指数法在平顶山市新城区景观格局分析中的应用

刘建华，王世峰，刘宝平，吴 薇，梁 峰，李冰冰(. 平顶山市综合利用环境保护研究所，河南 平顶山 46706；. 河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 46706；. 河南城建学院 生命科学与工程学院，河南 平顶山 46706)

指数法在平顶山市新城区景观格局分析中的应用

刘建华1，王世峰1，刘宝平1，吴 薇1，梁 峰2，李冰冰3
(1. 平顶山市综合利用环境保护研究所，河南 平顶山 467036；2. 河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036；3. 河南城建学院 生命科学与工程学院，河南 平顶山 467036)

基于平顶山市1990年、2000年和2010年的TM遥感影像，采用指数评价法对平顶山市新城区规划和建设过程中景观格局的变化特征进行数据分析。结果表明：近20 a来，研究区域整体上景观破碎化程度先增大后减小，景观多样性先减少后增加，景观优势度先增大后略有减小。平顶山市新城区的生态环境质量总体上略有提高，但新城区的建设也对白龟湖流域的生态环境带来了一定风险。

指数评价；景观格局；平顶山市

景观格局分析的目的是通过分析景观空间格局的特征，并把它与时间过程联系起来，研究其随时间的变化、演替和外界干扰对景观格局的影响，从而更清晰地研究和把握景观格局与生态过程相互作用的内在规律[1-3]。快速的城市化过程剧烈影响着下垫面的变化，引发环境污染、生态恶化等问题，这些问题的出现均与景观格局演变密切相关，因此研究城市景观格局演变及其生态环境效应成为社会热点[4-6]。指数法根据具体的研究对象、分析尺度和各指数所表达的生态学意义，选择适当的景观指数进行定量计算，就可以直观表征景观格局的特点，详尽地刻画景观格局及动态趋势。本文利用平顶山市1990年、2000年和2010年的TM 遥感影像作为基础数据源，采用指数评价法定量研究平顶山市新城区所在白龟湖流域近20 a间的景观格局。通过分析该区域土地利用的历史演变过程，分辨了具有显著性差异的景观结构，研究了景观格局的变化以及该变化所产生的生态环境效应；利用景观生态学的原理和方法分析评估生态状况来辨析流域生态环境是否发生退化。研究结果为了解该区域景观结构特征及其对生态环境的影响提供定量化方法，从而为该区域生态环境的恢复以及区域规划、管理、保护和修复提供依据。

1 研究区域概况

平顶山市位于河南省中部，介于112°14′ E～113°41′ E和33°08′N～34°20′ N，属煤炭型工业城市，现辖新华区、卫东区、湛河区、石龙区4个区，宝丰县、郏县、鲁山县和叶县4个县以及1个县级市舞钢市。全境西高东低，呈阶梯状递降，东西长150 km，南北宽140 km，市域总面积6 309 km2，总人口约435万人。

平顶山市新城区规划范围北起漯宝铁路，东至姚孟电厂，西起毛营军铁专用线，南至白龟湖。伴随着平顶山市新城区的规划和建设，大批基础设施和公共服务设施陆续建成投用，城市功能逐步完善，截至2010年底，新城区已建成区面积达15 km2。新城区的规划和建设过程必然会引起其所在的白龟湖流域的景观格局发生变化，因此有必要对该区域近20 a的景观格局变化情况以及这些变化对白龟湖流域生态环境产生的影响展开分析。

2 研究方法

2.1 数据源与影像预处理

本研究数据来源主要为平顶山市1990年、2000年以及2010年的LANDSAT TM遥感影像图、平顶山市1 ∶10 万土地利用现状图、平顶山行政区划图、各年度的统计年鉴以及其他相关文献资料。利用目视判读和数字化工作将其矢量化，并用于景观空间格局的分析计算。

2.2 土地利用类型的确定

土地利用类型的划分依据相关标准并结合研究区域土地利用格局特征并参考前人的一些研究结果[5, 7-9]。从高级到低级逐级划分，将该区域景观类型分为5大类17小类。

2.3 景观格局分析的指标及其计算方法

关于景观空间格局分析的涉及指标很多[10-11]，本文选取了几种有代表性的指标，通过计算这些指标来定量描述平顶山市新城区的景观格局结构特征，并分析景观格局的时空变化规律。

2.3.1 景观形状指数

景观形状指数LSI是用来评价土地利用斑块的自然形状，通过计算每种类斑块的形状指数以表征人类的干扰程度。其中第i类型景观斑块的形状指数计算公式为[12-13]：

(1)

式中：Pi和Ai分别为第i类型景观斑块的形周长和面积。根据公式(1)即可分别计算出该区域各种景观类型斑块的形状指数LSI。一般情况下斑块的形状指数LSI越大，表明斑块的形状越无序，越接近自然状态；LSI越趋于1，表示斑块人为干扰的因素越多。

2.3.2 景观多样性指数

景观多样性指数SHDI用来评价某种景观类型的面积多少和该类型所占比例的变化情况。SHDI指数值也同时表达了景观类型的丰度，其值越大说明景观类型越丰富，SHDI指数的计算公式为[14]：

(2)

式中：Pi代表某种景观类型占景观总面积的比例；m是该区域内景观类型的总数。

2.3.3 景观优势度指数

景观优势度指数LDI是用于表征景观多样性对最大多样性的偏离程度，或表示景观是由哪几个主要景观类型控制的程度。其计算公式为：

(3)

Hmax=Ln(m)

式中Pi为第i种景观类型所占总面积的比例；Hmax是最大多样性指数；m是区域内景观类型的总数。景观优势度指数LDI反映了某种景观类型在景观结构中占有的地位及其对景观格局的形成和变化的影响。

2.3.4 景观破碎度指数

景观破碎度指数F用来评价景观被分割的破碎程度，该指数数值越大表示破碎程度越高。其计算公式为：

(4)

式中：ni为第i种景观类型中的斑块个数；A为研究区域总面积。景观破碎化是生物多样性减少的一个主要原因。由于各种人类活动，如交通道路建设、河岸堤坝修建、城镇化率增加等，使原来相对较完整的土地类型被分割成许多小的斑块，造成景观的破碎化。导致一些对生境面积要求较高的物种丧失了原有的栖息场所、觅食和运动的空间，从而发生迁徙甚至死亡。

3 结果与分析

3.1 研究区域景观类型划分

选取平顶山市1990年、2000年和2010年的LandsatTM遥感影像图，解析了平顶山市新城区区域内土地利用、土地覆盖方式，按照土地利用分类的标准，将规划区划分为5大类17小类，5大类主要是耕地、林地、草地、水域和建设用地，各类型土地利用率数据见表1。

表1 研究区域1990年、2000年和2010年土地利用率情况

由表1可知，耕地、林地和草地是研究区域的主要景观类型，三者占景观总面积的百分比在90%以上。

在整个研究时段内，由于新城区的规划及建设，景观格局的空间结构发生了变化，但以耕地、林地为基质的特征基本没有改变。景观格局分析结果表明，不同类型景观格局间差异显著。研究时段内，早期由于农业开荒耕种使得区域内耕地面积有所增加，后期由于实行退耕还林还草政策等占用了一部分耕地，加上新城区的开工建设增加了建设用地，因此耕地的面积呈现先增加后减少的趋势，相对应的草地则有一定程度的增加；林地是所有地类中面积变化小、相对较稳定的类型；水域面积由于河流退化、河道内滩地转成农业用地，面积有所下降；建设用地的面积在后期增加较快，由2000年的66.64km2增加到2010年的97.97km2，增幅较大，主要是由于新城区的开工建设导致的。

3.2 研究区域不同时期景观形状指数评价

据式(1)计算出研究区域不同时期的LSI值，见表2。

表2 研究区域1990年、2000年和2010年的景观形状指数

由表2可知，耕地的景观形状指数先增大后减小，最终是下降的，说明耕地的人为干扰因素增多，耕地从自然的形态转变成便于机械化耕作的方式，这也农业现代化的一种表现。规划区内的林地多以自然林为主，从变化趋势来看，林地的形状指数呈现变大的趋势，说明人工林的面积开始增多，林地依山而种，表现出自有的特性。草地也是以天然草地为主，就形状指数本身来说，总体上指数有所增加，表明河床退化后出现的低覆盖度草地，加大了草地景观斑块的无序性。水域的形状指数相对于耕地、林地多为长条形(河渠)、多边形(水库坑塘)，形状比较有规则。水域的形状指数总体呈增加趋势，可能是因为河流流量减少，河床暴露，河道变窄、分岔、弯曲，形状变得更加无序。建设用地的形状指数呈现为下降的趋势，由于新城区的建设是乡村的城镇化和农村居民点集中化的过程，使得建设用地的形状指数减少而更加趋向于1。

3.3 研究区域不同时期各景观指数评价

研究区域3个时期景观多样性指数SHDI、景观优势度指数LDI和景观破碎度指数F的计算结果见表3。

表3 研究区域1990年、2000年和2010年3个时期的各项景观指数

从区域内的整体景观来看，景观多样性指数SHDI呈现先减后增的越势。景观多样性指数由1990年的1.23下降至2000年的1.20，这是由于这个时间段内平顶山市新城区尚未开始建设，当时的农业开荒、农业耕种使得区域内原始的状态受到影响，而其他用地在区域内主要是未利用地，随着零散分布的未利用地被开发出来并逐步转化为其他景观类型，人类耕种活动也提高了土地的整齐度，从而降低了多样性，因此多样性指数降低。到2010年，景观多样性指数又升高至1.25，主要是由于退耕还林还草使得部分丘陵耕地转变成中覆盖度草地，增加了多样性。从景观学的角度来看，由于耕地面积下降草地面积增加引起这一指数的增大，将有利于区域内生物量和物种多样性的提高，是生境转好的一个信号。

景观优势度指数LDI可反映某种景观类型的地位，其优势度越大，说明该类型对景观的支配作用越大。平顶山市新城区优势景观主要是林地，林地的优势度指数在整个研究时间段内，呈先降低后增加的趋势，其原因主要因为早期由于农业开荒导致林木砍伐，林地大多被开发转化为旱地，后期随着国家退耕还林政策的实施使得林地的优势度又逐渐有所增加。

景观破碎度指数F先减少后逐步增大。1990年～2000年，农业开荒耕种使得区域内农田面积增加，使得破碎度指数由1990年的0.75下降为2000年的0.42。2000年～2010年，破碎度指数由0.42上升到0.52，这说明2000年至2010年人类活动的干扰不断加强，尤其是建设用地的大量增加以及旱地与林地之间相互转化程度的增加，使得整个研究区的景观破碎化程度增大。

4 结论

平顶山市新城区的建设导致其所在的白龟湖流域景观结构格局发生一定变化，但以耕地为基质的景观格局基本保持稳定。研究时段内，耕地的面积呈现先增加后减少的趋势，主要是由于实行退耕还林还草政策等占用了一部分耕地；林地是所有地类中面积变化最小、最稳定的类型；草地由于低覆盖草地的增加而增加；水域由于河流退化、河道内滩地转成农业用地，面积下降；建设用地的面积总体呈增加趋势，主要是因为新城区的建设导致的。白龟湖流域景观格局分析表明近年来规划区的生态质量略有提高，只是新城区的建设占用了大量的草地，对白龟湖湖岸带的生态环境带来一定风险。

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Application of index evaluation method in landscape pattern analysis for New Area of Pingdingshan

LIU Jian-hua1, WANG Shi-feng1, LIU Bao-ping1, WU Wei1, LIANG Feng2, LI Bing-bing3
(1.PingdingshanComprehensiveUtilizationandEnvironmentalProtectionInstitute,Pingdingshan467036,China; 2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;3.SchoolofLifeScienceandEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Based on the remote sensing image of Landsat TM in 1990, 2000 and 2010, characteristics of the landscape spatial pattern during the process planning and construction of the new district of Pingdingshan city were analyzed by using the index evaluation method. The results were as follows: over the past 20 years, degree of landscape fragmentation first increased and then decreased in the whole study area, and the diversity of landscape first decreased and then increased, the landscape dominance first increased and then decreased slightly. Therefore, the ecological environmental quality was improved slightly, whereas, the construction of the new area brought certain risks to ecological environment of Baigui Lake basin.

index evaluation; landscape pattern; Pingdingshan

2017-02-18

污染控制与资源化利用国家重点实验室开放基金项目(PCRRF13008)；河南省科技攻关项目(162102310389)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A610012)

刘建华(1973—)，男，河南平顶山人，工程师。

1674-7046(2017)02-0072-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.013

X171.1

A