基于地形起伏度的吕梁市景观空间格局分异特征

陈学兄,徐雯亮,韩伟宏

(1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801；3.山西农业大学 农业经济管理学院/资源与经济研究所，山西 太原 030006)

景观空间格局指形状和大小不一的景观斑块在空间上的配置，是景观异质性的具体体现，包含干扰在内的各种生态过程在不同尺度上作用的结果[1-3]。景观空间格局是景观生态学研究的核心内容之一，又是进行景观功能和景观动态研究的基础和关键，因此对景观的空间研究是分析景观格局、了解景观过程、把握景观动态的基础[4-5]。当前我国学者已开展了大量的研究工作，但主要在景观格局动态变化研究[6-10]、景观格局优化研究[11-16]、景观格局与生态过程的耦合途径分析[17]、景观格局演变及驱动力分析[18-19]和景观格局演变及生态系统服务价值分析[20]等方面。地貌是影响景观格局的重要因子[21]。地形起伏度又是描述地貌形态的重要参数，其空间分布为影响景观空间格局的重要驱动因子[21]。目前，将景观空间格局与地形起伏度结合在一起分析的研究较少，且研究区域集中在云贵高原区[21]、区域流域等[22-23]，有关黄土丘陵区的相关研究尚未见报道。本研究从地形起伏度的角度研究吕梁市的景观空间格局，对其空间分异特征进行分析，并揭示其随地形起伏状况的变化规律，旨在为研究区脆弱生态环境治理和指导该区景观生态建设提供理论依据。

1 研究区概况

吕梁市(36°43′-38°43′N，110°22′-112°19′E)因吕梁山脉纵贯全境而得名，地处山西省中部西侧，东部邻接太原市、晋中市，西隔黄河与陕北相望，南部、北部分别与临汾市、忻州市交界。吕梁属黄土丘陵沟壑区，地势中间高两翼低，平均海拔1 000～2 000 m。地貌大致分为平川区、丘陵区和中山区3种类型。山地两翼丘陵起伏，沟壑纵横，水土流失严重，东部地势平坦，是太原盆地西部边缘，为主要农业区。景观类型以黄土地貌和林地为主。全市基本属于温带大陆性季风气候区，四季分明。复杂、多变的地貌类型和人类社会活动的影响，使该市境内地表景观支离破碎，生态环境也十分脆弱。

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

基础数据为2008年5月Landsat-5 TM影像、2018年3月Landsat-8 OLI影像、30 m分辨率的ASTER GDEM数据和吕梁市矢量边界数据。利用ArcGIS 10.0和ENVI 5.3分别对ASTER GDEM数据及影像数据进行镶嵌、裁剪、辐射定标、大气校正等预处理。

2.2 研究方法

2.2.1 邻域分析法 地形起伏度指在某一确定面积内最大与最小高程之差[24-26]。利用邻域分析法[24-26]提取吕梁市地形起伏度，邻域分析所用矩形窗口大小为n×n像元(n=2,3,…,30)，提取步骤：1)统计不同窗口(n×n,n=2,3,…,30)内像元的最大及最小值；2)计算不同窗口内最大值和最小值的差值；3)统计n×n窗口的平均起伏度值，并对不同邻域窗口所对应的面积进行计算，结果见表1。

利用统计软件对表1中的邻域面积与平均起伏度值进行对数方程拟合，得到拟合方程为y=27.875ln(x)+15.462，决定系数R2=0.969 9，拟合效果较好，通过统计学检验。

由表1可知，平均起伏度值起初随着邻域面积的增大而迅速增大，当邻域面积达到一定阈值时，其变化幅度比较平稳，依靠目视很难确定该阈值(即最佳统计单元大小)，为避免主观因素的影响，本研究采用统计学上的均值变点分析法进行计算。

2.2.2 均值变点分析法 提取地形起伏度的关键步骤是确定最佳统计单元大小，而均值变点分析法是目前应用最多的一种定量方法。根据均值变点分析法的原理构建样本序列，步骤为：1)计算各统计单元下的单位地势度T，Ti=平均起伏度(ti)/邻域面积(si)(i=2,3,...,30)；2)对T取对数，得到序列X{xk,k=1,2,3,...,29}；3)利用公式(1)(2)(3)和表1数据计算S和Si的值[24-26]。

表1 邻域面积与平均起伏度值对照Table 1 Comparison of neighborhood area and average amplitude value

(1)

(2)

(3)

表2 均值变点分析法统计Table 2 Statistical results of mean change-point analysis method

由表2得知，在i=12时，S与Si的差值达到了最大，即利用该方法计算得到的最佳统计单元大小为13×13(15.21×104m2)，根据《中国1∶100万地貌制图规范(试行)中的地貌基本形态划分体系》[27]及相关研究，并结合吕梁市实际情况，将吕梁市地形起伏度分为4级，分别为平原(<30 m)、台地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)，得到吕梁市地形起伏度分级图(图1)。统计各级地形起伏度所占面积比例(表3)。

由表3和图1分析可得，吕梁市的地形起伏度以丘陵为主，台地此之，两者面积占全市总面积的90.83%。平原面积较小，占比8.56%，分布于东南部，与晋中盆地接壤，主要集中于孝义市、文水县、汾阳市、交城县境内以及黄河流经之处，这里人口聚集，平原的地形特点有利于人们在此开展社会经济活动；小起伏山仅占全市总面积的0.61%，集中分布于吕梁市中东部地区。

表3 吕梁市各级地形起伏度所占面积及面积百分比Table 3 Area and area percentage of relief amplitude at all levels in Lüliang city

2.2.3 景观指数提取

2.2.3.1 景观格局 依据吕梁市2008年Landsat-5 TM影像和2018年Landsat-8 OLI影像判读结果，结合研究区土地利用和覆盖特征，将景观类型划分为8类：黄土地貌、居民点、水域、林地、水浇地、旱地、未利用地和工矿用地。2008年及2018年吕梁市景观类型空间分布情况见图2。

由图2可以看出，2008年及2018年吕梁市景观类型均以黄土地貌和林地为主。10 a间景观类型的变化以未利用地最为明显。由于吕梁市地处山西省西部，受黄河以及西北风沙影响，境内黄土地貌沟壑纵横，塬梁峁川地貌类型清晰可见。林地位于吕梁市东部，分布集中成片。水浇地、旱地分布于东北和东南地区的居民点周围以及黄河各分支周围。未利用地主要分布于西部黄河河道周围。居民点和工矿用地分布在东南和东北，呈块状成片或点状分布。水域大部分呈条状分布于吕梁市最西侧，少数零星分布于各居民点周围。居民点沿河道呈成片分布。结合图1，从地形起伏度角度可以看出黄土地貌主要存在于丘陵、台地这种低起伏地带；居民点分布于平原、台地、丘陵这些低起伏带，由于这些地区便于人类对自然界的改造，并且居民点的分布与水域、水浇地、旱地的分布范围大体相同，这也表明人类聚居地的选择很大程度上与水和土地的分布有关，尽可能选择适合农作物生长的水源丰富的低起伏地带；林地分布在丘陵、小起伏山地；未利用地分布于黄河河道周边的丘陵和台地，受黄河影响不利于种植作物。

图1 吕梁市地形起伏度分级Fig.1 Classification map of relief amplitude in Lüliang city

图2 吕梁市景观类型空间分布Fig.2 Spatial distribution map of landscape types in Lüliang city

2.2.3.2 景观指数计算方法 景观指数有斑块类型水平指数(class-level index)、斑块水平指数(patch-level index)和景观水平指数(landscape-level index)3种[28]。本研究利用Fragstats 4.2计算吕梁市斑块类型水平指数。斑块类型水平指数选取面积-边缘类型指数及聚集度指数2种，指数的计算方法见Fragstats 4.2说明书或使用帮助。

3 结果与分析

利用ArcGIS的空间分析功能，将吕梁市地形起伏度分级图分别与2008年及2018年吕梁市景观类型图叠加，然后将其转为栅格数据，最后利用Fragstats4.2在斑块类型水平上研究2008-2018年吕梁市不同地形起伏带水平的景观类型分布，分析景观格局变化情况。

3.1 面积-边缘类型指数变化分析

面积-边缘类型指数选择斑块面积(class area，CA)和最大斑块指数(largest patch index，LPI)，以表征斑块大小和优势度。通过景观指数分析模块计算2008年及2018年不同地形起伏带水平各景观类型的面积-边缘类型景观指数，结果见表4。

由表4分析可知：平原地区2008-2018年，黄土地貌、水域、林地、水浇地、旱地和工矿用地的斑块面积(CA)增大，其景观范围扩大，而未利用地的斑块面积由324.12 km2减小为133.62 km2，减小程度最大，主要转化为了旱地、水浇地等对水分依赖程度较大的景观类型；未利用地的减少、工矿用地面积的增加可以看出，近年来吕梁市各县市经济开发力度增强，越来越多的闲置土地转化为利于经济发展的土地类型，景观状况不断转变；居民点的斑块面积(CA)由485.46 km2增长到575.23 km2，而其最大斑块指数(LPI)由0.91%减小到0.31%，说明随着吕梁市城镇化的发展，居民点分布范围扩大，斑块均质性上升，居民点内斑块类型减少；其余景观的最大斑块指数(LPI)增大或不变，表明景观异质性增大，景观内部斑块类型愈加丰富。台地地区，居民点、水浇地和未利用地的斑块面积(CA)减小，而黄土地貌、林地、旱地的斑块面积(CA)增大，且面积变化显著；未利用地的最大斑块指数(LPI)由0.42%下降到0.02%，表明未利用地斑块趋于均质性。丘陵地区，由于其所占面积为吕梁市总面积的2/3，所以大多景观类型所占面积都较大；2018年林地的最大斑块指数(LPI)占比达14.76%，林地为丘陵地区优势景观类型。小起伏山地，居民点、旱地、水浇地分布很少，主要由于随着地形起伏度的升高，不利于居民居住，且旱地、水浇地等主要耕地类型对水分的依赖程度较大，而小起伏山地地区无法供给充足的水源；林地的斑块面积(CA)从86.50 km2增加到103.58 km2，其最大斑块指数(LPI)为最大，表明林地为小起伏山地地区的优势景观类型；黄土地貌斑块面积(CA)的减少，说明林地面积的增加缓解了吕梁市脆弱的生态环境，更多松散易发生水土流失的土地类型被林地所覆盖，这对自然灾害起到了良好的抵御作用，使生态环境改善。

表4 2008、2018年不同地形起伏带上各景观类型的面积-边缘类型变化Table 4 The area-edge type changes of different landscape types at different relief zones in 2008 and 2018

3.2 聚集度指数变化分析

聚集度指标主要表征景观中不同斑块的数量、密度、聚集度、镶嵌度、连通性信息[29]。研究选取斑块总数(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、散布与并列系数(IJI)4种聚集度指标，分析吕梁市2008-2018年10 a间各景观类型的聚集度变化，表征景观的破碎程度、形状变化及聚集程度见表5。

由表5可知，平原地区2008-2018年居民点的景观斑块数量由29 500个增加到31 686个、景观形状指数由189.11减少到123.06、散布与并列系数由41.00%增大到54.07%，这些指数的变化表明吕梁市近10 a间平原地区的居民点分布越来越密集，斑块形状愈加规整，斑块连通性加强，这也与吕梁市近年来城市基础设施建设力度加大、交通线路的增加、乡村振兴转型发展等政策的实施密不可分，使得居民点斑块连通性增大，城镇化水平提升；水浇地的斑块数量(NP)由12 197个增加到21 837个，可看出其破碎度增大，斑块类型愈加丰富；未利用地的景观形状指数(LSI)显著下降，由252.23减少到156.22，表明在人类改造下未利用地的斑块结构愈加简化，破碎减少；水域连通性变化较小，但在2008、2018年均为最大值，分别为58.78%及60.88%，说明水域的成片分布不仅为各种景观类型提供了丰富的资源供给，还能起到改善城市热岛效应、促进城乡一体化发展、增加景观类型多样性等作用。台地地区，水域散布与并列系数(IJI)由64.24%增加到69.56%，未利用地和黄土地貌的斑块数量(NP)增加，说明此区域黄河支流连通分布影响到未利用地的扩展及黄土地貌的发育；对水分依赖较大的居民点、工矿用地、水浇地、旱地也因水域的连通性较好相对分布较多，并且四者的散布与并列系数(IJI)增大，分布更加集中。丘陵地区，2008-2018年水域的景观形状指数(LSI)由166.54增加到224.32，而旱地由363.26增加到454.14，可看出在人类改造下水域和旱地的斑块形状更加复杂；水域、林地、旱地斑块密度(PD)分别由1.42、4.31、4.96个·km-2增加至2.04、5.11、8.23个·km-2，表明三者的景观斑块破碎度增大，斑块类型更加丰富；由于丘陵为吕梁市主要的地形类型，居民聚集较多，通过10 a间不断改造，所有景观类型的聚集度上升，连通性均有所增强，越来越有利于经济建设的发展。小起伏山，由于地形起伏度的升高，人类活动减少，各景观类型破碎化水平小，形态规整；旱地、林地、工矿用地连通性变差，愈加散乱分布。

表5 2008、2018年不同地形起伏带上各景观类型的聚集度变化Table 5 The aggregation changes of different landscape types at different relief zones in 2008 and 2018

4 结论与讨论

利用ASTER GDEM数据提取吕梁市地形起伏度，结合2008年和2018年影像数据解译结果，使用Fragstats 4.2对斑块类型水平景观指数进行了计算，并分析探讨吕梁市景观格局随不同地形起伏度的空间格局。结果表明，吕梁市地形起伏度以丘陵为主，台地此之，两者面积占全市总面积的90.83%，平原面积占比8.56%，而小起伏山仅占全市总面积的0.61%。2008年及2018年吕梁市景观类型均以黄土地貌和林地为主，10 a间景观类型变化以未利用地最为明显。平原地区，未利用地的斑块面积由324.12 km2减小为133.62 km2，主要转化为了旱地、水浇地等景观类型；居民点的最大斑块指数(LPI)由0.91%减小到0.31%，斑块数量(NP)由29 500个增加到31 686个、景观形状指数(LSI)由189.11减少到123.06、散布与并列系数(IJI)由41.00%增大到54.07%，表明其分布范围扩大，分布越来越密集，斑块形状愈加规整，斑块连通性加强；未利用地的景观形状指数显著下降，由252.23减少到156.22，其斑块结构愈加简化。台地地区，黄土地貌、林地、旱地的斑块面积分别由1 895.41、414.49、259.78 km2增加至2 173.44、920.46、544.42 km2。丘陵地区，2018年林地的最大斑块指数占比达14.76%，林地为丘陵地区优势景观类型；水域的景观形状指数由166.54增加到224.32，而旱地由363.26增加到454.14，二者的斑块形状更加复杂；水域、林地、旱地斑块密度分别由1.42、4.31、4.96个·km-2增加至2.04、5.11、8.23个·km-2，三者的景观斑块破碎度增大，斑块类型更丰富。小起伏山地，林地的斑块面积从86.50 km2增加到103.58 km2，其最大斑块指数为最大，表明林地为小起伏山地地区的优势景观类型。随着地形起伏度的变化，吕梁市景观空间格局分异特征明显。地形起伏度只是描述地貌形态的重要参数，如对景观空间格局分异特征进行更深入研究，还需应用较为全面的地貌因子。