基于RS和GIS的滁州市土地利用与景观格局变化

陶 蕊，顾成军，曹梦涵，王官勇

(1.滁州学院 地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239000；2.滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

土地是人类赖以生存的基础，也是珍贵的自然资源[1]。土地利用的变化与全球气候的变化、生物多样性的减少、生态环境演变以及人类与环境之间相互作用的可持续等问题密切相关[2]。景观格局是指景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置，是景观异质性在空间上的综合表现[3]。景观的稳定性直接影响到土地资源的可持续利用[4]。人类社会经济的发展对土地利用和景观格局会产生重要的影响，进而影响到生态系统的结构和功能。土地利用和景观格局变化因而成为当前全球变化和生态系统的一个研究热点。诸多学者对土地利用和景观格局演变进行了研究，通过揭示研究区域土地利用和景观格局的时空变化特征，为区域土地的科学利用及发展奠定了良好基础[5-9]。

滁州市地处长江与淮河之间，是国家重要的商品粮基地[10]。由于该市在地貌上属于江淮丘陵的一部分，长期遭受土壤侵蚀，生态环境脆弱，水资源缺乏。为此，该市自2000年以来积极实施退耕还林工程来改善生态环境。但与此同时该市作为南京都市圈和合肥都市圈的核心圈层城市，近年来城市化速度加快，对土地利用和景观格局都产生了很大的影响。目前，滁州市土地利用和景观格局变化方面还缺乏深入研究。因此，本文运用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术对滁州市2000—2015的土地利用和景观格局的变化进行分析，探寻其演变规律，以期为该区域土地资源的可持续利用提供科学依据[11]。

1 研究区概况

滁州市地处安徽省东部，江淮之间( 30°51′～ 33°13′N， 117°10′～ 119°13′E)，面积13 523.22 km2。气候上属于北亚热带向暖温带过渡的湿润、半湿润季风气候，四季分明，气候温和，雨热同季，易旱易涝。地势西高东低，并以江淮分水岭为中脊逐渐向淮河、长江2个方向低倾，东南部属于长江流域，西北部属于淮河流域。地貌是以丘陵、岗地和平原相间的分布格局。滁州市属“南京都市圈”核心层、长江三角洲经济区成员城市，近年来经济发展迅速，城市建设步伐加快，社会状况相对稳定。截至2017年，滁州市常住人口407.6万人，比上年增加3.2万人。城市化率51.9%，比上年提高1.5个百分点，城市化和工业化进程愈加显著,研究区域如图1所示[12]。

图1 研究区域

2 研究方法及过程

2.1 数据来源及处理

本研究所用数据为滁州市2000年、2005年、2010年和2015年4期Landsat-TM遥感影像图，空间分辨率为30 m。根据滁州市土地利用情况和影像图的实际分辨能力，参考《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)的分类标准并结合研究目的，将滁州市土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用地6大类。利用ENVI5.3软件，先将4期影像图进行波段组合、辐射校正、坐标转换、图像镶嵌及图像裁剪等预处理后，再对影像图进行监督分类，最终得到4期土地利用分类图(见图2)，其检验精度分别为84.36%、86.40%、85.96%、84.70%， Kappa系数均在0.80以上，满足研究需要[13]。

图2 2000—2015滁州市土地利用分类

2.2 土地利用动态度

动态度是定量描述一定区域内土地利用变化速度的参数，可用于计算区域内土地利用变化产生的差异。单一土地利用的动态度表示在某时期内区域中某种土地利用类型的数量变化,可以动态地描述区域土地利用的变化速度[14]。本文采用单一土地利用动态度来描述滁州市土地利用的动态变化，具体表达式为

(1)

式中:K为研究时期内某一土地利用类型的动态度；Ua和Ub分别为研究初期和研究末期该土地利用类型的面积；T为研究时间段，当T设定为年份时，K值为研究区域内某一土地利用类型的年变化率。

2.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究各种土地利用类型相互转换的主要方法之一[15]。通过定量的方法，借助GIS技术和空间叠加分析手段计算生成土地利用转移矩阵，从而全面地反映各土地利用类型变化的结构特征和其转移方向，能够对不同类型土地利用的演变过程进行相应的分析。土地利用转移矩阵通用形式为

(2)

式中：S为土地面积；n为土地利用的类型数；i,j分别为研究期初与期末的土地利用类型序号。

2.4 景观格局指数

景观格局指数指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[16]。本文参考景观格局相关的研究内容，根据研究需要，选取斑块水平的斑块数目(NP)、斑块密度(PD)、斑块类型面积比(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)5个指标；景观水平指数

的斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)4个指标。利用ArcGis软件将土地利用类型矢量图转化为栅格图后，利用Fragstats4.2软件选择所需的参数计算滁州市4期相关景观格局指数[17]。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

3.1.1 土地利用结构变化

土地利用结构是指在某区域内各种土地利用类型的数量比例关系以及空间分布特征[18]。由图1和表1可以看出，滁州市土地利用类型主要以耕地为主，占60%～70%，空间分布整体连续而广泛。其次为林地、居民用地和水域，占到10%左右，空间分布上相对比较分散，林地在江淮分水岭中脊和凤阳山丘陵附近集中分布。草地和未利用地面积较少，占比均小于1%，空间上也呈零星分布。

2000—2015滁州市不同土地利用类型的面积随着时间的推移而有所差异。在6种土地利用类型中，耕地的面积由2000年的9 770.92 km2变为2015年的8 279.09 km2，呈逐步减少趋势。林地、居民用地和水域的面积由2000年的1 452.88 km2、978.80 km2和1 193.03 km2变为2015年的1 953.52 km2、1 928.30 km2和1 262.88 km2，除水域在2010年相对于2005年面积略有下降外，总体呈现逐渐增加的趋势。而未利用地和草地的面积由2000年的7.23 km2和112.67 km2变化到2015年的6.85 km2和111.90 km2，基本无变化。

表1 2000—2015滁州市土地利用结构

3.1.2 土地利用变化速度

由表2可见，2000—2015滁州市不同土地利用类型的变化速度差异很大。滁州市6种土地利用类型中，居民用地的动态度为6.47%，变化速率最快。其次为林地和耕地，动态度分别为2.30%和-1.02%，水域、未利用地和草地变化速率很小，动态度仅为0.39%、-0.35%和-0.05%。

从不同时期对比来看，居民用地、林地和耕地的动态度从2000—2005的6.23%、2.13%和-1.25%到2005—2010的4.30%、1.25%和-0.53%，再到2010—2015的4.73%、2.87%和1.43%，变化速度有先减少后增加的趋势。而水域、未利用地和草地的动态度从2000—2005的1.63%、-1.66%和0.48%到2005—2010的-0.57%、0.58%和-0.53%，再到2010—2015的0.15%、0.10%和-0.07%，变化速率总体上呈现逐渐减少的变化趋势。

表2 2000—2015滁州市单一土地利用动态度 %

3.1.3 土地利用转化过程

土地利用的转化过程主要是通过转移矩阵来表现的。由表3～表5可知，滁州市各土地利用类型中，以耕地转化为其他土地利用类型的面积最大，达到632.32 km2，其它土地利用转化面积较小,仅为0.26 km2，滁州市土地利用的转化主要表现为耕地向居民用地、水域和林地的转化，约占到总转化面积的97.00%，草地和未利用地较小，约为2.00%。

不同时期耕地向居民用地、林地和水域转化的面积比例也有很大差异。2000—2005耕地转化为水域的面积较大，总面积为225.02 km2，占转化总面积的68.82%；其次为居民用地和林地，占30.61%。2005—2010耕地转化为居民用地的面积最多，占比达到68.72%；其次为水域和林地，占比31.26%。而在2010—2015耕地主要转化为居民用地，转化面积为98.63%；其次为林地，占比为1.36%；其它基本无转化。从整体上来看，耕地向居民用地转化的面积和比例越来越大，向林地转化也有逐渐增大的趋势，这可能与滁州地区近年来城市化发展逐渐加快和不断实施退耕还林的政策有关。

表3 2000—2005土地利用类型转移矩阵 km2

表4 2005—2010土地利用类型转移矩阵 km2

表5 2010—2015土地利用类型转移矩阵 km2

3.2 景观格局变化分析

3.2.1 斑块水平格局变化

从表6可以看出，滁州市耕地、水域、居民用地和林地的斑块类型面积比较高，是研究区内存在的主要景观。2000—2015耕地景观在研究区内的斑块类型面积比逐渐降低，但仍明显高于其它景观，说明耕地在滁州市景观结构中占有重要地位，是滁州市景观的基质类型，而边缘密度最大，说明耕地变化对研究区内其它景观具有重要的干扰作用。林地的景观斑块类型面积比仅次于耕地，最大斑块指数也位居第二，表明林地所占的比例较大且空间分布较为集中；居民用地和水域的景观斑块类型面积比相对要小于耕地和林地，但斑块数目最多，斑块密度最大，反映了居民用地和水域景观空间分布比较分散。除草地和未利用地以外，耕地、林地、居民用地和水域斑块数目、斑块密度和边缘密度从2000—2015总体上呈增加趋势，说明随着滁州市城市化和退耕还林的实施，这几类景观的破碎化程度逐渐增加，对周围其它类型景观的影响增大。

表6 2000—2015滁州市各斑块类型水平上的景观格局指数

3.2.2 景观水平格局变化

滁州市2000—2015景观水平指数见表7。从2000年到2015年，滁州市景观斑块密度由0.230增加到0.294，说明景观破碎化程度在增加；景观形状指数由29.817增加到38.556，景观斑块形状越来越复杂；香农多样性指数和均匀度指数分别从0.954和0.532升高到1.122和0.626，表明景观的异质性增加，各斑块类型在景观中趋于均匀分布。近年来，人类各种活动的实施与干扰，使滁州市的景观指数逐渐趋于均衡，其受一种或几种景观类型的支配作用降低。从总体上看，滁州市景观水平指数的变化速度明显增加，随着滁州市城市化的快速发展和退耕还林的实施，滁州市景观格局变化将愈趋剧烈。

表7 滁州市2000—2015景观水平指数

4 结束语

近15 a来，滁州市耕地面积不断减小，林地、居民用地和水域面积不断增加，而草地和未利用地变化较小，滁州市土地利用类型变化主要表现为耕地向居民用地和林地的转化。这可能与城市化发展进程加快，城市扩张过程中主要占用了大量耕地，而退耕还林工程的实施使建设用地占用的部分土地补偿为林地，从而使林地面积总量有所增加。

景观格局分析表明：滁州市景观的破碎度和景观的异质性在增加。受城市化的快速发展和交通设施的建设，使较大的斑块面积被分割，从而造成景观破碎度增加，滁州市土地利用和景观格局的演化有加剧的趋势。因此，滁州市应根据当地的自然条件、经济发展水平和土地利用过程中存在的问题制定合理的规划政策，为土地资源的可持续发展奠定基础。