杭州市土地利用與景觀格局變化分析

杭州市土地利用與景觀格局變化分析摘要：大規(guī)模的城市化對(duì)土地利用帶來了深遠(yuǎn)的影響，也給景觀格局帶來了深刻改變.本文利用2010年和2017年土地利用數(shù)據(jù)分析杭州市的土地利用變化空間特征與景觀破碎度、集聚度和異質(zhì)性.在綜合評(píng)價(jià)和比較后發(fā)現(xiàn)：耕地、草地、未利用地面積減少，林地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加，耕地與林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地之間的互動(dòng)作用十分強(qiáng)烈，城市擴(kuò)張效應(yīng)顯著，土地利用方式較為粗放；土地利用變化和空間分布受到多方面因素的影響，空間性規(guī)劃對(duì)于土地利用變化起決定性作用；景觀破碎化程度和異質(zhì)性增加，景觀優(yōu)勢度有所降低，各類用地比例更為平衡，但生態(tài)用地優(yōu)勢度較低、破碎化程度較高，存在生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn).關(guān)鍵詞：土地利用；空間特征；景觀格局；杭州市AnalysisofLandUseandLandscapePatternChangesinHangzhouCityAbstract:Large-scaleurbanizationhashadaprofoundimpactonlanduseandhasbroughtprofoundchangestothelandscapepattern.Thespatialcharacteristicsofland-usechangeandthedegreeoflandscapefragmentation,agglomeration,andheterogeneityinHangzhouareanalyzedbyusingthelandusedataof2010and2017.Aftercomprehensiveevaluationandcomparison,itisfoundthattheareaofcultivatedland,grassland,andunusedlanddecreases,theareaofforestland,waters,andurbanandruralconstructionlandincreases,forestlandandurbanandruralconstructionlandbothhavestronginteractionwithcultivatedland,theurbanexpansioneffectissignificant,andthelanduseismoreextensive.Andthechangeofthelanduseandspatialdistributionareaffectedbyavarietyoffactors,andspatialplanningplaysadecisiveroleinthechangeofthelanduse.Andthedegreeoffragmentationandheterogeneityofthelandscapeincrease,whilethedegreeoflandscapeadvantagedecreases,andtheproportionofvarioustypesoflandisbecomingmorebalanced,buttheecologicallandhasalowerdegreeofadvantageandahigherdegreeoffragmentation,andthereareecologicalsecurityrisks.Keywords:landuse;spatialcharacteristics;landscapepattern;HangzhouCity土地利用變化相關(guān)研究經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了包括不同空間尺度的土地利用和土地覆被變化過程、驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及資源、生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)影響等諸多方面的綜合研究體系［1-2］.其中如何準(zhǔn)確描述土地利用景觀的空間格局及變化，是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題［3］.現(xiàn)有研究表明：利用景觀集聚度、破碎度等相關(guān)指數(shù)能很好地解釋土地利用變化的景觀生態(tài)現(xiàn)狀［4-5］;基于分形理論，可以計(jì)算土地利用斑塊的分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)，從而構(gòu)建分形模型來分析土地利用的分形特征［6-7］.景觀格局指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征，可以從斑塊尺度、斑塊類型尺度和景觀尺度3個(gè)層次進(jìn)行分析［8］.楊珊［9］通過構(gòu)建景觀格局指數(shù)，在景觀尺度上分析了漢江流域中下游地區(qū)土地利用變化與景觀格局、生態(tài)安全之間的時(shí)空演變關(guān)系；李玉華等［10］以重慶兩江新區(qū)為例，分析了快速城市化進(jìn)程中景觀格局的時(shí)空分異特征，探討景觀格局時(shí)空變化與城市化之間的聯(lián)系；DADASHPOORH等［4］通過景觀指數(shù)分析了伊朗西北部地區(qū)的景觀時(shí)空特征.可見，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)，運(yùn)用景觀格局指數(shù)來分析景觀空間格局是

目前應(yīng)用十分廣泛的定量分析方法之一［頃.杭州作為中國改革開放的前沿陣地，劇烈的城市化進(jìn)程吸引了不少學(xué)者的關(guān)注.岳文澤等［12］采用建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度、空間自相關(guān)方法，研究了杭州市城市擴(kuò)張的空間模式；徐麗華等［13］根據(jù)杭州市土地利用變化及各地類重心的轉(zhuǎn)移，分析其土地利用變化的時(shí)空格局特征及其影響因素；楊楊帆等［14］分析了近30年來杭州市土地利用的變化；田鵬等［15］則對(duì)杭州市土地利用變化的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià).但現(xiàn)有研究對(duì)杭州市景觀生態(tài)格局考慮不足，未能定量描述其破碎度與異質(zhì)性等景觀空間特征.本文將《杭州市城市總體規(guī)劃(2001—2020年)》［16］確定的規(guī)劃區(qū)范圍作為研究區(qū)域，運(yùn)用GIS的空間分析工具，對(duì)2010—2017年的土地利用類型變化空間特征與各類用地之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行分析，得到其土地利用變化矩陣，并結(jié)合杭州城市發(fā)展進(jìn)程，分析土地利用變化的影響因素.同時(shí)運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)原理對(duì)土地利用的景觀破碎度、集聚度和異質(zhì)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和比較，總結(jié)杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用景觀格局變化特征.這對(duì)全面掌握土地利用的變化特征,制定完善國土空間規(guī)劃具有重要意義.1研究區(qū)域概況

萬，其中市區(qū)824.1萬.研究區(qū)域包括上城區(qū)、下城區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)、江干區(qū)、濱江區(qū)、余杭區(qū)和蕭山區(qū)8個(gè)市轄區(qū)，總面積333594hm2,約占市區(qū)面積的40%、市域總面積的20%，而GDP約占全市的75%(2017年)；2017年末總?cè)丝?91.1萬，占全市總?cè)丝诘?3%［17］，在杭州市城鎮(zhèn)、人口和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的地位.2研究方法2.1數(shù)據(jù)來源本研究數(shù)據(jù)包括2010和2017年2個(gè)時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)(空間分辨率均為30m)，其中2010年數(shù)據(jù)是利用LandsatTM和ETM+數(shù)據(jù)繪制的全球30m地表覆蓋遙感制圖數(shù)據(jù)(Glabeland30)(數(shù)據(jù)來源：國家基礎(chǔ)地理信息中心(DOI:10.11769/GlobeLand30.2010.db)),經(jīng)檢驗(yàn)其整體分類精確度為83.50%［18-19］；2017年土地利用數(shù)據(jù)則是基于Landsat8OLI多光譜影像繪制的全球土地利用/覆被數(shù)據(jù)，后期采用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助訓(xùn)練、驗(yàn)證樣本等處理，并利用高程數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，一級(jí)分類精確度在75%以上［20］.2010和2017年2個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)均由國家基礎(chǔ)地理信息中心制作發(fā)布，分類精度均滿足土地利用變化分析的精度要求［20］.杭州市位于浙江省北部，錢塘江下游北岸， 2.2研究方法京杭大運(yùn)河南端，地處長江三角洲城市群的南翼,是該區(qū)域重要的中心城市.杭州市下轄10個(gè)區(qū)、1個(gè)縣級(jí)市和2個(gè)縣，總面積1685357hm2,其中市區(qū)面積829231hm2,2017年常住人口946.8

2.2.1GIS空間分析在GIS軟件的支持下，利用研究區(qū)域邊界矢量數(shù)據(jù)對(duì)2個(gè)時(shí)期的分類影像進(jìn)行掩膜處理，得到2010和2017年的土地利用分類圖(見圖1).N圖12010年和2017年杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用分布結(jié)合實(shí)際情況與研究需要，對(duì)數(shù)據(jù)重分類，將土地利用類型分為：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地6大類.根據(jù)重分類結(jié)果，運(yùn)用空間分析工具得到不同時(shí)間階段的各土

地類型占總面積比、土地利用變化圖和土地利用轉(zhuǎn)換矩陣.計(jì)算公式為：。(微)=Cx10+Cj.式中Cj表示i,j2個(gè)年份土地利用變化情況(7>z)；C表示i年份土地利用分類；C表示j年份土地利度上，選取斑塊密度度上，選取斑塊密度（PD）、斑塊數(shù)量（NP）、周長-面積分維數(shù)（PAFRAC）、最大斑塊指數(shù)（LPI）對(duì)研究區(qū)域土地利用的破碎化程度、景觀集聚度和景觀異質(zhì)性進(jìn)行分析（見表1）.用分類.此公式適用于分類小于10類的情況.2.2.2景觀格局分析將2010年與2017年土地利用柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入景觀格局分析軟件Fragstats4.2中，根據(jù)研究需要和景觀指數(shù)的含義，在景觀尺度與斑塊類型尺表1景觀指數(shù)及其含義指標(biāo)算法含義PDNPNP=NN為景觀中某類斑塊數(shù)量，A為整體景觀面積，PD>0.斑塊密度為某斑塊單位km2的斑塊數(shù)量.PD值越大斑塊的空間異質(zhì)性程度越大，而斑塊的破碎化程度越高NP反映了景觀的空間分布格局，常被用以描述景觀的異質(zhì)性，其值大小與景觀破碎程度成正相關(guān)，一般情況下，NP越大，破碎程度越高；NP越小，破碎程度越低PAFRACPAFRAC=4乙伽P血%）"（￡；」npj（￡：」n%）］（""'m片）-（￡：=戶pv）2反映出在一定的觀測尺度上，景觀類型形狀的復(fù)雜程度和穩(wěn)定性，或AFRACV2,分維數(shù)越大，其形狀越復(fù)雜LPI2010/2017耕地林地草地LPI2010/2017耕地林地草地水域城鄉(xiāng)建設(shè)用地未利用地耕地74221.6512657.871170.1810298.7063848.88144.90林地4900.8660283.35237.96193.681486.624.59草地2480.764622.2287.0376.681735.833.15水域2425.86310.86154.3515149.792501.4638.88城鄉(xiāng)建設(shè)用地9054.001208.25334.621823.6756216.88131.85未利用地25.470.271.442706.66162.453.33表32010—2017年杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換矩陣地等其他用地類型，其中耕地向城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換面積最大，為63848.88hm2.由于城市不斷擴(kuò)張，大量分布于郊區(qū)的耕地被道路等城市基礎(chǔ)設(shè)施占據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；耕地轉(zhuǎn)為林地是低丘在矩陣中，行表示期初年份土地利用類型面積，列表示期末年份土地利用類型面積，對(duì)角線表示未發(fā)生轉(zhuǎn)換面積［21］.耕地的轉(zhuǎn)換最為顯著,7年間大量耕地轉(zhuǎn)換為林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用max（a..）LPI=——x100A3結(jié)果與討論3.1土地利用變化特征2010年至2017年杭州市土地利用類型變化較為明顯，耕地、草地和未利用地面積占比皆有所減少.耕地面積變化最大，由2010年的49.09%減少至2017年的27.96%，減少21.13%；草地面積由2.72%減少至0.60%；未利用地面積占比由0.88%減少至0.10%.林地、水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比則出現(xiàn)增加，林地面積占比由20.29%增加至23.72%；水域面積占比由6.22%增加至9.79%；城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比增加最多，由20.79%增加至37.84%，增加了17.05%（見表2）.度量多大比例景觀面積是由最大斑塊組成的，它是對(duì)優(yōu)勢度的簡單衡量.LPI其值=0時(shí)，說明該斑塊類型中最大斑塊面積越?。籐PI=100時(shí)，說明整個(gè)景觀由1個(gè)斑塊組成表22010與2017年杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)%年份耕地林地草地水域城鄉(xiāng)建設(shè)用地未利用地201049.0920.292.726.2220.790.88201727.9623.720.609.7937.840.10分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地增加較多,城市擴(kuò)張現(xiàn)象明顯，耕地面積嚴(yán)重萎縮；未利用地在原本低保有量的情況下繼續(xù)減少，土地利用率持續(xù)增加,導(dǎo)致規(guī)劃區(qū)土地后備資源嚴(yán)重不足，嚴(yán)重影響杭州市區(qū)的持續(xù)發(fā)展,直到富陽市（2014年）與臨安市（2017年）撤市設(shè)區(qū)并入市轄區(qū)，這一問題才得到一定程度的緩解.3.2地類轉(zhuǎn)換與影響因素采用GIS軟件的相交分析方法，求得2個(gè)時(shí)期杭州市規(guī)劃區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換矩陣（見表3）.hm2緩坡綜合開發(fā)、退耕還林、土地生態(tài)修復(fù)以及山區(qū)村莊合并等復(fù)合因素作用的結(jié)果[13].在“旅游西進(jìn)''戰(zhàn)略下，杭州在“十二五''規(guī)劃期間將原有的環(huán)城游憩帶進(jìn)一步發(fā)展為“環(huán)都市休閑游憩圈”，繼續(xù)實(shí)行生態(tài)保育，對(duì)林地面積增加有很大推動(dòng)作用.同時(shí)，耕地也存在對(duì)其他地類的占用，且類型多樣.林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地均有部分轉(zhuǎn)換為耕地，其中林地、草地、水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為耕地的面積分別為4900.86,2480.76,2425.86和9054.00hm2,未利用地轉(zhuǎn)換為耕地的面積不顯著.城鄉(xiāng)建設(shè)用地的變化顯著，來源多樣，凈增加面積為69735.24hm2,耕地對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換最為顯著，轉(zhuǎn)換面積為2010年城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的113.57%.土地利用規(guī)劃中未針對(duì)水域面積制定指標(biāo)，而在建設(shè)用地方面，2017年的城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積為125952.12hm2,未超過土地利用總體規(guī)劃中城鄉(xiāng)建設(shè)用地總規(guī)模126900hm2的控制指標(biāo).研究期內(nèi)，研究區(qū)域處于擴(kuò)張狀態(tài)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地代替耕地成為該區(qū)域最主要的土地利用類型，從空間上看主要以2010年的建成區(qū)為中心向四周擴(kuò)散，但擴(kuò)張的主要部分在規(guī)劃區(qū)東部的蕭山區(qū)，錢江新城的逐步建成完善、地鐵四號(hào)線的開通是2大主要驅(qū)動(dòng)因素，而西部雖有未來科技城的布局，城市擴(kuò)張效應(yīng)卻并不明顯，其原因除了出于旅游發(fā)展的目的而進(jìn)行的生態(tài)保育與退耕還林，還有西湖景區(qū)和西溪濕地對(duì)城市擴(kuò)張的阻礙作用,進(jìn)一步證實(shí)了此前研究的結(jié)論[22].研究期內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加了83.15%,相比之下，人口由434.82萬增加到493.99萬，增長了13.6%,城市發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的粗放狀態(tài).總之，新城開發(fā)與生態(tài)保護(hù)的合力使研究區(qū)域的布局形態(tài)逐漸從環(huán)西湖的單中心格局向跨越錢塘江兩岸的多中心格局轉(zhuǎn)變[19],這也是杭州“城市東擴(kuò)、旅游西進(jìn)，沿江開發(fā)、跨江發(fā)展”[23]空間策略的執(zhí)行結(jié)果.水域的主要轉(zhuǎn)出地類是耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換面積分別為2425.86和2501.46hm2,而耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地也存在轉(zhuǎn)換為水域的情況，這說明水域的減少既有人為活動(dòng)的影響，也存在耕地結(jié)構(gòu)調(diào)整的因素.圍湖填河和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張對(duì)水域濕地等區(qū)域造成了較大的影響.未利用地轉(zhuǎn)換為水域說明杭州市在水域保護(hù)方面較為重視，城市建設(shè)對(duì)天然水體的占用較少.其他各類用地之間也存在相互轉(zhuǎn)換的情況.3.3景觀格局變化特征景觀尺度上，2017年各類用地的斑塊數(shù)量增加了59045個(gè)，而最大斑塊指數(shù)則下降了3.0918,說明整體而言，土地利用的景觀集聚度在降低、景觀優(yōu)勢度有所下降；斑塊密度增加了17.6519,意味著整體景觀的破碎度增加較多，土地利用更加破碎化；同時(shí)，周長-面積分維數(shù)的數(shù)值增加了0.0675,說明土地利用的景觀形狀變得更復(fù)雜,各類用地分界變得更模糊，整體景觀的穩(wěn)定性在降低（見表4）.可看出整個(gè)杭州市規(guī)劃區(qū)的土地利用存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，景觀破碎化和不合理的人工干預(yù)可能導(dǎo)致城市景觀生態(tài)的惡化，但因各用地類型的景觀格局指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，因此需在斑塊類型尺度上根據(jù)不同地類進(jìn)行分析.表4景觀尺度上的景觀格局分析結(jié)果年份PDNPPAFRACLPI20104.3430143701.345518.5282201721.9949734151.413015.4364表5所示為斑塊類型尺度上的景觀格局分析表5斑塊類型尺度上的景觀格局分析結(jié)果地類年份NPLPIPDPAFRAC耕地2010192418.52820.58151.3375耕地2017279615.00908.37701.4245201029086.61610.87891.3855林地201786177.19172.58161.3736草地201080860.25542.44381.4351草地2017113310.00113.39471.394320106243.52800.18861.3139水域2017138814.56754.15871.4151201078610.38120.23761.2387城鄉(xiāng)建設(shè)用地20171058815.43643.17211.45532010420.26710.01271.2185未利用地201710370.00570.31071.3127結(jié)果.從表5可知，所有土地利用類型的斑塊數(shù)量和斑塊密度數(shù)值都出現(xiàn)上升，但同時(shí)耕地、草地、未利用地的最大斑塊指數(shù)數(shù)值出現(xiàn)下降，而林地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)則出現(xiàn)上升.結(jié)合土地利用動(dòng)態(tài)變化分析結(jié)果可以看出，所有地類的景觀異質(zhì)性都在增加，而在面積減少的同時(shí)，耕地、草地、未利用地的破碎度增加，呈現(xiàn)出愈