方應(yīng)波，張中旺，熊宏濤

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近30年武漢市土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化

方應(yīng)波1，張中旺2，熊宏濤3

(1.廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510925；2.湖北文理學(xué)院管理學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441053；3.湖北國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430090)

基于1980s、1990s、2005年Landsat TM遙感影像和2010年歐空局(ESA)Globcover分類數(shù)據(jù)，運(yùn)用RS和GIS技術(shù)及景觀生態(tài)學(xué)方法，分析了1980s—2010年武漢市土地利用類型、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用景觀格局的動(dòng)態(tài)變化. 結(jié)果表明：農(nóng)地是主要的土地利用類型，地塊連續(xù)性增強(qiáng)，成片分布；林地和草地1990s破壞嚴(yán)重，2010年區(qū)域植被得到一定程度的恢復(fù)；水域所占比重持續(xù)下降，減少速度之快，觸目驚心；受城市化進(jìn)程影響，1990s—2010年建設(shè)用地增長(zhǎng)最快，呈規(guī)?；?、成片發(fā)展；1980s—1990s未利用地得到大幅度開(kāi)發(fā)，2010年未利用地面積明顯增加且趨于成片化發(fā)展，地塊連續(xù)性增強(qiáng).

土地利用；景觀格局；武漢市

1995年由國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計(jì)劃(HDP)聯(lián)合提出“土地利用/土地覆蓋”(Land use and Land cover change, LUCC)研究計(jì)劃以來(lái)，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，此后LUCC成為全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)[1-2]，其涵蓋的內(nèi)容包括以下3個(gè)方面：1)利用Landsat TM/ETM影像，經(jīng)人機(jī)交互遙感圖像解譯后，對(duì)土地利用變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)與分析制圖. 如李謝輝等以河南省1980s和2005年兩期影像為數(shù)據(jù)源，對(duì)1980s—2005年土地利用／覆蓋主要類型的演變進(jìn)行了現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)分析[3]；邢容容等以1990年、2000年、2006年3期的Landsat TM影像和2011年衛(wèi)星影像，分析了1990—2011年青島市土地利用/覆被變化情況[4]. 2)進(jìn)行土地利用/土地覆被變化動(dòng)力學(xué)分析. 如李松等通過(guò)對(duì)新疆18個(gè)綠洲城市的1995年、2000年、2005年、2010年土地利用景觀演變發(fā)展過(guò)程及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，認(rèn)為人文因素是綠洲城市土地利用景觀演變的主導(dǎo)動(dòng)力[5]；潘竟虎等采用四期Landsat TM遙感影像對(duì)玉門市近30年土地利用的變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析[6]. 3)開(kāi)展土地利用/土地覆被與生態(tài)環(huán)境，可持續(xù)發(fā)展研究. 艾建超等以2005年和2009年的土地利用遙感影像圖，通過(guò)構(gòu)建景觀格局指標(biāo)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了吉林省鎮(zhèn)賚縣景觀格局變化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[7]；韓黎陽(yáng)等分析了三峽庫(kù)區(qū)蘭陵溪小流域土地利用景觀格局對(duì)水體氮、磷等輸出時(shí)空特征及對(duì)其產(chǎn)生的影響[8].

2005年以來(lái)，伴隨著武漢城市圈的建立和發(fā)展，尤其是2007年國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)武漢城市圈成為“兩型社會(huì)”建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，武漢市如何發(fā)揮科學(xué)發(fā)展與社會(huì)和諧的示范和帶動(dòng)作用，協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，不僅關(guān)系到武漢未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向，更關(guān)系到全國(guó)新型工業(yè)化、城市化發(fā)展成功的關(guān)鍵. 區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)改變土地利用現(xiàn)狀及景觀格局，繼而影響生態(tài)環(huán)境，而LUCC是全球環(huán)境變化的主要原因和組成部分之一，研究LUCC對(duì)了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化、維持生態(tài)平衡、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[9]. 因此，從長(zhǎng)時(shí)間尺度研究武漢市土地利用結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及現(xiàn)狀特征，是為“兩型社會(huì)”建設(shè)和武漢市區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展摸清家底，提供決策基礎(chǔ). 本文基于GIS/RS技術(shù)，以土地利用景觀格局為切入點(diǎn)，對(duì)武漢市1980s—2010年土地利用類型、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用景觀格局進(jìn)行定量分析.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文章涉及的遙感影像數(shù)據(jù)為武漢市1980s(1984年和1985年多景遙感影像拼接裁剪)、1990s(1995年和1996年多景遙感影像拼接裁剪)、2005年TM遙感影像和2010年歐空局(ESA)Globcover分類數(shù)據(jù)(分辨率為300*300m)，根據(jù)研究需要將其合并為農(nóng)地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六種類型；武漢市矢量數(shù)據(jù)從全國(guó)1:400萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，包括shapfile格式面狀文件及邊界，保留基本地理屬性表信息.

1.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)武漢市的遙感影像進(jìn)行幾何校正及波段處理，拼接裁剪并在此基礎(chǔ)上濾波后，再使用城市矢量面狀文件進(jìn)行掩膜裁剪，得到研究區(qū)域完整的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)圖像增強(qiáng)處理，運(yùn)用監(jiān)督分類的方法進(jìn)行采樣，建立分類模板，圖像解譯，最后進(jìn)行精度評(píng)價(jià). 加上2010年歐空局(ESA)Globcover分類數(shù)據(jù)，生成武漢市四時(shí)相土地利用數(shù)據(jù)(農(nóng)地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地)，然后將土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)，利用Fragstats軟件計(jì)算武漢市景觀格局指數(shù)，分析景觀結(jié)構(gòu)特征.

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)遙感影像解譯結(jié)果，在ARCGIS9.3中分別導(dǎo)出4個(gè)時(shí)期土地利用類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)軟件ACCESS，然后利用數(shù)據(jù)庫(kù)的制表功能進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，最后獲得武漢市不同時(shí)期各土地利用類型的面積及比重，如表1所示. 由于不同的遙感影像分辨率，解譯誤差等主客觀因素限制，解譯結(jié)果必然存在相應(yīng)誤差，最后統(tǒng)計(jì)出4個(gè)時(shí)期的總面積分別為：859 698.70hm2、859 700.14hm2、859 698.70hm2、860 205.05hm2，其誤差相對(duì)于80多萬(wàn)hm2的總面積來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，解譯結(jié)果符合研究需要.

表1 1980s—2010年武漢市不同土地利用類型的面積及比重

表1反映了1980s—2010年武漢市六類土地利用類型面積及比重的變化情況，從中可以看出：按土地利用類型所占的比重排序依次是農(nóng)地、水域、林地、建設(shè)用地、草地、未利用地，其中農(nóng)地是主要的土地利用類型，占土地總面積的70%以上；從近30年土地利用的變化趨勢(shì)看，水域所占比重雖然偏高，但一直在持續(xù)下降，其比重從1980s的19.35%減少到2010年的11.86%，減少速度之快觸目驚心；農(nóng)地所占比重一直偏高但變化不明顯，1990s之前農(nóng)地開(kāi)發(fā)速度較快，之后農(nóng)地開(kāi)發(fā)速度逐漸放緩；林地在1990s之前破壞嚴(yán)重，其比重由1980s的8.25%下降到1990s的3.97%，1990s之后植被得到一定程度的恢復(fù)；草地所占比重一直偏低，且2005年以前持續(xù)緩慢下降，2005年以后草地得到一定程度的恢復(fù)，因前一時(shí)期比重過(guò)低，故2010年草地比重增幅達(dá)4.9倍；2005年之前建設(shè)用地所占比重持續(xù)增長(zhǎng)，2010年以后增長(zhǎng)速度放緩，其中2005年建設(shè)用地比重達(dá)近30年最高值；未利用地所占比重一直偏低，呈波動(dòng)緩慢變化，1990s其比重達(dá)近30年最低值，說(shuō)明1990s以前土地開(kāi)發(fā)程度最強(qiáng).

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度測(cè)算

土地利用動(dòng)態(tài)變化包括土地資源的數(shù)量、質(zhì)量隨時(shí)間的變化，也包括土地利用的空間變化及土地利用類型組合方式的變化. 本文主要利用遙感影像得到的土地?cái)?shù)量數(shù)據(jù)，分析武漢市各類土地利用類型的數(shù)量變化. 土地利用數(shù)量變化可以用土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)定量描述，分為單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度[10-12]，文章選取單一土地利用動(dòng)態(tài)度進(jìn)行測(cè)算. 單一土地利用動(dòng)態(tài)度以定量方式表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)某一類用地面積的變化幅度與變化速度，以及區(qū)域土地利用變化中的類型差異，其公式[10-12]為：

式中，為研究時(shí)段內(nèi)某一種土地利用類型動(dòng)態(tài)度，U、U分別為研究期初和期末某種土地利用類型的數(shù)量，為研究時(shí)段長(zhǎng). 當(dāng)?shù)臅r(shí)段設(shè)定為年時(shí)，值就是該研究區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型的年變化率. 據(jù)此得出武漢市各土地利用類型的動(dòng)態(tài)度變化情況如表2所示.

表2 1980s—2010年武漢市單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度 /%

表2反映了1980s—2010年武漢市單一土地動(dòng)態(tài)度的變化情況，從中可以得出：1980s—1990s土地利用類型減少的有林地、草地、水域、未利用地，其中未利用地減少速度最快，其它兩類面積增加，其中建設(shè)用地增加最快；1990s—2005年土地利用類型減少的有農(nóng)地、草地、水域，林地得到一定程度的恢復(fù)、建設(shè)用地與未利用地快速增長(zhǎng)；2005—2010年土地利用類型減少的有林地、水域、建設(shè)用地，農(nóng)地、草地、未利用地均有不同程度增長(zhǎng). 綜合近30年的整體情況，水域面積一直持續(xù)減少，2005—2010年速度有所放緩，其它土地利用面積交錯(cuò)增減，其中建設(shè)用地變化幅度最大.

2.3土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)變化

在研究武漢市土地景觀格局時(shí)，文章選取拼塊類型面積(CA)、拼塊所占景觀面積的比例(%LAND)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、面積加權(quán)平均斑塊面積(AREA-MN)、最大斑塊面積百分比(Largest Patch Index，LPI)、周長(zhǎng)面積分維指數(shù)(Perimeter-Area Fractal Dimension)幾項(xiàng)指數(shù)進(jìn)行分析[13-15].

在ARCGIS 9.3 軟件環(huán)境下，將武漢市土地利用數(shù)據(jù)(*IMG格式)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)(SHAPE格式)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)為柵格GRID格式，將轉(zhuǎn)化后的土地利用數(shù)據(jù)導(dǎo)入FRSGATATS3.5，選擇以上篩選的景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到武漢市不同時(shí)期景觀指數(shù)如表3所示. 表3反映了武漢市1980s—2010年不同景觀在斑塊類型水平指數(shù)上的變化情況.

表3 1980s—2010年武漢市不同景觀斑塊類型的水平指數(shù)

農(nóng)地景觀變化 自1980s—2010年農(nóng)地景觀拼塊類型面積CA和拼塊所占景觀面積的比例%LAND均較大，變化趨勢(shì)為先增加后下降且增加的幅度超過(guò)下降的幅度，說(shuō)明農(nóng)地一直是優(yōu)勢(shì)景觀，其變化趨勢(shì)是農(nóng)業(yè)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中地位的反映；農(nóng)地斑塊個(gè)數(shù)NP持續(xù)下降，面積加權(quán)平均斑塊面積AREA-MN持續(xù)上升，說(shuō)明農(nóng)地景觀破碎程度越來(lái)越低，地塊連續(xù)性增強(qiáng)，成片分布；農(nóng)地最大斑塊面積百分比LPI總趨勢(shì)上升，2010年略有下降，周長(zhǎng)面積分維指數(shù)Perimeter持續(xù)下降，說(shuō)明人類對(duì)農(nóng)地景觀的影響在逐漸增強(qiáng)，由于人為平整土地，農(nóng)地斑塊形狀更有規(guī)律，斑塊的幾何形狀趨于簡(jiǎn)單.

林地景觀變化 自1980s—2010年林地景觀拼塊類型面積CA和拼塊所占景觀面積比例%LAND均較小，說(shuō)明林地不是區(qū)域優(yōu)勢(shì)景觀，其變化趨勢(shì)反映1990s植被破壞嚴(yán)重，2010年區(qū)域植被得到一定程度的恢復(fù)；林地斑塊個(gè)數(shù)NP均較大且持續(xù)下降，面積加權(quán)平均斑塊面積AREA-MN先降后升，表明林地景觀整體分散零碎，其中1990s因植被破壞，林地最為破碎；林地最大斑塊面積百分比LPI均較小且持續(xù)下降，周長(zhǎng)面積分維指數(shù)Perimeter均較大，表明林地受人類影響，零碎分布，斑塊形狀極不規(guī)則.

草地景觀變化 自1980s—2010年草地景觀拼塊類型面積CA和拼塊所占景觀面積的比例%LAND均先減小后快速增加，1990sCA與%LAND均達(dá)最小值，2010年CA與%LAND快速增長(zhǎng)，其變化趨勢(shì)表明草地于1990s遭受破壞，零碎分布，2010年后草地恢復(fù)速度較快；草地面積加權(quán)平均斑塊面積AREA-MN與最大斑塊面積百分比LPI均先降后升，其變化趨勢(shì)同樣可以反映出草地在1990s遭受破壞，2010年后草地迅速恢復(fù)且呈連片分布；草地周長(zhǎng)面積分維指數(shù)Perimeter持續(xù)下降，說(shuō)明受人類干擾程度越來(lái)越強(qiáng).

水域景觀變化 自1980s—2010年水域景觀拼塊類型面積CA、拼塊所占景觀面積的比例%LAND、斑塊個(gè)數(shù)NP、最大斑塊面積百分比LPI、周長(zhǎng)面積分維指數(shù)Perimeter五項(xiàng)指標(biāo)均持續(xù)下降，表明水域受人類影響最強(qiáng)烈，水域面積和水域景觀個(gè)數(shù)減少嚴(yán)重；水域拼塊所占景觀面積的比例由1980s的19.42%下降到2010年的11.89%，“百湖之市”的稱謂已成歷史；水域面積加權(quán)平均斑塊面積AREA-MN持續(xù)上升，1990s—2010年AREA-MN由226.55上升到444.49，說(shuō)明小湖泊消失較多，1990s—2010年水域面積萎縮最快.

建設(shè)用地景觀變化 自1980s—2010年建設(shè)用地景觀拼塊類型面積CA、拼塊所占景觀面積的比例%LAND和最大斑塊面積百分比LPI均持續(xù)上升，反映城市化進(jìn)程的步伐，其中1990s—2010年建設(shè)用地快速增加；建設(shè)用地斑塊個(gè)數(shù)NP、面積加權(quán)平均斑塊面積AREA-MN波動(dòng)變化，其中1990s—2010年變化最為明顯，表明此階段建設(shè)用地呈規(guī)模化、成片發(fā)展；建設(shè)用地周長(zhǎng)面積分維指數(shù)Perimeter整體偏小且持續(xù)下降，2010年該指標(biāo)達(dá)六項(xiàng)景觀類型的最小值，表明建設(shè)用地景觀形狀最有規(guī)律，受人類干擾最大.

未利用地景觀變化 自1980s—2010年未利用地景觀拼塊類型面積CA、拼塊所占景觀面積的比例%LAND波動(dòng)變化，其中1980s—1990s變化最快，表明該時(shí)段未利用地得到大幅度的開(kāi)發(fā)，2010年未利用地面積明顯增加；未利用地斑塊個(gè)數(shù)NP和面積加權(quán)平均斑塊面積AREA-MN變化表明未利用地趨于成片化發(fā)展，地塊連續(xù)性增強(qiáng)；最大斑塊面積百分比LPI、周長(zhǎng)面積分維指數(shù)Perimeter變化幅度不大，變化趨勢(shì)同樣反映出2010年地塊呈片狀發(fā)展.

3 結(jié)語(yǔ)

基于GIS/RS技術(shù)，通過(guò)定量分析1980s—2010年武漢市土地利用類型、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用景觀格局三個(gè)方面的變化情況，主要結(jié)論如下：

1)土地利用類型變化. 從土地利用類型所占的比重看，農(nóng)地是主要的土地利用類型，占土地總面積的70%以上；從近30年土地利用的變化趨勢(shì)看，水域所占比重近30年一直持續(xù)下降，減少速度之快觸目驚心；農(nóng)地在1990s之前開(kāi)發(fā)速度較快，之后開(kāi)發(fā)速度逐漸放緩；林地在1990s之前破壞嚴(yán)重，1990s之后植被得到一定程度的恢復(fù)；草地所占比重一直偏低，2005年以前持續(xù)緩慢下降，2005年以后草地得到恢復(fù)；建設(shè)用地2005年之前持續(xù)增長(zhǎng)，其中2005年建設(shè)用地比重達(dá)近30年最高值；未利用地所占比重一直偏低，呈波動(dòng)緩慢變化.

2)土地利用動(dòng)態(tài)變化度. 水域面積一直持續(xù)減少，2005—2010年變化速度有所放緩，其它土地利用動(dòng)態(tài)變化度交錯(cuò)增減，其中建設(shè)用地變化幅度最大.

3)土地景觀格局變化. 農(nóng)地景觀破碎程度越來(lái)越低，地塊連續(xù)性增強(qiáng)，成片分布，同時(shí)由于人為平整土地，農(nóng)地斑塊形狀更有規(guī)律，斑塊的幾何形狀趨近于簡(jiǎn)單；林地1990s破壞嚴(yán)重，2010年區(qū)域植被得到一定程度的恢復(fù)，林地景觀整體分散零碎，斑塊形狀極不規(guī)則；草地于1990s遭受破壞，零碎分布，2010年后草地恢復(fù)速度較快且呈連片分布；水域受人類影響最強(qiáng)烈，其中1990s—2010年水域面積萎縮最快，水域面積和水域景觀個(gè)數(shù)減少嚴(yán)重，小湖泊消失較多，“百湖之市”的稱謂已成歷史；由于受城市化進(jìn)程影響，1990s—2010年建設(shè)用地增長(zhǎng)較快，此階段建設(shè)用地呈規(guī)?；⒊善l(fā)展，其景觀形狀趨于簡(jiǎn)單；1980s—1990s未利用地得到大幅度開(kāi)發(fā)，2010年未利用地面積明顯增加且趨于成片化發(fā)展，地塊連續(xù)性增強(qiáng).

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Dynamic Changes of Land Use and Landscape Pattern in Wuhan City in the Past 30 Years

FANG Yingbo1,ZHANG Zhongwang2,XIONG Hongtao3

(1.Guangzhou Nanyang College, Guangzhou 510925, China;2. School of Management, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China;3. Hubei Land Resources Vocational College, Wuhan 430090, China)

Combined with the integrated technology of RS/GIS technology and landscape ecological method, based on the Landsat TM image of 1980s, 1990s, 2005 and ESA’ Globcover data of 2010, this paper analyzed the changes of land use/cover and landscape pattern of Wu’han City form 1980s to 2010. The results show that agricultural land, which is continuous, is the main land use type. Forestland and grassland, which were partly restored in 2010, were damaged seriously in1990s. The proportion of waters decreased continuously from 1980s to 2010. With the promotion of urbanization process, construction land increased most rapidly from1990s to 2010. Unutilized land, which increased gradually large-scalely and continuously in 2010, developed greatly from 1980s to 1990s.

Land use; Landscape pattern; Wuhan City

(責(zé)任編輯：陳 丹)

F291.1

A

2095-4476(2015)02-0034-05

2014-10-13;

2015-01-05

湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BDF044); 湖北省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(2012088)

方應(yīng)波(1980— ), 男, 湖北大悟人, 廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院講師.

張中旺(1966— ), 男, 湖北孝感人, 湖北文理學(xué)院管理學(xué)院教授, 博士, 主要研究方向：區(qū)域水安全與可持續(xù)發(fā)展.