三亞市土地利用景觀格局穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)變化

三亞市土地利用景觀格局穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)變化摘要：基于MapGISlO平臺(tái)，利用三亞市2004、2008、2013和2017年的衛(wèi)星遙感影像，從景觀結(jié)構(gòu)、景觀類型和景觀異質(zhì)性等方面分析研究區(qū)的景觀格局特征；采取主成分分析方法，建立三亞市景觀格局整體評(píng)價(jià)模型，對(duì)三亞市景觀格局穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量分析.結(jié)果表明：在14年間研究區(qū)的土地利用類型變化較大，各地類間相互轉(zhuǎn)換頻繁，其中林地、園地、建設(shè)用地、耕地之間的轉(zhuǎn)化決定著研究區(qū)土地利用類型的變化特征；2004、2008、2013和2017年三亞市土地利用空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指數(shù)分別為8.65、493、438和4.13,整體上景觀格局穩(wěn)定性呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)；林地、耕地和園地為研究區(qū)的主要景觀類型，對(duì)調(diào)控景觀穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用.城市化的進(jìn)程加快，使得三亞市土地破碎化程度有所上升.關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性；景觀格局；土地利用；動(dòng)態(tài)變化；三亞市從景觀生態(tài)學(xué)看，穩(wěn)定性是土地利用格局特征及生態(tài)過程的持續(xù)性，反映了區(qū)域土地利用方式與環(huán)境條件共同對(duì)抗干擾或擾動(dòng)的能力.景觀穩(wěn)定性一般指生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常景觀各種參數(shù)的長(zhǎng)期變化呈現(xiàn)水平狀態(tài)則稱景觀是穩(wěn)定的，或是在水平線上下擺動(dòng)的幅度和周期具有統(tǒng)計(jì)特征，可以作為城市生態(tài)發(fā)展的一種重要參考指標(biāo)(1).通過研究城市土地利用的斑塊數(shù)量、斑塊異質(zhì)性與土地利用方式等指標(biāo)，得出綜合性的評(píng)價(jià)結(jié)論，找出優(yōu)勢(shì)景觀，對(duì)相關(guān)部門采取決策，建設(shè)綠色城市、優(yōu)化城市布局具有較強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)作用⑵.從概念內(nèi)涵來看，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，采用持久性、慣性、彈性等概念來表征景觀格局穩(wěn)定性[3].從分析手段及表層來看，大多定性地從景觀指標(biāo)層面、景觀指數(shù)方面表達(dá)景觀格局穩(wěn)定性(45)，鮮有采用定量手段分析景觀格局穩(wěn)定性的研究成果.從研究區(qū)域來看，景觀穩(wěn)定性的研究大多是針對(duì)森林、濕地、河流，對(duì)城市土地的景觀格局穩(wěn)定性研究還較少，且已有的研究成果大多是單一維度的分析，如彭保發(fā)等(句采用主成分分析，運(yùn)用ArcGIS9.3和FRAGSTATSVersion3.3軟件對(duì)常德市9縣(市、區(qū))進(jìn)行景觀格局的穩(wěn)定性研究，得出林地和耕地為優(yōu)勢(shì)景觀，為常德市的科學(xué)發(fā)展提供了重要的依據(jù);胡艷興等(1)利用兩期遙感解譯數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析了蘭州市的景觀格局變化，提出蘭州市應(yīng)保護(hù)有生態(tài)意義的草地和水系等有用建議.隨著土地利用多樣化和城市不斷發(fā)展，城市景觀格局的穩(wěn)定性越來越引起人們的關(guān)注和研究.而目前利用景觀指數(shù)對(duì)土地利用類型的穩(wěn)定性、土地利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化和土地利用的空間占據(jù)程度等方面的研究相對(duì)較少，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)性變化較快的旅游城市[7)10].因此，本文以三亞市為研究對(duì)象，對(duì)三亞市近14年來的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，分析得出四個(gè)時(shí)期的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)和優(yōu)勢(shì)景觀，致力于使三亞市的規(guī)劃和發(fā)展更加合理，為我國(guó)旅游城市的建設(shè)提供有用的參考.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源1.1研究區(qū)概況三亞市地理位置為北緯1+°09'34"?1+°37*7"、東經(jīng)10+°56'30"?109°4+*+",坐落于海南島最南端，是一座物質(zhì)豐富，發(fā)展快速，以旅游業(yè)、農(nóng)業(yè)為主的國(guó)際旅游城市，因其獨(dú)特的海洋性氣候、陽光、沙灘、棕櫚樹等，被人們親切地稱為“東方夏威夷三亞市共有4個(gè)行政區(qū)，分別為天涯區(qū)、海棠區(qū)、吉陽區(qū)和崖州區(qū)，陸地總面積達(dá)到1919.5+平方公里，常住人口約60萬.2010年，隨著《海南國(guó)際旅游島建設(shè)發(fā)展規(guī)劃綱要》獲得批復(fù)，給三亞市旅游產(chǎn)業(yè)帶來了機(jī)遇.目前，旅游業(yè)已成為三亞市的支柱產(chǎn)業(yè)，旅游業(yè)的發(fā)展對(duì)該市土地利用有著重要影響.2數(shù)據(jù)來源本文采用的資料為三亞市2004年、200+年的Landsat5TM遙感影像，2013年、2017年的Land-sat+OLI遙感影像，地理空間數(shù)據(jù)云(11)以及提供的三亞市行政區(qū)劃圖.2分類依據(jù)及研究方法1分類依據(jù)根據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(12)和《土地利用現(xiàn)狀分類與城鄉(xiāng)規(guī)劃用地分類對(duì)照表滬3),結(jié)合本研究的需要，以及遙感影像的分辨率等因素將三亞市用地分為耕地、園地、林地、建設(shè)用地、水體和其他用地六大類.2.2數(shù)據(jù)處理首先對(duì)遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合等，得到融合后的高分辨率多光譜圖像，再對(duì)得到的圖像進(jìn)行鑲嵌、裁剪，得到研究區(qū)遙感數(shù)據(jù).根據(jù)圖像特征進(jìn)行目視解譯，結(jié)合三亞市土地利用實(shí)際情況，與GoogleEarth的影像進(jìn)行對(duì)比，了解研究區(qū)地面覆蓋類別，同時(shí)考慮到影像四季差異,分別建立訓(xùn)練樣本，通過MapGIS10對(duì)影像進(jìn)行人機(jī)交互式解譯，得到三亞市2004年、2008年、2013年和2017年的土地利用類型分類結(jié)果.2.3研究方法本文以三亞市景觀格局為研究對(duì)象，參考統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，研究三亞市的土地利用動(dòng)態(tài)變化及景觀格局穩(wěn)定性.對(duì)四期遙感影像進(jìn)行分類得到每期的土地利用類型數(shù)據(jù)，選取斑塊數(shù)、斑塊面積等一系列相關(guān)性低的景觀格局指數(shù)，利用景觀格局分析軟件FRAGSTATSVersion4.2和統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS24定量分析三亞市的景觀格局及其穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化，并結(jié)合三亞市的人口、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)分析其變化的原因.通過主成分分析方法提取具有代表性的主成分因子，從而建立景觀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析[14-15].2.4景觀格局指數(shù)的確定景觀指數(shù)是一種富含生態(tài)意義和相關(guān)性的指數(shù)集合.在結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀類型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從景觀結(jié)構(gòu)、景觀類型和景觀異質(zhì)性三方面選取了17個(gè)景觀格局指數(shù)，在置信度為0.05條件下進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn).檢驗(yàn)結(jié)果為顯著，則去掉其中一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，反之，則兩個(gè)指標(biāo)都保留.目的是為所選取指標(biāo)反映的信息不冗余(16).最后，本文分別選用景觀類型面積、景觀類型周長(zhǎng)、斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差、斑塊平均面積、最大斑塊比、斑塊數(shù)、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、分維度、分離度、均勻度、優(yōu)勢(shì)度、多樣性指數(shù)、斑塊面積變動(dòng)系數(shù)和面積比15個(gè)指標(biāo)，采用FRAGSTATSVersion4.2軟件計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的值，了解其包含的生態(tài)學(xué)意義[17-19].5土地利用景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建選取的土地利用景觀指數(shù)需要進(jìn)行無量綱化,并從指數(shù)是否有利于景觀格局的穩(wěn)定性作為標(biāo)準(zhǔn),表達(dá)式如下：正指標(biāo)7'= —min)/max min),負(fù)指標(biāo)XL= max—!')/(!'max min),其中：X'是無量綱化指標(biāo)，是原指標(biāo),!mn為指標(biāo)的最小值，!max為指標(biāo)的最大值.當(dāng)X'為正指標(biāo)時(shí)，其功效貢獻(xiàn)為正數(shù)；當(dāng)X'為負(fù)指標(biāo)時(shí)，其功效貢獻(xiàn)為負(fù)數(shù).根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的景觀格局指數(shù)，采用主成分分析的方法，構(gòu)建土地利用景觀格局的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型!進(jìn)行土地利用景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià).根據(jù)下式可確定每個(gè)主成分的各個(gè)權(quán)重值=+/AJ=1+1，式中：+為第：主成分的貢獻(xiàn)率，J為提取的主成分個(gè)數(shù).由各主成分的方差貢獻(xiàn)率確定權(quán)重，并建立景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型.公式如下：式中：F,為'單位的土地利用景觀穩(wěn)定性指數(shù)，+為主成分：的得分.F,的值與景觀格局穩(wěn)定性成正相關(guān).3結(jié)果分析1土地利用類型面積變化對(duì)三亞市2004年#2008年#2013年和2017年共四期遙感影像進(jìn)行解譯、分類和統(tǒng)計(jì)，得到每期影像的景觀類型圖，每期影像的土地利用類型面積如由圖1可知，三亞市的土地利用類型以林地、園地和耕地為主,2004年林地、園地和耕地分別占總面積的34.30%#26.94%#24.69%;2008年占比為38.60%#42.01%#9.16%;2013年占比為48.26%#26.59%#10.39%；2017年占比為50.14%#4.20%和23.67%，三類用地總面積在這四年占比分別高達(dá)85.93%#89.77%#85.24%和78.01%.在過去的幾十年里，中國(guó)政府制定了一系列植樹造林計(jì)劃，使得林地增長(zhǎng)較之其他類型更快,14年間林地的總面積呈上升趨勢(shì).耕地面積呈現(xiàn)驟降趨勢(shì)后反彈，其原因在于農(nóng)村人口不斷向城市遷移，許多耕地荒廢、還林還草.而且,2009年3月國(guó)土資源部在全國(guó)開展“保經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，保耕地紅線”行動(dòng).自政策出臺(tái)后，三亞市一直嚴(yán)格執(zhí)行，秉承耕地紅線不能碰原則，因此，使得耕地面積有所上升.隨著城鎮(zhèn)人口的增加，城市化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn),14年來建設(shè)用地面積不斷增加，其他用地逐漸減少.從空間分布上來看,2004到2017年，林地集中在三亞市北部，在2008年時(shí)，大部分耕地轉(zhuǎn)為林地；建設(shè)用地分布沒有較大變化，其建設(shè)發(fā)展方向?yàn)橄虮睌U(kuò)張，主要分布在三亞市的西南方向，呈條帶狀.3.2景觀多樣性變化分析3.2.1斑塊組成結(jié)構(gòu)斑塊的組成結(jié)構(gòu)主要通過標(biāo)準(zhǔn)差、平均值、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、分維度、變動(dòng)系數(shù)反應(yīng).三亞市景觀類型斑塊特征如表1所示.表1三亞市景觀類型斑塊特征年份類型標(biāo)準(zhǔn)差平均值斑塊密度斑塊形狀指數(shù)分維度變動(dòng)系數(shù)林地458.821.550.0252.051.&10.71水系34.432.560.0132.461.810.642004建設(shè)用地38.342.680.0363.641.880.3園地129.74.&20.069&.041.840.26其他用地4.960.90.0582.161.980.06耕地76.963.630.0&112.&1.880.17林地249.59.960.0459.151.&30.34水系36.144.38026.&11.&90.892008建設(shè)用地21.141.640.04&4.211.920.18園地3&6.210.880.05&&.4&1.&&0.47其他用地5.051.020.0451.641.9&0.15耕地14.11.840.0283.231.910.08林地104322.110.0242.591.661.15水系34.344.260.0124.451.&&0.852013建設(shè)用地18.960.80.12135.&20.1園地153.54.160.0612&.61.90.31其他用地2.3&0.310.09103.92.090.05耕地16.160.&50.14134.81.990.08

表2（續(xù)）年份類型標(biāo)準(zhǔn)差平均值斑塊密度斑塊形狀指數(shù)分維度變動(dòng)系數(shù)林地2851;870;27140;71;860;3水系19.811;210;0249;61;910;37oni7建設(shè)用地69.950;660;29180;51;990;192017園地0;510;120;35248;62;230;01其他用地0.370;070;0141;62;480.24耕地26;150;470;51298;82;060;06根據(jù)表1可知，這四個(gè)時(shí)期林地的平均值最大!且在2004年與2013年最為明顯；斑塊形狀指數(shù)、分維度較大的為耕地，體現(xiàn)出耕地的空間分布形態(tài)復(fù)雜，斑塊大小有明顯差異，也間接反映了耕地的破碎化程度較高；斑塊密度和變動(dòng)系數(shù)的變化不大；研究下降趨勢(shì)，其主要原因是三亞市政府對(duì)土地的開發(fā)利用趨于穩(wěn)定和人為控制得當(dāng).3.2.2三亞市異質(zhì)性指數(shù)特征值變化景觀異質(zhì)性反映土地利用的不均質(zhì)性和復(fù)雜程度.三亞市景觀類型異質(zhì)性特征如表2所示.區(qū)的景觀類型變動(dòng)系數(shù)從2004年到2017年總體呈表2三亞市景觀類型異質(zhì)性特征年份類型分離度均勻度優(yōu)勢(shì)度多樣性指數(shù)面積比最大斑塊比林地0;310;201;120;370;340;12水系10;970;061;390;100;030;01建設(shè)用地4.480;101;300;180;070;012004園地0;850;201;130;350;270;05其他用地11;930;081;350;140;040;00耕地1;060;191;140;350;250;04林地0;410;210;210;370;390;09水系11;110;050;050;080;020;00OAAQ建設(shè)用地6;260;100;100;170;060;012008園地0;410;200;200;360;420;12其他用地39;200;040;040;070;020;00耕地2;430;120;120;220;090;00林地0;220;201;000;350;480;35水系11;340;051;270;080;020;00建設(shè)用地5;650;131;120;230;100;012013園地0;920;201;000;350;270;08其他用地33;070;051;250;100;030;00耕地5;550;131;110;240;100;01林地0;730;190;900;350;50;34水系15;850;061;140;100;030;01oni7建設(shè)用地3;230;180;930;320;190;082017園地34;260;071;110;130;040;00其他用地2287;000;001;240;010;000;00耕地3;100;190;900;340;240;04由表2可知，林地的多樣性指數(shù)、均勻度較高!分離度較低，體現(xiàn)了三亞市林地居多，用地類型豐富，空間分布均勻，對(duì)總體景觀格局具有較大的影響；從該區(qū)域總體來看，景觀整體空間布局表現(xiàn)出較高的異質(zhì)性.多樣性指數(shù)和均勻度從2004年到2017年總體呈穩(wěn)定但略有下降趨勢(shì)；各景觀類型的優(yōu)勢(shì)度相差較小，無明顯優(yōu)勢(shì)景觀類型.3.3 土地利用格局的景觀穩(wěn)定性分析景觀穩(wěn)定性是景觀結(jié)構(gòu)特征的表現(xiàn).本文結(jié)合研究區(qū)的區(qū)域現(xiàn)狀和景觀結(jié)構(gòu)特征，選取15個(gè)主要景觀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用SPSS軟件對(duì)各因子進(jìn)行因子分析初始解，結(jié)合主成分分析法，將累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的因子提取為主成分因子.以2017年為例，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為57.13%、+4.77%和93.29%(已達(dá)要求的85%),表明前3個(gè)主成分權(quán)重可以用來反映景觀格局指數(shù)對(duì)保持結(jié)構(gòu)與功能的能力.方差極大化旋轉(zhuǎn)后的前3個(gè)主成分在各變量上的載荷見表3.由表3看出，第一主成分Z%在景觀類型面積、景觀類型周長(zhǎng)、均勻度、優(yōu)勢(shì)度、多樣性指數(shù)上的載荷分別為0.867$0.911、一0.968$0.968、0.968,這5個(gè)變量的變異信息從景觀結(jié)構(gòu)、斑塊特征及景觀異質(zhì)性3方面綜合反映土地類型的景觀特征；第二主成分+*在斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差、斑塊平均面積、最大斑塊比、斑塊數(shù)、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)及斑塊面積變動(dòng)系數(shù)上的載荷較大，反映土地利用類型的斑塊形狀特征；第三主成分乙在面積比的載荷為0731,體現(xiàn)了土地利用類型的斑塊分散和破碎化程度;表32017年旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣指標(biāo)成分+1+2乙景觀類型面積X10.86703940214景觀類型周長(zhǎng)X20.911一0295一0065斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差X30.65906610345斑塊平均面積X405170826一0073最大斑塊比X5068106210366斑塊數(shù)X60791一06080026斑塊密度X70791一06080026斑塊形狀指數(shù)X80669一07370024分維度X9一069一04780428分離度X100.744一0029一0340均勻度X11一0968一00100164優(yōu)勢(shì)度X1209680010一0164多樣性指數(shù)X1309680010一0164斑塊面積變動(dòng)系數(shù)Xu-0.2330941一0234面積比X150476一004307313.4景觀格局穩(wěn)定性評(píng)價(jià)根據(jù)因子得分矩陣，求出2017年主成分得分如下：V%=0.3X1+0.31X*+0.23X3+0.18X-+0.23X0+0.27X2+0.27X7+0.23X8—0.24x9+0.25X10—0.33X11+0.33X12+0.33X13—0.08X14+0.16X15V2=0.19X1—0.14X2+0.32X3+0.41X-+0.31X5—0.3X6—0.3X7—0.36X8—0.23X9—0.01X10+0.46X14—0.02X15V3=0.19X1—0.06X2+0.31X3—0;06X4+0;32X5+0;02X6+0;02X7+0.02X8+0.38X9—0.3X10+0.15X11—0.15X12—0.15X13—0.21X14+0.65X15.由公式F017=a+2+oV1+ 巳++；：+",計(jì)算得到研究區(qū)2017年景觀格局穩(wěn)定性的值為4.13,用該方法計(jì)算2004年、2008年、2013年景觀穩(wěn)定性的值分別為8.65、4.93、4.38.可以看出，從2004年至2017年，研究區(qū)的景觀格局穩(wěn)定性下降明顯，表現(xiàn)為先下降后趨于平穩(wěn)的變化過程，其穩(wěn)定性現(xiàn)已處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相一致.根據(jù)表2