洛陽市區綠色基礎設施景觀格局時空特征研究

摘 要：探究洛陽市區綠色基礎設施（GI）景觀格局時空特征，為改善城市生態環境及實現城市可持續發展提供參考。基于形態學空間格局分析法（MSPA）和景觀格局指數法，分析洛陽市區GI景觀格局時空變化。結果表明：①2001—2021年，洛陽市區的林地面積和水域面積總體呈現增加趨勢，草地面積則呈逐漸減小的趨勢。②GI總面積呈增加趨勢，核心區占總面積的比例最大，其次是邊緣、分支和孤島。③GI斑塊數量呈先增加后減少的變化趨勢，優勢斑塊面積呈先縮小后擴大的趨勢，斑塊聚合度表現為先降低后上升，斑塊多樣性指數則表現為先上升后下降。整體來看，研究區從2001年到2021年的GI網絡經歷了破碎化的過程，但破碎化趨勢有所減緩，未來應合理構建及優化GI網絡，助推城市生態文明建設。

關鍵詞：綠色基礎設施；形態學空間格局分析；景觀格局指數；洛陽市

中圖分類號：TU985" " 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）23-104-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.23.022

0 引言

近年來，快速的城市化進程使得極端氣候、環境污染、城市內澇等問題不斷涌現，能夠在改善空氣質量、緩解高溫風險［1］、保護生物多樣性、創建宜居城市［2］等方面發揮有效功能的綠色基礎設施引起了眾多關注［3］。1999年，綠色基礎設施（Green Infrastructure，GI）的概念由美國保護基金會和美國農業部森林管理局組織成立的“GI工作小組”正式提出。GI作為國家的自然生命支持系統，是一個由森林、水域、自然保護區、公園和野生動物棲息地，以及維持自然生態過程和保護自然資源、提高生活環境的開敞空間組成的相互連接的網絡［4］。綠色基礎設施概念最早由張秋明［5］于2004年引入國內，我國早期相關研究集中在GI概念、功能及其理論體系與構建途徑等方面［6］。隨著GI研究的逐漸深入，曹暢等［7］、謝于松等［8］對城市GI網絡現狀進行評估；于亞平等［9］、謝于松等［10］等運用形態學空間格局分析（MSPA）、景觀連通性指數、景觀格局指數等方法分析城市GI景觀格局變化；何侃等［11］、費文君等［12］、汪勇政等［13］通過重力模型、最小累積阻力模型、電路理論等方法構建GI網絡；周盼等［14］、魏新星等［15］探究城市更新與綠色基礎設施之間的關系，提出有助于城市更新的方案；應君等［16］、王龍歡等［17］探究氣候變化對綠色基礎設施的作用及影響。

目前，針對洛陽市綠色基礎設施的研究主要涉及市域尺度［18］，而對市區尺度下的綠色基礎設施景觀格局變化特征有待進一步深入研究。本研究以土地利用數據為基礎，采用形態學空間格局分析法和景觀格局指數法對洛陽市區2001—2021年綠色基礎設施景觀格局變化進行分析，為實現洛陽市區GI空間合理配置、GI網絡格局構建及優化提供參考，為營造宜居城市及生態環境可持續發展提供新的思路。

1 研究區概況

洛陽市位于河南省西部，橫跨黃河中下游南北兩岸，地處東經112°16′～112°37′，北緯34°32′～34°45′，地勢呈西高東低的格局，該區域山川丘陵交錯，地形復雜，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為14.7 ℃，年平均降水量為690.00 mm。研究范圍為洛陽市區，包括澗西區、西工區、老城區、瀍河回族區、洛龍區、偃師區（原偃師市）、孟津區等7個市轄區，總面積約為2 282.62 km2。該區域被北側邙山、西側周山、南側龍門山和萬安山所環抱，伊河、洛河、澗河、瀍河貫流其間。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

研究數據主要包括研究區行政區劃數據和Landsat遙感影像數據，行政區劃數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統（www.webmap.cn）；Landsat遙感影像數據和DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn），選擇間隔10 a的3期（2001年、2011年、2021年）數據進行監督分類獲取研究數據。

運用ENVI5.6軟件對Landsat遙感影像數據進行輻射定標、大氣校正、鑲嵌裁剪等預處理操作，采用最大似然法對Landsat遙感影像數據進行監督分類，將遙感影像分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地等6種類型，最后得到空間分辨率為30 m的土地利用數據。

2.2 研究方法

2.2.1 形態學空間格局分析

形態學空間格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）是基于數學形態學原理對柵格圖像的空間格局進行度量、識別和分割的一種圖像處理方法，將前景數據分為互不重疊的核心區、孤島、穿孔、邊緣、連接橋、環以及分支等7種GI要素［19］。基于ArcGIS10.8軟件中的重分類工具，將研究區土地利用數據劃分為前景和后景，其中林地、草地、水域等GI用地賦值為2，為前景；耕地、建設用地、未利用地等非GI用地賦值為1，為背景。然后導出柵格單元大小為30 m×30 m的研究區土地利用二值柵格圖。在Guidos Toolbox3.1軟件中采用八鄰域分析法，對土地利用二值柵格數據進行處理，得到研究區形態學空間格局分析圖。

2.2.2 景觀格局指數分析

選取斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、景觀形態指數（LSI）、結合度指數（COHESION）、聚集度指數（AI）、Shannon's均勻度指數（SHEI）、Shannon's多樣性指數（SHDI）等8個指標分析研究區GI景觀格局變化。運用FRAGSTATS4.2軟件，采用MCGARIGAL等［20］研究方法，計算各景觀指數，并分析其生態學意義。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型變化分析

基于洛陽市區2001—2021年土地利用數據，疊加分析得出2001—2011年和2011—2021年的土地利用轉移矩陣，見表1。如表1所示，2001—2011年土地利用類型中轉出面積最大的是耕地，共轉出554.15 km2，主要轉化為建設用地和林地。耕地轉化為建設用地的面積占耕地總轉出面積的51.54%，草地轉化為耕地的面積占草地總轉出面積的56.31%。林地、水域、建設用地面積均呈現出增加趨勢，由耕地轉入的部分分別占林地、水域、建設用地總轉入面積的81.87%、84.55%、90.59%。2011—2021年，耕地仍為轉出面積最大的土地利用類型，共轉出325.42 km2，其中43.88%轉化為林地，42.50%轉化為建設用地。草地面積仍呈減少趨勢，主要轉化為耕地，占草地總轉出面積的56.05%。林地、水域、建設用地面積仍呈現出增加趨勢，由耕地轉入的部分分別占林地、建設用地、水域總轉入面積的82.51%、75.91%、40.00%。

3.2 GI要素形態學空間格局分析

3.2.1 GI空間變化特征

如圖1所示，2001—2021年，GI要素類型中的核心區主要分布在研究區北部和南部邊緣山地區域，其中孟津區和偃師區的核心區分布較廣，邊緣、分支、孤島等廣泛分布在整個研究區范圍內。研究區西北部和東南部的邊緣區域地勢較高，林地面積占比較大，核心區在該區域分布較為密集。研究區中部和西南部地區以平原為主，耕地及建設用地面積占比較大，綠色斑塊面積較小，易形成孤島和連接橋等景觀類型。近年來，隨著洛陽市對洛河流域和伊河流域開發力度的不斷加大，濱河綠道、公園等相繼建設完工并投入使用，使得核心區面積逐漸增加。

3.2.2 GI時間變化特征

如表2所示，洛陽市區2001—2011年GI總面積在研究區中的占比從12.20%增加到19.64%。在GI各要素類型中，核心區面積在GI總面積中的占比從68.22%減少到52.49%，邊緣面積在GI總面積中的占比從17.15%增加到26.87%，而核心和邊緣面積均呈增加趨勢。核心和邊緣的主要轉入來源為背景區，且部分核心區和邊緣區相互轉化。分支、孤島、穿孔、環和連接橋面積均有所增加，主要轉入來源為核心區和背景區。2001—2011年，核心區面積的增長量明顯小于GI總面積的增長量，新增的GI斑塊在空間布局上呈現出較為分散的狀態，未能形成面積較大的核心斑塊，甚至部分原本完整連續的GI區域被分割成眾多小型斑塊，使得分支、孤島等GI要素的面積增加，整體景觀格局呈現破碎化趨勢。

2011—2021年，洛陽市區GI總面積及各要素占比整體呈增加趨勢。其中核心區面積在GI總面積中的占比從52.49%增加到56.63%。核心區主要轉入或轉出來源均為背景區和邊緣區，其中轉出面積小于轉入面積，核心區面積增加。邊緣面積占比從26.87%減少到25.92%，穿孔和環面積增加，分支、連接橋、孤島面積有所減少。2011—2021年，核心區面積的增長幅度超過GI總面積的增長幅度，部分邊緣、連接橋、孤島等GI要素發生轉變，逐漸聚集并擴展成為大面積的斑塊，進而促進了核心區的形成，增加了核心區域的連通性。

3.3 景觀格局指數分析

如表3所示，相較于2001年GI景觀格局各指數，除景觀形態指數（LSI）外，其余各指數的發展趨勢均在2011年發生逆轉，斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、Shannon′s多樣性指數（SHDI）和Shannon′s均勻度指數（SHEI）均在2011年減小，而最大斑塊指數（LPI）、結合度指數（COHESION）和聚集度指數（AI）均在2011年增大。2001—2021年，PD由2001年的3.006 0增至2011年的7.339 0，到2021年又減少到6.760 9；LSI在2001—2021年呈增加趨勢；SHDI和SHEI在2001—2011年呈增加趨勢，在2011—2021年則呈減少趨勢；LPI、COHESION和AI在2001—2011年呈減小趨勢，在2011—2021年則呈增加趨勢。由此可見，洛陽市區2001—2011年GI景觀格局各指數變化幅度較大，主要由于這一時期洛陽市區道路建設等一系列人為活動的干擾較大，對研究區GI景觀格局造成顯著影響，GI景觀破碎化程度高。2011—2021年各指數變化幅度明顯減小且部分指數有所回升，表明研究區公園、街道等綠地建設已初見成效，GI斑塊連通性得到改善，GI景觀破碎化趨勢有所減緩。

4 結論

利用形態學空間格局分析法（MSPA）和景觀格局指數分析法，對洛陽市區2001—2021年綠色基礎設施時空格局變化進行分析，結果表明：①2001—2021年，洛陽市區的GI用地總面積呈增加趨勢，共增加了191.80 km2。其中林地、水域面積均呈增加趨勢，分別增加了188.92 km2和39.05 km2；草地面積則呈持續減少趨勢，共減少了36.17 km2。②2001—2021年，洛陽市區GI總面積呈現出由“急劇增加”向“緩慢增加”過渡的變化趨勢，GI總面積在研究區中的占比同樣呈增長趨勢，共增加了191.80 km2。在GI各要素中核心區面積占比最大，主要分布在研究區的北部和南部地區，其次為邊緣、分支和孤島。③從景觀格局指數看，洛陽市區2001—2021年斑塊數量呈先增加后減少的趨勢，優勢斑塊主導性表現出先減弱后增強的特征，斑塊多樣性和均勻性則呈先增強后減弱的趨勢。這一系列變化表明洛陽市區GI網絡在2001—2021年期間經歷了破碎化的過程，但在具體政策措施的實施下，其破碎化趨勢有所減緩。

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