昆明市莊房村景觀格局變化分析

李玉龍，趙俊三，龍利秋，馮躍，王菊

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2.智慧礦山地理空間信息集成創(chuàng)新重點實驗室，云南 昆明 650093；3.云南省高校自然資源空間信息集成與應用科技創(chuàng)新團隊，云南 昆明 650211； 4.山東新天地測繪科技有限公司，山東 濟南 250101)

1 引 言

土地是一切生產和一切存在的源泉。土地作為自然界最基本的一種自然資源，既是自然環(huán)境要素發(fā)生、變化的重要載體，也是人類生存、繁衍的基礎物質保障[1]。土地利用轉移矩陣、土地利用程度綜合指數、土地利用動態(tài)度、類型重心的遷移、景觀格局指數等是土地利用覆蓋變化的主要研究方法[2～4]。

馬新萍等[5]借助GIS和RS技術，選取研究區(qū)1996年、2006年、2016年3期遙感影像進行解譯，采用土地利用轉移矩陣和土地利用變化模型對大西安1996年以來土地利用類型和土地覆被時空動態(tài)變化進行量化分析；康紫薇[6]等通過對瑪河流域四期遙感影像中土地利用類型進行解譯，定量分析流域近15年來土地利用動態(tài)變化特征，基于景觀格局指數，采用地統(tǒng)計學方法，探究瑪河流域景觀生態(tài)風險程度及時空分異特征。李孟迪等[7]通過利用GIS和Fragstats軟件對云南省2005年～2015年滇中城市群、州市尺度的景觀格局時空分異特征進行分析。

目前來看，對于土地利用變化的研究，大多集中于發(fā)展程度較高的城市[8-11]，對縣城、鄉(xiāng)村的土地利用變化研究相對較少。莊房村因其交通區(qū)位優(yōu)越，占據生態(tài)保護紅線及永久基本農田，在選取盤龍區(qū)鄉(xiāng)村試點占據一定優(yōu)勢，分析其土地利用變化及景觀格局變化對下一步村莊規(guī)劃具有一定的指導作用。

本文以莊房村為例，對研究區(qū)2015年、2018年兩期土地利用變更數據運用土地利用轉移矩陣、景觀格局指數分析對土地利用分類結果從土地利用結構變化、景觀格局變化兩個方面進行分析。

2 研究區(qū)概況與數據處理

2.1 研究區(qū)概況

莊房村屬于山區(qū)，國土面積為 16.16 km2，海拔 2 209.13 m，年平均氣溫13℃，年降水量 1 000 mm，全村管轄8個村民小組，農戶528戶，鄉(xiāng)村人口為 1 636人。莊房村內生態(tài)保護紅線面積為 3.15 km2，永久基本農田面積為 3.09 km2。莊房高程如圖1所示。

圖1 莊房高程

2.2 數據來源及處理

本文涉及的數據主要包括2015年、2018年土地利用變更數據，按照2017年發(fā)布的《土地利用現狀分類》對地類進行劃分，其中2015年土地利用變更數據為1980坐標系，2018年土地利用變更數據為2000坐標系；高程數據由地理空間數據云平臺提供的GDEMV2 30M分辨率的DEM數據經ArcGIS 10.2軟件處理得到。本文涉及的所有數據坐標均統(tǒng)一至CGCS2000，柵格數據分辨率均為 30 m×30 m，并保持行列號一致。

3 研究方法

3.1 土地利用分類

參照《土地利用現狀分類》的分類標準，對土地利用進行分類，分類結果如表1所示。

土地分類體系 表1

3.2 景觀格局指數分析

景觀格局指數用來定量分析景觀格局特征，能夠反映反映景觀格局的結構組成和空間配置特征[12]，景觀格局用來研究空間配置的關系及其景觀結構組成特征。景觀格局指數主要包括景觀破碎度、景觀分離度、景觀優(yōu)勢度、景觀干擾度、景觀脆弱度和景觀損失度等指數。本文選取的景觀格局指數旨在反映景觀全局或各類型的變化，且相關性較小的典型變量，表征景觀的組成、結構。通過CLASS里選取斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、散布與并列指數(IJI)、聚合度指數(AI)，LAND里選取景觀形狀指數(LSI)、蔓延度指數(CONTAG)、景觀分割度(DIVISION)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、聚合度指數(AI)，計算莊房村各類景觀格局指數及整體景觀格局指數。

(1)斑塊類型尺度水平的度量指標

①斑塊密度(PD)

PD反映了單位面積上的斑塊數量，取值范圍為PD>0，斑塊密度越大，斑塊數量越多。

式中，ni為景觀中的斑塊總數；A為景觀總面積。

②最大斑塊指數(LPI)

LPI用來度量多大比例的景觀面積是由最大斑塊組成的。取值范圍0

式中，aij代表斑塊ij的面積，A為包括景觀內部背景在內的景觀總面積。

③散布與并列指數(IJI)

IJI用來度量在給定斑塊類型數目情況下，斑塊的實際散布狀況與最大散布狀況的比值。

式中：eik為i類斑塊和k類斑塊之間的邊緣總長度；m為景觀中的斑塊類型數，如果景觀邊界存在，則包括景觀邊界。

④聚合度指數(AI)

AI表示不同斑塊類型相鄰出現在景觀圖上的概率。

式中：gii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的結點數，max(gii)為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的最大結點數。

(2)景觀尺度水平的度量指標

①景觀形狀指數(LSI)

LSI是結合景觀面積對景觀總邊緣長度或邊緣密度的標準化度量。

式中：E指景觀的邊緣總長度，包括所有景觀邊界線和背景邊緣。minE是E的最小可能值。

②蔓延度指數(CONTAG)

蔓延度是指斑塊類型在空間分布上的集聚趨勢。指數取值范圍為0

式中：pi為斑塊類型i在景觀中的面積比重，gik為基于雙倍法的看斑塊類型i和斑塊類型k之間的結點數；m是景觀中的斑塊類型數，包括景觀邊界中的斑塊類型。

③景觀分割度(DIVISION)

DIVISION描述某一景觀類型中不同斑塊個體分布及分離程度。

式中：aij為斑塊ij的面積；A為整個景觀的面積。

④香農多樣性指數(SHDI)

SHDI對稀有斑塊類型的敏感性較強。指數值越大，景觀中各斑塊類型及分布更豐富。

式中：pi為景觀中斑塊類型i的面積比重。

⑤香農均勻度指數(SHEI)

SHEI反映景觀中不同斑塊類型面積比重的均衡度與其最大值的比值。值越小，景觀受少數優(yōu)勢類型所支配的趨勢越強，其值越大，說明各類景觀類型分布越均勻。

式中：pi為景觀中斑塊類型i的面積比重，計算時采用的景觀總面積不包括景觀中的背景；m是景觀中的斑塊類型數。

⑥聚合度指數(AI)

AI衡量給定景觀組成的情況下相似節(jié)點的最大可能數。范圍在0～100，當某一斑塊類型的破碎度達到最大化時，AI=0；且隨聚集程度不斷增加，AI的值也不斷增加；當該斑塊類型聚集成一個緊實的整體時，AI=100。

式中：gii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的結點數；maxgii為基于單倍法的斑塊類型i的面積比重。

3.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用方面的應用，其不僅可以定量地表明不同土地利用類型間的轉化情況，還可以揭示不同土地利用類型間的轉移速率。

式中，S代表面積；n表示土地利用類型總數；Sij表示由i地類轉移到j地類的面積。

4 研究結果

4.1 土地利用結構分析

調用土地利用變更數據中2018年土地利用數據(圖2)，分析發(fā)現，截至2018年，莊房村土地總面積為 16 159 432.71m2，土地利用類型以林地為主，面積為 10 365 767.80 m2，占總面積比例為64.15%；其次為耕地，面積為 3 338 859.99 m2，占總面積比例為20.66%。草地、工礦倉儲用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、園地、住宅用地、特殊用地、其他土地面積均較小，面積分別為 498 926.43 m2、 21 389.30 m2、 372 316.83 m2、100 883.91 m2、837 322.62 m2、495 637.97 m2、 108 335.78 m2、 19 982.08 m2，占總面積比例分別為3.09%、0.13%、2.30%、0.62%、5.18%、3.07%、0.67%、0.12%。

圖2 莊房村土地利用現狀

4.2 景觀格局指數分析

通過Fragstats4.2軟件計算出2015年及2018年莊房村不同土地利用類型的景觀格局指數。其中，PD越大，破碎度越高；LPI反映人類活動的方向和強弱，LPI越大，景觀斑塊形狀越復雜；IJI取值較小時，表明該斑塊類型僅與少數幾種其他類型相鄰接；AI值越小，景觀越離散。LSI越高，該類型板塊對于景觀影響越大，CONTAG指標描述景觀里不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢，較小時表明景觀中存在許多小斑塊，趨于100時表明景觀中有連通度極高的優(yōu)勢斑塊類型存在；SHDI指數增大表明拼塊類型增加或各拼塊類型在景觀中呈均勻化趨勢分布，SHEI指數低表明生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性低。

(1)各地類景觀格局分析

按照2.1節(jié)選取的景觀格局指數，對比分析2015年、2018年兩期景觀格局的斑塊面積、景觀形狀指數、最大斑塊指數和斑塊聚合度指數及其變化特征，如表2所示。

各地類景觀格局變化特征 表2

通過分析可知，2015年～2018年林地和耕地均呈現PD增加、LPI減少、IJI增加、AI減少，表明莊房村林地景觀、耕地景觀破碎度增加，景觀形狀逐漸規(guī)則，鄰接地類增加，景觀更為離散，連通度降低；園地PD增加、LPI減少、IJI減少、AI減少，景觀破碎度增加，景觀形狀趨于規(guī)則，鄰接地類減少，景觀趨于離散，連通度降低；草地PD減少、IJI增加、AI增加，景觀破碎度減弱，鄰接地類增加，趨于聚合，連通度增加；住宅用地PD增加、IJI增加、AI減少，景觀破碎度增加，鄰接地類增加，聚合度降低，連通度減少；交通運輸用地PD減少、LPI增加、IJI增加、AI增加，景觀破碎度增加，景觀形狀趨于復雜，鄰接地類增加，景觀趨于聚合，連通度增加；特殊用地和其他用地IJJ增加、AI減少，鄰接地類增加，景觀趨于離散。

(2)整體景觀格局分析

從圖3景觀格局整體來看，莊房村2015年～2018年景觀形狀指數、景觀分割度分別從15.71、0.65～15.77、0.82，略有增加；聚合度指數從80.23～80.16，略有減少；表明景觀整體上破碎度增加、聚集度減弱。蔓延度從61.27減少到60.48，表明景觀中存在小斑塊增加；香濃多樣性指數、香濃均勻度指數分別從1.11、0.48增加到1.14、0.50，表明各景觀類型在景觀中呈均勻化趨勢分布，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升。

圖3 整體景觀格局指數

4.3 土地利用轉移分析

(1)各地類土地利用轉移矩陣分析

通過ArcGIS與Excel對2015年、2018年兩期土地利用數據進行處理分析，得到2015年～2018年各地類土地利用轉移矩陣，如表3所示，其中行為2018年土地利用現狀、列為2015年土地利用現狀。

通過分析可知，2015年～2018年莊房村土地發(fā)生明顯變化，其中林地轉入面積最大為 105 343.52 m2；耕地轉入面積為 39 605.08 m2；園地轉入面積為 14 189.71 m2；草地轉入面積為 4 901.90 m2；其他土地轉入面積為 2 968.78 m2；水域及水利設施用地轉入、特殊用地轉入面積較小，分別為 0.19 m2、 1.01 m2；其中，林地、耕地、園地轉入面積均主要來源于交通運輸用地及住宅用地；草地轉入面積主要來源于交通設施用地；其他土地主要由住宅用地轉入。住宅用地轉出面積為 21 716.94 m2；交通運輸用地轉出面積為 14 293.36 m2；工礦倉儲用地轉出面積較小為 0.18 m2；其中住宅用地主要轉出為草地、耕地、林地、其他土地、園地，轉出面積分別為 360.80 m2， 9 732.59 m2， 3 161.26 m2， 2 508.56 m2， 6 115.71 m2，轉為交通運輸用地、水域及水利設施用地面積較少分別為 0.22 m2、2.56 m2；交通運輸用地主要轉出為草地、耕地、林地、其他土地、園地，轉出面積分別為 4 533.57 m2、 29 967.25 m2、 102 231.63 m2、 460.77 m2、8 103.76 m2，轉為住宅用地面積較少，為 3.31 m2。

2015年～2018年各地類土地利用轉移矩陣 表3

(2)三類空間轉移矩陣分析

通過構建三類空間轉移矩陣，得出三類空間相互轉化面積如表4所示。

三類空間相互轉化面積 表4

通過分析，得出三類空間轉移以建設用地轉出為主，轉出面積為 167 004.39 m2，以生態(tài)空間、農業(yè)空間轉入為主，轉入面積分別為 105 333.27 m2、 61 671.13 m2。其中建設用地面積主要為住宅用地中村莊用地減少為主，莊房村部分位于松華壩水源保護區(qū)內，對其實施村莊搬遷政策使得建設用地面積減少。

5 結 論

本文研究結果表明，從土地轉移矩陣來看，林地轉入面積最大，為 105 343.52 m2，轉入面積從大到?。毫值?耕地>園地>草地>其他土地>特殊用地>水域及水利設施用地；住宅用地、交通運輸用地、工礦倉儲用地以轉出為主，其中交通運輸用地轉出面積最大為 14 293.36 m2。從景觀格局來看，莊房村整體景觀破碎度增加、聚集度減弱但各景觀類型在景觀中呈均勻化趨勢分布，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升；其中耕地、林地、草地、住宅用地的破碎度2015年～2018年一直處于較高水平；林地景觀的形狀最為復雜，耕地和交通運輸用地次之，其他土地最為規(guī)則；其他土地、水域及水利設施用地鄰接其他地類數目較多，工礦倉儲用地最少；特殊用地、工礦倉儲用地聚合度高，連通性好，其他土地的聚合度最低。

文章對莊房村土地利用變化進行分析，得出莊房村土地利用變化的結果，對后期盤龍區(qū)國土空間規(guī)劃及村莊規(guī)劃提供依據。