基于RS和GIS的滁州市土地利用與景觀格局變化

基于RS和GIS的滁州市土地利用與景觀格局變化摘要：人類社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對土地利用和景觀格局會產(chǎn)生重要的影響$以2000年、2005年%2010年和2015年4期TM遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助RS和GIS技術(shù)對滁州市土地利用與景觀格局的變化進(jìn)行分析$研究結(jié)果表明:滁州市土地類型主要為耕地、林地、居民用地和水域，草地和未利用地面積相對較小$2000-2015滁州市土地利用變化表現(xiàn)為耕地面積減少，林地、居民用地和水域面積增加，草地和未利用地面積相對穩(wěn)定$變化過程主要是耕地轉(zhuǎn)化為居民用地和林地。景觀格局分析表明滁州市景觀的斑塊密度、形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)不斷增加，景觀的破碎化程度提高，異質(zhì)性增強(qiáng)$滁州市土地利用和景觀格局變化有不斷加劇的趨勢，城市化和退耕還林是滁州市土地利用和景觀格局變化的主要因素$關(guān)鍵詞：土地利用'景觀格局'城市化；滁州市ChangesoflanduseandlandscapepatterninChuzhouCitybasedonRSandGISAbstract：Thedevelopmentofhumansocietyandeconomywillhaveanimportantimpactonlanduseandla_ndsc.pipattern.BasedontheTMremotesensingdataof2000，2005，2010and2015，thechangesoflanduseandlandscapepatternofChuzhouCityareanalyzedbyusingRSandGIStechnology.Theresearchresultshowsthat:LanduseofChuzhouismainlycultivatedland，forestland，residentia1landandwaterarea.Grasslandandunusedlandareasarerelativelysmall.From2000to2015，thelandusechangeinChuzhouCitywasmanifestedasthedecreaseofcutivated&andarea，theincreaseofforest&and，residentia&andandwaterarea，andthereativeystabechangeofgrassandandunused&andarea.Thechangeprocessismainyfromcutivated&andtoresidentia&andandwoodand.Landscapepatternanaysisshowsthatpatchdensity，shapeindex，shannondiversityindexandevennessindexoflandscapeofChuzhouare2ncreas2ng，landscapefragmentatondegree2s2mprovngandheterogenety2s2ncreas2ng.ThechangeoflanduseandlandscapepatternofChuzhouCityhasatendencyofintensifying.UrbanizationandreturningfarmlandtoforestarethemainfactorsoflanduseandlandscapepatternchangeofChuzhouCity.Keywords：landuse；landscapepattern；urbanization；ChuzhouCity土地是人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是珍貴的自然資源*1+$土地利用的變化與全球氣候的變化、生物多樣性的減少、生態(tài)環(huán)境演變以及人類與環(huán)境之間相互作用的可持續(xù)等問題密切相關(guān)⑵。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置，是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)*!+$景觀的穩(wěn)定性直接影響到土地資源的可持續(xù)利用由#人類社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對土地利用和景觀格局會產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能#土地利用和景觀格局變化因而成為當(dāng)前全球變化和生態(tài)系統(tǒng)的一個研究熱點(diǎn)#諸多學(xué)者對土地利用和景觀格局演變進(jìn)行了研究，通過揭示研究區(qū)域土地利用和景觀格局的時空變化特征，為區(qū)域土地的科學(xué)利用及發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)SA"#滁州市地處長江與淮河之間，是國家重要的商品糧基地宜。由于該市在地貌上屬于江淮丘陵的一部分，長期遭受土壤侵蝕，生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源缺乏#為此，該市自2000年以來積極實(shí)施退耕還林工程來改善生態(tài)環(huán)境。但與此同時該市作為南京都市圈和合肥都市圈的核心圈層城市，近年來城市化速度加快，對土地利用和景觀格局都產(chǎn)生了很大的影響。目前,滁州市土地利用和景觀格局變化方面還缺乏深入研究#因此，本文運(yùn)用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)對滁州市2000—2015的土地利用和景觀格局的變化進(jìn)行分析，探尋其演變規(guī)律，以期為該區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)!11"#1研究區(qū)概況滁州市地處安徽省東部，江淮之間(30°51'?33°13'N,11710'?119°13'E),面積1352!22km2。氣候上屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，雨熱同季，易旱易澇。地勢西高東低，并以江淮分水嶺為中脊逐漸向淮河、長江2個方向低傾，東南部屬于長江流域，西北部屬于淮河流域。地貌是以丘陵、崗地和平原相間的分布格局。滁州市屬“南京都市圈”核心層、長江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)成員城市，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市建設(shè)步伐加快，社會狀況相對穩(wěn)定。截至2017年，滁州市常住人口407.6萬人，比上年增加3.2萬人。城市化率51.9%，比上年提高1.5個百分點(diǎn)，城市化和工業(yè)化進(jìn)程愈加顯著，研究區(qū)域如圖1所示?。2研究方法及過程2.1數(shù)據(jù)來源及處理本研究所用數(shù)據(jù)為滁州市2000年(2005年、2010年和2015年4期Landsat-TM遙感影像圖，空間分辨率為30m。根據(jù)滁州市土地利用情況和影像圖的實(shí)際分辨能力，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)的分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合研究目的，015306090120圖1研究區(qū)域?qū)⒊菔型恋乩妙愋头譃楦?、林地、草地、水域、居民用地和未利用?大類。利用ENVI5.3軟件，先將4期影像圖進(jìn)行波段組合、輻射校正、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌及圖像裁剪等預(yù)處理后，再對影像圖進(jìn)行監(jiān)督分類，最終得到4期土地利用分類圖(見圖2),其檢驗(yàn)精度分別為84.36%、86.40%、85.96%、84,70%,Kappa系數(shù)均在0.80以上，滿足研究需要!13"。圖22000—2015滁州市土地利用分類2.2土地利用動態(tài)度動態(tài)度是定量描述一定區(qū)域內(nèi)土地利用變化速度的參數(shù)，可用于計(jì)算區(qū)域內(nèi)土地利用變化產(chǎn)生的差異。單一土地利用的動態(tài)度表示在某時期內(nèi)區(qū)域中某種土地利用類型的數(shù)量變化，可以動態(tài)地描述區(qū)域土地利用的變化速度!14"。本文采用單一土地利用動態(tài)度來描述滁州市土地利用的動態(tài)變化化，具體表達(dá)式為的斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、香農(nóng)多樣性K）（（（>@>100%. （1）式中：M為研究時期內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度；（°和（分別為研究初期和研究末期該土地利用類型的面積C為研究時間段，當(dāng)T設(shè)定為年份時,K值為研究區(qū)域內(nèi)某一土地利用類型的年變化率&2.3土地利用轉(zhuǎn)移矩陣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是研究各種土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的主要方法之一'項(xiàng)。通過定量的方法，借助GIS技術(shù)和空間疊加分析手段計(jì)算生成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，從而全面地反映各土地利用類型變化的結(jié)構(gòu)特征和其轉(zhuǎn)移方向，能夠?qū)Σ煌愋屯恋乩玫难葑冞^程進(jìn)行相應(yīng)的分析&土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式為"Sii…Si廠S.） : : . （2）S° ...Q—1ni '~'mn—式中：為土地面積n為土地利用的類型數(shù);2打分別為研究期初與期末的土地利用類型序號&2.4景觀格局指數(shù)景觀格局指數(shù)指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標(biāo)[16]&本文參考景觀格局相關(guān)的研究內(nèi)容!根據(jù)研究需要，選取斑塊水平的斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）、斑塊類型面積比（PLAND）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）5個指標(biāo)；景觀水平指數(shù)指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）4個指標(biāo)&利用ArcGis軟件將土地利用類型矢量圖轉(zhuǎn)化為柵格圖后，利用Fragstats"#軟件選擇所需的參數(shù)計(jì)算滁州市4期相關(guān)景觀格局指數(shù)'1E（&3結(jié)果與分析3.1土地利用變化分析3.1.1土地利用結(jié)構(gòu)變化土地利用結(jié)構(gòu)是指在某區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的數(shù)量比例關(guān)系以及空間分布特征[18]&由圖1和表1可以看出，滁州市土地利用類型主要以耕地為主，占60%?70%，空間分布整體連續(xù)而廣泛&其次為林地、居民用地和水域，占到10%左右，空間分布上相對比較分散，林地在江淮分水嶺中脊和鳳陽山丘陵附近集中分布&草地和未利用地面積較少，占比均小于1%，空間上也呈零星分布&2000—2015滁州市不同土地利用類型的面積隨著時間的推移而有所差異&在6種土地利用類型中，耕地的面積由2000年的9770.92km2變?yōu)?015年的8279.09km2,呈逐步減少趨勢&林地、居民用地和水域的面積由2000年的1452.88km2、978.80km2和1193.03km2變?yōu)?015年的1953.52km2+1928.30km2和1262.88km2,除水域在2010年相對于2005年面積略有下降外，總體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢&而未利用地和草地的面積由2000年的7.23km2和112.67km2變化到2015年的6.85km2和111.90km2,基本無變化&表12000—2015滁州市土地利用結(jié)構(gòu)2000年 2005年 2010年 2015年類型 面積-km2 比例/% 面積-km2 比例/% 面積-km2 比例/% 面積-km2 比例/%草地112.670'83115.350'86112.270'83111.900'83耕地9770.9272'299158.4168'038915.6365'778279'0961.13居民用地978.807'241283'719'541559'6411.511928'3014.24林地1452.8810.751607'5111.941708'1212.601953'5214.43水域1193.038'831290'519'591253'559'251262'829'32未利用地7.230'056'630'056'820'056'850'053.1.2土地利用變化速度由表2可見，2000—2015滁州市不同土地利用類型的變化速度差異很大&滁州市6種土地利用類型中，居民用地的動態(tài)度為6.47%，變化速率最快&其次為林地和耕地，動態(tài)度分別為2.30%和—1.02%，水域、未利用地和草地變化速率很小，動態(tài)度僅為0.39%、一0.35%和一0.05%&從不同時期對比來看，居民用地、林地和耕地的動態(tài)度從2000—2005的6.23%、2.13%和—1.25%到2005—2010的4.30%、1.25%和—0.53%，再到2010—2015的4.73%+2.87%和43%，變化速度有先減少后增加的趨勢&而水

域、未利用地和草地的動態(tài)度從2000—2005的1.63%、一1.66%和0.48%到2005—2010的—0.57%、0.58%和一0.53%，再到2010—2015的0.15%、0.10%和一0.07%，變化速率總體上呈現(xiàn)逐漸減少的變化趨勢$表22000—2015滁州市單一土地利用動態(tài)度 %年度草地耕地居民用地林地水域未利用地2000—20050.48一1256232131.63一1662005—2010一0.53一053430125一0570582010—2015—0.07一1434732870150102000—2015一005一1026472300.39一0353.1.3土地利用轉(zhuǎn)化過程土地利用的轉(zhuǎn)化過程主要是通過轉(zhuǎn)移矩陣來表現(xiàn)的$由表3?表5可知，滁州市各土地利用類型中，以耕地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的面積最大，達(dá)到632.32km2,其它土地利用轉(zhuǎn)化面積較小，僅為0.26km2,滁州市土地利用的轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為耕地向居民用地、水域和林地的轉(zhuǎn)化，約占到總轉(zhuǎn)化面積的97.00%，草地和未利用地較小，約為00%$不同時期耕地向居民用地、林地和水域轉(zhuǎn)化的面積比例也有很大差異$2000—2005耕地轉(zhuǎn)化為水域的面積較大，總面積為225.02km2,占轉(zhuǎn)化總面積的68.82%%其次為居民用地和林地，占30'61%$2005—2010耕地轉(zhuǎn)化為居民用地的面積最多，占比達(dá)到6872%；其次為水域和林地，占比3126%$而在2010—2015耕地主要轉(zhuǎn)化為居民用地，轉(zhuǎn)化面積為9&63%%其次為林地，占比為136%；其它基本無轉(zhuǎn)化$從整體上來看，耕地向居民用地轉(zhuǎn)化的面積和比例越來越大，向林地轉(zhuǎn)化也有逐漸增大的趨勢，這可能與滁州地區(qū)近年來城市化發(fā)展逐漸加快和不斷實(shí)施退耕還林的政策有關(guān)$表32000—2005±地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2類型草地耕地居民用地林地水域未利用地總計(jì)草地1163018600000088700012703耕地4339195370760128440516929013居民用地0689635107420070237009117439林地002374001159839020004160239水域12832250203601997704004121547未利用地000001000023001589613總計(jì)1341595223410753215996210728811221341554表?2005—2010土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣km2類型草地耕地居民用地林地水域未利用地總計(jì)草地1080900000000000000010809耕地42587380103901211840001886118居民點(diǎn)02037942117358074039000155433林地000319000160141001025160485水域145016941042011109635000128079未利用地000010000000033587629總計(jì)127039290121174391602391215476131341553表52010—2015土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣km2類型草地耕地居民用地林地水域未利用地總計(jì)草地91900000000000000009190耕地000827831000000024054827909居民用地155762368138466327000113202830林地000857074178729693000180352水域0800070006476129638080136282未利用地000000000000000385385總計(jì)1082789106313854018553213035563213569482景觀格局變化分析3.2.1斑塊水平格局變化從表6可以看出，滁州市耕地、水域、居民用地和林地的斑塊類型面積比較高，是研究區(qū)內(nèi)存在的主要景觀#2000—2015耕地景觀在研究區(qū)內(nèi)的斑塊類型面積比逐漸降低，但仍明顯高于其它景觀!說明耕地在滁州市景觀結(jié)構(gòu)中占有重要地位，是滁州市景觀的基質(zhì)類型，而邊緣密度最大，說明耕地變化對研究區(qū)內(nèi)其它景觀具有重要的干擾作用#林地的景觀斑塊類型面積比僅次于耕地，最大斑塊指數(shù)也位居第二，表明林地所占的比例較大且空間分布較為集中；居民用地和水域的景觀斑塊類型面積比相對要小于耕地和林地，但斑塊數(shù)目最多，斑塊密度最大，反映了居民用地和水域景觀空間分布比較分散#除草地和未利用地以外，耕地、林地、居民用地和水域斑塊數(shù)目、斑塊密度和邊緣密度從2000—2015總體上呈增加趨勢，說明隨著滁州市城市化和退耕還林的實(shí)施，這幾類景觀的破碎化程度逐漸增加，對周圍其它類型景觀的影響增大#表62000—2015滁州市各斑塊類型水平上的景觀格局指數(shù)景觀類型年份斑塊數(shù)目/個斑塊類型面積比/%斑塊密度/hm2最大斑塊指數(shù)/%邊緣密度/(m-hmF2)200099E0.9340.00E58.9288543200511768.9390.0096E.81E9.143耕地201013366.0010.01053.3459.E69201531360.9340.02333.E6810.042200010E08.1500.0E91.3263.124200512009.1150.0891.3063.52E水域201012299.8050.0911.2693.E382015158510.1530.11E1.0434.42920001568E.9030.1160.1024.2E0200516699.0E00.1230.1644.E59居民用地20101E3211.3530.1280.5145.559201516E815.0EE0.1242.0396.5392000E61.0110.0060.2E00.3432005620.9520.0050.2580.310草地2010450.8120.0030.2E00.24E2015140.6E10.0010.2680.1E520002EE11.9210.0215.4152.538200526311.8550.019E.4462.480林地201028411.9E20.0215.4292.556201540213.1260.0306.4963.5E52000230.0820.002