2012～2021年西安市景观格局时空演变特征研究

周神亮

（广东省国土资源测绘院, 广东 广州 510000）

1 引言

土地是人类赖以生存的物质基础，土地利用及区域景观格局的演变是人类活动、经济发展以及自然调节共同作用的综合体。人文经济、社会政策以及科技发展在一定程度上起着主导性作用，而自然因素对其演变特征与发展趋势具有一定的调节作用，现阶段随着人们对环境保护意识的提高，对土地资源的保护性开发已成为人们关注的重点，对土地利用以及区域景观格局的演变特征研究也成为全球环境变化研究的热点与核心问题[1-3]。

西安市是我国历史文化名城、陕西省省会城市、国家中心城市，地处渭河流域中部关中盆地，土地矿产、生物资源丰富。但随着经济发展、人口增加，西安市土地利用受人文及经济发展因素干扰正发生改变，因此开展西安市土地利用研究十分必要。目前，对区域土地利用、景观格局的时空演变多集中于对某一指数进行分析，或仅分析土地利用的时空演变特征。孙善良等采用土地动态度、土地利用转移矩阵等方法，分析陕西省土地利用变化特征。杨丽萍、张静、贡恩军等采用GEE 技术获取西安市土地，分析土地利用格局时空变化规律，并利用地理探测器从自然和社会两方面探讨土地利用格局变化的驱动机制[4]。邹月、周忠学等分析了西安市景观格局演变对生态系统服务价值的影响[5]。刘愿理、廖和平、李靖等以云南省南涧彝族自治县80 个行政村为评价单元，运用多边形综合图示法、探索性空间数据分析和地理探测器等方法，系统分析了2017 年土地利用多功能空间格局特征和影响因素[6]。

本文在以上研究基础上提出利用GIS 与Fragstats技术联合开展西安市土地覆被演变与景观格局时空变化特征。获取西安市2000、2010、2020 年以十年为间隔的土地利用数据，采用土地利用转移矩阵、动态度分析西安市土地利用演变特征及方向；同时为分析西安市景观格局的变化特征，采用格网法联合Fragstats 技术计算西安市景观格局斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）和SHDI 多样性指数（SHDI）等，分析其时空变化特征，并进行空间异质性分析。研究西安市长时序的土地利用和景观格局变化，可为西安市景观格局的优化以及生态环境建设提供参考。

2 数据及方法

2.1 研究区概况及数据分析

西安市地处关中平原中部，是西安都市圈的核心区域，总面积达10752km2，常住人口达1316.30 万人，截至2021 年底西安市城镇化率达79.49 %，全市实现生产总值10688.28 亿元。

研究所用数据来源于GlobeLand30 数据集平台，获取西安市2000、2010、2020 年土地利用数据，并经过裁剪、投影变换等基本操作，完成数据预处理工作。

2.2 土地利用演变分析

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用方面的应用，对区域范围内土地利用类型转移进行定向、定量、定性分析[7,8]。引入土地利用类型转移矩阵并结合GIS 技术，共同分析研究区土地利用动态演变，实现对演变特征的定量定性分析，并实现演变方向的可视化。土地利用转移矩阵通用形式如下：

土地利用变化率可用于定量分析区域土地利用变化情况，对区域土地利用差异比较及土地利用变化趋势有一定的预测意义。土地利用变化速率计算可依据研究区一定时段范围内某类利用类型面积的变化量进行计算，变化率计算方法如下：

公式中，SPi为第i类地类在研究期间的变化速率，Siq、Sih为研究始末期间第i类地类面积，T为研究时段长。

2.3 景观格局时空演变特征

景观格局旨在分析区域景观的空间格局，研究区各类型景观空间单元的大小、形状、属性等在空间上的分布及组成规律[9]。景观格局是景观异质性的体现，分析景观格局要考虑景观及其单元的拓扑特征[10]。研究采用网格法，以2km×2km 为研究单元计算斑块密度PD 值、形状指标指数LSI，分析西安市景观格局的异质性，同时，以整个西安市为研究区，计算研究区景观多样性指数SHDI 等多时期、多类型景观指数，共同分析研究区内景观类型的发展趋势。各景观指数计算公式及意义如表1 所示。

表1 研究选取的景观格局指数及含义

3 结果分析

3.1 土地利用时空演变特征

研究期间，西安市2000、2010、2020 年不同时期的土地利用时空分布特征如图1 所示。为定量分析其用地变化，本文通过计算各时期不同用地类型面积以及不同时间段内的用地变化率，分析西安市各类型用地的发展趋势，用地类型定量统计结果如表2 所示。结合图1 和表2 分析可知：研究期间各类型用地均发生了不同程度的变化，其中以湿地、水体及建设用地变化最为明显，湿地面积呈持续减少趋势，且在2000～2010 年时间段内变化最为明显；水体、建设用地面积则呈持续增加趋势，2000～2010 年间建设面积增加速率达4.15%，增加面积达355.83km2，2010～2020 年间建设用地面积增加速率减缓为1.51%。总体而言，西安市建设用地持续增加。从空间分布分析，建设用地均以老城区为中心向周边延伸，其他类型用地也以原类型用地为基础存在不同程度的收缩或扩张。研究期间通过统计西安市多时期各类型用地面积、变化率等可以发现，西安市在发展过程中，区域土地利用类型并非保持不变，而是一直处在不断迁移过程。

图1 西安市2000～2020年土地利用空间分布

表2 西安市2000～2020年各类型用地面积及变化速率统计

3.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用变化方面的典型利用，可以定量有效分析各个时间段内用地类型的变化速率以及增减趋势，但缺少对各类型用地转移方向的分析。土地利用转移矩阵能够对区域范围内土地利用类型转移进行定向、定量、定性分析。西安市2000～2010 年、2010～2020 年土地利用转移空间分布如图2 所示，2000～2010 年、2010～2020 年土地利用类型转移方向及转移量统计结果分别如表3、表4 所示。

图2 2000～2010年西安市土地利用类型转移时空变化特征

表3 2000～2010年西安市土地利用类型转移定向、定性分析

表4 2010～2020年西安市土地利用类型转移定向、定性分析

结合图2 和表3 分析可知，2000～2010 年间西安市土地利用转移较为活跃，且主要集中于建设用地与耕地之间的转换，建设用地面积增加355.83km2，其中，转入建设用地面积占总转移量的84.5%。水域范围增加，82.3%来源于耕地面积转化。林地面积基本保持不变，但在研究期间，林地多向草地转移，后由耕地、草地转入补充。草地面积减少，主要转移为林地。其他类型用地转移量较少 ；从转移方向及空间分布分析，林地、耕地等多转入建设用地类型，且耕地面积持续减少。从空间分布上分析，西安市整体范围内各类用地转移较为活跃，一直处在不断迁移过程，表明该地区人类活动以及经济发展正在对整个西安市土地利用产生重要影响。因此，研究西安市土地利用演变机制有一定必要性，揭示土地利用演变机制有利于相关部门进行土地调整、优化土地利用。

3.3 景观格局分析

景观格局即能够表现区域范围内各类景观的大小、形状等在空间上的排列组合，包括构成景观的类型数量以及空间分布等情况。本文通过结合GIS 与Fragstats 技术，采用格网分析法以2×2km2为研究单元，计算斑块密度指数（PD）、形状指数（LSI），分析西安市景观指数演变特征及其空间异质性，具体如图3、图4 所示。同时以西安市整体为研究单元计算密度指数（PD）、形状指数（LSI）以及多样性指数（SHDI），不同时期西安市整体景观格局演变如表5 所示。

图3 西安市2000 ～ 2020年斑块密度指数（PD）时空变化

图4 西安市2000 ～ 2020年景观形态指数（LSI）时空变化

表5 不同时期西安市景观格局指数

3.3.1 景观破碎度分析

斑块级景观指数斑块密度（PD），可在一定程度上反映区域范围内景观整体的异质性与破碎度，以及某一类型用地的破碎化程度。结合图3、表5 分析：2000、2010、2020 年三个时期西安市斑块密度变化幅度较小，斑块密度水平主要集中在[0-25]。但不同年份的斑块密度空间分异性较为明显，西安市北半部区域斑块密度值明显较大，主要分布在[6-25]，破碎化程度较高，这主要是由于该区域为建设用地集中区，人类活动较为频繁，对土地开发利用以及改造强度较大，土地利用类型变化较为活跃，大斑块土地利用类型受到破碎化导致。

3.3.2 景观形态时空演变特征分析

景观形态指数是能够描述区域范围内景观复杂程度的定量性指标，景观形态指数值越小，表示景观形态越规则化；景观形态指数值越大，则表示景观形态越复杂。分析图4 及表5 可以发现：研究期间西安市景观形态指数（LSI）整体变化幅度不大，格网分析方式发现，2000、2010、2020 年LSI 取值范围在[0-7.5]。变化幅度较小，且在空间分布上具有一定的一致性。从西安市整体范围分析，研究期间西安市景观形态指数呈上升趋势，且2020 年为较大值，这表明该区域各类用地斑块呈规则化发展，进一步证实了西安市用地的规范化发展趋势。

3.3.3 多样性时空演变特征分析

香农多样性指数（SHDI），能够反映区域景观异质性，对景观中各类斑块类型的均衡性分布具有较强的敏感性，同时也能反映区域范围景观类型、用地类型的多样性。基于此分析表5 西安市SHDI 时序变化特征发现，在2000～2020 年，西安市多样性指数（SHDI）呈缓慢增加趋势，表明西安市用地类型呈现多样化发展，各类型用地分布呈均衡发展趋势。

4 结论

研究分析区域土地覆被及景观指数动态演变特征，有助于了解区域范围内用地类型的变更情况，对优化配置土地资源、生态环境可持续发展具有一定意义。本研究以西安市2000、2010、2020 年土地覆被类型数据为基础，基于GIS 与Fragstats 技术，构建土地利用转移矩阵以及景观格局斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）和多样性指数（SHDI），研究西安市近年来的土地利用和景观格局变化。

研究期间，西安市土地利用类型转移较为活跃，主要集中于建设用地与其他如耕地、林地、水体等用地类型之间，且耕地呈持续减少趋势，建设用地以原建设用地为中心向周围扩张，其他用地之间均有转移变化趋势且均匀分布于全市域范围，表明西安市在发展过程中区域土地利用类型并非保持不变，而是一直处在不断迁移过程。

2000～2020 年，西安市整体空间景观格局的时空变化特征较明显。整体绿色空间破碎化程度呈先上升后下降的情况；景观形状指数（LSI）整体变化幅度不大，且在空间分布上具有一定的一致性，呈规则化发展 ；多样性增强，用地区域均衡发展。空间分布上，整体景观格局破碎化、随景观形态空间位置不同而变化，多样性指数（SHDI）随着时间推移、西安市用地类型的多样化发展，呈持续上升趋势。从时序发展分析，西安市景观破碎化指数呈先上升后下降的发展趋势，这一变化的主要原因是用地逐步规范化，土地集约化等政策实施，使得各类型用地得以充分使用、合理规划，这也与景观形状指数（LSI）研究结果相契合。