唐山市植被覆盖度及景观格局动态变化

陈凌伟

区域资源与经济研究

唐山市植被覆盖度及景观格局动态变化

陈凌伟

（唐山师范学院 资源管理系，河北 唐山 063000）

针对唐山市的生态问题，在唐山市土地类型图的基础上计算植被覆盖率，得出三年内植被覆盖度的发展趋势；对处理好的影像通过监督分类制成了土地利用类型图，对其选取了合适的景观指数，制成了相应的数据表，从而研究了植被覆盖情况和唐山市的景观格局变化情况，对唐山市的生态环境和生态景观保护进行了分析。结果表明：（1）2013-2017年，植被覆盖率呈现上升状态；（2）2013-2017年间唐山市总面积扩大，林地、建设用地和未利用地面积呈增长趋势；草地、水域和耕地面积呈削减趋势；（3）景观破碎度呈增长状态，各种土地类型呈聚集状态。

植被覆盖度；景观格局指数；像元二分模型；NDVI

植被不仅是人类生存的根本，也是生物圈和生态系统的中心，而植被覆盖率表明植被的生长情况。从20世纪70年代到现在，植被覆盖度的计算方法已经从费时费力的人工地面测量发展到高效快捷的卫星遥感监测，但遥感监测的结果还是要以地面实测数据作为基础数据来获得。在地面测量方面，国外研究的时间较早，国内也已将地面测量法分为了目估法、概率计算法和仪器法三种。由于遥感技术的不断发展进步，植被覆盖度的估算有了新的思路和方向。王静、周伟奇和许开鹏等利用GIS和遥感方法，研究植被覆盖度及其景观格局的动态变化情况，研究表明京津冀2000-2010年城市化发展对不同植被景观及生态质量的影响，并分析了其变化规律[1]。彭文甫、王广杰和周介铭等运用像元二分模型、遥感和GIS手段，得到岷江汶川——都江堰植被覆盖动态变化情况，并结合高程、坡度和坡向数据，揭示了汶川地震前后植被受损与恢复的空间动态变化情况[2]。

景观学在19世纪初被引入地理学，成为地理学研究的主要问题。景观格局反映了景观的空间结构特征，其变化研究已深入到了景观生态学和地理学领域。目前，很多国家都在进行景观格局的分析，国内研究中，张芬在RS和GIS的支撑下，研究济南市历城区景观格局的变化，并运用CA－Markov这一景观模型模拟该区的景观格局发展趋向[3]。杨磊、张梅和罗明良等使用2000年、2005年和2010年这3年的MODIS－NDVI数据，提取3年的植被覆盖度从而生成不同的覆盖度等级图，对其斑块进行景观格局分析，得到10年来植被覆盖情况，为川中地区的生态环境保护提供了一定的科学基础，作为今后分析其植被景观动态变化的借鉴[4]。

本文拟对唐山市土地类型图计算植被覆盖率，并对景观格局指数进行景观分析，从而研究不同年份植被的覆盖情况与景观格局动态变化情况，总结两者变化之间的规律，并结合唐山市近年来的政策要求和发展情况对其生态功能以及生态保护进行分析，提出可行性意见，以提高唐山市的生态效益，为唐山市的生态环境保护和生态景观建设提供决策支持和科学依据。

1 区域研究与研究方法

1.1 研究区概况

唐山是河北省的地级市，是一座沿海城市，四季分明，依山临海，良好的自然环境为本地旅游业和水产业带来了巨大的经济效益，带动了城市化的发展。此外，唐山市矿产资源丰富，对矿产资源的开发利用带来了利益，也使植被覆盖率和景观格局都发生了变化。

1.2 数据来源与处理

本研究的遥感数据是地理空间数据云上的Landsat8卫星影像，分辨率为30 m，选定的时间范围是2013-2017年，选取了2013年、2015年和2017年的7-10月份的遥感影像。这一时段能够较好地反映唐山市近几年的植被覆盖度变化和景观格局变化情况，并能相对准确的分析出唐山市近期的变化。

在ENVI5.3软件里对的遥感影像进行预处理，包括辐射校正和大气校正，在很大程度上削弱了少量大气和光照等外界因素的影响，获得相对准确的影像数据；对预处理好的遥感影像利用在谷歌里下载的唐山市行政界线shp数据进行规则裁剪，获得唐山市的遥感影像数据。

在ENVI软件里进行监督分类，土地类型分成林地、草地、水体、耕地、建设用地和未利用地，在得到影像分类数据后，进行精度验证，得出验证结果，2013、2015和2017年各期遥感影像数据的分类精度表（见表1），数据显示本次分类质量较好，适合用于后期的分析研究（图1）。

表1 遥感影像分类结果评价精度表

图1 2013、2015和2017年唐山市土地类型图

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆盖度（FVC）的估算

NDVI又叫归一化植被指数，用来表示植被生长的情况[2]，表达式为：

式中NIR为近红外波段处反射值，R为红波段处反射值[2]；NDVI的值取在[-1, 1]之内，可以有效的减少数据过大或过小带来的麻烦，数值越大说明植被覆盖越多。经过计算保留除去异常值的NDVI数据。

利用像元二分模型提取FVC，是设定一个像元信息，由植被和裸土覆盖两部分构成[5]，则可以用植被信息v与裸土信息s两者之和来表示混合像元，即

假设纯植被的像元是veg，纯裸土的像元是soil，混合像元中植被覆盖度为（），裸土覆盖度为（1-），则v和s的可分别表示为

将(3)和(4)代入(2)中，得的计算公式：

由于和两者间有线性相关关系，所以建立一个模型来提取植被覆盖度[6]。在像元二分原理的基础上，将代入(5)中，得到的计算公式：

上式的veg指纯植被覆盖的值，soil指裸土覆盖的值。

由于气候、地形、时间和地区等自然因素的影响，在时间和空间变化时，veg、soil的值也会发生变化[7]。实际情况中veg为max，soil为min。这是估算植被覆盖度最常用的方法。

1.3.2 景观格局分析

表2 景观格局及描述

在ArcGIS平台上将tif格式的土地类型图添加到景观格局分析软件Fragstas4.2[6]中。同时选取了斑块类型面积（CA）[8]，斑块个数（NP）[9]，斑块密度（PD）[10]，分离度指数（DIVISION）[11]，景观结合度（COHESION）[12]等5个景观指数格局的动态变化。

本文的技术路线图如图2所示。

图2 技术路线图

2 结果和分析

2.1 植被覆盖率变化分析

在ENVI平台下，利用唐山市遥感影像数据计算出的不同年份的NDVI是不同的，植被覆盖率也不同，大多数植被覆盖在唐山市北部，包括迁西县、遵化市和丰润区，其他地区有少量植被覆盖。从表3可以看出，自2013-2017年，植被覆盖率从2013年的13.47%升至2015年的13.54%、2017年的13.63%，呈现逐年增长趋势。但其中，2015年的覆盖率在2013年的基础上扩大了0.07%，2017年的覆盖率在2015年的基础上扩大了0.09%，表明植被增长速度逐年加快，植被面积越来越多，有利于城市生态建设，符合绿色城市的发展道路。

表3 唐山市2013-2017年植被覆盖率情况

2.2 景观格局分析

将唐山市土地类型图（图1）导入Fragstas4.2中分析得到斑块类型面积（CA）、斑块个数（NP）、斑块密度（PD）、分离度指数（DIVISION）和景观结合度（COHESION）共5个景观指数。

由图1可知唐山市迁西县和市区西北部主要聚集分布林地草地；耕地多分布在唐山市的西北部、东北部和中部、南部；建设用地呈团状相对均匀的分布于各区县中心，其中2015-2017年建设用地增加的部分主要属于曹妃甸；水体主要分布在迁西县、迁安市和唐山市最南部，包括滦河、青龙河、陡河和沙河等水系；未利用地分布在最北部。其中耕地占地面积最大，其次为建设用地，占地面积最小的为未利用地。

表4 2013-2017年斑块类型面积（CA）（单位：km2）

注：建设指建设用地，未用指未利用地。下同。

可以看出，2013-2017年林地面积随年扩大，其中2013年的面积最小，为1 791.23 km2；2017年面积最大，为1 815.03 km2；草地面积在2015年间持增长状态，而在2017年又呈现为下降趋势；水体面积持续减少，2017年减至1 229.77 km2；耕地面积是各类土地类型中占地面积最大的一部分，三年来面积持续减少；建设用地面积在增长，2015-2017年间增长的最快，达到2 088.16 km2；未利用地面积先减少后增加，到2017年间增长到28.13 km2。根据图中数据的变化，可以了解到2015-2017年各类土地类型变化比较大，人类活动比较活跃。

绿地斑块面积越大，越能高度表现出其生态效益；水体面积越大，生态功能越强[13]。迁安市（县级市）和市区西北部的绿地和植被较多，所以该地区的生态环境比较好，青山绿水为当地居民的生活和经济发展提供了良好的机会；曹妃甸区和乐亭县临近渤海，逐渐开发建设以自然生态环境和娱乐休闲为主的度假旅游景点，也是提高唐山市经济快速发展的重要成份。

自2013-2017年林地、草地、水体、建设用地破碎度逐年升高；耕地NP值先增大后减小，但2017年破碎度比2015年的破碎度高，总体破碎度呈增大状态，其变化主要集中在迁安市、曹妃甸区和丰南区；未利用地破碎度先减后加，古治区和乐亭县变化较为明显。唐山市总体破碎度变化较明显的体现在建设用地和水体上，主要是由于曹妃甸工业区建立和南湖公园改造。

表5 2013-2017年斑块个数（NP）

表6 2013-2017年斑块密度（PD）

建设用地的斑块密度在六种类型中密度相对较大并持上升状态，破碎度较大，未利用地的破碎度最小，林草地主要集中在南部；建设用地分布范围较广，但分块紧凑；水体主要集中于唐山北部；迁西县的耕地分布比较稀疏，大多数耕地还是分布于除迁西县的其他地区。

表7 2013-2017年景观分离度指数（DIVISION）

由表7可以看出唐山市整个景观的分离度程度。林地、草地、未利用地的分离度指数浮动较小，林地、草地、水体、建设用地和未利用地这五类土地类型相对于耕地类型来说分离度大，较分散，但六种土地类型的分离度指数都较小，未超过1，说明整体分布相对聚集。

表8 2013-2017年景观结合度（COHESION）

从表8展现的景观结合度可以看出，这六种用地类型都比较聚集，不分散，看起来比较规则，各种土地类型的结合度都较高，林地、草地、水体和耕地的结合度高达99%，呈连片或连块状态发展，建设用地和未利用地分离度相对较低，主要由于人类居住条件和人类活动的限制，符合实际生产发展的现状。土地规则的分布有利于进行唐山市的园林设计和城市规划实施。

3 驱动力分析

3.1 自然条件

3.1.1 地形

唐山市位居燕山以南，地势北高南低；地貌从南到北呈现出由沿海平原到丘陵台地再到山地的现象，所以在北部林草地分布较多，植被覆盖率较大；中部位于燕山山前平原地带，海拔50米以下，地势较平坦，分布的土地类型为耕地；南部呈低洼状，大面积水域集中在南部。

3.1.2 气象

唐山市是低海拔地区，背山临海，气候资源优越，冬天干燥夏天潮湿、春夏秋冬四季变换明显、降水集中、季风明显。唐山西北部属于温和湿润气候，林草地较旺盛；唐山中部属山前平原，温暖较湿润气候，耕地分布较多；唐山南部为温和半湿润气候，农业资源较差，水域居多。唐山市气候变化影响也比较敏感，因为降水减少，导致水资源短缺带来的干旱，极端灾害天气如强雷暴、强对流性天气、冰雹等的影响都会造成各景观的变动，尤其是林草、耕地和水体。

3.1.3 自然资源

唐山市盛产煤矿，矿区普遍分布在唐山北部，尤其多分布于古治、迁安、迁西和遵化，矿山开采带来景观格局的变化，加速了林草地向建设用地和未利用地的转化。

由于唐山市地处渤海中心，海洋资源相当丰富，可为旅游业和水产业发展提供良好基础，景观格局也会随之发生变化。

3.2 人文条件

3.2.1 政策

在2008-2020年城市总体规划中全市的主要发展包括曹妃甸新区、丰南沿海工业区、乐亭新区及芦汉经济技术开发区，所以这些地区的景观格局变化相对来说较大。虽然向南发展是唐山建设的主要方向，但北部因城市建设、矿山开采给景观格局和植被覆盖度带来的变化也很大。

3.2.2 人类活动

人类活动是唐山市的植被覆盖度和景观格局变化的主要因素之一。人类利用土地方式的改变、农作物的种植种类及形式等也是改变植被覆盖的原因。经济发展是城市发展的基础，因此必须要提高经济发展和生态发展，这就使得人类的经济活动对景观格局的影响较大。

4 结论

本文从植被覆盖率和景观格局两方面入手，采用遥感解译图像和景观格局分析的方法分析了唐山市的植被覆盖率和景观格局变化，得到以下结论和启发：

唐山市的植被覆盖度呈现上升趋势，水体和耕地面积呈降低趋势，建设用地面积增大，未利用地面积增加。今后的规划建设中，要在保持住植被覆盖度持续增长的基础上，继续增加生态用地，以便于改善唐山市的绿化环境，加强生态循环，提高生态效益。

耕地和建设用地的变化幅度较大，林草地和水体为两者变化提供了基础。由于建设用地转换的不可逆性，应合理进行生态用地和耕地建设地之间的分配，在保持经济发展的基础上提升人类居住环境质量，打造绿色城市。

自然环境的变动、城市化及唐山市新兴工业、农业、城镇化现代化协调发展策略的施行是导致唐山市景观格局变化的主要因素。唐山市的景观基本呈聚集分布，今后应根据唐山市经济和生态的实际情况均匀的进行布局建设，增加其景观分布的均匀度，降低其聚集度。

要坚持提高绿化程度，减少土地资源的浪费，合理开发利用，在开发利用的同时更要注重保护土地资源，两者兼并，运用科学技术手段来提高唐山的经济效益和生态效益，为唐山的经济发展提供基础。

[1] 王静,周伟奇,许开鹏,等.京津冀地区城市化对植被覆盖度及景观格局的影响[J].生态学报,2017,37(21): 7019-7029.

[2] 彭文甫,王广杰,周介铭,等.基于多时相Landsat5/8影像的岷江汶川——都江堰段植被覆盖动态监测[J].生态学报,2016,36(7):1975-1988.

[3] 张芬.基于RS和GIS的景观格局动态演变分析及模拟预测——以济南市历城区为例[D].济南:山东师范大学,2013:11-21.

[4] 杨磊,张梅,罗明良,周旭.基于MODIS NDVI的川中丘陵区植被覆盖度景观格局变化[J].生态学杂志, 2013,32(1):171-177.

[5] 湛青青.近20年陕北黄土高原植被覆盖度动态变化及景观格局研究[D].西安:西北大学,2014:16-30.

[6] 王新闯,刘文锴,杨会军,等.河南省植被覆盖度及其景观格局时空变化[J].水土保持通报,2015,35(6):241-247 +254.

[7] 赵丽红,王屏,欧阳勋志,等.南昌市植被覆盖度时空演变及其对非气候因素的响应[J].生态学报,2016,36(12): 3723-3733.

[8] 徐凯健,曾宏达,任婕,等.亚热带典型红壤侵蚀区人类活动对植被覆盖度及景观格局的影响[J].生态学报, 2016,36(21):6960-6968.

[9] 邱剑南,侯淑涛,范永辉,等.富锦市土地利用景观格局遥感分析[J].测绘科学,2015,40(2):115-118.

[10] 阳文锐.北京城市景观格局时空变化及驱动力[J].生态学报,2015,35(13):4357-4366.

[11] 梁发超,刘诗苑,刘黎明.近30年厦门城市建设用地景观格局演变过程及驱动机制分析[J].经济地理,2015, 35(11):159-165.

[12] 刘吉平,董春月,盛连喜,等.1955-2010年小三江平原沼泽湿地景观格局变化及其对人为干扰的响应[J].地理科学,2016,36(6):879-887.

[13] 邬建国.景观生态学:格局,过程尺度与等级[M].北京:高等教育出版社,2007:13-27.

Dynamic Changes of Vegetation Coverage and Landscape Pattern in Tangshan City

CHEN Ling-wei

(Department of Resources Management, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

In view of the ecological problems of Tangshan City, the vegetation coverage was calculated on the basis of the land classification thematic map of Tangshan City, and the development trend of vegetation coverage in three years was obtained. The land use type map was made by supervising and classifying the processed image, and the appropriate landscape index was selected to make the corresponding data table, thus the vegetation coverage and the landscape of Tangshan City were studied. The ecological environment and landscape protection of Tangshan City were analyzed. The results show that: (1) From 2013 to 2017, vegetation coverage increased. (2) From 2013 to 2017, the total area of Tangshan City expanded, and the woodland, construction land and unused land showed an increasing trend, while the grassland, water area and cultivated land showed a decreasing trend. (3) Landscape fragmentation is increasing and various land types are clustering.

vegetation coverage; landscape pattern index; pixel binary model; NDVI

F301.2

A

1009-9115(2020)03-0123-06

10.3969/j.issn.1009-9115.2020.03.029

河北省社科基金项目（HB18GL067），唐山师范学院科学研究基金项目（2018A05）

2019-11-25

2020-03-27

陈凌伟（1991-），女，河北唐山人，硕士，讲师，研究方向为土地资源与地理信息技术。

（责任编辑、校对：王淑娟）