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基于GIS和DEM的兰州市土地利用空间格局研究
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2014/4/6 20:48:19  

1 材料与研究方法

1. 1 研究区概况

兰州市地处青藏高原向黄土高原的过渡地区,地理坐标在东经102°35'58″ ~ 104°34'29″,北纬35°34'20″ ~ 37°07'07″之间。境内大部分地区为黄土覆盖的丘陵和盆地,海拔高程在1418 - 3677m 之间。该地区地势西部和南部高,东北低,黄河自西南流向东北,横穿全境,切穿山岭,形成峡谷与盆地相间的串珠形河谷。全市土地面积为131. 92 万hm2。其中,耕地32. 96 万hm2,林地10. 69 万hm2,牧草地3. 69 万hm2,未利用的荒草地,盐碱地,沙地等近76. 15 万hm2。

1. 2 数据来源

文中数据资料包括第二次土地调查数据库、30m × 30m 的DEM 数据及坡度数据。

1. 3 高程分级和坡度分级

高程分级基本原则是分级的间隔数据相等[9]。根据研究区最高海拔3677m,最低海拔1418m,将海拔分为6 级: <1500m、1500 - 2000m、2000 - 2500m、2500- 3000m、3000 - 3500m、> 3500m,并运用ArcGIS 软件生成具有属性值的高程分级矢量图。依据坡度区间以及耕地坡度分级技术规定,将坡度分为5 级: ≤2°、2° -6°、6° - 15°、15° - 25° 和> 25°,并生成坡度分级矢量图。在此基础上,运用ArcGIS软件的空间分析功能,将土地利用矢量图与高程分级矢量图、坡度分级矢量图叠加分析,得到不同高程分级区域和坡度分级区域土地利用的空间分布数据。

1. 4 景观格局指数

结合兰州市实际情况,选取景观级别( landscape - level) 上的斑块数量、斑块密度、景观形状指数、平均斑块分维数、蔓延度、斑块凝聚度、Shannon 多样性指数和Shannon 均匀度指数8 项指标在景观格局分析软件[10]Fragstats3. 3 中进行计算( 表1) 。

2 结果与分析

2. 1 土地利用景观格局的垂直分布特征分析

从表2 兰州市土地利用格局的垂直分布中可以看出,耕地、园地、居民点及工矿用地、交通用地、水域和未利用地主要分布在高程为1500 - 2000m 和2000 - 2500m 的区域,林地和草地主要分布在2000 -2500m 和2500 - 3000m 的区域,因此2500 - 3000m 是各类景观分布最为全面的的区域,其中耕地在这一高程范围内的分布比例为50. 65%。园地在1500 - 2000m 的区域内分布比例达到最高,为88. 13%,林地的35. 65%和草地的58. 59%分布在较高区域内2500 - 3000m,居民点及工矿用地和交通用地在1500 -2000m 区域的分布比例分别达到68. 91%和83. 62%,且交通用地全部分布在小于2500m 以下的区域,说明人类活动主要集中在高程相对较低的区域。但由于兰州市受到" 两山夹一河" 地形的影响,也有25.76%的居民点及工矿用地处于2000 - 2500m 的较高区域。研究区域的水域主要分布在小于2500m 以下的区域,主要为穿兰州城市而过的黄河。51. 08%的未利用地和43. 50%的未利用地分别集中在高程1500- 2000m 和2000 - 2500m 的区域,其比例占研究区域内全部未利用地的66. 79%和58. 67%。

从表3 土地利用格局指数的垂直分布中可以看出,斑块数量在高程为1500 - 2000m 和2000 - 2500m的区域分布最多,分别为2614 个和1621 个; 就斑块密度来说,< 1500m 区域内的最大,为5. 425,其次是>3500m 区域内的为1. 409; 景观形状指数方面,1500 - 2000m 和2000 - 2500m 区域内的较大,说明其形状越不规则,较为复杂,而> 3500m 的最低为3. 692,说明这一区域内的斑块形状接近矩形,较为方整; 分维数相差不是很大,< 1500m 区域内的最高1. 031,> 3500m 最低1. 012,仅相差0. 019,说明其复杂程度类似; 蔓延度的最高值出现在3000 - 3500m 区域,说明景观中的优势斑块类型形成了良好的连接性; 斑块凝聚度的最大值处在1500 - 2000m 范围内,说明这一区域内的整体性较强; shannon 多样性指数在3000 -4000m 区域内小于1,说明此区域内斑块类型较少,在1000 - 3000m 区域内均大于0,说明这些区域内各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布,且在< 1500m 达到最高值1. 551,说明在此区域土地利用最为丰富,土地破碎化程度略高; shannon 均匀度的最大值出现在> 3500m 的区域内,说明此区域内没有明显的优势类型,仅有的14 个斑块其类型在景观中均匀分布。

2. 2 土地利用景观格局的坡度分布特征分析

根据坡度分级统计出来的各类景观数据( 表4) ,68. 37%的耕地分布在宜耕坡度( < 15°) ,也有24. 67%的耕地分布在4 级坡度( 15° - 25°) ,其中包括部分梯田和坡耕地; 85. 09%的园地主要分布在小于15°的1级、2 级和3 级坡度区域内; 在> 25°的5 级区域内林地的分布比例达到56. 03%,67. 48% 的草地和70.72%的未利用地分布在坡度较大的4 级和5 级范围内; 大部分的居民点及工矿用地、交通用地和水域都分布在1 级坡度内,说明在1 级坡度区域内人类活动范围较广。表5 为兰州市土地利用格局指数的坡度分布,从表5 中可以看出,斑块数量按多到少排列是: 3 级< 4级< 2 级< 5 级< 1 级,说明在6° - 15°坡度区域内的破碎化程度最高; 斑块密度、shannon 多样性指数和shannon 均匀度指数的最大值都分布在2° - 6°坡度范围内,说明这一区域内斑块类型最多,有最大多样性; 景观形状指数和分维数的最大值都是出现在15° - 25°级坡度范围内,说明15° - 25°级坡度范围内的斑块形状最不规则,最小的景观形状指数为26. 443,偏离1 较大,说明根据坡度分级后的斑块形状都不是很规则,坡度分级区域内的分维数也只相差0. 012,说明其复杂程度也类似; > 25°坡度区域内包含了蔓延度和斑块凝聚度的最大值68. 108 和93. 673,在这一坡度范围内,优势斑块形成了良好的连接性,同时也具有较好的整体性。

2. 3 高程和坡度对土地利用空间格局的影响

根据表3 和表5,可以得出同一土地利用景观格局指数在不同高程和坡度分级上的分布情况( 图2) 。从图2 可以看出,随着高程与坡度的变化,斑块数量、景观形状指数和分维数的变化趋势较为一致,而斑块密度、蔓延度、斑块凝聚度、shannon 多样性指数和shannon 均匀度指数都随着高程与坡度的增大呈现出一定的相反性,其中shannon 多样性指数与shannon 均匀度指数在坡度分布上的变化趋势尤为一致。使用SPSS 软件计算景观格局指数与高程和坡度之间的相关关系( 表6) ,可以看出景观格局指数与高程和坡度有显著的相关性,从而证明了地形因子对景观格局有一定的贡献作用。另外,shannon 多样性指数、shannon 均匀度指数与坡度的相关系数均为- 0. 921,说明shannon 多样性指数和shannon 均匀度指数对坡度有着相同的依赖关系。

3 讨论

潘竟虎[11]曾利用遥感技术研究了兰州市景观生态格局热环境效应,得出影响兰州市中心城区热环境的最核心要素是景观格局,可见景观格局指数对于研究兰州市的土地利用空间格局具有重要意义。因此文中在结合高程和坡度的基础上,以西部河谷型城市兰州为例,利用景观格局指数研究分析土地利用空间格局。研究发现,随着高程的不断增加,斑块数量先增大、后减小,因其与景观破碎度有很好的正相关性,所以景观破碎度也是随着高程的增加先增大、后减小,这与岳文泽[12]研究的兰州山区西固区的景观镶嵌体的数量特征分析中的内容一致。这些变化主要是因为人类的活动区间大多在2、3 级坡度范围内,在这一范围内大多是建成区,其内部斑块越来越分散,连通性比较差,景观的破碎化程度越来越高,与刘沁萍[13]的研究结果一致。在极大和极小的坡度区间内斑块越整齐,越不容易遭到破坏,尤其是在最高坡度区间5 级坡度范围内,在这一坡度范围内,存在大片区域的林地和未利用地。

4 结论

( 1) 耕地、园地、居民点及工矿用地、交通用地、水域和未利用地主要分布在高程为1500 - 2000m 和2000 - 2500m 的区域,而林地和草地主要分布在2000 - 2500m 和2500 - 3000m 的区域。在1000 - 1500m高程范围内的景观类型最为多样性,1500 - 2000 范围内的斑块形状最为复杂,3500 - 4000m 范围内有优势景观形成很好的连接性。

( 2) 大部分的居民点及工矿用地、交通用地和水域都分布在1 级坡度内,68. 37% 的耕地分布在宜耕坡度( < 15°) ,林地、草地和未利用地都大量分布在坡度较大的4 级和5 级范围内。2 级坡度区域内景观斑块类型最为复杂,有着最大多样性,3 级坡度区域内的破碎化程度最高,4 级坡度范围内的斑块形状最不规则,5 级坡度范围内优势斑块形成了良好的连接性,同时也具有较好的整体性。

( 3) 景观格局指数与高程和坡度有显著的相关性,shannon 多样性指数和shannon 均匀度指数对坡度有着相同的依赖关系。

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