基于GIS的曲阜市景观格局分析

许淑婧， 张杰云， 吕海成， 魏新玲， 白玉娜

(信阳师范学院华锐学院，河南信阳 464000)

基于GIS的曲阜市景观格局分析

许淑婧， 张杰云， 吕海成， 魏新玲， 白玉娜

(信阳师范学院华锐学院，河南信阳 464000)

摘要以1987年和2002年TM遥感影像为数据源，在ENVI 4.0平台下提取曲阜市1987～2002年景观格局动态变化信息，利用FRAGSTATS 3.3软件提取研究区的斑块指数、形状指数等景观格局指标，并进行分析。结果如下：研究区建设用地、林地面积增加，农用地、水域面积减少；斑块数量、密度增加，形状指数降低。这表明研究区景观格局的变化受人类活动的影响较大，应加大对土地资源的保护并进行合理规划，走可持续发展之路。

关键词RS；GIS；景观格局变化；景观指数

土地利用景观格局是自然因素与人为因素相互作用产生的一定区域生态环境体系内的综合反映。目前，相关学者常结合景观格局及变化的分析模型来研究景观格局变化的空间结构及其变化趋势。利用遥感图像的空间特征、光谱特性和时间特性研究城市景观过程，揭示其生态状况及变化规律，已成为当前国内外开展景观格局研究的最新趋势。遥感技术具有快速、准确、周期性、宏观性和实时获取资源环境状况及其变化数据的优势，同时数据处理分析系统和地理信息系统又具有多种数据的综合处理分析能力[1-4]。在遥感技术和地理信息系统的支持下，对曲阜市景观格局进行分析具有重要意义。

该研究以曲阜市为例，运用ENVI4.0软件、FRAGSTATS软件对曲阜市土地利用景观格局进行分析，旨在为曲阜市的景观生态规划与生态管理提供科学依据，以改善日益脆弱的生态系统，促进经济社会与生态环境的和谐发展。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况曲阜市位于山东省西南部，是国务院首批公布的历史文化名城之一，地理坐标为116°51′～117°13′E，35°29′～35°49′N，南北最大纵距35.8km，东西最大横距25km，总面积895.93km2。曲阜市属暖温带季风性大陆气候，四季分明，具有春季多旱、夏季多雨、秋季干旱、冬季干冷少雪的气候特点。

1.2研究方法首先使用ENVI4.0软件在1987年和2002年两幅不同时相的TM影像中截取曲阜市所在区域，并进行图像预处理，主要进行图像校正、图像配准、直方图匹配与中心化等工作。在此基础上，对影像进行监督分类，采用计算机解译和人机交互解译相结合的方法，研究其景观格局变化规律。为了提取景观格局变化信息，采用多波段遥感数据融合的方法进行统计分析和相关性分析。根据地表景观特征建立景观格局解译标志，解译出两期景观格局现状图。其次，将解译结果中的景观格局分类图像导入FRAGSTATS软件中进行处理，得出研究区的斑块指数、形状指数等景观格局指标。最后，由所得结果及统计资料分析影响景观格局变化的驱动力因子。

1.3数据来源遥感数据源采用曲阜市所在地两期LandsatTM影像，成像时间分别是1987年9月19日和2002年5月31日，轨道号为122-35。每景TM影像的地面覆盖面积为185×185km2，主要从可见光到红外波长范围，有7个波段。其中TM1～5，7波段空间分辨率为30 m，TM6波段空间分辨率为120 m。1987年影像采用1(R)、4(G)、7(B)假彩色合成方案，2002年影像采用4(R)、3(G)、2(B)标准假彩色合成方案，方案层次好，色彩分明。非遥感信息数据包括曲阜市土地利用类型图和各种文献资料、相关年份统计数据等。

2结果与分析

2.1图像预处理

2.1.1几何校正。卫星在运动过程中会出现卫星姿态和飞行路线的变化以及传感器本身的误差，存在着像片倾斜和地形起伏而引起的像点位移，以及受地球表面曲率、大气折射、地球自转的影响，常常会引起卫星图像的几何畸变。因此，在进一步应用遥感图像之前，必须进行图像的几何校正。几何校正的过程包括两个基本环节：一是像素的坐标变换；二是像素亮度值的重采样。坐标变换过程中控制点(GCP)的选取是其关键步骤，控制点选取越准确，其校正结果越精确。重采样过程中配准精度应在1个像素之内，为进一步的遥感影像融合、分类做好数据准备。

2.1.2图像配准与增强。对几何校正后的TM多波段影像进行图像配准与增强处理，以增强图像的目视解译效果，提高解译精度。研究中，借助ENVI4.0软件，以经过几何校正后的2002年曲阜市TM影像为标准参照图像，选取了17个同名地物点作为地面控制点(GCP)，对1987年曲阜市影像进行配准，控制点在图像的4个角和中央位置均有分布，以保证不同年份的控制点在同一位置。配准后图像的投影为UTM，以WGS-84大地坐标系为基础面。配准的结果满足均方根误差不大于1个像元的要求。然后将2002年的曲阜市遥感图像边界利用ArcGIS9.2进行矢量化，以矢量化后的图层为基准，利用ENVI4.0软件建立感兴趣区域(ROI)，在1987年遥感影像上切取出曲阜市行政辖区，即得到研究区。

2.2遥感图像融合遥感图像融合是将多波段信息或多源数据信息加以综合，以增强图像中信息透明度，改善解译精度。曲阜市遥感图像融合主要是依据选择最佳波段进行融合时要以合成后的信息量最大和波段之间的信息相关最小的原则，结合研究目的，为突出显示农用地、建设用地、林地、水域等信息，在1987年9月19日的TM单波段文件中选取1、4、7三个波段分别赋予红、绿、蓝进行假彩色合成，2002年5月31日的TM单波段文件中则选取4、3、2三个波段分别赋予红、绿、蓝进行标准假彩色合成，合成后的假彩色合成图像如图1、图2所示。

2.3图像分类研究参考中科院的土地利用分类系统，并结合研究区的具体状况及遥感影像特点，把曲阜市的景观分为以下几个类型：农用地、建设用地、水域、林地、其他用地。通过对两个时期的遥感影像进行人机交互解译，得到各个时期的土地利用分类图。图3为1987年曲阜市遥感影像解译结果，图4为2002年曲阜市遥感影像解译结果。分类过程中，利用ENVI4.0软件的sieve、clump、combine等功能对分类不精确的小图斑进行修改，使之达到分类精度要求。

各时期景观格局类型面积如图5所示。由图5可知，1987～2002年景观格局类型基本结构未发生大的变化，优势类型均为农用地、建设用地，分别占总面积的72.71%，12.84%(1987年)和61.58%，22.69%(2002年)。曲阜市1987～2002年建设用地、林地和其他用地面积均有逐渐增加的趋势，建设用地面积增加了8 825.35hm2，变化率为76.69%，林地面积增加了1 003.55hm2，变化率为41.51%，其他用地面积增加了587.66 hm2，变化率为11.02%。农用地和水域面积呈逐渐缩小的趋势，农用地面积减少了9 971.26hm2，变化率为-15.31%，水域面积减少了445.29 hm2，变化率为-8.58%。这表明随着人口增加、社会经济发展，居住与基础设施建设占用了大量土地。

2.4景观指数分析根据研究区土地景观特点，运用FRAGSTATS软件在景观水平上选取斑块数、斑块密度、形状指数等[5]，结果如表1所示。

景观斑块数量、密度反映景观整体斑块分化程度，斑块数量、密度指数越大，破碎化程度越高，景观异质性也越高。

从整体景观结构指数上看，1987～2002年斑块数量、密度均表现出稍有增加的态势，斑块数量和密度均增加了4.64%，这表明研究区的景观破碎化程度增加，斑块越来越趋向于离散分布，亦验证了在城市化进程中，受人类活动的干扰，城市的土地利用景观破碎化程度升高的趋势。

形状指数主要反映斑块形状的复杂性，即形状指数越小，斑块的几何形状越简单，表明受人类干扰的程度越大。在过去的16年间，形状指数下降了0.96，斑块形状的复杂程度呈下降趋势，表明人类活动对土地利用格局的影响在逐步加强。

3讨论

3.1自然因素的影响自然条件是人类一切活动的前提，包括地质、地貌、土壤、植被、气象、气候和水文等方面的因素。不同的自然条件下适宜人类社会、经济活动的方式是不同的，且不同的地域决定景观格局变化的主导性因子也是不同的。其中，气候条件对景观格局变化有制约作用，主要表现在其对农作物、林木种类选择及其分布、组合、耕作制度和产量的影响上。对曲阜市而言，气温和降水状况是主要限制因子。由以下各年平均气温分布图可以看出，1987～2002年气温变化幅度不大，对景观格局变化的影响比较微弱(图6)。

3.2人文因素的影响尽管从长时间尺度上看，自然和人为因素都驱动着景观格局变化，但在短时间尺度上，人类活动无疑是景观格局变化最主要的驱动因素[6-9]。

3.2.1人口因素。曲阜地区人口比较稠密，农业发展水平较高，在景观格局变化的驱动力中，人口是个非常重要的因素。随着人口的增加，人们的栖息地和其他用地要增大，在一定程度上要占用部分农用地。人口增加对景观格局变化产生了一系列影响。

首先，随着经济的发展和人口的增加，建设用地迅速扩展。据统计，1987年曲阜市年末总人口为55.7万人，人口密度为684人/km2，到2002年人口增长至63.94万人，人口密度为785人/km2，比1987年增长了14.8%。由图5可知，2002年建设用地面积比1987年增加了88.25 km2。这表明由于生产生活的需要，人口增加会导致建设用地面积总量增加。建设用地增加还表现在城镇用地的扩张上。随着城市化的发展，农村人口不断向城市转移，使城区居民用地面积迅速扩展，大量的农业用地转化为工矿建设用地、城镇用地。

其次，人口增加会造成农用地数量的减少。从图5可以看出，2002年农用地面积比1987年减少了9 971.26hm2。这表明，虽然人口增加会引起农用地需求的增加，比如曲阜东部山区实施了生态退耕的措施，但在市场与比较利益驱动下，农用地，特别是城镇周围的优质耕地仍不断被占用且大量流向交通用地、工矿用地等建设用地。

最后，人口增加造成的建设用地扩张会导致部分林、草地被破坏，水域面积减少，加速了生态环境恶化，但由于曲阜市在植树造林方面取得了一定成效，比如随着旅游业的发展，政府加大对林地的保护力度，使得曲阜市的林地面积有所增加。

3.2.2经济因素。改革开放以来，处于工业化和城市化过程中的曲阜市经济发展水平位居济宁市前列，处于经济发展粗放型阶段。随着GDP的增长，建设用地面积增加，农用地面积减少。由图7可看出，曲阜市2002年第二、三产业的产业结构比重比1987年分别增加了23.2%、17.2%，增幅较

大。1987～2002年，曲阜市着力推进了工业、商贸流通业、旅游业、房地产业等领域的重大项目建设，并发展了机电汽配、电缆电源、纺织建材、生物医药、煤炭电力等优势产业。这些大规模的生产活动，尤其是工业生产活动都要求有地势平坦、面积大且承压力强的土地，因而大量的农用地被占用。而且，随着城市发展，尤其是旅游业的需求，道路交通设施等城市基础设施不断完善，如327国道、104国道在曲阜段的规划建设，孔孟新道等各类公路的建成，使得部分农用地流向交通建设用地。由图5也可以看出，农用地面积由1987年的651.44km2减少到2002年的551.73 km2，建设用地面积由1987年的115.07 km2增加到2002年的203.33 km2。农用地大量流向非农建设用地是经济快速发展地区面临的一个普遍问题。

4结论

(1)研究区景观格局类型以农用地和建设用地为主，16年来研究区农用地、水域面积有所减少，建设用地、林地和其他用地面积有所增加。

(2)研究区景观格局变化的方向是部分农用地、水域转化为建设用地、林地和其他用地。

(3)曲阜市景观格局驱动力分析表明，在较短时期内，自然因素对景观格局的变化影响较小，人口压力、经济因素是影响景观格局变化的主要驱动力。

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中图分类号S127;TP75

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)30-083-03

作者简介许淑婧(1988- )，女，山东菏泽人，助教，硕士，从事城市污染方面的研究。

收稿日期2015-09-16

AnalysisonLandscapePatterninQufuCityBasedonGIS

XUShu-jing,ZHANGJie-yun,LVHai-chengetal(HuaruiCollege,XinyangNormalUniversity,Xinyang,Henan464000)

AbstractWith remote sensing TM image of 1987 and 2002 as the data source, extracting landscape pattern of dynamic change information of 1987 and 2002 in Qufu City under ENVI4.0 platform, and use FRAGSTATS3.3 to extract the area’s plaque index, shape index and so on. The results are as follows: the area of building land and forest land are increasing; the area of agriculture land and waters are decreasing; the number and the density of plague are increasing, the shape index is decreasing. This shows that the change of landscape pattern is more influenced by the human factors. We should increase the protection of land resources to maintain a sustainable development.

Key wordsRS; GIS; Landscape pattern change; Landscape index