近30年武汉市土地利用景观格局动态变化

方应波，张中旺，熊宏涛



近30年武汉市土地利用景观格局动态变化

方应波1，张中旺2，熊宏涛3

(1.广州南洋理工职业学院，广东广州 510925；2.湖北文理学院管理学院，湖北襄阳 441053；3.湖北国土资源职业学院，湖北武汉 430090)

基于1980s、1990s、2005年Landsat TM遥感影像和2010年欧空局(ESA)Globcover分类数据，运用RS和GIS技术及景观生态学方法，分析了1980s—2010年武汉市土地利用类型、土地利用动态度、土地利用景观格局的动态变化. 结果表明：农地是主要的土地利用类型，地块连续性增强，成片分布；林地和草地1990s破坏严重，2010年区域植被得到一定程度的恢复；水域所占比重持续下降，减少速度之快，触目惊心；受城市化进程影响，1990s—2010年建设用地增长最快，呈规模化、成片发展；1980s—1990s未利用地得到大幅度开发，2010年未利用地面积明显增加且趋于成片化发展，地块连续性增强.

土地利用；景观格局；武汉市

1995年由国际地圈-生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文领域计划(HDP)联合提出“土地利用/土地覆盖”(Land use and Land cover change, LUCC)研究计划以来，引起国内外学者的广泛关注，此后LUCC成为全球环境变化研究的热点[1-2]，其涵盖的内容包括以下3个方面：1)利用Landsat TM/ETM影像，经人机交互遥感图像解译后，对土地利用变化进行监测，评价与分析制图. 如李谢辉等以河南省1980s和2005年两期影像为数据源，对1980s—2005年土地利用／覆盖主要类型的演变进行了现状和动态分析[3]；邢容容等以1990年、2000年、2006年3期的Landsat TM影像和2011年卫星影像，分析了1990—2011年青岛市土地利用/覆被变化情况[4]. 2)进行土地利用/土地覆被变化动力学分析. 如李松等通过对新疆18个绿洲城市的1995年、2000年、2005年、2010年土地利用景观演变发展过程及驱动力进行分析，认为人文因素是绿洲城市土地利用景观演变的主导动力[5]；潘竟虎等采用四期Landsat TM遥感影像对玉门市近30年土地利用的变化及其驱动力进行了分析[6]. 3)开展土地利用/土地覆被与生态环境，可持续发展研究. 艾建超等以2005年和2009年的土地利用遥感影像图，通过构建景观格局指标及生态风险评价指标，分析了吉林省镇赉县景观格局变化和生态风险[7]；韩黎阳等分析了三峡库区兰陵溪小流域土地利用景观格局对水体氮、磷等输出时空特征及对其产生的影响[8].

2005年以来，伴随着武汉城市圈的建立和发展，尤其是2007年国务院正式批准武汉城市圈成为“两型社会”建设综合配套改革试验区，武汉市如何发挥科学发展与社会和谐的示范和带动作用，协调区域经济发展与环境保护的关系，不仅关系到武汉未来经济发展的方向，更关系到全国新型工业化、城市化发展成功的关键. 区域经济的发展势必会改变土地利用现状及景观格局，继而影响生态环境，而LUCC是全球环境变化的主要原因和组成部分之一，研究LUCC对了解区域生态环境变化、维持生态平衡、促进区域经济与环境的协调发展具有重要意义[9]. 因此，从长时间尺度研究武汉市土地利用结构变化规律及现状特征，是为“两型社会”建设和武汉市区域经济发展摸清家底，提供决策基础. 本文基于GIS/RS技术，以土地利用景观格局为切入点，对武汉市1980s—2010年土地利用类型、土地利用动态度、土地利用景观格局进行定量分析.

1 数据来源及处理

1.1 数据来源

文章涉及的遥感影像数据为武汉市1980s(1984年和1985年多景遥感影像拼接裁剪)、1990s(1995年和1996年多景遥感影像拼接裁剪)、2005年TM遥感影像和2010年欧空局(ESA)Globcover分类数据(分辨率为300*300m)，根据研究需要将其合并为农地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六种类型；武汉市矢量数据从全国1:400万基础地理数据库中提取，包括shapfile格式面状文件及边界，保留基本地理属性表信息.

1.2 数据处理

对武汉市的遥感影像进行几何校正及波段处理，拼接裁剪并在此基础上滤波后，再使用城市矢量面状文件进行掩膜裁剪，得到研究区域完整的Landsat TM遥感影像数据，在此基础上通过图像增强处理，运用监督分类的方法进行采样，建立分类模板，图像解译，最后进行精度评价. 加上2010年欧空局(ESA)Globcover分类数据，生成武汉市四时相土地利用数据(农地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地)，然后将土地利用数据转化为景观格局数据，利用Fragstats软件计算武汉市景观格局指数，分析景观结构特征.

2 结果与分析

2.1 土地利用类型动态变化

根据遥感影像解译结果，在ARCGIS9.3中分别导出4个时期土地利用类型的统计数据，再将数据导入数据库软件ACCESS，然后利用数据库的制表功能进行分类统计，最后获得武汉市不同时期各土地利用类型的面积及比重，如表1所示. 由于不同的遥感影像分辨率，解译误差等主客观因素限制，解译结果必然存在相应误差，最后统计出4个时期的总面积分别为：859 698.70hm2、859 700.14hm2、859 698.70hm2、860 205.05hm2，其误差相对于80多万hm2的总面积来说可以忽略不计，解译结果符合研究需要.

表1 1980s—2010年武汉市不同土地利用类型的面积及比重

表1反映了1980s—2010年武汉市六类土地利用类型面积及比重的变化情况，从中可以看出：按土地利用类型所占的比重排序依次是农地、水域、林地、建设用地、草地、未利用地，其中农地是主要的土地利用类型，占土地总面积的70%以上；从近30年土地利用的变化趋势看，水域所占比重虽然偏高，但一直在持续下降，其比重从1980s的19.35%减少到2010年的11.86%，减少速度之快触目惊心；农地所占比重一直偏高但变化不明显，1990s之前农地开发速度较快，之后农地开发速度逐渐放缓；林地在1990s之前破坏严重，其比重由1980s的8.25%下降到1990s的3.97%，1990s之后植被得到一定程度的恢复；草地所占比重一直偏低，且2005年以前持续缓慢下降，2005年以后草地得到一定程度的恢复，因前一时期比重过低，故2010年草地比重增幅达4.9倍；2005年之前建设用地所占比重持续增长，2010年以后增长速度放缓，其中2005年建设用地比重达近30年最高值；未利用地所占比重一直偏低，呈波动缓慢变化，1990s其比重达近30年最低值，说明1990s以前土地开发程度最强.

2.2 土地利用动态度测算

土地利用动态变化包括土地资源的数量、质量随时间的变化，也包括土地利用的空间变化及土地利用类型组合方式的变化. 本文主要利用遥感影像得到的土地数量数据，分析武汉市各类土地利用类型的数量变化. 土地利用数量变化可以用土地利用动态度来定量描述，分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[10-12]，文章选取单一土地利用动态度进行测算. 单一土地利用动态度以定量方式表达区域一定时间内某一类用地面积的变化幅度与变化速度，以及区域土地利用变化中的类型差异，其公式[10-12]为：

式中，为研究时段内某一种土地利用类型动态度，U、U分别为研究期初和期末某种土地利用类型的数量，为研究时段长. 当的时段设定为年时，值就是该研究区域内某种土地利用类型的年变化率. 据此得出武汉市各土地利用类型的动态度变化情况如表2所示.

表2 1980s—2010年武汉市单一土地利用类型动态度 /%

表2反映了1980s—2010年武汉市单一土地动态度的变化情况，从中可以得出：1980s—1990s土地利用类型减少的有林地、草地、水域、未利用地，其中未利用地减少速度最快，其它两类面积增加，其中建设用地增加最快；1990s—2005年土地利用类型减少的有农地、草地、水域，林地得到一定程度的恢复、建设用地与未利用地快速增长；2005—2010年土地利用类型减少的有林地、水域、建设用地，农地、草地、未利用地均有不同程度增长. 综合近30年的整体情况，水域面积一直持续减少，2005—2010年速度有所放缓，其它土地利用面积交错增减，其中建设用地变化幅度最大.

2.3土地利用景观格局动态变化

在研究武汉市土地景观格局时，文章选取拼块类型面积(CA)、拼块所占景观面积的比例(%LAND)、斑块个数(NP)、面积加权平均斑块面积(AREA-MN)、最大斑块面积百分比(Largest Patch Index，LPI)、周长面积分维指数(Perimeter-Area Fractal Dimension)几项指数进行分析[13-15].

在ARCGIS 9.3 软件环境下，将武汉市土地利用数据(*IMG格式)转化为矢量数据(SHAPE格式)，进一步转为栅格GRID格式，将转化后的土地利用数据导入FRSGATATS3.5，选择以上筛选的景观指数进行计算，得到武汉市不同时期景观指数如表3所示. 表3反映了武汉市1980s—2010年不同景观在斑块类型水平指数上的变化情况.

表3 1980s—2010年武汉市不同景观斑块类型的水平指数

农地景观变化 自1980s—2010年农地景观拼块类型面积CA和拼块所占景观面积的比例%LAND均较大，变化趋势为先增加后下降且增加的幅度超过下降的幅度，说明农地一直是优势景观，其变化趋势是农业在产业结构调整中地位的反映；农地斑块个数NP持续下降，面积加权平均斑块面积AREA-MN持续上升，说明农地景观破碎程度越来越低，地块连续性增强，成片分布；农地最大斑块面积百分比LPI总趋势上升，2010年略有下降，周长面积分维指数Perimeter持续下降，说明人类对农地景观的影响在逐渐增强，由于人为平整土地，农地斑块形状更有规律，斑块的几何形状趋于简单.

林地景观变化 自1980s—2010年林地景观拼块类型面积CA和拼块所占景观面积比例%LAND均较小，说明林地不是区域优势景观，其变化趋势反映1990s植被破坏严重，2010年区域植被得到一定程度的恢复；林地斑块个数NP均较大且持续下降，面积加权平均斑块面积AREA-MN先降后升，表明林地景观整体分散零碎，其中1990s因植被破坏，林地最为破碎；林地最大斑块面积百分比LPI均较小且持续下降，周长面积分维指数Perimeter均较大，表明林地受人类影响，零碎分布，斑块形状极不规则.

草地景观变化 自1980s—2010年草地景观拼块类型面积CA和拼块所占景观面积的比例%LAND均先减小后快速增加，1990sCA与%LAND均达最小值，2010年CA与%LAND快速增长，其变化趋势表明草地于1990s遭受破坏，零碎分布，2010年后草地恢复速度较快；草地面积加权平均斑块面积AREA-MN与最大斑块面积百分比LPI均先降后升，其变化趋势同样可以反映出草地在1990s遭受破坏，2010年后草地迅速恢复且呈连片分布；草地周长面积分维指数Perimeter持续下降，说明受人类干扰程度越来越强.

水域景观变化 自1980s—2010年水域景观拼块类型面积CA、拼块所占景观面积的比例%LAND、斑块个数NP、最大斑块面积百分比LPI、周长面积分维指数Perimeter五项指标均持续下降，表明水域受人类影响最强烈，水域面积和水域景观个数减少严重；水域拼块所占景观面积的比例由1980s的19.42%下降到2010年的11.89%，“百湖之市”的称谓已成历史；水域面积加权平均斑块面积AREA-MN持续上升，1990s—2010年AREA-MN由226.55上升到444.49，说明小湖泊消失较多，1990s—2010年水域面积萎缩最快.

建设用地景观变化 自1980s—2010年建设用地景观拼块类型面积CA、拼块所占景观面积的比例%LAND和最大斑块面积百分比LPI均持续上升，反映城市化进程的步伐，其中1990s—2010年建设用地快速增加；建设用地斑块个数NP、面积加权平均斑块面积AREA-MN波动变化，其中1990s—2010年变化最为明显，表明此阶段建设用地呈规模化、成片发展；建设用地周长面积分维指数Perimeter整体偏小且持续下降，2010年该指标达六项景观类型的最小值，表明建设用地景观形状最有规律，受人类干扰最大.

未利用地景观变化 自1980s—2010年未利用地景观拼块类型面积CA、拼块所占景观面积的比例%LAND波动变化，其中1980s—1990s变化最快，表明该时段未利用地得到大幅度的开发，2010年未利用地面积明显增加；未利用地斑块个数NP和面积加权平均斑块面积AREA-MN变化表明未利用地趋于成片化发展，地块连续性增强；最大斑块面积百分比LPI、周长面积分维指数Perimeter变化幅度不大，变化趋势同样反映出2010年地块呈片状发展.

3 结语

基于GIS/RS技术，通过定量分析1980s—2010年武汉市土地利用类型、土地利用动态度、土地利用景观格局三个方面的变化情况，主要结论如下：

1)土地利用类型变化. 从土地利用类型所占的比重看，农地是主要的土地利用类型，占土地总面积的70%以上；从近30年土地利用的变化趋势看，水域所占比重近30年一直持续下降，减少速度之快触目惊心；农地在1990s之前开发速度较快，之后开发速度逐渐放缓；林地在1990s之前破坏严重，1990s之后植被得到一定程度的恢复；草地所占比重一直偏低，2005年以前持续缓慢下降，2005年以后草地得到恢复；建设用地2005年之前持续增长，其中2005年建设用地比重达近30年最高值；未利用地所占比重一直偏低，呈波动缓慢变化.

2)土地利用动态变化度. 水域面积一直持续减少，2005—2010年变化速度有所放缓，其它土地利用动态变化度交错增减，其中建设用地变化幅度最大.

3)土地景观格局变化. 农地景观破碎程度越来越低，地块连续性增强，成片分布，同时由于人为平整土地，农地斑块形状更有规律，斑块的几何形状趋近于简单；林地1990s破坏严重，2010年区域植被得到一定程度的恢复，林地景观整体分散零碎，斑块形状极不规则；草地于1990s遭受破坏，零碎分布，2010年后草地恢复速度较快且呈连片分布；水域受人类影响最强烈，其中1990s—2010年水域面积萎缩最快，水域面积和水域景观个数减少严重，小湖泊消失较多，“百湖之市”的称谓已成历史；由于受城市化进程影响，1990s—2010年建设用地增长较快，此阶段建设用地呈规模化、成片发展，其景观形状趋于简单；1980s—1990s未利用地得到大幅度开发，2010年未利用地面积明显增加且趋于成片化发展，地块连续性增强.

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Dynamic Changes of Land Use and Landscape Pattern in Wuhan City in the Past 30 Years

FANG Yingbo1,ZHANG Zhongwang2,XIONG Hongtao3

(1.Guangzhou Nanyang College, Guangzhou 510925, China;2. School of Management, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China;3. Hubei Land Resources Vocational College, Wuhan 430090, China)

Combined with the integrated technology of RS/GIS technology and landscape ecological method, based on the Landsat TM image of 1980s, 1990s, 2005 and ESA’ Globcover data of 2010, this paper analyzed the changes of land use/cover and landscape pattern of Wu’han City form 1980s to 2010. The results show that agricultural land, which is continuous, is the main land use type. Forestland and grassland, which were partly restored in 2010, were damaged seriously in1990s. The proportion of waters decreased continuously from 1980s to 2010. With the promotion of urbanization process, construction land increased most rapidly from1990s to 2010. Unutilized land, which increased gradually large-scalely and continuously in 2010, developed greatly from 1980s to 1990s.

Land use; Landscape pattern; Wuhan City

(责任编辑：陈 丹)

F291.1

A

2095-4476(2015)02-0034-05

2014-10-13;

2015-01-05

湖北省科技支撑计划项目(2014BDF044); 湖北省社会科学基金项目(2012088)

方应波(1980— ), 男, 湖北大悟人, 广州南洋理工职业学院讲师.

张中旺(1966— ), 男, 湖北孝感人, 湖北文理学院管理学院教授, 博士, 主要研究方向：区域水安全与可持续发展.