唐溥-20126649-資源學(xué)院1

1、 基于GIS的廣元市旺蒼縣土地利用景觀格局特征分析資源學(xué)院資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理（城鄉(xiāng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)方向）唐溥指導(dǎo)教師：張毅（副教授）摘要：以景觀生態(tài)學(xué)及其研究方法為理論基礎(chǔ),使用旺蒼縣國土局2010年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS和景觀指數(shù)軟件Fragstates4.2為技術(shù)手段,在面積度量、邊緣指標(biāo)和形狀指標(biāo)三個(gè)方面選取了破碎度、形狀指數(shù)、分維數(shù)、正方像元和邊界密度5個(gè)景觀格局指數(shù)，從景觀水平、景觀斑塊水平和景觀類型水平三個(gè)層次上計(jì)算其格局指數(shù)。結(jié)果表明：研究區(qū)景觀類型以林地，耕地為主，林地景觀面積最大，占76.23%。林地景觀破碎度最低，形狀指數(shù)與正方像元指數(shù)最大

2、。受人類活動(dòng)干擾影響，其他用地破碎化相對較大，而建設(shè)用地破碎度極大，受人為干擾程度極為強(qiáng)烈。關(guān)鍵詞：旺蒼縣土地利用景觀格局指數(shù)ArcGIS景觀生態(tài)學(xué)BasedonGISWangcangCountyinGuangyuanCitylandusecharacteristicsoflandscapepatternanalysisAbstract：Basedonthetheoryoflandscapeecologyanditsresearchmethods,usingthewangcangcountylandandresourcesbureau,whichbasedonthedataof2010land

3、changesurveydataingeographicinformationsystemsoftwareArcGISsoftwareFragstates4.2fortechnologyandlandscapeindex,indexandshapeindexontheedgeoftheareameasurement,threeaspects:theselectionoffragmentation,shapeindex,fractaldimension,thedensityoftetragonallikeyuanandboundaryfivelandscapepatternindex,fromt

4、helandscapelevel,thetypesoflandscapepatcheslevelandlandscapelevelindexcalculatingthepatternonthreelayers.Resultsshowthatthestudyarealandscapetypeinforestland,cultivatedlandisgivenpriorityto,forestlandscapeareaisthelargest,accountingfor76.23%.Forestlandscapefragmentation,shapeindexandtetragonallikeyu

5、anisthelargest.Affectedbyhumanactivitydisturbanceofotherlandfragmentationisoppositebigger,andtheconstructionlandfragmentationisgreat,thedegreeofhumandisturbanceisverystrong.Keywords:wangcangcountyLanduseLandscapepatternindexArcGISLandscapeecology前言景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置，是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，同時(shí)又包括各種生態(tài)過程在

6、不同尺度上作用的結(jié)果，而土地利用中的各土地利用類型可以理解為景觀生態(tài)學(xué)中的一個(gè)個(gè)景觀綴塊1；景觀格局的形成是非生物的、生物的、人為的多種因素在一系類景觀生態(tài)尺度上相互作用的結(jié)果，格局也同樣影響著區(qū)域的生態(tài)過程以及邊緣效應(yīng)2。景觀結(jié)構(gòu)是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心對象之一，將土地利用類型視為區(qū)域整體的景觀結(jié)構(gòu)體，其景觀生態(tài)學(xué)研究重點(diǎn)集中在空間格局的形成與生態(tài)過程的關(guān)系人類活動(dòng)與景觀結(jié)構(gòu)、功能的相互關(guān)系以及景觀異質(zhì)性的評價(jià)和維護(hù)管理。由于景觀生態(tài)學(xué)研究具有格局、過程、尺度的限制性，試驗(yàn)困難、數(shù)據(jù)獲取周期長、數(shù)據(jù)精確度低等問題的不斷涌現(xiàn)3，以往常用的景觀指數(shù)數(shù)量化方法已無法滿足人們對景觀格局分析的需要，3S

7、（RS、GIS和GPS）高新技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，為處理大規(guī)模的空間數(shù)據(jù)提供了可能，為景觀格局的調(diào)查、檢測和分析，提供了有效的手段和工具。近些年來，3S技術(shù)和景觀生態(tài)學(xué)方法相結(jié)合對土地利用景觀格局進(jìn)行分析研究取得良好效果；GIS在空間數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)、制圖和簡單的空間關(guān)系分析方面，其功能是比較強(qiáng)大而實(shí)用的。對景觀格局特征的研究旨在探究土地利用與景觀生態(tài)過程的相互關(guān)系，是了解自然環(huán)境與人類社會(huì)相互作用關(guān)系的重要途徑之一5。本文從景觀生態(tài)學(xué)原理和旺蒼縣國土局土地變更調(diào)查2010年數(shù)據(jù)出發(fā)，借助GIS技術(shù)對旺蒼縣土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行分析處理，按屬性將其土地利用類型歸類并導(dǎo)出地圖。將轉(zhuǎn)換后的GRID格式

8、數(shù)據(jù)導(dǎo)入景觀格局分析軟件Fragstates。選擇適宜的景觀格局指數(shù)，計(jì)算出本縣土地利用景觀格局指數(shù)數(shù)據(jù)，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析有助于從無序的土地利用景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)中找出潛在的相互關(guān)系6，揭示區(qū)域土地利用景觀的空間分布狀況。這將有利于準(zhǔn)確地把握旺蒼縣土地利用景觀空間分布、斑塊數(shù)量、功能等特征，進(jìn)而分析土地利用景觀格局與人類活動(dòng)的關(guān)系，幫助評價(jià)和預(yù)測土地利用規(guī)劃和設(shè)計(jì)可能帶來的額生態(tài)學(xué)后果。能為該縣科學(xué)編制土地利用規(guī)劃、促進(jìn)土地資源合理高效可持續(xù)續(xù)利用、實(shí)現(xiàn)人地和諧發(fā)展提供重要的參考7。1.研究區(qū)域概況與研究方法1.1研究區(qū)域概況旺蒼地處四川盆地北緣米倉山南麓東臨巴中市南江縣南接廣元市蒼溪縣西連廣元

9、市朝天區(qū)、利州區(qū)、元壩區(qū)北界陜西省寧強(qiáng)縣、南鄭縣。地理坐標(biāo)為東經(jīng)105。5&24至106。46,2北緯31。5&45至32。42,24縣域東西寬約75公里南北長約81公里幅員2975.864平方公里。距廣元市區(qū)50公里。屬中、低山地帶地勢北高南低嘉陵江一級(jí)支流東河南北縱貫。旺蒼地貌復(fù)雜、土地利用類型復(fù)雜多樣。相對海拔380-2281米縣城海拔458米。境內(nèi)山、丘、壩兼有地勢北高南緩腹部低平形成一條東西走向的槽谷地帶且橫貫全境北部鼓城山、光頭山、云霧山、漢王山、老君山、歐家坪等群峰雄踞構(gòu)成米倉山西段主體南部崇山突兀壑谷縱橫腹部丘壩相間溪河交錯(cuò)。旺蒼氣候溫和?？h境內(nèi)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，垂直氣候明

10、顯，氣溫年差大，月差小，四季分明，年均氣溫16.2C，年均日照1352.52小時(shí)，年均雨量1142毫米，年均無霜期266天?？偯娣e2976平方千米。2010年總?cè)丝谶_(dá)46萬人。全縣轄15個(gè)鎮(zhèn)、20個(gè)鄉(xiāng)。1.2數(shù)據(jù)來源旺蒼縣國土局2010年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)1.3研究方法GIS數(shù)據(jù)處理GIS技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展而不斷完善的，它不但能對圖形信息數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，還能完成數(shù)據(jù)的地理模型分析以及許多具有地理意義的數(shù)據(jù)處理8土地利用類型歸類：將旺蒼縣土地利用現(xiàn)狀圖添加到Arcmap，打開屬性表添加土地歸類字段，選擇屬性數(shù)據(jù)，利用字段計(jì)算器將旺蒼縣土地利用類型劃分為林地、耕地、草地、園地、建設(shè)用地

11、、水域、未利用地7類9景觀格局分布圖：在土地利用屬性中打開符號(hào)系統(tǒng)，選擇類別唯一值，在值字段中選擇已經(jīng)分好的土地歸類，添加所有值，得到圖斑布局。將數(shù)據(jù)視圖改為布視圖，插入圖例等，最后導(dǎo)出地圖為png或jpeg格式。景觀格局定量分析法景觀格局指數(shù)選擇：伴隨對景觀格局研究的深入，景觀格局分析的指標(biāo)和方法被提出了不少，其中的景觀指數(shù)方法在景觀結(jié)構(gòu)的描述、比較和動(dòng)態(tài)研究中的應(yīng)用比較廣泛10?；谕恋乩谩⑼恋馗脖粓D的景觀指數(shù)分析法已經(jīng)成為主要的定量分析方法11。本文景觀指數(shù)的選擇將根據(jù)景觀格局分布圖的圖斑特征而決定，本研究區(qū)域是包括若干景觀斑塊類型的整個(gè)景觀鑲嵌體，因此所選景觀指數(shù)需最大限度的濃縮區(qū)域

12、景觀格局特征信息，來反映景觀斑塊組成間的聯(lián)系和空間格局特征。選取了基于景觀總體的景觀格局指數(shù)有12：分維數(shù)、形狀指數(shù)、破碎度指數(shù)、正方像元指數(shù)。計(jì)算方法：GIS制圖綜合后的土地景觀數(shù)據(jù),通過ArcGIS空間分析模塊，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定分辨率（粒度）的柵格圖像，利用景觀分析專用軟件Fragstats計(jì)算景觀格局指數(shù)。具體指數(shù)及計(jì)算方法、生態(tài)學(xué)意義見表3。表1景觀格局指數(shù)計(jì)算方法和生態(tài)學(xué)含義序號(hào)名稱計(jì)算方法生態(tài)學(xué)含義Fd=21n(P/4)/ln(A)表示一定觀測尺度1分維數(shù)（Fd）P：斑塊周長；A：景觀總面積上斑塊和景觀格局的復(fù)雜程度0.25ELSIA表示斑塊或景觀形2形狀指數(shù)（LSI）AE:斑

13、塊總長度，A為景觀總面積狀復(fù)雜程度，LIS值越大，形狀越復(fù)雜C=N/A景觀被分割的破碎程度，在一定程度上3破碎度指數(shù)（C）N:斑塊數(shù)，A：景觀總面積反映了人為的干擾程度SQP1-4入4正方像元指數(shù)（SQP）E描述景觀斑塊形狀A(yù)：景觀總面積，E：景觀總周長的方正程度5ED=106E/A描述景觀內(nèi)部斑塊邊界密度（ED）E：斑塊邊界總長度，A：景觀總面積邊界多少，一定程度上反映破碎程度2.結(jié)果與分析2.1土地利用景觀要素分布從旺蒼縣土地利用類型景觀分布圖可以看出，林地景觀分布最廣、連通性最好，在研究區(qū)域中處于優(yōu)勢地位，成為區(qū)域景觀的基質(zhì)13。耕地主要分布在河谷地帶且南部地區(qū)耕地面積較為集中。草地主要

14、分布在該區(qū)域的中部以及北部。園地則主要分布在南部緩坡地帶。建設(shè)用地多布局在地勢平坦的河谷，東河河谷兩岸的城鎮(zhèn)，工礦用地和居民點(diǎn)較為集中。旺蒼縣水網(wǎng)密布，東河是旺蒼縣的母親河，本縣主要水域水網(wǎng)由其支流水面構(gòu)成。特殊用地主要是由廟宇、北部米倉山和七里峽風(fēng)景區(qū)構(gòu)成。不難看出林地外其他用地類型多分布在地勢較為低平的河谷地帶，其格局狀態(tài)從大尺度上說明是受到非生物因素干擾，由于地質(zhì)、地貌、氣候等非生物因素的空間異質(zhì)性變化是很緩慢的，為此旺蒼縣土地利用現(xiàn)狀格局的分布特征非生物干擾可以看做是相對靜止；從圖中可以看出：河流成為整個(gè)區(qū)域的廊道，城鎮(zhèn)與耕地成為重要的景觀格局構(gòu)成要素，因此，旺蒼縣土地利用現(xiàn)狀景觀格局

15、的形成從大尺度上看是由非生物因素和人為因素共同構(gòu)成。旺蒼縣景觀分布圖表1旺蒼縣景觀格局總體特征園地斑塊數(shù)冷、:/個(gè)斑塊數(shù)比重斑塊周長/km/%18.032.2景觀格局總體特征分析|朕他所宵值歸類I景觀林地，滸17411I38411草地-30435327.20753.S耕地39.770.31134.67園地18901.961316.80水域20702.142641.21建設(shè)用地3569836.966175.83未利用地7940.82332.45斑塊周長比斑塊總面積斑塊總面積重/%/km2比重/%48.182278.1776.2310.S14Miles37.36561.9318.800.182.6

16、20.091.8033.611.123.6033.371.128.4272.912.440.455.800.19研究區(qū)域8個(gè)景觀類型的斑塊總數(shù)為96578個(gè)，斑塊總面積為2975.864平方公里,斑塊分配不均勻，林地面積占整個(gè)景觀總面積的76.23%,斑塊數(shù)目占整個(gè)區(qū)域比例接18.03%（表1）,從圖1也可以看出林地的在該縣景觀格局中具有主導(dǎo)作用。耕地斑塊比重為39.77%，面積比重為18.80%，周長比重為37.36，說明耕地斑塊分散，破碎度較高，受人為干擾程度較大。其次是建設(shè)用地，用地面積占2.44%，斑塊數(shù)比重為36.96%，說明建設(shè)規(guī)模小，村莊居民點(diǎn)多而分散。園地與水域面積比重均為1.

17、12%，斑塊數(shù)比重分別為1.96%和2.14%，說明園地和水域破碎較小。最后是未利用地和草地，其面積比重分別為0.19%和0.09%，斑塊數(shù)比重為0.82%和0.31%，面積比重之和為0.28%很小，而斑塊比重之和為1.13%相對較大，說明這兩種景觀斑塊的破碎化較大。2.3景觀斑塊特征分析2.3.1景觀的斑塊規(guī)模特征分析從表2可知，旺蒼縣景觀斑塊面積最大的是林地，最小的是建設(shè)用地。景觀類型的平均斑塊面積的大小順序?yàn)椋毫值貓@地耕地水域草地未利用地建設(shè)用地。林地平均斑塊面積最大說明斑塊之間的連通性最好，破碎度最??；建設(shè)用地的值最小，破碎化程度最高。耕地、草地、水域和未利用地景觀類型破碎化程度也較高

18、，與人類活動(dòng)的干擾程度相關(guān)。景觀類型斑塊面積的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)可以反映同一景觀類型斑塊面積的變動(dòng)幅度。景觀類型斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差大小順序?yàn)椋毫值厮驁@地耕地建設(shè)用地未利用地草地；變異系數(shù)大小依次為：林地建設(shè)用地水域耕地園地未利用地草地；說明林地景觀斑塊面積變動(dòng)的程度大，異質(zhì)性強(qiáng)烈。研究區(qū)域林地景觀斑塊的面積差異很顯著，表明林地斑塊受人類活動(dòng)的影響最?。黄渌坝^類型的斑塊面積異質(zhì)性相對較小，說明其受人類活動(dòng)的干擾程度較大。表2旺蒼縣斑塊規(guī)模特征景觀類型最小值/km2最大值/km2平均值/km2標(biāo)準(zhǔn)差/km2變異系數(shù)林地0.1438.820.13080.85897.15耕地0.091.160.0146

19、0.03232.21草地0.380.070.00860.01081.26園地0.230.460.01780.03572.01水域0.160.510.01610.04222.62建設(shè)用地0.101750.00200.01466.56未利用地0210.01461.922.3.2景觀斑塊的破碎特征分析破碎度指數(shù)描述的是景觀被分割的破碎程度與景觀空間構(gòu)成的復(fù)雜性，它是由于自然或人為干擾所導(dǎo)致的景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程。景觀的破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一，它與自然資源保護(hù)密切相關(guān)，在一定程度上反映出人類活動(dòng)對景觀的干擾程度。破碎

20、度指數(shù)指數(shù)的大小順序依次為：建設(shè)用地未利用地草地耕地水域園地林地；（表3）由此說明林地景觀的破碎度最小，受到人類活動(dòng)干擾的程度最小，其空間異質(zhì)性和連續(xù)性更強(qiáng)，物多樣性更好；而建設(shè)用地破碎度最大，空間結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜；未利用地。草地和耕地等也受到較大的人類干擾。表3旺蒼縣斑塊破碎特征景觀類型破碎度指數(shù)/個(gè)/km2邊界密度/km/km2林地7.6415.51耕地68.3648.75草地116.1951.45園地56.2339.18水域62.0379.14建設(shè)用地489.6384.71未利用地136.8357.29景觀的邊緣密度是表示景觀邊緣效應(yīng)的指標(biāo)14，反映了景觀類型破碎化程度的大小。單位面積的周長

21、越大則代表景觀類型被邊界分割程度越高；反之，表示景觀類型的破碎化程度低。從表3可看出林地的邊緣密度最小，其值為為15.51km/km2，說明其破碎化程度最小，邊緣密度最大值為建設(shè)用地的84.71km/km2，表明其破碎化程度最大。2.3.3景觀斑塊的形狀特征分析景觀斑塊不規(guī)則或偏離正方形的時(shí)候，形狀指數(shù)值會(huì)增大，由表3可知，形狀指數(shù)的大小順序?yàn)椋毫值馗亟ㄔO(shè)用地水域園地未利用地草地，說明草地的形狀更接近于正方形，林地的斑塊形狀偏離正方形最多?？梢钥闯霭邏K的形狀復(fù)雜程度與斑塊面積的大小比重大致上呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。林地的不規(guī)則其原因?yàn)榘邏K更加連續(xù)而景觀斑塊總面積最廣，是本區(qū)域的景觀基底；建設(shè)用地、

22、水域、園地、未利用地和草地面積相對較小，受到人為干擾也更大，因此其斑塊形狀較為規(guī)則。表4旺蒼縣斑塊形狀特征景觀類型形狀指數(shù)正方像元指數(shù)分維數(shù)林地185.040.99671.45耕地143.470.99621.56草地0.710.95201.41園地6.900.98241.47水域13.830.99141.55建設(shè)用地32.350.99101.57未利用地1.740.97101.48正方像元指數(shù)的取值范圍為01,當(dāng)景觀斑塊的形狀接近正方形時(shí),指數(shù)值趨近于0,當(dāng)斑塊的形狀越來越復(fù)雜或偏離正方形的時(shí)候，值漸趨于1.。從表3可得，斑塊的正方像元指數(shù)順序?yàn)榱值馗厮蚪ㄔO(shè)用地園地未利用地草地,可以看出林

23、地的形狀更為復(fù)雜,其次是耕地和建設(shè)用地。從總體上看,該縣的景觀斑塊正方像元指數(shù)都比較接近1,說明該縣的景觀類型總體上不規(guī)則,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。也不難看出正方像元指數(shù)與形狀指數(shù)具有一定的相關(guān)性。分維數(shù)理論取值范圍為12,1.0代表形狀最簡單的正方形斑塊，斑塊自我相似性越強(qiáng)則分維數(shù)越接近于1,受人為干擾的影響就越弱，2.0表示斑塊在等面積情況下邊緣最復(fù)雜的斑塊，受到人類活動(dòng)干擾越多。分維數(shù)的大小順序?yàn)椋航ㄔO(shè)用地耕地水域未利用地園地草地林地（見表4）,可見，人類活動(dòng)越來頻繁的景觀類型，其值越大，林地受到人類干擾的程度較小。4.結(jié)論通過對廣元市旺蒼縣土地利用景觀格局特征分析結(jié)果表明：研究區(qū)域7類土地利用類型景

24、觀中，林地比重75.23%，分維數(shù)值最低，林地景觀面積最大、分布最廣、連續(xù)性更大，因此林地是本研究區(qū)域的基底；林地破碎度最小，說明區(qū)域內(nèi)的土地生態(tài)環(huán)境還未受到嚴(yán)重脅迫性干擾，人為影響較小。林地和耕地的總面積占區(qū)域整體土地面積的95.03%,是該地區(qū)的絕對的景觀生態(tài)主體,同時(shí)也說明農(nóng)林業(yè)在該縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具舉足輕重的地位和作用。本區(qū)域南部地區(qū)因處于河流中下游地段，河流充當(dāng)聯(lián)系北部高山區(qū)與南部中低山區(qū)的廊道，進(jìn)行著景觀區(qū)間物質(zhì)和能量的輸送，流水的堆積作用促成耕地資源相對集中于南部區(qū)域；南部區(qū)域土地開發(fā)利用程度較高,但受制于地形等自然條件，不利于農(nóng)業(yè)規(guī)?；图s化發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較為低下。園地大

25、多分布于南部低山緩坡地帶,這對區(qū)域未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展方向具有實(shí)驗(yàn)性意義，本研究區(qū)域林地資源豐富，利用多種用地類型鑲嵌分布，可在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的條件下，實(shí)施農(nóng)林果立體開發(fā)，這對區(qū)域物質(zhì)和能量的遷移也有重要作用，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高有重要意義。建設(shè)用地破碎度、分維數(shù)和邊緣密度最大，布局較為分散，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模化較小，說明旺蒼縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)不很發(fā)達(dá)。以旺蒼縣國土局2010年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用GIS軟件進(jìn)行數(shù)字化處理并選擇具有代表性的景觀格局特征指數(shù)，運(yùn)用Fragstates軟件對旺蒼縣土地利用景觀格局特征做了深入的研究和分析,這有利于掌握該研究區(qū)域土地利用景觀的空間布局狀況，發(fā)現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀中的優(yōu)勢與不足，從而為科學(xué)制定區(qū)域未來土地利用規(guī)劃提供良好依據(jù)同時(shí)對實(shí)現(xiàn)本區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與自然生態(tài)良性發(fā)展具有重要意義。參考文獻(xiàn)1HanM,SunYN,XuSG,etal.StudyonchangesofmarshlandscapepatterninZhalongwetlandassistedbyRSandGIS.ProgressinGeography,2005,24(6):42249.2張侃，張建英，陳英旭，等.基于