基于RS和GIS的江西省生态系统格局和空间结构动态变化研究

王 伟，曹 云，彭昆国，廖 兵

(1.江西省环境保护科学研究院，330029，南昌；2.南昌市青云谱学校，330001，南昌)

基于RS和GIS的江西省生态系统格局和空间结构动态变化研究

王 伟1，曹 云2，彭昆国1，廖 兵1

(1.江西省环境保护科学研究院，330029，南昌；2.南昌市青云谱学校，330001，南昌)

利用多源多时相遥感数据，在RS和GIS技术的支持下，按照生态学的分类方法对地表覆盖数据进行解译，从生态系统的景观格局、空间结构变化趋势和变化速率等方面进行深入分析。研究结果表明：1)2000-2010年江西省主要生态系统类型为森林生态系统和农田生态系统；2)研究期内，城镇生态系统面积增加明显，而森林、湿地和农田生态系统面积减少；3)生态系统转换特征主要表现为农田生态系统转为城镇生态系统；4)生态系统的波动性前5年大于后5年，南昌市和新余市是江西省生态系统变化的热点区域。

生态系统；动态变化；RS；GIS；江西省

0 引言

生态系统是人类赖以生存的基础条件，生态系统类型的变化直观地反映在生态系统地表覆盖类型的变化，生态系统类型的变化最能反映人类活动与生态环境要素间相互关系[1]。随着遥感和地理信息系统技术的发展，利用3S技术在生态环境、农林水利、国土资源、防灾减灾等领域的研究和应用已经取得丰厚的成果[2-5]。江西省是中国生态环境较好的地区[6]，生态系统类型比较齐全，位于江西境内的中国第一大淡水湖——鄱阳湖不仅是我国十大生态功能保护区之一，还是世界自然基金会划定的全球重要生态区之一[7]。因此，基于RS和GIS技术对江西省生态系统类型动态变化的研究，对于区域乃至全球的生态环境保护都具有重要的科学和现实意义。

1 研究区域概况

江西省是我国东南地区的内陆省份，位于长江中下游南岸地区，东邻浙江和福建，南抵广东，西接湖南，北与湖北和安徽而共接长江；地理空间位置处于北纬24°29′14″N～30°04′41″N、东经113°34′36″E～118°28′58″E之间，国土面积16.69万km2，占全国总面积的1.74%，居华东第一[8]。江西全省共设南昌、景德镇、萍乡、九江、新余、鹰潭、赣州、吉安、宜春、抚州和上饶11个地市及19个市辖区、70个县和11个县级市，省会设在南昌市，2010年全省总人口数4 456.75万，人均GDP为31 835.53元[9]。江西靠近北回归线，属亚热带季风气候，四季变化分明、气候温和、雨量充沛、光照充足、无霜期长、冰冻期短，地势四周高中间低，由外向里、自南向北向鄱阳湖倾斜，构成一个北向开口的盆地地形；地貌以山地丘陵为主，兼有河湖平原；全境有大小河流2 400余条，赣江、抚河、信江、修河和饶河为江西五大河流，动植物资源丰富，是我国红壤主要分布区域之一[8,10-11]。

2 研究数据和方法

2.1生态系统覆盖解译数据获取

遥感卫星数据为2000年、2005年和2010年3个时相，空间分辨率均为30 m，覆盖范围为江西省全境；其中，2000年和2005年以Landsat TM/ETM数据为主，2010年以HJ-1卫星CCD数据为主，数据有缺失的地区以同等分辨率同一时相的数据作为补充。

在判读之前，先利用ENVI和ERDAS等遥感图像处理软件对遥感影像进行辐射校正和几何校正，其中几何校正误差控制在1个像元以内，以保证较高的判读精度。然后利用Definiens professional图像处理软件，基于面向对象的分类方法，结合目视方法进行解译，采用决策树分析方法，通过人工与自动相结合的方式，对于影像光谱划分机理清楚的类型采用人工建树方法[12]，如图1所示，对于光谱变化比较大、规律不清楚的地物类型采用自动方法(最邻近方法)[13]。

图1 决策树分析

参照土地利用现状分类标准(GB/T21010-2007)和中国资源环境遥感宏观调查与动态研究中的分类系统[14]，结合景观生态学分析方法确定本研究采用的生态系统分类标准体系[15-17]，其中包括，7个一级生态系统类型和18个二级生态系统类型，见表1。首先对纠正的影像进行尺度分割，结合地形、前期分类数据等进行面向对象地表覆盖类型解译，在此基础上进行人工判读纠正分类错误，形成内业解译成果。

表1 生态系统分类标准

通过对遥感影像分类解译，获得2000年、2005年和2010年江西省生态系统土地覆盖分类数据，如图2所示。

图2 2000、2005、2010年江西省生态系统分布图

2.2生态系统景观格局变化分析

本研究对江西省生态系统景观格局变化的分析，运用景观生态学中的景观指数方法进行分析，主要选择斑块数(NP)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)、边界密度(m/hm2)(ED)和聚集度指数(%)(CONT)5个指标[18]，利用地理信息系统平台ArcGIS软件和景观结构分析软件FRAGSTATS进行分析。

1)斑块数(Number of Patches,NP)：该指标用来衡量目标景观的复杂程度，斑块数量越多说明景观构成越复杂。

2)平均斑块面积(Mean Patch Size,MPS)：该指标可以用于衡量景观总体完整性和破碎化程度，平均斑块面积越大说明景观较完整，破碎化程度较低，计算公式：

(1)

式中,MPS为平均斑块面积；TS为评价区域总面积；NP为斑块数量。

3)类斑块平均面积(Mean Patches Size,MPST)：

景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值，反映该类景观要素斑块规模的平均水平。平均面积最大的类可以说明区域景观的主要特征，每一类的平均面积则说明该类在景观中的完整性，计算公式：

(2)

式中,Ni为第i类景观要素的斑块总数；Aij为第i类景观要素第j个斑块的面积。

4)边界密度(Edge Density,ED)：边界密度也称为边缘密度，边缘密度包括景观总体边缘密度(或称景观边缘密度)和景观要素边缘密度(简称类斑边缘密度)，它是从边形特征描述景观破碎化程度，边界密度越高说明斑块破碎化程度越高，计算公式：

(3)

式中,ED为景观边界密度(边缘密度)，边界长度之和与景观总面积之比；Pij为景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度。

5)聚集度指数(Contagion index,CONT)：反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。聚集度指数越高说明景观完整性较好，相对的破碎化程度较低。

(4)

式中,Cmax:Pij=PiPi/j指数的最大值；n为景观中斑块类型总数；Pij为斑块类型i与j相邻的概率。

2.3生态系统类型变化方向的分析

本研究借助生态系统类型转移矩阵[19]，全面具体地分析区域生态系统变化的结构特征与各类型变化的方向。转移矩阵的意义在于它不但可以反映研究期初、研究期末的生态系统类型结构，而且还可以反映研究时段内各生态系统类型的转移变化情况，便于了解研究期初各类型的流失去向以及研究期末各类型的来源与构成。在对生态系统类型转移矩阵计算的基础上，还可以计算生态系统类型转移比例，计算公式如下：

(5)

式中,i为研究初期生态系统类型；j为研究末期生态系统类型；aij为表示生态系统类型的面积；Aij为研究初期第i种生态系统类型转变为研究末期第j种生态系统类型的比例；Bij为研究末期第j种生态系统类型中由研究初期的第i种生态系统类型转变而来的比例。

2.4生态系统综合变化率分析

生态系统综合变化率[20-21]，定量描述生态系统的变化速度,综合考虑了研究时段内生态系统类型间的转移，着眼于变化的过程而不是变化的结果，反映研究区生态系统类型变化的剧烈程度，便于在不同空间尺度上找出生态系统类型变化的热点区域，计算公式如下：

(6)

式中,△EOCi为起始年第i类生态系统类型面积；△EOCi根据生态系统类型矢量数据在ArcGIS平台下进行统计获取；△EOCi-j为时段内第i类生态系统类型转为非i类生态系统类型面积的绝对值；△EOCi-j根据生态系统转移矩阵模型获取。

3 结果分析

3.1生态系统分布格局

通过对2000年、2005年和2010年3个时期遥感影像解译的生态系统覆盖数据进行统计和对比分析，获得江西省生态系统变化的总体特征(见表2、图3所示)。

表2 江西省2000年、2005年、2010年一级生态系统面积变化

图3 2000-2010年江西省一级生态系统面积变化

从生态系统类型构成来看，江西省一级生态系统主要由7大类组成，按生态系统类型面积大小依次为森林、农田、灌丛、城镇、湿地、草地和其他，其中森林生态系统面积和比例最大，分别为97 850.8 km2和58.61%。

从变化方向和速率来看，各生态系统类型的变化有较大的差异。2000-2010年江西省一级生态系统中面积呈减少趋势的有森林、湿地、农田和其他，其中面积减少最多的是农田生态系统，减少面积1 663.5 km2、减少比例4.39%；减少比例最大的是其他类型，减少面积90.5 km2、减少比例22.78%。2000-2010年，江西省一级生态系统面积呈增加趋势的生态系统有灌丛、草地和城镇，其中面积和比例增加最大的是城镇生态系统，增加面积1 781.1 km2、增加比例22.62%。

从2000-2005年和2005-2010年2个时段来看,森林生态系统系统面积前5年呈增加趋势，后5年呈减少趋势；城镇、农田、湿地和灌丛生态系统前5年变化大于后5年。

3.2生态系统景观格局变化分析

利用ArcGIS软件将生态系统覆盖遥感解译的矢量数据，根据分析尺度转换成栅格数据，通过景观分析软件FRAGSTATS对斑块数(NP)、平均斑块面积(MPS)、类斑块平均面积(MPST)、边界密度(m/hm2)(ED)和聚集度指数(%)(CONT)5个指标进行分析运算，斑块数(NP)、平均斑块面积(MPS)、边界密度(m/hm2)(ED)和聚集度指数(%)(CONT)计算统计结果如表3和表4所示，类斑块平均面积(MPST)计算统计结果表5和表6所示。

2000-2010年，江西省一级生态系统景观格局特征表现为：斑块数量减少了6.9%，平均斑块面积增加了7.3%，边界密度减小了2%，聚集度指数增大了0.5%。

2000-2010年，江西省二级生态系统景观格局特征表现为：斑块数量减少了4.2%，平均斑块面积增加了4.4%，边界密度减小了1%，聚集度指数增大了0.3%。

表3江西省一级生态系统景观格局特征及其变化

年份斑块数NP平均斑块面积MPS/hm2边界密度ED/m·hm-2聚集度指数CONT/%2000年43734838．238．882．62005年42126439．638．282．82010年40729741．038．083．0

表4江西省二级生态系统景观格局特征及其变化

年份斑块数NP平均斑块面积M/hm2边界密度ED/m·hm-2聚集度指数CONT/%2000年67417924．855．675．02005年66138125．255．375．12010年64571225．955．075．2

从一级生态系统各的类斑块平均面积大小看，江西省一级生态系统中类斑块平均面积大小依次为：森林>湿地>农田>城镇>灌丛>草地>其他；说明在一级景观尺度上，江西省生态系统以森林、湿地和农田为主要构成斑块。

表5 江西省一级生态系统类斑块平均面积/hm2

表6 江西省二级生态系统类斑块平均面积/hm2

2000-2010年，江西省一级生态系统各类型的类斑块平均面积均呈现增大的趋势，如图4所示，按生态系统类斑块平均面积增加值的排序为：其他>农田>城镇>森林>湿地>草地>灌丛；按生态系统类斑块平均面积增加幅度的排序为：其他>城镇>农田>草地>森林>湿地>灌丛。

从二级生态系统类斑块平均面积大小来看，江西省二级生态系统的类斑块平均面积均值为17.79 hm2，其中类斑块面积较大的是依次为：针叶林>河流>稀疏灌丛>阔叶林>针阔混交林>湖泊>耕地；说明在二级景观尺度上，江西省生态系统以针叶林、河流、稀疏灌丛、阔叶林、针阔混交林、湖泊和耕地为主要构成斑块。

图4 2000-2010年江西省一级生态系统类斑块平均面积变化

从二级生态系统类斑块平均面积变化来看，江西省二级生态系统的类斑块平均面积只有河流和稀疏林生态系统呈下降趋势，河流的类斑块平均面积下降幅度为6.37%；类斑块平均面积呈增加趋势的二级生态系统中，工矿/交通用地、城市绿地和针叶林增加最大。

综上所述，江西省一级生态系统和二级生态系统的生态景观格局特征的变化趋势基本一致，具体表现在以下4个方面：1)斑块数量减少，说明景观构成复杂程度降低；2)平均斑块面积和类斑块平均面积增大，说明景观完整提高，破碎化程度较低；3)边界密度降低说明斑块破碎化程度降低；4)聚集度指数增高说明景观完整性变好，相对的破碎化程度较低。

3.3生态系统类型变化方向的分析

利用ArcGIS软件的叠加运算工具，对江西省一级生态系统地表覆盖遥感解译数据进行叠加分析，提取各种生态系统之间面积变化方向的数据，按照转移矩阵的行列分布统计计算结果，计算结果如表7所示。

表7 江西省一级生态系统转移矩阵

从生态系统类型转出角度来看，农田生态系统转出面积最多，主要转出方向为城镇和森林生态系统；其次是其他类型生态系统转出较多，主要转出方向为森林和城镇生态系统，再次是森林生态系统转出较多，主要转出方向为城镇和农田生态系统。

从生态系统类型转入角度来看，城镇生态系统转入面积最多，主要转入类型为农田和森林生态系统；其次是森林生态系统转入较多，主要转入类型为农田和其他生态系统，再次是农田生态系统转入较多，主要转入类型为森林和湿地生态系统。

3.4生态系统综合变化率分析

通过利用ArcGIS软件对江西省全省生态系统地表覆盖遥感解译数据的分类和变化提取，并针对不同时期各类生态系统面积及其变化面积的计算和统计，按照综合变化率计算方法对江西省一级生态系统和二级生态系统的综合变化率进行计算分析。为进一步明确全省生态系统不同区域的综合变化特征，探寻变化的热点区域，按照江西省行政区划，将江西省生态系统地表覆盖遥感解译数据数按全省11个地级市的行政边界进行裁剪分割，并对各地市的综合动态度进行计算和统计，结果如表8所示。

从空间分布特征来看，2000-2010年江西省各地市按生态系统综合动态度的大小排序依次为：南昌市>新余市>九江市>宜春市>景德镇市>鹰潭市>上饶市>赣州>萍乡市>抚州市。

从时间序列来看，2000-2010年江西全省的生态系统综合动态度前5年大于后5年。2000-2005年,各地市生态系统综合动态度大于全省的有3个，按大小依次为：南昌市>新余市>赣州市；2005-2010年，一级生态系统综合动态度只有九江市和宜春市小于全省综合动态度，二级生态系统综合动态度只有九江市和上饶市小于全省综合动态度；2000-2010年,全省11个地级市中南昌市和新余市综合动态度最大，且大于全省合动态度。

表8 江西省生态系统综合动态度/%

4 结束语

江西省主要生态系统类型为森林和农田。2000-2010年，面积呈减少趋势的生态系统有森林、湿地、农田，特别是农田生态系统，减少面积1 663.5 km2、减少比例4.39%；而城镇生态系统面积增加最快，增加面积1 781.1 km2、增加比例22.62%。从生态系统转出转入方向看，农田生态系统转出面积最多的为城镇，城镇生态系统转入最多的方向是农田；这说明江西省城镇化和交通建设发展迅速，且城镇的扩张的主要形式是挤占农田生态系统的面积为主。全省生态系统的复杂性和破碎化程度较低，空间异质性程度降低；全省的生态系统综合动态度前5年大于后5年；南昌市和新余市的综合动态度最大，是全省生态系统波动的热点区域。

[1] 李边疆.土地利用与生态环境关系研究[D].南京:南京农业大学,2007.

[2]骆剑承,周成虎,杨艳.遥感地学智能图解模型支持下的土地覆盖/土地利用分类[J].自然资源学报,2001,16(2):179-183.

[3]朱光良.基于卫星遥感技术的土地利用研究发展[J].遥感信息,2001(4):34-37,39.

[4]朱会义,李秀彬,何书金,等.环渤海地区土地利用的时空变化分析[J].地理学报,2001,56(3):253-260.

[5]刘敏.3S技术及其在生态环境监测中的应用[J].广东林业科技,2005(3):71-74.

[6]段显明,周凌.江西生态环境状况基本评价及与周边省份比较[J].中国农业资源与区划,2003(2):52-55.

[7]张俊.鄱阳湖生态环境保护立法的原因与建议[J].环境保护,2008(24):67-69.

[8]江西省人民政府网.江西概况[EB/OL].[2014-07]http://www.jiangxi.gov.cn/dtxx/jxgk/.

[9]江西省统计局.江西统计年鉴2011[M].北京:中国统计出版社,2011.

[10]江西省测绘局.江西地图集[M].北京:中国地图出版社,2008.

[11]赵其国,黄国勤,马艳芹.中国南方红壤生态系统面临的问题及对策[J].生态学报,2013,24:7615-7622.

[12]王萍.遥感土地利用/土地覆盖变化信息提取的决策树方法[D].济南:山东科技大学,2004.

[13]郭亚鸽.面向对象的HJ-1CCD和TM影像土地覆盖信息提取研究[D].南京:南京农业大学,2012.

[14]刘纪远.国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究[J].遥感学报,1997,1(3):225-230.

[15]李书娟,曾辉.遥感技术在景观生态学研究中的应用[J].遥感学报,2002(3):233-240.

[16]傅伯杰,吕一河,陈利顶,等.国际景观生态学研究新进展[J].生态学报,2008,28(2):798-804.

[17]陈利顶,刘洋,吕一河,等.景观生态学中的格局分析:现状、困境与未来[J].生态学报,2008,28(11):5521-5531.

[18]郭晋平,肖笃宁.《景观生态学原理与方法》简介[J].生态学杂志,1999(1):79.

[19]乔伟峰,盛业华,方斌,等.基于转移矩阵的高度城市化区域土地利用演变信息挖掘——以江苏省苏州市为例[J].地理研究,2013,32(8):1497-1507.

[20]王秀兰.土地利用/土地覆盖变化中的人口因素分析[J].资源科学,2000,22(3):39-42.

[21]Liu J Y,Liu M L,Zhuang D F,etal.Study on spatial pattern of land use change in China during 1995-2000[J].Science in China (Series D),2003,46(4):373-384.

StudyonDynamicChangesofEcosystemPatternsandSpatialStructureinJiangxiProvinceBasedonRSandGIS

WANG Wei1,CAO Yun2,PENG Kunguo1,LIAO Bing1

(1.Jiangxi Academy of Environmental Sciences,330029,Nanchang,PRC;2.Qingyunpu School,330001,Nanchang,PRC)

With the support of RS and GIS,using multi-source and multi-temporal RS data achieved the land cover data interpretation according to the method of Ecology Classes.In addition,some parameters and factors were deeply analyzed,for instance,landscape pattern and the variation tendency and rate of change in spatial structures.Preliminary results showed that:1)the main land cover were forest ecosystem and farmland ecosystem in Jiangxi province from 2000 to 2010.2)Urban ecosystem area increased significantly but forest,wetlands and farmland ecosystem area decreased.3)Conversion of farmland ecosystem into urban ecosystem was the main conversion characteristics of ecosystem.4)Volatility of ecosystems in earlier stage was greater than later stage,and the most obvious regions,were Nanchang and Xinyu in Jiangxi Province.

ecosystem;dynamic change;RS;GIS;Jiangxi Province

2014-07-28;

2014-09-10

王 伟(1986-)，男，湖北随县人，硕士研究生，目前主要从事RS与GIS在生态环境保护和区域规划方面的应用研究工作。

环保部专项—江西省生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估(STSN-05-14);国家水体污染控制与治理科技重大专项(编号：2012ZX07501001-06)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.011

Q149

A

1001-3679(2014)05-0617-08