环鄱阳湖城市群地区人类活动强度时空变化分析
黄敏婷1，谭永滨1,2，唐 瑶1*，艾金泉1，余 芸1，杨 凯1
(1.东华理工大学测绘工程学院，330013，南昌；2.流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室，330013，南昌)
摘要： 人类活动是土地生态系统演变的重要驱动因子，以环鄱阳湖城市群为研究对象，在前人的基础上结合环鄱阳湖地区的实际情况提出了一套人类活动定量化的方法，该法筛选了建筑用地、耕地、水产养殖用地、公路、铁路、人口密度以及GDP格网数据作为衡量人类活动强度的指标，采用多指标叠加的方法获取人类活动强度综合指数，并从总体变化、时空特征变化及空间自相关性等3个方面分析环鄱阳湖城市群人类活动强度的时空变化特征。结果表明：研究区域整体上人类活动强度并不高，但是强度大小和分布均有差异，其中南昌市及其周边人类活动最为剧烈，抚州的广昌县、宜黄县、资溪县等地人类活动强度最低；以2005年为界，环鄱阳湖城市群人类活动强度前期增长相对较为缓慢，后期由于经济的快速发展导致人类活动强度指数增长加快；从空间自相关方向看，研究时段内环鄱阳湖城市群地区人类活动强度具有显著的空间聚集性，高高(HH)聚集主要分布在南昌市新建县等地区，并且有向朝着南昌市区方向聚集的趋势；低低(LL)聚集主要分布在抚州的广昌县、乐安县、南丰县等丘陵地区。
关键词： 环鄱阳湖城市群；人类活动强度；时空变化；空间自相关性
0 引言
随着社会经济的发展与科技的进步，人类活动对自然环境的影响和作用程度在不断的加深，引起了一系列生态环境问题[1]。作为衡量人类对自然环境作用程度的一个重要指标，人类活动强度及其对生态环境的影响分析 ,一直是地理学 、资源学与生态学等多学科的重要研究内容[2]。但是由于人与自然环境之间的复杂性及人类受主观和客观因素作用导致的不确定性，使得定量评价人类活动强度具有一定的难度[3]，不过也有很多学者分别从不同的角度对人类活动强度进行了空间化与定量化的评价分析工作[4]。主要有以统计数据为基础的综合评价方法和以地表覆盖数据为基础的空间模拟方法。以统计数据为基础的评价方法中，文英、徐志刚等人较早采用该方法对全国各省市区的人类活动强度进行了定量计算和分析[5-6]，而后汪桂生、李延峰、孙永光对该方法都有进一步的发展与完善[7-9]，由于该方法大部分情况以行政区划为评价单元，主要考虑社会与经济统计数据，缺乏了耕地等经过人类改造过的地表覆盖数据，因此不能充分地揭示人类活动强度的空间差异性。而以地表覆盖数据为基础的空间模拟方法中，徐勇[10]、冯志贤[11]等人利用地表覆盖分类数据结合人类干扰理论指数模型来定量评价人类活动强度，虽然该方法能够较好的表现人类活动的空间化，但是忽略了社会与经济方面的统计数据，使得评价结果与实际情况存在一定的偏差。
本文以多期遥感数据为基础，利用监督分类对研究区的土地进行分类，并借助研究区社会经济数据展开研究，数据真实；以环鄱阳湖城市群为研究区域，采用多指标叠加的方法，量化环鄱阳湖城市群地区的人类活动强度，在此基础上利用空间自相关研究环鄱阳湖城市群人类活动强度的时空变化特征，结果可靠，对于研究区未来制定相关政策有一定的借鉴意义。
1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区概况
环鄱阳湖城市群是江西省最发达的区域，位于长江中下游地区，属亚热带湿润季风型气候。鄱阳湖也是中国的第一大淡水湖，素有“鱼米之乡、富饶之洲”的美誉。本文选取的环鄱阳湖城市群主要包括南昌市、九江市、 上饶市、抚州市、景德镇以及鹰潭市，如图1所示。以2015年遥感影像为例，波段组成为6、5、4波段，范围为东经E113°56′～118°28′，北纬N26°30′～30°4′。
图1 环鄱阳湖城市群的研究范围
1.2 数据来源
本文的遥感影像数据来源于USGS官网(网址为http://glovis.usgs.gov/)，选取的是1995年、2000年、2005年和2010年夏季的TM影像和2015年的OLI影像，并对研究区域的8景影像进行裁剪、镶嵌、辐射定标、大气校正等预处理，使用监督分类提取建筑用地、耕地以及水产养殖用地等信息，并通过了精度验证。2015年的公路铁路数据来源于CSDN官网(网址为https://www.csdn.net/)，1995年、2000年、2005年和2010年的公路铁路数据则参考对应年份的的影像数据对2015年的公路铁路数据进行整理得到。人口密度数据与GDP格网数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。
2 研究方法
2.1 人类活动强度计算方法
本文作者综合参考了人类活动影响因子相关文献[12-13]和研究区环鄱阳湖城市群的实际情况，确定了人类活动的影响因子为：建筑用地、耕地、水产养殖用地、公路(包括省道和高速公路)、铁路、GDP以及人口密度数据，且其相对应的人类活动强度指数如下表1所示。将研究区为建筑用地、耕地、水产养殖用地的区域分别赋人类活动强度值为10、4和4；对公路和铁路进行缓冲区分析，给定500 m作为缓冲范围，将缓冲区区内赋人类活动强度值为8；对GDP格网数据采用自然间断点分级法连续赋值1～9；对超过1 000人/km2的地方赋人类活动强度值为10，人烟稀少地区密度小于1 000 人/km2则人类活动强度值 = 3.333×log (人口密度+1)，该法是假设人们对当地生态系统施加的压力随着人口密度的增加呈对数增长，并饱和于1 000 人/km2的水平。以上不同指标的人类活动强度值的给定标准是通过参考大量文献并结合鄱阳湖真实状况给定的。
2.2.2 局部空间自相关 主要采用LISA聚集图和Moran散点图进行局部的空间自相关分析。LISA聚集图又称为局部Moran指数[16]，其计算公式如下：
环鄱阳湖城市群(包括南昌市、九江市、 上饶市、抚州市、景德镇以及鹰潭市)总面积约为7.7 万km2。以GIS自然间断点分级法确定的环鄱阳湖城市群地区不同人类活动强度分级标准为依据，将人类活动强度按小于8%、8%～13%、13%～20%、20%～28%、大于28%划分为人类活动强度低、较低、中等、较高和高5个等级，并得到相关强度等级所占面积数据，如表2和图2所示。从表2和图2可知，环鄱阳湖城市群的人类活动强度变化大致以2005年为界，前期增长相对较慢，后期由于经济的快速发展导致人类活动强度指数增长加快，除2010年和2015年外其他研究时段的人类活动强度总体上处于低等级水平，占比面积最多达到64 600 km2，达到环鄱阳湖城市群总面积83%左右；而2010年和2015年的人类活动强度总体上处于低和较低等级水平，较低等级增长较快，中等、较高和高等级水平总体上较2005年增长了7.77%。可见，环鄱阳湖城市群的整体人类活动强度并不高，这是因为鄱阳湖城市群地区的丘陵和林地占比较多，但是，其人类活动强度随着年份的增长在逐渐增强，其中2010-2015年最为明显。
表1 不同指标的人类活动强度值
2.2 空间自相关分析方法
2.2.1 全局空间自相关 全局空间自相关的指标有很多，主要包括Moran′s I 、Geary′sC 和Getis′G ，其中常用的是Moran′sI [15]。Moran′sI 用于衡量空间要素之间的关联性，与一般统计学中相关系数类似，其值在[-1,1]之间。大于0表明存在空间的正相关，反之为负相关，等于0则表明不存在空间相关性。其计算公式如下：
空间自相关分析是检验某一要素属性值与其相邻空间要素属性值是否显著关联的重要指标，包括全局空间自相关和局部空间自相关两种度量方法[14]。
(1)
I i =Z i ∑j W ij Z j
其中，常规施肥、配方施肥的N-P2O5-K2O折纯施用量分别为25-15-15、20-11-22 kg/亩，常规无氮和配方无氮处理的P2O5、K2O用量分别与常规施肥和配方施肥相同。氮磷钾化肥分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾。3次重复，小区设计4 m×8 m，随机排列。
CA153是人乳腺癌患者的组织碎片及细胞质中提取的糖类抗原物质，属于乳腺癌相关抗原, 对乳腺癌患者随诊有一定意义，主要用于治疗后监测乳腺癌患者的疾病复发和转移。有研究表明[9]，较高水平的CA153可作为乳腺癌可靠的预后标记，与晚期和复发直接相关。此外，在乳腺癌患者中，CA153的持续升高与HER2阳性相关。CA153也可用于转移性乳腺癌的辅助诊断, 乳腺癌术后CA153阳性率可达80%,肝、骨处转移可引起血清CA153显著升高。CA153对早期乳腺癌的敏感性及特异性较差，可潜在地用于检测高危人群乳腺癌的发生。
式中：
分别为地理单元i 、j 的数值，在本文中为县级单元i 、j 的人类活动强度值；m 为县级单元个数；
为整个环鄱阳湖城市群地区的人类活动强度均值；w ij 为县级单元i 的邻近单元j 的空间权重，空间权重根据县级单元i 与邻近单元j 的空间邻接方式被赋值。
(2)
式中：Z i 和Z j 为经过标准差标准化的属性值；W ij 为空间权重矩阵。
Moran散点图反映的是局部空间的不稳定性特点，4个象限分别为高高(HH)聚集、低低(LL)聚集、高低(HL)聚集、低高(LH)聚集，与LISA聚集图相对应，反映4类分析单元与其临近单元间关联状况，如高高(HH)聚集表示人类活动强度高值区的周围地区人类活动强度也较高，其它3种聚集类型也同理。
低低聚集区主要有：沙河口区西北部一部分住宅。甘井子区周水子国际机场、大连北站、营城西路、鹤大高速公路、虹港路和迎客路附近、华北路和华东路周围、振兴路、关厢路以及甘井子线、长大线沿线。
3 结果与分析
3.1 总体变化特征
高校图书馆被誉为“大学的心脏”“大学精神的守护者”“大学师生的精神家园”，高校图书馆具有丰富师生精神文化生活、传承文化、促进交流的职能，并且随着读者多元化需求的驱动，图书馆的功能已从原来收藏、借阅图书的文献资源中心，逐渐转变为读者学习、互动、交流、休闲、社交的多功能场所。图书馆已逐步触碰到文化馆、艺术馆、美术馆、博物馆、档案馆的边界。
表2 环鄱阳湖城市群不同时期人类活动强度分级数据
图2 1995-2015年人类活动强度等级的面积变化
3.2 时空分异特征
通过对建筑用地、耕地、水产养殖用地、公路、铁路、人口密度以及GDP格网数据等指标的叠加，得到各个研究区人类活动强度分布如图3所示。从图3中可以看出，研究区域整体人类活动强度并不高，但是地区差异明显。以图3(d)为例，南昌市及周边区域人类活动强度最大，特别是在耕地集中、交通密集的平坦地区，因此经济发展的同时也对鄱阳湖湿地造成了一定的影响；而人类活动强度低值区主要分布在西边的修水县和武宁县，南边的广昌县、宜黄县、资溪县等地；整体分布呈现中间高外围低的状态；南昌市、上饶市等地的平均人类活动强度高达20，而宜黄县、资溪县等地的平均人类活动强度为7，这是因为这些地方大部分属林地，居民点与耕地稀少，人类活动强度最低，而南昌市、上饶市等地人类活动强度高是由于近些年来人口数量持续增长、城镇建设用地大幅度增加导致，这也与研究区经济发展水平相匹配，位于中部的南昌市社会经济最为发达，人类活动最强，南昌县农业发达、耕地分布广阔，因此人类活动也较强。
Y^=-330.882+0.013X1+0.016X2+8.46X3 t=(-1.54)(1.88)(2.06)(0.16) R2=0.857 0，修正R2=0.841 1，F=53.94
1995-2015年间，人类活动强度高和较高等级类型在1995-2000年仅发生小幅度的波动，且主要集中在南昌市，但是在2000-2015年发生了较大的变动，主要体现在南昌市、九江市、上饶市等地级市地区，人类活动强度中等等级类型在2000-2005年间变化较大，主要集中在新建县和南昌县，往后变动较小。在所有的研究时段内2005-2015年人类活动强度低等级类型转化为较低等级类型的面积变化最大，并呈大片集中分布，主要体现在南昌的进贤县和安义县、抚州的临川区和东乡区、上饶的上饶县和玉山县、鹰潭的贵溪市和余江县以及九江的九江县和湖口县等经济发展水平较好的县级区域。因为在这段时间内，这些区域经济社会发展迅速，交通也更为便利，地势较为平坦，水资源相对丰富。人类活动强度处于低等级且近20 a来变化不大的区域大都地形地貌等自然因素较为复杂，水资源相对短缺，交通不便利，城镇建筑用地比例低，使得人类活动处于低等级类型。
(a)1995年 (b) 2000年
(c)2005年 (d)2010年
(e) 2015年 (f) 县级行政区划图
图3 环鄱阳湖城市群不同时期人类活动强度空间分布图
3.3 空间自相关分析
3.3.1 全局空间自相关分析 综合应用ArcGIS和GeoDa 2个软件对环鄱阳湖城市群的人类活动强度进行空间自相关分析。研究时段内环鄱阳湖城市群人类活动强度全局空间自相关分析结果如表3所示。从表3中可看出，1995年、2000年、2005年、2010年和2015年人类活动强度的Moran′s I 值均为正值，即存在显著的空间正相关性；且其值较大，表明环鄱阳湖城市群地区人类活动强度具有显著的空间聚集特征。从演变趋势上来看，1995年、2000年、2005年和2010年的Moran′sI 指数变动不大，但2010-2015年，Moran′sI 指数值增大较为明显，表明环鄱阳湖城市群的人类活动强度有聚集趋势，正朝着南昌市区方向聚集。
表3 环鄱阳湖城市群人类活动强度全局空间自相关指标值
3.3.2 局部空间自相关分析 为更直观地看出环鄱阳湖城市群人类活动强度的空间聚集情况，因此本文以县级行政区划为评价单元通过GeoDa软件绘制出各个时期的LISA聚集图(已通过Z 值验证，P ≤0.03)，如图4所示。从图4中可以看出，环鄱阳湖城市群地区的人类活动强度的局部空间自相关模式主要以高高(HH)聚集和低低(LL)聚集为主，即存在正相关的空间关联模式，且低低(LL)聚集类型所包括的县级单元个数和地域范围要大于高高(HH)聚集类型，说明环鄱阳湖城市群地区人类活动强度总体上处于较低的水平。低低(LL)聚集类型主要集中在抚州的广昌县、乐安县、南丰县以及黎川县等地，人类活动强度变动的幅度较小；而高高(HH)聚集类型近20年来主要集中在南昌市、新建县以及南昌县等地，也只有小幅度的波动，说明该地区人类活动强度关联性较高，一直处于较活跃的状态，经济发展也较为紧密。另外，LH和HL为低高集聚和高低集聚，在图中表现不明显。
(a)1995年 (b)2000年 (c)2005年
(d)2010年 (e)2015年
图4 环鄱阳湖城市群人类活动强度LISA聚集图
4 结论
本文选取了能够代表环鄱阳湖城市群人类活动强度的指标，并采用多指标叠加的方法对研究区不同时段和不同地方的人类活动强度进行了评价。结果表明：研究区域整体人类活动强度并不高，但是地区差异明显，特别是南昌市及其周边人类活动强度最为剧烈，靠近南昌市的新建县、南昌县等地的经济水平也较为发达，经济发展的同时也对鄱阳湖湿地造成了一定的影响；而西边的修水县、武宁县，南边的广昌县、宜黄县、资溪县等地人类活动强度最低，经济社会发展水平也较低，这是因为这些地区平均森林覆盖率较高，人类不易踏足，这也很好地保护了当地的自然资源与生态环境。环鄱阳湖城市群的人类活动强度变化大致以2005年为界，前期增长相对较慢，后期由于经济的快速发展导致人类活动强度指数增长加快。人类活动强度空间自相关分析表明：研究时段内环鄱阳湖城市群地区人类活动强度具有显著的空间聚集性，高高(HH)聚集主要分布在南昌市新建县等地区，并且有向朝着南昌市区方向聚集的趋势；低低(LL)聚集主要分布在抚州的广昌县、乐安县、南丰县等丘陵地区。本文通过多指标叠加的方法不仅能够真实客观地反映研究区的人类活动强度,而且还可以对比不同区域人类活动强度各自的时序性变化。为保护湿地、合理利用湿地以及为调控区域人类活动对鄱阳湖湿地的干扰程度提供可靠依据。
参考文献：
[1] 刘春霞,李月臣,杨华,等.三峡库区重庆段生态与环境敏感性综合评价[J].地理学报,2011,66(5):631-642.
[2] 魏建兵,肖笃宁,解伏菊.人类活动对生态环境的影响评价与调控原则[J].地理科学进展,2006(2):36-45.
[3] 郑文武,田亚平,邹君,等.南方红壤丘陵区人类活动强度的空间模拟与特征分析——以衡阳盆地为例[J].地球信息科学学报,2010,12(5):628-633.
[4] 刘世梁,刘芦萌,武雪,等.区域生态效应研究中人类活动强度定量化评价[J].生态学报,2018,38(19):6797-6809.
[5] 文英.人类活动强度定量评价方法的初步探讨[J].科学对社会的影响,1998(4):56-61.
[6] 徐志刚,庄大方,杨琳.区域人类活动强度定量模型的建立与应用[J].地球信息科学学报,2009,11(4):452-460.
[7] 汪桂生,颉耀文,王学强.黑河中游历史时期人类活动强度定量评价——以明、清及民国时期为例[J].中国沙漠,2013,33(4):1225-1234.
[8] 李延峰,宋秀贤,吴在兴,等.人类活动对海洋生态系统影响的空间量化评价——以莱州湾海域为例[J].海洋与湖沼,2015,46(1):133-139.
[9] 孙永光,赵冬至,高阳,等.海岸带人类活动强度遥感定量评估方法研究——以广西北海为例[J].海洋环境科学,2014,33(3):407-411,424.
[10] 徐勇,孙晓一,汤青.陆地表层人类活动强度:概念、方法及应用[J].地理学报,2015,70(7):1068-1079.
[11] 冯志贤,张继贤,侯伟,等.基于地表覆盖分类的生态环境人为干扰度分析——以北京市为例[J].生态学杂志,2017,36(2):508-516.
[12] 胡志斌,何兴元,李月辉,等.岷江上游地区人类活动强度及其特征[J].生态学杂志,2007(4):539-543.
[13] OSCAR V, SANDERSON E W, MAGRACH A, et al. Global terrestrial Human Footprint maps for 1993 and 2009[J]. Scientific Data, 2016, 3: 160067.
[14] 孟斌,王劲峰,张文忠,等.基于空间分析方法的中国区域差异研究[J].地理科学,2005(4):11-18.
[15] 徐建华.计量地理学[M].2版.北京:高等教育出版社,2014.
[16] ANSELIN L. Local indicators of spatial association—LISA[J]. Geographical Analysis, 1995, 27(2):93-115.
Analysis on Spatiotemporal Variation of Human Activity Intensity in the Poyang Lake City Group
HUANG Minting1, TAN Yongbin1,2, TANG Yao1*, AI Jinquan1, YU Yun1, YANG Kai1
(1.School of Surveying and Mapping Engineering, East China University of Technology, 330013, Nanchang, PRC; 2. Key Laboratory of Watershed Ecology and Geographical Environment Monitoring NASG, 330013, Nanchang, PRC)
Abstract ：Human activity is an important driving factor of land ecosystem evolution. Based on the Poyang Lake city group as the research object, on the basis of the predecessors in combination with the practical situation of ring of Poyang Lake region put forward a set of quantitative method of human activity, the screening of the construction land, farmland, land for aquaculture, highway, railway, population density and grid data of GDP as a measure of the intensity of human activities using multi-index superposition method of obtaining human activity intensity index, and from the overall change characteristics, space and time and space from three aspects, such as correlation analysis the Poyang Lake city group spatial and temporal variations of the intensity of human activities. The results showed that the intensity of human activities in the study area was not high on the whole, but there were differences in the intensity and distribution, among which Nanchang and its surrounding areas had the most intense human activities, while Guangchang, Yihuang and Zixi counties in Fuzhou had the lowest intensity of human activities. Taking 2005 as the boundary, the growth of human activity intensity in the city cluster around Poyang Lake was relatively slow in the early stage, and accelerated in the late stage due to the rapid economic development. From the perspective of spatial autocorrelation, the intensity of human activities in the area surrounding Poyang Lake urban agglomeration during the study period showed a significant spatial aggregation. HH aggregation is mainly distributed in Nanchang Xinjian county and other areas, and has a tendency to gather in the direction of Nanchang city. LL clusters are mainly distributed in the hilly areas of Guangchang, Le'an and Nanfeng counties of Fuzhou.
Key words ：Poyang Lake city group; human activities intensity; spatiotemporal variation; spatial autocorrelation
中图分类号： P208
文献标识码： A
文章编号： 1001-3679(2019)06-894-07
收稿日期： 2019-10-30;修订日期： 2019-11-27
作者简介： 黄敏婷(1995-)，女，硕士研究生，目前从事3S技术理论与应用研究。
基金项目： 江西省数字国土重点实验室开放基金(DLLJ201917)。
*通讯作者： 唐 瑶(1985-)，女，讲师，主要从事遥感与GIS分析研究。Email：ybtan@ecut.edu.cn。
doi :10.13990/j.issn1001-3679.2019.06.016
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