武漢市土地利用景觀格局變化研究

1、武漢市土地利用景觀格局變化研究摘要:在遙感與地理信息系統(tǒng)的支持下,通過解譯1991年2002年2007年3期Landsat5-TM影像,分析了武漢地區(qū)從1991年到2007年土地利用和景觀格局的變化情況結(jié)果表明,16年間研究區(qū)內(nèi)景觀格局發(fā)生了很大變化;農(nóng)業(yè)用地面積人工建筑用地面積在不斷增加,而水域面積和林地面積相對(duì)減少;研究區(qū)景觀的破碎化程度降低,景觀多樣性水平下降,景觀異質(zhì)性減少;引起變化的主要原因?yàn)槌鞘谢目焖侔l(fā)展關(guān)鍵詞:景觀空間格局;景觀指數(shù);土地利用;武漢市Land Use and Landscape Pattern Change in Wuhan CityAbstract: The

2、change of land use and landscape pattern from 1991 to 2007 in Wuhan city was discussed based on Landsat5-TM data in 1991, 2002, and 2007 with the support of GIS. Results showed that the landscape pattern in Wuhan city had been changed a lot during the last 16 years. The area of agricultural land and

3、 building land increased constantly, while those of water and forest land reduced. The landscape pattern could be characterized by gradually decreasing of landscape fragmentation degree, landscape diversity and landscape heterogeneity. The main reasons which led to the change in landscape pattern we

4、re the development of urbanization.Key words: landscape pattern; landscape index; land use; Wuhan city景觀空間格局主要是指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的排列,它是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn),同時(shí)又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果對(duì)景觀格局研究的目的是在似乎由無序的斑塊鑲嵌而成的景觀上,發(fā)現(xiàn)其潛在的有意義的規(guī)律性1景觀動(dòng)態(tài)指景觀在結(jié)構(gòu)單元和功能方面隨時(shí)間的變化,包括景觀結(jié)構(gòu)單元的組成成分多樣性形狀和空間格局的變化,以及由此導(dǎo)致的能量物質(zhì)和生物在分布與運(yùn)動(dòng)方面的差異;它反映了多種自然的人為的生物

5、的和非生物因素及其作用的綜合影響2景觀格局及景觀格局動(dòng)態(tài)變化的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)和重要領(lǐng)域20世紀(jì)70年代,數(shù)量化研究開始受到人們的重視近年來出現(xiàn)了許多數(shù)量化方法,為景觀生態(tài)學(xué)研究注入了新的活力1,3,4本研究綜合運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)原理和數(shù)量分析方法,開展土地利用格局的量化研究,試圖發(fā)現(xiàn)空間格局產(chǎn)生的原因與機(jī)制,了解人類活動(dòng)與景觀結(jié)構(gòu)功能之間的相互關(guān)系并為景觀的合理管理提供有價(jià)值的資料1研究區(qū)概況與研究方法1.1研究區(qū)概況武漢市位于中國(guó)腹地,湖北省東部,長(zhǎng)江和漢水的交匯處,地理位置為東經(jīng)1134111505,北緯29583122地貌屬鄂東南丘陵經(jīng)江漢平原向大別山南麓低山丘陵過渡地帶,中

6、間低平,南北丘陵崗壟環(huán)抱,北部低山林立地形屬于殘丘性河湖沖積平原,地勢(shì)平坦低洼,湖泊星羅棋布,河道縱橫交錯(cuò)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候,常年雨量充沛,雨熱同季,降水多集中在68月土壤類型繁多,其中水稻土的面積最大武漢市轄江漢江岸硚口漢陽武昌青山洪山蔡甸江夏黃陂新洲東西湖漢南等13個(gè)行政區(qū)本次研究選取城市化較快的外環(huán)線以內(nèi)的區(qū)域,包括2 274 km2左右的國(guó)土面積1.2研究方法1.2.1景觀類型劃分與解譯限于TM影像的分辨率和數(shù)據(jù)的可獲得性,結(jié)合武漢市實(shí)際情況,將土地利用/覆蓋分為農(nóng)業(yè)用地(水田旱地)林地水域(河流湖泊庫(kù)塘溝渠)人工建筑用地(城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民點(diǎn)工礦交通用地)和其他土地(空閑地沙地裸地

7、)5個(gè)一級(jí)類型,并結(jié)合其他輔助資料建立解譯標(biāo)志1.2.2數(shù)據(jù)源及技術(shù)路線遙感數(shù)據(jù)選用質(zhì)量較好,無云,季相一致且完全覆蓋研究區(qū)的3期Landsat5-TM數(shù)據(jù)(1991-07-192002-07-092007-07-31),數(shù)據(jù)具有可比性在Erdas9.2中對(duì)3期影像進(jìn)行預(yù)處理,配準(zhǔn)精度控制在一個(gè)像元以內(nèi)本研究通過ENVI4.4對(duì)遙感圖像進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯先對(duì)影像進(jìn)行非監(jiān)督分類和監(jiān)督分類,結(jié)合Google Earth軟件植被圖等輔助資料,人工目視解譯,修改分類結(jié)果,提高解譯精度經(jīng)過精度評(píng)價(jià)3期分類圖的總體分類精度都超過80%,滿足本研究的精度要求最后,在ArcGIS9.3和景觀格局分析軟件F

8、ragstats3.3支持下,通過格式轉(zhuǎn)換空間分析等處理,進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和景觀格局指數(shù)計(jì)算此外,考慮到尺度效應(yīng)對(duì)景觀格局指數(shù)的影響,本研究粒度均設(shè)為30 m30 m,空間幅度統(tǒng)一在研究區(qū)范圍內(nèi)1.2.3景觀格局指數(shù)的計(jì)算Fragstats3.3景觀計(jì)算軟件,可以相應(yīng)計(jì)算景觀3個(gè)級(jí)別上(斑塊類型景觀)的50多個(gè)指標(biāo)因?yàn)榫Y(斑)塊指數(shù)往往作為計(jì)算其他景觀指數(shù)的基礎(chǔ),而本身對(duì)了解整個(gè)景觀的結(jié)構(gòu)并不具有很大的解釋價(jià)值2,所以筆者從類型和景觀兩方面研究16年來武漢地區(qū)景觀格局變化過程,并結(jié)合前人的研究成果5-8,最終選用景觀面積斑塊密度邊緣密度面積百分比平均形狀指數(shù)平均分維數(shù)斑塊多度香農(nóng)多樣性指數(shù)香農(nóng)

9、均勻度指數(shù)聚合度等指數(shù)進(jìn)行分析本研究不對(duì)每個(gè)指數(shù)的具體含義進(jìn)行說明,具體描述見參考文獻(xiàn)2,52結(jié)果與分析2.1類型水平分析對(duì)武漢市1991年2002年和2007年的TM影像解譯結(jié)果分析并繪制圖表,其中表1是本研究計(jì)算和分析的基礎(chǔ),圖12反映了土地利用類型的景觀格局指數(shù)隨時(shí)間的變化情況2.1.1斑塊數(shù)量與面積分析由表1可知,隨著城市化的發(fā)展人口的增加及工農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整,研究區(qū)內(nèi)不同用地類型的斑塊面積和數(shù)量均發(fā)生了顯著的變化,其中以水域景觀的變化最為顯著在19912007年間,水域面積共減小了29 598.57 hm2,水域所占研究區(qū)面積的比重也下降了13.02個(gè)百分點(diǎn),這主要是由于圍湖造田填

10、湖建房以及以湖泊為主體開挖魚塘等人類開發(fā)利用活動(dòng)的加劇引起的與此同時(shí),水域斑塊密度呈現(xiàn)小幅上漲趨勢(shì),說明水域景觀已經(jīng)逐漸破碎化農(nóng)業(yè)用地面積和所占比重最大并且不斷增加,2007年分別達(dá)到110 331.9 hm2和48.52%,說明研究區(qū)可看作以農(nóng)業(yè)用地為基底的城市生態(tài)景觀;而農(nóng)業(yè)用地斑塊數(shù)量減少了789個(gè),使得斑塊平均面積增加;斑塊密度和邊緣密度均出現(xiàn)下降趨勢(shì),說明斑塊之間的孔隙度下降,農(nóng)田分布相對(duì)集中人工建筑用地由1991年的35 825.58 hm2增加到2007年的52 786.53 hm2,增長(zhǎng)47.34%,這是由于期間人口的快速增長(zhǎng),對(duì)建設(shè)用地的需求加大;據(jù)資料顯示9,2007年武漢

11、市戶籍人口為828.21萬人,是第四次全國(guó)人口普查時(shí)武漢人口數(shù)的1.2倍;2002年,建筑用地斑塊密度和邊緣密度分別為3.959 4個(gè)/km2和36.1200 m/hm2,2007年時(shí)相應(yīng)減少到2.615 1個(gè)/km2和31.4256 m/hm2,這可能是由于城市規(guī)模擴(kuò)大,區(qū)域連塊成片,使得斑塊之間的連通性加強(qiáng)林地面積所占研究區(qū)比重不大,只占2.39%(2007年),原因是武漢市地處平原湖區(qū),林地資源本來就不豐富7;其他土地類型僅占總面積比重的1.19%(2007年),屬非優(yōu)勢(shì)景觀類型2.1.2分維度分析由表1圖1和圖2可知,在16年的時(shí)間里,水域的指數(shù)值呈現(xiàn)不同程度地增加,說明其斑塊形狀愈加

12、不規(guī)則,邊緣復(fù)雜程度更高,也從一定程度上反映了水域景觀逐漸破碎化的事實(shí);而農(nóng)業(yè)用地林地人工建設(shè)用地的指數(shù)值均減少,表明這些斑塊形狀趨于規(guī)則,邊緣復(fù)雜程度降低2.2景觀水平分析由表2可知,研究區(qū)斑塊密度香農(nóng)多樣性指數(shù)斑塊多度聚合度香農(nóng)均勻度指數(shù)均發(fā)生了變化,其中香農(nóng)多樣性指數(shù)從1991年的1.205 2減少到2007年的1.177 2,鑒于各年斑塊多度均為5,因此各土地類型在面積分布上均勻程度的降低是其指數(shù)變化的原因,均勻度指數(shù)逐年降低充分說明了這一點(diǎn)聚合度與斑塊密度反映了相反的趨勢(shì),即聚合度越高,斑塊密度越小;本研究中聚合度出現(xiàn)先減后增的情況,這可能是受城市化水平的影響據(jù)相關(guān)資料顯示9,10,

13、19852002年,武漢城市化增長(zhǎng)緩慢,2002年底,其城市化率為59.8%;“十五”期間武漢市形成了城鄉(xiāng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的主城-衛(wèi)星城-小城鎮(zhèn)為軸線的多層次網(wǎng)絡(luò)狀城鎮(zhèn)體系;到2007年底,城市化率達(dá)68.0%城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,道路交通體系的逐漸完善,加強(qiáng)了斑塊之間的連通性,同時(shí),本研究?jī)H對(duì)景觀類型進(jìn)行了一級(jí)分類,最終致使景觀聚合度增加3討論不同的景觀指數(shù)之間具有相關(guān)性,如本研究中的反映相同趨勢(shì)的平均形狀指數(shù)和平均分維數(shù),反映相反趨勢(shì)的聚合度與斑塊密度;正如鄔建國(guó)2的研究表明,同時(shí)采用多種指數(shù)往往并不增加“新”信息就研究區(qū)整個(gè)景觀而言,景觀的破碎化程度降低,多樣性水平下降,異質(zhì)性減少由于干擾程度(城

14、市化水平)的不同導(dǎo)致景觀格局出現(xiàn)不同的變化結(jié)果,如聚合度和斑塊密度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),表明人類活動(dòng)一方面能夠使景觀規(guī)則化,邊緣復(fù)雜性降低;另一方面,也可使景觀破碎化,邊緣復(fù)雜性升高參考文獻(xiàn):1張金屯,邱揚(yáng),鄭鳳英.景觀格局的數(shù)量研究方法J.山地學(xué)報(bào),2000,18(4):346-352.2鄔建國(guó).景觀生態(tài)學(xué)格局過程尺度與等級(jí)M.北京:高等教育出版社,2000.11-18,96-120.3邱揚(yáng),張金屯,鄭鳳英.景觀生態(tài)學(xué)的核心:生態(tài)學(xué)系統(tǒng)的時(shí)空異質(zhì)性J.生態(tài)學(xué)雜志,2000,19(2):42-49.4劉頌,李倩,郭菲菲.景觀格局定量分析方法及其應(yīng)用進(jìn)展J.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,40(12):114-119.5李團(tuán)勝,肖篤寧.沈陽市城市景觀結(jié)構(gòu)分析J.地理科學(xué),2002,22(6):717-723.6寧龍梅,王學(xué)雷,吳后建.武漢市濕地景觀格局