郭連杰, 江 濤, 嚴(yán)立文, 黃 玨

(1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266510; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071)

基于Landsat遙感數(shù)據(jù)的長(zhǎng)島南部島群景觀格局演化研究

郭連杰1, 江 濤1, 嚴(yán)立文2, 黃 玨1

(1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266510; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071)

為了了解長(zhǎng)島南部島群在經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下的景觀格局及未來(lái)變化趨勢(shì), 利用1990～2015年6景LandsatTM5、TM7和OLI8影像數(shù)據(jù)源, 基于地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái)采用決策樹分類的方法對(duì)長(zhǎng)島南部島群的景觀類型進(jìn)行了分類, 并結(jié)合Frag-stats軟件提取7種不同的景觀格局指數(shù), 對(duì)長(zhǎng)島南部島群的景觀格局演化特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示, 人為活動(dòng)是近年來(lái)長(zhǎng)島南部島群景觀格局演化的主要驅(qū)動(dòng)力, 該島群景觀類型變化以建設(shè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地增加和林地減少為特征, 建設(shè)用地斑塊聚集度指數(shù)較高, 斑塊的聚集度指數(shù)逐年增加, 整體上斑塊的聚集度和連通性很好。不同景觀指數(shù)(SHDI(景觀斑塊多樣性)、PAFRAC(周長(zhǎng)面積分維數(shù))、PD(斑塊密度指數(shù))、LSI(斑塊形狀指數(shù))、CA(斑塊面積指數(shù))、AI(景觀聚集度指數(shù))、COHESION(斑塊結(jié)合度指數(shù)))對(duì)人為擾動(dòng)因子均具有良好的表征。相關(guān)研究結(jié)論可為長(zhǎng)島南部島群綜合管理和生態(tài)紅線劃定提供有效依據(jù)。

景觀生態(tài)學(xué); 景觀格局指數(shù); 遙感影像; 長(zhǎng)島南部島群

海島生態(tài)系統(tǒng)是一種相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng), 由于其地域的孤立性和生態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特性和易損性引起廣泛的關(guān)注, 近年來(lái)針對(duì)海島生態(tài)脆弱性的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。景觀格局演化特征是測(cè)度區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境健康度的一種重要工具, 不少學(xué)者在這方面做了許多有益探索。Steiner[1]也對(duì)景觀格局的優(yōu)化方法有過總結(jié)和歸納, 并進(jìn)一步分析了城市景觀的發(fā)展; 林明太等[2]、陳金華等[3]對(duì)湄洲島的景觀格局變化和環(huán)境脆弱性進(jìn)行了分析; 王常穎等[4]也基于景觀格局變化特征對(duì)長(zhǎng)島南部島群的生態(tài)安全性和驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了解析。目前來(lái)看, 人為因子擾動(dòng)的因素已經(jīng)成為海島生態(tài)環(huán)境變化的一種主要驅(qū)動(dòng)力, 如何識(shí)別這種人為干預(yù)的強(qiáng)度和影響程度成為海島綜合管理和海島生態(tài)紅線劃定的關(guān)鍵所在。本文以人為開發(fā)程度較高的長(zhǎng)島縣南部島群為例, 探討人為擾動(dòng)因子對(duì)該區(qū)島群景觀格局演化的長(zhǎng)期影響。

1 研究區(qū)域介紹

長(zhǎng)山島南部島群位于膠東、遼東半島之間, 在黃渤海交匯處, 包括南北長(zhǎng)山島、老黑山島、小黑山島和廟島。氣候條件上屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候, 具有雨水適中、空氣濕潤(rùn)、氣候溫和的特點(diǎn)。年平均氣溫11.9, ℃年平均降水量為560 mm。該區(qū)地理環(huán)境條件優(yōu)越[5], 植被類型以針葉林、落葉闊葉林、雜生港灌木及草類為主, 植被覆蓋率46.92%為主, 長(zhǎng)島是國(guó)際上重要的候鳥遷徙的中轉(zhuǎn)站和必經(jīng)之路,也是省級(jí)斑海豹保護(hù)區(qū), 具有重要的生態(tài)價(jià)值。就社會(huì)經(jīng)濟(jì)而言, 長(zhǎng)山島南部島群扇貝、海參等養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速, 城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模日益增大。旅游業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。本文以高強(qiáng)度開發(fā)較為典型的長(zhǎng)山島南部島群作為研究對(duì)象, 采用地物類型和景觀格局指數(shù)分析的方法對(duì)人為擾動(dòng)的強(qiáng)度進(jìn)行識(shí)別, 并對(duì)長(zhǎng)山島南部島群1990年以來(lái)的景觀格局演化趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

2 數(shù)據(jù)源及處理方法

數(shù)據(jù)源采用1990年、1995年、2000年、2005年Landsat TM5遙感影像, 2010年Landsat TM7和2015年Landsat OLI8遙感影像, 分辨率為30 m。研究區(qū)規(guī)劃矢量圖包括長(zhǎng)島區(qū)南部島群以及周邊海域,投影坐標(biāo)統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_51N。

地物類型劃分以全國(guó)土地分類標(biāo)準(zhǔn)[6]2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù), 將長(zhǎng)島區(qū)南部群島劃分為8類: (1)耕地, 包括灌溉水田、菜地和旱地等; (2)林地, 包括有林地、疏林地、未成林造林地等; (3)草地, 包括天然和人工草地; (4)建設(shè)用地, 包括農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工業(yè)用地等; (5)周圍海域; (6)未利用地, 包括沙地、裸巖、裸土、灘涂等; (7)水產(chǎn)養(yǎng)殖用地, 海參、海帶、貝類等養(yǎng)殖區(qū); (8)交通運(yùn)輸用地?；贕IS平臺(tái), 選擇歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化建筑物指數(shù)(NDBI)和坡度數(shù)據(jù)為分類的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù), 采用決策樹分類[7]和目視解譯相結(jié)合的方法進(jìn)行不同地物類型的識(shí)別, 具體結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 決策樹分類Fig. 1 Decision tree classification

景觀格局指數(shù)是分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境演化的重要參照指標(biāo)之一, 在地物類型分類的基礎(chǔ)上, 采用Frag-stats進(jìn)行計(jì)算提取共獲得7種景觀格局指數(shù)分布特征, 包括SHDI(景觀斑塊多樣性)、PAFRAC(周長(zhǎng)面積分維數(shù))、PD(斑塊密度指數(shù))、LSI(斑塊形狀指數(shù))、CA(斑塊面積指數(shù))、AI(景觀聚集度指數(shù))、COHESION(斑塊結(jié)合度指數(shù))[8-14]。綜合上述指標(biāo)對(duì)1990～2015年長(zhǎng)島景觀格局演化進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 地物類型變化特征

1990年與2015年長(zhǎng)島南部島群地物類型轉(zhuǎn)換變化具體情況見圖2。

整體來(lái)看, 水產(chǎn)養(yǎng)殖面積增加545.534 ha, 增幅最大; 耕地增加142.253 ha, 建設(shè)用地增加192.50 ha,交通運(yùn)輸用地總用地增加106.731 ha, 同時(shí)導(dǎo)致林地減少493.370 ha, 減少幅度最大。結(jié)合長(zhǎng)島縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒分析, 2000年之前長(zhǎng)島的發(fā)展以第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)為主[15], 耕地面積增長(zhǎng)較快, 同時(shí)耕地的開墾導(dǎo)致林地的減少。1995年長(zhǎng)島開始出現(xiàn)影像可見水產(chǎn)養(yǎng)殖水域, 2000年之后發(fā)展迅速, 2015年已經(jīng)出現(xiàn)大面積的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地。交通運(yùn)輸用受人類活動(dòng)影響最大, 人類擾動(dòng)越多交通運(yùn)輸用地的復(fù)雜度也會(huì)越高, 2015年長(zhǎng)島的交通運(yùn)輸用地系統(tǒng)已經(jīng)比較完善, 形成了一定的交通運(yùn)輸用地交通運(yùn)輸網(wǎng)。綜合來(lái)看, 人為開發(fā)活動(dòng)是1990～2015年長(zhǎng)島南部島群地物類型轉(zhuǎn)換的主要驅(qū)動(dòng)因素。

3.2 1990～2015年不同地物類型景觀指數(shù)變化

3.2.1 CA年際變化分析

CA是一個(gè)度量景觀要素面積特征的指標(biāo), 有重要的生態(tài)學(xué)意義, 其值的大小制約著以此類型斑塊作為聚居地的物種的豐度、數(shù)量、食物鏈及其次生種的繁殖等[13]。各地物類型面積年際變化見圖3, 1990～2000年主要表現(xiàn)為建設(shè)用地、耕地、草地和海域斑塊面積的減少, 林地和未利用地的增加, 幅度較小; 2000～2010年表現(xiàn)為林地、海域和未利用地的減少, 耕地、草地、水產(chǎn)養(yǎng)殖和交通運(yùn)輸用地的增加,幅度較大, 說(shuō)明人類活動(dòng)強(qiáng)度在逐漸增大; 2010～ 2015年主要為建設(shè)用地和水產(chǎn)養(yǎng)殖面積增加, 草地、耕地、海域等的減少, 幅度較小, 說(shuō)明長(zhǎng)島區(qū)南部島群整體景觀格局趨于穩(wěn)定, 區(qū)域有序化。

圖2 1990～2015年長(zhǎng)島區(qū)地物類型變化Fig.2 The Changdao Island area feature type change map during 1990—2015

圖3 1990～2015年長(zhǎng)島區(qū)斑塊面積指數(shù)變化Fig. 3 The change of CA in the Changdao Island area during 1990—2015

3.2.2 LSI年際變化分析

LSI取值范圍為L(zhǎng)SI≥1, 無(wú)上限值。取值為1時(shí)表征景觀由一單獨(dú)的正方形組成, 值的大小隨著斑塊類型間的分散而增大[12]。圖4示1990～1995年長(zhǎng)島區(qū)南部島群LSI整體呈明顯下降趨勢(shì), 說(shuō)明在這5 年人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)島區(qū)南部島群的干擾最強(qiáng)烈。1995～2005年LSI變化平穩(wěn), 說(shuō)明人類開發(fā)活動(dòng)明顯減弱。2005～2015年LSI呈減小趨勢(shì), 主要因?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)的迅速發(fā)展, 導(dǎo)致建設(shè)用地、草地、林地等斑塊更加人為化、規(guī)則化, 使得LSI逐漸減小。水產(chǎn)養(yǎng)殖斑塊形狀指數(shù)在2005年之前變化幅度較小, 到2010年達(dá)到最大值22, 至2015年減小到8左右, 反映了長(zhǎng)島縣水產(chǎn)養(yǎng)殖由原來(lái)的“小規(guī)?！钡健按笠?guī)模自由養(yǎng)殖”, 再到“集體有序”的良性發(fā)展。綜上得, LSI的變化與人類活動(dòng)具有很強(qiáng)的相關(guān)性, LSI大小總體上與開發(fā)活動(dòng)強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)。

圖4 1990～2015年長(zhǎng)島區(qū)斑塊形狀指數(shù)變化Fig. 4 The change of LSI in the Changdao Island area during 1990—2015

3.2.3 PD年際變化分析

PD是描述景觀破碎化的重要指標(biāo)。值越大, 表示破碎化程度越大[14]。斑塊密度和斑塊數(shù)有非常類似的基本功能, 除了它表達(dá)的是單位面積上的斑塊數(shù), 還有利于不同大小景觀間的比較。長(zhǎng)島南部島群PD變化見圖5, 1990～1995年長(zhǎng)島區(qū)南部島群PD整體急劇下降, 尤其是耕地、草地、建設(shè)用地和未利用地, 說(shuō)明在這5年之間人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)島區(qū)南部島群的干擾最強(qiáng)烈。1995～2005年開發(fā)強(qiáng)度減弱, 整體斑塊密度保持在穩(wěn)定狀態(tài)。2005年之后斑塊密度呈減小趨勢(shì), 主要因?yàn)殚_發(fā)活動(dòng)加劇和旅游業(yè)的迅速發(fā)展,導(dǎo)致散亂的建設(shè)用地斑塊面積擴(kuò)大合并, 草地、林地等斑塊呈更加景觀化、規(guī)則化的特征, 導(dǎo)致斑塊密度指數(shù)減小。水產(chǎn)養(yǎng)殖斑塊密度在2005年之前保持穩(wěn)定, 到2010年P(guān)D增加至0.5左右, 至2015年又恢復(fù)至較低的斑塊密度水平, 反映了長(zhǎng)島縣海水養(yǎng)殖從“低規(guī)?！?、“高規(guī)模、無(wú)序”到“高規(guī)模、有序”的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。通過上述分析得出, PD的變化很好地表征了人類開發(fā)活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)鼐坝^格局和生態(tài)系統(tǒng)的影響, PD大小總體上與開發(fā)活動(dòng)強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)。

圖5 1990～2015年長(zhǎng)島區(qū)斑塊密度指數(shù)變化Fig. 5 The change of PD in the Changdao Island area during 1990—2015

3.2.4 AI年際變化分析

AI表示某景觀要素的網(wǎng)格自相鄰的公共邊緣數(shù)與其最大可能公共邊緣數(shù)之比, 值越高, 表明同類景觀要素的聚集程度越高[11]。長(zhǎng)島南部島群AI變化見圖6, 斑塊聚集度指數(shù)整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于海域和交通運(yùn)輸用地的特點(diǎn), 斑塊聚集度常年保持穩(wěn)定。林地主要分布在坡度比較大的地方, 不適宜人類活動(dòng), 受人為擾動(dòng)相對(duì)草地和未利用地較小, 所以斑塊聚集度指數(shù)變化不大。1995～2010年水產(chǎn)養(yǎng)殖斑塊聚集度指數(shù)逐年下降,說(shuō)明2010年之前水產(chǎn)養(yǎng)殖基地分布比較零散, 2010年之后指數(shù)驟增, 與斑塊密度指數(shù)呈負(fù)相關(guān); 建設(shè)用地、耕地、草地、未利用地的AI變化也呈逐漸增加的趨勢(shì)?？傮w來(lái)看, 1990～2015年期間, 受自然條件約束的斑塊AI較為穩(wěn)定, 而受人類活動(dòng)擾動(dòng)的斑塊AI則呈逐漸增加的趨勢(shì), AI大小與開發(fā)活動(dòng)強(qiáng)度成正相關(guān)。

圖6 1990～2015年長(zhǎng)島區(qū)斑塊聚集度指數(shù)化Fig. 6 The change of AI in the Changdao Island area during 1990—2015

3.3 長(zhǎng)島南部島群整體景觀格局演化

基于南部島群決策樹分類的整體斑塊分布情況,在不區(qū)分地物類型的情況下對(duì)整體斑塊特征做了進(jìn)一步分析, 以探討整體景觀格局演化, 分析計(jì)算結(jié)果見圖7。PAFRAC主要反映不同空間尺度的性狀的復(fù)雜性, 南部島群PAFRAC呈逐漸減小的趨勢(shì), 表明人為開發(fā)使不同地物斑塊向規(guī)整、降維的趨勢(shì)發(fā)展。SHDI反映景觀異質(zhì)性, 特別對(duì)各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏感, 強(qiáng)調(diào)稀有斑塊類型對(duì)信息的貢獻(xiàn)[12], 主要體現(xiàn)空間異質(zhì)性。1990～2015年間, 長(zhǎng)島南部島群SHDI呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì), 總體上, 人類開發(fā)活動(dòng)跟景觀格局呈正反饋。LSI和PD的變化一致, 1990～1995年與2010～2015年人類活動(dòng)強(qiáng)烈導(dǎo)致斑塊結(jié)合, 形狀趨于簡(jiǎn)單時(shí)指數(shù)減小; 1995～2010年間人類活動(dòng)減弱, 兩指數(shù)變化不大, 說(shuō)明LSI和PD受人為擾動(dòng)影響較大。COHESION、AI變化趨勢(shì)類似, 其值大小主要體現(xiàn)人類開發(fā)導(dǎo)致的斑塊的聚集性和連通性, 具體可以表征城鎮(zhèn)整體規(guī)劃的合理性和交通路網(wǎng)的完善性, 1990～2015年期間, 人類活動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)類型斑塊聚集, 指數(shù)增大, 而COHESION的近線性增長(zhǎng)則很好的表征了長(zhǎng)島南部島群交通路網(wǎng)設(shè)施不斷完善的情況。

圖7 1990～2015年長(zhǎng)島區(qū)南部島群整體景觀指數(shù)變化Fig. 7 The Changdao Island District in the south island group of the overall landscape bureau change map during 1990—2015

4 結(jié)論

文章選取1990年、1995年、2000年、2005年Landsat TM5遙感影像, 2010年Landsat TM7和2015年Landsat OLI8遙感影像等六期數(shù)據(jù)作為基本數(shù)據(jù),利用ArcGIS技術(shù)提取長(zhǎng)島區(qū)南部島群的地物類型分布以及1990～2015年的地物類型變化分布并分析了地物演變特征; 利用Frag-stats軟件提取了6期影像的景觀格局分布, 研究了長(zhǎng)島南部島群主要景觀格局演化特征, 得出如下結(jié)論: (1)從地物類型變化上, 1990～2000年主要為林地、水產(chǎn)養(yǎng)殖和未利用地的增加, 海域、建設(shè)用地、耕地和草地的減少; 2000～2010年經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇, 使得耕地、水產(chǎn)養(yǎng)殖和交通運(yùn)輸用地等不斷增加, 林地和海域驟減; 2010～2015年政府在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí), 大力保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 治理海水污染, 發(fā)展可持續(xù)經(jīng)濟(jì), 各地物類型面積出現(xiàn)小幅度變化, 整體趨于穩(wěn)定; (2)從景觀格局指數(shù)變化可以得出, 1990～1995年斑塊形狀指數(shù)整體下降, 斑塊形狀趨于規(guī)則化, 斑塊密度整體下降, 斑塊數(shù)量減少; 1995～2005年整體景觀格局變化不明顯; 2005～2015年斑塊聚集度指數(shù)增加, 同類地物逐漸合并; 斑塊形狀指數(shù)大幅下降, 斑塊形狀進(jìn)一步趨于規(guī)則化,有序化; 斑塊密度指數(shù)整體下降, 斑塊數(shù)量減少。隨著長(zhǎng)島縣整體開發(fā)規(guī)劃的實(shí)施, 不同斑塊類型的規(guī)則化、有序化和連通性逐步增加, 整體景觀格局趨于穩(wěn)定; (3)在人類開發(fā)活動(dòng)干擾強(qiáng)度的表征上, 不同景觀指數(shù)(PD、AI、CA、LSI、COHESION、SHDI)均具有良好的表征意義, 其中LSI、PD與人為擾動(dòng)因子呈負(fù)相關(guān), CA、SHDI、PAFRAC和COHESION與人為擾動(dòng)基本上呈正相關(guān)。

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Study on the evolution of landscape patterns in the south of the Changdao Island based on Landsat remote sensing data

GUO Lian-jie1, JIANG Tao1, YAN Li-wen2, HUANG Jue1
(1. College of Surveying and Mapping Science and engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China; 2. The Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Jul.11, 2016

landscape ecology; landscape pattern index; remote sensing image; the south island group of the Changdao Island

This paper aims to classify the landscapes of the southern islands of the Changdao Island chain using the Landsat TM5, TM7, and OLI8 image data sources from 1990 to 2015, based on the Geographic Information System (GIS) platform and the decision tree classification method. The Frag-stats software was used to extract the pattern indices of the seven different landscapes. The landscape pattern evolution characteristics of the southern island group of the Changdao Island chain were systematically analyzed. The results showed that the anthropogenic activity was the main driving force for the evolution of the landscape pattern for this landscape in recent years. The landscape pattern was characterized by the increase of construction, aquaculture, and forest land, the increase of the aggregation index of plaques every year, and good aggregation degree and connectivity of plaques. Different landscape indices, i.e., Patch Density (PD), Aggregation Index (AI), Class Area (CA), Landscape Shape Index (LSI), Patch Cohesion Index (COHESION), Shannon's Diversity Index (SHDI), all exhibit characteristics of human disturbance factors. The conclusion can provide the effective basis for the integrated management of the island groups and the delineation of ecological red lines.

Q149

A

1000-3096(2017)04-0075-07

10.11759/hykx20160711001

(本文編輯: 劉珊珊)

2016-06-10;

2016-11-22

青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41306190); 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目 ((DOMEP(MEA)-01-05)—201505012-3)

[Foundation: National Science Foundation for Young Scientists of China No. 41306190; Special Funds for Scientific Research of Marine Public Welfare Industry ((DOMEP(MEA)-01-05)—201505012-3)]

郭連杰(1991-), 男, 山東德州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)檫b感科學(xué)與技術(shù), 電話: 15153232913, E-mail: 1371498986@qq.com