基于Landsat遙感數據的長島南部島群景觀格局演化研究

郭連杰, 江 濤, 嚴立文, 黃 玨

(1. 山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266510; 2. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

基于Landsat遙感數據的長島南部島群景觀格局演化研究

郭連杰1, 江 濤1, 嚴立文2, 黃 玨1

(1. 山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266510; 2. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

為了了解長島南部島群在經濟發展背景下的景觀格局及未來變化趨勢, 利用1990～2015年6景LandsatTM5、TM7和OLI8影像數據源, 基于地理信息系統(GIS)平臺采用決策樹分類的方法對長島南部島群的景觀類型進行了分類, 并結合Frag-stats軟件提取7種不同的景觀格局指數, 對長島南部島群的景觀格局演化特征進行了系統分析。結果顯示, 人為活動是近年來長島南部島群景觀格局演化的主要驅動力, 該島群景觀類型變化以建設用地、水產養殖用地增加和林地減少為特征, 建設用地斑塊聚集度指數較高, 斑塊的聚集度指數逐年增加, 整體上斑塊的聚集度和連通性很好。不同景觀指數(SHDI(景觀斑塊多樣性)、PAFRAC(周長面積分維數)、PD(斑塊密度指數)、LSI(斑塊形狀指數)、CA(斑塊面積指數)、AI(景觀聚集度指數)、COHESION(斑塊結合度指數))對人為擾動因子均具有良好的表征。相關研究結論可為長島南部島群綜合管理和生態紅線劃定提供有效依據。

景觀生態學; 景觀格局指數; 遙感影像; 長島南部島群

海島生態系統是一種相對獨立的生態系統, 由于其地域的孤立性和生態系統的獨特性和易損性引起廣泛的關注, 近年來針對海島生態脆弱性的研究已經成為一個熱點。景觀格局演化特征是測度區域可持續發展和生態環境健康度的一種重要工具, 不少學者在這方面做了許多有益探索。Steiner[1]也對景觀格局的優化方法有過總結和歸納, 并進一步分析了城市景觀的發展; 林明太等[2]、陳金華等[3]對湄洲島的景觀格局變化和環境脆弱性進行了分析; 王常穎等[4]也基于景觀格局變化特征對長島南部島群的生態安全性和驅動力進行了解析。目前來看, 人為因子擾動的因素已經成為海島生態環境變化的一種主要驅動力, 如何識別這種人為干預的強度和影響程度成為海島綜合管理和海島生態紅線劃定的關鍵所在。本文以人為開發程度較高的長島縣南部島群為例, 探討人為擾動因子對該區島群景觀格局演化的長期影響。

1 研究區域介紹

長山島南部島群位于膠東、遼東半島之間, 在黃渤海交匯處, 包括南北長山島、老黑山島、小黑山島和廟島。氣候條件上屬暖溫帶季風型大陸性氣候, 具有雨水適中、空氣濕潤、氣候溫和的特點。年平均氣溫11.9, ℃年平均降水量為560 mm。該區地理環境條件優越[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, 長島是國際上重要的候鳥遷徙的中轉站和必經之路,也是省級斑海豹保護區, 具有重要的生態價值。就社會經濟而言, 長山島南部島群扇貝、海參等養殖業發展迅速, 城鎮建設規模日益增大。旅游業已經成為當地經濟發展的重要支柱產業之一。本文以高強度開發較為典型的長山島南部島群作為研究對象, 采用地物類型和景觀格局指數分析的方法對人為擾動的強度進行識別, 并對長山島南部島群1990年以來的景觀格局演化趨勢進行了系統分析。

2 數據源及處理方法

數據源采用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。研究區規劃矢量圖包括長島區南部島群以及周邊海域,投影坐標統一為WGS_1984_UTM_Zone_51N。

地物類型劃分以全國土地分類標準[6]2級標準為依據, 將長島區南部群島劃分為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)建設用地, 包括農村居民點、城鎮建設用地、工業用地等; (5)周圍海域; (6)未利用地, 包括沙地、裸巖、裸土、灘涂等; (7)水產養殖用地, 海參、海帶、貝類等養殖區; (8)交通運輸用地?；贕IS平臺, 選擇歸一化植被指數(NDVI)、歸一化建筑物指數(NDBI)和坡度數據為分類的結點數據, 采用決策樹分類[7]和目視解譯相結合的方法進行不同地物類型的識別, 具體結點結構如圖1。

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

景觀格局指數是分析區域生態環境演化的重要參照指標之一, 在地物類型分類的基礎上, 采用Frag-stats進行計算提取共獲得7種景觀格局指數分布特征, 包括SHDI(景觀斑塊多樣性)、PAFRAC(周長面積分維數)、PD(斑塊密度指數)、LSI(斑塊形狀指數)、CA(斑塊面積指數)、AI(景觀聚集度指數)、COHESION(斑塊結合度指數)[8-14]。綜合上述指標對1990～2015年長島景觀格局演化進行分析。

3 結果與分析

3.1 地物類型變化特征

1990年與2015年長島南部島群地物類型轉換變化具體情況見圖2。

整體來看, 水產養殖面積增加545.534 ha, 增幅最大; 耕地增加142.253 ha, 建設用地增加192.50 ha,交通運輸用地總用地增加106.731 ha, 同時導致林地減少493.370 ha, 減少幅度最大。結合長島縣社會經濟統計年鑒分析, 2000年之前長島的發展以第一產業的農業為主[15], 耕地面積增長較快, 同時耕地的開墾導致林地的減少。1995年長島開始出現影像可見水產養殖水域, 2000年之后發展迅速, 2015年已經出現大面積的水產養殖基地。交通運輸用受人類活動影響最大, 人類擾動越多交通運輸用地的復雜度也會越高, 2015年長島的交通運輸用地系統已經比較完善, 形成了一定的交通運輸用地交通運輸網。綜合來看, 人為開發活動是1990～2015年長島南部島群地物類型轉換的主要驅動因素。

3.2 1990～2015年不同地物類型景觀指數變化

3.2.1 CA年際變化分析

CA是一個度量景觀要素面積特征的指標, 有重要的生態學意義, 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年主要表現為建設用地、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年表現為林地、海域和未利用地的減少, 耕地、草地、水產養殖和交通運輸用地的增加,幅度較大, 說明人類活動強度在逐漸增大; 2010～ 2015年主要為建設用地和水產養殖面積增加, 草地、耕地、海域等的減少, 幅度較小, 說明長島區南部島群整體景觀格局趨于穩定, 區域有序化。

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

圖3 1990～2015年長島區斑塊面積指數變化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LSI≥1, 無上限值。取值為1時表征景觀由一單獨的正方形組成, 值的大小隨著斑塊類型間的分散而增大[12]。圖4示1990～1995年長島區南部島群LSI整體呈明顯下降趨勢, 說明在這5 年人類活動對長島區南部島群的干擾最強烈。1995～2005年LSI變化平穩, 說明人類開發活動明顯減弱。2005～2015年LSI呈減小趨勢, 主要因為水產養殖業和旅游業的迅速發展, 導致建設用地、草地、林地等斑塊更加人為化、規則化, 使得LSI逐漸減小。水產養殖斑塊形狀指數在2005年之前變化幅度較小, 到2010年達到最大值22, 至2015年減小到8左右, 反映了長島縣水產養殖由原來的“小規?！钡健按笠幠Ｗ杂绅B殖”, 再到“集體有序”的良性發展。綜上得, LSI的變化與人類活動具有很強的相關性, LSI大小總體上與開發活動強度成負相關。

圖4 1990～2015年長島區斑塊形狀指數變化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。值越大, 表示破碎化程度越大[14]。斑塊密度和斑塊數有非常類似的基本功能, 除了它表達的是單位面積上的斑塊數, 還有利于不同大小景觀間的比較。長島南部島群PD變化見圖5, 1990～1995年長島區南部島群PD整體急劇下降, 尤其是耕地、草地、建設用地和未利用地, 說明在這5年之間人類活動對長島區南部島群的干擾最強烈。1995～2005年開發強度減弱, 整體斑塊密度保持在穩定狀態。2005年之后斑塊密度呈減小趨勢, 主要因為開發活動加劇和旅游業的迅速發展,導致散亂的建設用地斑塊面積擴大合并, 草地、林地等斑塊呈更加景觀化、規則化的特征, 導致斑塊密度指數減小。水產養殖斑塊密度在2005年之前保持穩定, 到2010年PD增加至0.5左右, 至2015年又恢復至較低的斑塊密度水平, 反映了長島縣海水養殖從“低規?！?、“高規模、無序”到“高規模、有序”的發展狀態。通過上述分析得出, PD的變化很好地表征了人類開發活動對當地景觀格局和生態系統的影響, PD大小總體上與開發活動強度成負相關。

圖5 1990～2015年長島區斑塊密度指數變化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格自相鄰的公共邊緣數與其最大可能公共邊緣數之比, 值越高, 表明同類景觀要素的聚集程度越高[11]。長島南部島群AI變化見圖6, 斑塊聚集度指數整體呈增長趨勢。由于海域和交通運輸用地的特點, 斑塊聚集度常年保持穩定。林地主要分布在坡度比較大的地方, 不適宜人類活動, 受人為擾動相對草地和未利用地較小, 所以斑塊聚集度指數變化不大。1995～2010年水產養殖斑塊聚集度指數逐年下降,說明2010年之前水產養殖基地分布比較零散, 2010年之后指數驟增, 與斑塊密度指數呈負相關; 建設用地、耕地、草地、未利用地的AI變化也呈逐漸增加的趨勢?？傮w來看, 1990～2015年期間, 受自然條件約束的斑塊AI較為穩定, 而受人類活動擾動的斑塊AI則呈逐漸增加的趨勢, AI大小與開發活動強度成正相關。

圖6 1990～2015年長島區斑塊聚集度指數化Fig. 6 The change of AI in the Changdao Island area during 1990—2015

3.3 長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,在不區分地物類型的情況下對整體斑塊特征做了進一步分析, 以探討整體景觀格局演化, 分析計算結果見圖7。PAFRAC主要反映不同空間尺度的性狀的復雜性, 南部島群PAFRAC呈逐漸減小的趨勢, 表明人為開發使不同地物斑塊向規整、降維的趨勢發展。SHDI反映景觀異質性, 特別對各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏感, 強調稀有斑塊類型對信息的貢獻[12], 主要體現空間異質性。1990～2015年間, 長島南部島群SHDI呈穩定增長的趨勢, 總體上, 人類開發活動跟景觀格局呈正反饋。LSI和PD的變化一致, 1990～1995年與2010～2015年人類活動強烈導致斑塊結合, 形狀趨于簡單時指數減小; 1995～2010年間人類活動減弱, 兩指數變化不大, 說明LSI和PD受人為擾動影響較大。COHESION、AI變化趨勢類似, 其值大小主要體現人類開發導致的斑塊的聚集性和連通性, 具體可以表征城鎮整體規劃的合理性和交通路網的完善性, 1990～2015年期間, 人類活動導致相關類型斑塊聚集, 指數增大, 而COHESION的近線性增長則很好的表征了長島南部島群交通路網設施不斷完善的情況。

圖7 1990～2015年長島區南部島群整體景觀指數變化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遙感影像等六期數據作為基本數據,利用ArcGIS技術提取長島區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, 研究了長島南部島群主要景觀格局演化特征, 得出如下結論: (1)從地物類型變化上, 1990～2000年主要為林地、水產養殖和未利用地的增加, 海域、建設用地、耕地和草地的減少; 2000～2010年經濟的復蘇, 使得耕地、水產養殖和交通運輸用地等不斷增加, 林地和海域驟減; 2010～2015年政府在發展經濟的同時, 大力保護生態環境, 治理海水污染, 發展可持續經濟, 各地物類型面積出現小幅度變化, 整體趨于穩定; (2)從景觀格局指數變化可以得出, 1990～1995年斑塊形狀指數整體下降, 斑塊形狀趨于規則化, 斑塊密度整體下降, 斑塊數量減少; 1995～2005年整體景觀格局變化不明顯; 2005～2015年斑塊聚集度指數增加, 同類地物逐漸合并; 斑塊形狀指數大幅下降, 斑塊形狀進一步趨于規則化,有序化; 斑塊密度指數整體下降, 斑塊數量減少。隨著長島縣整體開發規劃的實施, 不同斑塊類型的規則化、有序化和連通性逐步增加, 整體景觀格局趨于穩定; (3)在人類開發活動干擾強度的表征上, 不同景觀指數(PD、AI、CA、LSI、COHESION、SHDI)均具有良好的表征意義, 其中LSI、PD與人為擾動因子呈負相關, CA、SHDI、PAFRAC和COHESION與人為擾動基本上呈正相關。

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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

青年科學基金項目(41306190); 海洋公益性行業科研專項經費項目 ((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, 研究方向為遙感科學與技術, 電話: 15153232913, E-mail: 1371498986@qq.com