陈颖颖等对兴国县森林生态系统及景观格局进行研究，认为林业产权制度改革及造林绿化工程和自然灾害是该县区森林景观变化的主要驱动力[2]﹒同时，对空间范围内复合生态系统的景观变动分析，对于了解生态系统的健康水平具有重要意义[3]﹒景观格局变动的驱动力分析，能够为城市建设等人类开发活动提供有益参考[4]﹒

县域是基于县级行政区的空间单位，包括该行政区人口、资源、环境等一系列要素﹒由于县域是我国具备完整经济统筹能力的基层单位，因此基于县域空间的相关研究一直是相关研究的重点[5]﹒当前关于县域景观格局的研究，一般均将整个县域作为一个整体，而往往忽视了县域内城乡差异 ，从而导致相关驱动力分析有失偏颇﹒为更加细致地刻画县域景观格局变化，本研究对县域景观格局变动进行分析，更加精确地区分不同驱动力对县域的作用﹒本研究对于深入了解县域复合生态系统发展规律，为更加科学合理的进行城乡规划提供参考﹒

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区位置图

安仁县 (113°05′E ～ 113°36′E ， 26°17′N ～26°50′N)位于湖南省东南部(见图 1)，是郴州市的“北大门”，湘江一级支流洣水的中下游，与周边八县市毗邻，有“八县通衢”之称﹒安仁县处于罗霄山脉中段，其整体地势自东南向西北倾斜，属半山半丘陵区，形成“三山夹两盆”的地貌格局，地貌形态表现出山地、丘陵、平原和岗地比例大体相近的格局﹒安仁县属中亚热带季风湿润气候区，日照强，热量丰富，湿度大，雨量充沛，降水集中，水热同季，且冬夏长而春秋短，四季气候分明﹒安仁县河流属湘江流域洣水水系，水系发达，大小支流共99条﹒安仁县属中亚热带常绿阔叶林区，主要植被由壳斗科、木兰科、樟科、杜英科等树种所组成﹒经历常年人为活动，自然条件的变迁，逐步演替为零落的常绿阔叶混交林和马尾松、油茶、杉木、槠栲类为主的针、阔叶林和灌木、草本等天然植被和人工植被﹒

安仁县是传统的农业大县，经济较为落后﹒2011年发改委正式批复湖南省设立湘南承接产业转移示范区，安仁县抓住发展机遇，创建了安仁县工业集中区，产业结构不断优化﹒2014年，安仁县获评“全国经济转型发展示范县”荣誉称号，经济逐渐步入了快速发展的轨道﹒2013年安仁县城市化率为38.44%，进入诺瑟姆曲线认为的城市快速发展时期，在快速城镇化的过程中，安仁土地利用类型亦发生了巨大的变化﹒

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用类型

首先对安仁县土地利用类型进行普查，确定该县域内主要土地利用类型﹒依据研究需要，将安仁县土地利用类型定义为建筑物、耕地、石漠化区、林地、水体5类﹒在该县北部区域存在连片的喀斯特地貌，为石漠化区﹒

由于夏季农作物种类丰富，不利于区分，因此研究选取了2006年、2016年Landsat系列卫星冬季遥感影像对安仁县土地利用类型进行遥感分类﹒2006年遥感影像时间为2006年12月份TM影像，2016年遥感影像时间为2016年3月OLI影像，遥感影像条代号为123行42列和123行41列﹒对遥感影像进行几何校正、辐射校正、大气校正、拼接、裁剪等预处理﹒几何校正使用安仁县2010年0.5 m分辨率航拍影像为校正影像，选取河流转折点、道路交叉点、山顶等典型地物作为样本点，进行几何校正﹒经过一系列预处理后，计算该区域 NDVI值[7]，同时下载该区域高程数据，并将 NDVI、高程与经预处理的遥感影像进行波段组合，得到用于土地利用类型分类的多波段遥感影像﹒遥感影像和高程数据均来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)﹒

计算遥感影像波段最佳指数(OIF)，采用波段6、5、7的RGB假彩色合成﹒研究对照遥感影像和实地踏查样点，研究确定不同土地利用类型的遥感影像色彩和纹理特征﹒利用目视解译确定不同土地利用类型的感兴趣区，确保不同土地利用类型样本分离度大于1.90﹒研究同时使用第二次全国土地调查数据对感兴趣区样本进行核对﹒研究采用支持向量机(Support Vector Machine，SVM)的方法对遥感影像进行分类，并对分类后的遥感影像进行聚类处理等后处理﹒研究统计各年份不同土地利用类型的面积及比例和土地利用类型转移矩阵及变化情况﹒

1.2.2 景观指数

景观指数是度量景观格局和生态过程的定量指标[8]﹒为更加细致地刻画不同时间景观格局变化，研究计算各年份景观指数﹒计算的景观指数主要包括斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、总边缘长度(TE)、景观形状指数(LSI)、周长面积分维数(PAFRAC)、香农多样性指数(SHDI)、香农均一度指数(SHEI)、斑块聚合度(AI)，各景观指数计算公式及含义参见文献[5]﹒

研究的遥感分类在 ENVI 5.0软件环境中完成，不同土地利用类型及转移矩阵及相关作图利用Arcgis 10.1完成，景观指数计算利用Fragststs 4.2完成﹒

2 结果与分析

2.1 安仁县土地利用类型

耕地和林地是安仁主要的土地利用类型，其所占面积比例远远高于其他三种土地利用类型，呈现显著的“三山夹两盆”的格局(见图 2)﹒2006年到2016年间，石漠化区域和水体分布及面积较为稳定，建筑物、耕地、林地变化较为显著(见图3)﹒建筑物和耕地在此期间面积增加明显，建筑物由2006年的1.52%增加到2016年的4.80%，耕地由 39.34%增加到 46.00%，而林地面积减小显著，由57.57%减少到47.31%，减少了10.00%左右﹒

图2 安仁县土地利用类型分布

图3 2006～2016年间安仁县不同土地利用类型所占比例变化

2.2 土地利用类型转移矩阵

统计安仁县2006年到2016年间发生土地利用类型的空间分布，发现变化区域分布整个县域，主要集中在耕地和林地区域(见图 4)﹒分析2006～2016年间不同土地利用类型转移矩阵，石漠化区域是保留率最低的土地利用类型，保留率仅为6.91%，而其他4种土地利用类型保留率均较高，建筑物保留率为54.70%，耕地、林地、水体保留率均超过 70.00%(见表 1)﹒建筑物、石漠化区域、林地、水体均主要是向耕地转化，其中58.18%的石漠化区转化为耕地﹒耕地主要向林地和建筑物转移，比例分别为15.49%、8.65%﹒水体也主要向耕地和建筑物转化﹒

图4 2006-2016年间安仁县土地利用类型变化分布

表1 2006-2016年间不同土地利用类型转移矩阵 %

表2 2006-2016年间安仁景观指数

2.3 景观指数变化

研究选取的景观指数(见表 2)能定量描述研究期间安仁县不同土地利用类型的景观破碎化程度和复杂化程度﹒2006年到2016年期间，斑块数(NP)、总边缘长度(TE)减少，而最大斑块指数(LPI)增加，说明在此期间景观斑块以自身为中心在“生长”，景观破碎化程度降低﹒景观形状指数(LSI)和周长面积分维数(PAFRAC)降低，说明斑块形状复杂度降低，斑块形状日趋规则﹒香农多样性指数(SHDI)、香农均一度指数(SHEI)、斑块聚合度(AI)均增加，说明2016年各斑块在县域的分布较2006年更加均匀﹒

3 结论

2006年到2016年间，是安仁县城镇化进程急速推进的过程，城镇化率由 28.90%提升到38.44%﹒安仁土地利用类型面积与分布变化和城镇化进程密切相关﹒与城镇化率的提高相适应，建筑物面积显著增加，且耕地、水体被侵占﹒安仁县是农业大县，农业是该县的支柱产业[9]﹒研究期间，耕地面积不断增加，为该县城镇化提供了经济支撑﹒林地是该县域面积最大的土地利用类型，且安仁县有较好的旅游资源[10]，进行森林资源保护，大力发展旅游产业是发展该县经济的重要方面[11-12]，但是在近10年的快速城镇化进程中，森林保护承受了巨大的压力﹒

在快速城镇化进程中，如何确保土地利用类型与城镇化要求相适应，又有力保护自然资源，是制定城镇化策略的重要出发点﹒政策的制定与实施对控制县域土地利用类型变化密切相关﹒在很多县域土地利用变化的研究中，很多文献认为在经济发展过程中，景观类型会日趋破碎化，景观格局会日趋不稳定[6,13]﹒安仁县在城镇化进程过程中，坚持先规划，后建设，而且规划过程中坚持生态原则[14-15]﹒同时，该县采取了“就近城镇化”的原则﹒上述措施，使得安仁县在城镇化过程中，景观破碎化程度降低，且不同土地利用类型的景观格局更加均匀，取得了良好的生态效果﹒

[1]徐延达, 傅伯杰, 吕一河. 基于模型的景观格局与生态过程研究[J]. 生态学报, 2010, 30(1): 212-220.

[2]陈颖颖, 王熙钱, 易祖滨, 等. 兴国县森林景观格局变化分析[J]. 中南林业科技大学学报, 2016, 36(3): 82-86.

[3]何锐, 赵运林, 徐正刚, 等. 1989-2013年西洞庭湖土地类型及水禽栖息地变动研究[J]. 西南林业大学学报, 2016, 36(4):115-120.

[4]张溶, 孙浩添, 胡莹. 基于景观生态学方法的开发区建设生态影响分析[J]. 中国资源综合利用, 2016(11): 49-52.

[5]FAN Q, DING S. Landscape pattern changes at a county scale: A case study in Fengqiu, Henan Province, China from 1990 to 2013[J]. Catena, 2016, 137: 152-160.

[6]彭志杰. 大名县土地利用类型及景观格局动态变化的研究[D].石家庄: 河北农业大学, 2011.

[7]NOURI H, ANDERSON S, SUTTON P, et al. NDVI, scale invariance and the modifiable areal unit problem: An assessment of vegetation in the Adelaide Parklands[J]. Science of the Total Environment, 2017, S584–585: 11-18.

[8]郑建蕊, 蒋卫国, 周廷刚, 等. 洞庭湖区湿地景观指数选取与格局分析[J]. 长江流域资源与环境, 2010, 19(3): 305-310.

[9]陈岸. 安仁县土地利用与区域经济研究[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2006.

[10]汤娌娜. 湖南省安仁县旅游扶贫开发研究[D]. 长沙: 湖南师范大学, 2013.

[11]陈小林. 湖南安仁县森林生态系统生物量和碳贮量研究[D].长沙: 中南林业科技大学, 2016.

[12]陈小林, 闫文德, 梁小翠, 等. 湖南安仁县典型森林生态系统生物量和碳贮量[J]. 中南林业科技大学学报, 2017(1):94-98.

[13]张合兵, 王世东. 典型生态县域土地利用时空与景观格局变化[J]. 水土保持研究, 2015(02): 246-252.

[14]陈建峰. 3S技术支持下的安仁县复合生态空间规划研究[D].长沙: 湖南农业大学, 2015.

[15]周松林. 3S技术支持下的安仁县复合生态空间优化布局研究[C]. 贵阳: 2015中国城市规划年会, 2015: 14.

(责任编校：陈健琼)

Analysis on Land Use Change of Anren County in Hunan Province Based on"3S" Technology

XU Zheng-gang1,2, ZHANG Wan2, HUANG Tian1, ZHOU Song-lin1, MA Nan1, ZHAO Yun-lin2*
(1. Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. Key Laboratory of Forestry Remote Sensing Based Big Data & Ecological Security for Hunan Province, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, Hunan 410004, China)

In order to understand the changes of land use and landscape patterns in the county scale under the background of urbanization, this research takes Anren, Hunan Province as an example to analyze the land use types in 2006 and 2016 respectively based on "3S" technology. Transfer matrix of land use and landscape index were calculated for each year. The results showed that forest land and cultivated land had been the main land use types of Anren County. The area of cultivated land increased and the area of forest land decreased during the study period. The area of the building increased, and the land use types were mainly converted to cultivated land during study period. The result also showed that fragmentation of Anren County was reduced, the diversity of landscape was increased and the patch distribution was more uniform and stable from 2006 to 2016. The study suggests that the process of urbanization has brought great pressure to the county forest landscape protection. In the process of urbanization, it is important to adhere to ecological principles and implement ecological planning, which is important for landscape protection and landscape pattern stabilization. The study can provide reference for the county scale ecological planning, which is of great significance to the county landscape protection.

county scale; land use and cover; landscape patterns; urbanization process

TU982；P95

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0009

1672–7304(2017)03–0039–05

2017-04-23

国家国际科技合作专项(2015DFA90450)；湖南省科技计划项目(2016TP1014)；益阳市科技计划项目(2014JZ07)

徐正刚(1986-)，男，湖北英山人，博士生，讲师，主要从事生态安全研究﹒Email: rssq198677@163.com﹒＊通讯作者简介：赵运林(1959-)，男，湖南衡山人，教授，博士，博士生导师，主要从事生态学研究﹒Email: zyl8291290@163.com．