裴 剛，劉養(yǎng)潔，王國梁

(山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，臨汾 041001)

侯馬市景觀格局梯度分析

裴 剛，劉養(yǎng)潔，王國梁

(山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，臨汾 041001)

以侯馬市為例，在RS和GIS技術(shù)的支持下，定量分析了侯馬市景觀格局的空間分異特征。結(jié)果表明，景觀指數(shù)能夠很好地反映研究區(qū)各緩沖區(qū)景觀格局的變化特征;利用做緩沖區(qū)的方法提取樣帶在分析北方平原城市圈層景觀格局的梯度變化上有一定的優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)研究對(duì)于合理引導(dǎo)城市擴(kuò)張，以便減小由于城市擴(kuò)張所引起的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)退化問題具有一定的實(shí)踐意義和理論參考價(jià)值。

景觀格局;梯度分析;緩沖區(qū);侯馬市

0 引言

地域景觀變化主要是農(nóng)業(yè)耕種、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市發(fā)展等大規(guī)模的人類開發(fā)活動(dòng)的結(jié)果［1］，已日益成為引起區(qū)域景觀變化的關(guān)鍵因素［2］。城市在空間范圍的拓展過程，就是自然環(huán)境變?yōu)槿斯きh(huán)境的過程［3］。這一過程與土地利用變化有著極為密切的聯(lián)系，而深入分析土地利用格局是了解土地利用變化的基礎(chǔ)。

景觀格局分析是景觀生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)，其通過描述景觀單元的組合結(jié)構(gòu)特征，對(duì)景觀鑲嵌格局進(jìn)行分析和量化，進(jìn)而研究格局與過程之間的相互作用與影響［4］?？臻g梯度是指沿某一方向景觀特征有規(guī)律地逐漸變化的空間特征［5］。梯度分析最早應(yīng)用于植被生態(tài)學(xué)中研究植被群落的演化和不同環(huán)境條件下植被群落的差異［6］。國內(nèi)外學(xué)者利用景觀指數(shù)和梯度分析方法分析土地利用格局，取得了一定的成效，揭示了不同土地利用類型沿樣帶表現(xiàn)出不同的梯度變化規(guī)律［7－8］。然而，以提取緩沖區(qū)的方式作為樣帶設(shè)計(jì)方法在反映城市景觀格局方面的應(yīng)用較少。

本文以山西侯馬市為研究對(duì)象，通過建立緩沖區(qū)的方法，研究侯馬市景觀格局的梯度變化特征。主要任務(wù)包括:①利用提取緩沖區(qū)的方法分析景觀指數(shù)的變化能否有效地揭示平原城市的景觀格局特征;②研究侯馬市景觀格局的梯度變化情況;③統(tǒng)計(jì)代表城市現(xiàn)代化的人工景觀的比例，結(jié)合侯馬市城市化率的指標(biāo)，分析該市所處的城市化階段，為引導(dǎo)城市用地和空間資源的合理配置，改善侯馬市的生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源概況

侯馬市是山西省南部一座重要的區(qū)域性中心城市，屬臨汾市管轄(圖1)。地理位置介于E111°23'05″～111°41'00″，N35°34'02″～ 35°52'09″之間，總面積220 km2。區(qū)境內(nèi)地形較平坦，海拔高度在420～457 m之間，南部紫金山的海拔1055 m。汾河位于市西北邊界，澮河在市南部橫穿市境東西。該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，土地利用類型以耕地、林地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地為主。侯馬市農(nóng)業(yè)具有明顯的城郊型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)特征，工業(yè)以工礦企業(yè)為主，交通運(yùn)輸發(fā)達(dá)。

圖1 侯馬市地理位置示意圖Fig.1 Location of Houma city，Shanxi，China

以侯馬市2009年的SPOT5正射遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，輔以山西省城鄉(xiāng)設(shè)計(jì)研究院提供的2009年侯馬市土地利用的矢量數(shù)據(jù)。在ENVI 4.7軟件中，采用 Gram－Schmidt Spectral Sharpening法，將10 m分辨率的多光譜圖像(波段為綠、紅、近紅外和短波紅外)與2.5 m分辨率的全色圖像融合，在高保真地保持圖像光譜特征的情況下提高了其空間分辨率;采用人工目視解譯法得到2009年侯馬市景觀分類的空間與屬性數(shù)據(jù)。結(jié)合野外實(shí)地驗(yàn)證，精度為0.852，基本滿足本次研究的需要。

2 研究方法

2.1 景觀類型的劃分

考慮到侯馬市的土地利用特征，參照了建設(shè)部1991年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ137—90)［9］中的城市用地分類體系，結(jié)合本文的研究需要，把原土地利用類型歸并為7類景觀(表1)。

表1 景觀類型的劃分Tab.1 Classification of landscape types

2.2 總體景觀格局指數(shù)的提取

在ArcGIS 9.3軟件中，用 Conversion Tools工具，將人工目視解譯得到的侯馬市景觀分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，再用Fragstats 3.3軟件計(jì)算景觀格局指數(shù)。在侯馬市景觀格局總體特征的描述中，選擇了斑塊類型總面積(CA)、景觀面積比例(PLAND)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊面積(MPS)進(jìn)行計(jì)算。

緩沖區(qū)的景觀梯度分析可分為以下2個(gè)部分:①景觀類型的梯度分析，選擇了景觀面積比例(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊界密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和平均斑塊面積(MPS);②景觀水平的梯度分析，選擇了斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊面積(MPS)、面積—周長分維數(shù)(PAFRAC)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)［10－12］。這些指數(shù)的計(jì)算方法和生態(tài)學(xué)意義參見文獻(xiàn)［13］。

2.3 緩沖區(qū)的設(shè)立

根據(jù)劃分的景觀類型，在ArcGIS 9.3軟件的支持下，對(duì)研究區(qū)設(shè)立緩沖區(qū)。選定市政府所在地的幾何中心為圓心，首先設(shè)立半徑0.5 km的圓形緩沖區(qū)作為核心區(qū)(圍繞點(diǎn)建立緩沖區(qū)產(chǎn)生圓形緩沖區(qū)［14］);而后圍繞核心區(qū)，以0.5 km 為緩沖距離，向城市外緣方向設(shè)立環(huán)形緩沖區(qū)，并以此類推，共設(shè)立14個(gè)緩沖區(qū)。本文默認(rèn)核心區(qū)為第0緩沖區(qū)，向周邊依次為第1區(qū)、第2區(qū)、…、第13區(qū)(圖2)。

圖2 侯馬市景觀類型與緩沖區(qū)設(shè)置示意圖Fig.2 Landscape types and buffer zones of Houma city

利用ArcToolbox中Clip工具對(duì)景觀分類的矢量圖進(jìn)行剪切，獲取目標(biāo)矢量圖及相關(guān)屬性，并將其轉(zhuǎn)化為10 m×10 m的柵格數(shù)據(jù)。以市政府為圓心的核心區(qū)所處位置與實(shí)際市建成區(qū)的幾何中心相符合，對(duì)所設(shè)立的環(huán)形緩沖區(qū)進(jìn)行分析，能夠較好地體現(xiàn)出城市景觀類型的圈層梯度變化特征。

3 侯馬市景觀格局分析

3.1 景觀格局總體特征

侯馬市各景觀類型的景觀指數(shù)如表2所示。

表2 侯馬市各景觀類型的景觀指數(shù)Tab.2 Landscape indices of Houma City

由表2可知，侯馬市農(nóng)業(yè)景觀的景觀面積比例占了一半以上，達(dá)到52.90%，其次是居住和綠地景觀，而工業(yè)景觀所占的比例不足1%。從景觀類型上看，綠地、居住和農(nóng)業(yè)3類景觀的斑塊個(gè)數(shù)不僅數(shù)量最多，且所占比例超過了70%。斑塊密度反映了景觀的破碎程度，表現(xiàn)為占主體的綠地、居住和農(nóng)業(yè)3類景觀PD值均超過0.7個(gè)/km2，說明侯馬市整體景觀的破碎度較高。最大斑塊指數(shù)中遠(yuǎn)居于高位的是農(nóng)業(yè)和綠地景觀，分別為11.55和11.26，可見研究區(qū)存在大片相連的農(nóng)業(yè)和綠地景觀。雖然交通景觀的前幾項(xiàng)指數(shù)表現(xiàn)并不突出，但平均斑塊面積最大，說明了侯馬市的地面交通較為發(fā)達(dá)。

城市化是一個(gè)農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)化為非農(nóng)業(yè)人口、農(nóng)村地域轉(zhuǎn)化為城市地域的過程［15］。2009年侯馬市城市化率(城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋戎?為 55.65%［15］，而從景觀格局的總體特征上看，代表城市現(xiàn)代化的人工景觀(不含農(nóng)業(yè)景觀)所占比例僅為27.46%左右。結(jié)合諾瑟姆的城市化發(fā)展S型曲線綜合分析以上2個(gè)指標(biāo)可看出侯馬市的城市化進(jìn)程處在快速提升階段［3］。這一階段是人地矛盾尤為尖銳的階段，如果不能對(duì)城市擴(kuò)張的空間布局進(jìn)行合理規(guī)劃，容易導(dǎo)致生物棲息地破碎和生物多樣性減少等一系列生態(tài)退化問題。

3.2 景觀類型的緩沖區(qū)梯度分析

研究區(qū)景觀類型的緩沖區(qū)梯度變化特征如圖3所示。

圖3 景觀類型的緩沖區(qū)梯度變化特征Fig.3 Gradient variation characters among the buffer zones of landscape types

在景觀面積比例圖3(a)中，自第0區(qū)向第13區(qū)，居住景觀逐漸減少，至第8區(qū)后趨于平穩(wěn)，其平穩(wěn)趨勢(shì)可歸因?yàn)檗r(nóng)村居民點(diǎn)在建成區(qū)周邊的均勻離散分布。農(nóng)業(yè)景觀逐漸增多，在第9區(qū)達(dá)到頂峰后逐漸下降，其下降的部分主要由綠地的上升部分填充。交通景觀雖然在第0區(qū)至第12區(qū)間有小幅下降，但到第13區(qū)比例迅速攀升，充分說明了侯馬市過境交通發(fā)達(dá)。

在斑塊密度圖3(b)中，居住景觀的PD值逐漸降低，農(nóng)業(yè)和綠地景觀的PD值先升后降，只有交通景觀的PD值呈現(xiàn)“U”型的先降后升態(tài)勢(shì)。工業(yè)景觀在距市中心3 km時(shí)才出現(xiàn)，曲線的平穩(wěn)態(tài)勢(shì)至第13區(qū)時(shí)才有小幅上升。

在最大斑塊指數(shù)圖3(c)中，居住景觀的指數(shù)逐漸降低，這與居住區(qū)在建成區(qū)集中分布，而農(nóng)村居民點(diǎn)在建成區(qū)周邊離散分布的空間格局有關(guān)。交通景觀的曲線先降后升，說明了越向市中心道路的連通性越高，而過境交通較高的通達(dá)性是該值在第13區(qū)上升的原因。農(nóng)業(yè)和綠地景觀指數(shù)先升后降，說明在侯馬市建成區(qū)周邊圍繞著大片農(nóng)田，綠地在南部的紫金山地區(qū)呈集中分布態(tài)勢(shì)，但在市邊緣切割的緩沖區(qū)存在空白部分，這種連片分布的格局不再那么明顯了。

在邊界密度圖3(d)中，居住和交通景觀曲線的走勢(shì)均呈階梯式下降，說明這2種景觀之間的影響強(qiáng)度隨距離建成區(qū)中心距離的增加而降低;只是交通景觀的ED值在第13區(qū)再次上升到了36.38 m/hm2的高位，這與市邊緣較發(fā)達(dá)的交通體系有關(guān)。農(nóng)業(yè)景觀指數(shù)波動(dòng)上升和下降說明了農(nóng)業(yè)景觀與代表城市化的交通和居住景觀之間的復(fù)雜程度是此消彼長的關(guān)系，城市化程度高的地區(qū)，代表自然形態(tài)的農(nóng)業(yè)景觀的復(fù)雜程度低;反之亦然。綠地景觀也說明了上述關(guān)系。

在景觀形狀指數(shù)圖3(e)中，居住、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和綠地景觀曲線的走勢(shì)反映了隨距建成區(qū)中心距離的增加，景觀的形狀變得越來越不規(guī)則，同時(shí)離散程度增強(qiáng)，但在市邊緣農(nóng)業(yè)和綠地景觀的LSI值有明顯下降。交通景觀曲線走勢(shì)的特殊性在于總體上升中存在一個(gè)小的波谷(分布于第7至第11區(qū))，其主要原因?yàn)榻ǔ蓞^(qū)北部分布有規(guī)則的鐵路用地。水體景觀在各緩沖區(qū)的變化差異不大。

從平均斑塊面積圖3(f)上看，居住景觀的曲線在第0區(qū)起點(diǎn)較高，上升至第3區(qū)達(dá)到峰值，而后下降并趨于穩(wěn)定，說明了居住景觀由趨于集中向逐步均勻分散過渡。農(nóng)業(yè)景觀在建成區(qū)周邊大片集中分布，在第9區(qū)達(dá)到峰值，而后這種集中性被穿插于其中的交通用地和水體所打破。水體景觀在第11區(qū)的峰值是由于澮河大片分布于該區(qū)形成的。

總體來看，沿第0區(qū)向第13區(qū)梯度過渡，居主體地位的景觀類型依次為居住、農(nóng)業(yè)、交通、綠地。居住景觀的各條曲線除景觀形狀指數(shù)曲線外均呈逐漸下降趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)景觀多呈先升后降的趨勢(shì)，交通景觀指數(shù)的變化集中在了第0區(qū)至第3區(qū)和第11區(qū)至第13區(qū)，綠地景觀指數(shù)的變化集中在了第9區(qū)至第13區(qū)，工業(yè)和水體景觀集中分布在第10區(qū)至第13區(qū)。

3.3 景觀水平的緩沖區(qū)梯度分析

在綜合了7種景觀類型后，進(jìn)行景觀水平的緩沖區(qū)梯度分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 景觀水平的緩沖區(qū)梯度變化特征Fig.4 Gradient variation characters among the buffer zones of landscape levels

從斑塊數(shù)量圖4(a)上看，曲線先逐漸上升，在第8區(qū)達(dá)到164個(gè)的峰值后下降，并穩(wěn)定在150個(gè)左右。斑塊密度圖4(b)顯示了PD值上升至第8區(qū)的極點(diǎn)后下降，并穩(wěn)定于8個(gè)/hm2。結(jié)合兩圖來看，二者曲線的共同點(diǎn)是距建成區(qū)中心越遠(yuǎn)值越高，在距離中心4.5 km處都有峰值，距中心6～7 km處值趨于穩(wěn)定，說明了景觀破碎度與距建成區(qū)中心的距離在一定范圍內(nèi)成正比，當(dāng)達(dá)到極值后景觀破碎度趨于常數(shù)。

邊界密度圖4(c)中，曲線的“V”字型變化集中于第5至第7區(qū)，但整體上曲線圍繞ED=54 m/hm2上下波動(dòng)，反映了景觀整體的復(fù)雜程度較高，各緩沖區(qū)之間變化不大。

景觀形狀指數(shù)圖4(d)反映了斑塊邊界形狀的復(fù)雜程度與距市中心的距離成正比。

平均斑塊面積圖4(e)中，MPS在距離市中心3.5 km范圍內(nèi)基本高于11 hm2，在第6區(qū)至第10區(qū)之間經(jīng)歷了一個(gè)小的“U”型彎后，其值趨于12 hm2并保持穩(wěn)定。說明了建成區(qū)的景觀集中度高，建成區(qū)邊緣景觀破碎度強(qiáng)，但進(jìn)一步向農(nóng)村地區(qū)過渡時(shí)景觀的集中度重新上升并趨于穩(wěn)定。

面積—周長分維數(shù)圖4(f)的曲線走勢(shì)與阻尼振動(dòng)曲線類似:曲線在由建成區(qū)中心向周邊過渡時(shí)，振動(dòng)幅度逐漸減弱，并趨于1.2。這反映了建成區(qū)內(nèi)，代表城市化的人工景觀較為規(guī)則，但這種規(guī)則性在一些地段受到了自然、人文因素的制約;在建成區(qū)邊緣，隨著城市擴(kuò)張帶來的城市有序規(guī)劃對(duì)自然斑塊的形狀結(jié)構(gòu)帶來了一定的沖擊，但沖擊力度不如建成區(qū)明顯;到了農(nóng)村地區(qū)，原有的自然斑塊的形狀結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，曲線的波動(dòng)自然趨于穩(wěn)定。

從蔓延度指數(shù)圖4(g)上看，曲線圍繞在70%上下波動(dòng)，說明各緩沖區(qū)均存在連通度很高的優(yōu)勢(shì)斑塊類型。結(jié)合圖3中的景觀面積比例圖可得知，連通度很高的優(yōu)勢(shì)斑塊為居住和農(nóng)業(yè)景觀。

香農(nóng)多樣性指數(shù)圖4(h)中，SHDI與距建成區(qū)中心的距離成正比，說明了距建成區(qū)中心越遠(yuǎn)，斑塊的類型越多，斑塊類型在景觀水平上呈現(xiàn)復(fù)雜化趨勢(shì)分布。

總體而言，從市中心向周邊過渡，斑塊數(shù)量增加，斑塊破碎化程度逐漸升高，斑塊形狀趨于復(fù)雜，景觀多樣性逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)逐漸過渡到了自然景觀，這些指數(shù)的變化也趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)景觀指數(shù)在反映侯馬市各緩沖區(qū)景觀格局的變化特征上具有良好的指示效應(yīng)。從景觀類型上看，在各緩沖區(qū)變化較為明顯的是居住、交通、農(nóng)業(yè)和綠地景觀，這4大景觀構(gòu)成了侯馬市的主體景觀;從景觀水平上看，斑塊數(shù)量、景觀形狀指數(shù)、面積—周長分維數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)在反映侯馬市景觀格局的圈層梯度規(guī)律上表現(xiàn)明顯。

2)從自建成區(qū)市中心向城市邊緣的緩沖區(qū)的景觀變化特征來看，侯馬市景觀格局指數(shù)的圈層梯度變化明顯，說明了利用做緩沖區(qū)的方法提取樣帶在分析北方平原城市具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3)侯馬市的城市化進(jìn)程正處在加速階段，也是人地矛盾尤為尖銳的階段，更需要對(duì)城市擴(kuò)張的空間布局進(jìn)行合理規(guī)劃，以抑制致生物棲息地破碎和生物多樣性減少等一系列生態(tài)退化問題。

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A Gradient Analysis of Urban Landscape Pattern of Houma City

PEI Gang，LIU Yang－jie，WANG Guo－liang
(College of Urban and Environment Sciences，Shanxi Normal University，Linfen 041001，China)

With the support of RS and GIS technology，this paper aims to analyze spatial distribution characteristics of the landscape patterns of Houma City as a case study.The results show that the landscape index can well reflect the changing characteristics of landscape patterns of each buffer zone in the study area.The method of making the buffer zone to extract samples has certain advantages in the analysis of gradient change on circle landscape patterns in plain cities of northern China.This study has certain significance and theoretical reference value for reasonably guiding urban expansion and reducing local ecological degradation caused by urban expansion.

landscape pattern;gradient analysis;buffer zone;Houma City

TP 79

A

1001－070X(2012)04－0163－06

2012－03－04;

2012－05－26

侯馬市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃項(xiàng)目(編號(hào):2011－2030)資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.27

裴 剛(1985－)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘信c區(qū)域規(guī)劃。E－mail:peigang1985@163.com。

(責(zé)任編輯:李 瑜)