大慶市景觀格局變化梯度分析

楊 昕，王俊杰

(1.哈爾濱石油學院，黑龍江哈爾濱 150028；2.黑龍江科技大學，黑龍江哈爾濱 150022；3. 黑龍江省普通高等學校地理環境遙感監測重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150025)

大慶市景觀格局變化梯度分析

楊 昕1,3，王俊杰2

(1.哈爾濱石油學院，黑龍江哈爾濱 150028；2.黑龍江科技大學，黑龍江哈爾濱 150022；3. 黑龍江省普通高等學校地理環境遙感監測重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150025)

定量分析地區景觀格局梯度變化的內在規律，對于監測和評價快速城市化過程的生態后果有著重要的現實意義。運用RS和GIS技術，基于大慶市1996、2001和2005年的TM和ETM+遙感影像，獲得3個時期的景觀類型圖，選取西北向東南60 km長5 km寬和東北向西南105 km長 和5 km寬的兩條樣帶，應用移動窗口計算了相應的景觀指數。結果表明，城市空間格局的多項景觀指數可準確、定量地指示研究區兩條發展軸線上10年來城市化的景觀梯度時空分異特征，有助于理解城市形態的內在發展過程。

景觀格局；景觀指數；梯度分析；資源型城市

資源型城市是在開發利用能源、礦產資源基礎上興起的，以消費一定數量的自然資源賴以生存發展起來的特殊城市類型，具有強烈的資源指向性。資源型城市也是人地關系作用最強烈的區域，在發展過程中普遍存在著資源危機、經濟危困和生態危機等問題，嚴重制約著城市的轉型和可持續發展[1-3]。城市化引起的生態環境問題和城市景觀演變一直是地理學家、生態學家、城市規劃學家、環境學家和社會學家等研究的焦點[4]。景觀生態學研究的關鍵是空間異質性，而空間異質性研究中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]。近些年一些學者為此進行了有益的嘗試，將梯度分析與景觀格局指數相結合，來研究城市化與生態系統、土地利用變化和景觀格局之間的關系[6-16]，但此類研究在資源型城市中很少見。因此，運用遙感、GIS等空間分析等先進手段，通過定量分析大慶市景觀格局的時空梯度變化，揭示其景觀格局時空變化規律，為資源型城市可持續發展和生態環境保護提供科學的決策依據。

1 研究區域概況

大慶市位于124°19′～125°12′ E，45°46′～46°55 N，土地總面積5 107 km2，濱洲鐵路從市中心穿過，濱洲線、讓通線在市內交會，轄薩爾圖、龍鳳、讓胡路、紅崗、大同5區，是我國最重要的石油生產基地之一。屬中溫帶大陸性半干旱、半濕潤季風氣候區，多年平均降水量均在400～450 mm，夏季降水量占全年降水量的70.0%～72.3%。研究區特有的氣候條件、光熱條件、水資源條件、土壤條件、地質地貌條件以及人類活動影響，常有干旱、洪澇、低溫冷害和霜凍害、大風和沙塵暴等自然災害，是生態環境脆弱區。隨著哈大齊工業走廊的進一步開發建設，大慶市的土壤鹽堿化、沙化、濕地萎縮、植被退化等生態環境問題日益突出，該地區土地生態安全正遭到嚴重的威脅。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源文中1996年、2001年和2005年3個時期的城市景觀類型數據(圖1)來源于相應年份的TM和ETM+遙感影像[3,17]。城市景觀類型的劃分是基于國家標準《城市用地分類與規劃建設用地標準》(GBJ137-90)，并結合大慶市土地利用特征重新分類，共分居住及工礦用地(A)、道路用地(B)、水域(C)、耕地(D)、林地(E)、牧草地(F)和其他用地(G)7類。以人口比例指標來確定大慶市區的城市化強度(表1)。

2.2 研究區樣帶的選取依據大慶市城市化強度的空間梯度，選取具有代表性的兩條樣帶[6,14-16]，即西北-東南向的A樣帶和東北-西南向的B樣帶(圖2)。A樣帶自西北向東南沿橫向鐵路穿過讓胡路、薩爾圖、龍鳳3個區，樣帶長60 km，寬5 km。在此樣帶上設立一5 km×5 km的移動窗口[6,14-16]，沿著樣帶由西北向東南每移動2.5 km，取樣一次，窗口依次編號a1～a23。B樣帶自東北向西南貫通薩爾圖、紅崗、大同3個區，樣帶長105 km，寬5 km，沿著樣帶由西北向東南依次取樣，窗口編號b1～b41。

2.3 景觀格局指數的選取文中采用景觀指數分析方法，對研究區城市化的空間格局特征進行分析。采用的代表性指數有斑塊密度(PD)、斑塊形狀指數(LSI)、最大斑塊指數(LPI)、Shannon多樣性指數(SHDI)等[18]。

表1 大慶市區人口數

注：資料來源于1997、2002、2006年大慶統計年鑒。

3 結果分析

3.1 大慶市景觀格局總體變化特征1996年、2001年、2005年3個時段城市景觀圖(圖1)顯示的總體特征是，耕地占據主體地位并呈逐年上漲的趨勢(圖3a)，牧草地和其他用地也占有較高比例，分別為20%和22%，其他用地占較高比例的主要原因是土地沙化、鹽堿化嚴重。其余類型的面積比例都不超過10%，林地面積變化雖然不明顯，卻是逐年增加的，這與大慶市近年來開展的大規模的植樹造林活動是分不開的。

由圖3可知，大慶市平均斑塊密度(圖3b)為0.06個/km2，居住及工礦用地(A)的斑塊密度最大，接近0.12個/km2，2005年較前兩個時段增長幅度大，這是隨著油氣的不斷發現和開采，油田等工礦用地規模不斷增大，工業化城市化的必然結果。牧草地、其他用地和水域的斑塊密度比較接近，約為0.06個/km2，而斑塊密度最小的是道路用地，其邊界密度(圖3c)也是最小，僅為0.3 m/km2。整個大慶市除道路用地以外的其他景觀類型的邊界密度可分為兩個層次，耕地、牧草地和其他用地居高，居住及工礦用地、水域和林地次之。3個時段相比較居住及工礦用地的邊界密度增長幅度最大。總體面積上占優的耕地在平均斑塊面積(圖3d)上具有著同樣的優勢，3個時段均處于8～10 km2之間，而其余類型的平均斑塊面積都遠遠低于耕地，介于0.4～4.2 km2不等。

3.2 景觀指數沿樣帶變化的梯度性兩條樣帶上3個時段的變化趨勢基本相同，且多項景觀指標沿樣帶都表現出明顯的梯度性：由低城市化區域向高城市化區域推進的過程中，景觀的破碎化程度逐漸上升，斑塊的形狀更加狹長，邊界也趨向復雜，斑塊面積減小且趨于平均化，表現出人類活動影響較大的景觀所具有的特征。

3.2.1景觀破碎度分析。由圖4(a)看出：時間尺度上指數的變化表現出相同的趨勢，斑塊密度(PD)沿A樣帶在高城市化區域薩爾圖區指數出現一個極大值，而隨著距市中心距離的增加，指數呈下降趨勢，一段距離后左右兩側又分別呈上升趨勢后又下降，這是因為位居薩爾圖區東西兩側的讓胡路區與龍鳳區的城市化水平與薩爾圖區接近，指數均高于其周邊地區，表現出明顯的梯度性。高值分別出現在窗口編號a16(薩爾圖區)，a5(讓胡路區)，a20(龍鳳區)，且樣帶西北端的指數值略高于東南端。

圖5(a)可知樣帶變化比較復雜且有多個峰值和低谷，這主要是因為沿B樣帶的3個不同城市化強度區域(薩爾圖、紅崗、大同)城市化強度變化幅度大，在紅崗和大同兩個區城市化水平較低，所以指數的變化幅度較小，梯度性沒有A樣帶那么明顯。峰值出現在市中心(b11)附近，時間尺度上窗口編號b25～b27 2001年和2005年的指數明顯低于1996年，原因是1996年大片的牧草地轉化為林地，窗口內斑塊類型減少趨于單一，這與大慶開展的大規模的植樹造林活動是分不開的，并經歷了以“隱蔽油田、防風固沙”為主的零星植樹期到“工程造林、規模推進”的發展階段。由于大同區城市化水平最低，導致在b21～b41上下不斷起伏，變化幅度很小。指標的變化表現不出明顯的梯度性。

3.2.2景觀優勢度分析。最大斑塊指數(LPI)在一定程度上能夠間接反映出景觀優勢度。由圖4(b)、圖5(b)可知，LPI表現出中間低、兩邊先升高再降低的特點，在a16附近形成一個“W”字型曲線，在城市區(窗口編號為a11～a17，a5，a20，b11，b24，b36)LPI普遍較低，隨著距城市距離的增加LPI升高，即窗口內最大的斑塊面積占整個窗口面積的1/3；而樣帶兩端窗口內的最大斑塊都占據了整個窗口面積的50%以上，相對面積較小的窗口使農業斑塊被切割，這也從側面表明了斑塊在面積上的差異更為明顯。由于a8和b18內耕地占據了整個窗口的絕大部分且景觀類型少，從而在此處分別形成兩個樣帶的峰值。

3.2.3景觀形狀指數分析。由圖4(c)和圖5(c)可知， LSI峰值出現在市中心附近a16，b11，說明離市中心越近斑塊形狀越趨于復雜化。其余幾個高值也都是出現在城市區域，只不過LSI的較市中心低些，表現出城市化水平的與該指數之間存在一定的相關性；在時間尺度上，斑塊形狀指數和分維數的變化幅度較A樣帶大，但仍然表現出沒有一定的規律性，這種差異的幅度增大了，且峰值出現在b26，2005年其形狀指數為3.94，分維數為1.16，更加突出了斑塊之間規則性的差異。

3.2.4景觀多樣性分析。圖4(d)為了衡量斑塊種類沿樣帶的變化特征，選取多樣性指數(SHDI)進行分析，3個指標中后兩者的變化特征基本一致，斑塊豐富度密度略有不同。多樣性指數在3個不同城市化強度區域內表現出明顯的梯度性，整體看上去像是一個波浪狀，表明在各個區的中心區附近景觀類型多樣；反之亦然，類型單一的景觀中其面積分布也較為集中。

與A樣帶相比，圖5(d)更加復雜，且沒有一定的規律性。由于中心城區被大量的居住用地和道路所占據，使得開發活動最為活躍的各區域交錯帶具有較大的景觀異質性和景觀多樣性，但是這種景觀多樣性有別于生態學上傳統的多樣性，它只能表示人類對地利用方式的多樣化，并不表明系統具有更大的穩定性。

4 結論

(1)研究的梯度分析是沿大慶市區內5個子區不同的城市化強度進行的，3個時段的總體變化趨勢基本相同，但B樣帶表現的梯度性沒有A樣帶明顯，原因是沿B樣帶的3個不同城市化強度區域(薩爾圖、紅崗、大同)的城市化水平比沿A樣帶的3個不同城市化強度區域(讓胡路、薩爾圖、龍鳳)變化幅度大，但在各區內景觀上的差別反而小，所以指數的變化幅度較小。

(2)研究結果顯示出大慶市景觀格局在斑塊密度、形狀指數、聚集度和多樣性指數等多項指標都表現出了明顯的規律性，居住及工礦用地沿自西北—東南和自東北—西南兩樣帶都顯示了在城市中心達到峰值，在離開中心一段距離時又出現較高值的梯度特征(資源型城市獨有的特點)，而農業用地則顯示了不同的、多峰值的梯度特征。

(3)大慶市景觀特征是多種因素綜合作用的結果。距離城市中心的距離，沿兩樣帶可以識別出不同城市化強度的區域，高城市化區域不僅表現出了高度的景觀破碎化和空間復雜性，而且也擁有較高的景觀多樣性與分離度；道路加速城市中能流物流的同時，對其他斑塊類型卻表現出強大的阻隔和破碎作用，體現在景觀斑塊密度的上升和聚集度的下降。

因而，景觀格局梯度分析可用來比較城市不同時間、空間的動態變化情況，有助于理解形成城市形態的各種內在過程。

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Research on the Landscape Pattern Change of Daqing City

YANG Xin1,3, WANG Jun-jie2

(1. Harbin Institute of Petroleum, Harbin, Heilongjiang 150028; 2. Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin, Heilongjiang 150022; 3. Heilongjiang Colleges Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment, Harbin, Heilongjiang 150025)

The inherent law of landscape pattern gradient change in the region was quantitatively analyzed; the result offers an important basis for monitoring and evaluating the ecological consequences of rapid urbanization process. Using the landsat TM and ETM+data of Daqing in 1996, 2001 and 2005 to get three landscape type maps and choose the northwest to the southeast of 60 km long and 5 km width, and the northeast to southwest 105 kilometers long and 5 km wide two kind of belt, the landscape metrics was calculated by moving windows. The result revealed that landscape index of urban spatial pattern could accurately and quantitatively indicate temporal and space differentiation characteristics of landscape gradient on two urbanization development axis during 10a in the study area and provided the insight to understand the inner development process of urban form.

Landscape pattern; Landscape metrics; Gradient analysis; Resource-based cities

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(11553015)。

楊昕(1980-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，從事“3S”技術與生態環境效應研究。

2015-03-13

S 127;P 98

A

0517-6611(2015)13-128-04