合肥市土地利用_覆盖变化对景观格局影响的研究

1、合肥市土地利用/覆盖变化对景观格局影响的研究管义国, 王心源, 吉文帅, 张生根, 田 兵(安徽师范大学国土资源与旅游学院, 安徽芜湖241000摘要:利用两个时期的L andsat TM 遥感影像, 结合R S 和G IS 技术, 对安徽省合肥市土地利用/覆盖变化及其对景观格局影响进行了分析。发现城镇建设用地的快速扩展使耕地和水域锐减。人类活动对水域、耕地和林地产生了较大影响, 使得这些景观要素的斑块形状趋向简单, 而城镇建设用地和未利用地的斑块形状趋向复杂。关 键 词:RS 和G IS ; 土地利用/覆盖; 转移矩阵; 景观格局; 形状指数; 分维数; 破碎度; 合肥市中图分类号:TP79

2、 文献标识码:A 文章编号:1003 2363(2007 06 0108 04收稿日期:2006-05-25; 修回日期:2007-09-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(40571162; 安徽省自然科学基金资助项目(050450401作者简介:管义国(1978-, 男, 安徽合肥市人, 在读硕士, 主要从事RS 和G I S 应用方面的研究, (E m a il gyg1978m a i. l ahnu .edu . cn 。1 引言土地利用/覆盖变化(L UCC 研究目前是全球变化研究的前沿和热点1-2。在我国, 土地利用/覆盖变化研究是所有与可持续发展相关问题的核心, 具有突出的

3、现实意义。土地是人类赖以生存和发展的物质基础。在 人口 资源 环境 发展(P RED ! 复合系统中, 土地资源处于基础地位。土地利用反映了人类与自然界相互影响与相互作用最直接和最密切的关系, 人类在利用土地发展经济和创造财富的同时, 也对自然资源结构和生态景观格局产生了巨大的影响。国际地圈生物圈计划(I GBP 和全球环境变化中的人文领域计划(I H DP 于1995年联合提出 土地利用/覆盖变化! (l and use and l and cover change , LUCC 研究计划以后, 引起了许多生态学家和和地理学家的关注3。使用常规的土地资源调查方法, 获取数据的周期长而且精度差

4、, 加上每年土地利用/覆盖状况都在变化, 往往使耗资巨大的调查结果难以反映当前土地资源的现状, 而应用遥感技术则可以快速获得土地利用/覆盖的动态信息。并且遥感、地理信息系统和计算机技术已广泛应用于景观格局的定量化研究。地理信息系统使快速、准确地处理大规模空间数据成为可能, 它与遥感技术相结合大大拓宽了人类的视觉范围, 为景观水平上的监测与评价提供了有效的手段。遥感、地理信息系统与景观生态学理论共同形成了对大尺度生态系统空间格局进行研究的独具特色的研究模式, 而利用景观指数对空间格局进行定量化研究是这种研究模式的基本内容4。2 土地利用/覆盖变化对景观格局的影响2. 1研究区域概况合肥市位于安徽

5、中部, 江淮之间, 巢湖之滨, 属于江淮丘陵地区, 东经11711#11722#, 北纬3148#3158#, 面积458km, 属亚热带湿润季风气候。四季分明, 气候温和, 雨量适中, 春温多变, 秋高气爽, 梅雨显著, 夏雨集中。年平均气温15. 7, 降雨量近1000mm, 日照2100多个h 。夏季种植农作物有水稻、玉米、花生和大豆等, 以水稻为主; 冬季种植农作物有油菜、小麦等, 以油菜为主。2. 2数据来源和研究方法2. 2. 1 数据来源与技术路线。该文使用的遥感数据是两帧Landsat T M 影像, 一帧为1987年4月4日, 另一帧为2000年2月29日。两帧图像的时间间隔

6、13年。在月份上相差一个月, 能够满足研究的需要。另外还有研究区域的行政区划图和1%5万的地形图以及相关年份的土地利用图。具体工作流程见图1。2. 2. 2 研究方法。(1 土地利用/覆盖的研究方法。根据&全国土地利用现状调查技术规程规定的土地利用分类系统, 结合研究区域的实际情况, 将研究区域的土地利用/覆盖分为水体, 林地, 耕地, 城镇建设用地和未利用地5种类型。利用ERDAS 软件, 对每幅影像进行了直方图均衡化, 以便在原始直方图的峰值处获得更高的对比度来增强信息量5。两个时段的影像均以合肥市1%50000, UTM 投影的地形图为准进行纠正, 均方根误差(R M S 控制在

7、0. 5个像元内。用相关的辐射校正方法对每幅影像进行校正后, 以波段2(绿色 , 波段3(红色, 波段4(近红外 进行假彩色合成。同时在行政区划图上对研究区域进行数字化并进行矢量图到栅格图的转换, 利用ERDA S 软件图像掩膜技术得到研究区第26卷 第6期 2007年 12月地域研究与开发AREA L RESEARC H AND DEV ELO P M ENT V o. l 26 N o . 6D ec . 2007图1 土地利用/覆盖及其对景观格局影响的工作流程图F i g . 1 The flo w chart of l and use /cover change and its lan

8、d scape p attern域的TM 影像。对其进行空间增强和光谱增强处理, 以增强图像的目视效果, 提高解译精度。最后通过非监督分类得到研究区域1987和2000年2个年份的土地利用/覆盖图。通过与现有的土地利用/覆盖图进行比较, 或通过实地验证来确定分类的精度。数据的获取、分析处理分别在E r das I m age 8. 5, A rcvie w, A rcI nf o 和SPSS 等软件中完成。(2 景观格局的研究方法。景观格局一词是在景观生态学文献中使用频率最高的术语之一。由此可以说明它的重要性。景观格局包括空间格局和时间格局, 但只要对空间格局搞清楚了, 时间格局是不难理解的,

9、 这里主要考虑空间格局(space patter n 。景观空间格局主要是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列, 它是景观异质性(hetero geneity 的重要表现, 同时又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果6。这一研究可为环境、资源的合理有效利用提供重要的参考, 已经成为景观生态学研究的核心内容之一7。在景观生态学研究中, 理解与把握景观格局变化的生态学原则至关重要。用景观指数描述景观格局及变化, 建立格局与景观过程之间的联系, 是景观生态学最常用的定量化研究方法4。2. 3土地利用/覆盖变化及其对景观格局影响分析2. 3. 1 土地利用/覆盖变化及其分析。1987-2000年间

10、的土地利用/覆盖影像分类的整体精度分别是89. 54%和91. 81%。1987-2000年间影像分类的K ap pa 指数分别是0. 8724和0. 8937。显然, 这些数据有合理的精度, 能够满足研究的需要。进行土地利用/覆盖变化监测时, 利用ERDA S 软件得到研究区域的土地利用转移矩阵, 从而获得1987年到2000年间每一类别的土地利用变化的面积数据及增减量(表1, 表2 。从表2可以明显看出, 13年间研究区域土地利用/覆盖发生了很大的变化(占总面积的49. 15% , 年均变化速率达到3. 78%。城镇建设用地增加了96. 43%, 年均增加7. 42%, 其变化面积最大,

11、年均变化速率也最快。13年间城镇建设用地几乎增加了1倍, 这与在此期间合肥市经济快速增长、城镇人口大量增加有关。未利用地增加了29. 44%, 年均增加2. 27%, 这可能与下列原因有关:(1 大量农民进城务工, 土地抛荒严重。(2 近年来, 兴起盲目建设各种开发区的热潮, 大量的土地被征用, 但是由于缺乏资金开发而被闲置。水域减少了35. 40%, 年均减少2. 72%; 林地减少了22. 95%, 年均减少1. 77%; 耕地减少最多, 达到41. 37%, 年均减少3. 18%。说明在此期间对耕地的保护不力。表1 合肥市1987-2000土地利用转移矩阵hm 2Tab . 1 The

12、l and use change m atr i x i n H efe i C ity fro m 1987to 2000类型水域林地耕地城镇建设用地未利用地1987年合计占有率/%水域3103. 0657. 5644. 32792. 4642. 47839. 616. 76林地494. 81354. 91041. 92637. 9960. 06489. 513. 87耕地861. 41754. 97724. 04762. 02383. 317485. 637. 37城镇建设用地311. 9754. 2265. 18293. 0961. 410585. 622. 62未利用地293. 647

13、8. 4575. 42307. 8733. 04388. 29. 382000年合计5064. 74999. 910250. 720793. 15680. 146788. 5占有率/%10. 8210. 6921. 9144. 4412. 14100说明:表中行表示t 1时期的i 种土地利用类型, 列表示t 2时期的j 种土地利用类型; 数字表示的是t 1时期的土地利用类型转变为t 2时期各种土地利用类型的面积; 从遥感图像获得的研究区域面积比实际面积略大。通过1987-2000年间的土地利用/覆盖图的叠加(表1 进一步说明, 在城镇建设用地增加96. 43%中, 水域、林地、耕地和未利用地都

14、占了很大比例。其中贡献最多的耕地达到22. 90%, 水域、林地和未利用地分别为13. 43%, 12. 69%和11. 10%。在未利用地增加的29. 44%中, 主要来源于耕地(41. 96% 的大量减少, 充表2 1987-2000各类型土地变化面积及变化百分比hm 2Tab . 2 The change area of every k i nd of l and fro m 1987to 2000利用类型水域林地耕地建设用地未利用地合计1987合计7839. 66489. 517485. 610585. 64388. 246788. 52000合计5064. 74999. 910250

15、. 720793. 15680. 146788. 5变化面积-2774. 9-1489. 6-7234. 910207. 51291. 922998. 8变化百分比/%-35. 40-22. 95-41. 3796. 4329. 4449. 15年均变化百分比/%-2. 72-1. 77-3. 187. 422. 273. 78分说明了在此阶段大量耕地被征而闲置不用的情况。在减少的类型中, 水域大部分是用于城镇建设用地的增加(63. 80% ; 林地主要也是用于城镇建设用地(51. 37% 和耕地的增加(20. 29%; 而耕地主要用于恢复森林(17. 98% 和发展城市(48. 78% 。图

16、2显示了城市扩展的空间位置。图2表明, 合肥市的扩展主要集中在城市的东部、东北部、西部以及南部和西南部。 图2 1987-2000年卫星监测的合肥市城镇建设用地扩展情况F i g . 2 Th e exten sion of con struc ti on l and in H efei C ity fro m 1987to 20002. 3. 2 景观格局变化及其分析。包括景观形状指数分析, 景观分维数分析, 景观破碎度分析等内容。(1 景观形状指数分析。景观形状指数(landscape shape i ndex 是通过计算某一景观类型的斑块周长与同面积圆形的周长之比, 来测定该景观类型的复

17、杂程度, 计算公式LSI =P i /2。式中:LSI 为景观形状指数;P i 为某一景观类型斑块周长; A 为斑块面积。LSI 越接近于1, 斑块圆度越好, 其形状越简单; 反之, LSI 越大, 其形状越复杂8。从表3可以看出:1987年各景观形状指数的排序是, 林地>未利用地>水域>城镇建设用地>耕地; 2000年各景观形状指数的排序是, 林地>未利用地>水域>耕地>城镇建设用地。各景观形状指数的排序变化不大, 只是城镇建设用地和未利用地的排序发生了变化。但是各景观要素景观形状指数却呈现两种不同的变化趋势。水域和城镇建设用地景观形状指数呈下

18、降趋势(分别下降了0. 895和0. 530, 表明该2种景观要素斑块形状的动态变化趋向于规则; 林地、耕地和未利用地景观形状指数呈上升趋势, 表明该3种景观要素斑块的形状有向曲折和复杂变化的趋势。(2 景观分维数分析。景观分维数(la ndscape frac tal dm i ens i on 主要揭示斑块及斑块组成的景观的形状和面积大小之间的相互关系9。用来量度景观斑块形状的复杂程度或斑块形状影响内部斑块的生态过程, 计算公式P =k AFd /2, 即Fd =2ln (P/k/l n(A 。式中:Fd 为分维数, 且满足1 Fd 2, Fd 值越大, 反映斑块的形状越复杂, 当Fd =

19、1时, 则斑块形状为简单的欧几里德正方形; P 为斑块周长; A 为斑块面积; k 为常数。该文的分析是建立在单个斑块的基础上, k =4为常数8, 10-11。从表3可以看出:1987年各景观分维数的排序如下, 林地>耕地>水域=未利用地>城镇建设用地;表3 1987-2000合肥市景观格局分析hm 2Tab . 3 Th e an al ysis of land scape p attern of H efei City fro m 1987to 2000类型景观形状指数景观分维数 景观破碎度19872000变化19872000变化19872000变化水域4. 9434.

20、 048-0. 8951. 3181. 262-0. 0560. 14770. 16270. 0150林地6. 6426. 8200. 1781. 3841. 352-0. 0320. 20200. 29100. 0890耕地2. 9623. 8280. 8661. 3781. 330-0. 0480. 01670. 05760. 0409城镇建设用地3. 7603. 230-0. 5301. 2541. 2820. 0280. 08230. 0302-0. 0521未利用地5. 7836. 1050. 3221. 3181. 3300. 0120. 25820. 2100-0. 048220

21、00年各景观分维数的排序是, 林地>耕地=未利用地>城镇建设用地>水域。各景观分维数的排序变化不大, 只有水域从1987年的第3位降到了2000年的第5位。整体上, 1987-2000年研究区域内各景观分维数的变化幅度不大, 表明各景观类型在该时期内斑块形状未发生大的变化。景观中城镇建设用地和未利用地的分维数呈升高趋势(分别升高0. 028和0. 012 表明这两种景观要素斑块的形状动态变化趋向于复杂化, 正处在发展过程中; 景观中水域、耕地和林地的分维数呈下降趋势(分别下降0. 056, 0. 032和0. 48 。表明这3种景观要素斑块形状动态变化趋向于简单化和规则化。这

22、是因为, 这些景观类型均为人工景观或是受人类活动影响较大, 在人类社会经济活动的影响和制约下, 其形状趋于简单化和规则化。(3 景观破碎度分析。景观破碎度(landscape frag m e ntati on i ndex 指景观被分割的破碎化程度, 它与自然资源的保护密切相关。计算公式LCI =n i /Ai 。式中:LCI 为景观破碎度; n i 为某一景观的斑块数; A i 为某一景观的总面积。LCI 越大, 景观破碎化程度越大12-13。景观破碎度用单位面积内的斑块数来测度14。它描述整个景观或某一景观类型在给定时间和给定性质上的破碎化程度, 反映人类活动对于景观的干扰程度15。景观

23、破碎度高, 说明景观类型分布比较分散。随着人类活动影响的增强, 景观破碎度指数显著增加16。从表3可以看出:1987年各景观破碎度的排序如下, 未利用地>林地>水域>城市建设用地>耕地; 2000年各景观破碎度排序是, 林地>未利用地>水域>耕地>城市建设用地。各景观破碎度的排序位置变化很大, 只有水域的景观破碎度排序位置没有发生变化, 其他4类景观类型破碎度的排序位置都发生了变化。而且在1987-2000年间, 各景观指数变化幅度也相当大(水域10. 16%、林地44. 06%、耕地244. 91%、城镇建设用地-63. 31%和未利用地-18

24、. 67% 。变化幅度最小的是水域, 景观破碎度指数增加了10. 16%,变化幅度最大的是耕地, 景观破碎度指数增加了244. 91%。表明在此期间, 人类活动对各景观要素产生了强烈的影响, 其中耕地受到人类活动干扰的程度最为强烈。在1987-2000年间各景观要素景观破碎度指数呈现两种不同的变化趋势, 研究区域内水域、林地和耕地的景观破碎度指数呈上升趋势(分别增加0. 0150, 0. 0890和0. 0409, 表明3种景观类型在人类活动的影响下, 斑快数量增加, 分布趋向分散; 城镇建设用地和未利用地的景观破碎度指数呈下降趋势(分别减少0. 0521和0. 0482, 表明这两种景观类型

25、单位面积内的斑块数量减少, 斑块面积增大, 分布呈集中趋势。3 结论(1 综合运用了RS 和G I S 技术, 结合分析景观格局的常用指标, 对研究区域内的土地利用/覆盖变化及其对景观格局的影响进行了分析, 较好地反映了实际情况。研究表明, RS 与G I S 技术相结合可以快速对土地利用/覆盖及景观格局的变化进行动态监测。与传统方法相比, 具有快速、准确、节省费用、简单易行的特点。(2 从1987-2000年的13年间, 合肥市的土地利用/覆盖发生了很大变化。水域、林地和耕地面积大量减少, 其中耕地的面积减少最多, 达到41. 37%, 年均减少3. 18%;城镇建设用地和未利用地增加, 其

26、中增加最多是城镇建设用地, 达到96. 43%, 年均增加7. 42%。(3 从1987-2000年的13年间, 合肥市的景观格局发生了较大变化。从景观形状指数来看:水域和城镇建设用地景观形状指数呈下降趋势, 林地、耕地和未利用地景观形状指数呈上升趋势; 从景观分维数和景观破碎度来看:水域、耕地和林地的景观分维数呈下降趋势, 景观破碎度指数呈上升趋势。说明人类活动对水域、林地和耕地产生了较大的影响, 这些景观要素的斑块形状趋向规则和简单, 斑块数量增加, 斑块面积减小; 城镇建设用地和未利用地的景观分维数呈上升趋势, 景观破碎度呈下降趋势。说明这些景观要素的斑块形状趋向复杂, 正处在发展过程中

27、, 斑块数量减少, 斑块面积增加。参考文献:1 W ake r R T. L and use transiti on and deforestati on in deve l op i ng countriesJ.G eog raph ica lA na l ysis , 1997, 19:18-30.2 陈佑启, 杨鹏. 国际上土地利用/覆盖变化的新进展J.经济地理, 2001, 21(1:95-100.3 李晓琴, 孙丹峰, 张凤荣. 北京地区植被覆被率遥感制图与景观分析 以门头沟区为例J.国土资源遥感, 2003, 55(1:23-28.4 陈文波, 肖笃宁, 李秀珍. 景观指数分类、应

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29、(下转第128页D esign ofW ater Envi ron m entM anage m entInformati on System about X i anyang Channel Seg m ent ofW ei R iverL I X i ao li ng(College of Touris m and E nviron m ent , Shannx iN or m al Un iversit y , X ian 710062, China Abst ract :W ater env ironm en tm anage m ent i n for m ati o n syste

30、 m w hich is app li e d i n X i a nyang channel seg m ent(for short XY W E M I S is an i m portant part of the co mprehensi v e treat m ent and p lanning o fX i a nyang C ity s wa ter env iron m ent . The ai m of th is paper is to realize the co m puter m anage m ent ofw ater env ironm entm onitori

31、n g data , to directly d isplay picture o f the w ater envir onm ent quality i n for m ati o n and to evaluate the quality of w ater env iron m ent . Through these techn i q ue m eans , such as str ucture design , functi o n design , da tabase design and syste m real ization about XYW E M I S , firs

32、tly , it could change the curren tm anage m entm ode on w ater env ironm ent of X ianyang channel seg m en; t secondly , it could enhance the co m prehensi v e usi n g rate of w ater env iron m entm onitori n g data ; fi n ally , it could estab lish certain foundation about standar d ization and sci

33、entific m anage m ent o fw ater env ironm ent i n X i a nyang channe l segm en. tK ey w ords :w ater envir onm en; t m anage m ent i n for m ation syste m; W ei river(上接第111页9 常学礼, 邬建国. 科尔沁沙地景观格局特征分析J.生态学报, 1998, 18(3 :226-232.10 王顺德, 李红德, 许泽锐, 等. 塔里木河中游滞洪区的形成及其对生态环境的影响J.冰川冻土, 2003, 25(6 :712-718.11

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