（自然地理学专业论文）武汉市土地利用景观格局研究.pdf

硕士学位论丈 m a s l e r st h e s i s 摘要 当今社会随着人口的增长，人地矛盾日益突出，由于人类活动导致土地利用状 况以及地表景观无时无刻不在发生着深刻变化。景观变化对区域的环境变化起着十 分重要的作用，景观格局的动态变化己成为国内外景观生态学研究的重点之一。通 过研究景观格局可以更好的理解生态学过程，揭示景观演替的机制和规律，实现资 源的可持续利用。 遥感影像资料的覆盖范围广、实时性强的特点，使其在当代景观格局研究中起 到重要的作用，利用相同地区不同时期的遥感影像可以提取该地区在这一时间范围 内的土地利用和景观格局变化数据。本文以武汉市为研究区，以景观生态学原理为 基础，综合运用r s 和g i s 技术手段以及景观格局分析软件，对武汉市三个时期的景 观空间格局及其动态变化进行定量化分析，主要的研究结果如下： 近2 0 年来，在自然条件和经济发展和人口增长等社会经济条件的影响下景观格 局发生明显变化，耕地、草地和水域面积下降，而耕地减少面积最多，但它一直都 是整个研究区的优势景观类型。城镇建设用地、林地和库塘面积都呈现增加趋势， 而城市建设用地面积在此期间增加尤为明显。从景观总体水平来看，在所选取的研 究时段内景观破碎程度在加深，斑块在空间上分布出现均衡化，优势景观类型的优 势度和连通度降低。所有的这些景观格局变化说明人类对于自然界的干扰强度在加 大。从景观总体水平来看，在所选取的研究时段内景观破碎程度在加深，斑块在空 间上分布出现均衡化，优势景观类型的优势度和连通度降低。所有的这些景观格局 变化说明人类对于自然界的干扰强度在加大。 关键词：武汉；土地利用；遥感；景观生态学；景观格局 ： 硕士学位论丈 m a s i e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t ho ft h ep o p u l a t i o n ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nh u m a na n dl a n d u s e h a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t h u m a na c t i v i t i yl e a d st ot h ep r o f o u n dc h a n g i n gi n t h el a n d u s ea n dl a n d s c a p ep a t t e r n s 1a n d s c a p ec h a n g i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no u r e n v i r o n m e n t a l ，a n dt h er e s e a r c ho fl a n d s c a p ep a t t e r nh a sb e c o m et h ef o c u so fl a n d s c a p e e c o l o g ya th o m ea n da b r o a d t h r o u g ht h er e s e a r c ho fl a n d s c a p ep a t t e r n sw ec a ng e ta b e t t e r u n d e r s t a n d i n go fe c o l o g yp r o c e s s e sa n dr e v e a lt h em e c h a n i s ma n dl a w s 0 f l a n d s c a p es u c c e s s i o n a n da tl a s tw ec o u l dr e a l i z et h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s t h ed a t ao fr e m o t es e n s i n gh a st h ea d v a n t a g eo fb e s t r o ws c o p ea n dq u i c kt i m e ， w h i c hm a k e si tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c ho ft h el a n d s c a p ep a t t e r n s f r o m i n t e r p r e t i n gr sd a t ao fd i f f e r e n tp e r i o d si nt h es a m ea r e a ，w ec a ng e tp l e n t yi n f o r m a t i o n o fi t sl a n d u s ea n d l a n d s c a p ep a t t e r n s b a s e d o n l a n d s c a p ee c o l o g yt h e o r y ，t h e c o m p r e h e n s i v eu s eo fr sa n dg i st e c h n o l o g ya n dt h el a n d s c a p ep a t t e r na n a l y s i s s o f t w a r e ，i tt a k e st h e a n a l y z eo ft h el a n d s c a p ep a t t e r na n dt h ed y n a m i cc h a n g ei nt h r e e p e r i o d so fw u h a n t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： i nt h ep a s t2 0y e a r s ，t h el a n d s c a p ep a t t e r no fw u h a n c h a n g e dg r e a t l yu n d e rt h e i n f l u e n c eo ff a c t o r s i n c l u d i n gn a t u r a le n v i r o n m e n t a l 、e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d p o p u l a t i o ng r o w t h i na l lo ft h el a n d s c a p et y p e s ，t h ea r e ao fc u l t i v a t e dl a n d ，g r a s s l a n da n d w a t e rr e d u c e d t h ec u l t i v a t e dl a n di ss t i l lt h ea d v a n t a g el a n d s c a p et y p ei nt h el a n d s c a p e p a t t e r na l t h o u g hi td e c r e a s e dt h em o s t t h ea r e ao fu r b a nc o n s t r u c t i o nl a n df o r e s ta n d p o n di n c r e a s e d ，a n dt h eu r b a nc o n s t r u c t i o nl a n dh a si n c r e a s i n go b v i o u s l yi nt h i sp e r i o d o b s e r v i n gf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fl a n d s c a p e ，w ek n o wt h a tt h ef r a g m e n t a t i o no f l a n d s c a p ei sd e e p e n i n g ，t h ed i s t r i b u t i o no fl a n d s c a p et y p e si sb e c o m i n ge q u a l i z a t i o na n d t h ed e g r e eo fd o m i n a n c ea n dc o n n e c t i v i t yi s b e c o m i n gl o w e ra n dl o w e r a l lt h e s e c h a n g e s i l l u s t r a t e st h a tt h ei n t e r f e r e n c eo fh u m a n b e i n g i sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l y k e yw o r d s ：w u h a n ；l a n du s e ；r e m o t es e n s i n g ；l a n d s c a p ee c o l o g y ；l a n d s c a p e p a t t e r n i i 硕士擘位论丈 m a s r e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律结果由本人承担。 论文作者签名： 壶恢 日期：叫年月日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解华中师范大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师 范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文在解密后遵守此规定。 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文 提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布。并可按“章程”中规定享受相关权益。 回垂途塞堡銮卮澄厦i 旦兰生；旦= 生i 旦三生蕉查。 导师签名：孑舍季父 日期：7 秒习年g 月f 日 以曼碳m 孙盟 签 ： 师期 聊醐 磊用k f ，躲俨 者切 惴勘 如期 论日 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 1 绪论 1 1 论文研究的背景和意义 土地利用土地覆被变化( l a n d u s ea n dl a n d c o v e rc h a n g e ，简称l u c c ) 是自然 地理环境变化的一个重要表现，也是造成全球环境变化的重要原因之一。多项研究 表明：人类的生产与生活，社会经济的发展对土地开发利用的影响而引起的土地利 用土地覆被变化是引起全球环境变化的主要原因。1 9 9 5 年，国际地圈生物圈 计划和全球环境变化人文计划联合提出了“土地利用和土地覆被变化”( l u c c ) 研究 计划，此项计划使土地利用土地覆被变化为基础的相关研究成为目前全球环境变 化领域的前沿和热点问题【l j 。 土地利用土地覆被作为一种重要的人类活动对景观及其生态效应的影响，越 来越受到相关专家学者的关注【2 1 。景观格局及其动态变化是景观生态学的核心问题。 景观格局决定景观的生态功能，反之，生态功能的改变亦将从景观结构的变化中反 映出来1 3 1 。因此，本文利用景观生态学原理，进行土地利用的景观格局分析，为促 进土地利用变化和自然环境的可持续发展提供一定的理论研究方法。 土地利用覆盖本身的变化研究往往侧重于土地数量和质量的变化，而忽略空间 格局及其演变【4 1 。因此在研究空间格局变化时则需要借助景观生态学的一些参数和 指标进行描述。土地利用空间格局与生态学中的生态景观空间格局具有极其相似的 地方，而景观生态学便是这两者的结合。在土地利用土地覆盖变化研究中引入景观 生态学的有关研究方法，通过对空间格局的研究可以对土地利用土地覆盖进行定量 化描述、分析和研究，包括土地利用土地覆盖类型的数量、各类型所占比例以及土 地利用景观多样性等指标1 5 】。综合利用遥感影像与g i s 的空间分析手段，探讨历史 时期内土地利用覆被变化的时空过程，并且更方便揭示其空间变化规律，分析引起 变化的驱动力，业已成为当前国庆j # l - 上开展土地利用与土地覆被变化研究的最新动 向1 6 】。 本文以武汉市为研究区，通过1 9 8 5 、1 9 9 6 和2 0 0 5 年三个时期l a n d s a t t m 影 像对研究区内的土地利用格局状况做了初步统计。分别分析了三个年代以及在这2 0 年间土地利用景观格局状况的各项指数，为揭示本时期内土地利用存在的问题，并 进一步制定合理的区域土地整理策略，实现土地利用的可持续发展提供了一定的参 考和依据。 ： 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 1 2 景观生态学研究综述 1 2 1 概念 地理学上对于景观的定义有狭义和广义之分。前者的范围大概介于几平方公里 到数百平方公里之间，由体现景观异质性的基本单元，即不同的生态系统按照某种 方式组成的复合空间结构，其间伴随着物质交换，能量流动以及信息传递这些生态 过程【7 1 。对于广义的景观，不管从任何空间尺度上，都没有严格限定地域空间范围 的大小，仅仅由不同类型的生态系统组成的异质性空间单元【8 j 。 景观生态学这一概念的提出，最早是由德国著名地植物学家c a r l t r o l l 在1 9 3 9 年提出来的，当时其是利用飞机航拍照片研究东部非洲的土地利用问题1 9 】。而今景 观生态学的发展在很大程度上取决于其新技术手段的运用和定量研究方法的发展。 遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) 即所谓的“3 s ”技术的快速发 展，为景观生态学研究提供了很大的支持和推动作用。 1 2 2 国外景观生态学研究进展 景观生态学在2 0 世纪3 0 年代的起源时期被其创始人特罗尔理解为：景观中生 物群落之间有着错综复杂的关系，他们之间有着复杂的物质和能量交换，信息传递， 而景观生态学正是研究生物组分之间这种复杂的因果反馈关系的一门科学，其学科 特点有地理学的和生物学的交叉的特性1 1 。 由于近代人地矛盾的逐渐尖锐，二战后的中欧和东欧一些国家在这一相关领域 出现了以土地做为研究对象的景观生态学研究热潮。例如荷兰生态学家z o n n e v e l d 认为：“景观生态学的研究内容包含了地理学的研究范畴，它体现了由低一级别的 景观单元组成的更高级别地域单元的综合性、整体性”【1 。i s z o n n e v e l d 利用航 空图片r u z i c k a 在当时提出了“景观生态规划”，在当时的国土规划和区域经济决 策中曾发挥了巨大作用l l 。 直到二十世纪八九十年代以后，国际上景观生态学的发展出现如下新趋势：( 1 ) 生态空间理论与景观异质性研究：通过研究景观的生物、水分、养分和物质流来决 定景观的格局，即景观内的各种动态变化决定着景观的空间尺度、格局等结构单元。 ( 2 ) 景观模型的应用：景观模型可以用来模拟在实验室内难以实现的野外景观演变， 在研究景观动态变化和预测方面具有重要的应用价值。例如h e i k ob a l z t e r 等用元 胞自动机模型研究植被景观类型的动态变化1 1 2 j ；m i c h a e l 也用马尔可夫转移矩阵模 型研究不同植被演替过程的环境效应差异1 1 3 j ；d a v i d 等用人工神经网络模型模拟出 了在过去、现在和将来三种不同的气候条件下植被景观可能出现的分布情况【l 制。 2 硕士学位论文 m a s l i e r st h e s i s ( 3 ) r s 和g i s 技术的应用。遥感技术的发展为土地利用和景观格局的研究提供了真 实、完善的数据，而地理信息系统的发展则为景观系统分析提供了简洁方便的软件 支持，可以将庞大的遥感数据快捷的用系统分析软件对景观结构进行定量化的指标 描述。 1 2 3 国内景观生态学研究进展 我国在景观生态学方面的研究主要分为两个阶段：2 0 世纪8 0 年代之前的研究 工作主要集中在景观地理综合体、景观类型和景观制图上【1 5 】。跟国外的景观生态学 研究相比，停留在一个较为初级的水平上，且研究学者较少。 在2 0 实际8 0 年代以后，国内景观生态学的理论研究有了长足的发展。具体表 现分为两部分，一是对于国外文献的翻译研究工作，二是对于国内具体的案例研究。 对于前者，具体的研究文献有1 1 6 】：黄锡畴在地理科学上发表德意志联邦共和 国生态环境现状及保护，以及刘安国的捷克斯洛伐克的景观生态研究。北京大 学林超等人将景观生态学的发展阶段、景观生态学、景观及其景观生态学的 定义等一系列文献进行了翻译，对景观生态学在国内的思想传播起到了巨大的积 极意义。对于后者，国内的景观生态学的研究案例影响比较大的有：肖笃宁利用 沈阳西郊地区的航空影像研究讨论了3 0 年来其景观格局的变化过程，这是我国学 者开展的景观格局研究的典范【1 7 】。傅伯杰等人研究了陕北省米脂县泉家沟流域农 业生态景观的空间格局【1 引。王宪礼、肖笃宁辽河三角洲地区湿地景观格局变化情况 进行研究【l 引。袁艺使用景观格局的研究方法，在斑块水平上对快速城市化地区的主 要土地利用景观类型在时间和空间上进行了研究【冽。孙亚杰等利用1 9 9 7 年到2 0 0 2 年北京地区遥感资料，对北京六环以内的景观进行分类，在景观水平上对5 年来北 京地区的景观格局变化进行分析【2 1 1 。 1 3 研究方案 1 3 1 研究目标 本文针对武汉市范围内土地利用引起的各种变化，试图从景观生态学角度，分 析其动态演化并以此来阐明武汉城市化过程中景观格局演变规律。本研究以遥感影 像作为信息源，在充分调查研究区自然和人文景观状况的基础上，从遥感影像及当 地收集的资料中获取研究区各土地利用类型的空间位置、面积大小、斑块数量、斑 块形状以及它们之间的空间关系等信息。在g i s 软件和景观格局分析软件 f r a g s t a t s 3 3 支持下对武汉市1 9 8 7 年、1 9 9 6 年和2 0 0 5 年的景观格局及其近2 0 年 间的变化做定量分析，为武汉市土地利用和生态治理已经社会经济发展提供及时、 3 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 准确的依据。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 武汉市景观类型划分 依据景观生态分类的综合原则、异质性原则、景观功能与生态过程一致性原则 和实用原则，确定研究区武汉市的景观生态类型的划分。 ( 2 ) 遥感影像处理与数据获取 按照所划分的景观类型，对武汉市的遥感影像进行解译和分类，获取武汉市三 个研究时段的土地利用景观类型相关数据。 ( 3 ) 景观格局动态分析 利用景观分类数据，获取三个时段上景观类型和景观水平两个层次上的相关数 据，定量研究武汉市三个年代的景观格局状况及其近2 0 年间的动态变化。 1 3 3 技术路线 本文的研究路线主要分为三步，首先是利用e r d a s 软件完成对研究区域遥感图 像的预处理以及影像的解译，以此来获得景观格局分析的基础数据。然后按照遥感 解译所获得的基础数据，利用景观分析软件f r a g s t a t s 对三个年代的景观格局各项 指数进行计算。最终根据所得景观指数分析其景观格局状况和景观演化的驱动力进 行分析。( 具体示意图如图1 1 ) 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图1 1 技术路线图 5 硕士学位论丈 m a s | i e r st h e s i s 2 研究区概况 2 1 自然条件 2 1 1 地理位置与地形地貌 武汉市是湖北省省会，位于江汉平原东部，长江与汉水交汇处，地理位置在东 经1 1 3 。4 1 一1 1 5 。0 5 ，北纬2 9 。5 8 一3 1 。2 27 之间，南北最大纵距1 5 5 k m ， 东西最大横距1 3 4 k m 。全市土地面积8 4 6 7 平方公里，占全省土地面积的4 6 。武 汉市地质结构以新华夏构造体系为主。地形属残丘性河湖冲积平原，地势北高南低， 中部低平，山丘、湖泊与平陆相间。 2 1 2 气候条件 武汉市地处北亚热带季风区，属亚热带湿润季风气候。雨量充沛、热量丰富、 夏热冬冷、四季分明。年均气温1 7 7 ，1 月平均气温3 0 。c ；7 月温度最高，达 月均2 8 8 c ，年月气温平均值差2 5 8 c 。武汉市市区盛夏闷热，素有“火炉”之 称。武汉市雨量充沛，年平均降水量达11 8 0 毫米，年平均降雨日数为1 2 4 9 天， 降水集中在4 8 月份，降水量占全年的6 5 。年平均日照1 7 5 2 小时，年降雪日一般 在1 0 天左右。武汉市风向明显地随季节变化而变化，冬季北风和东北，夏季多东 南风，全年主导风向为东北偏北。 2 1 3 土壤条件 武汉市土壤表现出由中亚热带向北亚热带过渡的土壤特性。武汉市水稻土地面 积最大，占总面积的4 5 2 ，其次为黄棕壤，占2 4 8 ，潮土占1 7 ，红壤占1 1 2 ， 其它石灰土、紫色土、草甸土、沼泽土等共占1 8 。土壤类型大致可分为：平原湖 区、垄岗平原、残蚀低丘和低山丘陵四个土壤类别。土壤性质复杂，差异性大，障 碍因素较多。贫瘠土地面积较多，土壤普遍缺氮、严重缺磷、部分缺钾、大多数缺 少硼、锌、钼等微量元素。 2 1 4 植被条件 武汉地处从中亚热带到北亚热带的过渡地带，自然条件多样，生物资源较多， 分布较广。植物区系类型从中亚热带常绿阔叶林向北亚热带落叶阔叶林过渡。据不 完全统计，全市的蕨类和种子植物有1 0 6 科、6 0 7 属、1 0 6 6 种，兼具南方和北方植 物区系成分。常绿阔叶林和落叶阔叶林组成的混交林，是全市典型的植被类型。 武汉市原有植被类型可分为木本植物群落和草本植物群落。境内天然森林植被 屡遭破坏，原生的地带性植被已罕见存在，只有小块人工次生林和局部的天然湖沼 草甸植被群落。建国后，经过四十多年的植树造林，加上水、土、热等优越自然条 6 ： ： 硕士学位论文 m a s i e r st h e s i s 件，植物种属不断增加。其中的许多外来植物，如意杨、湿地松等经过引种驯化也 生长良好。木本植物群落及其分布包括：杂木林分布在江夏区( 纸坊) 等地； 马尾松林分布在九峰等地；小叶栎林、侧柏林、石楠林以及少量的樟林、铁稠 林分布在珞珈山等地；竹林、水杉林分布在东湖风景区及周围等地；马尾 松和小叶栎混交林分布在磨山、珞珈山等地；果林分布在南湖狮子山、东 湖红林嘴等地。草本植物群落包括：草地分布在全市空旷地及林地周围；沼泽 草地分布在全市低洼之处；水生草木分布在全市池塘、湖汉等处。 2 1 5 水文条件 武汉市大部分为平原湖区，江河纵横，湖泊密布，形成以长江、汉江为主干， 以金水、通顺河、府河、澡水、举水、倒水等支流构成庞大的水系。据资料分析， 在正常年景全市地表水总量达7 9 1 3 亿立方米，其中境内降雨径流约3 7 3 亿立方米， 过境客水7 8 7 5 7 亿立方米，地下水年均资源量约4 9 3 亿立方米。长江由汉南区进 入武汉市，自西南向东北流，到天兴洲又折向东南，在左岭附近又折向东北，在新 洲区大埠出境，流程1 5 0 5 公里。武汉境内的湖泊众多滨江滨湖的武汉，素有“百 湖之市”美称。同时，在黄陂、新洲北部山区、丘陵地带和江夏分布有大型水库水 面。 2 1 6 自然资源 武汉市有得天独厚的自然资源。在生物资源方面，全市素有“鱼米之乡”美誉； 粮食作物，共2 4 0 多个品种；经济作物共5 0 种；鱼类资源共l l 目1 1 科8 8 种；水 生动物共有8 目1 4 科4 5 种。其次是丰富的矿产资源，我市现已发现3 8 种矿藏， 其中已探明储量的矿种有2 4 种( 不含地下水) ，占全省已探明储量矿种的3 0 3 8 。 累计探明储量9 6 1 2 5 6 5 万吨，保有矿产储量7 9 8 2 9 7 5 万吨。非金属矿产资源十分 丰富，主要有建筑材料用石英砂岩、砖瓦用粘土、熔剂用灰岩和冶金用白云岩等， 其中膨润土、冶金白云岩、玻璃石英砂岩的储量居全省首位，石膏的储量规模居全 省的第三位。全市已探明储量的矿产地数3 8 4 处，其中大型矿产地有4 处、中型矿 产地有1 0 处、小型矿产地有4 3 处、矿点3 2 7 处。 2 2 社会经济环境 武汉市是华中地区最大的中心城市，全国重要的工业基地和交通、通信枢纽， 也是我国华中地区最大的商业贸易中心、教育科研中心和金融中心。到2 0 0 5 年底 人均g d p 达到2 6 2 3 8 元( 按常住人口计算) ，全市财政总收入达3 8 9 3 6 亿元【弼j 。武 汉市的科技实力雄厚，科技实力处于国内领先地位。东湖高新技术产业开发区在我 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 国享有“武汉中国光谷”之誉。武汉素有“九省通衢”之称，是全国重要的交 通枢纽，具有铁路、公路、水运、航空相结合的对外运输体系。 截止2 0 0 5 年底，武汉市辖江岸、江汉、研口、汉阳、武昌、青山、洪山、蔡 甸、江夏、黄陂、新洲、东西湖、汉南1 3 个区。其中江岸、江汉、斫口、汉阳、 武昌、青山、洪山7 个区为中心城区，东西湖、汉南为郊区，蔡甸、江夏、黄陂、 新洲4 个区为远城区。在本次研究中共分为武汉市中心城区( 包括：江岸区、江汉 区、斫口区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区) ，东西湖区、汉南区、蔡甸区、 江夏区、黄陂区、新洲区共七个单元。 8 硕士学位论丈 m a s t e r s _ j h e s i s 3 景观生态类型的划分及数据获取 3 1 景观生态类型的划分 3 1 1 景观生态类型划分原则 景观生态类型的划分是景观生态学研究的基础，但对于对景观定义理解不同， 最终的景观分类也就不同，因而也就形成了多种不同的分类体系。目前较为流行的 分类方法有： ( 1 ) 以景观自然社会的分化程度大小为依据，如w e s t h o f f 将景观分为自然景观、亚 自然景观、半自然景观和农业景观【2 2 】。 ( 2 ) 以人类干扰所影响的强度大小将景观分为自然景观、经营景观、人工景观【2 2 】。 ( 3 ) 其它分类方法，如n a v e h 2 3 】所建立的景观分类系统分为开放景观、建筑景观和文 化景观。 虽然景观分类尚未形成一个完善的体系，但笔者根据以上分析，并结合研究区 当地的自然地理条件，总结出本研究区的景观生态类型划分应该遵循以下几个原则 1 2 4 1 ( 1 ) 综合原则所划分的景观类型内部要体现出相同的自然地理特征，它应 该是一个统一的地域综合体。 ( 2 ) 生态过程与景观功能一致性原则对于生态过程和景观功能的具体表现 形式，也就是说生态系统中的物质迁移，能量流动和信息传递应该具有相同或者相 似的途径。不同的景观类型的生态过程是不同的，例如沙漠和绿洲的物质运动、能 量传递以及人类干扰程度等都是不同的。 ( 3 ) 异质性原则不管是何种目的的景观类型划分，异质性是生态类型划分 的基础，就是将具有显示出不同特性的区域定义为不同的景观类型或景观单元，而 将景观中表现出相同性质的部分确定为相同的景观单元。这是综合性原则的另一个 表现。 ( 4 ) 实用原则对景观类型的划分，应结合不同的研究区域地理特征，不同 的研究目的而定。实用性的原则同时要保证分类时候的目视解译工作需要。 3 1 2 武汉市景观生态类型划分 根据以上原则，笔者将研究区的景观生态类型分为8 种，具体类型划分如下表： l 、林地：包括有林地、疏林地和灌木林。 2 、草地：分为天然草地和人工草地。 3 、河流湖泊：包括天然的湖泊和河流以及大型的人工水库。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 、城镇建设用地：土地覆盖基本为公共建筑及人工设施用地，交通、水利设 施用地等。 5 、耕地：包括水田和旱田和其他经济种植作物用地。 6 、滩涂：平水期水位与洪水期水位之间的土地，多分布在河流、湖泊周围。 7 、未利用土地：包括盐碱地、沙石砾地以及开山采矿导致的裸露山地等。 8 、坑塘：指江汉平原地区用来水产养殖的鱼塘。 3 2 影像数据的选取 影像数据源采用美国l a n d s a t t m 遥感影像数据，此类遥感数据在中国、日本 等十几个国家有地面接收站，具有一定的经济性。同时遥感影像的优点还有：影像 覆盖面积大，多时相，多季相，可以反映不同时间的地面信息，同时多光谱影像所 包含的地物信息丰富瞄j 。因此我国科研项目的大部分自然资源开发利用方面的信息 源，基本上采取陆地卫星图象资料做为素材。本研究选取了三个时段( 1 9 8 7 年9 月 2 6 日、1 9 9 6 年4 月4 日、2 0 0 5 年4 月1 3 日) 的l a n d s a tt m 影像，空间分辨率为3 0 米。 3 3 遥感影像几何校正 遥感卫星在获取地面信息时，由于传感器自身问题或者传输过程中太阳高度 角、大气、地形的影响等，会使图像会存在成像问题，因此在使用之前对影像进行 几何校正是十分必要的。 校正的原理是将原始的具有几何形变的图像数据投影并使其符合标准地图投 影系统的过程。由于所有需要处理的地图投影都遵从于一定的坐标系统，这样也就 确定了图像上地物与实际目标地物物地理之间的坐标对应关系【2 6 1 。具体操作是通过 分析地面控制点( g r o u n dc o n t r o lp o i n t ，g c p ) 来完成的，校正中要求保证精度保 持在一个像元以内，控制点选取的原则首先要分布尽可能均匀，覆盖整个研究区， 同时要选取一些能精确定位的永久性的地物点，如道路拐点、长江大桥等明显标志 物。 3 4 影像的假彩色合成 由于所采用的遥感数据有七个波段的信息，不同的波段含有不同的光谱信息。 如果将各自的优势组合起来，可以最大程度的反应地物的信息，同时又能帮助提高 人眼对于遥感影像的目视判读效果【2 7 1 。 1 0 7 、 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 在e r d a si m a g i n e8 7 软件的监督分类中，需要对以上波段的其中三个进行组 合，然后对遥感图像进行分类。本研究在e r d a s 中的三个通道分别选取了5 、4 、3 波段，并且对三个通道一次赋予红、绿、蓝色，则获得近似自然彩色合成图像，适 合于人体的肉眼判读。而且此组合下所含的信息量丰富，能充分显示各种地物影像 特征的差别，便于以后训练模板的选取。 3 5 遥感影像镶嵌与裁剪 由于本论文所选取的研究区是武汉市，为了保证不同时段的遥感影像具有可比 性，必须在遥感影像上切出相同研究区域。而研究区武汉市处在3 景相邻的遥感影 像上，因此要首先对3 景影像进行镶嵌，然后裁剪出所需要的区域。 镶嵌是指两景或两景以上遥感影像的拼接过程。在镶嵌中应注意如下几点：( 1 ) 镶嵌后的影像要有合适的重叠区，不宜过宽；同时避免出现镶嵌后的图像中间出现 缝隙。( 2 ) 镶嵌时如果出现相邻的图像色调或灰度值不一致，这样就需要对图像进 行诸如直方图匹配、彩色亮度匹配等处理，以使得监督分类所用的图像色调一直。 ( 3 ) 镶嵌的图像必须要处于同一坐标系下，最好依据该投影方式先分幅校正，然 后镶嵌，这样精度会更高些【2 引。 本文所采用的边界范围是武汉市的行政区划的边界，通过e a d a si m a g i n e8 7 图像掩膜技术( m a s k ) 按行政边界裁剪出研究区域。 3 6 遥感影像解译 3 6 1 野外调查及建立影像解译标志 在遥感影像上，不同的地物有其不同的影像特征，这些影像特征是判读时识别 各类地物以及景观类型的依据。在综合了解研究区土地利用状况及遥感影像的光谱 特征之后，确定地物目标在遥感影像上的光谱特征，并结合前期室内工作的解译结 验，同时选择研究区内典型地物作为考察点进行实地调查印证。在此基础上我们得 到各景观类型的特征如下： 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 表3 2 景观各类型解译标志 一级地类 目视解译标志 林地 草地 湖泊河流 城镇建设用地 耕地 滩涂 未利用土地 坑塘 呈青色，多分于北部山区。 呈菊蓝色，多分布于山地丘陵边缘地带。 呈鲜红或者黑色，边缘清晰、质地均匀。 呈暗紫色，边界线模糊，有交通线穿过，比较规则的几 何图形，判别标志明显。 以绿色和暗橘黄色为主，纹理清晰，排列整齐，面积分 布广且连续分布，其中常有居民点镶嵌分布。 颜色草绿色，多分布于河流、湖泊周围。 青色片状或亮白色，分布零散。 颜色为鲜红色，呈规则的网格状，人为干扰痕迹明显。 3 6 2 监督分类 监督分类是基于分类模板( c l a s s i f i c a t i o ns i g n a t u r e ) 对遥感影像进行分类 的，而分类模板的生成、管理、评价和编辑等功能是由分类模板编辑器( s i g n a t u r e e d it o r ) 来负爿2 9 1 。监督分类基本步骤是： 。 ( 1 ) 打开要分类的遥感影像、分类模板编辑器，调整分类属性字段。 ( 2 ) 获取分类模板的信息：训练区的选择根据遥感影像的可解译性和研究区 土地利用类型，利用a o i 工具获取分类模板信息，选择典型地物采集训练区。在建 立分类模板信息的时候，窗口工具在v i e w e r 、r a s t e r 和s i g n a t u r e 窗口之间切换。 ( 3 ) 评价分类模板：本文所采取的评价方法是可行性矩阵法。它是来分析人 工选取的a o i 训练区像元是否完全落在相应的类别之中。其分类原则可分为以下几 种：平行六面体( p a n a l l e l ep i p e d ) 、特征空间( f e a t u r es p a c e ) 、最大似然( m a x i m u m l i k e l i h o o d ) 以及马氏距离( m a h a l a n o b i sd i s t a n c e ) 1 2 9 1 。 ( 4 ) 利用已经生成的模板文件，在e r d a si m a g i n e 8 7 中的监督分类 ( s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n ) 模块中进行分类，其自动生成的种类即为模板文 件中的地物种类。 ( 5 ) 评价分类结果：执行监督分类后，需要对分类的结果进行评价( e v a l u a t e c l a s s i f i c a t i o n ) 。e r d a s 系统提供了多种分类评价方法，包括分类叠加 ( c l a s s i f i c a t i o no v e r l a y ) 、定义阈值( t h r e s h o l d i n g ) 、分类重编码( r e c o d e c l a s s e s ) 和精度评估( a c c u r a c ya s s e s s m e n t ) l 驯。 3 。6 3 分类后处理 1 2 ： 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 监督分类完成后，分类结果中会产生一些面积很小的图斑，从应用的角度考虑， 它们是不符合实际需要的，因此有必要对其进行剔除。本研究的分类后处理主要包 括两个步骤：首先是对监督分类后的文件进行聚类统计，然后进行去除分析。聚类 统计是通过对分类专题图像计算每个分类图斑的面积，记录相邻区域中最大图斑面 积的分类值等操作，产生一个c l u m p 类组输出图像。去除分析就是用于删除c l u m p 聚类图像中的小c l u m p 类组，将删除的小图斑合并到相邻的最大分类中，而且分类 后图斑的属性不会发生变化，其自动恢复为c l u m p 处理前的原始分类的属性1 2 9 1 。 3 6 4 精度评价 研究中进行精度评价的做法是：选取一定数量的参考点，对其进行叠加判读结 果，人工判定监督分类后的景观类型是否与实际地物的特征相吻合。根据以上评价 方法，精度评价结果如下：1 9 8 7 年影像判读总体精度为8 6 4 ，1 9 9 6 年影像判读总 体精度为8 7 3 ，2 0 0 5 年影像判读总体精度为8 6 5 。所得分类结果精度较高，达 到了本研究的实际需要。 1 3 ： 硕士学位匏? 丈 m a s t e r st h e s i s 4 景观空间格局定量分析 4 1 景观空间格局的研究方法 景观格局分析主要通过景观斑块和类型之间的相互关系，反映景观水平的结构 特征。通过景观格局的研究可以在无序的斑块镶嵌组合中发现规律性，探讨景观整 体性、综合性和异质性的科学有效方法。本研究利用武汉市1 9 8 7 、1 9 9 6 、2 0 0 5 年 的e r d a s 监督分类后所得到景观数据数据进行景观格局指数计算，所运用的软件是 著名景观格局分析软件f r a g s t a t s 。在f r a g s t a t s 中可以计算三个水平上的景观指 数：斑块水平指数( p a t c h - l e v e li n d e x ) ，类型水平指数( c l a s s - l e v e li n d e x ) 和景观水平指数( 1 a n d s c a p e 一1 e v e li n d e x ) i m 。 4 2 景观指数的选取 本文基于研究目的分别从景观类型和整体景观两个尺度，选取了能准确分析研 究区域景观格局的变化和能够确保计算精度的各个指标，其中在景观类型级别上选 用了能够反映景观破碎度和斑块形状指数以及聚集度的1 0 个指标，它们是斑块类 型面积、斑块个数、斑块密度、边缘密度、平均斑块面积a r e a _ m n 、斑块所占景观 面积的比例、斑块周长、面积加权的平均形状因子、聚集度、相似与邻接百分比指 数。在以上诸多指标当中，斑块类型面积、斑块个数、斑块周长是计算其它各个指 标的基础，与之直接相关的指标有斑块密度、边缘密度、平均斑块面积、斑块所占 景观面积的比例等都可以反映景观的破碎程度。而面积加权的平均形状因子、分维 数、相似与邻接百分比指数等指标则可以反映出斑块类型的形状指数。在景观总体 级别上选用了1 4 个指标，它们是景观面积、斑块周长、斑块数、斑块密度、边缘 密度、斑块平均面积、面积加权的平均形状因子、分维数、相似与邻接百分比指数、 分离度、聚集度、蔓延度、香农多样性指数、香农均匀度指数、优势度散布与并列 指数。以此希望反映出景观斑块的在总体水平上的空间分布状况及相互关系。笔者 将结合具体的数据在以下的文章当中进行具体的分析。 4 3 武汉市各个时期景观类型分析 1 4 。矗、 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 在计算上述景观指数之前，需要先将三个时期土地利用监督分类的结果转成 g r i d 格式，然后将其导入景观分析软件f r a g s t a t s 3 3 中进行计算，选取我们所需 要的景观指数，得到三个年代武汉市各时期景观指数数据表如下( 详见表4 1 、4 2 和4 3 ) 。 表4 11 9 8 7 年武汉市各景观类型指数数据表 表4 21 9 9 6 年武汉市各景观类型指数数据表 1 5 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 表4 32 0 0 5 年武汉市各景观类型指数数据表 表中各指数含义分别为tc 卜斑块类型面积；p 卜斑块密度；e d 一边缘密度； a r e a 面积百分比；s h a p ea m - - 面积加权平均斑块形状指数；c o h e s i o n 一聚集度指数； p l a d 卜相似与邻接百分比指数； 4 3 1 19 8 7 年武汉市景观类型分析 ( 1 ) 破碎度分析 能够反映景观破碎度的指数包括斑块面积( c a ) 、斑块周长( p e r i m ) 、斑块数 ( n p ) 、平均斑块面积( a r e r _ m n ) 、斑块密度( p d ) 、以及边缘密度( e d ) 等1 3 1 】。斑块数 量、景观类型周长和景观面积则是研究景观破碎度以及其他要素特征的主要参数， 它直接影响单位面积的生物量、生产力和养分储量，以及物种组成和多样性。1 9 8 7 年武汉市景观破碎度指数统计结果见表4 1 和图4 1 、4 2 。 表4 41 9 8 7 年武汉市各景观类型破碎度指数统计表 表4 4 列出了1 9 8 7 年武汉市各景观类型破碎度指数。可以看出1 9 8 7 年武汉市 1 6 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 各景观类型中耕地面积最大，为5 2 3 3 4 0 8 2 7 h m 2 ，所占总面积的百分比为6 1 8 0 9 5 ， 可以说是整个景观的背景：其次为河流湖泊的面积，为1 0 4 2 5 7 7 1 6 3h m 2 ，所占比 例为1 2 3 1 3 4 ；坑塘的面积仅次于湖泊河流，为9 2 5 4 1 3 8 3 9h m 2 ，所占比例约1 0 。 而在1 9 8 7 年的土地利用中，草地和滩涂的面积较小，分别为1 1 6 2 2h m 2 和1 3 2 8 7h m 2 。 所以该年份的各景观要素的面积排序为：耕地 湖泊河流 坑塘 林地 城镇建