基于GIS和Fragstats的城市綠地景觀格局動態變化研究

其格樂很 何秉宇 黃玲

摘要 選取烏魯木齊市中心城區（天山區、沙依巴克區、水磨溝區、高新區）為研究靶區，以2008、2013、2017年的Landsat遙感影像為數據源，運用Envi、ArcGIS以及Fragstats景觀格局分析軟件，對2008—2017年研究區生態類型格局面積變化及轉移矩陣進行分析，并選取7個景觀特征指標，即綠地斑塊面積、斑塊個數、斑塊密度、平均斑塊面積、斑塊形狀指數、斑塊類型占景觀面積比例、斑塊聚集度，進行了定性與定量分析。結果表明：城市綠地景觀轉入量主要來自裸地及農田，綠地面積從2008年的90.38 km2增加至113.34 km2，2017年綠地面積相較2013年增加了22.96 km2，面積所占比例增加了2百分點。研究區綠地景觀破碎化程度總體呈上升趨勢，其中高新區綠地面積較小，斑塊個數最多，斑塊密度最大，破碎化程度最高，綠地生態功能較弱。綠地斑塊形狀及綠地景觀結構的復雜性總體呈現增加的趨勢，城市綠地景觀受人類活動影響明顯，其中因水磨溝區部分山區綠地景觀連通性較強、破碎度小，城市綠地聚集度最大。針對這些問題提出綠地優化建議，為研究區城市綠地景觀優化及生態環境的改善提供參考，同時為烏魯木齊市創建“國家生態園林城市”這一目標提供一定理論依據與決策支持。

關鍵詞 GIS;城市綠地;景觀格局;景觀破碎化;烏魯木齊市

中圖分類號 TU985文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0072-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.021

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract Taking Tianshan District，Saybagh District，Shuimogou District and Gaoxin District of Urumqi City as the research objects，with all data based on Landsat remote sensing images of 2008，2013 and 2017，using Envi，ArcGIS and Fragstats landscape pattern analysis software，this paper analyzed the change and transfer matrix of landscape pattern area of the study area from 2008 to 2017，and selected seven landscape characteristic indicators，namely green patch area，patch number，patch density，average patch area，patch shape index，proportion of patch type to landscape area and patch aggregation degree.The results showed that the amount of green space landscape transfer mainly comes from unused land and farmland.The area of green space has increased from 90.38 km2 to 113.34 km2.Compared with 2013，the area of green space increased by 22.96 km2 in 2017，and the proportion of green space increased by 2 percent points.The fragmentation degree of green space landscape in the study area is generally on the rise.The green space area in the new urban area is smaller，the number of patches is the largest，the density of patches is the largest，the degree of fragmentation is the highest，and the ecological function is weak.The complexity of patch shape and landscape structure of green space shows an increasing trend.Urban green space landscape is obviously disturbed by human activities.Because of the strong connectivity and small fragmentation of landscape in some areas of Shuimogou District，urban green space aggregation is the largest.In this study，the green space optimization suggestions were put forward to provide reference for urban green space landscape optimization and ecological environment improvement in the study area.At the same time，it also provided some theoretical basis and decision support for the goal of establishing “National Ecological Garden City” in Urumqi.

Key words GIS;Urban green space;Landscape pattern;Landscape fragmentation;Urumqi City

作者簡介 其格樂很（1995—），女，內蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，研究方向：區域污染控制與環境影響評價。*通信作者，副教授，從事區域污染控制與環境影響評價研究。

收稿日期 2019-02-13

城市綠地是城市規劃區范圍內，以植被形態存在的最易被城市居民感知的自然元素，也是衡量城市居民生活環境質量的重要標準之一，其布局的合理與否也直接影響著城市生態效益、社會效益、經濟效益以及城市的可持續發展[1-3]。我國城市綠地系統的研究起步于20世紀50年代，以借鑒前蘇聯的理論與經驗為基礎，城鎮化發展雖快，城市綠化發展卻較為緩慢。1992年國務院頒布《城市綠化條例》，同年，國家建設部發起《國家生態園林城市》創建活動。2002年建設部頒布《城市綠地分類標準》。3S技術在此期間開始廣泛應用于城市綠地研究中。2010年建設部頒布了《城市園林綠化評價標準》。2017年國務院對《城市綠化條例》進行修訂。我國城市綠地系統建設從借鑒前蘇聯經驗的摸索階段逐步邁向正規化標準化的快速發展階段[4-5]。

城市綠地景觀格局方面的研究，從早期的基于綠地普查數據報告的研究到如今較為常見的運用3S技術，諸如進行NDVI波段合成、目視解譯等多種遙感地理信息技術的普及，以及針對景觀格局研究中普遍運用的，如Patch Analyst、Fragstas等景觀分析軟件的運用，使得城市綠地景觀格局方面的研究在不斷革新的同時也在不斷發展新的方法及技術[6-10]。對于城市景觀格局的研究，如哈孜亞·包浪提將[11]對城市景觀格局動態變化以及驅動力進行研究;馮珊珊等[12]對粵港澳區的不透水面進行景觀生態學分析研究。對于城市綠地景觀的研究，如劉亞文等[13]運用3S技術對吐魯番高昌區近27年的綠洲空間變化特征及驅動力進行研究;高鵬[14]基于ArcGIS遙感影像解譯建立城市綠地信息系統，對城市生態可持續發展提出建議;周亞東等[15]基于GIS和Fragstats技術對森林景觀格局破碎化程度及城市建設擴張模式進行研究分析;劉凌霄[16]基于景觀格局指數對城鎮景觀格局規劃以及優化提出建議及理論依據。

新疆是“絲綢之路經濟帶”核心區，烏魯木齊市是新疆的首府城市，是“核心區”的核心，承擔著“一帶一路”倡議落實的巨大責任。隨著經濟迅猛發展，城市化進程不斷加快，烏魯木齊城市景觀結構及綠地系統空間格局發生了巨大的變化。該研究運用地理信息技術以及景觀生態學原理，研究烏魯木齊市中心城區（天山區、沙依巴克區、水磨溝區、高新區）近10年綠地景觀格局變化及趨勢，為烏魯木齊市綠地系統布局優化，生態文明建設提供科學的參考依據。

1 研究區概況、數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

烏魯木齊地處中國西北部的天山中段北麓、準噶爾盆地南緣。烏魯木齊市是世界上距離海洋最遠的大型內陸綠洲城市，地形三面環山，東南高西北低，城市呈現出東西較窄、南北狹長的分布。全市面積為14 216.3 km2，轄7區1縣，常住人口數量為2 444.67萬。該研究選取烏魯木齊市中心城區（天山區、沙依巴克區、水磨溝區、高新區）作為研究區。

1.2 數據來源與預處理 選用2008 年Landsat 5 和 2013 年、2017年Landsat 8遙感影像數據，均從美國 USGS 網站和地理空間數據云網站獲取，影像精度為30 m，研究區無云，圖像質量較好。為避免季節變化引起的差異，影像均選自植被覆蓋良好的7月及8月。

1.3 研究方法

1.3.1 數據處理。

在ArcGIS 10.2中采用世界1984_UTM_49N坐標系，對3期的影像進行幾何校正、輻射定標、大氣校正、圖像融合等預處理。OLI_TIRS影像經過與全彩色波段進行圖像融合，合成15 m分辨率的影像數據，利用Envi 5.3監督分類法及目視解譯法，依據我國土地利用現狀分類系統，分別提取綠地、建設用地、農田、水域、裸地5個景觀生態類型進行研究分析。在ENVI classic中通過confusion matrix工具對3期影像的分類結果進行精度驗證，Kappa系數均為0.9以上。

1.3.2 數據處理方法。

（1）城市景觀生態類型轉換矩陣。城市景觀生態類型轉換矩陣可較為全面的反映研究區域內，各城市景觀之間的轉換方向及轉換數量，能較好的表現城市景觀格局的時空演化過程。數學模型如下：

利用ArcMap 10.2.2中空間疊加運算的方法對監督分類好的3期遙感影像進行疊加運算，求出3個時間點期間的城市生態類型轉移矩陣。

（2）綠地景觀指數提取及計算方法。

景觀格局指數能夠量化的表征景觀空間結構特征的同時，也是衡量景觀隨時間變化的重要指標。綠地景觀格局變化的定量分析可以從景觀指數變化上來反映。將ArcMap 10.2.2中進行圖像處理后的景觀生態類型矢量數據轉化為柵格數據，利用景觀格局分析軟件Fragstats 4.2計算景觀格局指數。該研究遵循因地制宜的原則，結合各景觀指標的表征作用，選取了斑塊個數（NP）、斑塊類型面積（CA）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）、斑塊形狀指數（LSI）、斑塊類型占景觀面積比例（PLAND）、斑塊聚集度（AI）等7個景觀指標。

2 結果與分析

2.1 景觀構成及其變化特征

通過解譯遙感影像，對2008—2017年烏魯木齊市中心城區景觀生態類型分布情況進行提取，并對其動態變化進行分析。

2.1.1 生態類型面積及比例變化。對影像進行解譯、分類及分類后處理，獲得各景觀生態類型面積及比例變化如圖2和表4。近10年，烏魯木齊市4個城區生態類型有較大變化，主要表現為建設用地向四周不斷擴張，城市綠地逐漸增加，農田景觀急劇減少，裸地面積呈現先增加后減少的趨勢。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）社會經濟及城市化進程加速增長是影響城市景觀格局變化的主要因素。據2008—2017年烏魯木齊統計年鑒可知，烏魯木齊市GDP（生產總值）從2008年的1 020億元到2017年的2 700億元，生產總值實現成倍式的增長，烏魯木齊市中心城區（天山區、沙依巴克區、水磨溝區、高新區）建成區也呈現增長趨勢，2008—2017年，天山區建成區面積從32.79 km2增至65.46 km2;沙依巴克區建成區面積從29 km2增至53.3 km2;水磨溝區建成區面積從32.79 km2增至63 km2;新市區建成區面積為42 km2。10年來，社會經濟快速發展和城市化進程的加快，直接引起了城市各類景觀生態格局的劇烈轉變。

（2）城市建設用地面積在10年間增加了119.64 km2，而景觀生態類型占比面積由2008年的19.3%轉變為2017年的29.6%，這表明，社會經濟快速發展，使得城市不斷向外擴張，城市化進程加快的勢頭愈加劇烈。

（3）2008—2017年綠地景觀生態類型占比僅從原先的7.8%增加至9.8%，但綠地景觀面積面積有所增加，2017年綠地景觀面積為113.34 km2，在10年間增加了22.96 km2。城市綠地景觀面積占比較小，綠地大部分集中在建成區，而城郊區綠地覆蓋率較少，使得對其生態功能評價不能僅從行政區劃范圍內面積占比作為參考，需要充分考慮建成區及城郊區綠地配比實際情況來進行評價。

（4）通過對景觀生態類型轉移矩陣的分析，10年間城市綠地景觀增加主要來自裸地及農田，其次是建設用地，而水域景觀基本沒有轉變成綠地景觀。裸地較多地轉出為城市綠地是城市建設發展中較好的現象，說明在城市中綠化荒山荒地等舉措被實施，城市環境得到改善，城市景觀的觀賞性價值逐漸提升。

（5）城市綠地景觀整體呈現破碎化程度增加的趨勢，其中高新區綠地景觀面積不大，卻是斑塊個數最多斑塊密度最大的區域，也是4個城區中破碎度最大的區域，主要與4個城區發展階段有關，如天山區、沙依巴克區以及水磨溝區均為老城區，城中居住建筑群及商業建筑群等已形成規模化的發展，較難對其進行碎片式的綠化，而高新區作為新的市區，部分區域還在建設階段，對其綠地系統規劃也較晚，碎片式的綠地建設滿足了居民對綠色景觀的需求。水磨溝區是城市綠地景觀面積及斑塊類型占景觀面積比最大的城區，主要與其郊區山脈綠地常年不變且面積基數較大有關。高新區城市綠地景觀面積先減少后增加與其農田耕作的農作物類別有一定關系。

（6）綠地景觀斑塊形狀復雜性及景觀空間結構復雜性總體上均呈現增加的趨勢，也表明城市綠地景觀越發的易受人類活動的干擾，其中因水磨溝區郊區山脈附近綠地景觀連通性較強、破碎化程度相對較小，城市綠地聚集度最大。

3.2 建議

（1）烏魯木齊市總體呈現建成區綠地覆蓋率較高，城市郊區綠地覆蓋率較低，綠地空間布局不均衡，生態功能較弱的現象，應合理規劃和布局城市綠地景觀格局，消除因分布不均衡導致的城市綠化盲區。適當增加城市郊區綠化面積，優化城市綠地景觀格局，使城市綠地更好地服務于大眾，發揮大的社會經濟效益。

（2）在綠地建設與規劃中應注重道路綠地建設，諸如環城高速以及河灘高速路等市內高速路均分擔著較大的車流量，增加其路旁綠化有助于降低整個市區的揚塵量以及噪聲量。在不斷增加街旁綠地及道路綠地的同時，應加強建成區內荒山荒地的綠化，將建成區內裸地轉化為城市綠地。結合路旁綠化及荒山綠化等措施，增加整個城市綠地的連通性，使其生態功能更加完善。

（3）適當的擴建或增建公園綠地，對原有的大型公共綠地加強保護，規劃將部分中小型綠地擴建為大型綠地，發揮大型綠地的規模效應，降低其受人類活動干擾的程度同時，使城市“熱島效應”得到緩解。

（4）優化城市綠地空間布局的同時，重視綠地植被多樣性，并且更加科學化的選擇植被，合理搭配不同植被色彩及植被形態，充分結合城市居民精神需要，努力創建一個布局合理、色彩分明、景色優美的生態園林城市。

參考文獻

[1]陳利頂，孫然好，劉海蓮.城市景觀格局演變的生態環境效應研究進展[J].生態學報，2013，33（4）：1042-1050.

[2]李素英，王計平，任慧君.城市綠地系統結構與功能研究綜述[J].地理科學進展，2010，29（3）：377-384.

[3]玉蘇普江·艾麥提.快速城市化進程中烏魯木齊市景觀格局時空分異特征的研究[D].烏魯木齊：新疆師范大學，2015.

[4]李超，王昊，趙遠超，等.城市景觀格局演變的生態環境研究進展[J].農業與技術，2015，35（17）：71-73.

[5]方金萌.基于GIS和Fragstats的蘭考縣綠地景觀格局分析與優化研究[D].鄭州：鄭州大學，2018： 88.

[6]何小玲，彭培好，王玉寬，等.成都市主城區綠地景觀格局動態變化研究[J].西部林業科學，2014，43（5）：30-35.

[7]劉鐵冬，張佳佳，李羽佳.基于GIS技術的城市綠地景觀格局動態變化：以哈爾濱市主城區為例[J].東北林業大學學報，2014，42（8）：65-68，74.

[8]雷一鳴，陳曦，楊遼，等.基于Worldview-2的烏魯木齊城區綠地空間格局分析[J].干旱區研究，2015，32（6）：1233-1239.

[9]沈濤，丁建麗，張玉進，等.基于遙感的烏魯木齊市綠地資源信息提取技術研究[J].福建林業科技，2004，31（2）： 31-35.

[10]昝少平，朱穎，魏月霞.烏魯木齊市已建園林綠地系統現狀及其特點分析[J].干旱區研究，2006，23（1）：177-182.

[11]哈孜亞·包浪提將，毋兆鵬，陳學剛，等.烏魯木齊市景觀格局變化及驅動力分析[J].生態科學，2018，37（1）：62-70.

[12]馮珊珊，樊風雷.基于不透水面的粵港澳大灣區景觀格局時空變化[J].應用生態學報， 2018，29（9）：2907-2914.

[13]劉亞文，阿不都沙拉木·加拉力丁，阿拉努爾·艾尼娃爾，等.1989-2016年吐魯番高昌區綠洲時空格局變化及其驅動因素[J].干旱區研究，2018，35（4）：945-953.

[14]高鵬，徐志剛，黃金華，等.基于ArcGIS的龍巖市城市綠地信息系統的建立[J].江西理工大學學報，2015，36（1）：74-80.

[15]周亞東，周兆德.基于GIS與Fragstats的海南島森林景觀格局研究[J].中南林業科技大學學報，2015，35（5）：78-83.

[16]劉凌霄.基于GIS和Fragstats的城市郊區大地景觀生態規劃研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2017：146.