基于遥感数据的常州市土地利用变化及景观格局分析

武文昊

(辽宁省林业调查规划监测院，辽宁 沈阳 110122)

景观通常指一组互相作用的生态系统在空间上的镶嵌组合[1-2]。景观格局一般指空间格局，即景观的空间结构特征，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置[3]，景观格局变化是景观异质性的外在表现[4-5]，其目的是解释景观格局与生态过程之间的联系[1]，在景观结构构成方面，景观主要包括基质、斑块、廊道三大要素。景观格局分析，主要是利用景观指数，来探讨景观在宏观空间上的异质性，通过景观格局分析间接实现对生态过程的研究。景观空间格局、景观功能和景观动态是景观生态学研究的核心内容[7]，对景观格局进行定量化分析，则是研究格局与过程相互联系的基础，也是研究景观动态和景观功能的关键[2]。研究常州市的景观格局变化，可以更好地解决常州市生态环境的现状，了解演替过程，从而提高常州市生态环境质量。

1 研究区概况

常州位于江苏省南部、长江三角洲西北、太湖平原西北部，北纬31°09′～32°04′、东经119°08′～120°12′，现行政辖区面积4 385 km2，人口440.71万人，含5个市辖区，代管2个县级市。常州市区面积1 872 km2，下辖天宁区、钟楼区、新北区、武进区、戚墅堰区，市区总人口约222万人。常州地貌类型属冲积平原，地处长江下游三角洲苏南平原，境内地势西南略高，地形复杂，山区平圩兼有，形成了丰富多样的自然生态。市区地势平坦、河网稠密，西北略高，东南略低，地面高程3～6 m的占94.9%，3 m以下的占5.1%。

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

本研究采用数据均为Landsat卫片，分别为1988年TM影像2景，2000年TM影像2景，2010年TM影像2景，2014年Landsat8影像2景。运用ENVI已经校正好的常州市TM影像为参照，对8景影像进行几何精校正、均衡化、拼接、裁剪等，其中几何校正误差控制在1个像元之内。根据中华人民共和国国土资源部土地分类系统将常州市景观分为耕地、林地、建筑用地、交通用地、水域、未利用地6类，在ENVI中对研究区域做监督分类，对分类结果有明显错误的进行修正，采用ARCGIS的eliminate工具，过滤掉小碎斑块，用Kappa系数对结果进行评价。4期分类结果的Kappa系数分别为81.4%、83.3%、84.7%、83.9%，均满足分析要求。

2.2 景观指数法

现代景观生态学包含了一系列景观空间格局分析方法[8-12]。景观指数是生态学研究的常用方法[13-14]，因为景观指数能够量化景观格局信息，定量化的分析景观结构组成和空间配置的某些特征[15-17]。景观指数主要包括景观水平指数、斑块类型水平指数、斑块水平指数。景观指数的计算主要利用FRAGSTATS软件。根据景观指数所揭示的生态意义的不同，主要选取斑块类型水平的平均斑块面积(MPS)、面积周长分维度指数(PAFRAC)、斑块百分比(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、聚集度指数(AI)。景观水平的斑块数目(NP)、面积周长分维度指数(PAFRAC)、景观形状指数(LSI)、景观蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、聚集度指数(AI)。

2.3 转移矩阵

土地利用转移矩阵是将土地利用变化的类型转移面积，按矩阵的形式加以列出，利用GIS的空间分析模块，对相邻年份的土地利用图进行叠加，生成相应的土地利用图，并根据其属性数据，可以获得不同景观类型的变化数据，由此，可以获得各类景观的面积转移矩阵。转移矩阵可以定量地说明研究区域内各景观类型增加或减少的部分，转移到哪一个景观类型或者由哪一个景观类型转移得到。作为用地结构与变化方向分析的基础，土地利用转移矩阵反映各地类之间的相互转化关系，了解转移前后各地类的结构特征，在土地利用变化分析和地类模拟方面具有重要作用[18-19]。

2.4 土地利用动态度

单一土地利用类型动态度是某研究区一定时间范围内，某种土地利用类型的数量变化情况。能较好地比较各区域间土地利用变化的差异，并且表示出未来土地利用变化趋势[14]。其表达式为：

K=(Ub-Ua)/Ua×1/T×100%

式中：Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某种土地利用类型的数量；T为研究时段；当T的单位为年时，K值就是该研究区，某种土地利用类型的年变化率。

综合土地利用动态度，反映的是研究区内一定时间范围内，土地利用数量总体变化情况[20]，其表达式为：

式中：LC为综合利用动态度；LUi为研究初期第i类土地利用类型面积；ΔLUi-j为研究末期第i类土地利用类型转换为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为研究时段长；当T设定为年时，LC值就是该研究区综合土地利用年变化率。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化过程

3.1.1 土地利用结构变化

土地利用结构变化见表1。

表1 1988—2014年土地利用转移矩阵 km2

其中耕地面积所占比例最大，同时耕地面积减少最快，26年间减少1 171.5 km2，其中59%转移为居民点及工矿用地，居民点及工矿用地一共增加了690.8 km2，交通用地的增幅最大，比1988年增长405%。耕地大面积减少，居民点及工矿用地、交通用地大幅增加，正是经济迅猛发展所带来的结果。与此同时，林地面积总体增加246.7 km2，水域面积总体增加80.11 km2，缓解了由于经济发展过快所带来的环境问题。

3.1.2 土地利用动态度

从单一土地利用类型动态度(表2)来看，1988-2014年变化最大的是未利用土地，其次是林地和居民点及工矿用地。其中2000-2010年时间段中6种土地类型的动态度均发生变化，林地在2010-2014年时间段动态度变化最大，2008-2014年常州市为建设城市绿地系统，不断扩大城市绿地面积，特别是在2011-2014年发展最为迅速，导致了林地动态度增大。综合土地利用动态度在3个研究时段内不断增大，特别是在2010-2014年最为剧烈，说明在这一时间段内，景观类型变化的规模最大。

表2 土地利用类型动态度 %

3.2 景观格局变化

3.2.1 斑块类型水平指数变化

1988-2014年各类型景观指数分布如表3。

表3 1988-2014年斑块类型景观格局分析

耕地的斑块百分比(PLAND)最大，因此耕地是研究区的景观基质，但是耕地的斑块比例逐渐下降，居民点及工矿用地的斑块百分比在不断增大。最大斑块指数(LSI)反映景观的优势程度，1988-2010年耕地作为优势景观类型并且优势度逐年下降，而林地的优势度则不断增加，在2014年林地成为优势景观类型。一个具有较小MPS值的斑块类型比具有较大MPS值的斑块类型更破碎，在26年间耕地、水域的破碎化程度在不断降低，而居民点及工矿用地的破碎化程度反而增大，林地、未利用地则出现先增大后减小的趋势。各个景观类型的面积周长分维度指数(PAFRAC)变化幅度并不大，耕地、林地、居民点及工矿用地、水域较小，表明其斑块形状简单，受人类干扰程度较大，形成的斑块几何形状较为规则，自相似很高；交通用地的景观分维数值最大，斑块形状和边缘较简单，呈廊道景观，在景观中多有分布，较其他斑块具有更异质的生态过程。耕地、林地、居民点及工矿用地、水域的聚集度指数(AI)在4个年份都比较高，说明其聚集度和连接性都比较好。

3.2.2 景观水平指数变化

如图1，斑块数目(NP)是景观异质性和破碎度的简单描述。在研究时段中斑块数目增加，2010-2014年斑块数目减少，反映景观破碎度先增大后减小。景观形状指数(LSI)是结合景观面积对景观总边缘长度或边缘密度的标准化度量。LSI也是对斑块聚集或离散程度的度量。随着LSI的增大，斑块越来越离散，1988-2014年斑块离散程度越来越大。面积周长分维度指数通过空间尺度(斑块大小)反映了形状复杂性，当其值大于1时，意味着复杂性增强。各类景观类型的面积周长分维度指数变化趋势平缓，并且各类景观类型均表现出较大的边界曲折性。香农多样性指数(SHDI)主要强调斑块类型对信息的贡献，在比较和分析同一景观，不同时期的多样性与异质性变化时，香农多样性指数也是一个敏感指标。图2中香农多样性指数不断增大，意味着土地利用结构越丰富，而景观破碎化程度也越来越高，其中包括的不定性的信息含量也在变大。1988-2014年常州市景观蔓延度指数不断减小，表明常州市景观破碎化程度不断增大，其中2000-2010年减小速度最快，表明这10年间常州市经济发展较为迅速，土地利用变化剧烈(图3)。聚集度(AI)不断地减小也反映出斑块破碎化程度增加。

图1 斑块数目与景观形状指数变化图

图2 周长分维度与香农多样性变化

图3 景观蔓延度与聚集度变化

4 讨 论

对常州市1988-2014年26年间的土地利用变化及景观格局变化进行了分析，总体来看常州市土地利用和景观格局有着明显的变化，特别是2000-2010年变化最为剧烈，耕地面积大幅减少最为突出，耕地的动态度在这一阶段达到最高值，居民点及工矿用地、交通用地大幅增加反映了常州市在这10年间发展较为迅速。但是耕地仍然是常州的主要地类，面积最大，分布最广，是常州的景观基质。交通用地呈廊道景观，因为交通用地景观分维数值最大，斑块形状和边缘较简单，交通用地动态度从1988-2014年一直处于增加趋势，为常州市的发展奠定了很好的基础。景观水平上，常州市主要由几种大的景观类型组成，各景观类型受干扰程度较大，斑块数量多、面积小，斑块形状趋于复杂，景观破碎化程度呈现增加趋势，而综合利用动态度也在3个阶段不断增大，这与景观破碎度变化趋势相吻合。并且景观结构更加丰富和复杂，会对景观中的物种迁移、能量流动、物质的扩散产生一定的影响。耕地作为常州市的景观基质，应当保护耕地，不断提高耕地质量来维持景观稳定性。在所有景观中，居民点及工矿用地分布最为广泛，对研究区域的物质和能量流动起着至关重要的作用，对其他生物的迁徙、生存有着一定的影响，所以居民点及工矿用地的合理规划建设对保护生物多样性，改善常州市生态环境具有重要的作用。各景观类型的破碎化程度不断加剧，未来的景观生态区域配置应朝着土地集中布局，集约化生产经营的方向发展，增大生态过程异质性，增加各类型斑块的连接度，提高系统的稳定性。在快速发展经济的同时，我们更要注意对耕地、林地的保护，合理规划建设，保护生物的多样性，保护物种生境，保护生态环境。