基于GIS的昆明市呈贡区景观格局分析

朱沾斌，赵俊三

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

利用遥感图像的空间特征、光谱特性和时间特性研究城市景观过程，揭示其生态状况及变化规律，已成为当前国内外开展景观格局研究的新趋势。遥感技术具有快速、准确、周期性、宏观性和实时获取资源环境状况及其变化数据的优势，同时数据处理分析系统和地理信息系统又具有多种数据的综合处理分析能力[1-4]。本研究综合运用地理信息系统(GIS)和遥感技术(RS)等手段，基于ArcGIS 10.1平台、ENVI 5.1软件、FRAGSTATS 4.2软件，对昆明市呈贡区1996、2001、2007和2011年的景观格局进行分析，旨在为昆明市呈贡区的景观生态规划与生态管理提供科学依据与参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呈贡区素有“花乡”“果乡”“菜乡”“鱼米之乡”“矿泉水之乡”等诸多美誉，位于滇池东岸，为昆明市政府驻地，位于102°45′～103 °00′E、24°42′～25°00′N，北邻昆明市官渡区，南接玉溪市澄江县、昆明市晋宁县，西邻滇池、昆明市西山区，东接昆明市宜良县。呈贡区属低纬度高原平坝地区，地势东高西低，海拔1 900～2 000 m。呈贡区总面积510.38 km2，总人口19.40万，下辖10个街道办事处，65个社区居委会，155个自然村，主要生活有汉族、彝族、白族、哈尼族。

1.2 研究资料

采用研究区1996年1月、2001年4月、2007年4月和2011年2月的4期Landsat TM遥感影像数据，空间分辨率为30 m。条代号均为129，行编号均为43，云量分别为0.03、0.07、0.04和0.08，影像质量非常好，可满足应用需求。

1.3 遥感图像预处理

利用ENVI 5.1处理Landsat TM遥感影像数据。首先对遥感影像进行几何校正、辐射定标、FLAASH大气校正，然后对校正后的遥感影像进行拼接和镶嵌，坐标系为WGS84，用呈贡区边界矢量图进行裁剪，获得研究区域4个时期Landsat TM遥感影像图。

1.4 景观遥感分类及提取

参照云南省呈贡区第一次全国地理国情普查分类标准以及研究区实际情况，将研究区土地覆被划分为5类：水域，种植土地，林草覆盖，建设用地，其他用地。在ArcGIS 10.1和FRAGSTATS 4.2的支持下，分别计算呈贡区4期遥感影像的土地利用景观指数，分析土地利用变化的基本格局特征和演变规律。开展独立主成分分析，从分析结果中提取感兴趣区，建立训练样本(样本的分离度结果值均在0.9以上)，利用样本数据完成数据分类，并在分类过程中导入1∶10 000数字高程模型以提高精度。利用研究区的土地利用现状、土地利用变更数据对分类结果进行验证，总体精度达到90%，满足本研究要求[4]。

1.5 景观格局指数分析

景观指数是反映景观结构格局的定量化指标，常用以描述经过该格局的时空变换及其与生态过程之间的联系[5]。针对研究区景观格局和斑块类型的特征，选取斑块数(NP)、散布与并列指数(IJI)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、斑块类型面积百分比(PLAND)、周长面积分形维数(PAFRAC)、最大斑块指数(LPI)、形状指数(LSI)、多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)和集聚度(AI)等指标[6]进行分析。

2 结果与分析

2.1 景观类型分布及其动态变化

1996、2001、2007和2011年研究区景观覆盖类型分布如图1所示。可以看出，其他用地和林草覆盖是呈贡区1996—2011年的主要景观类型(表1)。林草覆盖面积在1996—2011年呈现先缓慢减少后迅速增加的趋势，1996年林草覆盖面积最大，达183.63 km2，2007年林草覆盖面积最小，仅116.85 km2，至2011年研究区林草覆盖面积又恢复至164.09 km2，这可能和当地政府出台政策加强植被保护相关。其他用地面积在1996—2011年先略有增加后又减少，总面积由研究初期的143.79 km2减少到研究末期的130.74 km2。水域面积在1996—2011年缓慢平稳减少，尤其是在2001—2011年保持相对稳定。种植土地在1996—2011年呈现先缓慢增加后迅速减少的趋势，其中，2007年种植土地面积最大，达82.72 km2，但到2011年研究区种植土地面积锐减至28.93 km2，可能与当地快速的城市化发展建设用地扩张有关。建设用地在1996—2011年呈现递增变化趋势，建设用地面积由研究初期(1996年)的40.41 km2迅速增加到研究末期(2011年)的116.29 km2。这与呈贡区大规模的城市建设和9所高校进驻，及许多原来非建设用地转变为成片的建设用地等有关。

表1 1996—2011年呈贡区各景观类型面积分布 km2

2.2 景观指数变化

如表2所示，1996—2011年呈贡区景观水平格局指数发生明显变化。NP和PD能够反映景观的破碎化程度，这2项指数在1996—2011年均递减。这主要是因为1996—2011年，呈贡区开展了大规模的新城市建设，加之9所高等院校进驻，许多原来破碎的非建设用地斑块转变为成片的建设用地，绿化生态用地等也连成一片，使得研究区斑块数目减少，相应斑块密度也减少。SHDI和SHEI在1996—2007年缓慢上升，说明景观空间呈现不断向多元化均衡方向发展，但之后呈现递减趋势，表明原优势组分对景观的控制作用减弱。LPI先下降后增加，说明景观中的优势种、内部中的丰富度先下降后上升。PAFRAC变化平缓，说明景观斑块类型的复杂度和稳定性比较好。AI在1996—2011年表现为增长趋势，说明景观聚集程度加大。

表2 研究区的景观指数

水域。1996—2007年斑块数由896个下降到336个(表3)，破碎度减小，散布与并列指数增加，斑块复杂性和稳定性较平稳。2007—2011年，斑块数增加179个，平均斑块面积由9.97 km2增加到13.66 km2，破碎度下降，表明水体的破碎化程度减少。

种植土地。研究期间，种植土地的PLAND、LPI和平均斑块面积变化剧烈，PLAND从研究初期的10.80%下降到研究末期的5.67%，LPI由2.87下降到0.51，平均斑块面积则由4.87 km2减少到2.47 km2，但平均形状指数和IJI变化相对稳定(表3)，说明景观级别上各个拼块类型间的总体散布与并列状况稳定。从种植土地斑块数的变化趋势来看，可以分为3个阶段：1996—2001年，斑块数减少；2001—2007年，斑块数快速增加；2007—2011年，斑块数减少。

图1 呈贡区土地利用景观覆盖类型分布

类型年份NPPLAND/%PDLPIED平均斑块面积/km2平均形状指数IJI水域199689617.131.7611.5311.549.761.2159.09200137114.000.7311.373.7219.261.1274.20200733613.550.6611.382.969.971.1092.92201151513.781.0111.424.2613.661.1177.09种植土地1996113310.802.222.8721.304.871.2775.50200193713.611.844.8223.117.411.2879.812007153116.213.002.3831.6520.581.2982.43201111725.672.300.5116.942.471.2575.62林草覆盖1996159735.983.1319.0858.3811.501.3689.942001160129.473.1416.6345.009.401.3173.252007117222.902.305.2430.4812.561.3069.30201174332.152.1120.1135.6015.251.3266.63建设用地199615027.922.940.5822.212.691.2684.012001138010.382.700.6226.933.841.3271.102007128115.372.517.8129.775.401.2771.522011107622.781.4618.6630.4215.651.2980.45其他用地1996145428.172.853.3744.729.891.3471.162001147232.542.886.0849.3211.281.3870.412007130031.982.554.0344.736.121.3480.852011168225.623.303.4845.587.771.3571.28

林草覆盖。研究期间，林草覆盖斑块数呈现先增加后减少趋势，2001年NP最大，达1 601，至2011年减为743(表3)。1996—2001年，林草覆盖NP增加，LPI、ED、平均斑块面积、IJI减少；2001—2011年，NP快速减小，平均斑块面积增加，而平均形状指数趋于平稳。

建设用地。研究期内建设用地斑块数减少，但平均斑块面积快速增加(表3)，说明集聚程度总体上升。这主要是由大规模城市建设引起的。

2.3 城市化与景观格局的关系

不同的景观类型在城市地域的不同组合，形成空间配置相异的城市景观镶嵌体，体现了城市不同的发展形态和阶段[7]。在城市化进程的不同阶段，景观格局也有所不同。一般地，经济发展加快推动了城市化进程，经济发展的阶段越高，城市建设投资额也越充足，相应地，会促进城市空间的加速扩展和人口的集聚，而人口的集聚也会进一步推动城市化需求的增加[8-10]。鉴于现阶段我国的城市化主要以城区扩张为主，因此，本研究选择建设用地的平均斑块面积来表示城市扩展特点，选取人口数量和GDP来反映城市化水平，分别进行相关性分析，结果如图2所示。可以看出，GDP、人口数量都与建设用地的平均斑块面积呈现出较好的相关性，说明呈贡区的经济发展和人口增长是城市土地利用格局变化的重要动力。

图2 GDP、人口与建设用地景观斑块面积的相关性

3 小结

1996—2011年，呈贡区的景观格局发生了显著变化，主要是水体、种植土地、其他用地转换成了建设用地，研究区整体的最大斑块指数、多样性指数、聚集度表现出逐步增大的趋势，而斑块数呈下降趋势，说明景观的集聚程度增加。景观生态建设是呈贡区社会经济可持续发展的重要途径，在今后的发展中应以整体调节、局部控制、因地制宜为原则，保护和增加景观多样性和异质性，使景观结构功能交互影响与促进，实现经济社会生态的全面协调。

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