基于多尺度的廣州地區(qū)土地利用格局變化分析

基于多尺度的廣州地區(qū)土地利用格局變化分析

0城市土地利用景觀現(xiàn)狀及成因土地利用結(jié)構(gòu)具有典型的空間異質(zhì)性，反映了不同土地利用類型的空間變化，反映了土地利用過程的結(jié)果。土地利用格局受自然環(huán)境的限制與人類活動(dòng)的干預(yù)而發(fā)生變化,開展土地利用格局變化與預(yù)測(cè)研究,了解其成因與機(jī)制,是理解人類社會(huì)與自然環(huán)境相互關(guān)系的重要途徑。城市化在土地利用景觀上的表現(xiàn)主要是大量農(nóng)用地或未利用地轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地的過程。經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的快速城市化地區(qū),由于人類活動(dòng)強(qiáng)烈,土地利用景觀變化迅速,已成為土地利用變化研究的重點(diǎn)區(qū)域,廣州地區(qū)位于廣東省東南部,地處珠江三角洲北緣,該地區(qū)城市化水平較高,土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜,土地利用格局變化迅速,其自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)特性在我國東南沿海具有代表性,目前關(guān)于該區(qū)土地利用景觀格局的定量研究少見報(bào)道。因此,選擇廣州地區(qū)為試驗(yàn)區(qū),研究土地利用景觀的時(shí)空格局,對(duì)于揭示其土地利用變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1學(xué)習(xí)方法1.1遙感影像的目視接受土地利用數(shù)據(jù)的原始信息源為廣州地區(qū)1990年與2000年的LandsatTM遙感影像,空間分辨率30m×30m,經(jīng)過了輻射糾正、幾何糾正及RGB假彩色合成,參照1∶10萬地形圖數(shù)據(jù),以土地利用方式和覆蓋特征為主要分類依據(jù),在Idrisi軟件的支持下對(duì)遙感影像進(jìn)行目視判讀解譯,得到1990年和2000年土地利用矢量數(shù)據(jù)。根據(jù)研究目的,將研究區(qū)土地利用類型分為:建設(shè)用地、耕地、林地、園地、水域和未利用地6類。1.2ca-marov模型1狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣t在土地利用格局研究中,土地利用類型對(duì)應(yīng)Markov過程中的“可能狀態(tài)”,而土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,可用如下公式對(duì)土地利用狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)S(t+1)=Pij×S(t)(1)式中S(t),S(t+1)——分別為t,t+1時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài);Pij——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,可以用下式表示Pij=???P11?Pn1??P1n?Pnn???(2)Ρij=[Ρ11?Ρ1n??Ρn1?Ρnn](2)式中Pij——土地類型i轉(zhuǎn)化為類型j的轉(zhuǎn)移概率(0≤Pij≤1且∑1nPij=1,(i,j=1,2,?n))∑1nΡij=1,(i,j=1,2,?n))。Markov模型在土地利用變化建模中有廣泛應(yīng)用,但傳統(tǒng)Markov模型中沒有空間因子,難以預(yù)測(cè)土地利用的空間格局變化。2局部轉(zhuǎn)化規(guī)則CA模型的特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散,每個(gè)變量都只有有限多個(gè)狀態(tài),而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上均表現(xiàn)為局部特征。CA模型可用下式表示S(t+1)=f(S(t),N)(3)式中S——表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合;t,t+1——不同時(shí)刻;N——表示元胞的鄰域;f——局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。元胞自動(dòng)機(jī)模型具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力,可以有效地模擬系統(tǒng)的空間變化,近年來,CA模型在土地利用變化的模擬研究中取得了許多有意義的研究成果,但CA模型主要著眼于元胞的局部間相互作用,存在明顯的局限性:首先,基于鄰居概念的局部空間關(guān)系描述的限制——純幾何特性來定義鄰居難以真實(shí)地反映局部的空間相互作用和空間關(guān)系,其次,局部演化規(guī)則難以反映全局性因素的影響。3土地類型的轉(zhuǎn)移模擬CA-Markov模型綜合了CA模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力和Markov模型長期預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。在土地利用柵格圖中,每一個(gè)像元就是一個(gè)元胞,每個(gè)元胞的土地利用類型為元胞的狀態(tài)。模型在GIS軟件的支持下,利用轉(zhuǎn)換面積矩陣和條件概率圖像進(jìn)行運(yùn)算,從而確定元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)移,模擬土地利用格局的變化。具體實(shí)現(xiàn)過程如下:首先,將研究區(qū)土地利用矢量圖轉(zhuǎn)換為柵格格式,通過GIS疊置分析,得到土地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣、轉(zhuǎn)移面積矩陣和一系列條件概率圖像(這些圖像代表每個(gè)像元在下一時(shí)刻被某土地類型覆蓋的概率)。其次,構(gòu)造CA濾波器:根據(jù)鄰居離元胞距離的遠(yuǎn)近創(chuàng)建具有顯著空間意義的權(quán)重因子,使其作用于元胞,從而確定元胞的狀態(tài)改變。本文采用5×5的濾波器。即認(rèn)為一個(gè)元胞周圍5×5個(gè)元胞組成的矩形空間對(duì)該元胞狀態(tài)的改變具有顯著影響。最后,確定起始時(shí)刻和CA循環(huán)次數(shù)。以2000年土地利用格局為起始時(shí)刻,CA循環(huán)次數(shù)取10以便模擬2010年土地利用的空間格局。1.3斑塊形狀、景觀多樣性指數(shù)及破壞率選擇以下指數(shù)描述土地利用格局特征:1)斑塊數(shù)目(N)和面積(A)。斑塊的數(shù)目和面積大小,是計(jì)算其它格局指數(shù)的基礎(chǔ),它們既是景觀要素特性的反映,同時(shí)也受局部自然環(huán)境和人為因子的影響,具有重要的生態(tài)意義。2)斑塊形狀指數(shù)(G)。G是計(jì)算某一斑塊形狀與相同面積的正方形(或圓)之間的偏差程度,G值越大,說明斑塊(景觀)周邊越復(fù)雜或形狀越偏長。本文以正方形為參照幾何形狀,計(jì)算斑塊形狀指數(shù),公式如下G=0.25PA√(4)G=0.25ΡA(4)式中0.25——正方形校正常數(shù);A——斑塊面積;P——斑塊周長。3)斑塊分維數(shù)(Fd)。分維數(shù)用來測(cè)定斑塊形狀的復(fù)雜程度。Fd可以用下式求得Fd=2×ln(P/k)ln(A)(5)Fd=2×ln(Ρ/k)ln(A)(5)式中P——斑塊周長;A——斑塊面積;k——常數(shù),對(duì)柵格景觀而言,k=4。4)景觀多樣性指數(shù)(H)。景觀多樣性指數(shù)是基于信息論原理,用來度量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜程度的指數(shù)。本文采用Shannon-Weaver多樣性指數(shù)H=?∑i=1n[(pi)ln(pi)](6)Η=-∑i=1n[(pi)ln(pi)](6)式中pi——第i類地類所占的面積比例;n——地類的數(shù)目。5)景觀破碎度指數(shù)(C)。土地利用過程中,土地利用格局的破碎化狀況是其重要的屬性特征。破碎度可以體現(xiàn)土地利用斑塊的大小,從而揭示人、自然環(huán)境與土地利用格局間的相互作用。其計(jì)算公式為C=∑niA(7)C=∑niA(7)式中∑ni——景觀中土地利用斑塊總數(shù)目;A——景觀的總面積。2結(jié)果分析2.1土地利用類型及其轉(zhuǎn)化利用GIS空間疊置分析功能,將1990年與2000年土地利用矢量圖疊置,統(tǒng)計(jì)得到10a間土地類型變化情況。其中面積增減變化情況如表1所示。從表1可以得出廣州地區(qū)1990~2000年間土地利用結(jié)構(gòu)變化情況:10a間,建設(shè)用地增加了42%;同時(shí)耕地、林地、未利用地相應(yīng)減少,其中耕地減少幅度達(dá)到10.95%,反映耕地資源下降很快;未利用地總面積較小,且減少了11.82%,說明研究區(qū)后備土地資源不足;園地和水域總面積有少量增加。Markov轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以定量說明土地類型之間的轉(zhuǎn)化狀況,而且可以揭示不同類型間的轉(zhuǎn)移速率。運(yùn)用Markov模型得到10a間的土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣,如表2所示。從表2可以看出廣州地區(qū)1990~2000年間土地利用類型相互轉(zhuǎn)化情況:耕地主要轉(zhuǎn)化為園地和建設(shè)用地,其中7.96%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,4.07%轉(zhuǎn)化為園地,而耕地的補(bǔ)充主要來源于園地、林地和未利用地;林地有1.29%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,0.51%轉(zhuǎn)化為園地,0.44%轉(zhuǎn)化為耕地,增加部分來源于園地與未利用地;園地中有5.67%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,1.72%轉(zhuǎn)化為耕地,1.61%轉(zhuǎn)化為林地,因此雖然園地總面積變化不大,但是有增有減,在空間布局上變化明顯;建設(shè)用地的增加主要靠占用耕地、園地、林地和未利用地,轉(zhuǎn)化為其它類型較少;水域變化不大;未利用地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地、耕地。2.2土地利用景觀利用ArcViewGIS及其擴(kuò)展模塊PatchAnalyst2.3對(duì)研究區(qū)景觀格局指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,從1990到2000年,廣州地區(qū)土地利用斑塊數(shù)目增加,破碎度從0.59上升為0.60,反應(yīng)了人類活動(dòng)干擾下,土地利用景觀呈現(xiàn)破碎化。多樣性指數(shù)從1.63增加到1.65,主要原因是優(yōu)勢(shì)景觀林地面積下降,優(yōu)勢(shì)度有所下降,因此多樣性指數(shù)相應(yīng)上升。土地利用斑塊平均面積在1.7km2到1.65km2之間,但是斑塊面積變異系數(shù)很大,說明研究區(qū)內(nèi)既有很大的斑塊也有細(xì)小的斑塊,表現(xiàn)在具體土地利用類型上,區(qū)內(nèi)既有大面積的城鎮(zhèn)建設(shè)用地,又有小而分散的農(nóng)村居民點(diǎn),反應(yīng)了研究區(qū)城鄉(xiāng)交錯(cuò)的土地利用格局。林地分布也有類似情況,既有大面積的林區(qū),也有小片綠化用地。形狀指數(shù)和分維數(shù)反應(yīng)土地利用斑塊形狀的復(fù)雜性,斑塊的幾何形狀越簡單,表明受人類干擾的程度越大。10a間,形狀指數(shù)從1.77下降為1.61,斑塊形狀復(fù)雜程度呈下降趨勢(shì),與此相對(duì)應(yīng),分維數(shù)也從1.08下降到1.06,表明廣州地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)土地利用格局的影響逐步加強(qiáng)。2.3土地利用格局以2000年廣州地區(qū)土地利用格局為起始點(diǎn),用CA-Markov模型對(duì)2010年土地利用格局進(jìn)行預(yù)測(cè),元胞大小為60m×60m,預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。根據(jù)預(yù)測(cè)到2010年,廣州地區(qū)建設(shè)用地、耕地、林地、園地、水域和未利用地面積分別為1188.97、1746.15、2887.86、759.95、505.26和103.69km2。預(yù)測(cè)結(jié)果表明:2000-2010年間,土地利用格局基本保持20世紀(jì)90年代的變化趨勢(shì):建設(shè)用地增加、耕地減少。相對(duì)2000年,建設(shè)用地面積凈增加了215.97km2,增幅為22.20%,反映了21世紀(jì)頭10年廣州城市化速度相對(duì)20世紀(jì)90年代有所放緩,但城市化趨勢(shì)依然強(qiáng)勁。預(yù)測(cè)10a間耕地減少了10.30%,相對(duì)20世紀(jì)90年代,減少速度沒有明顯放慢,表明耕地保護(hù)任務(wù)仍十分艱巨。此外,未利用地持續(xù)減少,減幅為11.21%。林地、園地和水域面積基本保持穩(wěn)定,處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)中。對(duì)預(yù)測(cè)的2010年土地利用模擬格局進(jìn)行格局指數(shù)計(jì)算,結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,與2000年相比,2010年土地利用斑塊數(shù)增加到4581個(gè),斑塊平均面積下降到1.57km2,斑塊面積變異系數(shù)上升到2541.86,破碎度上升到0.64個(gè)/km2。結(jié)果表明:2000~2010年間,人類活動(dòng)對(duì)廣州地區(qū)土地利用格局影響進(jìn)一步加劇,土地利用斑塊數(shù)增加,破碎度指數(shù)繼續(xù)上升,土地利用格局進(jìn)一步破碎化;多樣性指數(shù)為1.64,基本維持在20世紀(jì)90年代水平;形狀指數(shù)下降為1.47,分維數(shù)為1.06,表明土地利用斑塊形狀復(fù)雜程度降低,趨于簡單。3景觀格局動(dòng)態(tài)變化1)20世紀(jì)90年代,廣州地區(qū)土地利用景觀格局以林地和耕地為主,隨著快速城市化進(jìn)程,土地利用格局變化表現(xiàn)為:建設(shè)用地大幅度增加,同時(shí)耕地、林地、未利用地等減少,園地、水域基本保持穩(wěn)定。景觀斑塊數(shù)目上升,斑塊面積變異系數(shù)增大,形狀指數(shù)、分維數(shù)等呈下降趨勢(shì),土地利用斑塊形狀趨于簡單。景觀破碎度增加,表明人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)土地利用格局影響程度不斷加深。2)21世紀(jì)頭10年,廣州地區(qū)建設(shè)用地比例進(jìn)一步上升,耕地和未利用地減少,林地、園地和水域保持穩(wěn)定。景