基于GIS/RS的黄水河流域景观时空动态分析

姜楠 王超楠 李彤 徐明雪 王一旭 姚磊

摘 要：为掌握黄水河流域地区土地利用变化特点，以2000、2005、2010、2015年4期遙感影像为基础，借助“3S”技术并利用景观生态学原理对7类景观类型的时空格局演变进行了定量分析。结果表明，2000—2015年间，研究区内景观呈现破碎化程度增加、形状稳定性和景观异质性低、最大斑块优势度增大等特征。园地、草地和建筑用地面积均有所增加，耕地、林地和裸地有所减少，水域面积变化不大。

关键词：黄水河;土地利用;地理信息系统;景观格局

中图分类号 P901文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）01-0064-04

Abstract：In order to grasp the characteristics of land use change in the Yellow River Basin，based on the remote sensing images of 2000，2005，2010 and 2015，with the help of “3S” technology and the principle of landscape ecology，the spatial-temporal pattern evolution of seven types of landscape was quantitatively analyzed.The results show that in 2000 and 2015，the degree of landscape fragmentation increases，the shape stability and landscape heterogeneity are low，and the dominance of the largest patch increases.The area of garden land，grassland and construction land increased，the cultivated land，forest land and bare land decreased，and the water area changed little

Key words：Huangshuihe River Basin; Land use; Geographic information system; Landscape pattern

1 引言

土地是人类赖以生存和发展的物质基础，是社会政治、经济活动的重要载体。景观生态学研究的核心之一是景观空间格局与动态演变分析，景观格局变化主要表现为LUCC（土地利用/土地覆盖变化），其实质是土地利用格局的动态变化[1]。自1990年《土地利用/覆被变化科学研究计划》发表以来，许多国际组织和国家纷纷启动LUCC研究项目，并取得了一系列成果[2]。我国也发展了中国土地覆盖和土地利用监测系统及其他区域性的土地资源和植被遥感应用等一系列重大项目[3]。

不同景观格局状态之间相互转换的过程被称为景观格局动态。国内对景观生态学研究起步较晚，但经过几十年的发展也取得了可观的成绩。例如，闭璐等对2005—2015年漓江流域景观格局的动态变化进行了定量研究，推算出喀斯特地貌条件下发育的岩溶河流流域景观格局的动态变化规律[4];朱亚楠等分析了抚河中上游景观的总体构成变化及景观类型的转化特征，运用景观格局指数法研究了抚河中上游景观格局的变化规律[5];刘娇等深入了解了2000—2015年贵州省内乌江流域生态变化动态，针对贵州省内乌江流域进行了生态评价[6];边晓辉等利用景观类型变化率、开发度以及景观格局动态度分析了近20年来太平江流域景观格局的时空变化和驱动因素[7];马新萍等以2000和2015年金钱河流域的遥感影像为数据源，系统分析了金钱河流域土地利用方式景观格局变化的时空特征[8];余凌云等对横岭侗寨进行了研究，基于研究区形成的“一轴两带多点”景观空间布局，提出了保护原则、措施和内容[9]。

流域不仅是水流加上区域即土地与河流的融合体，更是资源环境条件最为优越的人文活动密集区。流域区的土地利用现状则是自然基础上人类活动的直接反映，依托广泛应用的“3S”技术，定量描述和分析土地利用分布特征及景观时空动态变化已然成为现实。

本研究在系统了解黄水河流域的生态系统特征的基础上，依据区域景观生态质量评价指标体系来揭示区域生态系统健康状态，找出脆弱区或因子，以期为保护或恢复生态环境提供决策支持。

2 材料与方法

2.1 研究区概况 黄水河流域位于山东省烟台市的西北地区，地形为西北低、东南高，以低山丘陵和冲积平原2种地貌为主，水流呈东南西北走向（图1）。该流域地处东经120°29′～120°49′、北纬37°20′～37°45′，属暖温带湿润半湿润大陆性季风气候，降水量受地形和季节的影响，年际变化较大，大部分依靠汛期降水进行补给，是山东省山洪灾害防治的重点区域。

2.2 数据来源 本研究主要是基于Gauss Kruger投影的Landsat TM遥感源数据集，选取2000、2005、2010、2015年4期栅格影像。

2.3 土地利用类型划分标准 土地利用类型是基于一定土地类型，经过长期开发改造和利用土地而形成的具有特定土地用途和利用方式的地域单元。本研究根据全国相关标准、结合遥感数据解译结果分析以及对研究区的实际调查情况，将黄水河流域土地利用类型划分为草地、园地、耕地、林地、水域、裸地和建筑用地等7类（如表1）。

2.4 研究方法 借助RS、GIS、GPS技术，以景观生态学理论为依据，提取研究区景观时空动态变化信息，并将所获信息进行景观要素转移矩阵的制作和景观格局指数计算，从而对研究区景观格局变化进行全面的定量分析。首先，对2000、2005、2010、2015年4期影像进行预处理，并将黄水河流域土地利用确定为7种类型，根据所建立的POI对研究区进行监督分类和目视解译，并对分类结果进行精度评价，数据整体精度在87%左右，得到4期Kappa指数均达到允许判别精度所要求的最低数值，符合较大尺度土地覆被变化的研究要求，满足专题制图和实际应用的最低标准。得到2000、2005、2010和2015年4期研究区的景观要素分布图（图2）。

3 结果与分析

3.1 景观时间结构的动态变化 从2000年到2005年到2010年再到2015年，如表2所示，黄水河流域的时空动态变化较为显著。以面积变化来看，除园地在时间上呈现出先增加后减少再增加，水域、裸地呈现先减少后增加再减少的趋势之外，耕地和林地均呈现逐年减少的态势，相反，建筑用地和草地则一直在持续增长。

3.2 景观空间结构的动态变化 选取4个反应各方面特征的景观格局指数，依据指数对研究区在斑块类型水平上的景观格局动态变化进行了定量分析。结果如下：（1）斑块密度（PD）：其是景观格局分析的基本指数，表达单位面积上的斑块数，能够反映景观异质性的变化;（2）形状指数（LSI）：其反映了斑块形状的复杂程度，数值越大，形状越复杂。（3）周长面积分维数（PAFRAC）：其反映了不同空间尺度的性状的复杂性，取值范围在1～2，数值越接近1，斑块的形状越简单有规律，受人为干扰程度越大;反之，则斑块形状就越复杂;值越接近中间值，则表示景观分布处于不稳定的随机状态。（4）斑块聚合度（AI）：其基于同类型斑块像元间公共边界长度来计算，若某类型中所有像元間不存在公共边界，那么该类型的聚合程度最低。

由表3可知，在所有景观要素中，耕地的斑块化程度最高，整体上随着时间的推移呈不断增长的趋势，说明随着耕地面积的不断减少，其斑块数量却逐渐增加，耕地景观不断趋于破碎化。园地景观要素在后一阶段随着面积逐渐增加、集中，不断融合小斑块，使斑块数量减少。草地和裸地具有相同的变化趋势，均经历了面积和斑块都先减少又增加而后又减少的变化。建筑用地随着面积和斑块的不断增加，PD值也表现为持续增大的走向。林地类型在前一阶段随着面积不断减少，使斑块数量增加，后一阶段，面积不断减少，而斑块数量亦随之减少。水域变化相对较小，PD值波动也较不明显。

由表4可知，2000—2015年4个时期内研究区耕地的形状指数和分维数均最大，分维数随着时间的推移整体上略有递减的趋势，但仍居首位，表明耕地的形状和边界最为复杂。园地的形状指数和分维数次之，LSI值先增大后逐渐减小，说明前一阶段随着面积的增加，破碎化程度加大，后一阶段由于人为开发整顿利用面积增加，形状趋于规则化。建筑用地的形状指数和分维数均先略微下降后上升，表明斑块结构有所复杂化，主要是由于随着经济社会的不断发展，后期规划增加并不断实施完善的结果。裸地的形状指数和分维数均明显下降后明显上升又略微下降，表明前期和后期引黄调水龙口段工程使得斑块结构有所简化。草地、林地、水域的PAFRAC值在1.50处微弱波动，说明此景观要素受人类活动影响较大，处于最不稳定的形状状态。

从表4还可以看出，2000—2015年，研究区林地、园地和耕地的聚合度较高，其次为建筑、水域，草地和裸地的聚合程度则相对较低。整体来看，林地的AI值不断下降，这与其面积逐渐减小并且斑块空间不断被分割有关。水域和园地的AI值不断升高，这是由于两者的面积不断扩大，原来一些相互分离的斑块开始连接成片，连通性逐渐增强，聚集程度增大。建筑用地的AI值升而后降又升，究其原因主要是人类活动的影响。耕地在这一过程中面积不断减小，AI值减小后又增大，表明耕地在人为干预下趋于集中分布。草地和裸地不仅AI值较小，两者变化也不明显。

4 结论与讨论

本研究结果表明，研究区以园地、耕地和林地为主，2000—2015年园地、草地和建筑面积增加，而耕地、林地和裸地面积则持续减少。在演化过程中，占主导地位波动较大的景观格局类型为园地、裸地和建设用地。耕地具有最复杂的形状和边界，人类活动的影响使得斑块空间不断零散和碎片化。不同时段间，研究区格局演变主要表现出景观异质化程度逐步降低、形状稳定性低、最大斑块优势度增大，类型蔓延度不断增强、景观类型愈加趋于极端化等特征。

运用4期的遥感数据对黄水河流域土地利用变化进行了动态演变分析和景观格局研究，克服了传统依赖统计数据的局限性。但是大、中尺度的研究受限于遥感影像的分辨率，在今后的研究中，土地利用类型的划分精度也要更加深入。在人类景观的规划与管理中，地形对景观视觉效果具有直接且重要的影响，对动物进行生境选择、人类景观建设与保护等方面是重要的选择因子。今后有待进一步研究黄水河流域内不同地貌单元和对土地利用变化和景观格局演变的响应。

参考文献

[1]张旭.兰州市土地利用与景观格局时空演变动态分析[J].甘肃科技，2018，34（19）：41-44.

[2]白淑英，陈灵梅，王莉，等.土地利用/覆被变化研究现状与展望[J].安徽农业科学，2010，38（30）：17003-17005，17016.

[3]刘国，陈海莉，李慧燕.土地利用/土地覆被变化研究综述[J].青海师范大学学报（哲学社会科学版），2014，36（04）：5-10.

[4]闭璐，付波霖，周静，等.2005-2015年漓江流域景观格局动态变化定量研究[J].国土与自然资源研究，2019（02）：28-34.

[5]朱亚楠，李满根，胡宝群，等.抚河中上游流域景观格局演变研究[J].江西农业学报，2019（04）：112-116.

[6]刘娇，钟九生，陈海喜，等.基于景观指数法的乌江流域生态评价[J].贵州科学，2019，37（02）：56-62.

[7]边晓辉，刘友存，王杰，等.赣江上游太平江流域景观格局演变及驱动因素分析[J].江西理工大学学报，2019，40（01）：54-61.

[8]马新萍，韩申山，许晓婷，等.秦岭金钱河流域土地利用景观格局变化特征研究[J].安徽农业科学，2019，47（01）：51-55.

[9]余凌云，叶思兰，彭黎，等.坪坦河流域横岭侗寨景观布局规划与保护探究[J].现代园艺，2018（22）：55-56.

（责编：张宏民）