潘鵬程

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福州市土地景觀格局動(dòng)態(tài)變化及多樣性分析

潘鵬程

福建省省級(jí)土地登記中心

利用1985年、2000年兩期土地利用數(shù)據(jù)，借助ArcGis8.3軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到面積、斑塊數(shù)等基本數(shù)據(jù)，然后用EXCEL軟件計(jì)算各景觀指標(biāo)指數(shù)。從數(shù)據(jù)看出，整體上福州地區(qū)多樣性指數(shù)、破碎度指數(shù)有所上升，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)下降，景觀格局趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)趨于優(yōu)化。內(nèi)部差異性分析方面，對(duì)2000年各景觀多樣性指數(shù)在DPS軟件包中利用模糊聚類(lèi)模塊進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果分為三類(lèi)。

景觀格局 景觀多樣性 模糊聚類(lèi)

景觀(Landscape)是由一組以類(lèi)似形式重復(fù)出現(xiàn)且相互作用的生態(tài)系統(tǒng)(Ecosystem)所組成的具有高度異質(zhì)性(Heterogeneity)的區(qū)域[1-2]。景觀格局是由許多景觀過(guò)程長(zhǎng)期作用的產(chǎn)物，同時(shí)景觀格局也直接影響景觀過(guò)程[3]。景觀多樣性是指景觀單元在結(jié)構(gòu)和功能方面的多樣性，它反映了景觀的復(fù)雜程度[4]。景觀格局的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前多從時(shí)間與空間兩個(gè)方面對(duì)區(qū)域景觀格局進(jìn)行研究，利用不同時(shí)期數(shù)據(jù)可對(duì)某區(qū)域景觀格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化研究，利用特定時(shí)期數(shù)據(jù)可進(jìn)行區(qū)域內(nèi)部差異性研究。本文利用福州市1985年、2000年土地利用數(shù)據(jù)對(duì)福州市土地景觀格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化研究，并對(duì)2000年福州地區(qū)各縣市景觀多樣性數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州位于北緯25°15′~26°39′,東經(jīng)118°08′~120°31′，東瀕東海，與臺(tái)灣省相望，西臨三明市和南平市，北接寧德地區(qū)，南連莆田市，行政上轄五區(qū)八縣市，面積11968km2。福州地區(qū)地跨中亞熱帶與南亞熱帶，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，暖熱濕潤(rùn)，宜于林木和農(nóng)作物生長(zhǎng)。境內(nèi)多山地，山地氣候的垂直變化也頗明顯，從而也引起土壤和植被的垂直分布差異。陸域資源林地面積大，耕地卻嚴(yán)重不足，人口與耕地的矛盾突出；水資源豐富，但時(shí)空分布不均，沿海和島嶼嚴(yán)重缺水；海洋資源豐富，生物、動(dòng)力、石英砂、灘涂淺海等都有很大的儲(chǔ)量，面積較大。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

本文采用1985年、2000年土地利用數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)格式為ESRI Arc/Info Coverage格式。福建省政區(qū)圖，原圖比例尺1：25萬(wàn)，經(jīng)緯度坐標(biāo)，數(shù)據(jù)格式為ESRI Arcview shape 格式。數(shù)據(jù)處理采用Arc/Info 作為軟件平臺(tái)。首先使用ArcToolbox 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的Coverage 格式，采用高斯－克呂格投影，北京1954年坐標(biāo)系。利用ArcMap統(tǒng)計(jì)各景觀類(lèi)型單元的斑塊數(shù)、面積、周長(zhǎng)等，結(jié)合Excel計(jì)算各指標(biāo)值。

1.3 指標(biāo)選取

對(duì)景觀空間格局的定量描述是分析景觀結(jié)構(gòu)、功能及過(guò)程的基礎(chǔ)。通過(guò)格局分析就可以把景觀的空間特征與時(shí)間過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，從而能夠較為清楚地對(duì)景觀內(nèi)在規(guī)律性進(jìn)行分析和描述。這是景觀生態(tài)學(xué)與其它生態(tài)學(xué)科的重要區(qū)別之一[3]。根據(jù)研究區(qū)與獲取的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選取如下指標(biāo)進(jìn)行景觀格局及動(dòng)態(tài)變化研究[5]。

1.3.1 斑塊面積(A)和斑塊周長(zhǎng)(P)。斑塊面積和斑塊周長(zhǎng)是進(jìn)行景觀格局計(jì)算的基礎(chǔ),可直接利用ArcMap的統(tǒng)計(jì)查詢(xún)功能獲得。

1.3.3 景觀優(yōu)勢(shì)度(D0)

1.3.4 景觀破碎度（C）。C=板塊總數(shù)/總面積，反映景觀的破碎化程度。

1.3.5 斑塊分維數(shù)(D)。D=2log(P/4)/logA, 用來(lái)測(cè)定斑塊周邊形狀的復(fù)雜程度。D值的理論范圍為1.0～2.0,1.0代表形狀最簡(jiǎn)單的正方形嵌塊,2.0代表等面積下周邊最復(fù)雜的嵌塊體。

1.3.7 景觀均勻度(E)。 E=(H/Hmax)，用于描述景觀里不同景觀類(lèi)型的分配均勻程度。E是均勻度，H是多樣性指數(shù)，Hmax是最大多樣性指數(shù)，Hmax=log2(m) ，m為景觀類(lèi)型數(shù)目。

1.3.8 景觀分離度Fi。Fi=Di/Si，其中,Fi為景觀類(lèi)型i的分離度；Di為景觀類(lèi)型i的距離指數(shù),Di= ni/A，ni是景觀類(lèi)型i的斑塊總數(shù),A為景觀的總面積;Si為景觀類(lèi)型i的面積指數(shù),Si=Ai/A,Ai表示景觀類(lèi)型i的總面積。

2 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

根據(jù)福州具體情況，從斑塊數(shù)、面積、景觀優(yōu)勢(shì)度、多樣性指數(shù)、景觀破碎度來(lái)分析福州市15年來(lái)的景觀變化情況。

2.1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)方法，得到福州地區(qū)景觀格局與景觀指標(biāo)值變化結(jié)果如表1。

表1 福州地區(qū)景觀格局與景觀指標(biāo)值變化

續(xù)表1

景觀格局指標(biāo)多樣性指數(shù)優(yōu)勢(shì)度破碎度 1985年1.2421.7580.828 2000年1.7801.2200.845

2.2 結(jié)果分析

對(duì)表1兩個(gè)時(shí)期的面積、景觀比例（％）、平均面積、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度、破碎度的比較，反映出在15年中福州市景觀格局變化呈如下特點(diǎn)：水田、旱地、草地面積、景觀比例均有不同程度的減少，林地、建設(shè)用地明顯增加。說(shuō)明在此期間受政策因素影響，考慮到生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，部分耕地實(shí)行了退耕還林，且隨人口數(shù)量的增加、人民生活水平的提高部分耕地或草地被建筑所占用。森林仍然作為景觀基質(zhì)，景觀比例占60％以上。并且由于大面積的人工林使得林地連片分布，平均面積由5.69km2上升到6.13km2。與1985年相比，到2000年為止，景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變小，多樣性指數(shù)與破碎度指數(shù)均有上升。多樣性指數(shù)上升與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)下降說(shuō)明隨著人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境認(rèn)識(shí)的深入，環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的破壞減少，使得景觀類(lèi)型多樣化，系統(tǒng)自組織調(diào)節(jié)能力有所增強(qiáng)，系統(tǒng)趨于優(yōu)化。

3 景觀多樣性分析

景觀動(dòng)態(tài)變化說(shuō)明了福州市景觀格局隨時(shí)間的變化情況，為提出合理的政策，由于區(qū)域內(nèi)部存在差異性，本文對(duì)其多樣性在DPS軟件包中利用模糊聚類(lèi)對(duì)各縣市指標(biāo)值（如表2）進(jìn)行聚類(lèi)分析。

3.1 模糊聚類(lèi)基本原理

假設(shè)有n 個(gè)要分類(lèi)的樣本，記為X1,X2,…,Xn,每個(gè)樣本有m個(gè)量化指標(biāo)，記為Xi1,Xi2,…,Xim,構(gòu)成n×m階矩陣。模糊聚類(lèi)是一種以模糊等價(jià)關(guān)系為基礎(chǔ)的傳遞閉包法，該方法首先定義樣本之間的相似系數(shù)或距離，樣本X1與X2的距離記做rij,得到n×n階模糊矩陣R:

一般來(lái)講，相似矩陣只滿(mǎn)足自反性rij＝1，對(duì)稱(chēng)性rij=rji,而不滿(mǎn)足傳遞性，不是模糊等價(jià)矩陣，因而不能直接進(jìn)行分類(lèi)，必須進(jìn)行改造。利用平方法改造矩陣：R2=R×R,…,R2k=Rk×Rk,k=1,2,4,…,直到找到最小的k，使得R2k=Rk,令R=Rk，則R就是模糊等價(jià)矩陣。取水平λ滿(mǎn)足0≤λ≤1，依次比較R中的各個(gè)元素，若該元素大于等于λ，則令該元素為1，否則為0，得到截矩陣Rλ,由Rλ進(jìn)行分類(lèi)。

3.2 指標(biāo)值獲取

景觀多樣性主要研究組成景觀的斑塊在數(shù)量、大小、形狀和景觀的類(lèi)型、分布及其斑塊間的連續(xù)性、連通性等結(jié)構(gòu)和功能上的多樣性。因此，選擇多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度、破碎度、均勻度、分離度、分維數(shù)、形狀指數(shù)、斑塊數(shù)、面積等9個(gè)指標(biāo)，對(duì)福州地區(qū)各縣市景觀多樣性進(jìn)行聚類(lèi)分析。指標(biāo)值是在ArcGis 8.3軟件平臺(tái)上統(tǒng)計(jì)面積、周長(zhǎng)、斑塊數(shù)結(jié)合EXCEL計(jì)算獲得（表2）。然后利用DPS軟件包中模糊聚類(lèi)模塊進(jìn)行分析。

表2 景觀多樣性指標(biāo)值

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)處理

為了消除不同指標(biāo)的量綱影響，便于分析和比較，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化變換方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，公式如下：

Zij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

其中Zij、Xij分別為標(biāo)準(zhǔn)化后、標(biāo)準(zhǔn)化前第i各樣本的第j個(gè)指標(biāo)值，Xjmin、Xjmax為第j個(gè)指標(biāo)的最小、最大值。

3.3.2 模糊相似矩陣的建立

樣本間的相似系數(shù)由相關(guān)系數(shù)法計(jì)算，其公式為：

3.3.3 聚類(lèi)結(jié)果

利用傳遞閉包法求得模糊等價(jià)矩陣R及聚類(lèi)樹(shù)系圖（見(jiàn)圖1）。

通過(guò)模糊聚類(lèi)分析可以看出，當(dāng)置信水平λ＝0.90時(shí)，福州地區(qū)的9個(gè)縣市可以劃分為三類(lèi)：

第一類(lèi)：長(zhǎng)樂(lè)、福清、福州、羅源、閩清、永泰，多樣性指數(shù)較高，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)偏低，破碎度、均勻度、分離度指數(shù)較高，形狀指數(shù)偏大，整體呈現(xiàn)出城市地域型景觀特征，與該地域在研究年份內(nèi)水田、旱地、草地面積、景觀比例減少，建設(shè)用地增加有關(guān)。

第二類(lèi)：連江、平潭，多樣性指數(shù)相對(duì)均衡，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)偏低，破碎度、均勻度、分離度指數(shù)不高，形狀指數(shù)適中，整體呈現(xiàn)出城鄉(xiāng)過(guò)渡型地域景觀特征，該地域在研究年份內(nèi)部分耕地實(shí)現(xiàn)了退耕還林、森林覆蓋率顯著提升。

第三類(lèi)：閩侯，多樣性指數(shù)相對(duì)均衡，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)較低，破碎度、均勻度、分離度指數(shù)形狀指數(shù)均偏低，整體呈現(xiàn)出傳統(tǒng)型地域景觀特征，系統(tǒng)自組織調(diào)節(jié)能力有待增強(qiáng)。

[1] [美]Ｒ·福爾曼,Ｍ·戈德倫.肖篤寧等譯.景觀生態(tài)學(xué)[Ｍ].北京:科學(xué)出版社,1990.

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