基于TM影像的沈陽市城市景觀格局變化分析

李曉謙, 周雷, 孫子程, 宋有濤,2,*

1. 遼寧大學環境學院, 沈陽 110036

2. 中國科學院沈陽應用生態研究所, 沈陽 110016

基于TM影像的沈陽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. 遼寧大學環境學院, 沈陽 110036

2. 中國科學院沈陽應用生態研究所, 沈陽 110016

利用1992年和2013年Landsat TM數據, 在遙感與GIS平臺支持下, 采用景觀格局和梯度分析相結合的方法來分析沈陽市城市化進程中景觀格局變化。研究結果表明, 1992—2013年, 沈陽市城市景觀格局總體變化明顯, 城鎮用地增長 10.97%, 農業用地減少 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, 以斑塊密度為基礎的幾種景觀指數能檢測出城市化梯度和程度不斷向郊區遞減, 在空間上, 呈現出農村-城鄉交錯帶-城市-城鄉交錯帶-農村的變化特征,在時間上, 中心城區的景觀破碎化降低, 城鄉交錯帶景觀破碎化升高。景觀格局變化分析為了解城市化過程中城市形態、結構和生態過程提供依據和參考。

城市化; 景觀格局變化; 梯度分析; 景觀指數; 沈陽市

1 前言

城市作為特殊的土地利用類型, 是人類對自然環境干擾最強烈的地方[1]。城市化研究受到學者們的高度重視, 1923年的同心圓學說、1939年的扇形學說、1945年的多核心學說, 都是地理學家、經濟學家和社會學家對城市化的深入研究[2]。城市化深刻地影響著全球的自然景觀, 從而影響生態系統的可持續發展[3]。例如： 城市擴張所導致的景觀變化有效影響著生物多樣性, 能量流動和物質循環[4-5]。因此, 理解城市化的空間格局及其對生態過程的影響對促進城市的可持續發展、土地利用規劃和城市生態格局建立是非常重要的[6-8]。McDonnell and Pickett提出了用城鄉梯度法來研究城市生態系統[9],這種方法進一步與景觀格局指標相結合[2]。景觀指標和梯度分析被廣泛應用于表征城市化結構且能夠進一步理解城市生態過程[10-11]。基于景觀格局指數的梯度分析是研究城市化進程的有效手段[12-13], 能夠顯示城市樣帶在空間上的分布規律, 被廣泛用于城市-鄉村的空間梯度分析[14-15]。近年來, 很多研究人員對城市景觀格局演變以及所帶來的生態效應研究非常重視, 定量研究景觀格局成為景觀生態學中重要的研究方向[16-17]。

沈陽市從 1992年至今進行快速城鎮化進程, 城鎮建設用地擴張, 影響城市的生態過程, 整個景觀格局發生了變化。穿過市中心延渾南-沈北軸線上的梯度變化明顯。通過分析沈陽市景觀格局在時間和空間上的變化, 了解 20年來城市格局的變化, 為今后深入研究土地利用結構和城市生態管理提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

研究區為遼寧省沈陽市市轄區域, 該區域以平原為主, 渾河為流經市內的主要河流, 沈陽市是東北地區的經濟、文化、交通和商貿中心, 隨著經濟和社會快速發展, 城市建設用地快速擴張, 城市景觀格局也發生了明顯的變化。

2.2 材料準備與處理

以1992年和2013年2幅TM Landsat-5影像作為信息源, 在ERDAS IMAGINE 9.2平臺支持下, 進行幾何校正, 并用沈陽市行政區劃邊界對影像進行切割, 得到研究區域圖像。參照《城市用地分類與規劃地標準》, 在ArcGIS10.1的支持下進行目視解譯和屏幕數字化, 將影像分成水體、道路、城鎮用地、綠地、農業用地這5類土地, 得到 1992和2013年沈陽市土地利用矢量數據, 進而將矢量數據轉換成柵格數據, 用FRAGSTATS3.3進行景觀格局指數分析。沈陽市土地利用圖見圖1。

2.3 研究方法

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

景觀格局指數能夠準確反映景觀格局的相關信息, 是景觀生態學界廣泛使用的一種定量研究方法[20-21]。本文根據研究需要, 選取如下幾種指標, 見表 1。

圖1 1992年和2013年沈陽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Tab. 1 Description of landscape metrics

3 結果與分析

3.1 沈陽市總體景觀變化

從圖2可以看出, 沈陽市以農業用地為優勢景觀, 其次是城鎮用地。1992年, 沈陽市農業用地占總體景觀的74.15%, 城鎮用地占總體景觀的11.76%。而到2013年, 農業用地占總體景觀的比例為64.2%,比1992年下降了9.95個百分點, 城鎮用地由1992年的11.76%增加到2013年的22.73%, 增加了10.97個百分點。水體、道路、綠地所占景觀比例相對較小, 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年來林地景觀面積減少, 但由于城市綠地景觀面積的增加, 導致整個綠地景觀的面積變化幅度不大。綜上可見, 1992年至2013年沈陽市城市化水平顯著提高, 大量農田被開發成城鎮用地, 道路交通日益密集。

從景觀水平上的指數來看(表 2), 2013年沈陽市斑塊密度、邊界密度、Shannon多樣性指數均有所下降, 而蔓延度則有所上升, 平均分維數基本上變化不大。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, 一般來說, 景觀破碎化程度越高,該指標越大。平均分維數意味著斑塊的自相似程度,從一定程度上反映了人類活動對斑塊的影響程度,平均分維數越少, 表示斑塊形狀相似性越小, 形狀越來越不規則。這5個指標從不同方面反映沈陽市景觀格局城市化進程中的變化情況, 從1992年到2013年, 斑塊密度、邊界密度較少, Shannon多樣性指數減少, 蔓延度升高, 反映了20年來沈陽市整體景觀破碎化程度成下降趨勢。

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

表2 1992和2013年沈陽市景觀水平格局指數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

通過類型水平指數和景觀水平指數來分析沈陽市城區樣帶梯度的景觀組成和結構, 探討景觀格局和城市化的關系。

從類型水平上來看, 選取城鎮用地和農業用地這兩個主要景觀的景觀面積和斑塊密度這兩個指數,來分析它們在時間和空間上的變化。由圖3可以看出,農業用地的面積基本上隨著與市中心距離的增加而上升, 而城鎮用地則相反。除了距市中心較近的區域(-3 km到3 km), 由于綠地和道路景觀的增加, 城鎮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距中心3 km之間, 農業用地面積很小, 而在小于-3 km和大于3 km處農業用地大幅增加, 2013年, 距市中心-6 km和9 km之間農業用地面積很小, 小于-6 km和大于9 km農業用地大幅增加, 農業用地的變化體現出沈陽市城市化不斷向南北兩側郊區推移的過程。從市中心延樣帶向南北兩側城鎮用地斑塊密度表現為先上升后下降, -6 km到6 km的區域, 雖然由于道路的切割使得城鎮用地較為破碎化, 但是毗鄰景觀的相似程度很高, 斑塊面積大而集中, 使得該區域斑塊密度2013年反而低于1992年。農業用地斑塊密度在距市中心較遠的郊區斑塊密度大幅度上升, 1992年農業用地斑塊密度最大值出現在-9和9 km處, 而2013年則出現在-12和12 km處, 同樣反映出城市化不斷向郊區推移的過程。由類型水平分析可以看出, 由中心城區到郊區景觀組成由以城鎮用地為主轉變成以農業用地為主。

圖4為延樣帶西北-東南方向13個樣方景觀水平上的指數變化。各指數的變化反映出不同城市化地區景觀格局的不同。從圖中可以看出, 沈陽市自市中心向南北兩側大致形成了城市-城鄉交錯帶-農村的景觀梯度帶。景觀斑塊密度自市中心向南北兩側表現為先變大后變小的趨勢, 城鄉交錯帶大于市中心, 這是由于雖然城市中心地帶景觀破碎化較高,但城鎮用地斑塊占主導地位, 比鄰城鎮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域, 景觀斑塊密度、邊界密度、Shannon多樣性指數呈下降趨勢, 平均分維數、蔓延度呈上升趨勢, 說明市中心城市斑塊變得聚合, 多樣性下降。而在城鄉交錯帶, 景觀類型增多, 各類景觀區分性較好, 反映出較好的破碎化現象。在農業區, 農業用地占主導地位, 比鄰農業用地因相似度較高而形成較大的斑塊, 所以農業區的斑塊密度也相對較低。1992年斑塊密度峰值出現在-6 km和9 km的位置, 而2013年斑塊密度峰值出現在-9 km和12 km的位置, 由此可見, 沈陽市的城市化進程不斷向郊區推移, 南北兩側的推移速度大致相同, 峰值的變化在其他景觀指標中也得到了相應的體現。

圖3 1992和2013年沈陽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 結論

沈陽市土地利用20年來發生了較大的變化, 城鎮用地增長10.97%, 農業用地則減少9.95%, 水體、道路、綠地均有小幅的增長。空間上, 自市中心向南北兩側呈現出城市-城鄉交錯帶-農村的變化特征。從1992年到2013年, 景觀斑塊密度、邊界密度、多樣性指數下降, 而蔓延度則升高, 總體上景觀破碎化成下降趨勢。

在所選取的優化樣帶上景觀梯度變化明顯, 能夠充分體現城市化擴張所帶來的景觀格局的變化。具體表現為： 城鎮用地多樣性低、斑塊較大、聚集程度高; 城鄉交錯帶中城鎮用地和農業用地面積比例相差較小, 景觀類型復雜, 景觀破碎化明顯, 多樣性高, 聚合度低; 農業用地反映出和城鎮用地相一致的趨勢。

城鎮化使城市綠地景觀特別是主城區綠地面積增加。研究表明, 城市景觀中綠地斑塊平均面積越大、破碎度指數越低, 其對大氣污染凈化的作用越大[22]。城市中綠地的空間分布對改善城市大氣污染,尤其是城市固體顆粒物濃度、空氣環境質量方面均有較好效果[23]。城市綠地景觀在改善城市環境質量、提高人居環境舒適度方面起到了重要作用。同時,農村城鎮化能減少農業水土資源流失、草原過度放牧等問題, 實現人口、資源與環境的良性循環, 實現經濟可持續發展。

但隨著社會經濟發展、人口急劇增長和城市擴張, 生態用地在不斷流失[23], 大面積農田轉化為城鎮用地造成景觀破碎化, 導致景觀連接度降低, 阻礙物質、能量的自然流通, 從而影響生物多樣性[24],表現為人工外來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城市擴張對農田生態系統中土壤動物的影響, 他們發現在農田受人為干擾最為強烈的城鄉交錯帶上, 土壤動物個體數量最少,物種多樣性最低[25]。城市化還會導致熱島效應, 大氣環境、水環境的惡化, 生態用地流失和區域生態環境惡化等諸多問題。經過多年治理, 目前蒲河沈北段水質已達國家Ⅲ類標準, 而遼河和渾河沈陽段水質質量較過去也有明顯好轉, Ⅴ類和劣Ⅴ類水體減少, 但隨著城鎮化的繼續進行, 沈陽市地表水水質狀況依然面臨著嚴峻考驗。協調好城市規劃與生態環境保護變得尤為重要。

景觀格局與梯度分析相結合能充分體現出城市化前沿, 沈陽市城市化水平自市中心不斷向南北郊區延伸, 目前渾南新區已形成大學科技城、沈撫新城、渾南國際新興產業園區等 7大功能區, 沈北新區已形成輝山經濟區、道義經濟區、沈北新城等 8大功能區, 未來沈陽市還將繼續進行南北區域的城市化擴張, 渾南、沈北仍將是今后幾年沈陽市發展較快的區域。在開發土地資源, 進行城鎮化的同時,要協調好建設用地、綠地、耕地、水體之間的關系,不斷優化現有土地利用結構, 充分考慮生物多樣性,確保生態-社會-經濟的和諧統一[26]。

圖4 1992和2013年沈陽市樣帶景觀水平上指數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建設與功能修復技術集成與示范項目(2014ZX07202-011)

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

李曉謙, 周雷, 孫子程, 等. 基于TM影像的沈陽市城市景觀格局變化分析[J]. 生態科學, 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.