李玉龍，趙俊三，龍利秋，馮躍，王菊

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.智慧礦山地理空間信息集成創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093；3.云南省高校自然資源空間信息集成與應(yīng)用科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，云南 昆明 650211； 4.山東新天地測(cè)繪科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

1 引 言

土地是一切生產(chǎn)和一切存在的源泉。土地作為自然界最基本的一種自然資源，既是自然環(huán)境要素發(fā)生、變化的重要載體，也是人類生存、繁衍的基礎(chǔ)物質(zhì)保障[1]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用程度綜合指數(shù)、土地利用動(dòng)態(tài)度、類型重心的遷移、景觀格局指數(shù)等是土地利用覆蓋變化的主要研究方法[2～4]。

馬新萍等[5]借助GIS和RS技術(shù)，選取研究區(qū)1996年、2006年、2016年3期遙感影像進(jìn)行解譯，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用變化模型對(duì)大西安1996年以來土地利用類型和土地覆被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行量化分析；康紫薇[6]等通過對(duì)瑪河流域四期遙感影像中土地利用類型進(jìn)行解譯，定量分析流域近15年來土地利用動(dòng)態(tài)變化特征，基于景觀格局指數(shù)，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，探究瑪河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度及時(shí)空分異特征。李孟迪等[7]通過利用GIS和Fragstats軟件對(duì)云南省2005年～2015年滇中城市群、州市尺度的景觀格局時(shí)空分異特征進(jìn)行分析。

目前來看，對(duì)于土地利用變化的研究，大多集中于發(fā)展程度較高的城市[8-11]，對(duì)縣城、鄉(xiāng)村的土地利用變化研究相對(duì)較少。莊房村因其交通區(qū)位優(yōu)越，占據(jù)生態(tài)保護(hù)紅線及永久基本農(nóng)田，在選取盤龍區(qū)鄉(xiāng)村試點(diǎn)占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，分析其土地利用變化及景觀格局變化對(duì)下一步村莊規(guī)劃具有一定的指導(dǎo)作用。

本文以莊房村為例，對(duì)研究區(qū)2015年、2018年兩期土地利用變更數(shù)據(jù)運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)分析對(duì)土地利用分類結(jié)果從土地利用結(jié)構(gòu)變化、景觀格局變化兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

莊房村屬于山區(qū)，國土面積為 16.16 km2，海拔 2 209.13 m，年平均氣溫13℃，年降水量 1 000 mm，全村管轄8個(gè)村民小組，農(nóng)戶528戶，鄉(xiāng)村人口為 1 636人。莊房村內(nèi)生態(tài)保護(hù)紅線面積為 3.15 km2，永久基本農(nóng)田面積為 3.09 km2。莊房高程如圖1所示。

圖1 莊房高程

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文涉及的數(shù)據(jù)主要包括2015年、2018年土地利用變更數(shù)據(jù)，按照2017年發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類》對(duì)地類進(jìn)行劃分，其中2015年土地利用變更數(shù)據(jù)為1980坐標(biāo)系，2018年土地利用變更數(shù)據(jù)為2000坐標(biāo)系；高程數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)提供的GDEMV2 30M分辨率的DEM數(shù)據(jù)經(jīng)ArcGIS 10.2軟件處理得到。本文涉及的所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)均統(tǒng)一至CGCS2000，柵格數(shù)據(jù)分辨率均為 30 m×30 m，并保持行列號(hào)一致。

3 研究方法

3.1 土地利用分類

參照《土地利用現(xiàn)狀分類》的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)土地利用進(jìn)行分類，分類結(jié)果如表1所示。

土地分類體系 表1

3.2 景觀格局指數(shù)分析

景觀格局指數(shù)用來定量分析景觀格局特征，能夠反映反映景觀格局的結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征[12]，景觀格局用來研究空間配置的關(guān)系及其景觀結(jié)構(gòu)組成特征。景觀格局指數(shù)主要包括景觀破碎度、景觀分離度、景觀優(yōu)勢(shì)度、景觀干擾度、景觀脆弱度和景觀損失度等指數(shù)。本文選取的景觀格局指數(shù)旨在反映景觀全局或各類型的變化，且相關(guān)性較小的典型變量，表征景觀的組成、結(jié)構(gòu)。通過CLASS里選取斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、聚合度指數(shù)(AI)，LAND里選取景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀分割度(DIVISION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、聚合度指數(shù)(AI)，計(jì)算莊房村各類景觀格局指數(shù)及整體景觀格局指數(shù)。

(1)斑塊類型尺度水平的度量指標(biāo)

①斑塊密度(PD)

PD反映了單位面積上的斑塊數(shù)量，取值范圍為PD>0，斑塊密度越大，斑塊數(shù)量越多。

式中，ni為景觀中的斑塊總數(shù)；A為景觀總面積。

②最大斑塊指數(shù)(LPI)

LPI用來度量多大比例的景觀面積是由最大斑塊組成的。取值范圍0

式中，aij代表斑塊ij的面積，A為包括景觀內(nèi)部背景在內(nèi)的景觀總面積。

③散布與并列指數(shù)(IJI)

IJI用來度量在給定斑塊類型數(shù)目情況下，斑塊的實(shí)際散布狀況與最大散布狀況的比值。

式中：eik為i類斑塊和k類斑塊之間的邊緣總長度；m為景觀中的斑塊類型數(shù)，如果景觀邊界存在，則包括景觀邊界。

④聚合度指數(shù)(AI)

AI表示不同斑塊類型相鄰出現(xiàn)在景觀圖上的概率。

式中：gii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)，max(gii)為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的最大結(jié)點(diǎn)數(shù)。

(2)景觀尺度水平的度量指標(biāo)

①景觀形狀指數(shù)(LSI)

LSI是結(jié)合景觀面積對(duì)景觀總邊緣長度或邊緣密度的標(biāo)準(zhǔn)化度量。

式中：E指景觀的邊緣總長度，包括所有景觀邊界線和背景邊緣。minE是E的最小可能值。

②蔓延度指數(shù)(CONTAG)

蔓延度是指斑塊類型在空間分布上的集聚趨勢(shì)。指數(shù)取值范圍為0

式中：pi為斑塊類型i在景觀中的面積比重，gik為基于雙倍法的看斑塊類型i和斑塊類型k之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)；m是景觀中的斑塊類型數(shù)，包括景觀邊界中的斑塊類型。

③景觀分割度(DIVISION)

DIVISION描述某一景觀類型中不同斑塊個(gè)體分布及分離程度。

式中：aij為斑塊ij的面積；A為整個(gè)景觀的面積。

④香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)

SHDI對(duì)稀有斑塊類型的敏感性較強(qiáng)。指數(shù)值越大，景觀中各斑塊類型及分布更豐富。

式中：pi為景觀中斑塊類型i的面積比重。

⑤香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)

SHEI反映景觀中不同斑塊類型面積比重的均衡度與其最大值的比值。值越小，景觀受少數(shù)優(yōu)勢(shì)類型所支配的趨勢(shì)越強(qiáng)，其值越大，說明各類景觀類型分布越均勻。

式中：pi為景觀中斑塊類型i的面積比重，計(jì)算時(shí)采用的景觀總面積不包括景觀中的背景；m是景觀中的斑塊類型數(shù)。

⑥聚合度指數(shù)(AI)

AI衡量給定景觀組成的情況下相似節(jié)點(diǎn)的最大可能數(shù)。范圍在0～100，當(dāng)某一斑塊類型的破碎度達(dá)到最大化時(shí)，AI=0；且隨聚集程度不斷增加，AI的值也不斷增加；當(dāng)該斑塊類型聚集成一個(gè)緊實(shí)的整體時(shí)，AI=100。

式中：gii為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)；maxgii為基于單倍法的斑塊類型i的面積比重。

3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用方面的應(yīng)用，其不僅可以定量地表明不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)化情況，還可以揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移速率。

式中，S代表面積；n表示土地利用類型總數(shù)；Sij表示由i地類轉(zhuǎn)移到j(luò)地類的面積。

4 研究結(jié)果

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析

調(diào)用土地利用變更數(shù)據(jù)中2018年土地利用數(shù)據(jù)(圖2)，分析發(fā)現(xiàn)，截至2018年，莊房村土地總面積為 16 159 432.71m2，土地利用類型以林地為主，面積為 10 365 767.80 m2，占總面積比例為64.15%；其次為耕地，面積為 3 338 859.99 m2，占總面積比例為20.66%。草地、工礦倉儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、園地、住宅用地、特殊用地、其他土地面積均較小，面積分別為 498 926.43 m2、 21 389.30 m2、 372 316.83 m2、100 883.91 m2、837 322.62 m2、495 637.97 m2、 108 335.78 m2、 19 982.08 m2，占總面積比例分別為3.09%、0.13%、2.30%、0.62%、5.18%、3.07%、0.67%、0.12%。

圖2 莊房村土地利用現(xiàn)狀

4.2 景觀格局指數(shù)分析

通過Fragstats4.2軟件計(jì)算出2015年及2018年莊房村不同土地利用類型的景觀格局指數(shù)。其中，PD越大，破碎度越高；LPI反映人類活動(dòng)的方向和強(qiáng)弱，LPI越大，景觀斑塊形狀越復(fù)雜；IJI取值較小時(shí)，表明該斑塊類型僅與少數(shù)幾種其他類型相鄰接；AI值越小，景觀越離散。LSI越高，該類型板塊對(duì)于景觀影響越大，CONTAG指標(biāo)描述景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)，較小時(shí)表明景觀中存在許多小斑塊，趨于100時(shí)表明景觀中有連通度極高的優(yōu)勢(shì)斑塊類型存在；SHDI指數(shù)增大表明拼塊類型增加或各拼塊類型在景觀中呈均勻化趨勢(shì)分布，SHEI指數(shù)低表明生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性低。

(1)各地類景觀格局分析

按照2.1節(jié)選取的景觀格局指數(shù)，對(duì)比分析2015年、2018年兩期景觀格局的斑塊面積、景觀形狀指數(shù)、最大斑塊指數(shù)和斑塊聚合度指數(shù)及其變化特征，如表2所示。

各地類景觀格局變化特征 表2

通過分析可知，2015年～2018年林地和耕地均呈現(xiàn)PD增加、LPI減少、IJI增加、AI減少，表明莊房村林地景觀、耕地景觀破碎度增加，景觀形狀逐漸規(guī)則，鄰接地類增加，景觀更為離散，連通度降低；園地PD增加、LPI減少、IJI減少、AI減少，景觀破碎度增加，景觀形狀趨于規(guī)則，鄰接地類減少，景觀趨于離散，連通度降低；草地PD減少、IJI增加、AI增加，景觀破碎度減弱，鄰接地類增加，趨于聚合，連通度增加；住宅用地PD增加、IJI增加、AI減少，景觀破碎度增加，鄰接地類增加，聚合度降低，連通度減少；交通運(yùn)輸用地PD減少、LPI增加、IJI增加、AI增加，景觀破碎度增加，景觀形狀趨于復(fù)雜，鄰接地類增加，景觀趨于聚合，連通度增加；特殊用地和其他用地IJJ增加、AI減少，鄰接地類增加，景觀趨于離散。

(2)整體景觀格局分析

從圖3景觀格局整體來看，莊房村2015年～2018年景觀形狀指數(shù)、景觀分割度分別從15.71、0.65～15.77、0.82，略有增加；聚合度指數(shù)從80.23～80.16，略有減少；表明景觀整體上破碎度增加、聚集度減弱。蔓延度從61.27減少到60.48，表明景觀中存在小斑塊增加；香濃多樣性指數(shù)、香濃均勻度指數(shù)分別從1.11、0.48增加到1.14、0.50，表明各景觀類型在景觀中呈均勻化趨勢(shì)分布，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升。

圖3 整體景觀格局指數(shù)

4.3 土地利用轉(zhuǎn)移分析

(1)各地類土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過ArcGIS與Excel對(duì)2015年、2018年兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到2015年～2018年各地類土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，如表3所示，其中行為2018年土地利用現(xiàn)狀、列為2015年土地利用現(xiàn)狀。

通過分析可知，2015年～2018年莊房村土地發(fā)生明顯變化，其中林地轉(zhuǎn)入面積最大為 105 343.52 m2；耕地轉(zhuǎn)入面積為 39 605.08 m2；園地轉(zhuǎn)入面積為 14 189.71 m2；草地轉(zhuǎn)入面積為 4 901.90 m2；其他土地轉(zhuǎn)入面積為 2 968.78 m2；水域及水利設(shè)施用地轉(zhuǎn)入、特殊用地轉(zhuǎn)入面積較小，分別為 0.19 m2、 1.01 m2；其中，林地、耕地、園地轉(zhuǎn)入面積均主要來源于交通運(yùn)輸用地及住宅用地；草地轉(zhuǎn)入面積主要來源于交通設(shè)施用地；其他土地主要由住宅用地轉(zhuǎn)入。住宅用地轉(zhuǎn)出面積為 21 716.94 m2；交通運(yùn)輸用地轉(zhuǎn)出面積為 14 293.36 m2；工礦倉儲(chǔ)用地轉(zhuǎn)出面積較小為 0.18 m2；其中住宅用地主要轉(zhuǎn)出為草地、耕地、林地、其他土地、園地，轉(zhuǎn)出面積分別為 360.80 m2， 9 732.59 m2， 3 161.26 m2， 2 508.56 m2， 6 115.71 m2，轉(zhuǎn)為交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地面積較少分別為 0.22 m2、2.56 m2；交通運(yùn)輸用地主要轉(zhuǎn)出為草地、耕地、林地、其他土地、園地，轉(zhuǎn)出面積分別為 4 533.57 m2、 29 967.25 m2、 102 231.63 m2、 460.77 m2、8 103.76 m2，轉(zhuǎn)為住宅用地面積較少，為 3.31 m2。

2015年～2018年各地類土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 表3

(2)三類空間轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過構(gòu)建三類空間轉(zhuǎn)移矩陣，得出三類空間相互轉(zhuǎn)化面積如表4所示。

三類空間相互轉(zhuǎn)化面積 表4

通過分析，得出三類空間轉(zhuǎn)移以建設(shè)用地轉(zhuǎn)出為主，轉(zhuǎn)出面積為 167 004.39 m2，以生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)空間轉(zhuǎn)入為主，轉(zhuǎn)入面積分別為 105 333.27 m2、 61 671.13 m2。其中建設(shè)用地面積主要為住宅用地中村莊用地減少為主，莊房村部分位于松華壩水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，對(duì)其實(shí)施村莊搬遷政策使得建設(shè)用地面積減少。

5 結(jié) 論

本文研究結(jié)果表明，從土地轉(zhuǎn)移矩陣來看，林地轉(zhuǎn)入面積最大，為 105 343.52 m2，轉(zhuǎn)入面積從大到小：林地>耕地>園地>草地>其他土地>特殊用地>水域及水利設(shè)施用地；住宅用地、交通運(yùn)輸用地、工礦倉儲(chǔ)用地以轉(zhuǎn)出為主，其中交通運(yùn)輸用地轉(zhuǎn)出面積最大為 14 293.36 m2。從景觀格局來看，莊房村整體景觀破碎度增加、聚集度減弱但各景觀類型在景觀中呈均勻化趨勢(shì)分布，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升；其中耕地、林地、草地、住宅用地的破碎度2015年～2018年一直處于較高水平；林地景觀的形狀最為復(fù)雜，耕地和交通運(yùn)輸用地次之，其他土地最為規(guī)則；其他土地、水域及水利設(shè)施用地鄰接其他地類數(shù)目較多，工礦倉儲(chǔ)用地最少；特殊用地、工礦倉儲(chǔ)用地聚合度高，連通性好，其他土地的聚合度最低。

文章對(duì)莊房村土地利用變化進(jìn)行分析，得出莊房村土地利用變化的結(jié)果，對(duì)后期盤龍區(qū)國土空間規(guī)劃及村莊規(guī)劃提供依據(jù)。