基于RS和GIS的百色市西林县耕地景观格局演变及其驱动因子分析

童新华张福文韦燕飞

（1.广西师范学院地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；2.广西师范学院国土资源与测绘学院，广西 南宁 530001）

基于RS和GIS的百色市西林县耕地景观格局演变及其驱动因子分析

童新华1张福文1韦燕飞2

（1.广西师范学院地理科学与规划学院，广西 南宁 530001；2.广西师范学院国土资源与测绘学院，广西 南宁 530001）

利用Erdas软件对获取的2005年和2012年西林县TM影像数据进行遥感解译，并用ARCGIS软件对图像进行数字化，栅格格式转换处理，最终获取百色市西林县的耕地格局；选择相关景观指数使用 fragstas3.4软件结合相关的数学分析方法，对西林县的耕地空间分布特征进行定量分析，研究其变化的驱动因素。结果显示：西林县2012年的耕地景观比2005年更显离散化分布，耕地景观破碎度增加，耕地的数量有所下降，而耕地景观的整体形状显得更有规则化。

耕地；景观指数；格局演变；驱动因子

国家统计局公布的数据显示，2013年我国粮食总产量达到 60193.5万吨，人口总数 13.6亿人，人均粮食产量为442.60kg，还远远低于发达国家的标准。依据2013年我国国土资源公报，截止2012年底我国耕地面积为20.27亿亩。从数据上看全国耕地总面积虽然大于国家提出的18亿亩耕地，但由于我国是一个多山区的国家，耕地资源分布极不均匀，特别是西部地区耕地数量少且耕地的质量水平总体较低；另外耕地资源利用方式粗放，粮食生产成本较高、产量提升空间小，耕地保护形势依然严峻。

广西壮族自治区是一个多山地少平原的地区，2012年底广西壮族自治区总人口为5240万人，2012年广西土地利用年度变更调查成果显示2012年底广西的耕地面积为6624.59万亩，人均耕地面积为 0.0843公顷，低于全国的平均水平0.093公顷[1]；耕地资源总量较少，经济、科技相对比较落后，对耕地资源的利用更是处于比较粗浅的层次，耕地资源少及利用不合理的双重制约，更加加剧了快速增长的粮食需求与粮食产量不足的矛盾。因此切实保护耕地，充分合理利用耕地资源成为了人们生活的重中之重。

1 研究区概况

西林县位于广西壮族自治区最西端，地处桂、滇、黔三省（区）结合部，介于东经 104°29′～105°36′，北纬24°11′～24°44′之间。属亚热带季风气候，年内最冷月与最热月平均气温差值较小，夏无酷暑、冬无严寒。全境以土山为主，占全县总面积的95%。土壤以山地红壤为主，其他类型还包括水稻土、黄壤土、石灰岩土、冲积土等四类。土壤质地多属壤质，土壤结构旱地以团粒结构为主，水田以小块状结构为主，土壤耕层疏松。2012年末西林县土地总面积为299725.99公顷，占广西壮族自治区国土面积的1.26%，2012年末西林耕地面积为22018.55公顷，占广西壮族自治区总耕地的0.5%。

图1 西林县位置示意图

2 研究方法

2.1 数据来源

研究数据来源包括：由统计年鉴记录的2012年西林县的自然、经济及人口数据；西林县2005年和2012年的TM遥感影像数据；西林县2012年度土地利用年度变更调查数据及部分相关的土地利用规划数据。

2.2 数据处理及信息获取

参考全国土地利用分类体系结合研究区域的景观类型特点[2]，西林县耕地景观包括水田、旱地、水浇地、望天田、菜地和其他农用地。在ERDARS9.1软件的支持下，对2005年和2012年西林县两期TM遥感影像进行几何校正与配准，辐射校正，投影变换，空间增强和裁剪等预处理。在通过野外实地调查获得研究区域实际经验的基础上，将土地利用类型分为耕地和非耕地两类，并结合2005年和2012年西林县土地利用现状图及野外调查数据对TM影像进行遥感解译，从而得到西林县耕地空间分布图。选用随机采样方法在各地取 100个像元，经实地野外调查形成误差评价表（表1），从表1可以看出2005年和2012年得解译结果总体精度分别为0.865和0.875，kappa系数分别为0.73和0.75，均满足最低容许判别精度0.7的要求。

表1 解译误差评价表

将解译结果导入ARCGIS软件进行数字化，在西林县土地利用现状矢量数据基础上，对数据进行预处理，包括耕地数据的提取，属性的剔除与属性的增加，数据的裁剪，拓扑错误的改正，同时建立空间数据库；再利用ARCGIS软件进行拓扑处理，栅格转化，空间统计，最后将耕地景观数据转化成GRID格式，使用Fragstats3.4软件进行景观指数的计算。

2.3 景观指数选取和计算

景观格局包括景观组成单元的类型、数目以及大小不一的景观斑块在空间上的配置，是景观异质性的具体体现[3]。景观格局特征可以在 3个层次上分析：单个斑块、由若干单个斑块类型的整个组成的斑块类型和包括若干斑块类型的整个景观镶嵌体。相应的景观格局指数也存在三个水平上不同的指数:斑块水平指数、类型水平指数和景观水平指数。斑块水平指数包括斑块的面积、形状、边界特征等[4]；类型水平有斑块的平均面积、平均形状指数、斑块密度等；景观水平指数除了各种类型指数外还有各种多样性指数、聚集度指数、距离指数和生境破碎化指数等。本文选取以下几个指数进行分析。

（1）平均斑块最近距离，即斑块之间距离的大小，可以直接反映景观要素分布离散或团聚程度，一般来说ENN值大，反映出同类型斑块间相隔距离远，分布较离散；反之，说明同类型斑块间相距近，呈团聚分布[5]。其计算公式为：

式中，hij为景观中每一个斑块与其最近邻体的距离，N’是具有邻体斑块的总数。

（2）)斑块密度（PD）

该指数是斑块个数与景观总面积的比值，即每平方千米（100hm2）的斑块数。值愈大，景观破碎化程度愈高，空间异质性愈大。它反映了景观空间结构的复杂性，根据这一指数可以比较耕地景观破碎化程度。斑块密度表达式为：

N表示研究区斑块总数或景观中某类型景观的斑块个数，A表示各研究区域的总面积或景观的总面积[6]。

（3）最大斑块指数（LPI）等于某一斑块类型中的最大斑块占据整个景观面积的比例。该指数有助于确定景观中的优势类型，其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征；其值的变化可以改变干扰的强度和频率，反映人类活动的方向和强弱[7]。计算公式为：

其中aij是斑块的面积，A为包括景观内部背景在内的总面积。

（4）平均形状斑块指数（SHAPE＿MN）

该指数是度量景观斑块边界的规则程度、斑块形状复杂性的重要指标。该指数的值越小说明景观斑块的形状越接近最为简单的方形，值越大说明斑块形状越复杂越没有规则[8]。计算公式为：

式中：m为斑块类型，p为斑块的周长，a为斑块的面积，N为景观中的斑块总数。

（5）平均斑块分维数（FRAC＿MN）是景观组中单个斑块的分维数以面积为基准的加权平均值，用来衡量斑块边界的复杂程度，值越大说明斑块边界的形状越复杂，它的取值范围是1≤FRAC＿MN≤2[9]。计算公式为：

其中aij，pij分别是斑块的面积和周长。m为斑块类型，n为斑块的数量。

（6）聚合度指数（AI）是基于同类型斑块公共边界长度来计算，当类型斑块不存在公共边界时，该类型的聚合度最低，而当类型斑块的公共边界达到最大值时，该类型的聚合度最高。可以反映景观组分的空间配置特征，度量斑块类型的非随机性或聚合程度。计算公式为

其中gij是相应景观类型的相似邻接斑块数量[10]。

3 西林县耕地景观格局变化结果与分析

利用RS和GIS方法处理西林县2005年和2012年两期TM遥感图像，并结合土地利用现状数据建立耕地空间数据库，并Fragstats3.4软件进行景观指数的计算，得出西林县耕地景观格局各种分布特征。

3.1 耕地景观单元特征变化

西林县耕地景观斑块数从2005年的17370减少到17294，斑块总面积减少了 24.3961hm2²，年均减少 3.4852 hm2²。另外斑块最小面积减小，斑块的平均面积增大。斑块总面积的减少及斑块最小面积的减小反映了耕地景观呈退化的趋势，这一方面与国家实施的退耕还林政策有关[11]；另一方面也受快速的城镇化及工业发展等人类的经济建设挤占耕地资源的影响。

表2 耕地景观单元特征指数

3.2 耕地景观斑块数量特征

西林县 2005年、2012年耕地斑块面积在 1hm²以下和1-5hm²的斑块占的比重较大，在 5hm²以下的分别达到了95.64%和96%，而10hm²以上的斑块数均不到总数的2%，体现了该县耕地较为破碎零散，不易于管理和有效利用耕地资源。1hm²以下的斑块比重由71.42%增加到72.32%，1hm²以上的比重均呈下降趋势，说明斑块破碎程度进一步增大，反映耕地资源退化与流失。

图2 年度斑块面积等级比重图

3.3 耕地景观指数变化

耕地景观指数变化表明：西林县2012年耕地景观平均斑块最近距离（ENN＿MN）大于 2005年，同时斑块密度（PD）减小，聚合度（AI）降低，说明耕地景观的破碎度增加，耕地的空间分布日趋离散，集中度越来越来小。2012年最大斑块指数（LPI）由2005年得1.9578上升到2012年的1.9600，说明面积较大的耕地斑块数量有所增加，连片的耕地分布变得更加紧密。2012年的耕地平均斑块形状指数（SHAPE＿MN）和平均斑块分维数（FRAC＿MN）均比2005有所降低，表明耕地景观边界日益规则化，形状的复杂程度下降。整体表明，随着土地利用总体规划的实施及基本农田划定工作的实行，西林的耕地景观整体的复杂度降低变得日趋有规则，较之以前更方便耕作和管理；但随着快速的经济社会发展和城镇化，人地矛盾的进一步加剧，耕地受到的破坏和侵占也进一步加重，往后保护耕地的工作有待进一步的加强。

表3 耕地景观格局指数

3.4 驱动因子分析

通过2005年和2012年两个时段的耕地景观格局对比分析，可以得出西林县的耕地景观数量有所下降，空间分布呈离散化趋势，耕地景观的内部结构不稳定，存在退化的现象。结合近年来的西林县统计年鉴和社会经济实际数据，把影响耕地景观格局演变的因素分为内驱动因子和外驱动因子。内驱动因子主要包括地形、地貌、区位、水热、光照等；外驱动因子主要包括工业化、城镇化、耕地政策等人为的干扰活动。

3.4.1 内驱动因子

西林县地处云贵高原向广西丘陵过渡地带，全境以土山为主，占全县总面积的95%[12]。地貌类型复杂，地势起伏不平，谷深坡陡，耕地主要沿着河流两岸零散分布；另外该地区岩溶地貌发育，水土流失发生和发展的潜在危险性很大，为治理水土流失不得不实行退耕还林政策，其中 1996-2005年，退耕还林面积就达到了 9586.73公顷。可见复杂地貌的类型及该地区生态安全的需求是决定该地区耕地离散化分布及耕地资源量少的主要内驱动因子。

3.4.2 外驱动因子

该地区以山地丘陵为主，适合开发建设的用地较少，同时为治理水土流失需保护森林植被，为了发展和生存不得不占用部分耕地。但随着社会经济的快速发展及人口的增加，城镇化及工业化的同步推进，人们的生产生活用地的需求量也急剧增加，使得耕地保护布局与城镇化、工业化布局时有重叠，耕地保护与经济社会发展冲突日益增多，人地矛盾日趋加重。人类生存，生产需求对耕地产生的强烈干扰活动是驱动该区域耕地景观格局发生变化的主要外在因子。

4 结语

运用RS技术和GIS技术结合景观格局分析方法，对西林县耕地景观格局的变化研究及驱动因子分析表明，该县2005-2012年间的耕地景观格局破碎程度有所增加，主要表现为斑块的最大面积减小，面积较小的斑块数量增加；景观结构复杂程度有所降低，主要表现为斑块边界日益规则化；景观数量有所下降，主要表现为2012年的耕地数量比2005年的少。耕地景观格局的变化一方面受由该地区的地貌以丘陵土山为主，耕地资源总量少，同时为治理水土流失保证生态安全实行退耕还林政策驱动变化；另一方面，经济社会的发展，人口的增加，“一要吃饭，二要建设”两者矛盾的激化也是驱动耕地景观格局变化的重要因子。

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Based on RS and GIS in the Baise Xilin farmland landscape pattern evolution and its driving factors analysis

Using Erdas software to obtain the xilin county in 2005 and 2005 TM remote sensing image data, and interpret the image by ARCGIS software digital, grid format conversion processing, eventually taking baise distribution of farmland landscape xilin；Select the relevant landscape index using fragstas3.4 software combined with related mathematical analysis method, carries on the quantitative analysis on the arable land, the spatial distribution characteristics of xilin, to study the changes of drivers. Results show that the xilin of farmland landscape in 2012 more than 2005 discrete distribution of farmland landscape fragmentation increases, the amount of cultivated land decreased, while the overall shape of the farmland landscape more rules.

arable land;landscape index;pattern of evolution;driving factors

S29

A

1008-1151(2015)02-0052-03

2015-01-10

童新华（1964－），男，广西百色人，广西师范学院地理科学与规划学院副教授，从事国土信息技术研究。