基于Landsat的滇池流域景观时空格局演变

丁 亮，王 涛

(贵州林业勘察设计有限公司，贵州 贵阳 550003)

1 引言

高原湖泊不仅是云南生境中重要的生态系统，而且是促进云南国民经济、社会发展，实现富民兴滇不可缺少的重要资源[1]。流域景观格局指流域内不同景观组分的空间分布形式和组合特征，是景观异质性的具体表现，又是包括干扰在内的各种生态过程在不同尺度上的作用结果[2，3]。景观格局决定着资源和环境的分布形式，与生态系统抗干扰能力、恢复能力、稳定性、生物多样性有密切的关系[4]。

长期以来对于景观格局的研究一直是生态学领域的热点，对于流域景观格局的研究也是诸多学者研究讨论的重点对象之一[5，6]。滇池是云南省九大高原湖中唯一与大城市毗邻的湖泊，滇池流域的景观格局特征也在近几十年发生了巨大的改变[7]。本文基于Landsat时间系列遥感影像，通过目视解译获取各期土地利用分类数据库，研究滇池流域土地利用在不同时间和空间尺度上的动态变化特征，探究快速城市化背景下其景观格局随时间变化的变化范式，掌握主要景观类型的质心迁移规律，为今后有效保护和合理利用滇池流域土地资源提供科学依据。

2 研究区概况

滇池流域位于云南省中东部，地跨24°36′55″N～25°9′42″N，102°33′25″ E～102°54′14″E，流域面积13.12万hm2，约占云南省总面积的3.43%，最高海拔2479 m，最低海拔1753 m，地势东北高，西南低，呈以滇池为中心向四周不断升高依次为盆地、丘陵和山地的典型高原湖泊地貌特征。气候为亚热带低纬度高原山地季风气候，冬暖夏凉，年平均气温15 ℃，多年平均降水900 mm，且主要集中于夏季。流域属长江和珠江的分水岭地带，有盘龙江、宝象河、东大河等8大主要河流汇入滇池。流域位于昆明市的核心发展区域，是昆明市社会经济发展的主要驱动力。

3 研究方法

3.1 数据收集与处理

3期遥感数据源于滇池流域1985年、2000年TM、2015年OLI卫星遥感影像，成像时间为当年的1月或2月，轨道行列号为43/129。首先利用DEM高程数据通过ArcGIS10.2软件平台上的Spatial Analyst—Hydrology工具提取河网、进行流域分割来进行流域范围的提取，在ERDAS 9.2下对影像进行融合、校正、裁剪以及增强处理，以提高解译精度。采用人机交互目视解译的方法，根据《土地利用现状分类GB /T21010—2007》和欧阳志云等人的对全国生态系统分类体系[8]，并结合滇池流域土地利用特点，将研究区划分为耕地、灌草地(包括苗圃地和城市绿地)、建设用地、林地、湿地、水域和未利用地7个景观类型，解译结果如图1所示。参考Google Earth影像以及昆明市2005年全国森林资源二类调查数据对解译的结果进行精度分析和错误纠正，结果显示各地类的解译结果Kappa系数均达到了0.85以上，满足研究需要。

3.2 景观格局演变分析方法

对3期土地利用类型分类数据库进行空间统计分析，先对研究区景观类型面积变化特征进行阐述，选取指示意义明确，主要表征景观的破碎度、形状和多样性指标的斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数分维数(PAFRAC)、香浓多样性指数(SHDI)和蔓延度指数(CONTAG)探讨流域景观格局的空间变化特征。各指数的值通过Fragstats3.4软件平台计算获取，其生态释义见参考文献[9]。

3.3 质心迁移模型(建设用地、耕地、水域三者的质心)

应用空间质心迁移模型，计算研究区建设用地、耕地、和滇池的面积加权质心，定量揭示滇池流域主要景观类型的空间迁移变化。其计算公式为：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Xn、Yn分别表示第n年某种土地利用分布质心的经纬度坐标；Cni表示第n年第个土地利用类型斑块面积；Xi、Yi分别表示第i个土地利用类型斑块的重心坐标。

4 结果与分析

4.1 滇池流域景观结构组成及类型转换

4.1.1 景观组成及面积变化分析

统计结果表明，1985～2015年研究区景观结构发生了较大变化，1985年以耕地为主，占了研究区总面积的29.32%，到了2015年，研究区景观类型以建设用地为主，占了研究区总面积的34.51%。30年间，耕地面积持续减少，总共减少了18741.26263 hm2，其单一土地利用动态度为16.23%。灌草地面积所占比率由1985年的7.02%减少至2015年的4.66%，面积总共减少了3094.57 hm2，其单一土地利用动态度为1.12%；建设用地急剧扩张，面积持续增大，1985～2000年，面积增加了8761.31 hm2，2000～2015年，面积增加了16274.61 hm2，30年间，建设用地面积增长了123.64%；林地面积小幅度减少，其所占比率由1985年的18.93%减少至2015年的15.87%。

4.1.2 景观类型转换分析

滇池流域1985～2015年土地利用转移矩阵如表1所示。1985～2015年间，耕地主要转化为建设用地，30年间共有50.39%的耕地转化为建设用地，补充来源主要是灌草地；灌草地主要转化为建设用地和耕地，有29.5%的灌草地转化为建设用地，13.83%的灌草地转化为耕地，增加部分主要来源于林地。建设用地体现为单向的转入变化，除耕地和灌草地外，湿地也是建设用地的一大补充来源，期间共有27.19%的湿地转化为建设用地。林地与灌草地之间互为补充，相互转化，有8.39%的林地退化为灌草地，9.39%的灌草地晋级为林地。裸地的流转主要存在于裸地与耕地以及裸地与灌草地之间，但流转的程度较轻。湿地主要转化为建设用地和耕地，转移的比率分别为27.19%和11.49%。水域主要向湿地转化，共有1.09%的水域转化为湿地。上述转化情况体现了滇池流域快速城镇化的进程，各土地利用类型之间的转入转出较为频繁，受昆明市快速扩张的的影响，各地类向建设用地的转化尤为突出。

图1 不同时期土地利用类型面积变化

4.2 景观格局变化

4.2.1 景观格局指数变化分析

斑块密度和斑块个数能够直观的表现景观水平上的景观破碎化程度。流域景观格局指数计算结果如图2所示。研究表明，滇池流域的斑块个数从1985年的1244个增加到2015年的1513个，增幅为21.62%，相应的斑块密度从1985年的0.9479增加至2015年的1.1529，说明滇池流域30年间斑块数量和斑块密度都在增加，而平均斑块面积从1985年的105.49 hm2减小至2015年的86.74 hm2。说明滇池流域景观格局呈破碎化发展的趋势。蔓延度指数描述的是景观中不同景观类型团聚程度的重要指标，其值越大表明景观是少数团聚的大斑块组成，越小则为许多分散的小斑块组成。研究表明，1985～2015年先减小后增加，1985～2000年蔓延度指数值减小了1.44%，说明此阶段某些较大斑块类型被打破为较小的斑块，表现为景观连通性减弱，蔓延度指数降低。2000～2015年蔓延度指数值增加了1.57%，说明景观内一些细小的斑块重新组合为较大的斑块形成了良好的连通性。香浓多样性指数反映的是景观要素的多少及景观丰富程度的情况。流域的香浓多样性指数先增加后降低，2000年香浓多样性指数最大，说明2000年土地利用景观丰富度和复杂度要高于其他2个时段，到2015年香浓多样性指数从2000年的1.6956降至2015年的1.653，流域景观多样性丰富程度降低，景观趋于简单化。

图2 滇池流域景观指数变化趋势

4.2.2 景观格局空间位置变化分析

图3为滇池流域建设用地、耕地个水域3景观类型1985～2015年景观质心位置变化图。由图3可知，1985～2000年滇池流域建设用地主要向西北方向扩张，建设用地景观质心共向西北方迁移了1.4 km，年均迁移距离达0.09 km，该时段昆明市主要向北市区方向扩展，这与建设用地质心的迁移方向相符。2000～2015年滇池流域建设用地主要向东南方向扩张，其质心以年均0.17 km的速率共迁移了2.55 km，该时段昆明市南部的呈贡发展较快，建设用地快速向东南方向扩展。耕地的质心一直处于向南扩展的状态，1985～2015年其质心共向南迁移了9.2 km，这主要是由于北部的耕地大量被昆明市的发展所侵占，耕地被压缩至流域南部的郊区，致使耕地质心快速向南迁移。水域的质心位置相对稳定，1985～2000年共向南部迁移了241 m，2000～2015年向西北部迁移了92 m。

图3 滇池流域主要景观类型质心位置变化

5 结论与讨论

利用3个时期的Landsat遥感影像数据，解译得到了较为精确的1985～2015的滇池流域土地利用数据库，通过研究其景观类型的面积变化，相互转化规律，景观格局指数及质心，得到的主要结论如下。

(1)研究区景观类型以主要以建设用地、水域和耕地为主，30年间各景观类型的面积发生了较大变化，其中耕地、灌草地和湿地面积持续减少，建设用地面积急剧扩张，水域面积先增加后减少，未利用地面积增大。

(2)研究区景观类型转换过程复杂频繁，其中建设用地以转入为主，耕地以转出为主，灌草地和林地体现为转入和转出的双向转化。

(3)研究区景观斑块密度和斑块数量处于涨势，流域景观破碎化持续加剧。蔓延度指数先降后升，多样性指数先升后降体现出流域景观斑块不断拆分组合的复杂变化及景观类型由多样变得简单的演变过程。

(4)研究区主要景观类型质心迁移的特征为建设用地总体向东南迁移，耕地向南迁移，而水域以较慢的速率向西南迁移。出现这样的迁移规律主要是因为位于流域北部的昆明市不断向南边的滇池发展，压缩了耕地空间和北部的水域使得这些景观的质心向南迁移。