武汉市土地利用景观格局变化研究

武汉市土地利用景观格局变化研究

作者：李建 刘振乾 方建德

来源：《湖北农业科学》2011年第05期

摘要：在遥感与地理信息系统的支持下，通过解译１９９１年、２００２年、２００７年３期Ｌａｎｄｓａｔ５－ＴＭ影像，分析了武汉地区从１９９１年到２００７年土地利用和景观格局的变化情况。结果表明，１６年间研究区内景观格局发生了很大变化；农业用地面积、人工建筑用地面积在不断增加，而水域面积和林地面积相对减少；研究区景观的破碎化程度降低，景观多样性水平下降，景观异质性减少；引起变化的主要原因为城市化的快速发展。 关键词：景观空间格局；景观指数；土地利用；武汉市

中图分类号：Ｑ１４９；Ｆ３０１．２４文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）05－0931-03

Ｌａｎｄ Ｕｓｅ ａｎｄ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ Ｗｕｈａｎ Ｃｉｔｙ

ＬＩ Ｊｉａｎ１，ＬＩＵ Ｚｈｅｎ－ｑｉａｎ１，ＦＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｄｅ２ （１． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｂｉｏｌｏｇｙ， Ｊｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ Ａｑｕａｔｉｃ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６３２，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ＭＥＰ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ 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 ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｌ

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ａｎｄ 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 ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐａｔｔｅｒｎ； ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｉｎｄｅｘ； ｌａｎｄ ｕｓｅ； Ｗｕｈａｎ city

景观空间格局主要是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列，它是景观异质性的重要表现，同时又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果。对景观格局研究的目的是在似乎由无序的斑块镶嵌而成的景观上，发现其潜在的、有意义的规律性［１］。景观动态指景观在结构单元和功能方面随时间的变化，包括景观结构单元的组成成分、多样性、形状和空间格局的变化，以及由此导致的能量物质和生物在分布与运动方面的差异；它反映了多种自然的、人为的、生物的和非生物因素及其作用的综合影响［２］。景观格局及景观格局动态变化的研究一直是景观生态学研究的热点和重要领域。２０世纪７０年代，数量化研究开始受到人们的重视。近年来出现了许多数量化方法，为景观生态学研究注入了新的活力［１，３，４］。 本研究综合运用景观生态学原理和数量分析方法，开展土地利用格局的量化研究，试图发现空间格局产生的原因与机制，了解人类活动与景观结构、功能之间的相互关系并为景观的合理管理提供有价值的资料。 １研究区概况与研究方法 １．１研究区概况

武汉市位于中国腹地，湖北省东部，长江和汉水的交汇处，地理位置为东经１１３°４１′~１１５°０５′，北纬２９°５８′~３１°２２′。地貌属鄂东南丘陵经江汉平原向大别山南麓低山丘陵过渡地带，中间低平，南北丘陵、岗垄环抱，北部低山林立。地形属于残丘性河湖冲积平原，地势平坦低洼，湖泊星罗棋布，河道纵横交错。气候属亚热带季风湿润气候，常年雨量充沛，雨热同季，降水多集中在６～８月。土壤类型繁多，其中水稻土的面积最大。武汉市辖江汉、江岸、硚口、汉阳、武昌、青山、洪山、蔡甸、江夏、黄陂、新洲、东西湖、汉南等１３个行政区。本次研究选取城市化较快的外环线以内的区域，包括２ ２７４ ｋｍ２左右的国土面积。 １．２研究方法

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１．２．１景观类型划分与解译限于ＴＭ影像的分辨率和数据的可获得性，结合武汉市实际情况，将土地利用／覆盖分为农业用地（水田、旱地）、林地、水域（河流、湖泊、库塘、沟渠）、人工建筑用地（城镇及农村居民点、工矿、交通用地）和其他土地（空闲地、沙地、裸地）５个一级类型，并结合其他辅助资料建立解译标志。

１．２．２数据源及技术路线遥感数据选用质量较好，无云，季相一致且完全覆盖研究区的３期Ｌａｎｄｓａｔ５－ＴＭ数据（１９９１－０７－１９、２００２－０７－０９、２００７－０７－３１），数据具有可比性。在Ｅｒｄａｓ９．２中对３期影像进行预处理，配准精度控制在一个像元以内。

本研究通过ＥＮＶＩ４．４对遥感图像进行人机交互式判读解译。先对影像进行非监督分类和监督分类，结合Ｇｏｏｇｌｅ Ｅａｒｔｈ软件、植被图等辅助资料，人工目视解译，修改分类结果，提高解译精度。经过精度评价３期分类图的总体分类精度都超过８０％，满足本研究的精度要求。最后，在ＡｒｃＧＩＳ９．３和景观格局分析软件Ｆｒａｇｓｔａｔｓ３．３支持下，通过格式转换、空间分析等处理，进行数据统计分析和景观格局指数计算。 此外，考虑到尺度效应对景观格局指数的影响，本研究粒度均设为３０ ｍ×３０ ｍ，空间幅度统一在研究区范围内。

１．２．３景观格局指数的计算Ｆｒａｇｓｔａｔｓ３．３景观计算软件，可以相应计算景观３个级别上（斑块、类型、景观）的５０多个指标。因为缀（斑）块指数往往作为计算其他景观指数的基础，而本身对了解整个景观的结构并不具有很大的解释价值［２］，所以笔者从类型和景观两方面研究１６年来武汉地区景观格局变化过程，并结合前人的研究成果［５－８］，最终选用景观面积、斑块密度、边缘密度、面积百分比、平均形状指数、平均分维数、斑块多度、香农多样性指数、香农均匀度指数、聚合度等指数进行分析。本研究不对每个指数的具体含义进行说明，具体描述见参考文献［２，５］。 ２结果与分析 ２．１类型水平分析

对武汉市１９９１年、２００２年和２００７年的ＴＭ影像解译结果分析并绘制图表，其中表１是本研究计算和分析的基础，图１～２反映了土地利用类型的景观格局指数随时间的变化情况。

２．１．１斑块数量与面积分析由表１可知，随着城市化的发展、人口的增加及工农业内部结构的调整，研究区内不同用地类型的斑块面积和数量均发生了显著的变化，其中以水域景观的变化最为显著。在１９９１～２００７年间，水域面积共减小了

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２９ ５９８．５７ ｈｍ２，水域所占研究区面积的比重也下降了１３．０２个百分点，这主要是由于围湖造田、填湖建房以及以湖泊为主体开挖鱼塘等人类开发利用活动的加剧引起的。与此同时，水域斑块密度呈现小幅上涨趋势，说明水域景观已经逐渐破碎化。农业用地面积和所占比重最大并且不断增加，２００７年分别达到１１０ ３３１．９ ｈｍ２和４８．５２％，说明研究区可看作以农业用地为基底的城市生态景观；而农业用地斑块数量减少了７８９个，使得斑块平均面积增加；斑块密度和边缘密度均出现下降趋势，说明斑块之间的孔隙度下降，农田分布相对集中。人工建筑用地由１９９１年的３５ ８２５．５８ ｈｍ２增加到２００７年的

５２ ７８６．５３ ｈｍ２，增长４７．３４％，这是由于期间人口的快速增长，对建设用地的需求加大；据资料显示［９］，２００７年武汉市户籍人口为８２８．２１万人，是第四次全国人口普查时武汉人口数的１．２倍；２００２年，建筑用地斑块密度和边缘密度分别为３．９５９ ４个／ｋｍ２和３６．１２０ ０ ｍ／ｈｍ２，２００７年时相应减少到２．６１５ １个／ｋｍ２和３１．４２５ ６ ｍ／ｈｍ２，这可能是由于城市规模扩大，区域连块成片，使得斑块之间的连通性加强。林地面积所占研究区比重不大，只占２．３９％（２００７年），原因是武汉市地处平原湖区，林地资源本来就不丰富［７］；其他土地类型仅占总面积比重的１．１９％（２００７年），属非优势景观类型。

２．１．２分维度分析由表１、图１和图２可知，在１６年的时间里，水域的指数值呈现不同程度地增加，说明其斑块形状愈加不规则，边缘复杂程度更高，也从一定程度上反映了水域景观逐渐破碎化的事实；而农业用地、林地、人工建设用地的指数值均减少，表明这些斑块形状趋于规则，边缘复杂程度降低。 ２．２景观水平分析

由表２可知，研究区斑块密度、香农多样性指数、斑块多度、聚合度、香农均匀度指数均发生了变化，其中香农多样性指数从１９９１年的１．２０５ ２减少到２００７年的１．１７７ ２，鉴于各年斑块多度均为５，因此各土地类型在面积分布上均匀程度的降低是其指数变化的原因，均匀度指数逐年降低充分说明了这一点。

聚合度与斑块密度反映了相反的趋势，即聚合度越高，斑块密度越小；本研究中聚合度出现先减后增的情况，这可能是受城市化水平的影响。据相关资料显示［９，１０］，１９８５～２００２年，武汉城市化增长缓慢，２００２年底，其城市化率为５９．８％；“十五”期间武汉市形成了城乡优势互补的主城－卫星城－小城镇为轴线的多层次、网络状城镇体系；到２００７年底，城市化率达６８．０％。城市规模的不断扩大，道路交通体系的逐渐完善，加强了斑块之间的连通性，同时，本研究仅对景观类型进行了一级分类，最终致使景观聚合度增加。 ３讨论

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不同的景观指数之间具有相关性，如本研究中的反映相同趋势的平均形状指数和平均分维数，反映相反趋势的聚合度与斑块密度；正如邬建国［２］的研究表明，同时采用多种指数往往并不增加“新”信息。

就研究区整个景观而言，景观的破碎化程度降低，多样性水平下降，异质性减少。由于干扰程度（城市化水平）的不同导致景观格局出现不同的变化结果，如聚合度和斑块密度随时间的变化趋势，表明人类活动一方面能够使景观规则化，边缘复杂性降低；另一方面，也可使景观破碎化，边缘复杂性升高。 参考文献：

［１］ 张金屯，邱扬，郑凤英． 景观格局的数量研究方法［Ｊ］．山地学报，２０００，１８（４）：３４６－３５２．

［２］ 邬建国． 景观生态学——格局、过程、尺度与等级［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０００．１１－１８，９６－１２０．

［３］ 邱扬，张金屯，郑凤英． 景观生态学的核心：生态学系统的时空异质性［Ｊ］．生态学杂志，２０００，１９（２）：４２－４９．

［４］ 刘颂，李倩， 郭菲菲． 景观格局定量分析方法及其应用进展［Ｊ］．东北农业大学学报，２００９，４０（１２）：１１４－１１９．

［５］ 李团胜，肖笃宁． 沈阳市城市景观结构分析［Ｊ］．地理科学，２００２，２２（６）：７１７－７２３．

［６］ 宁龙梅，王学雷，吴后建． 武汉市湿地景观格局变化研究［Ｊ］．长江流域资源与环境，２００５，１４（１）：４４－４９．

［７］ 孔雪松． 武汉市土地利用／土地覆盖变化的环境安全研究［Ｄ］．武汉：华中师范大学，２００５．

［８］ 鲍蕾，张志，刘亚林． 基于最佳尺度的武汉市土地覆盖景观格局分析［Ｊ］．湖北大学学报（自然科学版），２００９，３１（２）：２０１－２０５．

［９］ 湖北年鉴编辑委员会．湖北年鉴 ２００８［Ｍ］．武汉：湖北年鉴社，２００８．４３８．

［１０］ 何雄． 武汉市城市化进程实证分析［Ｊ］．中南财经政法大学学报，２００４（５）：５６－６０．

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