基于移动窗口法的登封市景观格局时空演变分析

王文才 杜嵩 邢晓露

摘 要：【目的】揭示城市景观格局时空演变特征，以期缓解社会经济与生态环境发展不平衡问题。【方法】运用土地利用数据，基于GIS和移动窗口法探究登封市土地结构变化的空间特征，并从破碎度、多样性、聚集性三个方面分析景观格局的空间异质性特征。【结果】结果表明：①城镇化过程中对耕地类型的影响最大；②根据各指数变化趋势，灌木林的空间异质性程度最大；建设用地复杂性加剧；林地斑块逐渐破碎化；草地和建设用地呈现逐渐聚集化；③景观格局空间异质性变化显示，南部和东部区域的变化较大，内部斑块的集聚效应下降，整个研究区的景观破碎化与多样性程度不断加剧。【结论】研究结果能够为登封市的生态环境保护和社会经济的协调发展提供参考依据。

关键词：城镇化；GIS；移动窗口法；景观格局演变

中图分类号：P901               文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0099-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.020

Spatio-Temporal Evolution of Landscape Pattern in Dengfeng City Based on Moving Window Method

WANG Wencai DU Song XING Xiaolu

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd .， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper reveals reveal the spatio-temporal evolution characteristics of urban landscape pattern to effectively alleviate the development imbalance between social economy and ecological environment. [Methods] This paper explored the spatial characteristics of land structure change in Dengfeng City based on land use data， GIS and moving window method， and analyzed the spatial heterogeneity characteristics of landscape pattern from three aspects： fragmentation， diversity and aggregation. [Findings] The results showed that： ① urbanization had the greatest impact on cultivated land types; ② According to the variation trend of each index， the degree of spatial heterogeneity of shrub forest was the largest; The complexity of construction land intensifies; Gradual fragmentation of woodland patches; The grassland and construction land are gradually clustered; ③ The spatial heterogeneity of landscape pattern showed that the southern and eastern regions had significant changes， the agglomeration effect of internal patches decreased， and the degree of landscape fragmentation and diversity in the whole study area continued to intensify. [Conclusions] The research results can provide reference for ecological environment protection and coordinated development of society and economy in Dengfeng City.

Keywords： urbanization;GIS; moving window method; landscape pattern evolution

0 引言

據统计，截至2020年，中国城镇化率已达63.9%，相比于1978年的17.9%，增加幅度达46%［1］。随着城镇化的不断发展，带来巨大经济效益的同时，也对自然生态环境造成了重大影响，原生用地的改变使区域生态系统的自我修复和维持功能被大幅度削弱［2］。当前，从用地类型变化层次研究景观格局的分异变化特征已成为热点，相比于传统研究只侧重于人为因素的影响，运用土地利用变化数据进行探究则综合考虑了自然因素和人为因素的双重作用［3-5］。随着“3S”技术的发展，利用遥感影像解译得到土地利用数据，结合定位系统和地理信息系统能够更加有针对性的对区域进行景观格局时空演变进行分析［6］。

登封市位于河南省西部，是省会城市郑州的生态涵养区，该区域地形地貌较为复杂，生态敏感性较高，城市发展布局与土地利用结构之间的矛盾日益突出，在此背景下，深入探究山区城市的景观格局演变特征，对土地资源的可持续利用具有积极作用。本研究运用土地利用数据，基于GIS探究了登封市的土地结构变化的空间特征；利用移动窗口法从破碎度、多样性、聚集性三个方面分析登封市景观格局的时空分布和变化特征，研究结果可为登封市的生态环境保护和社会经济的协调发展提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

登封市位于郑州市西南部，地形较为复杂，地势总体上为南北高，中间低。常年干旱少雨，年均降水量614 mm，降雨期集中在6—8月。登封市目前处于扩大开放、高速发展的重要时期，随着城镇化和矿产资源的无序开采，导致合理的用地结构遭到破坏，景观整体连通性降低，为此研究登封市的景观格局的演变特征对保护生态环境极其重要。

1.2 数据来源与处理

本研究主要运用2000—2020年登封市土地利用数据，数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（www.resdc.cn），主要利用遥感数据经人机交互解译获得。依据全国土地利用现状划分标准及研究目的，将登封市土地利用现状数据划分为6类，分别为耕地、林地、草地、灌木林、水域和建设用地。

1.3 研究方法

首先利用ArcGIS10.2软件结合转移矩阵对登封市20年土地利用结构变化特征进行分析［7］；然后基于移动窗口法，利用景观格局指数识别研究区的景观格局演变特征［8］。其中，景观格局指数是根据研究区特点及指数的生态意义进行选取的［9-11］，在景观类型水平指数中选择斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、平均斑块面积（AREA_MN）、凝聚度指数（COHESION）；在景观整体水平指数上选择景观形状指数（LSI）、平均斑块面积（AREA_MN）、周长面积比分维数（PAFRAC）、蔓延度指数（CONTAG）、分离度指数（DIVISION）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）、聚集度指数（AI）；在景观格局演变的空间异质性分析上分别从破碎度、多样性和聚集性三个方面进行分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用结构变化特征分析

2000—2020年登封市土地利用结构变化见表1。由表1可知，登封市的总面积为1 218.14 km?，耕地和林地是登封市的优势景观。近20年各土地利用类型的面积变化表现为：耕地、灌木林、水域、草地为下降趋势，林地和建设用地为增加趋势。变化幅度较大的是耕地减少了10.27%，建设用地增加了5.56%。该变化表明研究区的城镇化过程对耕地类型的面积影响最大。2000—2020年登封市土地利用转移矩阵见表2，由表2可知，近20年登封市的土地利用类型变化，主要表现为耕地、灌木林的转出，分别转出125 km?、10.21 km?，建设用地的转入，为67.76 km?。结合表1、表2可知，登封市各土地利用类型在时间和空间上具有明显的差异性变化，且受城镇化影响较为明显。

2.2 景观格局演变分析

2.2.1 类型水平指数变化特征分析。各类型水平指数变化如图1所示。由图1可以看出，灌木林的PD较高，且呈上升趋势，说明灌木林的空间异质性程度最大，分布相对均衡，草地和水域的斑块密度最小，呈下降趋势，说明这两类的空间异质性程度小且分布不均，为此可加强对草地和水域保护的强度，使其结构变化更为合理。LSI表现特征与PD类似，其中建设用地的变化呈现逐渐上升状态，说明建设用地的面积增加，使得该类型的外围斑块形状呈现不规则化，复杂性加剧。平均斑块面积指数显示耕地、水域、林地的占比最大，但只有林地表现为上升趋势，表明林地面积逐渐下降，使得该类型斑块逐渐破碎化。COHESION表现为整体大于30的特征，其中水域、灌木林为下降趋势，草地和建设用地为上升趋势，其他两类变化不明显，COHESION的变化特征说明草地和建设用地在逐渐聚集化。

2.2.2 整体水平指数变化特征分析。2000—2020年登封市整体水平景观格局指数见表3，由表3可知，近20年间登封市LSI不断增加，说明该区域的用地类型变得逐渐复杂及不规则化；AREA_MN由8.308 7降至7.812 1，且DIVISION增至0.626 6，说明研究区的斑块破碎化加剧且分离程度在不断上升；SHDI和SHEI指数上升，主要由于研究区土地利用越来越丰富，但各斑块类型优势度不明显；PAFRAC由1.416 4降至1.380 8，CONTAG由65.772降至60.261 7，这两种指数的变化反映出研究区受人类干扰的强度在不断增加，且优势景观类型不断下降；AI的变化则反映出不同斑块类型的聚集程度在逐渐下降。综上，近20年间登封市的发展不断加快，人类活动的影响在逐渐增强，导致研究区的斑块破碎化程度不断增强，优势景观呈下降趋势，且土地利用类型不断多样化。

2.2.3 景观格局时空分异特征。基于移动窗口法，获得破碎度、多样性、聚集性三个方面景观格局指数空间分布，如圖2所示。由此可见，景观破碎度整体高值的变化为先增高后降低，南部乡镇中白坪乡、徐庄乡和东华镇的变化较为剧烈，说明该区域的人为活动影响较强烈，中岳街道的高值呈逐渐降低趋势，这是因为城市处于内部建设发展阶段，使得建设用地连片发展。从景观多样性来看，整体上高值由1.435 5升至1.535 2，表明景观呈现多样化发展且各类型景观不断被分割，破碎化加剧，变化较剧烈的区域同样为南部区域，另外研究区东部乡镇的高值同样在不断上升，东部乡镇主要为城乡接合部，用地类型以建设用地、工况用地为主，说明城市外扩导致周边区域的用地发生较大变化。从景观聚集性来看，聚集低值在逐渐下降，由69.098 2降至67.352 4，变化较明显的为登封市东部区域，耕地类型在不断被其他类型所分割，聚集性下降较大，结合另外两者说明研究区东部是人类活动强度最大的区域。

3 结论

①近20年登封市城镇化过程对耕地类型的面积影响最大，面积减少了125 km?；建设用地的增加较大，为67.759 km?。

②类型水平指数变化中，灌木林的PD、LSI均较高，且呈上升趋势，说明灌木林的空间异质性程度最大。建设用地LSI表现为外围斑块形状呈现不规则化，复杂性加剧。AREA_MN显示林地为上升趋势，表明林地面积逐渐下降，使得该类型斑块逐渐破碎化。COHESION表现为整体大于30的特征，草地的上升趋势最为明显，说明草地和建设用地在逐渐聚集化。

③整体水平指数变化中，LSI、SHDI、SHEI、DIVISION表现为不断增加；AREA_MN、PAFRAC、CONTAG、AI为逐渐下降。表明20年间登封市人类活动强度在逐渐变大，导致研究区斑块破碎化加剧，优势景观减少，且土地利用类型不断多样化。

④景观格局空间异质性变化中，研究区明显受城镇化经济活动影响，南部和东部区域的变化较大，内部斑块的集聚效应下降，整个研究区的景观破碎化与多样性程度不断加剧。

参考文献：

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