Journal of Marine Sciences >

2024 , Vol. 42 >Issue 4: 114 - 122

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.04.010

Research on spatio-temperal evolution of landscape pattern in island group——A case study of Dongtou Archipelago

  • HE Zhuoxi , 1 ,
  • GUO Fenfen 1, 2 ,
  • LAI Xianghua , 1, 2, * ,
  • HU Taojun 1, 2 ,
  • CHEN Qingsong 3
Expand
  • 1. Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 2. Key laboratory of Coastal Science and Integrated Management, MNR, Hangzhou 310012, China
  • 3. Dongtou Branch Bureau of Wenzhou Natural Resources and Planning Bureau, Wenzhou 325799, China

Received date: 2024-02-21

  Revised date: 2024-06-07

  Online published: 2025-02-08

Fold

Abstract

Island group is a typical form of existence for offshore islands in China. Investigating the evolution of landscape patterns in an island group and among individual islands can provide theoretical foundations and technical support for island resource management. Based on the high-resolution remote sensing images of six inhabited islands (Dongtou Island, Banping Island, Dasanpan Island, Huagang Island, Niyu Island and Zhuangyuanao Island) in Dongtou District in 2008, 2014, 2018 and 2022, the landscape pattern indices of island groups and individual islands were calculated. The results indicate the following: (1) During the study period, the proportions of forest land, water areas, and cultivated land in the landscape of island group have been continuously declining, while the proportions of building land, industrial and mining land, and road areas have been steadily increasing. (2) The landscape pattern changes on Dongtou Island, Dasanpan Island, Niyu Island, and Zhuangyuanao Island are significant, with the former two primarily characterized by an increase in building land and the latter two by an increase in industrial and mining land; the landscape patterns of Banping Island and Huagang Island are relatively stable. (3) Development activities among the islands are interrelated, with the landscape evolving in an orderly manner. The transformations of forest land into mining areas on Niyu Island and Dasanpan Island have supported the reclamation and subsequent development of water areas on Dongtou Island and Zhuangyuanao Island; as the larger islands develop, the development of surrounding smaller islands has also begun.

Key words： Dongtou; landscape pattern; land utilization; development pattern; remote sensing; aerial image

Cite this article

HE Zhuoxi , GUO Fenfen , LAI Xianghua , HU Taojun , CHEN Qingsong . Research on spatio-temperal evolution of landscape pattern in island group——A case study of Dongtou Archipelago[J]. Journal of Marine Sciences, 2024 , 42(4) : 114 -122 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.04.010

0 引言

海岛是兼具陆地和海洋双重属性的特殊生态系统,其面积小、生态环境较为敏感,同时也是经济发展的重要地区[1⇓-3]。近年来,受多种人为因素的影响,尤其是围填海等大规模工程[4⇓-6],海岛地表景观特征产生了不同程度的变化[7⇓-9]。开展海岛景观格局演变研究,可为海岛保护、开发利用、景观设计和土地规划提供科学依据,是提升海岛管理能力的重要手段[10-11]。
当前海岛景观格局演变研究集中在以单个海岛或单一景观为对象。例如,MACHADO等[12]利用GIS研究维多利亚岛城市变化与景观格局演变的关系;国内学者研究了大长山岛岛礁[13]、植被景观[14],西门岛湿地[15]以及舟山岛[16]的景观格局变化。近岸海岛多以岛群形式存在,不同海岛的面积、形状不同,虽然地理上相互独立,但在社会、经济发展上密切关联。目前,针对岛群景观格局变化的研究还相对较少。CHI等[17⇓⇓-20]对庙岛群岛、洞头群岛开展了景观格局演变研究;QU等[21]对舟山群岛的景观格局进行空间特征分析,建立了评价模型。之前开展景观研究的数据源多为空间分辨率为30 m的Landsat和5 m的SPOT系列影像,对小面积海岛来说,这两种分辨率难以满足其景观类型识别和变化分析的需要。
本文选取洞头区六个海岛组成的岛群为研究对象,选用2008年、2014年、2018年与2022年4期分辨率优于2 m的遥感影像,通过GIS和RS技术,提取研究区各时相景观类型,计算景观格局指数和贡献值,分析海岛和岛群中典型景观类型的空间分布、动态变化以及海岛间景观格局演变的关联性,为海岛资源管理提供理论支撑。

1 研究区概况

洞头区是全国14个海岛县(区)之一[22],区内海湾众多,海岛之间联系紧密。选取空间相邻的洞头岛、霓屿岛、状元岙岛、半屏岛、大三盘岛、花岗岛组成的岛群作为研究区(图1)。洞头岛面积最大,人口最多,是洞头区政府所在地;霓屿岛和状元岙岛的面积其次,分别为霓屿街道和元觉街道所在地;花岗岛、大三盘岛和半屏岛的面积相对较小。
图1 研究区位置

Fig.1 The location of the study area

2002年洞头五岛公路的建设完成和2006年半屏大桥的竣工通车,使得六个有居民海岛成为连接便利的岛群;2006年,灵霓北堤建成通车,使得岛群与大陆联通;2016—2018年,洞头峡跨海特大桥、330国道灵霓北堤段和77省道延伸线等陆续通车,洞头岛群发展更加迅速。

2 数据与方法

2.1 影像数据来源与处理

选用分辨率优于2 m的卫星和航空影像共4景,成像时间、分辨率和来源等信息见表1。其中ZY-3和GF-6卫星影像为1A级产品,采用ENVI软件对这两期卫星影像进行大气校正和几何校正;DOM为航空摄影测量获取的标准数据产品。
表1 遥感影像信息

Tab.1 Remote sensing images information

影像数据 成像时间 空间分
辨率/m		 数据来源
1∶10 000数字正射
影像图(DOM)		 2008-08-21 0.8 浙江省测绘
资料档案馆
1∶10 000数字正射
影像图(DOM)		 2014-12-16 0.5 浙江省测绘
资料档案馆
资源三号(ZY-3)卫星 2018-02-11 1.5 中国资源卫星
应用中心
高分六号(GF-6)光学卫星 2022-09-15 2.0 中国资源卫星
应用中心
根据海岛开发利用特征和遥感影像可识别的地物类别,将研究区景观分为林地、草地、耕地、建筑用地、工矿用地、道路、水域和未利用土地8种类型,分类标准及影像解译标志见表2。首先利用ENVI软件掩膜功能分离出岛陆区域,建立各种景观类型的分类样本数据;接着通过面向对象分类方法,根据影像形态、纹理和光谱的差异,进行图像分割和斑块分类,识别各种景观类型。
表2 研究区景观类型及其影像解译标志

Tab.2 Landscape types and image interpretation markers in the study area

景观类别 影像解译标志 分类说明 景观类别 影像解译标志 分类说明
林地 大片的、聚集的山地植被 工矿用地 工矿业生产用地
草地 以草本植物为主的土地 道路 公路、城市道路和允许社会机动车通行的路
耕地 种植、耕种的土地 水域 湖泊、池塘以及河流等水体
建筑用地 居民点、商业区以及人工建筑用地 未利用土地 裸露的沙地以及未开发利用的土地
参考Google Earth历史影像及野外实地观测数据,对影像分类结果进行了局部修正。将随机样本分类结果与辅助数据目视解译结果生成混淆矩阵,计算OA值和Kappa系数,进行精度验证。

2.2 景观格局指数

景观格局指数[23⇓⇓-26]反映区域各种景观类型的组成和空间配置特征,是定量分析景观格局的常用方法。本文选取斑块面积百分比、斑块密度、最大斑块指数作为岛群和海岛景观格局的表征指标。斑块面积百分比为某一景观类型的斑块面积占景观总面积的百分比。斑块密度为某一类型斑块数量与景观总面积的比值,表征景观斑块分化和细碎程度。最大斑块指数为某一类型景观中最大斑块面积占景观总面积的比例,可以反映景观演化的方向和程度。
将海岛某一类型景观的面积变化(正值表示面积增加,负值表示面积减少)占岛群该类型景观面积变化的百分比,作为其对岛群景观格局贡献大小。分别计算了2008—2014年、2014—2018年和2018—2022年三个阶段的贡献值。

3 结果

3.1 洞头区岛群景观格局演化特征

图2为经过人工目视修正后的岛群景观类型分布图。各年的景观分类精度高,OA值均在90%以上,Kappa系数均在0.9以上。
图2 2008年、2014年、2018年和2022年洞头岛群景观类型

Fig.2 landscape types of Dongtou island group in 2008,2014,2018 and 2022

结合图2和表3可以看出,2008年林地、水域和建筑用地为岛群中相对优势的景观类型,斑块面积百分比分别为49.23%、14.81%和11.76%;2014年、2018年的相对优势景观类型变为林地、建筑用地和未利用土地;2022年相对优势的景观类型为林地、建筑用地和工矿用地,斑块面积百分比分别为45.75%、16.26%和10.79%。2014—2022年有大片的水域消失,主要被工矿用地替代。
表3 2008—2022年洞头岛群景观格局指数

Tab.3 Landscape pattern indices of Dongtou island group from 2008 to 2022

景观指数 年份 景观类型
草地 道路 耕地 工矿用地 建筑用地 林地 水域 未利用土地
斑块面积百分比/% 2008年 1.94 6.08 4.00 3.20 11.76 49.23 14.81 8.98
2014年 2.99 6.39 3.58 6.86 12.41 46.33 9.83 11.60
2018年 2.52 7.65 3.19 8.07 14.11 45.90 5.56 13.00
2022年 2.93 7.82 2.91 10.79 16.26 45.75 4.79 8.76
最大斑块指数/% 2008年 0.25 0.23 0.53 0.79 1.78 12.60 4.07 3.11
2014年 0.28 0.25 0.28 0.95 1.78 12.33 3.91 4.93
2018年 0.28 0.72 0.28 0.95 1.78 12.15 3.37 1.09
2022年 0.28 0.72 0.28 0.95 1.78 12.19 3.37 1.06
斑块密度
/(个·km-2)		 2008年 120.57 262.06 136.58 28.93 271.69 18.94 1.58 74.12
2014年 125.13 268.86 143.05 29.85 280.32 19.32 1.48 79.88
2018年 124.34 268.07 142.22 29.92 274.94 19.06 1.26 81.02
2022年 122.76 267.39 142.85 29.77 270.16 19.03 1.19 80.84
总体而言,2008—2022年间,以林地和水域为代表的原生景观呈持续减少的趋势,其斑块面积百分比、最大斑块指数下降,斑块密度呈小幅波动;以建筑用地、道路和工矿用地为代表的开发建设类景观呈持续增长的趋势,其斑块面积百分比持续上升,斑块密度呈小幅波动。从最大斑块指数来看,道路和工况用地的大幅上升;未利用土地呈先增加后降低的趋势;草地和耕地呈小幅波动。

3.2 洞头区各海岛的景观格局演化

表4列出了2008年、2022年六个海岛的景观格局指数。通过各指数对比可以看出2008—2022年,洞头区各海岛景观的变化。
表4 2008年和2022年六个海岛的景观格局指数

Tab.4 Landscape pattern indices of six islands in 2008 and 2022

岛名 指数 年份 景观类型
草地 道路 耕地 工矿用地 建筑用地 林地 水域 未利用土地
洞头岛 斑块面积百分比/% 2008年 2.40 7.93 3.74 2.12 15.35 44.55 14.31 9.60
2022年 2.59 9.46 3.29 2.55 20.43 43.95 8.26 9.47
最大斑块指数/% 2008年 0.47 0.40 0.37 0.22 3.49 23.67 7.65 5.84
2022年 0.31 1.19 0.37 0.37 3.55 22.89 6.33 1.51
斑块密度/(个·km-2) 2008年 38.17 325.72 170.47 12.76 309.67 8.90 1.85 85.20
2022年 38.90 331.27 178.89 14.07 307.94 9.06 1.79 91.52
霓屿岛 斑块面积百分比/% 2008年 0.84 4.56 5.81 3.30 8.20 64.09 5.01 8.19
2022年 3.40 5.54 3.82 15.29 13.88 53.26 0.18 4.62
最大斑块指数/% 2008年 0.06 0.18 2.44 2.37 0.58 44.05 3.23 7.22
2022年 1.37 1.04 1.24 4.06 3.35 30.67 0.13 1.85
斑块密度/(个·km-2) 2008年 200.76 261.71 166.26 84.17 329.21 59.54 1.74 31.35
2022年 199.93 261.63 173.81 82.18 324.82 61.12 0.50 34.58
状元岙岛 斑块面积百分比/% 2008年 1.19 2.25 1.09 7.30 5.14 41.75 33.36 7.92
2022年 2.65 5.91 0.76 32.98 5.72 37.05 1.90 13.02
最大斑块指数/% 2008年 0.27 0.35 0.80 6.15 1.71 31.29 16.51 3.64
2022年 0.76 3.87 0.40 8.13 2.31 29.02 1.17 5.76
斑块密度/(个·km-2) 2008年 131.87 71.84 10.88 7.65 69.99 5.72 1.29 40.76
2022年 130.03 69.90 11.16 8.30 68.79 4.15 1.11 45.00
半屏岛 斑块面积百分比/% 2008年 2.49 5.73 12.56 0.94 9.13 62.01 0.03 7.10
2022年 3.79 5.99 5.21 3.04 11.60 65.94 0.00 4.43
最大斑块指数/% 2008年 0.32 2.16 2.60 0.60 0.54 59.03 0.03 4.63
2022年 0.94 2.16 1.08 0.66 2.35 64.03 0.00 3.53
斑块密度/(个·km-2) 2008年 353.70 245.24 245.24 42.09 416.02 13.76 0.40 25.09
2022年 368.67 267.10 254.15 21.45 411.17 7.69 0.00 42.49
大三盘岛 斑块面积百分比/% 2008年 4.44 8.34 1.15 0.43 17.74 54.61 0.67 12.62
2022年 6.13 9.59 0.66 0.93 31.43 44.24 0.18 6.84
最大斑块指数/% 2008年 0.26 0.79 0.22 0.03 7.43 28.08 0.43 6.37
2022年 0.83 0.81 0.05 0.35 10.86 21.27 0.10 0.65
斑块密度/(个·km-2) 2008年 613.31 464.02 40.35 51.88 307.23 26.52 1.73 441.54
2022年 685.36 523.39 33.43 66.29 341.24 28.24 1.15 517.62
花岗岛 斑块面积百分比/% 2008年 2.52 2.04 13.11 0.00 7.51 66.90 0.27 7.67
2022年 2.21 2.04 0.00 0.00 10.39 79.42 0.00 5.94
最大斑块指数/% 2008年 0.89 2.02 13.11 0.00 5.22 63.85 1.79 0.17
2022年 0.60 2.02 0.00 0.00 6.60 76.37 1.43 0.00
斑块密度/(个·km-2) 2008年 31.94 9.58 3.19 0.00 47.91 15.97 6.39 140.53
2022年 31.94 9.58 0.00 0.00 47.91 15.97 0.00 143.72
洞头岛各景观类型中水域的斑块面积百分比变化最大,下降6.05%,最大斑块指数下降1.32%,斑块密度变化不大;建筑用地的斑块面积百分比增加5.08%,斑块密度减少1.73 个·km-2;道路的斑块面积百分比增加1.53%,斑块密度增大5.55 个·km-2;未利用土地和耕地斑块面积百分比略有降低,斑块密度增加明显;其他景观类型变化幅度较小。
霓屿岛各景观类型中水域的斑块面积百分比、最大斑块指数和斑块密度均大幅下降,该类型趋于消失;建筑用地和道路的斑块面积百分比、最大斑块指数上升,斑块密度下降;林地的斑块面积百分比和最大斑块指数均大幅下降,斑块密度略有上升;工矿用地的斑块面积百分比变化最大,上升11.99%;草地的斑块面积百分比、最大斑块指数均略有上升。
状元岙岛各景观类型中林地的斑块面积百分比下降4.70%;水域的斑块面积百分比、最大斑块指数变化均最大,前者从33.36%降至1.90%,后者从16.51%降至1.17%;工矿用地、未利用土地的斑块面积百分比、最大斑块指数、斑块密度皆增大;道路的斑块面积百分比、最大斑块指数增大,但斑块密度减小。
半屏岛各景观类型中耕地的斑块面积百分比变化最大,从12.56%降至5.21%;工矿用地、建筑用地、林地和草地的斑块面积百分比均有小幅增加,其中工矿用地的斑块密度下降幅度较大。
大三盘岛各景观类型中未利用土地的斑块面积百分比下降5.78%,斑块密度变化最大,增大76.08 个·km-2;林地斑块面积百分比从54.61%降至44.24%,降幅最大;建筑用地、道路和草地的斑块密度增幅较大。
花岗岛各景观类型中耕地和水域的斑块面积百分比分别从13.11%和0.27%降至0.00%;林地、建筑用地的斑块面积百分比分别增加12.52%和2.88%。

3.3 海岛景观对岛群景观格局的贡献

图3为不同阶段各海岛景观类型对岛群景观格局的贡献。从图3a可见,2008—2014年,岛群景观中的草地、建筑用地、工矿用地、道路和未利用土地的面积占比增加,林地、耕地和水域占比减少。其中,洞头岛是岛群水域面积占比减少(-60%)和未利用土地、建筑用地、道路面积占比增加的主要贡献者(分别为76%、64%和73%);霓屿岛是岛群林地、耕地占比减少(分别为-70%和-77%)、工矿用地面积占比增加(73%)的主要贡献者;状元岙岛对岛群林地(-31%)、水域(-20%)面积占比减少的贡献也相对较高。半屏岛、大三盘岛和花岗岛对岛群耕地的面积占比减少和建筑用地、道路、工况用地等面积占比增加均略有贡献。
图3 不同时期各海岛景观类型对洞头岛群景观格局的贡献

Fig.3 Contribution of landscape type for each island to the landscape pattern of Dongtou island group in different periods

从图3b可见,2014—2018年,岛群景观中未利用土地、建筑用地、工矿用地和道路的面积占比增加,草地、林地、耕地和水域的面积占比减少。其中,状元岙岛对岛群未利用土地(177%)、工矿用地(102%)、
道路(54%)面积占比增加的贡献最大,对水域、耕地面积占比减少的贡献也较大(分别为-95%和-42%);洞头岛对岛群建筑用地、道路面积占比增加的贡献仍较大(分别为62%和46%);大三盘岛对岛群林地面积占比减少的贡献最大(-59%);霓屿岛对岛群未利用土地、林地、耕地、草地面积占比减少(分别为-31%、-20%、-21%和-19%)和建筑用地面积占比增加(38%)都有一定贡献;半屏岛对岛群耕地面积占比减少(-25%)和林地面积占比增加(20%)有贡献;花岗岛对岛群景观的贡献不明显。
从图3c可见,2018—2022年,岛群景观中草地、建筑用地、工矿用地和道路的面积占比增加,林地、耕地、水域和未利用土地占比减少。其中,霓屿岛为岛群道路(113%)、草地(45%)面积占比增加和林地(-63%)面积占比减少的主要贡献者;状元岙岛对岛群水域面积占比减少(-92%)、工矿用地面积占比增加(109%)的贡献仍最大;大三盘岛对岛群林地面积占比减少(-42%)的贡献仍较大,对岛群建筑用地面积占比增加(16%)的贡献上升;洞头岛对岛群建筑用地面积占比增加(58%)的贡献仍较大,对耕地面积占比减少(-59%)的贡献值较前两个时期明显上升;半屏岛对岛群耕地、林地面积占比减少(分别为-35%和-21%)也有贡献。

4 岛群景观格局演变分析

不同海岛景观时空演变有各自的特点,对岛群景观格局的贡献亦不同。结合图2可以看到,洞头岛景观变化主要在该岛的北部水域,2008—2014年,水域被围填,形成未利用土地,2014—2022年,这些未利用土地陆续开发,转变为建筑用地和道路等。2008—2014年,霓屿岛南、北两侧海岸部分水域被围填,形成了未利用土地,中西部的林地开发成为工矿用地,2014—2022年,这些未利用土地开发成为建筑用地和道路等,少量工矿用地修复为草地。状元岙岛景观变化主要集中在海岛南北两侧,2008—2018年水域持续围填,其中南侧水域面积在2014—2018年大幅减少,成为未利用土地,在2018—2022年,成为工矿用地。半屏岛和花岗岛的景观变化主要为部分耕地恢复为林地和草地以及开发成为建筑用地。大三盘岛景观格局变化集中在海岛中部和东部,主要为林地变成未利用土地后开发成为建筑用地和道路。总体上,洞头岛和状元岙岛景观演化以水域围填开发为主,前者起步早,速度快,后者开发建设略晚;霓屿岛和大三盘岛的景观演变以林地开发为工矿用地、建筑用地和道路为主;半屏岛和花岗岛的景观格局相对稳定。
海岛之间景观格局演变与其在区域中承载的功能相关,彼此间存在着联动性。洞头岛是洞头区行政中心,是岛群中最先发展的海岛,通过水域转变成未利用土地、道路、建筑用地,为洞头区提供居住、交通、教育等综合服务功能。状元岙岛面积大,距离洞头岛近,南部水域围填后形成了大片的工矿用地,发展成为了洞头区主要的工业区。霓屿岛的林地开发为洞头岛、状元岙岛的水域围填以及之后的建设提供石料。大三盘岛位于洞头岛、状元岙岛之间,受两个大岛辐射影响,逐渐发展为旅游度假区,相应地,部分林地转变为了建筑用地、道路和未利用土地。半屏岛和花岗岛的面积小,通过退耕还林、还草等景观演变可以看出,两者正处于发展的起步阶段。

5 结论

本文提取了洞头区六个海岛四个时相的景观类型,计算了景观格局指数(斑块面积百分比、最大斑块指数和斑块密度)以及各岛景观变化对岛群景观格局的贡献,分析了2008—2022年岛群及内部海岛景观格局演变和驱动力,主要结论如下。
1)2008—2022年间岛群林地、水域、耕地持续减少,建筑用地、工矿用地、道路持续增加,表明在研究时段,岛群处于开发建设阶段。
2)研究时段内,岛群内部的单个海岛的景观格局演化模式各有特点,其中面积较大的洞头岛、霓屿岛和状元岙岛以及地处岛群中部的大三盘岛的景观变化大。
3)各海岛相关景观变化关联度高,表明在开发建设活动中存在相互支撑关系。洞头岛发展最早,水域围填、基础设施建设的规模最大;霓屿岛和大三盘岛的林地采矿对岛群早期的基础建设起了支撑作用;面积最小的半屏岛和花岗岛,发展起步最晚,与大岛辐射效应有关。

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