景观格局分析--于亚峰201111830104.doc

2011届 毕业论文基于GIS云蒙湖流域土地利用景观格局的分析 姓 名 于亚峰 学 号 2001111830104 年 级 2011级 专 业 测绘工程 系（院） 资源环境学院 指导教师 孟晓云 二一五年五月基于GIS云蒙湖流域土地利用景观格局的分析Based on GIS Yun meng lake basin on the landscape structure analysis姓 名 于亚峰 专 业 201111830104 指导教师 孟晓云 临沂大学二一五年五月2摘 要：土地利用是目前全球环境变化与保持可持续发展研究的重要热点之一。本文以GIS和DEM模型为基础，结合景观生态学，对云蒙湖流域2002年和2012年2期的土地利用类型图进行景观格局分析。研究结果表明：从2002年到2012年，土地利用的格局在小范围内发生了缓慢的变化，在农业用地和林地上呈现增长趋势，农业用地由151490.25 hm2 增长到152802.45hm2。林地由3088.53 hm2增长到5788.26 hm2。耕地面积在小范围内增长，仍是做为这个研究区域的优势景观类型。草地和水域的面积都呈现出减少的趋势。通过草地和水域比较，草地的减少面积比水域更为明显。有原来的11871.36hm2 减少到8187.48hm2。从景观整体分析上来看，斑块数由最初的287减少到262个。而斑块的形状指数由4899.26km-2减少到4784.3 km-2 ，以及相似与邻接百分比指数的减少，体现了研究区的景观破碎程度在大体保持不变的基础上小范围的减轻，斑块边界割裂程度减小，斑块在空间上分布呈现基本均衡化。景观格局指数小范围变化说明云蒙湖流域受人类干扰强度在不断减小。关键词:云蒙湖流域；土地利用；景观格局ABSTRACTLand use is one of the important hotspot of global environmental change and keep sustainable development research.In this paper, the GIS and DEM model based on the combination of ecology, on the basis, in 2002 and 2012 of Yunmeng Lake watershed land use types in Figure 2 for interpretation, and combined with the status of landscape pattern index by Lake Basin on the cloud and the analysis of existing problems.The results of the study show that: from 2002 to 2012, the land use pattern of slow changes in a small range, the growth trend of agricultural land and forest land, agricultural land increased from 151490.25 hm2 to 152802.45hm2. The forest increased from 3088.53 hm2 to 5788.26 hm2. The cultivated land area increased in a small range, as this study area is still the dominant landscape type. The grassland and water area showed a decreasing trend.Through the comparison of the grassland and water area and grassland reduced more obviously than the waters. The original 11871.36hm2 is reduced to 8187.48hm2.From the overall analysis of landscape, patch number decreased from 287 to 262. The shape index of patch decreased from 4899.26km-2 to 4784.3 KM-2, and the percentage of reduction is similar with the adjacent index, reflects the degree of landscape fragmentation in the study area remained largely reduce the invariant based on small, fragmented patch patch boundary decreases, the spatial distribution of present basic equalization. Landscape pattern index range of Yunmeng Lake Basin shows that human disturbance intensity decreases gradually. Landscape pattern showed a good state.Keywords: Yun Meng lake basin ; Land use ; Landscape pattern目 录摘 要：iABSTRACTii第一章、引言11.1研究目的和意义11.2国内外研究进展1第二章、研究方法与技术路线22.1数据来源22.2景观分类系统的确定22.3数据处理32.4技术路线图32.5选取的景观指数及其生态学意义4第三章、研究区概况53.1研究区概况53.2土地利用景观格局分析63.3景观类型分析63.4空间景观格局总体特征及动态分析10第四章、 结论11参考文献：11致 谢13121 引言1.1 研究目的和意义土地是人类社会经济活动的载体。该怎样合理利用有限的土地资源，使土地利用率和土地生产力得到提高，如何规划合理的使用土地，确保生态的可持续发展，是研究的一个重要课题。在土地利用的基础上进行景观格局的分析，能够通过科学的手段，获得研究区域在一段时间内景观格局的变化，通过分析对比讨论，可以得到研究区域的景观格局的发展趋势与发展方向。可以通过人为的干预引导，不仅使区域内的各种景观格局向着有利于该区域被人类活动与发展的方向进行，还可以保持该区域内生态环境与景观分布的平衡，从而实现可持续发展的要求。在以3S为基础的指导下，采用景观生态学理论对云蒙湖流域的土地利用以及景观格局进行动态分析，通过对2002年与2012年云蒙湖流域的景观指数分析，得到其动态变化的数据，进行讨论。通过动态分析，可以合理优化调控该区域的生态状况，对研究区域的生态环境进一步的认识。希望可以对该区域的生态环境优化，土地管理利用，流域环境管理以及其他项目的开发提供一些便利和数据参考。1.2 国内外研究进展随着人口的增多，科技的不断发展，社会生产力不断的提高，土地利用格局与布局植被覆盖越来越复杂。为了调查和研究土地的利用类型，土地的现状和特点以及面临的问题于发展所需的方向，在世界敢为内便展开了土地的利用类型调查，分类，规划，评价。在美国由索尔（CarlSauer)领导的土地经济调查成为了土地类型综合调查的先例。20世界30年代Weeb对美国的大平原的土地利用类型及变化进行了研究。与此同时英国也成立了不列颠土地利用调查所，由斯坦普（L,D.Stamp)主持对全国土地利用类型展开调查，在调查中取得了一系列成果。在20世纪70年代时期，随着科技的不断发展和研究的不断深入进步，遥感技术和计算机技术被应用到研究中。遥感技术和计算机技术的应用为研究的进一步发展奠定了基础。通过遥感技术和计算机可以将一些土地上存在的问题得到解决，包括遥感技术支持的土地利用调查和土地的分类研究，土地利用规划与土地分类制图，土地利用的空间格局与土地空间模式等。进入了20世界80年代，GIS技术应用到了研究中，开始应用于土地资源调查，土地资源评价，农业土地利用等方面。在世界环境与发展会议上颁布21世纪议程，21世纪议程的颁布极大推动了可持续发展的观念，土地资源和土地资源的可持续利用成为各国关注的目标1。特别是最近几年来对土地利用和环境变化，土地利用模式和可持续发展的研究更为深入。我国在对土地利用调查的研究工作开始于20世纪30年代，由当时著名的地理学家胡焕庸和农学家张心一合作进行的，这是我国第一次土地利用调查。在当时一次最大规模的研究工作是由仆凯（J.L.Buck）主持的一次研究工作，研究工作将中国东部地区的农业区作为研究对象进行了调查，依据工作成果出版了中国土地利用，这一出版书籍反映出了中国土地利用的一些情况。在进入80年代，我国的土地利用调查进入了一个转折发展阶段，在研究内容方面越来越丰富，研究的目的性和研究的计划性也不断得到了加强。最重要的一点是遥感技术和计算机技术运用到了研究工作中。80年代末90年代初3S的发展推广是研究工作迈上了一个新台阶，基础理论不断得到加强，研究领域更加广泛深入，在3S支持下各项工作都取得了显著成效，全国各地都建立土地利用信息系统。在20世纪90年代初，由于研究工作的不断开展与进行，各种研究都取得了成效，各种文献书籍出现，在应用生态学报刊登了一篇由肖笃宁发表的沈阳西郊景观结构变化的研究。这篇是中国学者参照北美研究方法进行研究工作的一个典型的文章。在同一阶段，景贵和出版了 吉林省中西部沙化土地景观生态建设的论文集。伍业刚和李哈滨两人联合出版了景观生态学的理论发展和景观生态学的数量研究方法。这两篇文章侧重于理论和方法研究。由著名学家傅伯杰出版的黄土区农业景观空间格局分析，景观多样性分析及其制图研究等多篇文章对景观的研究具有重大的意义。最近几年来，我国采用3S技术，引用各学科的理论于研究方法对研究进行完善与发展。2 研究方法与技术路线2.1 数据来源研究所需的数据来自Modis，以及地理空间数据云所提供的DEM。从Modis中下载2002年与2012年的土地利用类型遥感数据。Modis共36个光谱波段，最大分辨率可达250m。投影方式采用的是墨卡托投影。2.2 景观分类系统的确定依据土地利用现状调查技术规程和MODIS数据的分类为基础，结合云蒙湖流域实际情况，依照土地的植被覆盖，土地的特点和利用方式等特征因素作为土地利用的分类依据。依照土地之间的区分差异，归纳其共同性，将土地类型划分为以下几个类型：水域，林地，草地，农业用地，建设用地。表 2-1 土地类型重分类表重分地类全球植被分类DN值重分地类值水域水01常绿针叶林12常绿阔叶林22落叶针叶林32落叶阔叶林42林地混交林52稠密灌丛62稀疏灌丛72稀疏植被162木本热带稀树草原83草地热带稀树草原93草地103农业用地农用地124建筑用地城市和建筑区1352.3 数据处理利用MRT软件对MODIS数据进行投影转换，投影转换采用莫卡托投影，利用ArcGIS10.0对DEM进行水文分析，提取云蒙湖流域边界，利用掩膜分析界提取云蒙湖流域2002年和2012年的土地利用图。以栅格数据影像图为基础，利用ArcGIS10.0软件的平台，将研究中所需要的景观要素重分类，得到2002与2012年两个时期的景观类型分布图，利用景观格局软件FRASTATS，选取合理的景观格局指数，对不同时期的土地利用数据进行分析得到景观格局指数，在分析基础上讨论土地利用覆盖景观格局的变化。2.4 技术路线图图1 技术路线图 2.5 选取的景观指数及其生态学意义对于景观格局指数来说有许多种计算方法，根据研究区域的实际情况结合研究的方向与方法，选取能够更加清晰准确反映出景观类型特征的景观优势度，景观分维数，斑块形状指数，多样性，均匀度等景观指标进行对研究区域的分析。对于景观格局及其变化，一般从两方面进行分析:一是各类型斑块在景观中的数量分配，即景观的结构及其变化，包括各类型斑块的个数、面积以及由它们所构成的景观整体数量特征如多样性、优势度等；二是构成景观的各类型斑块的空间形态和分布特征，即景观的空间格局及其变化,一般采用斑块的形状指数等指标进行度量。在实际工作中,往往同时采用多种指数来描述景观格局的数量和空间特征5。根据研究区特点和研究需要,本文在参考国内外相关文献6-8基础上，根据研究区域云蒙湖流域的特点，选择以下景观格局指数来分析云蒙湖流域景观格局变化。(l)景观/斑块类型面积(Total landscape/Class area, TA/CA)面积这一参数是在对研究景观要素特征中的一个主要参数。面积不仅对单位面积里的生物量和单位面积里的生产力产生影响，还影响着单位面积的养分储量以及物种的组成和多样性。在景观格局研究的过程中，景观类型斑块面积的大小，以及斑块的组成特征，一方面表达出景观动态变化的发展方向，另一方面也呈现出景观的稳定性特征。(2)斑块数(Number of patches，NP) 指某一景观或斑块类型中所有相关斑块的数目。包括整个景观格局中的所有斑块数，以及某一单一类型的斑块数。斑块数是反映在某一种景观类型的区域中，景观的分散程度和景观破碎程度的一个重要参数。这以指标参数一般情况下比较稳定，只有在相对面积和类型数目这样的类型上，出闲较大变化。(3)景观百分比(Percent of landscape PLAND)单一个景观类型占整个景观的面积比例，在相对意义上给出了每个景观类型对整个景观的贡献率。(4)景观斑块密度(Patch density，PD)景观斑块密度是景观格局中所有的斑块数于景观总面积的比值，也就是景观中单位面积的斑块数。公式为: (5)边缘密度(Edge density ,ED)景观边缘密度(ED)是指在研究景观范围内，单位面积上景观要素斑块间的边缘长度。公式为: （6）斑块形状指数(LSI)用于测量斑块形状的复杂程度，其计算公式为: （以圆为参照几何形状）3 研究区概况3.1 研究区概况云蒙湖流域位于山东省中南部，隶属于山东省临沂市，地处于沂蒙山腹地。地理坐标为东经1174511815，北纬35273602。云蒙湖的原名是岸堤水库，于1959年开始建设。南北长度约84.75公里，东西方向约为52.1公里，占地面积达到4200公顷，蓄水量7.82亿立方米。水库坝高29.8米，坝长为1665米，流域面积为160公顷，灌溉面积达到10.7万公顷，每年平均向下游供水量可达3.79亿立方米，为山东省第二大人工湖，也是我国北方地区的大型人工湖之一。云蒙湖流域地貌类型以低山丘陵为主，海拔标高一般200600米，湖泊沿岸及其支流处有河谷盆地分布，流域整个地形南北高，中间低，由北西向东南倾斜地形破碎，岭谷相间；由于云蒙湖流域地处中纬度区，按气候划分属于暖温带季风区大陆性气候。由于气候条件，云蒙湖流域气候温和，四季分明，这里的每年平均气温为12.8，在正常情况下的年降水量800毫米以上。现在的云蒙湖结合自身的自然地理条件，不断发展，现在已发展成为集灌溉、防洪、养殖、观光为一体的旅游开发区2。图2 研究区位置图3.2 土地利用景观格局分析以2002年和2012年的云蒙湖流域土地利用类型图为基础，利用景观格局软件fragstats4.3提取研究区的景观格局指数，通过对景观指数来对流域土地利用格局变化进行分析。3.3 景观类型分析在计算分析研究所选取的景观指数之前，需要先将两个时期的土地利用分类图转换成后缀名为.IMG格式后，导入FRAGSTATS进行计算分析。根据研究需求，选取研究所需要的景观指数，得到2002年和2012年云蒙湖流域的景观指数，在此基础上对研究区域进行分析和讨论。(1)破碎度分析能够反映景观破碎度的指数包括斑块面积(CA)、斑块数(NP)、平均斑块面积(ARER-MN)、斑块密度(PD)、以及边缘密度(ED)等9。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10。从图3和图4可以看出各个土地类型的面积及破碎度的变化趋势，西部地区草地减少，草地主要集中在中部地区。西部地区农业用地大范围分布在水域附近林地增加，表明水域附近对于水土保护这方面得以重视。 图3 2002年土地利用类型 图4 2012年土地利用类型由表3-1、表3-2和可以看出：2002年云蒙湖流域各景观类型中农业用地面积最大，为151490.25 hm2所占总面积的百分比为89.73%，可以说是整个景观的背景；其次为草地的面积，为11871.36hm2，林地面积3088.53hm2，建设用地1189.89hm2，水域面积为1183.41hm2。通过数据的对比分析，在2002年的土地利用中，水域面积与建设用地面积较小。得到2002年的各景观要素的面积排序为：农业用地草地林地建设用地水域。在从平均面积方面进行分析，景观类型的平均面积（AREA-MN）大小排序为：农业用地 建设用地水域林地草地。表3-1 云蒙湖流域2002年景观指数数据表类型水域林地草地农用地建设用地CA/hm21183.413088.5311871.36151490.251189.89PD/个km-20.00360.020.10.010.0036ED/mhm-20.410.906.116.070.31AREA-MN/hm2197.24106.5051.1710820.73198.32NP/个629232146PLAND/%0.701.837.0389.730.70表3-2 云蒙湖流域2012年景观指数数据表类型水域林地草地农业用地建设用地CA/hm2855.365788.268187.48152802.451189.89PD/个km-20.00360.020.120.010.0036ED/mhm-20.281.554.815.460.31AREA-MN/hm2142.56186.7239.7511754.03198.32NP/个631206136PLAND/%0.513.434.8590.510.70注：表中CA、PD 、ED、AREA-MN、 NP、PLAND 分别代表斑块类型面积、斑块密度、边缘密度、平均斑块面积、斑块数量、景观类型百分比。从表3-2可以看出，2012年的土地类型中，各景观要素的面积排序为:农业用地草地林地建设用地水域。景观类型的平均面积(AREA-MN)大小排序为:农业用地建设用地林地水域草地。各类型的总面积排序与2002年各类型的总面积中的顺序存在较大的差异，不同类型所占总面积的比例也不不同程度上的变化。通过2002年景观指数与2012年的景观指数进行对比可以对比出：（1)2012年水域面积和草地面积在基于2002水域和草地面积基础上呈现下降趋势。（2）2012年林地和农业用地面积相对于2002年呈现增长趋势。由于人类活动的不断加大，人类活动对景观的影响不断加强，为了满足生活需求，农业用地面积增大，与此同时，在农业灌溉，各种生活工业用水水源需求上也不断增加，水域面积下降。在经济方面上，由经济效益较小的草地向经济效益相对较高的林地转换，在环境方面，林地更有利于水土涵养保持与生态的维护平衡。对于各个景观类型的总面积和平均面积的比较，本人从另一些方面进行入手，从而获得不同方面的数据，更有利于研究区景观格局的分析。再结合不同景观类型的斑块数量和斑块密度进行具体分析:在2002年的土地类型中，按照斑块数量和斑块密度进行排序，排序为：草地林地农业用地水域=建设用地，在2010年按照斑块数量和斑块密度进行排序：草地林地农业用地水域=建设用地。通过对比土地类型没有发生太大的改变，在排序上依旧保持者2002年的排序方式。在数据对比中发现水域和建设用地保持原来的数值，农业用地，林地草地在小范围变动。 (2)形状指数分析景观形状指数（LSI）反映斑块形状的复杂程度以及景观空间结构的形状特征与可能的演化趋势，LSI数值是斑块周长与等面积的圆周长之比，代表斑块形状与圆形相差的程度。该指数的最小值为1，其值越接近于1，表示斑块形状与圆形越接近；其值越大，则斑块形状与圆形相差越大，形状越不规则11。从表3-3中的数据可以看出，在2002年所有的景观类型中，草地的面积斑块形状指数值最大，为24.24 km-2，农业用地居第二位为8.04km-2林地居于第三位为7.77km-2。然后通过2012年数据可以看出2012年LSI指数排序中，林地居于第二位，农业用地居于第三位。农业用地由2002年的8.04km-2变为7.32km-2，林地由7.77km-2变为9.84km-2。这是因为最近几年在云蒙湖提倡发展旅游养殖业，在梦云湖附近林地等观赏景观增多，畜牧养殖业发展的同时，对草地进行合理的规范。同时在边缘区和城市郊区农业用地有了合理规划。表明云梦湖流域在发展自身经济旅游畜牧业中对景观格局进行了一定的规范调整。农业用地、林地、草地、建设用地这几类属于人类较多干扰类型。农业用地和草地的LSI值下降表明其形状复杂趋势也路由减小。林地LSI值的上升，明其形状复杂趋势也略有加大。表3-3 云蒙湖流域景观类型LSI指数数据统计表类型水域林地草地农业用地建设用地2002年（/km-2）5.127.7724.248.043.822012年（/km-2）4.119.8422.757.323.82（3）聚集度指数在Fragstats3.3软件所提供的景观指数中，景观相似与邻接百分比指数(PLADJ)反映斑块类型的聚集程度。对于某一景观类型的相似与邻接百分比值的增大，表示研究区中此类斑块类型的聚集程度在上升，同时说明该景观中各斑块在空间上的分布出现非均衡化，景观中的某一类或某几类元素的优势度增高12。根据表中数据对比可以看出2002年和2012年的PLADJ指数变化不大，农业地、林地、水域、草地和建设用土地的指数较少，呈现出均衡化的发展趋势。起景观优势度没有太大变化趋势。表3-4 云蒙湖流域景观类型PLADJ统计表类型水域林地草地农业用地建设用地2002年（PLADJ/%）86.5287.3679.9098.1489.992012年（PLADJ/%）87.3688.2977.2798.3189.993.4 空间景观格局总体特征及动态分析由表可以看出，云蒙湖流域景观生态类型的总的斑块数目在2002年到2012年期间没有发生太大变化，2002年的斑块数目287个到2012年的262个。景观生态类型的斑块密度也呈现与斑块数目相同的趋势，都没有太大的变化。由2002年到2012年呈现较小幅度的减少趋势。在研究区面积固定的情况下，斑块数量的增加与减少必然导致斑块密度PD的增大和减少，同时其平均面积AREA_MN则与斑块数量成反比变化，在2002年到2012年10年的时间范围内，其数值由113.74hm2，增大到123.21 hm2。平均斑块面积增大，表明研究区景观的结构发生变化，最直接的表象就是构成类型的基本单元面积由小到大，其面积差距趋于均衡，这就导致景观的破碎化程度减少。景观破碎度与人口的增加和人类活动的剧烈程度有密切关系。说明在这一时期人类没有对斑块有太大程度的干扰，景观在小范围内变化，答题保持不变的趋势。表3-5云蒙湖流域各年份整体景观水平指数资料表20022012CA/hm2168823.44168823.44PD/个km-217.0115.53ED/mhm-21380.751241.71AREA-MN/hm2113.74123.21NP/个287262LSI/km-24899.264784.3PLADJ/%441.91441.22 从2002年至2012年的边界密度也在发生小范围内的变化，从1380.75 mhm-2减少到1241.71mhm-2，呈逐年减少的趋势。这说明景观类型斑块形状变化趋于平缓，整体性缓慢上升，较小的斑块逐渐演化结合成较大斑块。通过表可以看出，2002年到2012年的相似与邻接百分比指数PLADJ呈现缓慢减少趋势，从441.91 减少为为441.22。相似与邻接百分比指数小范围减小，说明景观中各类型斑块在空间上的分布出现均衡化，也进一步印证了以上所分析的景观破碎度在这10年来基本保持均衡的事实。4 结论本文运用DEM处理和景观格局软件相结合的手段，从宏观角度定量和定性分析了云蒙湖流域在2002年到2012年这10年期间土地利用景观类型的时空演变规律。对云蒙湖流域景观格局及其变化得出以下结论:云蒙湖流域在2002-2012年间土地利用景观格局没有发生明显变化，总体格局保持平衡。农业用地、林地面积增加，分别由151490.25 hm2增加到152802.45hm2，3088.53 hm2增加到5788.26hm2。耕地面积缓慢增加，依旧是整个研究区的优势景观类型。草地和水域面积都呈现减少趋势，其中草地面积减少的幅度大于水域，草地有2002年的11871.36 km-2减少到8187.