基于GIS和RS的郑州市土地利用变化及景观格局分析

胡欣雨 王升红 陈舒玲 陆东芳

(福建农林大学 园林学院、艺术学院(合署)，福建 福州 350002)

地表利用变化即土地利用/覆被变化(Land use/cover change,LUCC),其中土地利用覆被侧重于土地的自然属性，土地利用侧重于土地的经济属性[1]。土地利用变化是自然因素和社会因素共同作用的结果，但受人为因素影响较大。不同土地类型面积的变化以及变化的幅度在一定程度上反映了人类活动强度以及经济发展的速度，人类活动驱动了土地景观格局的不断变化[2-3]。景观格局(Landscape pattern)又称为景观空间格局(Spatial pattern)，是指景观组成的单元类型、数目以及空间分布与配置，反映了景观的空间结构特征，是景观异质性的具体表现，也是景观格局在不同生态过程和空间尺度叠加的结果[4-7]。其中，土地利用景观格局体现了不同尺度和属性的土地利用类型斑块在空间上的分布状况，具有显著的时空特征[5-8]。对土地利用景观格局的变化进行研究，可以有效揭示研究区域的景观发展现状以及趋势变化[8-10]，为人们合理地利用土地资源和更有效地保护土地资源提供建议，从而促进区域生态环境的良好发展。本文运用遥感(RS)和地理信息系统(ArcGIS)技术，对郑州市2004—2019年的土地利用景观格局变化进行分析，了解郑州市土地资源分布和发展的情况，为合理利用土地资源提供参考。

1 研究区概况

郑州市是河南省省会城市，位于河南省中北部，北临黄河，西依嵩山，东南为黄淮平原。郑州市下辖6个市辖区、1个县，代管5个县级市，2016年被确定为“国家中心城市”[11]。近年来，郑州市经济发展迅速，2019年郑州市的GDP为11 589.7亿元；同时郑州市也注重生态环境的建设，于2012年12月出台了《郑州市森林城市建设总体规划(2011—2020年)》积极推进国家森林城市的建设，逐步提高“300米见绿，500米见园”的覆盖率，采取“增绿、增水、增湿”的措施[12]，提高郑州市的生态环境品质。随着这一发展趋势，郑州市的景观格局势必会受到一定的影响。

2 材料与方法

2.1 材料来源与处理

本研究所用数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)，下载郑州市2004-04-24、2009-04-06、2014-05-06、2019-04-18 四期遥感影像图，空间分辨率为30米。下载的遥感图成像时间相近，且云量较少，遥感图质量较高。郑州市矢量边界数据来源于“2012ArcGIS全国电子地图”。

通过ENVI5.3软件对下载的遥感影像图进行辐射定标、flaash大气校正、裁剪、拉伸等预处理[13]。按照国家《土地利用现状分类标准》(GB/T21010—2007)以及郑州市土地利用特点[13-15]，将土地利用分为：耕地、林地、建设用地、其他用地、水域。根据软件分类和不同土地类型在软件中所反映出的不同颜色、纹理、形状的特点，建立各类地物的解译标志[10][16]，采用随机森林以及人机交互解译的方法[17]，获取4期土地利用分类图(见图1)。借助ArcGIS10.2和Fragstats4.2软件，获取郑州市土地利用转移矩阵和景观格局指数数据。

图1 郑州市2004—2019年土地利用分类图

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态变化模型的建立

(1)单一土地利用类型动态度。

单一土地利用类型动态度[18]表示某一时期某种土地利用类型面积的变化情况，公式为：

式中K是某一类土地的动态度，Ua、Ub是某种土地类型研究初期和研究末期的面积，T是研究时长，当T的单位为年时，K是某一类土地利用类型的面积年变化率。

(2)土地利用转移矩阵。

土地利用转移矩阵[19]可以用来分析土地利用变化的结构和方向。数学表达式为：

式中P表示面积，N表示土地利用的类型，i、j表示某一研究时期初期和期末的土地利用类型。

2.2.2 景观指数的选择与计算

景观指数是景观格局信息的高度概括，反映景观的结构和空间配置。包括斑块水平指数、类型水平指数和景观水平指数，可以描述个别斑块、某种类型的斑块或者整个景观空间的结构特征[16,20-22]。现有研究表明：利用景观破碎度、聚集度等相关指数可以在一定程度上很好地解释土地利用变化的景观生态现状。例如鲁亚楠[23]通过构建景观格局指数分析了陕北地区土地利用变化与景观格局、生态服务价值的关系；吴涌平[24]以福州市为例，运用景观格局指数，分析了土地利用景观格局与城市内涝之间的联系；黄聚聪[25]运用景观格局指数分析了厦门市城市热岛格局演变趋势，对城市热岛景观效应提出了一定的警示。基于前人研究的结果和本文所要研究土地利用景观格局的需要，确定使用类型水平指数和景观水平指数[23-29]。选取的指数有景观百分比指数(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、斑块数指数(NP)、斑块密度指数(PD)、景观形状指数(LSI)、聚合度指数(AI)、蔓延度指数(CONTAG)、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)。具体的生态含义如表1所示，Fragstats4.2软件对各种指数都有详尽的说明。

表1 景观格局的评价指标与含义

3 结果与分析

3.1 景观总体构成

从土地空间分布和数量来看(见图1、图2和表1)，郑州市的土地利用类型发生了较大的变化。从2004—2014年，耕地面积变化较小，只略微增加。2014—2019年，耕地面积变化幅度大，5年间耕地面积年变化率为-2.56，减少了460.55km2；15年间耕地占土地总面比由2004年的47.16%减少到2019年的41.53%。2004—2019年，林地面积逐渐减少，且2009—2014年林地减少幅度大，5年间共减少了280.38km2；2014—2019年，林地面积略微增加，15年间林地共减少了319.17km2，占土地总面积比由2004年的19.76%减少到2019年的15.54%。减少的耕地和林地主要分布在建成区的周围，转化为建设用地。15年来建设用地面积逐渐增加，特别是主城5区的面积扩张迅猛，从中心向外围逐渐扩张，15年间面积增加了1 126.37km2，占土地总面积比由2004年的24.25%增加到2019年的39.14%。分布在东部的其他用地，变化显著，占地面积逐渐减少，根据相关的文献[14]可知，东部的其他用地主要是指沙地，15年来其他用地共减少了378.82km2，东部的沙地逐渐转为其他可利用土地。水域占土地总面积比较小，2004—2014年水域面积逐渐减少，2014—2019年水域面积年变化率为5.60，面积增加了25.57km2。

图2 2004—2019年郑州市土地利用数量变化

从土地利用类型转换上看(见表2、表3)，郑州市的土地利用转换主要在耕地与建设用地，耕地与林地，其他用地与耕地，其他用地与建设用地之间进行转换。新增的建设用地主要由耕地、林地、其他用地转化而来，其中耕地的贡献最大，说明近年来郑州市经济发展迅速，城镇建设加快，大量耕地被侵占。2004—2014年，耕地面积略微增加，这与林地、其他用地(主要是东部沙地)转向耕地密不可分，缓解了耕地面积减少的速度。东部沙地面积逐渐减少，主要转向耕地和建设用地，说明在人们积极的治理下，沙地情况逐渐好转，提高了可利用土地的面积。2014—2019年期间，林地和水域面积有所增加，这说明郑州市在进行国家森林城市的建设中，积极保护了林地资源和水资源。

表2 2004—2019年郑州市土地利用数量结构变化分析 单位：km2

表3 2004—2019年郑州市土地利用转移矩阵 单位：km2

3.2 景观格局变化分析

从类型尺度上(见图3)可以看出，郑州市耕地面积减少，最大斑块指数先上升后下降，优势度下降；耕地的斑块数和斑块密度明显增加，表明随着人们侵占耕地而从事其他活动，导致了耕地的破碎度提高；耕地的形状指数总体呈增加态势，表明耕地在人为和自然因素的干扰下形状趋于复杂；耕地的聚合度下降，表明耕地的空间聚集度降低，分布趋向于分散。建设用地的景观百分比指数、最大斑块指数都逐渐增加，说明随着郑州市的城市化进程加快，建设用地不断向外扩张，建设用地的优势度逐渐上升；斑块数、斑块密度呈现出先上升后下降的趋势，表明建设用地景观破碎化程度经历了先增强后减弱的过程；景观形状指数和聚集度总体提高，说明建设用地的形状在人为和自然因素的干扰下，形状更加复杂化，斑块聚集程度提高，建设用地逐渐呈连片式发展。2004—2014年林地面积减少幅度较大，斑块数和斑块密度增加，说明林地斑块处于被蚕食分割的状态，破碎度提高；2014—2019年林地面积减少幅度小，面积波动小，斑块数、斑块密度和景观形状指数减少，最大斑块指数、聚合度增加，说明林地发展集中，对现有林地保护得较好。其他用地的斑块数、斑块密度总体增加，景观形状指数逐渐增加，聚合度逐渐下降，说明其他用地逐渐被占用，面积逐渐减少。水域景观面积小，变化幅度较小，聚集度虽有略微下降，但总体水平较高，说明水资源保护得较好。

图3 类型尺度上景观格局指数

基于景观水平来看(见表4)，景观斑块总数和密度呈现出先增加后减少的特点，2004—2009年显著增加，表明这期间郑州市景观破碎化程度加快，2014—2019年景观破碎化速度减缓，但破碎度仍然严重；蔓延度总体增加，说明随着郑州市道路交通网的发展，景观斑块之间具有良好的连接性，连接度提高；香浓多样性指数和香浓均匀度指数整体较高，变化幅度较小，总体呈现下降的趋势，表明郑州市的土地利用类型丰富，各类型斑块分布较均匀。

表4 景观尺度上景观格局指数

4 结论与讨论

研究期间，建成区从中心逐渐向外围扩张，且2009—2019年面积急剧增加。这10年间郑州市建设用地迅速扩张，表明郑州市经济快速发展。随着郑州经济的发展、人口的增加，加快了耕地向建设用地转化的速度，同时城市化水平的提高在一定程度上增加了景观格局的破碎性，在一定程度上破坏了生态环境。郑州市采取的“拓宽渠道实现耕地占补平衡”的措施[30]，林地和其他用地转向耕地，减缓了耕地减少的速度。随着郑州市积极进行国家森林城市的建设以及所采取的“增绿、增水、增湿”的措施，在一定程度上保护了郑州市的林地资源和水资源，2014—2019期间，林地和水域的面积略微增加，林地的破碎化有所缓解，得到了较好的保护。从四期的土地利用分类图可以看出东部沙地面积逐渐减少，说明在人们积极的治理下，沙地逐渐转变为其他可利用土地，增加了郑州市可利用土地的面积，提高了土地利用率。从研究结果来看，随着郑州市积极进行国家森林城市的建设，加强了对林地和水域的保护，生态环境有所改善，但总体景观破碎度依然严重，仍然要重视土地景观的合理规划。

综合上述郑州市景观格局存在的问题，在未来的发展中，应加强对建成区绿地和水域的保护。近年来虽然郑州市积极推进国家森林城市的建设，绿地和水域得到保护，但所占土地总面积比仍然很小。决策者应该更加重视保护建成区周围的绿地和水域，保护城市生态环境、丰富城市景观。应合理进行建设用地的开发，防止建设用地的无序扩张。近年来建设用地侵占了大量的耕地和林地，导致景观破碎度逐渐提高，破坏了生态环境。决策者应加强对建设用地的管理，更加积极推行紧凑型城市发展理念。应加强对西部林地资源的保护，防止人们无限制地侵占林地，从事耕地活动。决策者应该更加重视林地景观的生态价值，提高林地内部生物的多样性。