基于多尺度的廣州地區(qū)土地利用格局變化分析

基于多尺度的廣州地區(qū)土地利用格局變化分析

0城市土地利用景觀現(xiàn)狀及成因土地利用結構具有典型的空間異質性，反映了不同土地利用類型的空間變化，反映了土地利用過程的結果。土地利用格局受自然環(huán)境的限制與人類活動的干預而發(fā)生變化,開展土地利用格局變化與預測研究,了解其成因與機制,是理解人類社會與自然環(huán)境相互關系的重要途徑。城市化在土地利用景觀上的表現(xiàn)主要是大量農用地或未利用地轉化為城市建設用地的過程。經濟發(fā)展迅速的快速城市化地區(qū),由于人類活動強烈,土地利用景觀變化迅速,已成為土地利用變化研究的重點區(qū)域,廣州地區(qū)位于廣東省東南部,地處珠江三角洲北緣,該地區(qū)城市化水平較高,土地利用結構復雜,土地利用格局變化迅速,其自然、經濟、社會特性在我國東南沿海具有代表性,目前關于該區(qū)土地利用景觀格局的定量研究少見報道。因此,選擇廣州地區(qū)為試驗區(qū),研究土地利用景觀的時空格局,對于揭示其土地利用變化規(guī)律,實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實意義。1學習方法1.1遙感影像的目視接受土地利用數(shù)據(jù)的原始信息源為廣州地區(qū)1990年與2000年的LandsatTM遙感影像,空間分辨率30m×30m,經過了輻射糾正、幾何糾正及RGB假彩色合成,參照1∶10萬地形圖數(shù)據(jù),以土地利用方式和覆蓋特征為主要分類依據(jù),在Idrisi軟件的支持下對遙感影像進行目視判讀解譯,得到1990年和2000年土地利用矢量數(shù)據(jù)。根據(jù)研究目的,將研究區(qū)土地利用類型分為:建設用地、耕地、林地、園地、水域和未利用地6類。1.2ca-marov模型1狀態(tài)轉移矩陣t在土地利用格局研究中,土地利用類型對應Markov過程中的“可能狀態(tài)”,而土地利用類型之間相互轉換的面積數(shù)量或比例即為狀態(tài)轉移概率,可用如下公式對土地利用狀態(tài)進行預測S(t+1)=Pij×S(t)(1)式中S(t),S(t+1)——分別為t,t+1時刻的系統(tǒng)狀態(tài);Pij——狀態(tài)轉移矩陣,可以用下式表示Pij=???P11?Pn1??P1n?Pnn???(2)Ρij=[Ρ11?Ρ1n??Ρn1?Ρnn](2)式中Pij——土地類型i轉化為類型j的轉移概率(0≤Pij≤1且∑1nPij=1,(i,j=1,2,?n))∑1nΡij=1,(i,j=1,2,?n))。Markov模型在土地利用變化建模中有廣泛應用,但傳統(tǒng)Markov模型中沒有空間因子,難以預測土地利用的空間格局變化。2局部轉化規(guī)則CA模型的特點是時間、空間、狀態(tài)都離散,每個變量都只有有限多個狀態(tài),而且狀態(tài)改變的規(guī)則在時間和空間上均表現(xiàn)為局部特征。CA模型可用下式表示S(t+1)=f(S(t),N)(3)式中S——表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合;t,t+1——不同時刻;N——表示元胞的鄰域;f——局部空間的元胞轉化規(guī)則。元胞自動機模型具有強大的空間運算能力,可以有效地模擬系統(tǒng)的空間變化,近年來,CA模型在土地利用變化的模擬研究中取得了許多有意義的研究成果,但CA模型主要著眼于元胞的局部間相互作用,存在明顯的局限性:首先,基于鄰居概念的局部空間關系描述的限制——純幾何特性來定義鄰居難以真實地反映局部的空間相互作用和空間關系,其次,局部演化規(guī)則難以反映全局性因素的影響。3土地類型的轉移模擬CA-Markov模型綜合了CA模型模擬復雜系統(tǒng)空間變化的能力和Markov模型長期預測的優(yōu)勢。在土地利用柵格圖中,每一個像元就是一個元胞,每個元胞的土地利用類型為元胞的狀態(tài)。模型在GIS軟件的支持下,利用轉換面積矩陣和條件概率圖像進行運算,從而確定元胞狀態(tài)的轉移,模擬土地利用格局的變化。具體實現(xiàn)過程如下:首先,將研究區(qū)土地利用矢量圖轉換為柵格格式,通過GIS疊置分析,得到土地類型轉移概率矩陣、轉移面積矩陣和一系列條件概率圖像(這些圖像代表每個像元在下一時刻被某土地類型覆蓋的概率)。其次,構造CA濾波器:根據(jù)鄰居離元胞距離的遠近創(chuàng)建具有顯著空間意義的權重因子,使其作用于元胞,從而確定元胞的狀態(tài)改變。本文采用5×5的濾波器。即認為一個元胞周圍5×5個元胞組成的矩形空間對該元胞狀態(tài)的改變具有顯著影響。最后,確定起始時刻和CA循環(huán)次數(shù)。以2000年土地利用格局為起始時刻,CA循環(huán)次數(shù)取10以便模擬2010年土地利用的空間格局。1.3斑塊形狀、景觀多樣性指數(shù)及破壞率選擇以下指數(shù)描述土地利用格局特征:1)斑塊數(shù)目(N)和面積(A)。斑塊的數(shù)目和面積大小,是計算其它格局指數(shù)的基礎,它們既是景觀要素特性的反映,同時也受局部自然環(huán)境和人為因子的影響,具有重要的生態(tài)意義。2)斑塊形狀指數(shù)(G)。G是計算某一斑塊形狀與相同面積的正方形(或圓)之間的偏差程度,G值越大,說明斑塊(景觀)周邊越復雜或形狀越偏長。本文以正方形為參照幾何形狀,計算斑塊形狀指數(shù),公式如下G=0.25PA√(4)G=0.25ΡA(4)式中0.25——正方形校正常數(shù);A——斑塊面積;P——斑塊周長。3)斑塊分維數(shù)(Fd)。分維數(shù)用來測定斑塊形狀的復雜程度。Fd可以用下式求得Fd=2×ln(P/k)ln(A)(5)Fd=2×ln(Ρ/k)ln(A)(5)式中P——斑塊周長;A——斑塊面積;k——常數(shù),對柵格景觀而言,k=4。4)景觀多樣性指數(shù)(H)。景觀多樣性指數(shù)是基于信息論原理,用來度量系統(tǒng)結構組成復雜程度的指數(shù)。本文采用Shannon-Weaver多樣性指數(shù)H=?∑i=1n[(pi)ln(pi)](6)Η=-∑i=1n[(pi)ln(pi)](6)式中pi——第i類地類所占的面積比例;n——地類的數(shù)目。5)景觀破碎度指數(shù)(C)。土地利用過程中,土地利用格局的破碎化狀況是其重要的屬性特征。破碎度可以體現(xiàn)土地利用斑塊的大小,從而揭示人、自然環(huán)境與土地利用格局間的相互作用。其計算公式為C=∑niA(7)C=∑niA(7)式中∑ni——景觀中土地利用斑塊總數(shù)目;A——景觀的總面積。2結果分析2.1土地利用類型及其轉化利用GIS空間疊置分析功能,將1990年與2000年土地利用矢量圖疊置,統(tǒng)計得到10a間土地類型變化情況。其中面積增減變化情況如表1所示。從表1可以得出廣州地區(qū)1990~2000年間土地利用結構變化情況:10a間,建設用地增加了42%;同時耕地、林地、未利用地相應減少,其中耕地減少幅度達到10.95%,反映耕地資源下降很快;未利用地總面積較小,且減少了11.82%,說明研究區(qū)后備土地資源不足;園地和水域總面積有少量增加。Markov轉移矩陣不僅可以定量說明土地類型之間的轉化狀況,而且可以揭示不同類型間的轉移速率。運用Markov模型得到10a間的土地利用轉移概率矩陣,如表2所示。從表2可以看出廣州地區(qū)1990~2000年間土地利用類型相互轉化情況:耕地主要轉化為園地和建設用地,其中7.96%轉化為建設用地,4.07%轉化為園地,而耕地的補充主要來源于園地、林地和未利用地;林地有1.29%轉化為建設用地,0.51%轉化為園地,0.44%轉化為耕地,增加部分來源于園地與未利用地;園地中有5.67%轉化為建設用地,1.72%轉化為耕地,1.61%轉化為林地,因此雖然園地總面積變化不大,但是有增有減,在空間布局上變化明顯;建設用地的增加主要靠占用耕地、園地、林地和未利用地,轉化為其它類型較少;水域變化不大;未利用地主要轉化為建設用地和林地、耕地。2.2土地利用景觀利用ArcViewGIS及其擴展模塊PatchAnalyst2.3對研究區(qū)景觀格局指標進行計算,結果如表3所示。從表3可以看出,從1990到2000年,廣州地區(qū)土地利用斑塊數(shù)目增加,破碎度從0.59上升為0.60,反應了人類活動干擾下,土地利用景觀呈現(xiàn)破碎化。多樣性指數(shù)從1.63增加到1.65,主要原因是優(yōu)勢景觀林地面積下降,優(yōu)勢度有所下降,因此多樣性指數(shù)相應上升。土地利用斑塊平均面積在1.7km2到1.65km2之間,但是斑塊面積變異系數(shù)很大,說明研究區(qū)內既有很大的斑塊也有細小的斑塊,表現(xiàn)在具體土地利用類型上,區(qū)內既有大面積的城鎮(zhèn)建設用地,又有小而分散的農村居民點,反應了研究區(qū)城鄉(xiāng)交錯的土地利用格局。林地分布也有類似情況,既有大面積的林區(qū),也有小片綠化用地。形狀指數(shù)和分維數(shù)反應土地利用斑塊形狀的復雜性,斑塊的幾何形狀越簡單,表明受人類干擾的程度越大。10a間,形狀指數(shù)從1.77下降為1.61,斑塊形狀復雜程度呈下降趨勢,與此相對應,分維數(shù)也從1.08下降到1.06,表明廣州地區(qū)人類活動對土地利用格局的影響逐步加強。2.3土地利用格局以2000年廣州地區(qū)土地利用格局為起始點,用CA-Markov模型對2010年土地利用格局進行預測,元胞大小為60m×60m,預測結果如圖1所示。根據(jù)預測到2010年,廣州地區(qū)建設用地、耕地、林地、園地、水域和未利用地面積分別為1188.97、1746.15、2887.86、759.95、505.26和103.69km2。預測結果表明:2000-2010年間,土地利用格局基本保持20世紀90年代的變化趨勢:建設用地增加、耕地減少。相對2000年,建設用地面積凈增加了215.97km2,增幅為22.20%,反映了21世紀頭10年廣州城市化速度相對20世紀90年代有所放緩,但城市化趨勢依然強勁。預測10a間耕地減少了10.30%,相對20世紀90年代,減少速度沒有明顯放慢,表明耕地保護任務仍十分艱巨。此外,未利用地持續(xù)減少,減幅為11.21%。林地、園地和水域面積基本保持穩(wěn)定,處于動態(tài)平衡狀態(tài)中。對預測的2010年土地利用模擬格局進行格局指數(shù)計算,結果如表4所示。從表4可以看出,與2000年相比,2010年土地利用斑塊數(shù)增加到4581個,斑塊平均面積下降到1.57km2,斑塊面積變異系數(shù)上升到2541.86,破碎度上升到0.64個/km2。結果表明:2000~2010年間,人類活動對廣州地區(qū)土地利用格局影響進一步加劇,土地利用斑塊數(shù)增加,破碎度指數(shù)繼續(xù)上升,土地利用格局進一步破碎化;多樣性指數(shù)為1.64,基本維持在20世紀90年代水平;形狀指數(shù)下降為1.47,分維數(shù)為1.06,表明土地利用斑塊形狀復雜程度降低,趨于簡單。3景觀格局動態(tài)變化1)20世紀90年代,廣州地區(qū)土地利用景觀格局以林地和耕地為主,隨著快速城市化進程,土地利用格局變化表現(xiàn)為:建設用地大幅度增加,同時耕地、林地、未利用地等減少,園地、水域基本保持穩(wěn)定。景觀斑塊數(shù)目上升,斑塊面積變異系數(shù)增大,形狀指數(shù)、分維數(shù)等呈下降趨勢,土地利用斑塊形狀趨于簡單。景觀破碎度增加,表明人類活動對研究區(qū)土地利用格局影響程度不斷加深。2)21世紀頭10年,廣州地區(qū)建設用地比例進一步上升,耕地和未利用地減少,林地、園地和水域保持穩(wěn)定。景