基于RS与GIS的陇东黄土高原土地景观格局变化研究

GIS

第16卷第3期水土保持学报

.16No.3Vol

基于RS与GIS的陇东黄土高原土地景观格局变化研究

马安青,陈东景,王建华,高小红,周月敏

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000)

Ξ

摘要:利用1986年与2000年两期TM影像以及国家“九五”攻关课题有关数据,通过GIS软件ARC INFO与处理、存储、格式转换、查询等步骤,得到研究地区3期土地利用数据,借助办公软ARCVIEW,将影像进行解译、

件EXCEL将所获得数据进行景观格局分析、格局演化分析;并利用马尔可夫链对该地区景观格局未来的发展趋势进行预测。研究表明,景观格局研究方法是进行土地利用空间分布与结构演变研究的有效方法。关键词:陇东黄土高原;　RS与GIS;　土地景观格局;　马尔可夫预测

中图分类号:P901;TP79　　　文献标识码:A　　　文章编号:100922242(2002)0320056204

LandscapePatternandDifferentiationandGIS

MAAn2qing,CH2,WGJ2,ZHOUYue2min

(EineeringResearchInstitute,CAS,Lanzhou730000)

Abstract:Dimagesof1986and2000anddatafromprojectof“Tacklingkeyprob2,utilizingGISsoftwarecontainedARC lemofChinesescienceandtechnology”INFOandARCVIEW,af2terinterpretation,disposition,storage,transitionofpatternandquery,thestudyachievethreeperiodsdataonthearea.Afterwards,byaidofEXCELsoftware,thestudymakesuseofthedatatoanalysethelandscapepatternanddifferentiation.Atlast,byapplicationofMarkovprocess,thestudypredictsthefutureland2scapepatterninLongdongarea.Theresearchprovesthattheinvestigationusingmethodoflandscapepatternisaavailablewaytostudydistributionandevolvementoflanduse.

Keywords:Londongloessplateau;　RSandGIS;　landscapepattern;　Markovprocess

作为我国最大的水土流失、生态环境失衡地区,黄土高原生态环境的脆弱性一直是相关领域的研究重点。近10年来,运用景观生态学方法探讨黄土高原环境脆弱特点、成因已成为研究热点,其中陕北黄土高原地区成为这类研究的重点区域[1～5]。但是,作为黄土高原重要组成部分的陇东地区,运用景观生态学进行土地利用格局与演化研究,目前尚不多见。所以,应用景观生态学进行陇东黄土高原土地利用的景观格局分析研究,具有较强的现实意义与前瞻性。

1　研究区概况和研究方法

陇东地区位于甘肃省东部,东、北分别与陕西省和宁夏回族自治区为邻,西、南分别与本省的定西、天水两地区接壤。由平凉、庆阳两地区共计15个县市组成,面积3.8×104km2,夹于六盘山与子午岭之间。降水在400～700mm间,气候属于半湿润向半干旱过渡。除子午岭、六盘山有次生乔木灌木林,草地构成景观基质,农业景观广泛分布。陇东地区是整个黄土高原区黄土堆积与侵蚀地貌最典型的地区之一,生态环境具有典型的“不稳定性与抗干扰能力差”的特点[1]。1.1　数据获取

以1986年,2000年2期TM影像为基本数据源,在ARC INFO7.1平台上进行数字矢量化工作,即:将已纠正的标准假彩色影像以TIFF格式输入计算机,在ARC INFO数字化平台上进行人机交互式解译,依次生成具有拓扑关系的2000年土地利用空间数据库、1986～2000年土地利用动态变化数据库、1986年土地利用数据库。将生成的空间数据库在ARCVIEW3.2平台上打开,进行数据查询获取,并将查询结果在EXCEL

97中进行统计处理。

1.2　选取景观格局评价指标

根据研究区与获取的数据特点,选取如下指标进行陇东地区景观格局及动态变化研究[2,7]。

Ξ收稿日期:2002203212

(KZCX-Y02-O1-04)和国家基金项目:中国科学院创新工程项目“国土环境遥感信息与数字地球相关理论技术研究”“九五”科技攻关

项目(96-B02-01)

作者简介:马安青,男,生于1970年,博士生。从事遥感与地理信息系统在自然资源与土地沙漠化方面的应用研究,发表学术论文6篇。

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第3期马安青等:基于RS与GIS的陇东黄土高原土地景观格局变化研究57

1.2.1　斑块面积(A)和斑块周长(P)　斑块面积和斑块周长是进行景观格局计算的基础,可直接利用AR2CVIEW的统计查询功能获得。

1.2.2　斑块分维数(D)　D=2log(P 4) logA,用来测定斑块周边形状的复杂程度。D值的理论范围为1.0～2.0,1.0代表形状最简单的正方形嵌块,2.0代表等面积下周边最复杂的嵌块体。

1.2.3　斑块形状指数(G)　G=PΠ×A,用来测定嵌块形状复杂程度,G值越大,嵌块形状越复杂。1.2.4　多样性指数(H)　H=-i=1m

2Pi×log2Pi,表示景观中各类嵌块体的复杂性和变异性的指标。Pi表示

m

i类景观类型的景观比例,m为景观类型的数目。H值越大,表示景观多样性程度越高。

1.2.5　景观优势度(D0)　D0=Hmax-H=Hmax+2Pi×log2(Pi),H

i=1

max

表示最大均匀性条件下的多样性

指数,一个景观中有m种嵌块体类型,那么在最大均匀性条件下的多样性指数。Hmax=log2m

D0用来测定景观结构中一种或几种景观类型支配景观的程度。D0值小时,等的类型组成;D0值大时,1.2.6景观破碎度(C)C=2Ni 2Ai,2Ni;2i,。

2　结果与分析

2.1　现状评价

1　形状

指数

7.1465.5276.4923.342.528.0462.567.5964.272

平均面平均周斑块数分维数

要素积(2)长()水　田2.7721.085101.155由表1,,最小的类型,、未利用地与坡旱地。坡旱地0.7888.697143741.131

平原、川旱地4.1923.5577461.139

与此相反,平原耕地、草地、水域则是平均面积最大的类型。平均面林　地0.4744.07675521.06积特征不仅反映各类型分布特点,也反映了陇东地区大地貌特征。园　地0.1231.5686051.019

草　地2.5432.37662101.178

陇东是一个以农业景观为主的地区,居住地以农村居民地为主,反居住地0.141.733101.021映为平均面积小而广泛分布,与居住地关系密切的园地反映出同水　域1.131.4311031.174

未利用地0.76.3371531.095

样特点,林地等都分布于耕作条件不好的陡坡或坡度起伏大的地

区,分布特点表现为小而散碎。作为基质的草地平均面积比较大,陇东境内面积广大的残塬较多,反映为平原耕地平均面积比较大,水域在本区主要为水库等人工水体,分布集中,这个特点同样在平均面积中反映出来。　　陇东地区各要素类型分维数值总体比较低,最高的水田与水体也就在1.17左右,表明要素类型空间形状并不复杂,这仍与该地貌格局比较完整有关。水体与水田在本区沿河谷分布,受带状地形限制。这种形状与地貌的关系,同样在草地的分维值中有所反映,草地多分布在坡度起伏大的沟沿、沟坡、沟间地,其形状同样受到沟谷地貌的限制。居住地、园地是人工景观,所以其形状最简单,反映出的分维值也最低。同样,用来反映形状特征的形状指数也把景观要素与地貌、人类活动的关系准确地反映出来。2.2　景观格局动态变化分析

表2　陇东地区景观格局与景观指标值变化

景观

类型水　田坡　地平原旱地林　地园　地草　地水　域居住地未利用地

面积(km2)1986年2000年

7.38712853.873460.4884063.29355.72317114.955157.366540.07612.827

7.293

128566.673411.4083861.90568.32617328.085154.299597.64612.034

通过对表2两个时期景观优势度、多样性指数、破碎度、景观要素面积比例的比较,可以反映出景观格局在14年当中变化呈如下特点:与1986年相比,到2000年为止,景观多样性指数值变小,而破碎度与优势度均有上升。优势度上升与多样性指数下降,反映土地利用向大景观要素集中,这从景观比例与面积变化中可以得到验证。作为景观基质的草地和占大面积比例的坡旱地,在景观比例与面积上都有增长率。14年间,大面积景观要素的斑块数均有较大幅度的增加,如草地斑块数由5860个增长至6210个;坡旱地由13

676个增长至14347

景观比例(%)1986年2000年

0.01933.659.03610.610.1544.690.411.410.034

0.01933.578.9110.080.1845.250.41.560.031

景观格局指标优势度多样性指数破碎度

1986年1.2551.9150.93个;林地由7498个增长至7552个;平原旱地由711个增长至

746个等等,这导致整个地区景观破碎度的上升。景观格局变化的复杂性说明陇东地区的土地利用在1986～2000年期间发生了复杂的变化。在实施黄土高原生态治理措施的形势下,该地区经过长期治理,取得一定的成果。如退耕还林草,使草地面积有大幅度增加,土地利用表现为集中的趋势。但是,乱砍滥伐,乱占耕地,尤其是占用质量好的平原耕地的现象仍未得到根本遏制,表现为林地、

平原旱地等景观要素面积在不断减少,格局日益破碎。

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卷

3　景观格局转化与预测

3.1　景观要素转化分析

景观格局的变化,本质是由景观要素间的相互转化引起的[8]。在景观生态学中,将引起景观类型相互转化的动力称之为干扰,按作用方式将干扰分为自然扰动与人工扰动。由于受特殊的地貌、气候背景与人类活动的影响,陇东黄土高原景观要素转移,同时受到2种扰动的双重作用,两种扰动作用大小的差异,体现在不同景观要素的转移方向与大小上。利用国家自然基金项目“国家级基本资源与环境遥感动态信息体系的建立”子课题

(96B0201)中1995年研究地区土地利用有关数据,建立1986～1995年、“全国县级农业土地资源遥感调查”

1995～2000年两时间段景观要素转移速率矩阵,通过转移速率比较,显示2种干扰作用在不同作用对象、不同时间段表现的特点。

aij=Mij T

式中:aij代表矩阵元素;i,j代表i类j类景观要素;Mij代表i类景观要素向j;T代表时间段。表3中时间段前期代表1986～1995年时间段,1995～2000,可以得出,1986～2000年14年间,,是增长最快的要素。其中,,。这一方面说明陇东地区,,陇东地区土地资源管理尚需完善,。坡旱地是减少速度较快的要素类型,,加强小流域综合治理所取得的阶段性成果。但是,表中也反映出,坡旱地与草地,在整个时段的后期,面积增长也在加速,除了部分草地是由于退耕还林草,属于生态治理结果外,由平原旱地向草地转化以及由草地向坡旱地转化,明显属于不合理利用土地资源范畴,但这种景观转化也在加速。陇东地区土地合理利用、生态环境综合治理的道路仍很漫长。

表3　在1986～1995和1995～2000年时段陇东地区景观要素转移速率比较

景观要素

前期

水　田

后期前期

坡旱地

后期前期

平原旱地

后期前期

林　地

后期前期

园　地

后期前期

草　地

后期前期

水　域

后期前期

居住地

后期前期

未利用地

后期

水田

0000000000001.94×10

000

-5

% a

居住地

0000000000000

坡旱地

00

平原旱地

0000

林地

001.57×10-55×10-3

2.0×10-3

园地

00000000

草地

001.28×10-45.0×10-1

2.1×10-14.73×10-43.8×10-14.76×10-31.97×10-3

水域

0002.3×10-26.76×10-52.6×10-18.89×10-68.3×10-38.83×10-43.2×10-32.74×10-65.6×10-3

未利用地

001.21×10-5

00

3.9×10-1

00

0000000000

04.3×10

-4

8.95×10-51.17×10-14.5×10-35.9×10-31.79×10-46×10-2

1.28×10-32.8×10-33.8×10-2

00

5.25×10-56.3×10-41.36×10-28.8×10-42.63×10-62.3×10-28.33×10-54.8×10-38.53×10-34.6×10-2

00

1.33×10-35.0×10-41.43×10-31.0×10-22.67×10-5

02.06×10-41.1×10-3

00

00000000

02×10-32.78×10-41.55×10-25.3×10-3

01.6×10

00

-2

00

3.2　运用马尔可夫链对陇东地区景观格局变化的预测[9]

马尔可夫链是一种特殊的随机运动过程[10]。它反映的是一系列特定的时间间隔下,一个亚稳态系统由t时刻状态向t+1时刻转化的一系列过程,这种转化要求t+1时刻状态只与t时刻状态有关,而与以前的状态无关,即状态转移过程无后效性。景观要素之间的转移过程是无后效性的,可以用马尔可夫过程来描述。马尔可夫描述景观要素转移,关键就是确定转移概率。转移概率就是在事件的发展过程中,从一种状态出发,由下一时刻转移到其它状态的可能性。

景观要素转移矩阵构成如下,矩阵中Pij代表要素i向要素j转移概率,所以Pij满足条件:

n

∑P

j=1

ij

=1　　　0≤Pij≤1　(i,j=1,2,…n)

GIS

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%

P11P21

P12P22

…P

1n…P2n …Pnn

景观要素水田

表4　1986～2000年陇东地区景观要素面积转移矩阵

坡旱地平原旱地

4

林地

00.0840.06

5

园地

00.0210.20.021000.010.300

草地

水域

4

居住地未利用地

1.280.131.43

6

Pn1

Pn2

=p

水　田98.72坡旱地

00000

3

99.312.11×10-0

98.14

0.466.37×10-0.14

0.03

运用马尔可夫对事件发展过程状态进行预测,需要引入状态矩阵

ΠΠj(k)。j(k)表示事件在初始(k=0)时状态为已知的条件下,经过k次状态转移后,第k个时刻(时期)的状态。运用马尔可夫链的基本方程表示为:

k

Π2Π(0)Θj=

i=1n

平原旱地0林　地园　地草　地水　域居住地

00000

0.079.38×10-00.340.11010.96

00.112.6401.87

94.3900.290.24700

5.489.29×10-0

0.030

99.231.02×10-0.300

96.3300

3

0.023.58×10-0.081000

0087.17

未利用地0

式中:i,j=1,2…,n;Θ为景观要素转移矩阵。

本研究中,以2000,,即2014年左右的景观格局。:水田7.2km2(0.;1(33.);3371km2(8.8%);林地3709km2(9.69%);园地81.63km2(0.km2(45.62%);水域149.8km2(0.39%);居住地666.48km2(1.74%);未利用地11.11km2.029%)。

与2000年景观结构相比较,坡旱地、水田、平原旱地、林地、草地、水域、未利用地在面积上继续下降。其中,平原旱地、林地、草地、水域与未利用地在景观比例上有所下降;园地与居住地不仅在面积上仍在扩大,而且在景观比例上也继续上升,而坡旱地的景观比例变化很小。

4　结　论

土地利用与土地覆盖研究是当今全球地学界的研究热点,遥感与GIS的结合为土地利用研究提供了丰富的数据来源与信息加工与处理的工具。结合景观空间格局的研究方法,从生态学与空间分形的角度为区域土地利用动态变化研究提供了有力的方法和手段,为此景观生态学在土地资源研究中具有广阔的前景。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q0t1.html