趙玏洋

(安徽大學(xué)， 安徽 合肥 230601)

近年來(lái)升金湖自然保護(hù)區(qū)土地利用空間格局變化特征分析

趙玏洋

(安徽大學(xué)， 安徽 合肥 230601)

根據(jù)1995、2000、2005、2009、2013年Landsat影像，利用監(jiān)督分類方法(平行六面體、最大似然、最小距離、馬氏距離)進(jìn)行解譯，利用高分一號(hào)影像對(duì)不同解譯方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)解譯方法。利用最優(yōu)解譯方法解譯得到升金湖保護(hù)區(qū)5個(gè)時(shí)期的土地利用圖。在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS景觀格局分析工具，通過分析其水域面積、圖斑數(shù)、破碎度等要素，得出不同時(shí)期的土地利用和景觀格局變化。土地利用變化是自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果，利用對(duì)近20年土地利用空間格局變化特征分析的研究，為區(qū)域土地利用開發(fā)和資源的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

土地利用變化；監(jiān)督分類；馬氏距離法；景觀格局分析；破碎度

升金湖是安徽省第一個(gè)以保護(hù)水禽為主的濕地類型國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，瀕臨長(zhǎng)江南岸地處池州市境內(nèi)。該濕地是我國(guó)保存十分完好的重要濕地，有大片淺水、泥潭和沼澤區(qū)，湖內(nèi)水質(zhì)良好，有機(jī)質(zhì)豐富，生物種類繁多，生境類型豐富，生態(tài)系統(tǒng)較為完整穩(wěn)定。升金湖積水區(qū)內(nèi)局部水土流失嚴(yán)重，保護(hù)區(qū)內(nèi)人口多，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，保護(hù)與開發(fā)的矛盾突出。其生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，洪澇災(zāi)害、過度開發(fā)等自然和人為活動(dòng)引起了升金湖生態(tài)系統(tǒng)的退化。

對(duì)近20年來(lái)的升金湖保護(hù)區(qū)土地利用空間格局變化進(jìn)行分析，正確、全面地認(rèn)識(shí)升金湖保護(hù)區(qū)耕地林地特性的空間變異狀況，了解作物生長(zhǎng)與林地濕地的適宜和耦合機(jī)制；研究升金湖保護(hù)區(qū)的空間格局變化特征分析，有利于升金湖保護(hù)區(qū)生態(tài)的保護(hù)與恢復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而更好地推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的開展；目前關(guān)于升金湖自然保護(hù)區(qū)研究較少，利用對(duì)近20年土地利用空間格局變化特征分析的研究，為區(qū)域土地利用開發(fā)和資源的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

在對(duì)升金湖保護(hù)區(qū)進(jìn)行土地利用變化的空間差異與影響的對(duì)比研究時(shí)，利用20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初的5期遙感數(shù)據(jù)，通過遙感解譯，對(duì)比分析升金湖保護(hù)區(qū)不同空間土地利用格局變化和土地利用類型變化的分異特征，定量評(píng)價(jià)土地利用的空間差異性及異質(zhì)性。本文選擇升金湖保護(hù)區(qū)及自然保護(hù)區(qū)周圍的緩沖區(qū)，進(jìn)行典型區(qū)域的土地利用變化及其影響的對(duì)比研究，分析區(qū)域土地利用變化的空間差異特征，客觀認(rèn)識(shí)近20年升金湖保護(hù)區(qū)土地利用的空間配置及水資源的空間變化，為流域水土資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 原理與方法

本文借助ENVI軟件對(duì)影像進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正、鑲嵌和裁剪，以獲得研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。校正后的影像統(tǒng)一采用地理坐標(biāo)系為WGS-84。參考《土地利用總體規(guī)劃編制規(guī)程》《土地利用現(xiàn)狀分類》及相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，通過監(jiān)督分類將升金湖濕地的土地利用現(xiàn)狀分為耕地、林地、草地、水體、房屋建筑區(qū)、裸地6大類。以2013年的Landsat8影像為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)影像進(jìn)行分類，并選取為訓(xùn)練對(duì)象，選取相近年份、月份的高分影像為檢驗(yàn)對(duì)象。對(duì)每一種監(jiān)督分類的方法做出對(duì)地表真實(shí)ROIS(Using Ground Truth ROIs)的混淆矩陣(Confusion Matrix)。最后，在ArcMap中，用景觀格局變化分析工具插件(Patch Analyst: Patch Grid)對(duì)之前做好的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀格局動(dòng)態(tài)分析。

2 研究結(jié)果

2.1 解譯方法的選擇與精度評(píng)價(jià)

根據(jù)目視解譯結(jié)果選擇訓(xùn)練樣本后，利用監(jiān)督分類的4種分類算法對(duì)影像進(jìn)行分類。分類結(jié)果如圖1所示。

圖1 對(duì)2013年影像用4種分類方法分類后結(jié)果

選取2013年的Landsat8影像為訓(xùn)練樣本，選取相近年份、月份的高分影像為檢驗(yàn)樣本。做出混淆矩陣以后，這4種分類結(jié)果的精度見表1。

表1 混淆矩陣做出4種監(jiān)督分類的分類精度

經(jīng)混淆矩陣分析可得出以下結(jié)論：馬氏距離和最大似然這兩種分類方法得出的效果較好。其中，馬氏距離法的總體分類精度超過85%，Kappa系數(shù)超過了0.8；而最大似然法的總體分類精度也超過了85%，Kappa系數(shù)為0.793 0。

2.2 不同年份土地利用類型解譯結(jié)果

如圖2所示，1995年選取的是馬氏距離法解譯的結(jié)果。在影像中部有成片草地出現(xiàn)，地物類型是否識(shí)別正確還需要進(jìn)一步探究。

2000年9月15日這景影像同樣選用馬氏距離法進(jìn)行分類。這幅影像右部有少量的云，筆者并沒有把云單獨(dú)分為一類，原因是云的數(shù)量很少，分布比較松散，也比較薄，在云的邊界部分甚至有一分部林地的光譜信息透過。暫時(shí)小片云被分類成了建筑區(qū)，這樣看起來(lái)在解譯結(jié)果里裸地的面積比較大，不過都是因?yàn)樾∑脑茖?dǎo)致的。

2005年9月2日的影像分類結(jié)果較好，影像的獲取時(shí)間與1995年的影像是同月同日，并且沒有云覆蓋。

2009年選取的是5月3日的數(shù)據(jù)，有7%被云覆蓋。因?yàn)樵聘采w的面積較多，所以需要單獨(dú)新增一個(gè)地物類型。云大多數(shù)在影像的右下角出現(xiàn)，左上方耕地部分也有少量的云存在。這幅影像的季節(jié)是春夏季，耕地范圍較春秋季要多一些；同時(shí)，升金湖水域周圍的濕地在這個(gè)季節(jié)生長(zhǎng)最茂盛，因此在水域周圍會(huì)出現(xiàn)成片的草地。馬氏距離在解譯這幅影像時(shí)整體質(zhì)量較好，將房屋建筑區(qū)與裸地劃分得比較好。整幅影像被云覆蓋的周圍地區(qū)也沒有錯(cuò)誤的判讀。

2013年選取的是5月31日的影像，使用的方法同樣是馬氏距離法，無(wú)云覆蓋。因?yàn)榕c2009年影像在季節(jié)上很接近，所以地物類型有如下共性：①耕地較多。這個(gè)季節(jié)作物長(zhǎng)勢(shì)良好，一般在升金湖自然保護(hù)區(qū)，周圍水域面積比較大，農(nóng)作物會(huì)選擇水稻。5月恰好是種植期，9月10月是收成期，故5月耕地面積會(huì)較多。②濕地面積大。這個(gè)季節(jié)植物生長(zhǎng)茂盛，充足的水供應(yīng)也會(huì)讓水域附近地區(qū)產(chǎn)生較多的濕地。

圖2 不同年份土地利用類型解譯結(jié)果

2.3 土地利用格局分析

2.3.1 不同地物類型面積

分析表2、圖3不難發(fā)現(xiàn)，這20年來(lái)水域面積變化并不是很明顯。在2000—2005年的這段時(shí)間內(nèi)，升金湖保護(hù)區(qū)的水域面積有所增加。結(jié)合2009年升金湖地區(qū)的建設(shè)，導(dǎo)致在2009年水域面積有所波動(dòng)。而2011年升金湖上湖的生態(tài)修復(fù)工程，使水域面積相比于2009年又有所增加?？傮w來(lái)說，在這20年內(nèi)，水域面積一直都有所波動(dòng)，并在1995年達(dá)到了頂峰，2013年經(jīng)過生態(tài)保護(hù)工程后水域面積又接近到1995年的水平。

林地面積變化較為顯著。2000年以后，每年的林地面積逐年上升且在2009年達(dá)到最大值，2009年及2013年的林地面積都高于其他年份。原因如下：①在2000年升金湖被列為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，由于政策的原因，當(dāng)?shù)氐牧值乇Ｗo(hù)完好，且面積有逐年遞增之勢(shì)；②2009、2013年的影像均為5月，其他年份的影像數(shù)據(jù)均為9月。根據(jù)常識(shí)，5月植物的生長(zhǎng)狀況必然大于9月植物的生長(zhǎng)狀況，因此2009、2013年影像林地面積均大于其他年份。

表2 不同年份影像地物類型面積 m2

圖3 1995—2013年不同地物類型面積變化

耕地在這20年間面積變化不大，可以看出保護(hù)區(qū)內(nèi)居民對(duì)升金湖保護(hù)區(qū)內(nèi)作物種植需求很穩(wěn)定。

建筑區(qū)面積一直是在保護(hù)區(qū)內(nèi)地物類型面積占比中最小的。建筑區(qū)面積在2000年時(shí)最小(1463 m2)，2005年達(dá)到頂峰，為3312 m2，并在以后8年內(nèi)呈遞減的趨勢(shì)。

草地裸地的面積變化均在理想及可控的誤差范圍內(nèi)，2000年9月15日的影像中，裸地面積過大可能是早稻成熟的緣故，收割過后的耕地被計(jì)算機(jī)識(shí)別為裸地。

2.3.2 圖斑數(shù)

運(yùn)用圖斑數(shù)的概念，從表3、圖4中可以分析出耕地在1995—2009年沒有顯著的變化，但是在2013年有了明顯的增加。2013年影像獲取時(shí)間是2013年5月31日，而在這個(gè)時(shí)間段，升金湖保護(hù)區(qū)內(nèi)的耕地可能在進(jìn)行收割油菜種植水稻的過程，不同種植區(qū)內(nèi)收割和種植的時(shí)間也會(huì)有不同，計(jì)算機(jī)在判讀的過程中容易將收割后插秧前這段時(shí)間內(nèi)的地物類型判別為裸地或草地，因此產(chǎn)生較大的空間差異性可以理解。

表3 不同年份不同地物類型圖斑數(shù)

圖4 不同年份不同地物類型圖斑數(shù)

房屋建筑區(qū)在1995年分布得非常分散，隨著1997年升金湖成為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，結(jié)合升金湖地區(qū)1994、1997年保護(hù)區(qū)周圍大橋的修建，2004年沿江高速的開通，升金湖自然保護(hù)區(qū)內(nèi)交通更為方便，保護(hù)區(qū)內(nèi)人口從原先的分布十分分散到現(xiàn)在分布較為聚集，房屋建筑區(qū)的數(shù)量也較20年前有了明顯的增加，在2013年的影像中甚至可以發(fā)現(xiàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)已經(jīng)形成了村莊大小的房屋建筑聚集區(qū)。

水域面積的大小一直較為穩(wěn)定。不難看出附近居住人口對(duì)升金湖保護(hù)區(qū)的保護(hù)工作較為注意，或者是保護(hù)區(qū)內(nèi)人口環(huán)境保護(hù)意識(shí)很強(qiáng)，亦或者是國(guó)家對(duì)升金湖保護(hù)區(qū)的保護(hù)政策行之有效。

林地的圖斑數(shù)在2009年達(dá)到了極值，其他年份圖斑數(shù)變化并不大，屬于正常變化范圍。2009年圖斑數(shù)大的原因筆者認(rèn)為是影像中含有的部分云導(dǎo)致。裸地和草地圖斑數(shù)波動(dòng)較大。草地和裸地這兩種地物類型對(duì)比水體以及房屋建筑區(qū)更加的不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常波動(dòng)的狀態(tài)。

2.3.3 破碎度

破碎度在對(duì)景觀格局分析的作用上與圖斑數(shù)類似，都是用于分辨不同地物類型的空間差異性。相似與圖斑數(shù)，破碎度越高，空間異質(zhì)性越大，地物內(nèi)部之間變化越劇烈。破碎度的取值范圍為0～1。

從圖5—圖6可以看出,破碎度在這20年內(nèi)總體波動(dòng)范圍不大。1995年升金湖保護(hù)區(qū)破碎度最高，究其原因是，在1995年前后升金湖經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不高，國(guó)家沒有對(duì)升金湖周圍進(jìn)行有效的保護(hù)和治理；同時(shí)，保護(hù)區(qū)周圍的公路及橋梁也尚未修建完成，房屋建筑區(qū)、裸地及部分耕地分布也比較松散，并且在1995年升金湖保護(hù)區(qū)內(nèi)還有很大未被開發(fā)為耕地的地方。由于地物內(nèi)部分布較為松散，因此在1995年破碎度指數(shù)最高。2013年破碎度指數(shù)的上升，筆者認(rèn)為主要是由于2013年耕地的破碎度值非常高所導(dǎo)致的。在升金湖保護(hù)區(qū)邊界內(nèi)，耕地是除了水體和林地以外面積最大的地物類型，而水體和林地光譜特征較為明顯，較易判別，因此耕地是影響破碎度指數(shù)最大的因素。

3 結(jié) 論

本文主要運(yùn)用馬氏距離法對(duì)影像進(jìn)行了分類，分類結(jié)果良好。受制于影像分辨率等因素，部分地物類型分辨的并不是很清楚。

從地物類型面積變化上來(lái)看，這20年來(lái)水域面積變化并不是很明顯；耕地面積較為穩(wěn)定，一直在15 000 m2左右；林地面積在影像中占比例最大，并且林地面積有一定的波動(dòng)；草地面積越來(lái)越少，在2009年達(dá)到最小值，為4285 m2；建筑區(qū)面積在影像里一直都是最小的，在2005年達(dá)到頂峰(3312 m2)，其他年份大小波動(dòng)不大。

圖5 所有地物類型破碎度指數(shù)年際變化

圖6 不同地物類型破碎度指數(shù)年際變化

從圖斑數(shù)變化上可以得到，從1995—2013年，總體的圖斑數(shù)大體呈上升趨勢(shì)。耕地的圖斑數(shù)在1995—2009年里保持著穩(wěn)定的小范圍波動(dòng)，從2009年以后幅度較大。房屋的圖斑數(shù)在1995年就達(dá)到峰值，2000—2013年形成了較為穩(wěn)定的波動(dòng)。水體在這20年內(nèi)變化的范圍不大，一直較為穩(wěn)定。

從不同年份所有地物類型的破碎度指數(shù)上可以看出1995年升金湖保護(hù)區(qū)破碎度達(dá)到峰值。耕地在1995—2009年處于緩慢的波動(dòng)中,之后于2013年形成了猛烈的增長(zhǎng)。林地的空間差異性波動(dòng)較大。房屋建筑區(qū)的破碎度折線圖走勢(shì)與房屋建筑區(qū)的圖斑數(shù)折線圖走勢(shì)類似。水體的破碎度指數(shù)在這20年內(nèi)的變化范圍較為平穩(wěn)，維持在0.01左右。草地和裸地這兩種地物類型對(duì)比水體及房屋建筑區(qū)更加的不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常波動(dòng)的狀態(tài)。

[1] 王根緒，劉進(jìn)其，陳玲.黑河流域典型區(qū)土地利用格局變化及影響比較[J].地理學(xué)報(bào)，2006，61(4)：339-348.

[2] LAMBIN E F, BAULIES X, BOCKSTEAL N E，et al. Land-use and Land-cover Change:Implementation Strategy[J].Shock,2002,30(3):21-66.

[3] VOROSMARTY C J，GREEN P，SALISBURY J,et al. Global Water Resources: Vulnerability from Climate Change and Population Growth[J].Science,2000,289(5477):284-288.

[4] DWFRIES R，ESHLEMAN K N. Land-use Change and Hydrologic Processes: a Major Focus for the Future[J]. Hydrological Processes,2004,18(11):2183-2186.

[5] 王根緒，程國(guó)棟，徐中民.中國(guó)西北干旱區(qū)水資源利用及其生態(tài)環(huán)境問題[J].自然資源學(xué)報(bào),1999,14(2):109-116.

[6] 萬(wàn)瑋，肖鵬峰，馮學(xué)智，等.衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)近 30 年來(lái)青藏高原湖泊變化[J].科學(xué)通報(bào)，2013,8(8):701-714.

[7] 王蘇民，竇鴻身. 中國(guó)湖泊志[M].北京: 科學(xué)出版社，1989.

[8] LIU J S，WANG S Y，YU S M，et al. Climate Warming and Growth of High-elevation Inland Lakes on the Tibetan Plateau[J]. Global Planet Change,2009，67(3):209-217.

[9] 盛書薇，董斌，李鑫，等.升金湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào),2015,35(3):305-310.

[10] 吳春篤，石馳，張波，等.北固山濕地AHP方法生態(tài)評(píng)價(jià)[J].人民長(zhǎng)江，2007，38(1):78-80.

[11] 楊李，董斌，汪慶，等.安徽升金湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)水鳥生境適宜性變化[J].湖泊科學(xué),2015,27(6)：1027-1034.

[12] 張淑霞，董云仙，夏峰.湖泊生態(tài)系統(tǒng)的水鳥監(jiān)測(cè)意義[J].湖泊科學(xué)，2011， 23 (2):155- 162.

[13] 趙宏.城市土地利用動(dòng)態(tài)變化及空間格局研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[14] 王秀蘭，包玉海.土地利用動(dòng)態(tài)變化研究方法討論[J].地理科學(xué)進(jìn)展，1999,18(1):81-87.

[15] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，劉明亮，莊大方，等.中國(guó)近期土地利用變化的空間格局與驅(qū)動(dòng)力分析[C]∥土地覆蓋變化及其環(huán)境效益學(xué)術(shù)研討會(huì).北京：中國(guó)地理學(xué)會(huì)，2005.

[16] 田光進(jìn).基于遙感與GIS的農(nóng)村居民點(diǎn)景觀特征比較[J].遙感信息，2002(4):31-34.

[17] 孫希華.基于GIS的濟(jì)南泉域土地利用變化格局的研究[J].測(cè)繪與空間地理信息.2004,27(3):26-30.

[18] 宋成舜,陳志.湖南省南縣土地利用動(dòng)態(tài)變化研究[J].國(guó)土資源科技管理，2006,23(4):21-25.

[19] 王力.基于“3S”技術(shù)的小城鎮(zhèn)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

TheCharacteristicsAnalysisofLand-useinSpatialPatternChangeofShengjinLakeNatureReserveinRecentYears

ZHAO Leyang
(Anhui University,Hefei 230601，China)

According to the image of Landsat TM in 1995，2000，2004，2009 and 2013，this paper uses supervised classification (parallelepiped，maximum likelihood，minimum distance，Mahalanobis distance) to interpret it, and makes use of high-resolution image evaluate different interpretation methods, then determines the best method of interpretation. Using the optimal interpretation method obtained the map of land-use and land-cover change in Shengjin Lake reserve by means of 5 times image. And on this basis，use of ArcGIS landscape pattern analysis tool，by analyzing the water area，the number of polygons，fragmentation and other factors，obtain land-use and landscape pattern changes in different periods. Land-use change combined the result of natural factors and human factors，researching the spatial pattern of land-use change analysis for the past 20 years，can provide us the basis for sustainable development of the regional land use and development of resources.

land-use change; supervised classification; Mahalanobis distance; landscape pattern analysis; fragmentation

趙玏洋.近年來(lái)升金湖自然保護(hù)區(qū)土地利用空間格局變化特征分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(10)：95-99.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0323.

2017-09-03

趙玏洋(1994—)，男，碩士生，研究方向?yàn)檫b感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析。E-mail： 775738850@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)10-0095-05