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论文技巧案例-广西漓江流域城镇聚落景观格局演化时空分析

2021-05-13 13:10:33

  基于1990、2006及2015年3期Landsat TM/OLI遥感影像数据,借助GIS技术,以漓江流域为研究对象,重点分析漓江流域城镇聚落景观格局时空演化特征。结果表明,1990-2015年间漓江流域主要表现为林地、建设用地和水体面积不断增加,耕地和裸地占地面积日益减少;同时,各重点区域的建设用地在这25年间都呈现翻倍式显著增加,其中增加率最高的为阳朔县,但建设用地仍以集中分布在桂林市中心城区为主。2007-2015年间漓江流域整体景观格局动态变化度较高,土地利用类型转化频繁。从景观水平上看,1990-2015年景观破碎度降低,斑块趋向于规则化,分布逐渐均匀,聚集程度和斑块连续程度有所提高,各景观类型之间一直具有较大的空间自然连通性。从类型水平看,林地和耕地破碎度先上升后降低,聚集程度增加;建设用地破碎化加剧,但聚集度增高;水体破碎度虽显微增加,但仍以集中分布为主;裸地由分散趋向于集中分布。受退耕还林、林果种植以及城镇扩张和旅游开发等因素的驱动,各景观类型主要向林地和建设用地转移。

  当前,中国城镇化呈现快速推进趋势,同时也伴随着产生了土地过度扩张及城镇发展失调的问题。土地利用是全球气候变化、环境变化和经济发展的核心研究内容[1],是研究人类和生态环境可持续发展的热点。

  漓江是桂林的黄金水道,流域内城镇聚落景观格局的演化对桂林的社会经济发展的分析和展望起着重要作用[2]。景观格局是指景观组分的空间结构和特征,城镇聚落动态变化主要受自然和人为等多重因素的影响,一直以来是景观生态学研究的核心问题[3-4]。目前主要以某一区域静态的空间异质性分析和一定时段内动态的时间异质性分析来集中研究景观格局的变化[5-8]。定量分析区域景观格局演变特征,有助于明确景观格局与生态过程相互作用的内在规律和驱动因子[9],预测景观的演化方向,为景观生态评价、景观格局优化以及土地利用管理等提供依据[10]。本研究借助ENVI 5.3软件、GIS技术和Fragstats4.2景观分析工具,以1990-2015年3个时相的遥感影像为基础信息源,从景观和类型水平上选取景观格局指数,分析景观格局演化时空变化特征,为漓江流域社会经济的可持续发展、城镇景观格局优化以及生态环境保护提供科学依据。

  1.2研究意义

  本研究对于科学认识漓江流域城镇聚落用地及其演化特征,对桂林政府指导规划土地利用政策与调整和优化漓江流域发展结构具有重要的理论与实践意义。

  1.2.1理论意义

  有关城镇用地范围识别和空间形态特征演变的研究,在研究范围上多集中于全国的宏观研究和城市、小城镇等微观研究,以区域尺度的中观研究相对较少。本文以广西东北部漓江流域作为研究区域,以遥感影像图为基础识别城镇用地范围,对漓江流域城镇聚落景观格局演化进行了系统研究。在分析城镇聚落各种土地利用类型变化规律时,利用景观格局指数,从空间上对漓江流域城镇聚落的时空演变进行分析,研究漓江流域城镇聚落用地的区域差异。从宏观角度揭示漓江流域城镇土地利用演化的过程,这对完善和丰富典型区域城镇化与土地利用规划理论有着重要意义。

  1.2.2实践意义

  漓江流域作为桂林市旅游经济发展重要区域,城镇建设用地的不断扩张是不可避免的,快速的城镇化扩张过程势必对流域的生态环境带来影响。因此,以县(区)为单元研究漓江流域城镇聚落演化的空间特征及内部分异规律,分析广西漓江流域城镇聚落景观格局演化时空格局,可以更加清晰的掌握桂林内部各个区县城镇化发展存在的差异,对于推进流域城镇化建设质量、实现城乡协调发展以及实施生态文明建设具有重要实践意义。

  2研究区概况

  2.1地理区位

  漓江流域位于广西东北部桂林市境内、南岭山系西南端,包括重点区域:桂林市中心城区(象山、七星、叠彩、秀峰、雁山)以及临桂县(区)、阳朔县、兴安县、灵川县等,地理坐标为109°45′-110°40′E,24°18′-25°41′N,流域总面积约6354 km2。整体地势呈南北狭长带状分布且北高南低,以漓江为中轴线,北、东、西部较高,为碎屑岩中低山地貌,中南部主要为低山、丘陵、岩溶谷地地貌,是一个完整的地理单元,具有典型的喀斯特地貌特征。

  2.2自然概况

  漓江流域属中亚热带季风气候区,属珠江流域的西江水系,气候温和,年平均气温18.9℃,年降雨量均远远超过1000 mm,且降雨空间分布特征为由北向南递减。流域内植被覆盖度高,类型相当丰富,典型植被以亚热带常绿阔叶林为主。

  2.3社会经济概况

  漓江流域自古就以山水著名,以发展旅游业经济为主。对桂林市2007-2015年城市发展状况数据表进行整理,如表1所示。近年来桂林市常住居民的人口数以超过0.5%的年均增长速率持续上涨,经济发展呈快速上升趋势,整体经济发展正在产业转型升级的道路上,其中桂林服务业发展正在不断增长。截止2015年,桂林市全年接待游客量人数突破4400万人次,旅游总消费超过500亿元,旅游业旺盛的发展带动漓江流域住宿、交通、娱乐等消费市场持续活跃,对漓江流域的城镇聚落格局演化也有促进作用。

  表1桂林市2007-2015年社会经济发展概况

  年份人均地区生产总值(元/人)城镇居民可支配收入(元)常住人口(万人)旅游总消费(亿元)规模以上工业综合能源消费量(万吨标准煤)年末实有道路长度(公里)

  2007 14424 12908 477.44 85.51 265.18 422

  2008 16814 14636 488.00 100.26 262.05 422

  2009 18594 16221 491.47 126.92 288.28 432

  2010 24146 17949 474.8 168.30 321.90 441

  2011 25512 19882 478.82 218.34 340.24 462

  2012 28452 22300 483.94 276.87 366.84 469

  2013 32082 24552 488.05 348.48 380.67 469

  2014 34844 26189 491.91 432.07 350.84 530

  2015 36818 28101 496.16 517.33 328.85 658

  3数据来源与研究方法

  3.1数据获取与处理

  本文主要数据源为1990年、2006年及2015年3期Landsat TM/OLI遥感影像数据(源自地理空间数据云数据),其中TM数据空间分辨率为30米,OLI数据空间分辨率为15米,通过利用影像数据提取流域土地利用数据;辅助数据包括漓江流域数字高程(DEM),分辨率为30 m,漓江流域相关矢量文件,行政区划及其它国家基础地理数据等。参考我国国土资源部颁布的《土地利用现状分类》标准,结合漓江流域土地利用的实际情况及研究需要,本文将土地利用类型分为耕地、林地、建设用地、水体和裸地等5种类型,并针对上述5种土地利用类型对生态环境的影响进行分析。

  3.2研究方法

  利用ENVI 5.3软件对1990、2006和2015年3期的Landsat TM/OLI遥感影像数据经过几何校正、边界裁剪等预处理,经图像目视解译后再采用最大似然监督分类法得到土地利用信息,通过与同期参考图像数据对比分析,研究区三期影像的总体分类精度均超过85%,整体效果较好。在景观格局分析中,主要利用Fragstats4.2景观分析工具对研究区斑块层面和景观层面逐一分析。其中斑块层面选取的指数有7个,景观层面选取的指数有5个(表2)。

  表2景观格局指数类型

  序号分析层面景观格局指数

  1斑块层面斑块数量(NP)

  最大斑块占比指数(LPI)

  边缘密度(ED)

  蔓延度指数(CONTAG)

  平均斑块面积(AREA_MN)

  分维度指数(PAFRAC)

  聚合度指数(AI)

  2景观层面斑块密度(PD)

  散布与并列指数(IJI)

  斑块结合度指数(COHESION)

  香农多样性指数(SHDI)

  香农均匀度指数(SHEI)

  3.2.1斑块类型水平指数

  (1)斑块数量(NP):是景观格局动态分析定量研究的基本指标之一,能够反映漓江流域景观类型的空间数量特征。

  (2)最大斑块占比指数(LPI):反映流域内面积最大的景观所占的比例,判定漓江流域的主要景观类型。

  (3)蔓延度(CONTAG):定量计算漓江流域不同斑块类型的邻接程度或延展趋势,与边缘密度呈负相关。

  (4)边缘密度(ED):表示单位面积内不同景观要素斑块间的边缘长度,可以灵敏地反映漓江流域景观的异质性和复杂程度。

  (5)平均斑块面积(AREA_MN):当斑块总面积一定时,平均斑块面积与斑块数呈负相关,平均斑块面积越小,斑块数越多,判定漓江流域景观类型的破碎程度。

  (6)分维度指数(PAFRAC):取值在1.0-2.0之间,其值越大,斑块形状越复杂受人为干扰程度就越小。

  (7)聚集度指数(AI):探究漓江流域不同斑块类型的分布规律或聚集程度。值越大,表示景观的组成斑块越大,斑块个数越少。

  3.2.2景观类型水平指数

  (1)斑块密度(PD):量化漓江流域景观类型的破碎度。

  (2)散布与并列指数(IJI):IJI对那些受到某种自然条件严重制约的生态系统的分布特征反映显著。IJI值一般较高,景观类型彼此间越邻近。

  (3)斑块结合度指数(COHESION):定量描述漓江流域景观的连通性。

  (4)景观多样性指数(SHDI):在一定程度上反映了景观类型的丰富与复杂程度,可反映漓江流域景观格局在结构、功能以及随时间变化方面的多样性。

  (5)景观均匀度指数(SHEI):通过计算景观均匀度指数反映漓江流域不同时期的景观分布的均匀程度。

  4结果与分析

  4.1漓江流域土地利用时间变化特征

  通过分析1990-2015年漓江流域土地利用类型数据,计算出各种土地利用类型面积分别占流域总面积比例多少,可知1990-2015年间(图1)漓江流域土地利用类型主要以林地和耕地为主,其中林地面积占比由1990年的61.65%增加至2006年的67%又减少至2015年的64.91%,但依旧是占比最多的土地利用类型且占比都超过60%;耕地面积占比逐渐由1990年的32.44%下降至2015年的24.88%,但总体仍不低于20%;建设用地、水体和裸地利用面积占比很小,面积之和所占比例仅为不足10%。

  由表3可看出,1990-2015年漓江流域各土地利用类型的面积整体变幅相对来说并不大,表现为耕地、裸地面积减小,林地、建设用地和水体占用面积增加,但各种土地利用类型面积的变化时间集中段却有所不同。其中林地与耕地变化幅度集中在1990-2006年,林地面积由1990年的3917.37 km2增加为2006年的4257.01 km2,占比增加5.35%,植被的覆盖程度增加到很高;同期,耕地面积则由1990年的2060.99 km2下降至2006年的1699.08 km2,占比下降5.7%。建设用地面积增加趋势集中在2007-2015年,空间集中分布在桂林市中心城区。

  图1漓江流域1990-2015年土地利用面积变化图

  表3漓江流域1990-2015年不同土地利用类型面积及占比

  土地利用类型1990年2006年2015年

  面积(km2)占比(%)面积(km2)占比(%)面积(km2)占比(%)

  林地3917.37 61.65 4257.01 67.00 4123.94 64.91

  耕地2060.99 32.44 1699.08 26.74 1580.96 24.88

  建设用地172.17 2.71 246.73 3.88 463.46 7.29

  水体65.69 1.03 87.62 1.38 104.06 1.64

  裸地137.63 2.17 63.35 1.00 81.39 1.28

  在1990-2015年间(见表4),单个土地利用类型变化速度较大的是耕地、建设用地和林地,其平均年动态度依次为0.3%、0.18%和0.13%。水体和裸地占地变化幅度较小,最终呈现水体占地增加,裸地占地减少的局面。从1990-2006年和2007-2015年的综合土地利用动态变化来看,2007-2015年人类活动对漓江流域土地利用方式的干扰程度最大,但整体表明漓江流域人类活动对土地利用干扰程度不明显。2000年以后退耕还林、封山育林、等措施的实施,使得林地和耕地占地在2000年之后都有了较为显著的变化,但林地在增加至2006年前后由于社会经济的发展影响缓慢减少,不过林地总体呈现占地比例上升趋势,而耕地占地则受政策影响先较显著减少后趋于平缓减少。

  表4漓江流域1990-2015年土地利用动态变化(%)

  土地利用类型1990-2006年2007-2015年1990-2015年

  林地+0.33-0.23+0.13

  耕地-0.36-0.21-0.30

  建设用地+0.07+0.38+0.18

  水体+0.02+0.03+0.02

  裸地-0.07+0.03-0.04

  4.2漓江流域土地利用空间变化特征

  从表5分析可知,在1990-2015年,漓江流域中各重点区域内土地利用类型转移变化较一致,主要表现为林地和建设用地增加,耕地占地减少。水体占地在兴安县、灵川县、临桂县(区)和阳朔县都发生明显增加,而桂林中心城区的水体占地变化不大。其中只有临桂县(区)和桂林中心城区内的裸地占地在1990-2006年和2007-2015年这两个时间段都呈现下降趋势。

  各重点区域的建设用地在25年间都呈现翻倍式显著增加,其中临桂县(区)由1990年的32.96 km2增长至2015年的124.03 km2,增长比例为3.8倍;桂林市中心城区由1990年的71.34 km2增长至2015年的159.45 km2,增长比例为2.2倍;兴安县由1990年的12.55 km2增长至2015年的28.54 km2,增长比例为2.3倍;灵川县由1990年的45.25 km2增长至2015年的94.87 km2,增长比例为2.1倍;阳朔县由1990年的9.18 km2增长至2015年的47.87 km2,增长比例为5.2倍。

  表5 1990-2015年漓江流域重点区域土地利用类型面积(km2)

  重点区域年份林地耕地建设用地水体裸地

  兴安县1990 1047.87 157.63 12.55 1.07 16.14

  2006 1077.57 137.07 11.56 5.48 3.43

  2015 1074.69 108.34 28.54 4.56 19.01

  灵川县1990 1463.66 541.99 45.25 26.59 36.43

  2006 1655.59 364.26 46.33 37.87 9.94

  2015 1606.17 350.00 94.87 40.68 21.85

  临桂县(区)1990 286.14 485.60 32.96 11.93 26.18

  2006 289.73 459.70 56.76 13.30 23.30

  2015 307.08 378.95 124.03 17.18 15.56

  阳朔县1990 836.12 469.31 9.18 7.42 34.61

  2006 925.54 387.55 22.15 13.73 7.69

  2015 843.23 431.48 47.87 22.42 12.28

  桂林中心城区1990 151.44 303.12 71.34 17.68 18.36

  2006 173.54 250.66 106.69 15.86 15.14

  2015 159.10 216.68 159.45 16.93 9.78

  1990-2006年间,土地利用类型转移区集聚密度较大的在阳朔县和灵川县境内(见图2、图3),主要是林地与耕地之间的转化;2007-2015年间,土地利用类型转移区集聚密度较大的在桂林市区和临桂县(区)境内(见图3、图4),主要是建设用地与耕地之间的转化。2000年之后实行的退耕还林还草、植被恢复工程,是导致人类活动对土地利用负面影响减少主要原因之一[11]。

  1990-2015年间的土地利用类型转移有较大的变化的主要在灵川县、临桂县(区)和桂林中心城区。灵川县境内土地利用类型主要为耕地同林地之间的转化;临桂县(区)和桂林中心城区境内土地利用类型主要为耕地同建设用地之间的转化,转移区呈斑块离散状分布,且该流域内耕地的空间分布情况一直呈条带状分布。此期间,人口增长加速,人类与土地矛盾进一步激化,在一定程度上影响着土地利用[12]。

  图2 1990年漓江流域土地利用分布图图3 2006年漓江流域土地利用分布图

  图4 2015年漓江流域土地利用分布图

  4.3漓江流域景观格局变化特征

  利用Fragstats4.2计算1990-2015年间漓江流域景观格局指数(表6)。

  表6 1990-2015年漓江流域景观格局指数

  年份NP

  (个)LPI

  (%)ED

  (m/ha)PD

  (个/ha)CONTAG(%)SHDI SHEI AREA_MN(ha)COHESION

  1990 107863 32.70 47.43 10.70 59.55 1.20 0.67 9.35 99.86

  2006 93414 28.94 42.79 9.26 59.54 1.22 0.68 10.80 99.85

  2015 58946 16.22 34.79 5.84 59.37 1.25 0.70 17.12 99.75

  由表6可知,25年间景观格局指数变化有明显特点。在1990-2015年间,斑块数目(NP)由1990年的107863个减少至2015年的58946个;边缘密度(ED)由1990年的47.43 m/ha减少至2015年的34.79 m/ha,逐年减少约0.51 m/ha;平均斑块面积(AREA_MN)由1990年的9.35 ha增加至2015年的17.12 ha;斑块密度(PD)由1990年的10.70个/ha减少至2015年的5.84个/ha;都表明漓江流域在这25年之间土地利用空间分布的破碎化程度在逐年降低。

  最大斑块占比(LPI)在1990-2006年间减少了3.76%,而在2007-2015年间减少了12.72%,可见2007-2015年间人类活动对漓江流域景观格局的影响比1990-2006年间更为显著。

  蔓延度指数(CONTAG)均超过59%且呈现显微下降趋势,可知该流域景观中虽存在许多小拼块,但破碎化程度在降低且各种土地利用类型之间在慢慢形成良好的连接。

  香农多样性指数(SHDI)在逐渐增加,香农均匀度指数(SHEI)逐渐趋于1,表明漓江流域中各种斑块类型在景观中的异质性在减小且分布均匀程度在增加。

  斑块结合度指数(COHESION)虽存在小幅变化波动,但均高于99.5,即趋近于100,表明漓江流域内斑块类型分布集中,各景观类型具有较大的空间自然连通性。

  4.4漓江流域景观类型格局变化特征

  1990-2015年间漓江流域各土地利用类型的分维度指数(PAFRAC)虽有波动但整体下降,且其值更接近1,所以受人为干扰程度上升。由表7可知,漓江流域最主要的景观类型是林地,边缘密度(ED)是先增加后减少,表明林地景观在1990-2006年这16年间的破碎化程度不断增加,但25年间聚集程度和斑块连续程度总体有所提高,自然特征不断增强,有助于保护森林生物多样性。最大斑块占比(LPI)持续下降,1990-2006年间下降3.76%,2007-2015年间下降12.72%,说明虽然漓江流域2000年后实施了退耕还林还草等植被恢复工程,林地面积总体呈现增长趋势,但破碎化较为明显,导致林地大斑块面积缩减幅度有所增加。

  耕地作为第二大景观类型,边缘密度(ED)同样是先增加后减少,1990-2015年间受人类活动影响,大斑块面积减少,聚集程度虽有所下降,但仍呈较高的聚集状态,反映出农业生产活动仍维持一定的空间连续性。流域内桂林市中心城区及周边乡镇的快速发展和人口扩张对土地利用空间结构演变有很大促进作用。

  建设用地的最大斑块占比(LPI)和边缘密度(ED)持续增加,且在2007-2015年间增速明显加快,表明该景观类型在整体景观格局中占比越来越大。聚合度指数(AI)由1990年的67.28%逐渐增加至2015年的79.20%,斑块结合度指数(COHESION)则是不断增加至更趋近于100,表明漓江流域内建设用地聚集度增高。

  表7 1990-2015年各土地利用类型的景观格局指数

  土地利用类型年份LPI(%)ED(m/ha)AREA_MN(ha)PAFRAC COHESION IJI

  (%)AI

  (%)

  林地1990 32.70 28.05 18.08 1.44 99.91 19.50 94.90

  2006 28.94 36.48 11.95 1.50 99.91 26.49 93.56

  2015 16.22 18.06 49.55 1.32 99.84 25.16 96.73

  耕地1990 13.03 39.65 6.68 1.47 99.87 59.19 86.23

  2006 9.86 42.47 4.08 1.52 99.81 42.54 81.16

  2015 7.26 30.84 10.03 1.45 99.78 65.72 85.30

  建设

  用地1990 0.43 7.88 0.90 1.44 96.36 49.79 67.28

  2006 0.91 9.44 1.42 1.45 98.17 54.25 71.19

  2015 2.07 12.81 2.58 1.39 99.17 39.76 79.20

  水体1990 0.17 2.41 1.33 1.44 93.77 67.07 73.90

  2006 0.21 2.80 1.62 1.41 95.05 53.31 76.09

  2015 0.25 2.92 2.04 1.38 96.71 70.01 78.99

  裸地1990 0.04 6.93 0.82 1.41 86.45 17.68 63.98

  2006 0.01 3.00 0.81 1.38 85.28 41.62 64.42

  2015 0.01 4.28 0.69 1.35 84.12 47.66 62.43

  整体来看,水体的边缘密度(ED)由1990年的2.41 m/ha逐年增加至2015年的2.92 m/ha,虽呈现破碎度增加趋势,但变化显微,且水体聚集程度一直较高,虽有波动但变化程度不大,所以水体还是以集中分布为主;裸地聚合度变化不显著,表明裸地趋向于集中分布特征。