宁雅楠，李 贝，杨伟州 张蓬涛（河北农业大学国土资源学院，保定 071001）



·技术方法·

基于主成分分析法的土地利用景观分区研究*
——以青龙满族自治县为例

宁雅楠，李 贝，杨伟州 张蓬涛※
（河北农业大学国土资源学院，保定 071001）

摘 要土地利用景观分区关系到区域可持续发展与土地利用变化方向。研究内容:文章以青龙满族自治县为研究对象，利用2009年、2012年的土地利用现状数据，运用Fragstats软件分别计算出2009年、2012年的类型尺度景观格局指数与景观尺度景观格局指数，对研究区进行土地利用景观分区研究。研究方法:景观指数法、主成分分析法。主要结论:（1）从类型尺度分析，景观面积指数与平均斑块面积除建设用地增加外，其余景观类型均减少；各景观类型的斑块个数、斑块密度均增加；分维数表现为建设用地与耕地增加，其余景观类型分维数均减少。（2）从景观尺度分析，除蔓延指数减少外，香农多样性指数、香农均匀度指数、散布与并列指数均增加。（3）运用主成分分析法对研究区进行土地利用景观分区，2009～2012年间青龙满族自治县土地利用程度向中等水平发展，受地形影响土地利用程度均呈现西北地区高、东南地区低的趋势；各乡镇的土地利用水平表现为青龙镇、八道河镇的土地利用程度一直处于较高水平；都山林场与祖山林场由于其土地利用结构单一，土地利用等级处于较低水平。

关键词主成分分析法 青龙满族自治县 土地利用 景观分区

0 引言

土地资源是人类赖以生存的最基本条件，然而随着人类经济活动加剧与对土地资源的不合理开发利用，导致自然土地覆被格局剧烈改变，对陆地生态系统的生物多样性、全球生物地球化学循环、区域及全球气候都产生了广泛而深刻的影响［1］。因此，只有科学合理的土地利用分区，才能够保证土地资源的节约与集约利用，从而做到各类土地的高效率利用［2］。1995年国际地圈——生物圈计划 （IGBP）与全球环境变化人文计划 （HDP）联合提出“土地利用与土地覆被变化”（LUCC）研究计划，使土地利用与土地覆被变化研究成为目前全球环境变化研究的前沿与热点领域［3-4］。

景观格局分析是景观生态学研究的基础内容，是进一步研究景观功能与动态的基础［5］。国内对景观格局动态的分析始于20世纪90年代初，研究受北美学派影响较大。我国学者开展景观格局研究工作是以肖笃宁等采用美国景观生态学派观点对沈阳西郊景观结构变化进行的研究为起点［5］。土地利用景观格局是景观异质性的具体体现，同时也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果［6］。现阶段国内对土地利用变化研究多注重于土地利用类型数量结构的变化，常常忽视土地利用的空间格局变化，景观生态学理论可与地理信息系统方法相结合形成对土地利用空间格局进行研究的独具特色的研究模式，而利用景观格局指数对空间格局进行定量化研究是这种研究模式的基本内容［7］。土地利用景观分区研究领域，不同专家学者也展开了相关工作:齐伟等［7］运用主成分分析法对德州市27个景观格局指数进行相关性分析，并运用spss软件进行聚类分析将11各县市区划分为4个土地利用类型区。曹瑞娜等［8］以栖霞市为例，提取流域地区，分别统计各流域内的景观指数，并通过聚类分析对整个栖霞市的山区景观进行分区。曹伟等［9］采用粗糙集与突变级数法相组合的方法对宜兴市进行土地利用景观分区研究。欧立业等［10］利用GIS与景观生态学原理，针对斑块与景观镶嵌体选取7个景观指标，对柴达木盆地的土地利用景观格局划分出7个区域。

有关土地利用景观分区的研究相对较少，分区指标及方法尚处于初级阶段，特别是指标权重的确定还存在一定主观性。该文以青龙满族自治县为例，选取景观格局指数，运用SPSS软件进行主成分分析，避免在指标权重确定中存在主观性，进而通过景观综合指数得分进行土地利用景观分区，以期为县域土地利用景观分区与土地利用方向改进提供理论借鉴与科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

青龙满族自治县位于河北省东北部边缘，明长城北侧，燕山山脉东段。地处东经118°33＇31″～119°36＇30″，北纬40°04＇40″～40°36＇52″。东北、东与辽宁省凌源县、建昌县、绥中县相连，东南、南隔长城与抚宁县、卢龙县、迁安市毗邻，西南与迁西县搭界，西、西北与宽城满族自治县接壤。全县土地总面积35.055 8万hm2，其中耕地面积2.953 1万hm2（2012年），占总土地面积的8.42%，人均耕地面积0.05hm2。下辖25个乡镇，396个行政村。

2012年，全县年末总人口为55.65万人，其中城镇人口为9.618 1万人，农村人口为46.031 9万人，城镇化水平为22.75%。全县地区生产总值突破百亿大关，达到108亿元，实现财政收入14.6亿元，实现五年翻两番，其中地方一般预算收入5.7亿元。社会消费品零售总额达到28.2亿元，增长13.4%。引入涉外资金48.5亿元，增长34.7%。城镇居民人均可支配收入与农民人均纯收入达到2.337 7万元与5 918元，增长为10%与15.9%。

1.2 研究方法

1.2.1 景观指数法

景观指数是景观格局分析常用的指标，其描述的景观格局不但可以是空间数据获得一定的统计性质，而且可以针对不同空间尺度上的景观格局特征进行比较与分析，定量描述与检测景观空间结构随时间的变化［11］。

根据研究目的，运用Arcgis软件将2009年与2012年青龙满族自治县土地利用现状矢量数据转换为栅格数据，并将其景观类型划分为耕地、园地、林地、建设用地、水域、未利用地等6个景观生态系统，最后运用Fragstats软件计算出各景观类型的景观指数值。根据青龙满族自治县的现实情况与需要，选取景观面积、斑块密度、平均斑块面积、分维数、香农多样性指数、香农均匀度指数、散布与并列指数、蔓延度指数对研究区土地利用景观分区进行定量分析。

1.2.2 主成分分析法

主成分分析法 （PCA）是通过少数几个主成分来解释多变量的方差-协方差结构的分析方法［12］。主成分分析法的工作目标是在保证数据信息损失最小的前提下，经线性变化与舍弃一小部分信息，以少数的综合变量取代原始采用的多维变量，即对高危空间变量进行降维处理［13］。

该文以青龙满族自治县25个乡镇、2个林场、1个水库共28个单元为单位，运用Arcgis软件对2009年与2012年青龙满族自治县土地利用现状栅格图进行裁剪，并运用Fragstats软件分别计算每个乡镇的景观指数。将计算出的景观指数进行标准化处理，以此为变量构建矩阵进行主成分分析，运用SPSS软件计算出矩阵的特征值、方差贡献率及累计方差贡献率。依据累计方差贡献率选择主成分，方差贡献率作为权重，计算每个乡镇的景观指数综合得分。

式中，Hi为第i个乡镇的景观综合指数；Mij为第i个乡镇第j个主成分因子得分；Nj为第j个因子的方差贡献率。

为了更好地反映青龙满族自治县各乡镇的土地利用景观格局状况，将景观综合指数值按照百分制折算。

式中，H'为示转换后的百分制景观综合指数值；Hmax为转换前景观综合指数最大值，Hmin为转换前景观综合指数最小值。

2 结果分析

2.1 类型尺度的景观格局分析

运用Fragstats软件分别计算出青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型的类型尺度景观指数值，如表1所示。

表1 青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型的类型尺度景观指数

景观面积指标可以直观反映出各景观类型的面积总量特征。由表1可以看出，青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型面积排序均为:林地＞未利用地＞园地＞耕地＞建设用地＞水域。通过比较可以看出，除建设用地的景观面积增加外，其余景观类型的景观面积均减少，这在一定程度上反映了建设用地的扩张。此外，各景观类型中景观面积降低率最大的为耕地，年均减少率为0.57%，这在一定程度上反映了建设用地扩张主要是占用耕地。

斑块个数是反映景观要素空间格局的基础性指标，一般情况下斑块个数的多少与景观破碎度呈正相关［14］。青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型的斑块个数排序均为:耕地＞林地＞园地＞建设用地＞未利用地＞水域。2009～2012年间，各景观类型的斑块个数均增加，反映了景观的破碎度增加，这在一定程度上说明人类对景观干扰不断加强。

斑块密度反映的是一定面积上景观异质性及景观整体斑块分化程度。斑块密度越高，说明斑块规模越小，景观异质性越高［14］。从表1可以看出，青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型斑块密度排序为:耕地＞林地＞园地＞建设用地＞未利用地＞水域。说明在6种景观类型中，耕地的景观异质性与景观破碎化程度最高，这主要是由于人为的分割作用，造成耕地呈现零散的斑块分布。而水域破碎化程度最小，表明水域呈现连片分布，保护相对较好。2009～2012年间，各景观类型的斑块密度均表现为增加，说明斑块规模越来越小，人为干扰程度越来越严重。

平均斑块面积可以反映出区域土地利用布局中各种土地利用类型面积特征［15］。青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型的平均斑块面积排序均为:林地＞未利用地＞水域＞园地＞耕地＞建设用地。耕地与建设用地的平均斑块面积较小，说明这2种景观类型受人类干扰最严重，破碎化程度最高。2009～2012年间，除建设用地的平均斑块面积增加外，其余景观类型平均斑块面积均减少，主要原因是其它景观类型面积大部分转换为建设用地，使得建设用地的规模增大，斑块形状越来越规则。

分维数主要揭示斑块及斑块组成景观的形状特征，它反映了在一定的观测尺度上人类活动对景观格局的影响［16］。分维数越接近1，斑块的几何形状越简单，表明受干扰程度越大。从表1可以看出，青龙满族自治县2009年与2012年各景观类型分维数排序为:水域＞耕地＞未利用地＞林地＞园地＞建设用地。水域分维数最大，说明水域的斑块几何形状最简单人为干扰程度最小；，建设用地的分维数最小，说明建设用地的斑块几何形状最复杂，人为干扰程度最高。2009～2012年间，耕地与建设用地的分维数不断增加，其余景观类型的分维数均降低，反映出人口的增长与人类活动的加剧，对景观类型要素影响较大，其原因是耕地粗放利用及对居民点与工矿用地没有进行有效的规划。

2.2 景观尺度的景观格局分析

运用Fragstats软件计算出青龙满族自治县2009年与2012年景观尺度的景观指数值，如表2所示。

表2 青龙满族自治县2009年与2012年景观尺度的景观指数

香农多样性指数是指景观元素或生态系统在结构、功能及随时间变化的多样性，反映了景观的复杂性，同时也反映景观异质性与多样性［17］。2009～2012年期间，香农多样性指数增大，说明各斑块间的景观异质性升高，土地利用变得丰富多样，也说明人为干扰程度更严重。

香农均匀度指数可以反映区域土地利用布局中各种土地利用类型分配的均匀程度，其值越大，表明区域内各土地利用类型分配越均匀。2009～2012年期间，香农均匀度指数升高，说明青龙满族自治县各景观类型的分配越来越均匀，同时也说明人为干扰程度加大使得斑块更规则均匀。

散布与并列指数反映了区域斑块的散布与并列情况。散布与并列指数值分布在0～100之间，其值越大，表明某种景观类型相邻的景观类型越多。2009年与2012年散布与并列指数均在75以上，说明青龙满族自治县的斑块分布较为分散，2009～2012年期间，散布与并列指数增大，说明各景观类型与其他景观类型之间相邻交错分布的机会增加，斑块的分布趋于复杂化。

蔓延度指数反映的是不同斑块类型的聚集程度与延展趋势［18］。蔓延度指数值分布在0～100之间，其值越大，说明某斑块景观类型的连接性越高，景观破碎化程度越低，斑块分布呈集中趋势。2009～2012年期间，蔓延度指数减小，说明景观的破碎化程度加强，斑块景观类型的连接性降低。

3 土地利用景观分区研究

3.1 主成分分析法计算

将青龙满族自治县28个乡镇作为研究单元，对2009年与2012年的景观指数进行标准化处理，运用SPSS软件进行主成分分析，根据累计方差贡献率≧85%的原则，提取出3个主成分因子，2009年与2012年主成分分析结果如表3所示。

表3 2009年与2012年景观指数的特征值与方差贡献率

运用公式 （1）（2）分别计算出各乡镇景观综合指数得分情况如表4所示。

表4 2009年与2012年各乡镇景观综合指数得分

3.2 青龙满族自治县土地利用景观分区

根据已有研究成果及青龙满族自治县的实际情况与现实需要，将青龙满族自治县各乡镇划分为5个土地利用景观等级:Ⅰ级≥70；70＞Ⅱ级≥65；65＞Ⅲ级≥60；60＞Ⅳ级≥50、Ⅴ级＜50，分区结果见图1。

图1 2009年、2012年青龙满族自治县土地利用景观分区

（1）总体来看，县域地势西、北高，东、南低，自西北向东南倾斜。祖山林场与都山林场土地利用类型以林地为主，用地结构较单一，土地利用程度低，除祖山林场与都山林场外，其余各乡镇土地利用水平均呈现西北高，东南低的趋势。2009～2012年间，青龙满族自治县土地利用景观Ⅰ级区的乡镇个数减少，2009年青龙镇与八道河镇为Ⅰ级，2012年无Ⅰ级乡镇；Ⅱ级的个数增加，由2009年的3个增加到2012年的4个；Ⅲ级的个数有了跨越式增长，由2009年的10个增长到2012年的17个；Ⅳ级的乡镇个数下降，由2009年的13个减少到2012年的5个；Ⅴ级的乡镇个数保持不变，均为祖山林场与都山林场。Ⅰ级的乡镇数量消失，Ⅳ级向Ⅲ级转化，这一变化说明青龙满族自治县土地利用水平向中等发展。

（2）青龙满族自治县28个乡镇土地利用等级均向中等水平发展，区域差异有明显变化。2009～2012年间，八道河镇与青龙镇的景观综合指数始终最高，2009年、2012年八道河镇与青龙镇景观综合指数分别为71.665、69.066与75.974、66.900；祖山林场与都山林场的景观综合指数始终最低，2009年、2012年祖山林场与都山林场的景观综合指数分别为39.138、32.478与35.974、29.066。青龙镇与八道河镇均位于青龙满族自治县的西部，土地利用面积较大，各景观类型相对于其他乡镇分布较均匀，且青龙镇与八道河镇均为重点乡镇，无论是政治、经济中在全县都占有重要地位，是全县居民的活动中心，因而青龙镇与八道河镇的景观格局受人类活动干扰程度较严重，人类对土地利用方式的影响也最为明显。木头凳镇为山地与丘陵交杂地形，较为复杂，并且为县东部的政治、经济、商贸中心，重点发展果品加工业与矿山开采业，人类对土地生态系统干扰较强烈，使得木头凳镇较其他相邻乡镇土地利用等级高。大石岭乡、土门子镇、大巫岚镇、双山子镇、凉水河乡、朱杖子镇土地利用等级一直为Ⅲ级，该区域是以农业生产与林果业为主，受地形影响，耕地资源较为缺乏，农业规模化经营程度较低。干沟乡、安子岭乡、桃林口水库、官场乡土地利用等级一直处于Ⅳ级，没有变化，土地利用特点均表现为耕地较少、林地所占比例较大、未利用地较多，桃林口水库以水域为主，人为活动干扰较弱。祖山林场与都山林场主要以林地为主，林地面积均占土地利用总面积的90%以上，其他景观地类面积较少，土地利用结构单一，生态系统较稳定，景观多样性指数较低，人为活动干扰较弱，因而祖山林场与都山林场的景观格局指数偏低，土地利用程度较低。

4 结论与讨论

该文利用2009年与2012年土地利用现状数据，选取景观格局指数，从类型尺度与景观尺度对研究区景观格局进行定量分析，并且以乡镇为单位，对研究区进行土地利用景观分区研究。研究结果表明:（1）各景观类型的景观面积与平均斑块面积除城镇用地增加外，其余地类均减少；斑块个数、斑块密度均增加；分维数除耕地与建设用地增加，其余地类均减少；香农多样性指数、香农均匀度指数、散布与并列指数均增大；蔓延度指数均减小。由此可以看出景观类型均向多元化发展，尤其是耕地与建设用地的变化最明显，表明人类活动对整个区域的景观空间格局的影响程度越来越大。这也提醒我们要合理规划用地布局，加强区域生态功能区划尤其是建设用地与其他用地类型之间的转换。（2）以乡镇为单元进行分区研究表明，青龙满族自治县两期的土地利用程度有很大差异，在土地利用景观分区等级上也存在着明显差异，土地利用景观分区等级向中等水平发展，Ⅰ级乡镇数量消失，这一现象也说明了青龙满族自治县的土地利用程度呈现不协调趋势。由此可以看出在Ⅳ级向Ⅲ级转化的过程中，应保证青龙镇与八道河镇土地利用水平不降低，这就要对整个研究区域进行景观格局优化调整，以保证在较高土地利用等级乡镇不变的情况下，尽可能较大幅度的提高整个区域的土地利用水平。

该文运用景观格局的研究方法对县域土地利用景观分区进行研究，选取景观指数进行初步探索，运用主成分分析法处理景观指数，减少研究过程中的构建指标体系中产生的主观性，尝试为土地利用景观分区研究提供新的方法与思路，但是由于土地利用系统本身有其复杂性与不稳定性，加之此类研究尚不多，在指标选取与等级的划定标准方面仍需不断深入研究与完善。

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LANDSCAPE ZONING OF LAND USE BASED ON PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS——A CASE STUDY OF QINGLONG MANCHU AUTONOMOUS COUNTY

Ning Yanan，Li Bei，Yang Weizhou，Zhang Pengtao※
（College of land and Resources，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China）

AbstractThe land scape zoning of land use has closely related to the area of sustainable development and land use change.Taking Qinglong Manchu autonomous county as a case，based on the land use status data during 2009 to 2012，this paper calculated the type of scale landscape pattern index and the landscape scale of landscape pattern index with the help of the Fragstats software，and then studied the landscape zoning of the land use using the method of the research use landscape indices and principal component analysis.The results showed that:（1）For the type-scale analysis，the landscape area index and average plaque area showed a decrease trend apart from the construction land；the number of patches and patch density for each landscape showed an increasing trend；fractal dimension showed that construction land and arable land increased.（2）For the landscape-scale analysis，except the spread index，the Shannon diversity index，evenness index，and spread and tied index all increased.（3）The land use level in Qinglong Manchu autonomous county during the 2009 to 2012 had a moderate development trend，which was high in northwest and low in southeast due to the impact of topography.The land use degree was higher in Qinglong and the Eight River town that that in Dushan forest farm and the Zushan forest farm with single land use structure.

Keywordsprincipalcomponentanalysis（PCA）；Qinglong Manchu autonomouscounty；land use；landscape zoning

中图分类号：F301.2；P901

文献标识码：A

文章编号：1005-9121［2016］02-0022-07

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160203

收稿日期：2014-09-19

作者简介：宁雅楠 （1990—），女，河北高碑店人，硕士。研究方向:土地经济与评价。※通讯作者:张蓬涛 （1971—），男，河北保定人，教授。研究方向:土地经济与评价。Email:zhangpt7528207@126.com

*资助项目：河北省社会科学发展研究课题“基于景观格局的环京津地区土地生态安全与动态分析”（2014030224）；河北省社科基金会项目“京津冀一体化背景下的河北省生态功能区划研究”（HB14GL039）