李曉謙, 周雷, 孫子程, 宋有濤,2,*

1. 遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 沈陽(yáng) 110036

2. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016

基于TM影像的沈陽(yáng)市城市景觀格局變化分析

李曉謙1, 周雷1, 孫子程1, 宋有濤1,2,*

1. 遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 沈陽(yáng) 110036

2. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016

利用1992年和2013年Landsat TM數(shù)據(jù), 在遙感與GIS平臺(tái)支持下, 采用景觀格局和梯度分析相結(jié)合的方法來(lái)分析沈陽(yáng)市城市化進(jìn)程中景觀格局變化。研究結(jié)果表明, 1992—2013年, 沈陽(yáng)市城市景觀格局總體變化明顯, 城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng) 10.97%, 農(nóng)業(yè)用地減少 9.95%, 水體、道路、綠地變化幅度較小。整體景觀格局破碎化程度有所下降, 斑塊密度、邊界密度、Shannon多樣性均有所下降, 蔓延度升高。在樣帶梯度分析中, 以斑塊密度為基礎(chǔ)的幾種景觀指數(shù)能檢測(cè)出城市化梯度和程度不斷向郊區(qū)遞減, 在空間上, 呈現(xiàn)出農(nóng)村-城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶-城市-城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶-農(nóng)村的變化特征,在時(shí)間上, 中心城區(qū)的景觀破碎化降低, 城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶景觀破碎化升高。景觀格局變化分析為了解城市化過(guò)程中城市形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程提供依據(jù)和參考。

城市化; 景觀格局變化; 梯度分析; 景觀指數(shù); 沈陽(yáng)市

1 前言

城市作為特殊的土地利用類型, 是人類對(duì)自然環(huán)境干擾最強(qiáng)烈的地方[1]。城市化研究受到學(xué)者們的高度重視, 1923年的同心圓學(xué)說(shuō)、1939年的扇形學(xué)說(shuō)、1945年的多核心學(xué)說(shuō), 都是地理學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和社會(huì)學(xué)家對(duì)城市化的深入研究[2]。城市化深刻地影響著全球的自然景觀, 從而影響生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[3]。例如： 城市擴(kuò)張所導(dǎo)致的景觀變化有效影響著生物多樣性, 能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)[4-5]。因此, 理解城市化的空間格局及其對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響對(duì)促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展、土地利用規(guī)劃和城市生態(tài)格局建立是非常重要的[6-8]。McDonnell and Pickett提出了用城鄉(xiāng)梯度法來(lái)研究城市生態(tài)系統(tǒng)[9],這種方法進(jìn)一步與景觀格局指標(biāo)相結(jié)合[2]。景觀指標(biāo)和梯度分析被廣泛應(yīng)用于表征城市化結(jié)構(gòu)且能夠進(jìn)一步理解城市生態(tài)過(guò)程[10-11]?；诰坝^格局指數(shù)的梯度分析是研究城市化進(jìn)程的有效手段[12-13], 能夠顯示城市樣帶在空間上的分布規(guī)律, 被廣泛用于城市-鄉(xiāng)村的空間梯度分析[14-15]。近年來(lái), 很多研究人員對(duì)城市景觀格局演變以及所帶來(lái)的生態(tài)效應(yīng)研究非常重視, 定量研究景觀格局成為景觀生態(tài)學(xué)中重要的研究方向[16-17]。

沈陽(yáng)市從 1992年至今進(jìn)行快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張, 影響城市的生態(tài)過(guò)程, 整個(gè)景觀格局發(fā)生了變化。穿過(guò)市中心延渾南-沈北軸線上的梯度變化明顯。通過(guò)分析沈陽(yáng)市景觀格局在時(shí)間和空間上的變化, 了解 20年來(lái)城市格局的變化, 為今后深入研究土地利用結(jié)構(gòu)和城市生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為遼寧省沈陽(yáng)市市轄區(qū)域, 該區(qū)域以平原為主, 渾河為流經(jīng)市內(nèi)的主要河流, 沈陽(yáng)市是東北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、文化、交通和商貿(mào)中心, 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展, 城市建設(shè)用地快速擴(kuò)張, 城市景觀格局也發(fā)生了明顯的變化。

2.2 材料準(zhǔn)備與處理

以1992年和2013年2幅TM Landsat-5影像作為信息源, 在ERDAS IMAGINE 9.2平臺(tái)支持下, 進(jìn)行幾何校正, 并用沈陽(yáng)市行政區(qū)劃邊界對(duì)影像進(jìn)行切割, 得到研究區(qū)域圖像。參照《城市用地分類與規(guī)劃地標(biāo)準(zhǔn)》, 在ArcGIS10.1的支持下進(jìn)行目視解譯和屏幕數(shù)字化, 將影像分成水體、道路、城鎮(zhèn)用地、綠地、農(nóng)業(yè)用地這5類土地, 得到 1992和2013年沈陽(yáng)市土地利用矢量數(shù)據(jù), 進(jìn)而將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù), 用FRAGSTATS3.3進(jìn)行景觀格局指數(shù)分析。沈陽(yáng)市土地利用圖見(jiàn)圖1。

2.3 研究方法

采用景觀格局分析和梯度分析相結(jié)合的方法,梯度分析近些年被廣泛應(yīng)用與城市景觀格局變化分析[18-19]。延渾南-沈北方向設(shè)立一條貫穿市中心的西北-東南方向長(zhǎng)41 km、寬5 km的矩形樣帶, 分析城鄉(xiāng)梯度上的變化, 采用移動(dòng)窗口法, 延樣帶設(shè)置13個(gè)樣方, 大小為5 km×5 km, 將市中心所在樣方的中心記為0 km點(diǎn), 其他樣方根據(jù)中心到0 km點(diǎn)的距離表示, 向南為正, 向北為負(fù)。

景觀格局指數(shù)能夠準(zhǔn)確反映景觀格局的相關(guān)信息, 是景觀生態(tài)學(xué)界廣泛使用的一種定量研究方法[20-21]。本文根據(jù)研究需要, 選取如下幾種指標(biāo), 見(jiàn)表 1。

圖1 1992年和2013年沈陽(yáng)市土地利用分類及研究樣帶示意Fig. 1 Land use map and studied transect of Shenyang City

表1 景觀格局指數(shù)Tab. 1 Description of landscape metrics

3 結(jié)果與分析

3.1 沈陽(yáng)市總體景觀變化

從圖2可以看出, 沈陽(yáng)市以農(nóng)業(yè)用地為優(yōu)勢(shì)景觀, 其次是城鎮(zhèn)用地。1992年, 沈陽(yáng)市農(nóng)業(yè)用地占總體景觀的74.15%, 城鎮(zhèn)用地占總體景觀的11.76%。而到2013年, 農(nóng)業(yè)用地占總體景觀的比例為64.2%,比1992年下降了9.95個(gè)百分點(diǎn), 城鎮(zhèn)用地由1992年的11.76%增加到2013年的22.73%, 增加了10.97個(gè)百分點(diǎn)。水體、道路、綠地所占景觀比例相對(duì)較小, 1992年到2013年, 水體和道路景觀均有小范圍的增加,而綠地景觀變化幅度也較小, 雖然20年來(lái)林地景觀面積減少, 但由于城市綠地景觀面積的增加, 導(dǎo)致整個(gè)綠地景觀的面積變化幅度不大。綜上可見(jiàn), 1992年至2013年沈陽(yáng)市城市化水平顯著提高, 大量農(nóng)田被開(kāi)發(fā)成城鎮(zhèn)用地, 道路交通日益密集。

從景觀水平上的指數(shù)來(lái)看(表 2), 2013年沈陽(yáng)市斑塊密度、邊界密度、Shannon多樣性指數(shù)均有所下降, 而蔓延度則有所上升, 平均分維數(shù)基本上變化不大。斑塊密度、邊界密度和蔓延度主要反映景觀的破碎化, 斑塊密度、邊界密度越大, 蔓延度越小,則景觀破碎化越高。Shannon多樣性主要反映景觀類型多樣性的大小, 一般來(lái)說(shuō), 景觀破碎化程度越高,該指標(biāo)越大。平均分維數(shù)意味著斑塊的自相似程度,從一定程度上反映了人類活動(dòng)對(duì)斑塊的影響程度,平均分維數(shù)越少, 表示斑塊形狀相似性越小, 形狀越來(lái)越不規(guī)則。這5個(gè)指標(biāo)從不同方面反映沈陽(yáng)市景觀格局城市化進(jìn)程中的變化情況, 從1992年到2013年, 斑塊密度、邊界密度較少, Shannon多樣性指數(shù)減少, 蔓延度升高, 反映了20年來(lái)沈陽(yáng)市整體景觀破碎化程度成下降趨勢(shì)。

圖2 1992年和2013年沈陽(yáng)市景觀類型面積Fig. 2 Areas of landscape types in Shenyang City in 1992 and 2013

表2 1992和2013年沈陽(yáng)市景觀水平格局指數(shù)Tab. 2 Landscape-level indices in Shenyang City in 1992 and 2013

3.2 景觀格局在樣帶上的變化

通過(guò)類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)來(lái)分析沈陽(yáng)市城區(qū)樣帶梯度的景觀組成和結(jié)構(gòu), 探討景觀格局和城市化的關(guān)系。

從類型水平上來(lái)看, 選取城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地這兩個(gè)主要景觀的景觀面積和斑塊密度這兩個(gè)指數(shù),來(lái)分析它們?cè)跁r(shí)間和空間上的變化。由圖3可以看出,農(nóng)業(yè)用地的面積基本上隨著與市中心距離的增加而上升, 而城鎮(zhèn)用地則相反。除了距市中心較近的區(qū)域(-3 km到3 km), 由于綠地和道路景觀的增加, 城鎮(zhèn)用地有小幅度的減少, 基本上隨著與市中心距離的增加而上升。1992年, 從市中心向南北兩側(cè)距中心3 km之間, 農(nóng)業(yè)用地面積很小, 而在小于-3 km和大于3 km處農(nóng)業(yè)用地大幅增加, 2013年, 距市中心-6 km和9 km之間農(nóng)業(yè)用地面積很小, 小于-6 km和大于9 km農(nóng)業(yè)用地大幅增加, 農(nóng)業(yè)用地的變化體現(xiàn)出沈陽(yáng)市城市化不斷向南北兩側(cè)郊區(qū)推移的過(guò)程。從市中心延樣帶向南北兩側(cè)城鎮(zhèn)用地斑塊密度表現(xiàn)為先上升后下降, -6 km到6 km的區(qū)域, 雖然由于道路的切割使得城鎮(zhèn)用地較為破碎化, 但是毗鄰景觀的相似程度很高, 斑塊面積大而集中, 使得該區(qū)域斑塊密度2013年反而低于1992年。農(nóng)業(yè)用地斑塊密度在距市中心較遠(yuǎn)的郊區(qū)斑塊密度大幅度上升, 1992年農(nóng)業(yè)用地斑塊密度最大值出現(xiàn)在-9和9 km處, 而2013年則出現(xiàn)在-12和12 km處, 同樣反映出城市化不斷向郊區(qū)推移的過(guò)程。由類型水平分析可以看出, 由中心城區(qū)到郊區(qū)景觀組成由以城鎮(zhèn)用地為主轉(zhuǎn)變成以農(nóng)業(yè)用地為主。

圖4為延樣帶西北-東南方向13個(gè)樣方景觀水平上的指數(shù)變化。各指數(shù)的變化反映出不同城市化地區(qū)景觀格局的不同。從圖中可以看出, 沈陽(yáng)市自市中心向南北兩側(cè)大致形成了城市-城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶-農(nóng)村的景觀梯度帶。景觀斑塊密度自市中心向南北兩側(cè)表現(xiàn)為先變大后變小的趨勢(shì), 城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶大于市中心, 這是由于雖然城市中心地帶景觀破碎化較高,但城鎮(zhèn)用地斑塊占主導(dǎo)地位, 比鄰城鎮(zhèn)用地斑塊由于相似度較高從而聚合成較大斑塊, 景觀聚集度仍較高。在市中心及距市中心較近區(qū)域, 景觀斑塊密度、邊界密度、Shannon多樣性指數(shù)呈下降趨勢(shì), 平均分維數(shù)、蔓延度呈上升趨勢(shì), 說(shuō)明市中心城市斑塊變得聚合, 多樣性下降。而在城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶, 景觀類型增多, 各類景觀區(qū)分性較好, 反映出較好的破碎化現(xiàn)象。在農(nóng)業(yè)區(qū), 農(nóng)業(yè)用地占主導(dǎo)地位, 比鄰農(nóng)業(yè)用地因相似度較高而形成較大的斑塊, 所以農(nóng)業(yè)區(qū)的斑塊密度也相對(duì)較低。1992年斑塊密度峰值出現(xiàn)在-6 km和9 km的位置, 而2013年斑塊密度峰值出現(xiàn)在-9 km和12 km的位置, 由此可見(jiàn), 沈陽(yáng)市的城市化進(jìn)程不斷向郊區(qū)推移, 南北兩側(cè)的推移速度大致相同, 峰值的變化在其他景觀指標(biāo)中也得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。

圖3 1992和2013年沈陽(yáng)市樣帶梯度上景觀類型Fig. 3 Landscape types along the transect in Shenyang City in 1992 and 2013

4 結(jié)論

沈陽(yáng)市土地利用20年來(lái)發(fā)生了較大的變化, 城鎮(zhèn)用地增長(zhǎng)10.97%, 農(nóng)業(yè)用地則減少9.95%, 水體、道路、綠地均有小幅的增長(zhǎng)。空間上, 自市中心向南北兩側(cè)呈現(xiàn)出城市-城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶-農(nóng)村的變化特征。從1992年到2013年, 景觀斑塊密度、邊界密度、多樣性指數(shù)下降, 而蔓延度則升高, 總體上景觀破碎化成下降趨勢(shì)。

在所選取的優(yōu)化樣帶上景觀梯度變化明顯, 能夠充分體現(xiàn)城市化擴(kuò)張所帶來(lái)的景觀格局的變化。具體表現(xiàn)為： 城鎮(zhèn)用地多樣性低、斑塊較大、聚集程度高; 城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶中城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地面積比例相差較小, 景觀類型復(fù)雜, 景觀破碎化明顯, 多樣性高, 聚合度低; 農(nóng)業(yè)用地反映出和城鎮(zhèn)用地相一致的趨勢(shì)。

城鎮(zhèn)化使城市綠地景觀特別是主城區(qū)綠地面積增加。研究表明, 城市景觀中綠地斑塊平均面積越大、破碎度指數(shù)越低, 其對(duì)大氣污染凈化的作用越大[22]。城市中綠地的空間分布對(duì)改善城市大氣污染,尤其是城市固體顆粒物濃度、空氣環(huán)境質(zhì)量方面均有較好效果[23]。城市綠地景觀在改善城市環(huán)境質(zhì)量、提高人居環(huán)境舒適度方面起到了重要作用。同時(shí),農(nóng)村城鎮(zhèn)化能減少農(nóng)業(yè)水土資源流失、草原過(guò)度放牧等問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)人口、資源與環(huán)境的良性循環(huán), 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口急劇增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張, 生態(tài)用地在不斷流失[23], 大面積農(nóng)田轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)用地造成景觀破碎化, 導(dǎo)致景觀連接度降低, 阻礙物質(zhì)、能量的自然流通, 從而影響生物多樣性[24],表現(xiàn)為人工外來(lái)物種的增加和自然物種的減少。邊振興等人研究了沈北新區(qū)城市擴(kuò)張對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤動(dòng)物的影響, 他們發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田受人為干擾最為強(qiáng)烈的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶上, 土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量最少,物種多樣性最低[25]。城市化還會(huì)導(dǎo)致熱島效應(yīng), 大氣環(huán)境、水環(huán)境的惡化, 生態(tài)用地流失和區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化等諸多問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年治理, 目前蒲河沈北段水質(zhì)已達(dá)國(guó)家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn), 而遼河和渾河沈陽(yáng)段水質(zhì)質(zhì)量較過(guò)去也有明顯好轉(zhuǎn), Ⅴ類和劣Ⅴ類水體減少, 但隨著城鎮(zhèn)化的繼續(xù)進(jìn)行, 沈陽(yáng)市地表水水質(zhì)狀況依然面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。協(xié)調(diào)好城市規(guī)劃與生態(tài)環(huán)境保護(hù)變得尤為重要。

景觀格局與梯度分析相結(jié)合能充分體現(xiàn)出城市化前沿, 沈陽(yáng)市城市化水平自市中心不斷向南北郊區(qū)延伸, 目前渾南新區(qū)已形成大學(xué)科技城、沈撫新城、渾南國(guó)際新興產(chǎn)業(yè)園區(qū)等 7大功能區(qū), 沈北新區(qū)已形成輝山經(jīng)濟(jì)區(qū)、道義經(jīng)濟(jì)區(qū)、沈北新城等 8大功能區(qū), 未來(lái)沈陽(yáng)市還將繼續(xù)進(jìn)行南北區(qū)域的城市化擴(kuò)張, 渾南、沈北仍將是今后幾年沈陽(yáng)市發(fā)展較快的區(qū)域。在開(kāi)發(fā)土地資源, 進(jìn)行城鎮(zhèn)化的同時(shí),要協(xié)調(diào)好建設(shè)用地、綠地、耕地、水體之間的關(guān)系,不斷優(yōu)化現(xiàn)有土地利用結(jié)構(gòu), 充分考慮生物多樣性,確保生態(tài)-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)的和諧統(tǒng)一[26]。

圖4 1992和2013年沈陽(yáng)市樣帶景觀水平上指數(shù)Fig. 4 Landscape-level metrics along the transect in Shenyang City in 1992 and 2013

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Analysis on changes of landscape pattern of Shenyang City assisted by TM images

LI Xiaoqian1, ZHOU Lei1, SUN Zicheng1, SONG Youtao1,2,*
1. School of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, China
2. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

With the aid of remote sensing and GIS platform, landscape metrics combined with gradient analysis was employed to analyze the landscape pattern changes of Shenyang City, based on Landsat TM datasets of 1992 and 2013. The results demonstrated that the overall landscape of the city changed significantly during the years of 1992-2013, with urban land being increased by 10.97% and farm land being decreased by 9.95%. Changes in water surface, roads and green land were small when compared to urban and farm land. The degree of fragmentation of overall landscape pattern declined, patch density, edge density and Shannon diversity declined, and contagion increased. Several landscape indexes based on patch density showed that the gradient and degree declined along with the urban-rural gradient in transect gradient analysis. Spatially, the landscape featured a gradient of rural-urban-rural fringe-urban-urban-rural fringe-rural; and temporally in time, the downtown landscape fragmentation reduced and urban-rural fringe fragmentation increased. Landscape pattern change analysis can provide the basis and reference for understanding urban form, structure and ecological processes in the process of urbanization.

urbanization; change in landscape pattern; gradient analysis; landscape index; Shenyang City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.012

Q149

A

1008-8873(2016)01-079-06

2015-02-06;

2015-03-04

渾河流域沈撫段水生態(tài)建設(shè)與功能修復(fù)技術(shù)集成與示范項(xiàng)目(2014ZX07202-011)

李曉謙(1990—), 男, 遼寧沈陽(yáng)人, 碩士研究生, 主要從事景觀遺傳學(xué)研究, E-mail： lxqian111@163.com*通信作者：宋有濤, 男, 教授, 主要從事景觀生態(tài)和景觀遺傳學(xué)研究, E-mail： ysong@lnu.edu.cn

李曉謙, 周雷, 孫子程, 等. 基于TM影像的沈陽(yáng)市城市景觀格局變化分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 79-84.

LI Xiaoqian, ZHOU Lei, SUN Zicheng, et al. Analysis on changes of landscape pattern of Shenyang City assisted by TM images[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 79-84.