基于GIS的醴陵市景观格局动态变化研究

周子英，黄 毅，周晓斌，米振华

（湖南工程学院管理学院，湖南 湘潭 ４１１１０４）

摘要：利用２００３年和２００９年两期的Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ／ＥＴＭ＋遥感影像资料，结合ＧＩＳ与景观生态学分析方法，将湖南省醴陵市土地利用方式划分为水田、旱地、园地、林地、城乡居民工矿用地、水域和未利用地 ７ 种景观类型，在ＥＲＤＡＳ ８．６、Ａｒｃ ＧＩＳ ９．０ 和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ｅｘｃｅｌ ２００３软件支持下，从斑块面积、斑块数目、斑块密度、面缘比、Ｓｈａｎｎｏｎ景观多样性、优势度、均匀度等方面对醴陵市景观空间分布和结构特征进行了系统分析。结果表明，在２００３～２００９年间，醴陵市土地景观空间格局发生了显著变化，水田、旱地、园地、未利用地的面积有所减少，林地、城乡居民工矿用地、水域则在增加；从景观组分来看，斑块面积、斑块数目、斑块密度、面缘比、Ｓｈａｎｎｏｎ景观多样性、优势度、均匀度等均发生了明显的变化；从土地利用变化来看，不同土地利用类型变化速度各异，土地利用景观格局向着林地、城乡居民工矿用地与水域发展，景观破碎化程度加剧。人口增加、产业结构调整、城镇扩张、退耕还林政策的实施以及农业开发等活动是醴陵市景观格局演变的主要驱动因素。

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关键词 ：土地利用；景观格局；ＧＩＳ；醴陵市

中图分类号：Ｆ３０１．２４；Ｐ９０１；Ｐ２０８．２（６４４ＬＬ） 文献标识码：Ａ 文章编号：０４３９－８１１４（２０１５）０４－０898－０5

ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．０４．０3１

收稿日期：２０１４－０５－０４

基金项目：国家自然科学基金项目（４１１７１１７６）；国家自然科学青年基金项目（Ｄ０１０２０４）；国家社会科学基金项目（１２ＣＪＹ０８２）；湖南工程学院人才启动基金项目（２０１２）

作者简介：周子英（１９７４－），女，湖南辰溪人，讲师，博士，主要从事土地资源管理与旅游管理研究，（电话）１５２７４９６７３８１（电子信箱）ｍｆｋｍ９７８＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。

进入 ２１ 世纪以来，土地利用／覆被变化（Ｌａｎｄ ｕｓｅ／ｃｏｖｅｒ ｃｈａｎｇｅ，ＬＵＣＣ）已成为全球环境变化、国家或区域可持续发展研究领域的热点问题［１－３］，景观格局与ＬＵＣＣ密切相关，以几何特征为基础的景观格局分析可以客观地反映出ＬＵＣＣ状态［４－６］。国际地圈生物圈计划（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｓｐｈｅｒｅ－Ｂｉｏｓｐｈｅｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍ，ＩＧＢＰ）、国际全球环境变化人文因素计划（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｕｍａｎ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ ｏｎ Ｇｌｏｂａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ， ＩＨＤＰ）和世界气候研究计划（Ｗｏｒｌｄ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ，ＷＣＲＰ）等在其 ＬＵＣＣ 研究项目中，都纷纷结合景观格局进行分析研究，并对其空间结构进行预测［７］。湖南省醴陵市作为长株潭城市群核心城市株洲市的一个县级市，随着长株潭一体化建设的快速推进，该市的土地利用发生了较大变化，土地利用越来越复杂，其景观格局正遭受破碎化的风险。基于此，课题组以景观生态学理论为研究基础［８］，以遥感技术（Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｅ，ＲＳ）与地理信息系统（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，ＧＩＳ）技术为支撑，利用景观格局的总体特征和各景观组分的斑块面积、数量、斑块密度、面缘比、Ｓｈａｎｎｏｎ景观多样性、优势度、均匀度等多方面对醴陵市各种土地利用类型的数量特征进行了分析［９，１０］，以期阐明各种景观组分间的特征差异，揭示土地利用景观格局变化，评价景观破碎化程度；从而为合理利用土地资源制定出相关调控对策，促进区域土地利用系统健康与可持续发展，使土地利用功能正向演替。

１ 研究区概况

醴陵市位于湖南省东部中段，地处北纬２７°２２′１５″～２７°５８′０７″、东经１１３°０９′４９″～１１３°４５′４３″区域，南北长约６６．７５ ｋｍ、东西宽约５８．５１ ｋｍ，总面积为２．１６×１０５ ｈｍ２；因地处罗霄山脉西北边沿，使境内东北和西南呈隆起状，海拔自东北与西南向中部的渌江谷地依次递降，形成两个相对起伏的倾斜面；整个地貌轮廓分明，属江南丘陵腹地。醴陵市具有地貌类型多样、地质构造与岩性组合较复杂等特征，地貌类型以山地、丘陵和岗地为主，分别占全市总面积的２８．８％、２７．１％、２２．７％。全市现辖３０个乡镇以及城区街道办事处；截止２００９年底，全市户籍人口为１０４．５５万人，比２００３年增长了5%，全市ＧＤＰ总量为２１１．３３亿元，比２００３年增长了1．８１倍。

２ 数据来源与研究方法

２．１ 数据来源

数据来源主要有Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ／ＥＴＭ＋影像资料（２００３年和２００９年）、１∶２５万地貌类型图（１９８３年）、１∶５ 万土地利用现状图（２００３年、２００９年）、土地利用变更调查数据（２００３～２００９年）等以及社会经济数据和相关文献资料，数据信息采集于醴陵市国土资源局信息汇总、醴陵市土地利用总体规划、醴陵市历年统计年鉴等相关资料。除上述资料外，还以遥感影像为选点、参照土地利用现状图，利用手持ＧＰＳ、地形图及其他参考资料进行定位、导航，并对醴陵市进行了实地走访与调研。

２．２ 数据处理

数据处理平台为ＥＲＤＡＳ ８．６遥感图像处理软件、Ａｒｃ ＧＩＳ ９．０地理信息系统和Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ｅｘｃｅｌ ２００３办公软件，具体处理步骤如下。

２．２．１ 预处理 首先在ＥＲＤＡＳ ８．６中进行预处理，对各类图件进行几何校正，使之平均误差小于０．５个像元，并建立统一的坐标系统，以便进行图像叠加分析，以《土地利用现状分类》（ＧＢ／Ｔ２１０１０－２００７）作为分类标准，利用非监督分类方法进行初步分类，考虑到影像的可分辨性能，将整个土地利用方式划分为水田、旱地、园地、林地、城乡居民工矿用地、水域和未利用地共７个景观类型。

２．２．２ 分类 在Ａｒｃ ＧＩＳ ９．０中依据相关图件并参照野外实地考察数据进行分类，同时进行野外实地验证，经检验，２００３年和２００９年土地利用分类图的 Ｋａｐｐｅｒ系数分别为８３．４３％与８５．１１％，达到了分类精度的要求。

２．２．３ 矢量化处理 对分类图进行矢量化，建立空间拓扑关系，生成２００３年和２００９年醴陵市土地利用图形数据库、相应的属性数据库以及景观类型分布图。

２．２．４ 分析 将矢量格式的景观类型分布图转换成栅格格式，利用遥感影像的判读结果，结合醴陵市历年土地利用变更调查数据、社会经济数据对醴陵市的土地利用变化进行分析，揭示醴陵市土地利用动态变化的规律与特征。

２．３ 景观分析指标选取

景观格局分析方法一般分为格局指数法和空间统计法，其中景观指数是高度浓缩的景观格局信息，属于反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标。参考前人的研究结果［１１－１４］，从景观水平和类型水平两方面选取指标对醴陵市景观格局进行分析，其中景观水平组分选取斑块数目（ＮＰ）、平均斑块面积（ＭＰＳ）、面缘比（景观要素面积与周长的比值，ＡＰ） ３个指标；类型水平组分选取斑块密度（ＰＤ）、Ｓｈａｎｎｏｎ景观多样性指数（Ｈ）、优势度指数（Ｄ）、均匀度指数（Ｅ）４个指标。

３ 醴陵市土地利用变化

３．１ 醴陵市景观变化

景观格局体现了人类在土地利用过程中对区域社会经济活动影响的相应结果，因人类活动改变了区域自然景观斑块的数量、大小和类型。我们利用景观格局分析软件Ｆｒａｇｓｔａｔｓ ３．３统计了醴陵市２００３年和２００９年各种土地利用类型的斑块面积、个数、周长（Ｐ），计算得到了平均斑块面积、斑块密度、面缘比指数、Shannon景观多样性指数、优势度指数、均匀度组分等景观指数变化信息，具体见表１。从表１可知，醴陵市的斑块数目、平均斑块面积以及斑块密度等景观组分均在研究期内发生了变化，显示出醴陵市的景观破碎化程度在加剧，斑块数目从２００３年的５９ １８４个增加到２００９年的６６ ５５２个，６年间增加了７ ３６８个；平均斑块面积呈减小的态势，从２００３年的３．６４ ｈｍ２／个减少到２００９年的３．２４ ｈｍ２／个；与此同时，斑块密度在增加，从２００３年的０．２７个／ｈｍ２增加到２００９年的０．３１个／ｈｍ２；面缘比也在变大，说明斑块形状趋向于简单化；Ｓｈａｎｎｏｎ景观多样性指数减小说明研究区域内某几种占优势的土地利用类型呈增长的态势，导致其优势度指数增加，均匀度指数减少。结合醴陵市的实际情况，具体表现为醴陵市的林地面积呈现出增长的态势，由于醴陵市的森林覆盖率较高，２００３年、２００９年的森林覆盖率分别为５４．７８％、５５．１８％，从而导致了其Shannon景观多样性指数、均匀度指数减少，优势度指数增加。

３．２ 不同土地利用类型的变化

在研究期内，醴陵市各种景观面积均为林地＞水田＞城乡居民工矿用地＞未利用地＞旱地＞园地＞水域，具体见表２。

３．２．１ 土地利用面积的变化 从表２可知，不同土地利用类型在研究期间均发生了较大的变化，各种不同景观面积变化情况具体见图１。从图１可知，在整个研究期内，醴陵市的ＬＵＣＣ特征主要表现为林地、城乡居民工矿用地、水域用地不断增加，水田、旱地、园地、未利用地的比率持续减少。如水田景观面积从２００３年的５５ ４２６．１８ ｈｍ２减少到２００９年的５５ ０９０．１８ ｈｍ２，６年间净减少了０．６１％；旱地变化最大，６年间净减少了９．７０％；园地减少比率仅次于旱地，从２００３年的３ ６２２．２０ ｈｍ２减少到２００９年的３ ３８５．８５ ｈｍ２，减少幅度达到了６．５３％；未利用地亦呈减少的态势，６年间减少了４．４３％。而林地、城乡居民工矿用地和水域３种景观则呈增加的态势，但增加比率各异，其中以水域增加最快，从２００３年的１ ６１６．２６ ｈｍ２增加到２００９年的１ ７２０．７０ ｈｍ２，６年间增加了６．４６％；其次为城乡居民工矿用地，在研究期内增加了４．６１％；林地在６年间增加了６３８．９０ ｈｍ２，变化幅度达到了０．５４％。由此可知，在研究期间，醴陵市不同景观类型的面积均发生了变化，但变化强度与程度各不相同，以旱地、园地、水域、城乡居民工矿用地、未利用地的变化速度最快。

３．２．２ 不同土地利用类型景观组分变化 受人口增加、经济发展、气候变化和环境地理等因素的影响，醴陵市土地利用景观组分发生了明显的变化，具体变化情况见表３。从表３可知，在２００３～２００９年间，各种类型土地利用景观的周长、斑块个数均显著增加，除了水域平均斑块面积增加了０．０４ ｈｍ２／个外，其余的６种景观类型均呈减少的趋势，其中又以林地减少最快，达到了５．５ ｈｍ２／个。在７种景观中，水域的斑块密度在减少，为０．０１个／ｈｍ２，其余的６种景观斑块密度均呈增加趋势，但旱地斑块密度增加的速度更快。综合以上分析可知，除水域外，醴陵市的其他景观类型呈现出破碎化的趋势。但各种类型景观的面缘比呈现出增大的趋势，表明研究区各景观类型越来越规整，具有较大的核心面积和较小的边界曲折性，这在生态效应上不易受到其他景观类型的影响，提高了土地利用率。

３．３ 景观变化驱动力分析

景观格局是自然因素和人为因素共同作用的结果，自然因素常常是在较大的时空尺度上作用于景观［１５，１６］。由于研究时段较短，自然因素对景观格局的影响甚微，所以现阶段人文驱动因素处于主导地位。研究期内各景观类型面积转移的主要去向为林地、城乡居民工矿用地与水域，详见表４。醴陵市作为长株潭城市群核心城市株洲市的一个县级市，在２００３年人口总数为９９．６８万人，２００９年人口总数达１０４．５５万人，９年间人口总数增加了４．８７万人，与此同步的是非农业人口增加了１．２０万人；同时醴陵市经济快速稳步发展，国内生产总值（ＧＤＰ）由２００３年的７５．２５亿元，增加到２００９年的２１１．３３亿元，产业结构发生了很大的变化，第一产业增加值所占的比重逐年下降，第二、第三产业增加值所占比重则逐年上升，三个产业结构比例由２００３年的１７．２∶５４．５∶２８．３变为２００９年的１３．４∶５７．１∶２９．５。醴陵市人口的增加、经济的快速增长、城市化与工业化水平的提高以及产业结构的调整，都使得农地非农化的速度明显加快，大量水田、旱地、园地转化为城乡居民工矿用地。醴陵市自２００２年开始实施退耕还林工程，与此同时，乡村旅游业的快速发展促使部分园地、旱地、未利用地向林地转变，这是林地面积大量增加的直接驱动力。城市的快速扩张、工业化以及农业种植结构的调整是水田、园地、旱地大量减少的主要驱动因素。

４ 小结

１）在２００３～２００９年研究期间，醴陵市各景观类型都发生了不同程度的转移，其中以旱地变化最大，各景观类型转移的主要去向为林地、城乡居民工矿用地和水域。与此同时，景观组分发生了较大变化，斑块数量、班块密度呈增加的态势，平均斑块面积不断减少，斑块呈破碎化的发展趋势，醴陵市的土地利用优势度指数增加，而均匀度指数减少。

２）醴陵市土地利用／覆被结构发生了较大的变化。区域内林地、城乡居民工矿用地、水域不断增加，增长幅度分别为０．５４％、４．６１％、６．４６％，而水田、旱地、园地、未利用地比率持续减少，减少的幅度分别为０．６１％、９．７０％、６．５３％、４．４３％。随着长株潭一体化速度的加快，醴陵市产业结构的变化、人口的增长、城镇化的速度都将进一步加快，大量的农用地将转化为建设用地，耕地资源保护形势依然严峻。

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（责任编辑 王珞）