阿娜古麗·麥麥提依明,阿里木江·卡斯木,2,買爾孜亞·吾買爾
(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 830054,烏魯木齊;2.新疆師范大學(xué)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心, 830054,烏魯木齊)
城市景觀是當(dāng)前城市景觀格局研究中最受關(guān)注、最為重要的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一,更是作為地表景觀動態(tài)變化中最快的一個(gè)類型[1]。在研究城市景觀格局時(shí),能夠有效觀測景觀格局指數(shù)空間動態(tài)變化的方法之一就是移動窗口法,它將景觀指數(shù)和相關(guān)環(huán)境因素緊密相連,更好地將城市的景觀格局與其對應(yīng)的社會、自然和經(jīng)濟(jì)過程相互聯(lián)系[2]。
景觀破碎化是指地表景觀由于受到自然或人文因素的干擾和影響,從單一趨向復(fù)雜化的過程,即景觀由簡單、均質(zhì)和連續(xù)的整體,向復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的發(fā)展變化過程[3-5]。在這一過程當(dāng)中,自然因素的影響較小,而社會、經(jīng)濟(jì)活動卻對景觀格局產(chǎn)生十分重大的影響,逐漸成為影響景觀破碎化的主導(dǎo)因素[6-7]。景觀破碎化在不同程度上影響著城市景觀的功能、結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的生態(tài)過程[8]。由于大城市邊緣區(qū)景觀格局存在較為明顯的特征,因此,定量分析區(qū)域景觀破碎化及其空間異質(zhì)性,對大城市邊緣區(qū)景觀格局的作用機(jī)理進(jìn)行深入、具體的探索,為該區(qū)域當(dāng)前存在的生態(tài)問題提供準(zhǔn)確的研究依據(jù)[9-10]。景觀異質(zhì)性主要是指景觀內(nèi)部資源或性狀的時(shí)空變異程度,其產(chǎn)生的原因在于環(huán)境要素的時(shí)空差異,以及自然和人為因素的干擾作用在時(shí)空上的不均勻性,這對于研究一個(gè)城市景觀結(jié)構(gòu)、自然生態(tài)過程和社會經(jīng)濟(jì)活動的相互聯(lián)系,有著至關(guān)重要的社會意義[11-14]。
伴隨烏魯木齊城市化的快速發(fā)展,城市布局問題和用地結(jié)構(gòu)之間的矛盾日益尖銳,在此背景下,對城市景觀格局進(jìn)行深入研究,將會在一定程度上對烏魯木齊城市土地利用的協(xié)調(diào)性和健康可持續(xù)的發(fā)展產(chǎn)生影響[15-18]。當(dāng)前,利用景觀格局指數(shù)來定量分析城市景觀格局的研究相對較多,但是利用移動窗口法對烏魯木齊城市景觀的空間形式表達(dá)研究還較為少見;因此,筆者基于烏魯木齊市1990、2002和2014年3期Landsat遙感影像,對其景觀進(jìn)行分類,采用移動窗口法,實(shí)現(xiàn)景觀指數(shù)的空間化表達(dá),進(jìn)而分析烏魯木齊市建成區(qū)的景觀破碎化在時(shí)空上的分布規(guī)律及其變化特征,尋找該區(qū)域城市發(fā)展與其景觀破碎化之間存在的對應(yīng)關(guān)系,為烏魯木齊市的景觀管理與城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)、合理的參考依據(jù)。
烏魯木齊市(E 86°37′~88°58′,N 42°45′~44°08′),其處于中天山北麓,準(zhǔn)噶爾盆地南緣,市區(qū)三面環(huán)山,地勢呈現(xiàn)西北低、東南高的分布特征,兼具山地城市和平原城市的特點(diǎn)。平均海拔約為800 m,屬于溫帶半干旱陸性氣候,寒暑差異尤為顯著,晝夜溫差也較大,降水稀少,冬季寒冷漫長,并伴有逆溫層出現(xiàn)[19]。 烏魯木齊在區(qū)位、資源、政策和文化等方面占據(jù)著十分顯著的優(yōu)勢;而面對著生態(tài)脆弱的自然環(huán)境,將給烏魯木齊的城市發(fā)展帶來前所未有的新機(jī)遇和巨大挑戰(zhàn)[20-21]。
首先研究所使用的Landsat 數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/),由美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射的 Landsat 陸地衛(wèi)星攜帶的傳感器所獲取,選取1990 年10月18日、2002年10月18日的Landsat TM、ETM+圖像和2014年10月11日的Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù),軌道號142/30,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好(云量低于10%),該產(chǎn)品經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正和地面控制點(diǎn)幾何校正,并且通過 DEM進(jìn)行了地地形校正。其次,在遙感圖像處理軟件ENVI 5.0 的支持下,采用監(jiān)督分類法進(jìn)行分類,獲得3個(gè)時(shí)期烏魯木齊景觀類型空間分布信息。一般在不同地理環(huán)境背景下,對城市景觀的理解與分類有所不同。依據(jù)研究區(qū)的土地覆被的自然屬性和建設(shè)規(guī)劃的特點(diǎn),將11個(gè)土地利用類型合并為建設(shè)用地、水體和未利用地等3個(gè)一級利用單元,以及草地、林地和耕地等3個(gè)二級利用單元(表1)。其中建設(shè)用地、林地、耕地、草地和水體等作為研究的主要景觀類型。景觀類型的總體分類精度分別達(dá)到89.54%、90.41%和91.27%,基本滿足精度要求。
表1 烏魯木齊市土地利用程度分級表Tab.1 Classification grades of land use in Urumqi city
根據(jù)烏魯木齊市在城市發(fā)展和環(huán)境因素等方面的特點(diǎn),合理有效使用移動窗口法手段,對烏魯木齊建成區(qū)景觀破碎化的空間布局和內(nèi)部水平差異進(jìn)行深度的剖析[22]。移動窗口可以從空間上較明確的展現(xiàn)城市景觀格局動態(tài)變化的空間實(shí)現(xiàn)過程,能夠更加深入分析城市土地利用變化狀況,以及由此而引起的城市格局演變。移動窗口方法主要是通過對窗口內(nèi)選中的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì),輸出對應(yīng)所選景觀指數(shù)的新柵格圖。具體步驟為:1)對烏魯木齊市土地利用現(xiàn)狀矢量圖進(jìn)行緩沖區(qū)分析,緩沖區(qū)大小為500 m,其與移動窗口大小相等;2)將第1步驟操作后的的矢量圖轉(zhuǎn)換為柵格圖層;3)對第2步驟后的柵格圖層分別從景觀水平和類型水平進(jìn)行移動窗口分析,得到相應(yīng)的景觀指標(biāo)柵格圖。
結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論和研究區(qū)的總體景觀格局特征,選取斑塊密度(PD,即單位面積的斑塊數(shù)目,反映景觀破碎程度)、最大斑塊指數(shù)(LPI ,該數(shù)值決定景觀中的優(yōu)勢種、內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征)、斑塊個(gè)數(shù)(NP,即反映整個(gè)景觀的異質(zhì)性,NP數(shù)值的大小與景觀的破碎度基本呈正相關(guān))、景觀分離度指數(shù)(DIV,指某一景觀類型中不同斑塊個(gè)體分布的分離程度)、Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI、SHEI,即反映景觀組分類型的多度和異質(zhì)性信息)、斑塊類型面積(CA,該值的大小制約著聚居地物種的豐度、數(shù)量、食物鏈及其次生種的繁殖等),以及景觀面積(TA,是計(jì)算其他指標(biāo)的基礎(chǔ),決定景觀的范圍,以及研究和分析的最大尺度)等指數(shù),進(jìn)行景觀格局分析[23]。
研究分析區(qū)域內(nèi)不同土地類型的景觀格局分布和變化,并探究各景觀類型的演變規(guī)律和特點(diǎn),反映出該城市內(nèi)整體景觀格局變化的特點(diǎn)及規(guī)律[24]。由圖1和表2可知:1990年烏魯木齊市城市建設(shè)用地總面積約為67.15 km2,2014年城市建設(shè)用地面積有明顯的增加趨勢,其面積為295.91 km2;1990年研究區(qū)森林總面積為87.61 km2,2014年森林面積增加至179.81 km2;1990年研究區(qū)草地總面積為40.41 km2,2014年的面積增加為88.07 km2;烏魯木齊市1990年的水域面積為5.67 km2,2014年水域面積增加為7.24 km2,但在城市總面積中僅占到0.47%。研究區(qū)1990年耕地總面積約為278.94 km2,到2014年耕地總面積則成持續(xù)減少的趨勢,其面積僅為210.34 km2。
圖1 1990、2002、2014年烏魯木齊市建成區(qū)景觀類型分布圖Fig.1 Distribution map of landscape type in Urumqi city in 1990, 2002, and 2014
用地類型Landusetype199020022014面積Area/km2比例Proportion/%面積Area/km2比例Proportion/%面積Area/km2比例Proportion/%建設(shè)用地Constructionland67.154.36171.1711.11295.9119.19草地Grassland40.412.6222.781.4888.075.714林地Forestland87.615.6890.845.89179.8111.67耕地Farmland278.9418.1269.1317.46210.3413.65水域Water5.670.377.090.467.240.47未利用地Unusedland1061.4868.87980.2563.61759.8949.30
基于ArcGIS軟件,獲得烏魯木齊市建成區(qū)1990—2002 年與2002—2014年2個(gè)時(shí)段的景觀類型轉(zhuǎn)化圖(圖2)。由圖2可知,近25年研究區(qū)景觀類型的變化,主要體現(xiàn)在景觀面積和各景觀類型2者之間的相互轉(zhuǎn)換上,并且有著較為顯著的空間變化和在時(shí)間上的階段性。在1990—2002年期間,烏魯木齊建成區(qū)中的景觀類型變化是以耕地、未利用地和建設(shè)用地的顯著變化為主要來源。其中:土地利用類型中耕地面積的減少,主要分布在城市的邊緣地帶;建設(shè)用地的快速擴(kuò)張,主要體現(xiàn)在對未利用地的開發(fā)和耕地的占用。而在2002—2014 年期間,各景觀類型變化主要來源于城市中耕地、建設(shè)用地和未利用地三者之間的相互轉(zhuǎn)換和增減狀況。
圖2 烏魯木齊市建成區(qū)景觀類型轉(zhuǎn)移空間分布圖Fig.2 Spatial transitional map of landscape types in Urumqi city
從表3可知:1990—2014年間烏魯木齊市景觀格局發(fā)生了明顯變化。1990—2002年間NP逐漸增加,由1萬8 320個(gè)增加為3萬1 968個(gè);PD在增加,由11.886 3個(gè)/km2增加到20.741 4 個(gè)/km2;LPI顯著減少,由66.428 2%減少為58.345 9%;SHDI在增加,由0.981 8增加到1.090 6;SHEI增加量較少,由0.548 0增加到0.608 7;DIV顯著增加,由0.547 2增加到0.634 8。由此說明烏魯木齊市在城市化進(jìn)程和發(fā)展中,人類活動這一因素的影響干擾較為強(qiáng)烈,景觀破碎化程度呈現(xiàn)不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢,優(yōu)勢度則有所降低,而異質(zhì)性會隨之呈持續(xù)增強(qiáng)狀態(tài) 。在2002—2014年間,NP持續(xù)增加,由31 968個(gè)增加為53 103個(gè);PD也是繼續(xù)增加,由20.741 4個(gè)/km2增加到34.454 0個(gè)/km2;LPI大幅度減少,由58.345 9%減少到31.242 8%;SHDI大幅度增大,由1.090 6增加到1.376 7;SHEI明顯增加,由0.608 7增加到0.768 4;DIV大幅度增加,由0.634 8增加到0.863 5。說明烏魯木齊城市化進(jìn)程不斷加快速度,景觀破碎化程度不斷增強(qiáng),優(yōu)勢度呈現(xiàn)降低趨勢,異質(zhì)性也隨之增強(qiáng)。2002—2014年間各指標(biāo)的變化幅度均大于1990—2002年;因此,2002—2014年間城市化進(jìn)程更快,人類活動這一因素的影響較為強(qiáng)烈,景觀破碎化程度進(jìn)一步加劇,景觀類型朝著多樣化的方向發(fā)展。
表3 烏魯木齊市建成區(qū)景觀格局指標(biāo)動態(tài)變化Tab.3 Dynamic changes of landscape metrics in Urumqi city
注:TA:景觀面積;NP:斑塊個(gè)數(shù);PD:斑塊密度;LPI:最大斑塊指數(shù);DIV:景觀分裂指數(shù);SHDI:香農(nóng)多樣性指數(shù);SHEI:香農(nóng)均勻度指數(shù). 以下類同。Notes:TA:Total area. NP:Number of patches. PD:Patch density. LPI: Largest patch index. DIV:Division index. SHDI: Shannon’s diversity index. SHEI:Shannon’s evenness index. The same below.
從圖3可知:烏魯木齊城市景觀指數(shù)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。1990年,NP和PD的高值出現(xiàn)在人類活動影響強(qiáng)烈的城市和郊區(qū)的交錯(cuò)地帶;LPI高值出現(xiàn)在城市東南部和西南部,因?yàn)檫@些區(qū)域是未利用集中的主要區(qū)域;DIV、SHDI和SHEI的高值都分布在土地利用類型多樣的城市和郊區(qū)的交錯(cuò)地帶,以及城市建城區(qū)。2002年,NP和PD的高值還是出現(xiàn)在城市和郊區(qū)的交錯(cuò)地帶,不過與1990年相比,出現(xiàn)的區(qū)域值大小都不一樣,2002年的NP和PD高值分布區(qū)域逐漸向外移動,表明城市建城區(qū)已經(jīng)向外擴(kuò)張,建城區(qū)面積增大;LPI高值出現(xiàn)在城市東南部和西南部,因?yàn)檫@些區(qū)域是未利用主要集中的區(qū)域;DIV、SHDI和SHEI的高值都分布于交錯(cuò)地帶,與1990年相比,指數(shù)值有所增加,說明人類活動的影響進(jìn)一步增強(qiáng);NP、PD、LPI、DIV、SHDI和SHEI指數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,而且在交錯(cuò)地帶出現(xiàn)高值。LPI值逐漸減少,出現(xiàn)的區(qū)域也逐漸縮小,說明城市向外擴(kuò)展,城市邊緣區(qū)域破碎化程度和異質(zhì)性增大,人類活動的影響逐漸增強(qiáng)。2002年烏魯木齊建成區(qū)向外擴(kuò)展速度有顯著加快的發(fā)展趨勢,城市化水平有了進(jìn)一步的提高。
2014年,NP和PD高值比較集中的出現(xiàn)在城市建城區(qū)內(nèi)部,說明此區(qū)域受到人類活動的影響較強(qiáng)烈,城市內(nèi)部區(qū)域破碎化程度增大,是因?yàn)槌鞘刑幱趦?nèi)部填充式發(fā)展階段;LPI高值仍然出現(xiàn)城市東南部和西南部,但是范圍和極值減小,說明城市中的未利用地被進(jìn)一步的開發(fā)和利用,由此建成區(qū)出現(xiàn)不斷地向外擴(kuò)張趨勢;DIV、SHDI、SHEI高值出現(xiàn)在建城區(qū),與2002年相比,范圍和值都增大,說明景觀破碎化程度和異質(zhì)性進(jìn)一步增大;NP、PD、LPI、DIV、SHDI和SHEI在城市內(nèi)部呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,而且向郊區(qū)移動,在城市內(nèi)部和城市郊外交錯(cuò)帶出現(xiàn)高值;LPI指數(shù)范圍和極值減小,說明建設(shè)用地面積增加,烏魯木齊建成區(qū)、邊緣區(qū)破碎化程度呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢,人類活動影響不斷增強(qiáng)。2014年烏魯木齊建成區(qū)向外迅速擴(kuò)展,城市化水平有所提高,城市處于高速發(fā)展的時(shí)期。
筆者利用景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論,對烏魯木齊市建成區(qū)1990—2014年城市景觀格局的分布與演變,進(jìn)行定量分析和探究,由此得出以下結(jié)論。
1)在1990—2014年期間,烏魯木齊城市中未利用地和建設(shè)用地2種景觀類型的變化速率最快,其面積變化最為顯著。這反映出在近25年期間,烏魯木齊市在不斷發(fā)展的同時(shí),城市化進(jìn)程也在不斷加快,尤為顯著的是在2002—2014年期間,建設(shè)用地面積呈現(xiàn)急劇增加的發(fā)展趨勢。
圖3 1990—2014年烏魯木齊市建成區(qū)景觀指數(shù)密度空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of landscape metrics density in Urumqi city during 1990—2014
2)烏魯木齊城市化進(jìn)程不斷加快,景觀破碎化程度進(jìn)一步增強(qiáng),優(yōu)勢度有所降低,異質(zhì)性呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢。2002—2014年間的變化幅度均大于1990—2002年,可以得出,2002—2014年間城市化進(jìn)程更快,人類活動這一影響因素對其產(chǎn)生的影響作用更為強(qiáng)烈和顯著,景觀破碎化程度在呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢,景觀類型向著多樣化的方向不斷發(fā)展。
3) 1990年這一時(shí)期,城市內(nèi)部破碎化程度和異質(zhì)性都比較低,城市正處于發(fā)展階段,城市化水平較低。在2002年這一時(shí)期,烏魯木齊城市向外擴(kuò)展的速度呈現(xiàn)顯著的增大趨勢,城市化水平進(jìn)一步的提高。而在2014年這一時(shí)期,烏魯木齊城市向外擴(kuò)展的速度依然不斷增加,城市化水平較之前有所提高,城市正處在高速發(fā)展時(shí)期。
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