1987—2018年丽江坝区景观格局变化轨迹分析*

田潇然,王锦,余哲修

(1.西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224；2.昆明理工大学 建筑与城市规划学院，云南 昆明 650500；3.北京林业大学 林学院，北京 100083)

景观变化是人类社会经济活动与地域环境间相互干扰、相互作用的复杂动态过程[1]。产业结构的转变、新兴经济的进入、地方政策等都能促使人类对土地的利用类型发生转变，直接影响景观格局的空间结构[2-3]。为了能够更为清晰地揭示景观格局的动态变化特征，将变化轨迹分析模型与土地利用/覆被、景观格局相结合进行分析，在揭示地域景观的时空变化特征的研究中具有较强的优势。

针对景观变化轨迹，学者们进行了大量的深入探讨，研究内容包括自然生态系统、城镇、河流流域等种类众多、不同尺度的景观类型。汪东川等[4]通过对1992—2008年的天水藉河流域的土地利用/覆被变化轨迹分析，探讨土地利用驱动力与水土保持生态工程措施间的关联性。刘桂林等[5]以塔里木河下游断流区为研究对象，分析得到不同植被的变化轨迹。黄勇等[6]对环渤海地区的景观格局变化轨迹进行分析，结果显示耕地是受人类干扰最为剧烈的地类，也是向人工表面转换最大的地类。程琳琳等[7]构建了1987—2017年宁夏盐池县的景观格局演变轨迹，为长期的生态恢复检测提供支持。孔祥伦等[8]利用土地利用/覆被变化轨迹模型分析1986—2016年间黄河三角洲景观格局的时空变化特征，指出人类活动是土地利用变化过程中的主导因素。丽江坝区内的大研古镇、束河古镇和白沙古镇共同列入世界物质文化遗产名录,其丰富的民族旅游资源和多年地方政策的扶持使得当地的旅游开发模式日趋完善，游客量逐年递增[9-10]。随着大量游客的涌入，坝区内的服务业、房地产业、城镇化进程也在旅游业的推动下得到了大力发展[11-12]。丽江坝区内的生产方式从早年间以农业为主逐步向旅游业过度的过程中带动了土地利用类型、景观格局结构的转变，这使得丽江坝区成为了景观格局变化研究的优秀案例。

综上所述，将变化轨迹模型应用在土地利用的分析中，能够更清晰地从时间和空间2个维度上得到景观格局的变化规律和趋势[13]。同时，关于丽江地区的研究多集中于丽江市城市核心区的旅游业发展[14]、古镇形态变化等领域[15]，鲜有运用定量分析方法对丽江景观格局变化进行探讨的研究[16]。本研究利用变化轨迹模型分析丽江坝区32 a的土地利用及景观格局的时空变化过程，丽江坝区在申遗成功及开展旅游业前后过程中景观格局的变化趋势，全面探析不同景观类型在研究时段内的空间结构特征，弥补丽江地区景观格局研究的不足，为丽江地区地域景观的保护、土地合理开发利用提供有益的参考，并为政府决策提供科学依据。

1 研究区概况

丽江为云南省的地级市，地处滇西北高原，青藏高原东南部。本研究区为丽江坝区，坝区内包括丽江市下辖的古城区以及玉龙纳西县的白沙镇和黄山镇的核心部分。研究区位于100°10′0″～100°20′0″E和26°45′0″～27°05′0″N之间，坝区总面积为194.39 km2，坝区四周环山，坝区内地势较为平坦，年平均温度14.1 ℃，年降雨量1 205 mm，属于高原山地季风气候，研究区地理位置见图1。

图1 研究区的地理位置Fig.1 The map of location of the study area

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

研究影像来源于美国地质勘探局(United States Geological Survey， USGS)，选择1987—2018年共32期的Landsat影像，研究区成像时间均为植被生长季，该区域未被云层覆盖。分别对每期影像进行大气校正，影像裁剪等预处理。影像信息见表1。

表1 遥感影像信息

2.2 NDVI变化趋势及时间节点确定

(1)NDVI变化趋势 归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)除了被广泛运用于植物生长状态和植被覆盖变化研究中，同时在NDVI值(-1～1)中，植被大于0.1、裸土在0～0.1之间、水体小于0，在一定程度上能够反应出研究区的土地利用类型的综合情况[17-19]。

对丽江坝区32 a的NDVI值统计得到NDVI时序曲线，运用局部加权回归法(locally weighted regression，LOWESS)对曲线平滑处理[20]。由图2可知，1987至1991年NDVI呈下降趋势，1991至1994年为上升状态，1994至2010年呈现一个总体下降的趋势，而在2010到2018年则缓慢上升。NDVI年变化趋势出现了1987、1991、1994、2010和2018五个主要的突变点。

图2 1987—2018年NDVI指数平均值的变化趋势Fig.2 The trend chart of average of NDVIduring 1987—2018

(2)研究区主要时间节点社会发展情况 1985年，国家将丽江列为对外开发的乙类地区[21]。在1985年11月《丽江县城总体规划》中，1983—1990年为近期规划阶段，丽江县城以发展农林牧产品加工工业为主，积极为开展旅游业创造条件。1991年为丽江纳西族自治县成立30周年，同年向云南省人民政府申报《关于迁建丽江民用飞机场的报告》，1994年丽江客运公司投入运营，并批准了实施大研古城“五四三二一”工程， 1997年12月，丽江坝区内的大研古镇、龙泉村(现束河古镇)和白沙镇共同被列入世界文化遗产名录[22]。2003年丽江撤地设市，坝区内的基础设施建设加快，城镇的建设重心不断向南移。2009年底丽江城市建设实现“三级跳”，旅游业受“昆明99世博会”的影响开始迅猛发展。2010年丽江城市建成区绿地率达到36.78%，丽江市入选2010年中国10大最佳休闲城市[23]，同年丽江接待国内外游客909.97×104人次[24]。2018年，旅游业得到了进一步发展，年旅游业总收入高达998.45×108元[10]。

(3)研究时间节点确定 结合NDVI时序曲线与丽江坝区内的社会与经济的发展、城市总体规划，以及政策的发布等影响景观格局变化的因素，研究时间节点确定为1987、1991、1994、2010和2018年。

2.3 土地利用类型分类

根据《土地利用现状分类(2010—2017)》[25]以及丽江坝区的实际情况将研究区土地利用类型分为6类：1-耕地、2-林地、3-建设用地、4-草地、5-水体、6-未利用地。

对5期影像进行监督分类，分类结果结合同期的Google Earth影像进行验证。5期影像解译总体精度分别为：78.95%、82.88%、85.17%、89.26%、90.93%，Kappa系数分别为：0.734 7、0.778 2、0.810 6、0.862 9、0.887 4，解译精度满足研究需求，景观分类结果见图3。

图3 各时间节点丽江坝区土地利用覆盖情况Fig.3 The change of land use/cover in the Lijiangdam area of each time nodes

2.4 土地利用/覆被变化轨迹模型

对丽江坝区各时间节点的6种地类进行变化轨迹分析，最多可以得到65=7776种变化轨迹，实际分析得到2 630种变化轨迹代码。运用栅格叠加计算将不同的栅格状态标记在图谱中，分析得到土地利用类型、景观类型等的空间变化特征[26]。

研究在对5期影像监督分类的基础上对分类结果进行重分类和代数运算，得到土地利用/覆被变化轨迹结果。当土地利用类型小于10类时，变化轨迹计算公式[27]为：

Tij=(G1)ij×10n-1+(G2)ij×10n-2+…+(Gn)ij×10n-n

式中：Tij为轨迹分析计算结果中第i行、第j列的栅格轨迹代码，表示土地利用类型或景观类型的变化过程；n为时间节点的个数；(G1)ij、(G2)ij、…(Gn)ij为某一栅格在各个时间节点所对应的土地利用类型代码。

2.5 景观格局指数计算

对5期影像的景观格局进行分析，分析32 a间丽江坝区景观格局的时空变化规律特征。在参考前人的研究成果[28-30]的基础上结合研究目的选择斑块类型所占景观面积的比例(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、斑块数量(NP)、聚集度指数(AI)、景观形状指数(LSI)、面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)，利用Fragstats软件在类型水平上(class level)计算景观格局的变化值。

3 结果与分析

3.1 丽江坝区土地利用/覆被变化特征分析

丽江坝区32 a间6种地类的动态变化见表2。从表2可以看出建设用地为增幅最大且为持续增加的用地类型，其中1987—1994年缓慢增长，1994—2018年则快速增长，整体增长达到356.45%，其面积共增加4 629.24 hm2。水体面积在整个研究期间的变化幅度非常微弱，研究期间增幅为49.45%，面积增加117.54 hm2。耕地、林地、草地、未利用地则都呈现总体下降的趋势，其中耕地出现了先增长后降低的特征，耕地面积共减少了2 175.30 hm2，下降幅度为29.87%。草地、未利用地、林地的面积总体下降幅度分别为40.31%、22.82%、9.26%。草地面积呈现先减少后增加的特征，1987—2010年持续下降，2010—2018年出现增长。未利用地面积总体呈现出缓慢波动的变化特征，1987—1991年增长4.47%，1991—1994年下降10.05%，1994—2010年再增长6.81%，2010—2018年较快速下降23.10%。

表2 1987—2018丽江坝区土地利用/覆被变化

3.1.1 土地利用/覆被变化轨迹过程分析

研究将每种轨迹代码对应的栅格数进行排序，为了能够清晰地针对主要变化轨迹进行信息提取，筛选出栅格数超过800的轨迹代码，再排除代码为11111、22222、33333、44444、55555的5种未变化的代码，最终获得28种主要变化轨迹，见表3。

表3 主要轨迹代码、面积及其所占比例

从表3中可以看出，28种主要变化轨迹中10种变化轨迹(11113、11133、11163、14133、41113、41133、43333、44133、66633、66663)都是由耕地、草地、未利用地转向建设用地的，共占总变化面积的23.11%，其中由耕地转向建设用地的面积占总变化面积的15.15%，耕地为坝区内城镇化建设的主要征用地类。除了耕地外，占总变化面积4.53%的草地和3.43%的未利用地转向建设用地。耕地除了被征用为建设用地外，代码为11114、11116、11166、16166的4种轨迹显示由耕地转向草地和未利用地，占总变化面积的7.40%。部分耕地和林地短暂地转向未利用地、草地的现象，后又恢复为耕地或林地。值得注意的是有460.71 hm2的未利用地转向了林地，占总变化面积的3.57%；750.69 hm2的未利用地转向耕地，占总变化面积的5.82%。由此看出，在丽江坝区快速城镇化过程中未利用地不仅用于城镇的建设用地，也有少部分用于补充耕地的不足。

3.1.2 土地利用/覆被时空变化分析

土地利用/覆被主要变化轨迹时空分布见图4。

图4 1987—2018年丽江坝区土地利用/覆被 主要变化轨迹及其空间分布Fig.4 The spatial distribution of land use/cover main changetrajectory in Lijiang dam area during 1987—2018

由图4可知，1994—2010年间核心城区北、西、南侧的耕地首先被征用为城市的建设用地，2010—2018年间西侧、北侧的耕地继续转为建设用地，城区东侧新增建设用地与耕地形成相互交错的形态。

在城市向四周扩展的进程中建设用地间隙中零星耕地转为未利用地。玉龙新城位于城区南侧，是由耕地和未利用地转入的建设用地建设而成，与主城区之间的耕地相间隔。2010—2018年间，坝区北部村落周边、中部城市周边以及南部耕地中都有分散的耕地转为未利用地。

通过变化轨迹分析可知，土地利用/覆被时空变化的主要特征表现为：建设用地首先呈弧形紧密包围城市核心区，后向东侧发展与耕地形成交错的松散布局形态，核心区周边的耕地变化显著，原分散的村落、城镇逐渐被新城市包围或半包围。由于丽江坝区为南北向长、东西向窄的山间盆地，地形的限制使城市核心区由放射状逐渐向近长方形的形态发展；坝区中部土地利用/覆被变化剧烈，北部的未利用地以及南部的耕地变化并不显著。

3.2 丽江坝区景观格局变化轨迹

丽江坝区景观格局变化轨迹见表4。从斑块类型所占景观面积的比例(PLAND)计算结果可以看出，耕地转向建设用地、未利用地转向耕地、未利用地转向建设用地(11113、11133、66661、66663)3类变化轨迹在整个景观中占比较高，PLAND值分别为：2.47、1.58、1.57、0.72，这说明研究区内发生深刻变化的主要斑块类型都与人类活动密切相关。在人类的干扰下坝区内景观格局的破碎度和景观异质性明显加剧，斑块数量(NP)大于500的变化轨迹有11113、11114、41113、66661。最大斑块指数(LPI)值大于0.1的有11113、11133、66661，说明主要变化轨迹中的斑块面积都较小，其中11113的LPI值最大，为0.22，由耕地转向建设用地以及未利用地转向耕地的斑块为整个坝区内的优势斑块类型。LPI为0.01的有14133、41113、41133、44133、66664、66665，主要是零星耕地转为草地再转为建设用地、草地转向耕地再转为建设用地、未利用地转向草地或水体的变化类型。

表4 丽江坝区的景观格局变化轨迹

从景观形状指数(LSI)计算结果中可知，由未利用地转向水体的变化类型(66665)LSI值最小(10.88)，其形状较为整齐。而受人类活动干扰大的变化轨迹11113的最大LSI值为32.97，其形状最为复杂，其次为11114和66661，LSI值为30.36、30.04。面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)中11133最大，为1.16，空间形状最为复杂，其次为11113、22622，AWMPFD值分别为1.15、1.13。从LSI和AWMPFD的计算结果中可以看出人类活动与斑块形状的复杂程度密切相关。

从聚集度(AI)计算结果可知，11133、11113的AI值为74.88、69.72，聚集度较高，这些变化轨迹集中于城市核心区周围成片的建设用地，66622的AI值为66.70，集中在玉龙新城东南侧。较高的聚集度以及较大的面积，说明变化轨迹是人类大规模开发活动造成的。草地转向建设用地的斑块类型(41133、44133、14133)为主要变化轨迹中最分散的变化轨迹。

综上所述，促使景观格局快速变化的最主要驱动轨迹集中在受到旅游城镇化深刻影响的城市核心区周围，斑块形状的复杂性以及景观的破碎性都是受到人类开发利用影响而形成的。丽江坝区景观32 a的变化中人类活动成为了驱动景观变化的最主要因素。

4 讨论与结论

(1)在1987—2018年的变化过程中，丽江坝区内的建设用地面积增幅最大(356.45%)，面积为4 629.24 hm2，其主要来源为征用城市核心区及村落周边的耕地、草地和未利用地。耕地呈现出先升后降的变化特征，1987—1994年间坝区的生产方式以农耕为主， 1994—2018年期间坝区旅游业的兴起以及丽江市政府办公区南迁造成耕地大面积流失，共减少2 175.30 hm2，降幅为29.87%，为坝区内面积减少最多的景观类型。

(2)坝区内土地利用/覆被变化过程中受到人类活动干扰的影响深刻，以城市核心区周边的变化最为剧烈，坝区北部和南部变化并不显著。通过对丽江坝区土地利用/覆被轨迹变化分析，有占总面积66.31%的土地发生了变化，共有12 889.53 hm2，城区人口增长、政策扶持旅游业、旅游经济发展、游客涌入、产业结构调整、旅游城镇化等人类活动都成为土地利用/覆被快速变化的主要驱动因素。

(3)通过对坝区的景观格局变化轨迹分析，土地转变为建设用地的变化轨迹中景观斑块所呈现出的较高的破碎度、不规则形状，这都与人类活动干扰高度相关。城市核心区周边由耕地转向建设用地的景观斑块最为集中、连接度高，成为景观格局变化中的优势斑块类型；由草地转向建设用地的变化轨迹斑块远离城市核心区、聚集度最低，分散于人类活动干扰较低的耕地间。在人类的社会、经济活动影响下城市核心区以及其周边的破碎度、聚集度、景观格局空间结构的复杂程度均高于远离核心区的北部和南部地区。

由旅游服务业推动区域城镇化以及地方产业结构调整从而导致景观格局发生深刻变化[13]，丽江坝区乃至丽江市区成为了一个由社会经济发展引起景观格局变化的景观研究关注地[16，21-23]。本研究通过运用轨迹分析法与土地利用/覆被、景观格局相结合的方法从时间、空间维度探索丽江坝区32 a间土地利用的变化过程，较为全面地揭示出景观变化的特征。经过对主要变化轨迹的分析，能够清晰地梳理出各土地类型的变化方向以及景观格局的变化过程，在筛选引起景观变化的主要驱动因子方面有较为明显的优越性。

景观格局变化一直以来都是景观研究的热点议题，而揭示其发展变化的方法众多[31-32]。本研究对丽江坝区的景观时空变化过程和特征进行研究，初步探讨了影响景观变化的主要驱动因素，但在景观破碎化、空间异质性趋势以及快速旅游城镇化对景观生态系统的稳定性风险评价等方面的研究还需进一步深入探索。