近年来升金湖自然保护区土地利用空间格局变化特征分析

赵玏洋

(安徽大学， 安徽 合肥 230601)

近年来升金湖自然保护区土地利用空间格局变化特征分析

赵玏洋

(安徽大学， 安徽 合肥 230601)

根据1995、2000、2005、2009、2013年Landsat影像，利用监督分类方法(平行六面体、最大似然、最小距离、马氏距离)进行解译，利用高分一号影像对不同解译方法进行评价，确定最优解译方法。利用最优解译方法解译得到升金湖保护区5个时期的土地利用图。在此基础上利用ArcGIS景观格局分析工具，通过分析其水域面积、图斑数、破碎度等要素，得出不同时期的土地利用和景观格局变化。土地利用变化是自然因素和人为因素综合作用的结果，利用对近20年土地利用空间格局变化特征分析的研究，为区域土地利用开发和资源的可持续发展提供依据。

土地利用变化；监督分类；马氏距离法；景观格局分析；破碎度

升金湖是安徽省第一个以保护水禽为主的湿地类型国家级自然保护区，濒临长江南岸地处池州市境内。该湿地是我国保存十分完好的重要湿地，有大片浅水、泥潭和沼泽区，湖内水质良好，有机质丰富，生物种类繁多，生境类型丰富，生态系统较为完整稳定。升金湖积水区内局部水土流失严重，保护区内人口多，经济发展水平低，保护与开发的矛盾突出。其生态系统较为脆弱，洪涝灾害、过度开发等自然和人为活动引起了升金湖生态系统的退化。

对近20年来的升金湖保护区土地利用空间格局变化进行分析，正确、全面地认识升金湖保护区耕地林地特性的空间变异状况，了解作物生长与林地湿地的适宜和耦合机制；研究升金湖保护区的空间格局变化特征分析，有利于升金湖保护区生态的保护与恢复和农业生产，从而更好地推动精准农业的开展；目前关于升金湖自然保护区研究较少，利用对近20年土地利用空间格局变化特征分析的研究，为区域土地利用开发和资源的可持续发展提供依据。

在对升金湖保护区进行土地利用变化的空间差异与影响的对比研究时，利用20世纪90年代到21世纪初的5期遥感数据，通过遥感解译，对比分析升金湖保护区不同空间土地利用格局变化和土地利用类型变化的分异特征，定量评价土地利用的空间差异性及异质性。本文选择升金湖保护区及自然保护区周围的缓冲区，进行典型区域的土地利用变化及其影响的对比研究，分析区域土地利用变化的空间差异特征，客观认识近20年升金湖保护区土地利用的空间配置及水资源的空间变化，为流域水土资源合理利用提供科学依据。

1 原理与方法

本文借助ENVI软件对影像进行了辐射定标、大气校正、几何精校正、镶嵌和裁剪，以获得研究区影像数据。校正后的影像统一采用地理坐标系为WGS-84。参考《土地利用总体规划编制规程》《土地利用现状分类》及相关文献，结合研究区实际情况，通过监督分类将升金湖湿地的土地利用现状分为耕地、林地、草地、水体、房屋建筑区、裸地6大类。以2013年的Landsat8影像为标准对影像进行分类，并选取为训练对象，选取相近年份、月份的高分影像为检验对象。对每一种监督分类的方法做出对地表真实ROIS(Using Ground Truth ROIs)的混淆矩阵(Confusion Matrix)。最后，在ArcMap中，用景观格局变化分析工具插件(Patch Analyst: Patch Grid)对之前做好的栅格数据进行景观格局动态分析。

2 研究结果

2.1 解译方法的选择与精度评价

根据目视解译结果选择训练样本后，利用监督分类的4种分类算法对影像进行分类。分类结果如图1所示。

图1 对2013年影像用4种分类方法分类后结果

选取2013年的Landsat8影像为训练样本，选取相近年份、月份的高分影像为检验样本。做出混淆矩阵以后，这4种分类结果的精度见表1。

表1 混淆矩阵做出4种监督分类的分类精度

经混淆矩阵分析可得出以下结论：马氏距离和最大似然这两种分类方法得出的效果较好。其中，马氏距离法的总体分类精度超过85%，Kappa系数超过了0.8；而最大似然法的总体分类精度也超过了85%，Kappa系数为0.793 0。

2.2 不同年份土地利用类型解译结果

如图2所示，1995年选取的是马氏距离法解译的结果。在影像中部有成片草地出现，地物类型是否识别正确还需要进一步探究。

2000年9月15日这景影像同样选用马氏距离法进行分类。这幅影像右部有少量的云，笔者并没有把云单独分为一类，原因是云的数量很少，分布比较松散，也比较薄，在云的边界部分甚至有一分部林地的光谱信息透过。暂时小片云被分类成了建筑区，这样看起来在解译结果里裸地的面积比较大，不过都是因为小片的云导致的。

2005年9月2日的影像分类结果较好，影像的获取时间与1995年的影像是同月同日，并且没有云覆盖。

2009年选取的是5月3日的数据，有7%被云覆盖。因为云覆盖的面积较多，所以需要单独新增一个地物类型。云大多数在影像的右下角出现，左上方耕地部分也有少量的云存在。这幅影像的季节是春夏季，耕地范围较春秋季要多一些；同时，升金湖水域周围的湿地在这个季节生长最茂盛，因此在水域周围会出现成片的草地。马氏距离在解译这幅影像时整体质量较好，将房屋建筑区与裸地划分得比较好。整幅影像被云覆盖的周围地区也没有错误的判读。

2013年选取的是5月31日的影像，使用的方法同样是马氏距离法，无云覆盖。因为与2009年影像在季节上很接近，所以地物类型有如下共性：①耕地较多。这个季节作物长势良好，一般在升金湖自然保护区，周围水域面积比较大，农作物会选择水稻。5月恰好是种植期，9月10月是收成期，故5月耕地面积会较多。②湿地面积大。这个季节植物生长茂盛，充足的水供应也会让水域附近地区产生较多的湿地。

图2 不同年份土地利用类型解译结果

2.3 土地利用格局分析

2.3.1 不同地物类型面积

分析表2、图3不难发现，这20年来水域面积变化并不是很明显。在2000—2005年的这段时间内，升金湖保护区的水域面积有所增加。结合2009年升金湖地区的建设，导致在2009年水域面积有所波动。而2011年升金湖上湖的生态修复工程，使水域面积相比于2009年又有所增加。总体来说，在这20年内，水域面积一直都有所波动，并在1995年达到了顶峰，2013年经过生态保护工程后水域面积又接近到1995年的水平。

林地面积变化较为显著。2000年以后，每年的林地面积逐年上升且在2009年达到最大值，2009年及2013年的林地面积都高于其他年份。原因如下：①在2000年升金湖被列为国家级自然保护区，由于政策的原因，当地的林地保护完好，且面积有逐年递增之势；②2009、2013年的影像均为5月，其他年份的影像数据均为9月。根据常识，5月植物的生长状况必然大于9月植物的生长状况，因此2009、2013年影像林地面积均大于其他年份。

表2 不同年份影像地物类型面积 m2

图3 1995—2013年不同地物类型面积变化

耕地在这20年间面积变化不大，可以看出保护区内居民对升金湖保护区内作物种植需求很稳定。

建筑区面积一直是在保护区内地物类型面积占比中最小的。建筑区面积在2000年时最小(1463 m2)，2005年达到顶峰，为3312 m2，并在以后8年内呈递减的趋势。

草地裸地的面积变化均在理想及可控的误差范围内，2000年9月15日的影像中，裸地面积过大可能是早稻成熟的缘故，收割过后的耕地被计算机识别为裸地。

2.3.2 图斑数

运用图斑数的概念，从表3、图4中可以分析出耕地在1995—2009年没有显著的变化，但是在2013年有了明显的增加。2013年影像获取时间是2013年5月31日，而在这个时间段，升金湖保护区内的耕地可能在进行收割油菜种植水稻的过程，不同种植区内收割和种植的时间也会有不同，计算机在判读的过程中容易将收割后插秧前这段时间内的地物类型判别为裸地或草地，因此产生较大的空间差异性可以理解。

表3 不同年份不同地物类型图斑数

图4 不同年份不同地物类型图斑数

房屋建筑区在1995年分布得非常分散，随着1997年升金湖成为国家级自然保护区，结合升金湖地区1994、1997年保护区周围大桥的修建，2004年沿江高速的开通，升金湖自然保护区内交通更为方便，保护区内人口从原先的分布十分分散到现在分布较为聚集，房屋建筑区的数量也较20年前有了明显的增加，在2013年的影像中甚至可以发现保护区内已经形成了村庄大小的房屋建筑聚集区。

水域面积的大小一直较为稳定。不难看出附近居住人口对升金湖保护区的保护工作较为注意，或者是保护区内人口环境保护意识很强，亦或者是国家对升金湖保护区的保护政策行之有效。

林地的图斑数在2009年达到了极值，其他年份图斑数变化并不大，属于正常变化范围。2009年图斑数大的原因笔者认为是影像中含有的部分云导致。裸地和草地图斑数波动较大。草地和裸地这两种地物类型对比水体以及房屋建筑区更加的不稳定，会出现经常波动的状态。

2.3.3 破碎度

破碎度在对景观格局分析的作用上与图斑数类似，都是用于分辨不同地物类型的空间差异性。相似与图斑数，破碎度越高，空间异质性越大，地物内部之间变化越剧烈。破碎度的取值范围为0～1。

从图5—图6可以看出,破碎度在这20年内总体波动范围不大。1995年升金湖保护区破碎度最高，究其原因是，在1995年前后升金湖经济发展程度不高，国家没有对升金湖周围进行有效的保护和治理；同时，保护区周围的公路及桥梁也尚未修建完成，房屋建筑区、裸地及部分耕地分布也比较松散，并且在1995年升金湖保护区内还有很大未被开发为耕地的地方。由于地物内部分布较为松散，因此在1995年破碎度指数最高。2013年破碎度指数的上升，笔者认为主要是由于2013年耕地的破碎度值非常高所导致的。在升金湖保护区边界内，耕地是除了水体和林地以外面积最大的地物类型，而水体和林地光谱特征较为明显，较易判别，因此耕地是影响破碎度指数最大的因素。

3 结 论

本文主要运用马氏距离法对影像进行了分类，分类结果良好。受制于影像分辨率等因素，部分地物类型分辨的并不是很清楚。

从地物类型面积变化上来看，这20年来水域面积变化并不是很明显；耕地面积较为稳定，一直在15 000 m2左右；林地面积在影像中占比例最大，并且林地面积有一定的波动；草地面积越来越少，在2009年达到最小值，为4285 m2；建筑区面积在影像里一直都是最小的，在2005年达到顶峰(3312 m2)，其他年份大小波动不大。

图5 所有地物类型破碎度指数年际变化

图6 不同地物类型破碎度指数年际变化

从图斑数变化上可以得到，从1995—2013年，总体的图斑数大体呈上升趋势。耕地的图斑数在1995—2009年里保持着稳定的小范围波动，从2009年以后幅度较大。房屋的图斑数在1995年就达到峰值，2000—2013年形成了较为稳定的波动。水体在这20年内变化的范围不大，一直较为稳定。

从不同年份所有地物类型的破碎度指数上可以看出1995年升金湖保护区破碎度达到峰值。耕地在1995—2009年处于缓慢的波动中,之后于2013年形成了猛烈的增长。林地的空间差异性波动较大。房屋建筑区的破碎度折线图走势与房屋建筑区的图斑数折线图走势类似。水体的破碎度指数在这20年内的变化范围较为平稳，维持在0.01左右。草地和裸地这两种地物类型对比水体及房屋建筑区更加的不稳定，会出现经常波动的状态。

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TheCharacteristicsAnalysisofLand-useinSpatialPatternChangeofShengjinLakeNatureReserveinRecentYears

ZHAO Leyang
(Anhui University,Hefei 230601，China)

According to the image of Landsat TM in 1995，2000，2004，2009 and 2013，this paper uses supervised classification (parallelepiped，maximum likelihood，minimum distance，Mahalanobis distance) to interpret it, and makes use of high-resolution image evaluate different interpretation methods, then determines the best method of interpretation. Using the optimal interpretation method obtained the map of land-use and land-cover change in Shengjin Lake reserve by means of 5 times image. And on this basis，use of ArcGIS landscape pattern analysis tool，by analyzing the water area，the number of polygons，fragmentation and other factors，obtain land-use and landscape pattern changes in different periods. Land-use change combined the result of natural factors and human factors，researching the spatial pattern of land-use change analysis for the past 20 years，can provide us the basis for sustainable development of the regional land use and development of resources.

land-use change; supervised classification; Mahalanobis distance; landscape pattern analysis; fragmentation

赵玏洋.近年来升金湖自然保护区土地利用空间格局变化特征分析[J].测绘通报，2017(10)：95-99.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0323.

2017-09-03

赵玏洋(1994—)，男，硕士生，研究方向为遥感数据监测分析。E-mail： 775738850@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)10-0095-05