基于RS与GIS的湖南省平江县景观格局分析

黄子豪 葛大兵

(1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128;2.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128)

1 引言

景观格局是某个时空尺度的斑块的空间分布，是景观过程在某个时间和空间尺度上的具体表现，它包括空间异质性、空间相关性和景观规律性等内容［1］。景观格局分析正是为了更好地了解该景观在空间尺度和时间尺度上的生态意义，从而为景观、环境规划与建设服务。

湖南省平江县位于湖南省东北部，为湘、赣、鄂三省交界处，地理坐标范围为28°25'N 至29°06'N，113°11'E 至114°09'E。东西总长98.5km，南北总长为76.1km，总面积4125.26km2，2013年末总人口约为108.08 万人。县域降水量变化大，最大降水量2749.9毫米、最小降雨量992.8 毫米。年平均气温为16.8℃，平江县地处湿润的大陆季风气候区，属中亚热带向北区亚热带过度气候带，有针叶林、阔叶林、针阔混交林及竹林等类型。

以平江县为研究区，应用景观生态学的原理和方法，借助RS 与GIS 等手段，在获得大量数据的基础上，对该地区进行景观格局动态变化分析评价，对平江县区域“社会——经济——环境”复合生态系统的发展是非常必要和有意义的。同时，作为“湘东北重镇”平江县的景观格局分析与评价也可以为湖南省其他县市区开展景观生态学的研究提供一定的借鉴。

2 研究方法与数据处理

2.1 研究方法

2.1.1 影像预处理

本研究区以由中科院遥感与数字地球研究所提供的2006年8月、2010年10月、2014年9月三期研究区Landsat 遥感影像为主要数据，进行景观格局对比分析。在对遥感图像处理过程中，结合了前期收集的平江县土地利用、地形地貌的基础资料，使得最终的景观格局划分图精度与实际的土地利用类型数据基本吻合。

由于本研究区域的范围过大，在遥感影像剪裁过程中，首先通过选取一些精确的控制点对遥感影像与研究区地形图、行政区划图进行地理配准。其次对配准后的行政区划图进行几何校正，然后在Acgis10.2 软件上依照已完成几何校正的平江县行政区划图构建研究区边界矢量图，再将制作好的研究区边界矢量图导入到Landsat 遥感影像中进行掩膜提取，从而完成遥感影像的剪裁过程，最终制成得到研究区遥感卫星剪切图。这样一来，景观制图精度得到了极大程度的提高。

一般来讲，Landsat 遥感影像标准假彩色合成是由4、3、2 波段分别赋予红、绿、蓝色，获得图像植被均成红色，由于极大程度上突出反应了植被特征，在遥感影像处理上得到了广泛的应用，故被称之为标准假彩色。

但由于结合平江县的实际情况，植被覆盖率远高于全省平均水平的事实依据上，为确保景观格局分类效果的精确性，本研究没有采用432 标准假彩色合成图。经多次监督分类效果对比，采取4、5、3 波段分别赋红、绿、蓝色合成的图像，色彩层次明显，对比强烈，内容丰富，符合目视判断读取习惯，更适合运用于平江县的景观格局的分类。

在453 假彩色波段合成图上，水田呈浅绿色，旱地呈粉红色;荒地呈灰白色;园地呈浅褐色，且地块规则整齐、轮廓清晰;林地呈黄到黄褐色;牧草地大多呈绿色到墨绿色;建设用地、城镇均呈蓝色;公路呈线状，色调灰白;草地呈蓝绿色;水域呈蓝黑色调，如图1。

图1 研究区Landsat－8 遥感影像图

2.1.2 遥感影像分类及信息提取

依据研究区的自然地貌及人类活动对景观造成的影响程度，将研究区景观分为2 种基本类型，一种是自然景观，另外一种是人工景观。未受或受人类活动干扰很小的属于自然景观;受人类活动干扰很大的则为人工景观［2］。根据研究区的自然属性特征和土地利用特点，对人工景观和自然景观进行细分，将研究区划分为建筑、水田、草地、林地、水域、旱田、园地和裸地等几个景观水平，其中建筑和水田、旱田、园地属于人工景观，草地、林地、河流、湖泊和裸地属于自然景观。对图1得到的假彩色遥感影像合成图，运用Arcgis 10.2 软件完成对其监督分类［3］。

在完成对假彩色合成图的监督分类后，还可通过Spatial Analyst 工具里的“众数滤波”以及“边界清理”等功能过滤掉合成图上一些微乎其微的斑块，并对分类不规整的边缘进行平滑处理，从而进一步增加影像分类的精确性。

本研究在Arcgis 10.2 软件的平台上，进行了最大似然法监督分类、众数滤波、边界清理等步骤，并通过比对了平江县实际的土地利用类型情况，使得研究区景观类型划分更加精确，见图2。

2.2 景观指数选取与计算

景观格局的分析需要采用相应的景观格局指数，目前已有40 多种景观指数用于分析景观格局的变化［4］。本研究选用了几个非常具有代表意义的景观指数，从类型水平和景观水平两个层次来反映平江县景观格局的变化。类型水平上选取类型斑块数(TNP)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、周长－面积分维数(PAFRAC)、斑块聚合度(COHESION)和斑块密度(PD);景观水平上选取景观斑块数(LNP)、香农均匀度指数(SHEI)、香农多样性指(SHDI)和景观蔓延度指数(CONTAG)等指数，各指数都代表某一特定的意义(表1)，其公式为国际通用公式［4－5］计算。

图2 平江县景观格局分类图2006－2014

在景观格局指数计算过程中，本研究采用了Fragstats 4.2 软件，可将研究区的景观格局划分图转成栅格ArcGRID 格式从而直接导入到Fragstats 4.2 软件，选取上述景观格局指数进行计算，结果见表2、表3。

3 结果与分析

3.1 类型水平上的景观格局指数分析

如表2 所示，平江县在2006－2014年8a 内，各景观格局指数均发生了显著的改变，建筑用地、水田、旱田、园地、裸地、林地、草地、水域在8a 内变化趋势各不相同，相互转换。在类型总面积方面，草地、水田、裸地均呈持续减少的趋势，并在2014年达到了最小;园地、旱地则呈先增后减的趋势，并在2010年达到了最大;建筑用地、林地则呈持续增长的趋势，从建筑用地面积的持续增长趋势来看这反应了这8a 时间内平江县伴随人口的增长的一个城镇化水平的提高，从林地类型面积的持续增长趋势来看这也是与近8a年来平江县政府大力开展的植树造林、封山育林活动密不可分的。水域面积则出现了先减少后大幅增长的趋势，这也是与2010年以后平江县全境开展的水土保持、汨罗江流域治理活动有关联的。在类型斑块数方面，裸地呈持续减少的趋势，水域呈持续增长的趋势，其余类型均呈先增加后减少的趋势。在形状指数方面，草地与裸地呈持续减少的趋势，说明了这8a 间，这两种类型的斑块正不断受着人类活动的干扰。在最大斑块指数方面，建筑用地、旱田、裸地、旱田的呈持续增长的趋势，表明其景观破碎度正在不断降低，这也在一定程度上反映了城镇化进度的加快、农业机械化程度的提高，而在周长面积分维数方面，所有类型的分维数均呈先增加后减少的趋势，这也说明了这8a 间平江县的土地利用情况经历了一个没统一规划杂乱无序，再到统一规划协调发展的过程。在斑块聚合度方面，8a 时间内，林地和水田类型的聚合度一直位居前两位，同类型总面积的排名保持一致，也充分凸显了这两景观类型在平江县整体景观格局中的优势类型地位。

表1 景观指数的意义

表2 2006－2014年研究区类型水平上的景观格局指数变化

3.2 景观水平上的景观格局指数分析

如表3 所示，从景观的整体总体角度来看，2006年－2014 这8a 间研究区的景观水平上的各景观格局指数均发生了显著变化。在2010年，斑块总数达到了最大值，为312577，表明了研究区在2010年的土地的开发利用达到了一个峰值，这一时期斑块总数相比起2006年及2014年要多出了很多，斑块的破碎程度也最高，景观亦最复杂。结合表2、表3 数据来看，景观的蔓延度指数经历了一个先减少再增加的过程，这是与林地这一优势拼块类型的变化趋势紧紧相关联的，在2010年的景观蔓延度指数最高，达到了56.98，说明了在这一时期林地这一优势拼块类型的连接性是最高的。从香农多样性指标来看，研究区三期的香农多样性指数分别为1.06、1.17、1.12，其中2006－2010 这一时间的香农多样性指数变化最大，差值达到了0.11，香农多样性指标对景观中非优势类型的变化非常敏感［6］，说明从2006－2010 这4a 时间内研究区的非优势类型拼块变化幅度最大，受人工干扰程度也最大，并且在2010年香农多样性指数达到了峰值1.17，说明这一时期的景观破碎化程度达到了最高。从香农均匀度指数看，三期的均匀度指数分别是0.61、0.57、0.52，呈持续下降趋势，则说明了研究区内林地这一优势景观类型所占景观面积比例越来越大。

表3 2006－2014年研究区景观水平上的景观格局指数变化

4 研究区景观格局变化驱动力分析

景观格局演变驱动力系统可分为自然驱动力和社会驱动力2 个部分，这2 个部分又可细分为主导驱动力和非主导驱动力。由于各地区有着不同的经济发展状况和自然环境，同一地区的景观格局演变既受主导驱动力的制约，同时也是多种驱动力共同作用的结果［7］。初步分析不难发现，研究区从2006～2014 这8a 时间内受人工干扰程度很大，社会驱动力成为了主导驱动力，故本研究从人口增长、农业生产的影响、和国家及地方政策三方面入手，着重分析社会驱动力中这一部分。

表4 2006－2014 平江县人口、经济水平变化情况

4.1 人口增长的影响

人口增长是造成研究区景观格局变化的一个非常重要的因素，如表4 所示，2006～2014年，研究区的人口总量从103.78 万人增长至109.05 万人，人口密度由251.57 人/km2增长至264.35 人/km2，人口的迅速增长加快了平江县的景观类型转换速度，这样一来出现了大肆开垦荒地，使之转化为建设用地的情况。在2006～2014 这8a 时间内，研究区的建设用地一直呈增长趋势，而裸地、草地、水田则呈一直下降的趋势。这些变化都是与人口的迅速增长有一定关系的。而在2010年，建筑用地、水田、旱田、园地、林地、草地类型斑块数均达到了最大值，虽然景观多样性指数有所增加，但同时也提高了景观破碎度，使得研究区景观自我调节和恢复能力降低，这也与与研究区人口的迅速增长有关。

4.2 农业生产的影响

平江县位于湘、鄂、赣三省交界处，地貌以山地和丘陵为主，是全国粮食、牲猪、木材、楠竹、黑山羊、水果等农产品生产大县，农林牧副渔产业在平江县国民经济产业中占据了一个重要地位。据平江县相关的统计数据显示，2006年平江县的农村人均纯收入仅为2612 元，农林牧副渔总产值25.59 亿元，2014年人均纯收入增长到6744 元，农林牧副渔总产值达到了53.60 亿元。一方面这与农业生产技术进步的进步、农业机械化水平的提高有关，更重要的还是社会发展形势所做出的农业产业结构调整、优化所促成的。对比2006～2014年这8a年间和农业相关的土地利用类型变化，我们不难发现，传统的粮食播种面积——水田类型斑块面积一直呈减少趋势，经济作物种植面积——旱地、园地类型的斑块面积总体上呈波动增长趋势。而林地类型的斑块一直呈增长趋势，平江县林业的总产值、产量也一直在飞速的增长。

4.3 国家及地方政策的影响

平江曾是全省水土流失较为严重的县之一，从2006年开始，平江县开展了一系列整治乱采滥挖、破坏地貌植被等造成严重水土流失的行动，截止2013年末，全县累计完成水土流失综合治理面积178.49km2，防治效果十分明显，这也是研究期内裸地、草地景观类型面积持续减少的原因之一。此外，平江县先后建成了福寿山—汨罗江国家重点风景名胜区、幕阜山省级自然保护区、石牛寨国家级地质公园。到2014年末，平江县规划的受保护地区包括自然保护区、风景名胜区、饮用水源保护区、生态公益林等总面积达到1235.22km2，占全县总国土面积4125.26km2的29.94%。同时，湖南省政府、平江县政府先后出台了《湖南省平江县巩固退耕还林成果专项规划(2008－2015)》、《平江县环境保护“十二五”发展规划》、《湖南省平江县生态县建设规划(2013－2018)》，研究区在2010－2014 这一时间的景观破碎度有所降低，景观蔓延度指数有所提高，这表明在2010年以后，国家级地方政策的影响正在逐渐增长。在经历了一个没统一规划杂乱无序的景观格局变化之后，受国家及地方政策影响的统一规划、协调发展的景观格局正在逐步形成。

5 结论与讨论

5.1 结论

基于landsat 遥感影像资料，运用GIS、Fragstats 等软件分析研究区的景观格局各指数的变化及其驱动力，可以得出以下结论。

(1)2006－2012年平江县主要的景观类型分别是林地。研究期内平江县各景观类型水平上动态变化显著，其中变化量最大的景观类型是是林地，变化率最大的景观类型是裸地。

(2)从景观水平上看，2006－2014 这8a 时间内，研究区的景观格局虽有所变化，但总体呈一个较为稳定的水平。在2010年，受人为干扰严重，斑块总数量达到了最大值，景观破碎度也最为严重，但在2014年，景观破碎度有所降低，说明受人类活动干扰程度有所降低，而景观蔓延度指数有所提高，研究区总体景观格局是呈可持续发展趋势。

(3)引起研究区景观格局变化的驱动力主要包括近几年人口的迅速增长引起的土地利用类型转变;生产技术进步、农业机械化水平提高、农业产业结构调整引起的景观格局变化;受湖南省和平江县制定的相关政策、相关规划影响的统一规划、协调发展的景观格局正在逐步形成。

5.2 讨论

本文从类型水平、景观水平两层次分析了平江县景观格局的动态变化，在分析过程中所选取的各景观指数均很好的反映了研究期内平江县各尺度的景观格局变化情况，并取得了一个较为良好的效果。但在景观格局划分过程中，由于受限于遥感影像的解译精度，没有能够把林地景观类型细分为针叶林、阔叶林、灌木、竹林等景观类型，从而更细致的分析景观格局。在驱动因素上，本文还存在一些未分析的因素，如自然灾害、水土流失、工矿开采与环境污染等因素，这些因素也会对研究区景观格局变化造成一定程度的影响，受制于研究期限和相关资料的缺乏，本文没有分析这些因素，故这也是未来进一步的研究方向。

此外，本研究所采用的三期Landsat 遥感数据分别是Landsat－7 ETM(2006)、Landsat－5 TM 数据(2010)以及Landsat－8 ETM(2014)三颗不同卫星所获取的遥感数据，其对应波段的波长有所不同，是否会对各时期景观格局指数产生影响，仍需近一步讨论。

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［3］梅安新，彭望琭，秦其明，等．遥感导论［M］．北京:高等教育出版社，2001:39－40．

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［5］郑文兵，郑忠明，李加林，等．基于遥感数据的慈溪海涂围垦区景观格局分析［J］．海洋学研究，2014，32(3):58－64．

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［7］邬建国．景观生态学——格局、过程、尺度与等级［M］．北京:北京高等教育出版社，2000:100－115．