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三亞市土地利用景觀格局穩(wěn)定性及動態(tài)變化摘要:基于MapGISlO平臺,利用三亞市2004、2008、2013和2017年的衛(wèi)星遙感影像,從景觀結構、景觀類型和景觀異質性等方面分析研究區(qū)的景觀格局特征;采取主成分分析方法,建立三亞市景觀格局整體評價模型,對三亞市景觀格局穩(wěn)定性及動態(tài)變化進行定量分析.結果表明:在14年間研究區(qū)的土地利用類型變化較大,各地類間相互轉換頻繁,其中林地、園地、建設用地、耕地之間的轉化決定著研究區(qū)土地利用類型的變化特征;2004、2008、2013和2017年三亞市土地利用空間結構穩(wěn)定性指數(shù)分別為8.65、493、438和4.13,整體上景觀格局穩(wěn)定性呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢;林地、耕地和園地為研究區(qū)的主要景觀類型,對調(diào)控景觀穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用.城市化的進程加快,使得三亞市土地破碎化程度有所上升.關鍵詞:穩(wěn)定性;景觀格局;土地利用;動態(tài)變化;三亞市從景觀生態(tài)學看,穩(wěn)定性是土地利用格局特征及生態(tài)過程的持續(xù)性,反映了區(qū)域土地利用方式與環(huán)境條件共同對抗干擾或擾動的能力.景觀穩(wěn)定性一般指生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通常景觀各種參數(shù)的長期變化呈現(xiàn)水平狀態(tài)則稱景觀是穩(wěn)定的,或是在水平線上下擺動的幅度和周期具有統(tǒng)計特征,可以作為城市生態(tài)發(fā)展的一種重要參考指標(1).通過研究城市土地利用的斑塊數(shù)量、斑塊異質性與土地利用方式等指標,得出綜合性的評價結論,找出優(yōu)勢景觀,對相關部門采取決策,建設綠色城市、優(yōu)化城市布局具有較強的研究價值和現(xiàn)實作用⑵.從概念內(nèi)涵來看,國內(nèi)學者大多從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā),采用持久性、慣性、彈性等概念來表征景觀格局穩(wěn)定性[3].從分析手段及表層來看,大多定性地從景觀指標層面、景觀指數(shù)方面表達景觀格局穩(wěn)定性(45),鮮有采用定量手段分析景觀格局穩(wěn)定性的研究成果.從研究區(qū)域來看,景觀穩(wěn)定性的研究大多是針對森林、濕地、河流,對城市土地的景觀格局穩(wěn)定性研究還較少,且已有的研究成果大多是單一維度的分析,如彭保發(fā)等(句采用主成分分析,運用ArcGIS9.3和FRAGSTATSVersion3.3軟件對常德市9縣(市、區(qū))進行景觀格局的穩(wěn)定性研究,得出林地和耕地為優(yōu)勢景觀,為常德市的科學發(fā)展提供了重要的依據(jù);胡艷興等(1)利用兩期遙感解譯數(shù)據(jù),動態(tài)分析了蘭州市的景觀格局變化,提出蘭州市應保護有生態(tài)意義的草地和水系等有用建議.隨著土地利用多樣化和城市不斷發(fā)展,城市景觀格局的穩(wěn)定性越來越引起人們的關注和研究.而目前利用景觀指數(shù)對土地利用類型的穩(wěn)定性、土地利用結構的動態(tài)變化和土地利用的空間占據(jù)程度等方面的研究相對較少,尤其是對結構性變化較快的旅游城市[7)10].因此,本文以三亞市為研究對象,對三亞市近14年來的遙感影像數(shù)據(jù)進行分類處理,分析得出四個時期的穩(wěn)定性變化趨勢和優(yōu)勢景觀,致力于使三亞市的規(guī)劃和發(fā)展更加合理,為我國旅游城市的建設提供有用的參考.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源1.1研究區(qū)概況三亞市地理位置為北緯1+°09'34"?1+°37*7"、東經(jīng)10+°56'30"?109°4+*+",坐落于海南島最南端,是一座物質豐富,發(fā)展快速,以旅游業(yè)、農(nóng)業(yè)為主的國際旅游城市,因其獨特的海洋性氣候、陽光、沙灘、棕櫚樹等,被人們親切地稱為“東方夏威夷三亞市共有4個行政區(qū),分別為天涯區(qū)、海棠區(qū)、吉陽區(qū)和崖州區(qū),陸地總面積達到1919.5+平方公里,常住人口約60萬.2010年,隨著《海南國際旅游島建設發(fā)展規(guī)劃綱要》獲得批復,給三亞市旅游產(chǎn)業(yè)帶來了機遇.目前,旅游業(yè)已成為三亞市的支柱產(chǎn)業(yè),旅游業(yè)的發(fā)展對該市土地利用有著重要影響.2數(shù)據(jù)來源本文采用的資料為三亞市2004年、200+年的Landsat5TM遙感影像,2013年、2017年的Land-sat+OLI遙感影像,地理空間數(shù)據(jù)云(11)以及提供的三亞市行政區(qū)劃圖.2分類依據(jù)及研究方法1分類依據(jù)根據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》(12)和《土地利用現(xiàn)狀分類與城鄉(xiāng)規(guī)劃用地分類對照表滬3),結合本研究的需要,以及遙感影像的分辨率等因素將三亞市用地分為耕地、園地、林地、建設用地、水體和其他用地六大類.2.2數(shù)據(jù)處理首先對遙感影像進行數(shù)據(jù)預處理,包括輻射定標、大氣校正、圖像融合等,得到融合后的高分辨率多光譜圖像,再對得到的圖像進行鑲嵌、裁剪,得到研究區(qū)遙感數(shù)據(jù).根據(jù)圖像特征進行目視解譯,結合三亞市土地利用實際情況,與GoogleEarth的影像進行對比,了解研究區(qū)地面覆蓋類別,同時考慮到影像四季差異,分別建立訓練樣本,通過MapGIS10對影像進行人機交互式解譯,得到三亞市2004年、2008年、2013年和2017年的土地利用類型分類結果.2.3研究方法本文以三亞市景觀格局為研究對象,參考統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù),研究三亞市的土地利用動態(tài)變化及景觀格局穩(wěn)定性.對四期遙感影像進行分類得到每期的土地利用類型數(shù)據(jù),選取斑塊數(shù)、斑塊面積等一系列相關性低的景觀格局指數(shù),利用景觀格局分析軟件FRAGSTATSVersion4.2和統(tǒng)計分析軟件SPSS24定量分析三亞市的景觀格局及其穩(wěn)定性的動態(tài)變化,并結合三亞市的人口、經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)分析其變化的原因.通過主成分分析方法提取具有代表性的主成分因子,從而建立景觀穩(wěn)定性評價模型,對研究區(qū)進行穩(wěn)定性評價分析[14-15].2.4景觀格局指數(shù)的確定景觀指數(shù)是一種富含生態(tài)意義和相關性的指數(shù)集合.在結合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀類型特點的基礎上,從景觀結構、景觀類型和景觀異質性三方面選取了17個景觀格局指數(shù),在置信度為0.05條件下進行相關性檢驗.檢驗結果為顯著,則去掉其中一個評價指標,反之,則兩個指標都保留.目的是為所選取指標反映的信息不冗余(16).最后,本文分別選用景觀類型面積、景觀類型周長、斑塊面積標準差、斑塊平均面積、最大斑塊比、斑塊數(shù)、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、分維度、分離度、均勻度、優(yōu)勢度、多樣性指數(shù)、斑塊面積變動系數(shù)和面積比15個指標,采用FRAGSTATSVersion4.2軟件計算每個指標的值,了解其包含的生態(tài)學意義[17-19].5土地利用景觀格局穩(wěn)定性評價模型構建選取的土地利用景觀指數(shù)需要進行無量綱化,并從指數(shù)是否有利于景觀格局的穩(wěn)定性作為標準,表達式如下:正指標7'= —min)/max min),負指標XL= max—!')/(!'max min),其中:X'是無量綱化指標,是原指標,!mn為指標的最小值,!max為指標的最大值.當X'為正指標時,其功效貢獻為正數(shù);當X'為負指標時,其功效貢獻為負數(shù).根據(jù)標準化的景觀格局指數(shù),采用主成分分析的方法,構建土地利用景觀格局的穩(wěn)定性評價模型!進行土地利用景觀格局穩(wěn)定性評價.根據(jù)下式可確定每個主成分的各個權重值=+/AJ=1+1,式中:+為第:主成分的貢獻率,J為提取的主成分個數(shù).由各主成分的方差貢獻率確定權重,并建立景觀格局穩(wěn)定性評價模型.公式如下:式中:F,為'單位的土地利用景觀穩(wěn)定性指數(shù),+為主成分:的得分.F,的值與景觀格局穩(wěn)定性成正相關.3結果分析1土地利用類型面積變化對三亞市2004年#2008年#2013年和2017年共四期遙感影像進行解譯、分類和統(tǒng)計,得到每期影像的景觀類型圖,每期影像的土地利用類型面積如由圖1可知,三亞市的土地利用類型以林地、園地和耕地為主,2004年林地、園地和耕地分別占總面積的34.30%#26.94%#24.69%;2008年占比為38.60%#42.01%#9.16%;2013年占比為48.26%#26.59%#10.39%;2017年占比為50.14%#4.20%和23.67%,三類用地總面積在這四年占比分別高達85.93%#89.77%#85.24%和78.01%.在過去的幾十年里,中國政府制定了一系列植樹造林計劃,使得林地增長較之其他類型更快,14年間林地的總面積呈上升趨勢.耕地面積呈現(xiàn)驟降趨勢后反彈,其原因在于農(nóng)村人口不斷向城市遷移,許多耕地荒廢、還林還草.而且,2009年3月國土資源部在全國開展“保經(jīng)濟增長,保耕地紅線”行動.自政策出臺后,三亞市一直嚴格執(zhí)行,秉承耕地紅線不能碰原則,因此,使得耕地面積有所上升.隨著城鎮(zhèn)人口的增加,城市化進程持續(xù)推進,14年來建設用地面積不斷增加,其他用地逐漸減少.從空間分布上來看,2004到2017年,林地集中在三亞市北部,在2008年時,大部分耕地轉為林地;建設用地分布沒有較大變化,其建設發(fā)展方向為向北擴張,主要分布在三亞市的西南方向,呈條帶狀.3.2景觀多樣性變化分析3.2.1斑塊組成結構斑塊的組成結構主要通過標準差、平均值、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、分維度、變動系數(shù)反應.三亞市景觀類型斑塊特征如表1所示.表1三亞市景觀類型斑塊特征年份類型標準差平均值斑塊密度斑塊形狀指數(shù)分維度變動系數(shù)林地458.821.550.0252.051.&10.71水系34.432.560.0132.461.810.642004建設用地38.342.680.0363.641.880.3園地129.74.&20.069&.041.840.26其他用地4.960.90.0582.161.980.06耕地76.963.630.0&112.&1.880.17林地249.59.960.0459.151.&30.34水系36.144.38026.&11.&90.892008建設用地21.141.640.04&4.211.920.18園地3&6.210.880.05&&.4&1.&&0.47其他用地5.051.020.0451.641.9&0.15耕地14.11.840.0283.231.910.08林地104322.110.0242.591.661.15水系34.344.260.0124.451.&&0.852013建設用地18.960.80.12135.&20.1園地153.54.160.0612&.61.90.31其他用地2.3&0.310.09103.92.090.05耕地16.160.&50.14134.81.990.08

表2(續(xù))年份類型標準差平均值斑塊密度斑塊形狀指數(shù)分維度變動系數(shù)林地2851;870;27140;71;860;3水系19.811;210;0249;61;910;37oni7建設用地69.950;660;29180;51;990;192017園地0;510;120;35248;62;230;01其他用地0.370;070;0141;62;480.24耕地26;150;470;51298;82;060;06根據(jù)表1可知,這四個時期林地的平均值最大!且在2004年與2013年最為明顯;斑塊形狀指數(shù)、分維度較大的為耕地,體現(xiàn)出耕地的空間分布形態(tài)復雜,斑塊大小有明顯差異,也間接反映了耕地的破碎化程度較高;斑塊密度和變動系數(shù)的變化不大;研究下降趨勢,其主要原因是三亞市政府對土地的開發(fā)利用趨于穩(wěn)定和人為控制得當.3.2.2三亞市異質性指數(shù)特征值變化景觀異質性反映土地利用的不均質性和復雜程度.三亞市景觀類型異質性特征如表2所示.區(qū)的景觀類型變動系數(shù)從2004年到2017年總體呈表2三亞市景觀類型異質性特征年份類型分離度均勻度優(yōu)勢度多樣性指數(shù)面積比最大斑塊比林地0;310;201;120;370;340;12水系10;970;061;390;100;030;01建設用地4.480;101;300;180;070;012004園地0;850;201;130;350;270;05其他用地11;930;081;350;140;040;00耕地1;060;191;140;350;250;04林地0;410;210;210;370;390;09水系11;110;050;050;080;020;00OAAQ建設用地6;260;100;100;170;060;012008園地0;410;200;200;360;420;12其他用地39;200;040;040;070;020;00耕地2;430;120;120;220;090;00林地0;220;201;000;350;480;35水系11;340;051;270;080;020;00建設用地5;650;131;120;230;100;012013園地0;920;201;000;350;270;08其他用地33;070;051;250;100;030;00耕地5;550;131;110;240;100;01林地0;730;190;900;350;50;34水系15;850;061;140;100;030;01oni7建設用地3;230;180;930;320;190;082017園地34;260;071;110;130;040;00其他用地2287;000;001;240;010;000;00耕地3;100;190;900;340;240;04由表2可知,林地的多樣性指數(shù)、均勻度較高!分離度較低,體現(xiàn)了三亞市林地居多,用地類型豐富,空間分布均勻,對總體景觀格局具有較大的影響;從該區(qū)域總體來看,景觀整體空間布局表現(xiàn)出較高的異質性.多樣性指數(shù)和均勻度從2004年到2017年總體呈穩(wěn)定但略有下降趨勢;各景觀類型的優(yōu)勢度相差較小,無明顯優(yōu)勢景觀類型.3.3 土地利用格局的景觀穩(wěn)定性分析景觀穩(wěn)定性是景觀結構特征的表現(xiàn).本文結合研究區(qū)的區(qū)域現(xiàn)狀和景觀結構特征,選取15個主要景觀指標進行標準化處理,利用SPSS軟件對各因子進行因子分析初始解,結合主成分分析法,將累計貢獻率大于85%的因子提取為主成分因子.以2017年為例,前3個主成分累計貢獻率分別為57.13%、+4.77%和93.29%(已達要求的85%),表明前3個主成分權重可以用來反映景觀格局指數(shù)對保持結構與功能的能力.方差極大化旋轉后的前3個主成分在各變量上的載荷見表3.由表3看出,第一主成分Z%在景觀類型面積、景觀類型周長、均勻度、優(yōu)勢度、多樣性指數(shù)上的載荷分別為0.867$0.911、一0.968$0.968、0.968,這5個變量的變異信息從景觀結構、斑塊特征及景觀異質性3方面綜合反映土地類型的景觀特征;第二主成分+*在斑塊面積標準差、斑塊平均面積、最大斑塊比、斑塊數(shù)、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)及斑塊面積變動系數(shù)上的載荷較大,反映土地利用類型的斑塊形狀特征;第三主成分乙在面積比的載荷為0731,體現(xiàn)了土地利用類型的斑塊分散和破碎化程度;表32017年旋轉因子載荷矩陣指標成分+1+2乙景觀類型面積X10.86703940214景觀類型周長X20.911一0295一0065斑塊面積標準差X30.65906610345斑塊平均面積X405170826一0073最大斑塊比X5068106210366斑塊數(shù)X60791一06080026斑塊密度X70791一06080026斑塊形狀指數(shù)X80669一07370024分維度X9一069一04780428分離度X100.744一0029一0340均勻度X11一0968一00100164優(yōu)勢度X1209680010一0164多樣性指數(shù)X1309680010一0164斑塊面積變動系數(shù)Xu-0.2330941一0234面積比X150476一004307313.4景觀格局穩(wěn)定性評價根據(jù)因子得分矩陣,求出2017年主成分得分如下:V%=0.3X1+0.31X*+0.23X3+0.18X-+0.23X0+0.27X2+0.27X7+0.23X8—0.24x9+0.25X10—0.33X11+0.33X12+0.33X13—0.08X14+0.16X15V2=0.19X1—0.14X2+0.32X3+0.41X-+0.31X5—0.3X6—0.3X7—0.36X8—0.23X9—0.01X10+0.46X14—0.02X15V3=0.19X1—0.06X2+0.31X3—0;06X4+0;32X5+0;02X6+0;02X7+0.02X8+0.38X9—0.3X10+0.15X11—0.15X12—0.15X13—0.21X14+0.65X15.由公式F017=a+2+oV1+ 巳++;:+",計算得到研究區(qū)2017年景觀格局穩(wěn)定性的值為4.13,用該方法計算2004年、2008年、2013年景觀穩(wěn)定性的值分別為8.65、4.93、4.38.可以看出,從2004年至2017年,研究區(qū)的景觀格局穩(wěn)定性下降明顯,表現(xiàn)為先下降后趨于平穩(wěn)的變化過程,其穩(wěn)定性現(xiàn)已處于穩(wěn)定狀態(tài),這與其他學者的研究結果相一致.根據(jù)表2

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