温小乐, 赵林洪

(福州大学环境与资源学院， 福建省水土流失遥感监测评估与灾难防治重点实验室， 福建 福州 350116)

0 引言

海岛， 即四周环海且在高潮时高于水平面的陆地， 是典型的生态脆弱区， 拥有不同于大陆的特殊景观特征[1]. 近年来， 人类对海岛的开发利用没有遵循其自身景观特征， 致使岛内基本景观结构遭受严重的破坏， 海岛的生态环境每况愈下. 通过景观格局能解释人类活动对景观结构的影响， 从而降低对生态环境的负面影响[2-4]. 目前， 国内外针对区域景观脆弱性的研究相对较少. 2014年孙才志等首次提出景观脆弱性的概念， 并且针对下辽河平原的景观格局进行脆弱性评价[2]. 文献[5-7]分别对艾比湖流域、 三亚市和河北省黄河沿岸的景观脆弱性进行分析. 但是目前针对景观脆弱性的研究都是基于Landsat系列卫星.

近几年， Landsat系列卫星影像是景观格局分析的主要数据源[8-11]， 但其受空间分辨率的限制未能突破对复杂景观探测的瓶颈， 因此， 有部分学者开始选择利用高分辨率遥感影像开展这方面的研究[12]. 相比Landsat系列遥感影像， SPOT-7影像的主要优势在于空间分辨率和时间分辨率较高[13-14]， 这对于分析研究我国南方海岛复杂的景观格局变化有着十分明显的优势. 但目前利用SPOT-7高分辨率遥感影像进行景观格局分析的研究尚不多见， 而基于高分辨率遥感影像的景观脆弱性研究更是少之又少， 因此本文选用SPOT-7影像对平潭综合实验区的景观格局以及景观脆弱性进行分析.

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

平潭岛地处中国东南沿海， 其主岛为海坛岛(25°16′～25°44′N、 119°32′～120°10′E)， 也称平潭岛， 陆地面积约为267 km2， 是中国第五大岛， 福建省第一大岛， 本研究将平潭岛作为研究区. 该地区属南亚热带海洋季风气候， 季风明显， 常受热带风暴影响， 多台风、 暴雨、 干旱等气象灾害； 属于典型的海蚀地貌， 地形以平原和丘陵为主， 海岸线曲折. 鉴于其特殊的地理位置， 于2010年正式批准成立平潭综合实验区.

图1 平潭岛原始影像图Fig.1 Original image of Pingtan Island

自平潭综合实验区成立以来， 海岛城市化发展的序幕就此拉开. 至2016年已基本完成实验区总体规划的初期开发目标(2010-2015年)[15]， 岛内原始自然景观结构逐渐被大量的人工景观所取代， 岛上生态系统发展方向及其生态景观变化趋势有待探索. 目前， 国内针对平潭综合实验区开发初期的生态景观格局的脆弱性分析尚未见报道， 因此有必要从景观格局的角度对该海岛开展脆弱性分析， 进而揭示平潭综合实验区在完成初期开发任务后生态状况的发展态势， 为实验区后续开发建设中的生态建设和保护提供科学依据.

1.2 数据源与预处理

选用2016-02-07的SPOT-7高分辨率影像作为研究的基础遥感数据， 研究区原始影像如图1所示. SPOT-7影像辐射校正采用Chander等[16]和Jr Chavez[17]的IACM大气校正模型[18]， 将影像DN值转换为传感器处反射率， 其中参数与公式均参考SPOT-7用户手册[19].

2 研究方法

2.1 景观格局指数

根据平潭岛自身的景观状况， 选用香农均匀度指标(SHEI)、 斑块多度密度(PRD)、 香农多样性指标(SHDI)、 景观分离度(DIVISION)这4项指标对研究区景观格局的空间分布状况进行分析[ 20-21].

1) 香浓均匀度指标. 反应不同景观或景观不同时期多样性变化， 当值接近于1时， 表明景观中各类型均匀分布无优势类型， 计算公式如下：

2) 斑块多度密度. 反应不同景观类型的有效指标， 景观丰富度与物种丰富度呈正相关， 计算公式如下：

3) 香农多样性指标. 用于反应景观异质性， 突出斑块类型对信息的贡献. 对不同景观或景观不同时期多样性与异质性也很敏感， 计算公式如下：

4) 景观分离度. 景观分离度越大， 则破碎度越大， 抵抗外界干扰的能力弱， 表现生态脆弱性严重， 计算公式如下：

式中：aij表示第ij个斑块的面积；A表示景观总面积；ni表示第i类的斑块数量；hij表示斑块ij与同类别斑块的最近距离；Pi表示斑块类型i所占景观面积的比例；gik表示第i类斑块与第k类斑块之间相邻的格网单元数目；m表示景观中出现的斑块类型数.

2.2 景观脆弱度指数

本文采用孙才志等[2]构建的景观脆弱度指数对研究区的景观脆弱性进行分析. 该指数的优点在于能够客观、 定量地描述研究区景观格局受外界干扰后所表现出的敏感性以及其结构、 功能和特性改变的程度[22]， 有利于对平潭岛的景观脆弱性进行可视化分析. 景观脆弱度指数(LVI)是由景观敏感度指数(LSI)与景观适应度指数(LAI)共同构成， 计算公式为：

LVI=LSI×(1-LAI)

其中: 景观敏感度指数(LSI)包括景观干扰度指数(U)和景观类型易损度(V)， 计算公式分别为：

式中：Ui表示第i类景观适应度指数；Vi表示第i类景观易损度指数； FN表示破碎度指数； FD表示分维数倒数； DO表示优势度指数. 借鉴已有研究成果[23]，a，b，c三者权重分别取值0.5， 0.3， 0.2. 根据研究区自身景观敏感度的情况， 以未利用地最大， 建筑用地最小为原则[24]， 各景观类型易损度的权重取值分别为： 建筑用地为1， 水域为2， 耕地为3， 林地为4， 草地为5， 未利用地为6.

一个稳定的景观生态系统需要具备丰富的多样性、 复杂的结构以及均匀的分布， 因此景观适应度指数由斑块多度密度、 香农均匀度指标和香农多样性指标构成， 计算公式如下：

LAI=PRD×SHDI×SHEI

根据平潭岛面积， 将其划分为1.5 km×1.5 km的小区域， 分别计算这些区域的景观格局指数以及景观脆弱度指数. 采用Kriging插值得到整个研究区的景观格局分布图和景观脆弱性分布图.

2.3 土地利用分类

针对遥感影像进行土地利用分类的方法中使用较多的有监督分类和非监督分类两种， 其中非监督分类法能够在无先验知识的前提下对研究区进行分类， 并且能够将细小、 独特的类别分辨出. 采用非监督分类中的K-Means法， 对平潭综合实验区进行土地利用分类.

划定研究区土地利用类别主要参照土地利用的二级分类体系， 并结合研究区土地利用的基本特点， 最终确定研究区土地利用类别为林地、 耕地、 草地、 建筑用地、 未利用地、 水域. 根据所确定的土地利用类别对非监督分类图进行类别合并， 最终得到平潭综合实验区土地利用分类图.

基于ArcGIS软件在研究区范围内随机选取300个点， 并利用同年3月份Google Earth影像作为精度验证数据， 最终计算得到土地利用分类总精度为87.3%， Kappa系数为0.84， 满足分类精度要求.

3 结果与分析

3.1 平潭岛土地利用分类结果

研究区土地利用分类结果如图2所示， 各类别地物面积统计结果见表1.

图2 平潭岛土地利用分类图(2016)Fig.2 Land use classification map of Pingtan Island (2016)

土地利用类型面积/km2比例/%草地3.541.55建筑用地47.1720.64未利用地17.867.81水域10.094.41耕地86.7437.95林地63.1627.63

平潭岛目前主要的土地利用类型为耕地， 占总地类面积的37.95%， 由北至南贯穿分布于整个平潭岛； 林地次之， 占27.63%， 主要分布于北部、 东北部和西部山区； 建筑用地主要集中分布在中东部和西南部片区， 北部片区有零星分布. 其中， 中东部为平潭县城所在地， 城市化建设较完善， 建筑用地聚集度高； 北部地区城市化建设不完善， 大部分区域以村庄为主， 分布分散； 对比已有的研究发现[25-26]， 2016年该岛的未利用地面积有所增加， 尤其是平潭岛西北部地区的未利用地面积增速较大； 平潭岛内草地稀少， 多分布于林地间和田间小路旁； 水体的分布较为分散， 主要以水产养殖产地、 湖泊和水田等形式分布于北部、 中部和中南部地区.

3.2 研究区景观格局分析

结合土地利用分类结果， 采用景观格局指数插值方法， 进一步对研究区的整体景观格局进行分析， 其结果见图3. 从各景观指数高低值的空间分布来看， 景观分离度高值区几乎都分布在平潭岛由北至南的内部区域， 低值区主要分布在岛屿外周区域； 斑块多度密度高值区集中分布于北部， 而中部略低， 外周则属于低值区； 香农均匀度指标高低值分布特征为中部高值区、 西北较低， 东北、 南部低值区； 香农多样性指标图中， 高低值的分布情况与香农均匀度指标基本相同. 总的来说， 研究区中部区域的各个景观格局指数值均高于外周区域. 这表明， 中部和西南部片区整体景观破碎化严重； 北部、 东北部片区景观类型单一， 分布相对均匀， 破碎度较低.

图3 景观格局指数插值图Fig.3 Landscape pattern index interpolation diagram

根据平潭综合实验区总体发展规划[15]， 实验区的开发主要集中在岛屿的中部、 西南部片区， 而北部、 东北部等片区则不在开发范围内. 具体分析如下： ① 中部片区将是未来综合实验区的主体功能区， 按照总体规划的初期建设目标(2011-2015年)(图4)， 该片区被划定为首批开发区， 拟建设成中心商务区和科技文教区； 西南片区原为海域， 根据规划要求进行填海造地， 拟建设成港口经贸区. 结合图2分析发现， 在这些新开发的片区， 土地利用类型发生了重大的变化， 大量的农田和林地转为成片的建筑用地， 围填海造成短时间内新增大片的未利用地， 原有的大面积绿地逐渐被纵横的道路分割、 被城市建筑物所取代. 因此， 在大量的自然生态景观转变为人工城市景观的过程中， 区域景观格局随之发生较大的变化， 主要表现在景观破碎度的加剧. ② 平潭岛的北部与东北部片区为连片的防护林地， 属于生态保护区， 其自然景观备受保护， 长期以来该片区的植被覆盖度没有明显下降[27]， 景观类型依然以林地为主， 结合图4可以看出， 该片区物种多样性小， 景观分布均匀， 景观破碎度较低.

由此可见， 在海岛城市化进程中人类开发活动是导致景观破碎化的主要因素. 对于刚刚完成综合实验区初期建设目标的平潭岛而言， 城市化建设尚属开始， 但已有大量的人工城市景观取代了自然生态景观， 加剧了区域景观的破碎化趋势.

3.3 研究区景观脆弱性分析

在景观格局分析的基础上进一步对研究区的景观脆弱性进行分析， 通过自然断裂法将平潭岛的景观脆弱性由高到低分为三个等级， 如图5所示. 研究区整体景观脆弱性由北至南呈现出“低-高-低-中”的空间分布结构. 景观高脆弱区主要分布在中北部和南部小片区域； 中度脆弱区主要分布于南部片区； 低脆弱区主要分布于北部和中部片区.

图4 平潭综合实验区总体规划图Fig.4 Master planning map of Pingtan Comprehensive Experimental Zone

图5 研究区景观脆弱性空间分布图(2016)Fig.5 Spatial distributional map of landscape fragility in the study area (2016)

结合图2～4可知， 平潭岛中北部片区景观脆弱性高的主要原因在于： ①该片区东侧为君山生态保护区， 虽然整体景观以林地为主， 分布均匀， 破碎度小， 但是林地极易受到毁林开荒、 滥砍滥伐等人为活动的影响从而改变原始的景观类型. 正是由于林地景观类型易损度大， 因此君山保护区所在地的景观脆弱性较大； ②西侧地块拟建的科技文教区， 截止至实验区初期建设阶段结束其城市化建设仍在持续中. 原有的耕地、 林地等景观类型被道路、 房屋建筑等人工景观分割开， 区域整体景观破碎化严重， 再加上耕地和林地的景观类型易损度较大， 因此该片区的景观脆弱度较高.

图4中的中心商务区是在原平潭县县城所在地的基础上向东扩展， 该片区人口相对密集， 其主要的景观类型为建筑用地. 根据《平潭综合实验区土地利用总体规划》方案指示， 初期重点推进中心商务区的建设[28]. 截至2015年， 中心商务区已基本完成城市化建设， 其生态系统已从无序状态演变为有序的状态， 稳定性大幅提高， 建筑用地的景观类型易损度低， 区域整体的破碎度很小， 不易受到外界因素的干扰， 因此属于景观低脆弱区； 北部片区为防护林带和村落交错区， 整体景观适应性较好， 其景观脆弱性也较低.

平潭岛南部片区主要的优势景观为耕地和林地， 虽然这两种景观类型易损度较高， 但是相比科技文教区， 该区域的整体景观破碎度较低， 因此该区域主要属于景观中度脆弱区， 仅中间小面积区域由于景观破碎化严重而属于景观高脆弱区.

4 结语

平潭综合实验区在初期建设开发过程中总体上是依据规划方案进行的， 但由于不同区域建设进度不同， 距离海岸的远近不同以及基础地形地貌不同等原因造成土地利用情况复杂. 这也使得平潭整体景观格局变得破碎化. 特别是新开发区， 土地利用类型大面积变化， 致使景观格局也随之变化， 破碎度逐渐加深， 基本属于景观高脆弱区.

针对上述提出如下几点建议： ① 合理规划土地资源利用， 整合松散土地， 提高土地利用率； ② 在接下来中长期建设过程中加大对现有景观格局的保护力度， 及时控制实验区景观破碎化加重的趋势， 并提出针对性的景观规划方案； ③ 严格保护景观脆弱敏感区， 尽量使其生态系统从无序状态演变为有序状态， 尽可能完善城市化建设以降低局部景观破碎化程度， 根据景观脆弱度等级， 划定禁止开发区和限制开发区， 严格调控开发强度； ④ 大力保护森林资源， 杜绝毁林开荒， 滥砍滥伐等现象发生， 重点保护各类生态保护区， 在城市规划过程中稳定其生态优势， 促进海岛的生态环境朝着良性的方向发展.

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