黄河三角洲居民点建成区对土地利用格局的时空影响

舒莹，胡远满

摘要：取1986、1996和2001年3个时期覆盖近代黄河三角洲的TM影像为数据源，结合1980年地形图，经监督、非监督分类及人工目视解译，获得研究区各时相土地覆被类型图。运用地形图和TM影像人工目视解译勾画3个时期居民点图，通过3个时期的居民点分布图向外等距离扩展形成辐射状梯度圈，并以此剪裁相应时相的土地覆被类型图，形成不同距离辐射梯度土地覆被类型图，计算各土地覆被类型图的景观指数，分析研究区15年间土地覆被动态过程、居民点动态过程以及居民点变化对景观动态的影响。结果表明，随着居民点建成区面积的增大，其对周围地区影响的范围亦不断增大。

关键词：近代黄河三角洲；居民点；土地覆被；缓冲区；梯度圈

中图分类号：F301.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）05-1030-06

Temporal-Spatial Effects of Build-up Residential Area in Yellow River Delta on Land Use Pattern

SHU Ying1，HU Yuan-man2

（1.School of Environment and Energy Engineering， Anhui Institute of Architecture and Industry， Hefei 230023， China；

2.Institute of Applied Ecology， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016，China）

Abstract： Using TM remote sensing images of yellow river delta in 1986， 1996 and 2001 and relief maps in 1980 as data sources， land cover landscape of the studied zone in different years were obtained by supervised classification， non-supervised classification and artificial visual interpretation. The map of residential area in the different years was pictured using TM remote sensing images and relief maps. The radiation transects were set around the residential area by buffer zone techniques， according to which the land cover landscapes of different years were cut out to form land cover landscapes of different radiation distance. The landscape indices were calculated based on the land cover landscapes cut out. Based on these data， the dynamics of land cover landscape and residential area， and the effects of residential area change on landscape in the 15-year period were analyzed. The results showed that the influencing zone of residential area was increased with the increasing of its area.

Key words： recent yellow river delta； residential area； land cover； buffer zone； grading diversification

随着人类活动对土地利用方式日益深刻的影响与干扰，全球变化已成为当今世界一个重大的课题，土地利用与土地覆被变化是全球变化中的重要内容之一[1]。基于遥感、GIS等对土地利用与土地覆被变化驱动力的分析大量涌现，结果表明土地利用与土地覆被变化的驱动力集中于自然、人口和社会经济条件几个方面，自然因素是土地利用变化的内在驱动力，人口增长、经济发展引起的城镇建成区和农村居民点用地的扩大是主要的外在驱动力[2-4]。当前对于居民点建成区的研究集中于建成区居民点自身，如建成区形态研究、扩展模式、动态模型研究和空间结构研究等方面[5-7]；农村居民点用地的变化、增长、驱动力分析及各个居民点的空间分布特征分析等方面[8，9]，但关于居民点建成区扩张对土地利用与土地覆被格局的影响研究甚少。居民点建成区从中心向周围呈梯度扩张[10，11]，周围土地类型和土地利用格局会随之呈现景观梯度分异，这就为利用缓冲区技术进行景观梯度分异研究提供了依据。

黄河三角洲是中国三大河口三角洲之一，地处海陆生态交错带，自然条件复杂，一直是学术研究的热点，众多研究结果表明黄河三角洲土地利用与土地覆被变化的主要外在驱动力是人为干扰引起人造景观增加造成，关于人为干扰对区域土地利用格局影响的程度、范围及对周围土地斑块的梯度影响的研究极少。近代黄河三角洲内坐落着我国第二大油田——胜利油田和国家级自然保护区，区域内土地利用类型丰富多样，有利于研究建成区居民点对不同景观类型的影响。本研究以1986、1996和2001年3个时期的TM遥感影像为数据源，以区域土地覆被为载体，研究建成区居民点缓冲区土地覆被景观时空梯度分异。通过研究土地覆被景观数据的幅度效应，进一步探讨不同面积幅度的梯度圈之间进行景观特征比较的可行性； 最后，沿居民点建成区做缓冲区，形成从居民点建成区为中心向外围扩散的辐射带圈，分析带圈梯度上的土地覆被景观的梯度分异特征。通过土地覆被景观的特征， 映射出居民点建成区发展对土地覆被变化的影响。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

黄河三角洲根据其成陆时间可分为古代黄河三角洲、近代黄河三角洲和现代黄河三角洲。本研究的黄河三角洲区域主要指近代黄河三角洲（其中包括现代黄河三角洲），总面积60多万公顷。近代黄河三角洲地处渤海湾畔，地理位置37°20′-38°12′ N，118°07′-119°10′E，以垦利宁海为顶点，北起套尔河口，南至淄脉沟口，境内属暖温带大陆性季风气候。行政区划上包括山东省东营市大部分和滨州市东北部地区，坐落有山东黄河三角洲国家级自然保护区，是我国最大的新生湿地生态系统，境内有大小河流20余条。

1.2 分析数据的生成

原始数据以覆盖整个黄河三角洲的Landsat TM遥感影像数据（1986年5月、1996年9月和2001年6月）为本研究基本数据源，辅助于该地区1980年1∶50 000地形图。以地形图为基准对遥感影像进行几何校正，误差控制在一个像元内。再通过人工解译和计算机自动解译遥感影像，以及现场踏勘校正解译结构，形成研究区土地利用与土地覆被类型图。其中的分类体系参照我国土地利用分类标准[12]，再考虑黄河三角洲实际情况以及研究内容，将近代黄河三角洲分为15种土地类型：黄河、光板滩涂、湖泊水库、林地、虾蟹田、盐田、草甸、芦苇、农田、柽柳芦苇沼泽、滩涂、潮下带、道路、油田和居民点。图像处理使用软件Erdas 8.6、Arcview 3.3和Arc/info 8.3。

不同尺度下求得的景观指数会存在差异，尺度的不同可能直接影响到研究成果的可靠性，尺度一般用粒度和幅度进行分析。选取域值粒度以下的任一粒度大小都不会对研究结果产生质的影响，由于分析数据来源于像元大小为30 m的TM影像，为最大限度地包含原始信息量，故数据分析粒度采用30 m为基本像元[13-20]。

1.3 研究方法

1.3.1 不同幅度景观图的生成 本研究的幅度是指景观分析区域面积的大小。相应地，幅度效应指景观指数对不同景观分析面积大小的响应。 根据研究区形状特点，在近代黄河三角洲内部截取一个最大的正方形，此为分析的最大区域（总共包括1 600×1 600个像元）。再以正方形4个顶点为出发点，分别向内裁减50行和50列的带宽，形成第二个区域。依次用同样的方法在第二个区域的基础上形成第三个区域，在第三个区域上形成第四个区域，以此类推，形成一系列不同幅度的景观图，共包括16个区域，记为区域1、2…16，最小的区域包括100×100个像元（图1）。

1.3.2 居民点建成区缓冲区的生成 居民点建成区图层形成过程：根据1980年1∶50 000地形图对1986年TM影像进行人工目视勾绘，1996年和2001年在1986年基础上通过判断影像纹理和颜色特征进行勾绘。

缓冲区形成过程：以全部居民点建成区为对象，向外围形成1 km宽度的缓冲区，剪裁建成区及其缓冲区，生成第一个梯度圈；再以第一梯度圈为基础，向外围形成1 km宽度的缓冲区，剪裁第一梯度圈及其外围缓冲区，生成第二个梯度圈，以此类推，直至覆盖整个研究区域。研究区域西南部靠近内陆，居民点建成区密集，第一个梯度圈即可延伸覆盖研究区西南部；北部和东部与渤海毗邻，其中坐落着黄河三角洲国家级自然保护区，居民点建成区分布少，尤其是东部黄河入海处，故在北部和东部需生成较多梯度圈，1986年生成29个梯度圈，1996年生成34个梯度圈，2001年生成30个梯度圈（黄河1996年8月经人工改道由原来东部入海改为东北方向入海，所以2001年近代黄河三角洲东部相对1996年有一定蚀退）。基于这些梯度圈剪裁各时相土地覆被景观图，形成从居民点建成区向外围的一系列辐射的梯度圈景观，如图2所示。

1.3.3 景观指数选取与计算 景观格局指数（Landscape indices or metrics）用简单数字描述复杂的景观格局。在景观指数中，大部分指数之间景观格局信息重复[15，21，22]，指数之间存在一定的相关性，故可采用少数的指数代替所有指数进行分析。针对景观水平常用的景观指数，利用景观格局分析软件APACK 2.2计算不同幅度景观图的指数值。根据指数计算结果选取其中受幅度影响较小的指数，并考虑各指数的生态学意义及重要程度，最终选定进行土地覆被景观的梯度分异指数。以选取的指数为介质探讨居民点建成区缓冲区土地覆被景观时空梯度分异。各指数的计算公式见该软件的帮助文件。

2 结果与分析

黄河三角洲在1986、1996、2001年3个时期总面积先少量增加后大幅减少，1986～1996年研究区增加土地面积4 006.9 hm2（其中新生滩涂面积5 015.9 hm2，沿海蚀退面积1 009.0 hm2），1996年到2001年土地净减少16 960.5 hm2（其中新生滩涂面积2 623.0 hm2，沿海蚀退面积19 583.5 hm2）。这是由于近年来黄河流量锐减，上游带来泥沙日益减少，淤积速度大大小于蚀退速度所造成。

2.1 景观的幅度效应及指数的选取

幅度是空间数据对空间地理现象或过程进行度量和评价的一个重要影响因素，研究表明幅度变化直接影响景观格局[10，16，22]。选取常用的13个指数进行幅度效应分析，分别为归一化平均斑块面积（Average normalized patch area，ANPA）、平均斑块周长面积比（Average patch perimeter-area ratio，APA）、校正的斑块周长面积比（Average corrected patch perimeter-area ratio，ACPA）、边界密度（Edge density，ED）、双对数分维数（Fractal dimension，FD）、多样性（Shannon-Weaver diversity，SWD）、均一度（Shannon-Weaver evenness，SWE）、优势度（Dominance，DO）、蔓延度（Contagion，CI）、边界分布均匀度（Edge density evenness，EDE）、角秒矩（Angular second moment，ASM）、反差矩（Inverse difference moment，IDM）和聚集度（Aggregation index，AI）。根据景观格局指数的生态学意义（Fragstats的分类标准）[23，24]，以上指数可分为4个类别，其中归一化平均斑块面积、平均斑块周长面积比、校正的斑块周长面积比和边界密度为基本指数，双对数分维数为形状指数，聚集度、蔓延度、角秒矩、反差矩和边界分布均匀度为蔓延度指数，优势度、多样性和均一性属于多样性指数。

2.1.1 景观指数的幅度效应 幅度效应决定着梯度分析结果的可靠性，在研究区域景观特征之前，先以2001年影像为例分析土地覆被景观幅度效应，以保证研究的完整性以及后续研究成果的可行性与可靠性。对2001年度分析区域图进行指数计算，结果如图3。从图3可以看出，2001年平均斑块周长面积比、边界密度、反差矩、双对数分维数和聚集度指数的幅度效应不明显，其他指数幅度效应较为明显；从区域16到区域12（即包括像元从100×100个到500×500个）各指数受幅度影响较敏感，区域12之前指数值变化趋缓。说明当景观面积大于区域12（包括像元500×500个，面积22 500 hm2）并且景观之间面积相差不大时，运用上述景观指数法进行景观特征分析可行有效。

2.1.2 景观指数的选取 景观指数之间存在信息重复，指数之间存在显著相关性。基本指数中校正斑块周长面积比不是一个很好的格局指数[25]，而基本指数中的归一化平均斑块面积与其他指数不存在显著相关性，代表了景观的独特性，在景观对比研究中应重视此指数，解释其景观生态学意义[23]，故在基本指数中选取归一化平均斑块面积指数；形状指数表示构成景观斑块形状的复杂性，双对数分维数能预示大多形状指数的变化趋势，是景观水平上常用的形状指数；蔓延度指数表明景观类型在空间上的聚集程度或类型间镶嵌程度，聚集度和反差矩是常用的两个蔓延度指数，从图3中可看出这两个指数受幅度影响小，研究结果可以剔除其幅度的影响；多样性指数关系到景观类型数以及类型的面积百分比，包括的大多数指数存在明显的相关性，其中Shannon-Wiener多样性指数多见于景观格局分析。由此共选择归一化平均斑块面积、双对数分维数、聚集度、反差矩和多样性指数这5个指数分析居民点缓冲区对区域土地利用格局的影响。

2.2 研究区景观特征时间变化

研究区景观特征时间变化如图4所示，可以看出研究区15年中，土地覆被景观变化较为平缓。其中均一化平均斑块面积指数经历了先上升后下降趋势，但变化幅度不大，在0.5左右波动，说明3个年份在斑块形状上相似。聚集度和反差矩指数在研究年份间均出现下降趋势，其中聚集度指数值1986年为0.976、1996年为0.973、2001年为0.972，反差矩值1986年为0.950、1996年为0.945、2001年为0.941，说明随着年份的增加斑块破碎化程度增加、研究区域结构趋于简单。双对数分维数呈现上升趋势，但上升速度极为缓慢，说明研究年段斑块边缘几何形状仅略趋于复杂。进行研究的五个指数中变化幅度最大的为多样性指数，呈明显上升趋势，说明研究年段整个研究区多样性不断上升，各种景观覆被类型所占比例越来越均衡。

2.3 居民点建成区缓冲区土地覆被景观变化的梯度分异

由于黄河三角洲地理位置的特殊性，部分区域淤积（黄河入海口为世界上成土最快的河口三角洲）、部分区域蚀退（海水冲刷），造成3个年份研究区面积不同；各年度居民点数量面积亦不同，故3个年度居民点缓冲区数量有所差别。图5-图9中1代表居民点第一个缓冲区形成的第一梯度圈，依次类推，直至覆盖整个研究区，即2001年居民点外围第30缓冲区形成的第30梯度圈覆盖整个研究区，得出的为整个研究区指数值，1996年第34梯度圈为整个研究区指数值，1986年第29梯度圈为整个研究区指数值。根据景观指数幅度分析结果，当景观面积大于区域12时，运用上述景观指数法进行景观特征分析可行有效。测量所得3个年份居民点建成区所有缓冲区面积中，面积最小的为1986年第一个缓冲区形成的第一梯度圈，面积为212 175.9 hm2，大于面积22 500 hm2，即指数的计算结果基本不受幅度影响。

2.3.1 归一化平均斑块面积 从居民点缓冲区梯度分异来看，1986年从梯度圈1到梯度圈2有明显增加趋势，往后趋于平缓；1996年从梯度圈1到梯度圈5有明显增加趋势，往后趋于平缓；2001年从梯度圈1到梯度圈5有明显增加趋势，往后趋于平缓（图5）。说明对于归一化平均斑块面积，1986年居民点建成区影响范围为周围2 km，1996年和2001年随着居民点面积扩大，影响范围为周围5 km。

2.3.2 双对数分维数 随着居民点缓冲区范围的扩大，指数值先增大后趋缓。1986年从梯度圈1到梯度圈4变化幅度明显，往后趋缓；1996年从梯度圈1到梯度圈5变化幅度明显，往后趋缓；2001年从梯度圈1到梯度圈6变化幅度明显，往后趋缓（图6）。说明对于双对数分维数，1986年居民点建成区影响范围为周围4 km，随着居民点建成区面积的增大，1996年和2001年分别扩大为5 km和6 km。

2.3.3 聚集度 3个年度聚集度变化趋势基本相同，先逐渐下降后基本保持平稳。1986年从梯度圈1到梯度圈5指数值不断下降，往后趋于平缓；1996年从梯度圈1到梯度圈4指数值不断下降，往后趋于平缓；2001年从梯度圈1到梯度圈6指数值不断下降，往后趋于平缓（图7）。说明对于聚集度指数，1986年居民点建成区影响范围为周围5 km，1996年居民点建成区面积增加，影响范围却缩小为4 km，2001年居民点建成区面积继续增加，影响范围扩大为6 km。

2.3.4 反差矩 3个年份变化趋势相似，随着缓冲区带扩大，数值先减少后增加再趋于平缓。1986年从梯度圈1到梯度圈5数值显著下降，往后趋缓；1996年从梯度圈1到梯度圈5数值显著下降，往后趋缓；2001年从梯度圈1到梯度圈6数值显著下降，变化幅度明显，往后趋缓（图8）。说明对于反差矩指数，1986年居民点建成区影响范围为5 km，1996年居民点建成区面积增加，影响范围保持不变，为周围5 km，2001年居民点建成区影响范围扩大为6 km。

2.3.5 多样性 与前4个指数相同，3个年度多样性指数值呈现相似的变化趋势，随着缓冲区范围的扩大，多样性指数值不断扩大直至相对稳定。1986年从梯度圈1到梯度圈5数值显著上升，往后趋缓；1996年从梯度圈1到梯度圈5数值显著上升，往后趋缓；2001年从梯度圈1到梯度圈6数值显著上升，变化幅度明显，往后趋缓（图9）。说明对于多样性指数，1986年居民点建成区影响范围为周围5 km，1996年居民点建成区面积增加，影响范围保持为5 km，2001年居民点建成区面积继续增加，影响范围扩大为6 km。

3 讨论

土地利用覆被变化能直接反映人类活动这一当今全球环境变化的主导因子。影响黄河三角洲的土地利用覆被变化的人类活动集中在道路、居民点、油井、农田、苇田和虾蟹田开发等，关于居民点建成区对土地利用覆被变化的研究为本次研究的重点。

景观研究受到粒度和幅度影响，数据主要来源于分辨率为30 m的TM影像，考虑原数据粒度特点采用分辨率30 m；通过分析，当研究面积大于22 500 hm2时，景观研究受幅度影响明显减小，研究区1986年、1996年和2001年居民点面积分别为23 102.4、33 110.5和39 397.8 hm2，均大于幅度影响范围，以它们为中心形成的居民点缓冲区面积更是大于幅度影响范围。居民点建成区对周围地区具有辐射影响特性，它的变化会带动周围景观的变化，如居民点建成区周围道路、农田等将会有所增加。在此基础上进一步研究15年以来居民点建成区变化对土地利用格局影响，通过分析，表现出以下规律。

基于缓冲区技术的居民点建成区辐射梯度圈景观分析结果显示，居民点建成区存在明显的缓冲区效应。研究年段内，随着居民点建成区面积不断增加，各年份缓冲区梯度圈景观指数变化区间也不断变化，数据变化说明随着居民点建成区范围的增大，各指数的响应范围均有所扩大；1986年归一化平均斑块面积指数受影响范围为居民点建成区周围2 km距离，双对数分维数为4 km，聚集度指数为5 km，反差矩指数为5 km，多样性指数为5 km；1996年归一化平均斑块面积指数受影响范围为居民点建成区周围5 km距离，双对数分维数为5 km，聚集度指数为4 km，反差矩指数为5 km，多样性指数为5 km；2001年归一化平均斑块面积指数受影响范围为居民点建成区周围5 km距离，双对数分维数为6 km，聚集度指数为6 km，反差矩指数为6 km，多样性指数为6 km。1996年虽然居民点建成区面积增大，但是部分指数受影响的距离和1986年持平，聚集度指数影响距离甚至还出现比1986年下降的趋势，但从影响面积来看，1986年居民点建成区缓冲区5形成的第五梯度圈包含的范围为435 008 hm2，1996年居民点建成区缓冲区5形成的第五梯度圈包含的范围为451 238 hm2，影响面积1996年较大；随着居民点建成区面积的扩大，2001年各指数相应距离明显大于1986年和1996年，故相应的范围也将大于1986年和1996年。综上得出，随着居民点建成区面积的增大，各指数相应的范围呈现扩大的趋势，即随着居民点建成区面积的增大，其对周围地区影响的范围亦不断增大。

3S技术在土地利用覆被变化中的运用为获得区域发展时间和空间的动态过程信息提供了更加便捷的方法，在此基础上运用梯度和景观指数相结合的方法，分析居民点建成区变化对区域生态环境的影响范围，可以量化居民点建成区对景观生态影响的梯度特征，为区域规划、区域生态环境保护和管理提供决策依据。

参考文献：

[1] 李秀彬.中国近20年来耕地面积的变化及其政策启示[J].自然资源学报，1999，14（4）：329-333.

[2] 张 明.区域土地利用结构及其驱动因子的统计分析[J].自然资源学报，1999，14（4）：381-384.

[3] 张惠远，赵昕奕，蔡运龙，等.喀斯特山区土地利用变化的人类驱动机制研究——以贵州省为例[J].地理研究，1999，18（2）：136-142.

[4] 史培军，陈 晋，潘耀忠.深圳市土地利用变化机制分析[J]. 地理学报，2000，55（2）：151-160.

[5] 高 峻，宋永昌.上海西南城市干道两侧地带景观动态研究[J].应用生态学报，2001，12（4）：605-609.

[6] 吴启焰，任东明.改革开放以来我国城市地域结构演变与持续发展研究——以南京都市区为例[J].地理科学，1994，19（2）：13-18.

[7] 陈 力.旧城更新中城市形态的延续与创新[J]. 华侨大学学报（自然科学版），1997（1）：58-61.

[8] 陈 泳.近现代苏州城市形态演化研究[J].城市规划汇刊，2003（6）：62-71.

[9] 胡贤辉，杨钢桥，张 霞，等.农村居民点用地数量变化及驱动机制研究——基于湖北仙桃市的实证[J].资源科学，2007，29（3）：191-197.

[10] 孙华生，黄敬峰，金 艳，等.基于GIS技术的县域居民点空间分布特征分析及其优化布局[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2007，33（3）：348-354.

[11] MATTHEW L， WU J G. A gradient analysis of urban landscape pattern： A case study from the Phoenix metropolitan region，Arizona，USA[J]. Landscape Ecology，2002，17（4）：327-339.

[12] 孙 娟，夏汉平，蓝崇钰，等.基于缓冲带的贵港市城市景观格局梯度分析[J].生态学报，2006，26（3）：654-662.

[13] 刘黎明.土地资源学[M].北京：中国农业大学出版社，2002.84-86.

[14] HAY G J，MARCEAU D J，DUBE P， et al. A multiscale framework for landscape analysis： Object-specific analysis and upscaling[J]. Landscape Ecology，2001，16（6）：471-490.

[15] 布仁仓，李秀珍，胡远满，等.尺度分析对景观格局指标的影响[J].应用生态学报，2003，14（2）：2181-2186.

[16] WU J G. Effects of changing scale on landscape pattern analysis： Scaling relations[J]. Landscape Ecology，2004，19（2）：125-138.

[17] SAURA S. Effects of remote sensor spatial resolution and data aggregation on selected fragmentation indices[J]. Landscape Ecology，2004，19（2）：197-209.

[18] WIMBERLY M C， OHMANN J L. A multi-scale assessment of human and environmental constraints on forest land cover change on the Oregon（USA） coast range[J]. Landscape Ecology， 2004，19（6）：631-646.

[19] 申卫军，邬建国，任 海，等.空间幅度变化对景观格局分析的影响[J].生态学报，2003，23（11）：2219-2231.

[20] 张 娜.生态学中的尺度问题：内涵与分析方法[J].生态学报，2006，26（7）：2340-2355.

[21] RIITTERS K H， ONEILL R V， HUNSAKER C T， et al. A factor analysis of landscape pattern and structure metrics[J]. Landscape Ecology，1995，10（1）：23-39.

[22] TRAUB B， KLEINN C. Measuring fragmentation and structural diversity[J]. Forstw Centralblatt，1999，118（1）：39-50.

[23] 布仁仓，胡远满，常 禹，等.景观指数之间的相关分析[J].生态学报，2005，25（10）：2764-2775.

[24] MCGARIGAL K， CUSHMAN S A， NEEL M C M， et al. Fragstats： Spatial pattern analysis program for categorical maps computer software program produced by the authors at the University of Massachusetts，Amherst[EB/OL]. http：//www.umassedu/landeco/research/fragstats/fragstats.html，2002.

[25] 王绪高，李秀珍，贺红士，等.中性景观模型与真实景观的一致性[J].应用生态学报，2004，16（6）：973-978.