侯馬市景觀格局梯度分析

裴 剛，劉養潔，王國梁

(山西師范大學城市與環境科學學院，臨汾 041001)

侯馬市景觀格局梯度分析

裴 剛，劉養潔，王國梁

(山西師范大學城市與環境科學學院，臨汾 041001)

以侯馬市為例，在RS和GIS技術的支持下，定量分析了侯馬市景觀格局的空間分異特征。結果表明，景觀指數能夠很好地反映研究區各緩沖區景觀格局的變化特征;利用做緩沖區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勢。該項研究對于合理引導城市擴張，以便減小由于城市擴張所引起的當地生態退化問題具有一定的實踐意義和理論參考價值。

景觀格局;梯度分析;緩沖區;侯馬市

0 引言

地域景觀變化主要是農業耕種、基礎設施建設和城市發展等大規模的人類開發活動的結果［1］，已日益成為引起區域景觀變化的關鍵因素［2］。城市在空間范圍的拓展過程，就是自然環境變為人工環境的過程［3］。這一過程與土地利用變化有著極為密切的聯系，而深入分析土地利用格局是了解土地利用變化的基礎。

景觀格局分析是景觀生態學的基礎，其通過描述景觀單元的組合結構特征，對景觀鑲嵌格局進行分析和量化，進而研究格局與過程之間的相互作用與影響［4］。空間梯度是指沿某一方向景觀特征有規律地逐漸變化的空間特征［5］。梯度分析最早應用于植被生態學中研究植被群落的演化和不同環境條件下植被群落的差異［6］。國內外學者利用景觀指數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出不同的梯度變化規律［7－8］。然而，以提取緩沖區的方式作為樣帶設計方法在反映城市景觀格局方面的應用較少。

本文以山西侯馬市為研究對象，通過建立緩沖區的方法，研究侯馬市景觀格局的梯度變化特征。主要任務包括:①利用提取緩沖區的方法分析景觀指數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統計代表城市現代化的人工景觀的比例，結合侯馬市城市化率的指標，分析該市所處的城市化階段，為引導城市用地和空間資源的合理配置，改善侯馬市的生態環境提供科學依據。

1 研究區和數據源概況

侯馬市是山西省南部一座重要的區域性中心城市，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。區境內地形較平坦，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。該區屬暖溫帶大陸性氣候，土地利用類型以耕地、林地和城鄉建設用地為主。侯馬市農業具有明顯的城郊型農業經濟特征，工業以工礦企業為主，交通運輸發達。

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據源，輔以山西省城鄉設計研究院提供的2009年侯馬市土地利用的矢量數據。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據。結合野外實地驗證，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，參照了建設部1991年頒布的國家標準《城市用地分類與規劃建設用地標準》(GBJ137—90)［9］中的城市用地分類體系，結合本文的研究需要，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據轉化為柵格數據，再用Fragstats 3.3軟件計算景觀格局指數。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)、斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)和平均斑塊面積(MPS)進行計算。

緩沖區的景觀梯度分析可分為以下2個部分: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(LPI)、邊界密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)和平均斑塊面積(MPS);②景觀水平的梯度分析，選擇了斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、平均斑塊面積(MPS)、面積—周長分維數(PAFRAC)、蔓延度指數(CONTAG)和香農多樣性指數(SHDI)［10－12］。這些指數的計算方法和生態學意義參見文獻［13］。

2.3 緩沖區的設立

根據劃分的景觀類型，在ArcGIS 9.3軟件的支持下，對研究區設立緩沖區。選定市政府所在地的幾何中心為圓心，首先設立半徑0.5 km的圓形緩沖區作為核心區(圍繞點建立緩沖區產生圓形緩沖區［14］);而后圍繞核心區，以0.5 km 為緩沖距離，向城市外緣方向設立環形緩沖區，并以此類推，共設立14個緩沖區。本文默認核心區為第0緩沖區，向周邊依次為第1區、第2區、…、第13區(圖2)。

圖2 侯馬市景觀類型與緩沖區設置示意圖Fig.2 Landscape types and buffer zones of Houma city

利用ArcToolbox中Clip工具對景觀分類的矢量圖進行剪切，獲取目標矢量圖及相關屬性，并將其轉化為10 m×10 m的柵格數據。以市政府為圓心的核心區所處位置與實際市建成區的幾何中心相符合，對所設立的環形緩沖區進行分析，能夠較好地體現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如表2所示。

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

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

城市化是一個農業人口轉化為非農業人口、農村地域轉化為城市地域的過程［15］。2009年侯馬市城市化率(城鎮人口占總人口的比重)為 55.65%［15］，而從景觀格局的總體特征上看，代表城市現代化的人工景觀(不含農業景觀)所占比例僅為27.46%左右。結合諾瑟姆的城市化發展S型曲線綜合分析以上2個指標可看出侯馬市的城市化進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，如果不能對城市擴張的空間布局進行合理規劃，容易導致生物棲息地破碎和生物多樣性減少等一系列生態退化問題。

3.2 景觀類型的緩沖區梯度分析

研究區景觀類型的緩沖區梯度變化特征如圖3所示。

圖3 景觀類型的緩沖區梯度變化特征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區向第13區，居住景觀逐漸減少，至第8區后趨于平穩，其平穩趨勢可歸因為農村居民點在建成區周邊的均勻離散分布。農業景觀逐漸增多，在第9區達到頂峰后逐漸下降，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區至第12區間有小幅下降，但到第13區比例迅速攀升，充分說明了侯馬市過境交通發達。

在斑塊密度圖3(b)中，居住景觀的PD值逐漸降低，農業和綠地景觀的PD值先升后降，只有交通景觀的PD值呈現“U”型的先降后升態勢。工業景觀在距市中心3 km時才出現，曲線的平穩態勢至第13區時才有小幅上升。

在最大斑塊指數圖3(c)中，居住景觀的指數逐漸降低，這與居住區在建成區集中分布，而農村居民點在建成區周邊離散分布的空間格局有關。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性是該值在第13區上升的原因。農業和綠地景觀指數先升后降，說明在侯馬市建成區周邊圍繞著大片農田，綠地在南部的紫金山地區呈集中分布態勢，但在市邊緣切割的緩沖區存在空白部分，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均呈階梯式下降，說明這2種景觀之間的影響強度隨距離建成區中心距離的增加而降低;只是交通景觀的ED值在第13區再次上升到了36.38 m/hm2的高位，這與市邊緣較發達的交通體系有關。農業景觀指數波動上升和下降說明了農業景觀與代表城市化的交通和居住景觀之間的復雜程度是此消彼長的關系，城市化程度高的地區，代表自然形態的農業景觀的復雜程度低;反之亦然。綠地景觀也說明了上述關系。

在景觀形狀指數圖3(e)中，居住、農業、工業和綠地景觀曲線的走勢反映了隨距建成區中心距離的增加，景觀的形狀變得越來越不規則，同時離散程度增強，但在市邊緣農業和綠地景觀的LSI值有明顯下降。交通景觀曲線走勢的特殊性在于總體上升中存在一個小的波谷(分布于第7至第11區)，其主要原因為建成區北部分布有規則的鐵路用地。水體景觀在各緩沖區的變化差異不大。

從平均斑塊面積圖3(f)上看，居住景觀的曲線在第0區起點較高，上升至第3區達到峰值，而后下降并趨于穩定，說明了居住景觀由趨于集中向逐步均勻分散過渡。農業景觀在建成區周邊大片集中分布，在第9區達到峰值，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區的峰值是由于澮河大片分布于該區形成的。

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

3.3 景觀水平的緩沖區梯度分析

在綜合了7種景觀類型后，進行景觀水平的緩沖區梯度分析，分析結果如圖4所示。

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

從斑塊數量圖4(a)上看，曲線先逐漸上升，在第8區達到164個的峰值后下降，并穩定在150個左右。斑塊密度圖4(b)顯示了PD值上升至第8區的極點后下降，并穩定于8個/hm2。結合兩圖來看，二者曲線的共同點是距建成區中心越遠值越高，在距離中心4.5 km處都有峰值，距中心6～7 km處值趨于穩定，說明了景觀破碎度與距建成區中心的距離在一定范圍內成正比，當達到極值后景觀破碎度趨于常數。

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，但整體上曲線圍繞ED=54 m/hm2上下波動，反映了景觀整體的復雜程度較高，各緩沖區之間變化不大。

景觀形狀指數圖4(d)反映了斑塊邊界形狀的復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范圍內基本高于11 hm2，在第6區至第10區之間經歷了一個小的“U”型彎后，其值趨于12 hm2并保持穩定。說明了建成區的景觀集中度高，建成區邊緣景觀破碎度強，但進一步向農村地區過渡時景觀的集中度重新上升并趨于穩定。

面積—周長分維數圖4(f)的曲線走勢與阻尼振動曲線類似:曲線在由建成區中心向周邊過渡時，振動幅度逐漸減弱，并趨于1.2。這反映了建成區內，代表城市化的人工景觀較為規則，但這種規則性在一些地段受到了自然、人文因素的制約;在建成區邊緣，隨著城市擴張帶來的城市有序規劃對自然斑塊的形狀結構帶來了一定的沖擊，但沖擊力度不如建成區明顯;到了農村地區，原有的自然斑塊的形狀結構是穩定的，曲線的波動自然趨于穩定。

從蔓延度指數圖4(g)上看，曲線圍繞在70%上下波動，說明各緩沖區均存在連通度很高的優勢斑塊類型。結合圖3中的景觀面積比例圖可得知，連通度很高的優勢斑塊為居住和農業景觀。

香農多樣性指數圖4(h)中，SHDI與距建成區中心的距離成正比，說明了距建成區中心越遠，斑塊的類型越多，斑塊類型在景觀水平上呈現復雜化趨勢分布。

總體而言，從市中心向周邊過渡，斑塊數量增加，斑塊破碎化程度逐漸升高，斑塊形狀趨于復雜，景觀多樣性逐漸增強，但當逐漸過渡到了自然景觀，這些指數的變化也趨于穩定。

4 結論

1)景觀指數在反映侯馬市各緩沖區景觀格局的變化特征上具有良好的指示效應。從景觀類型上看，在各緩沖區變化較為明顯的是居住、交通、農業和綠地景觀，這4大景觀構成了侯馬市的主體景觀;從景觀水平上看，斑塊數量、景觀形狀指數、面積—周長分維數和香農多樣性指數在反映侯馬市景觀格局的圈層梯度規律上表現明顯。

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

3)侯馬市的城市化進程正處在加速階段，也是人地矛盾尤為尖銳的階段，更需要對城市擴張的空間布局進行合理規劃，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

侯馬市城鄉總體規劃項目(編號:2011－2030)資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.27

裴 剛(1985－)，男，碩士研究生，主要研究方向為城市與區域規劃。E－mail:peigang1985@163.com。

(責任編輯:李 瑜)