1988-2002年鄭州市景觀格局演變分析*

王安周,張桂賓,耿秀麗

(河南大學(xué)資源環(huán)境研究所,河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,河南開封475004)

城市景觀格局是區(qū)域自然因素和社會因素共同作用的產(chǎn)物,它是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn),同時又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[1]。城市社會經(jīng)濟活躍,導(dǎo)致人地矛盾突出,不合理的景觀格局常常成為城市生態(tài)問題產(chǎn)生的癥結(jié)所在[2]。因此,分析景觀空間格局及其動態(tài)變化特征有助于探討景觀格局和生態(tài)過程間的相互關(guān)系,揭示城市景觀變化的規(guī)律和機制,為人類定向影響生態(tài)環(huán)境并使之向良性方向演化提供依據(jù)。關(guān)于城市景觀格局及其空間演變,國外[3-4]、國內(nèi)學(xué)者研究較多[5-7],但對深受黃河影響的內(nèi)陸快速城市化地區(qū)研究較少。

鄭州地處黃河流域的中游地區(qū),1990年代以來伴隨著交通條件改善、工業(yè)項目建設(shè)和國家宏觀政策支持,鄭州進入快速城市化時期,但在推動了社會經(jīng)濟高速發(fā)展的同時,也引發(fā)了城市景觀格局和生態(tài)過程的變化,產(chǎn)生了一系列生態(tài)和社會經(jīng)濟的后果,嚴(yán)重地影響城市進一步發(fā)展。因此,探究鄭州市20世紀(jì)90年代以來城市景觀格局動態(tài)演變規(guī)律,對于揭示景觀演替的機制和規(guī)律,預(yù)測景觀演變趨勢,建立可持續(xù)的城市化發(fā)展模式具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域僅包括鄭州市區(qū)(除上街區(qū)外),位于北緯 34°36′10″-34°58′20″和東經(jīng) 113°26′47″-113°51′42″,南北寬約 36.5 km,東西長約 35.8 km,總面積1 010.3 km2。本區(qū)北臨黃河,地處淺山丘陵向黃淮平原過渡的交接地帶,地貌類型以平原為主,地勢自西南向東北傾斜,海拔處于84～254 m,氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫14.4°C。近10 a來,西部大開發(fā)、中部崛起戰(zhàn)略的實施將使鄭州成為東西部經(jīng)濟合作及技術(shù)資金人才融匯地,必然促進鄭州市技術(shù)、信息、產(chǎn)品和人口的大量集散,加速城市景觀空間結(jié)構(gòu)的變化。

2 遙感影像解譯分類

研究資料主要來源于1988年5月14日、1995年7月5日和2002年9月2日3幅Landsat-5 TM影像、國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(空間分辨率30 m)、1997年鄭州市土地利用現(xiàn)狀圖(1∶70 000)、2007年 6月GPS調(diào)查獲取的景觀要素的空間位置數(shù)據(jù),以及部分社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

景觀類型的劃分,應(yīng)嚴(yán)格按照土地分類標(biāo)準(zhǔn)(GBJ137-90),同時考慮景觀功能與生態(tài)過程一致性原則、綜合分析和主導(dǎo)因素原則、科學(xué)性與實用性等原則[8],通過波段優(yōu)化組合、輻射增強、裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理,訓(xùn)練樣本選取、景觀分類系統(tǒng)與解譯標(biāo)志建立,精度評估、分類后處理、分類重編碼等進行遙感影像解譯[9]。3幅影像的 Kappa指數(shù)均大于0.75,滿足精度要求;考慮到同物異譜、異物同譜現(xiàn)象存在,利用Raster/Fill Area工具進行糾正處理,最終得到3個時段遙感影像分類結(jié)果(圖1)。

圖1 1988年 、1995年和2002年鄭州市景觀遙感分類圖

3 結(jié)果分析

3.1 城市景觀空間結(jié)構(gòu)分析

受人類活動和經(jīng)濟發(fā)展影響,鄭州市城市擴展明顯,景觀格局和動態(tài)變化迅速。利用ArcGIS 9.0平臺進行圖層矢量轉(zhuǎn)換、信息提取,SPSS11.5工具對研究區(qū)不同時段不同景觀組分斑塊的面積和數(shù)量進行分類統(tǒng)計(圖2、圖3)。

斑塊是景觀的基本單元,斑塊面積大小是斑塊最顯著的幾何特征。由各斑塊多年平均面積可知,本地基質(zhì)以農(nóng)業(yè)景觀為主,面積最大是水澆地,其次是菜地和旱地,3者占總面積的55.81%。由圖2可知,水澆地面積減少明顯,14 a內(nèi)凈減少17.433 km2,而林地和建設(shè)用地呈逐年增長趨勢。通過GIS空間疊加分析表明,14 a間農(nóng)村居民點和水澆地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地達57.79 km2,占建設(shè)用地增加總量的67.76%。旱地和菜地呈波動性減少趨勢,1988-1995年間分別增加了0.5%、2.1%,1995年以后兩者呈不同程度減少趨勢。由圖3可知,景觀斑塊數(shù)量最多是居民點,其次是林地;水域、水澆地、建設(shè)用地斑塊數(shù)量明顯增多,分別增加2 369,2 670,1 314個;旱地和菜地斑塊數(shù)分別減少了1 531,674個。

圖2 1988-2002年各類斑塊面積動態(tài)變化

圖3 1988-2002年各類斑塊數(shù)量動態(tài)變化

3.2 城市景觀格局變化

景觀空間格局變化的定量分析可以從景觀指數(shù)的變化上反映出來。鑒于鄭州市20世紀(jì)80年代中后期以來的土地利用變化特征和研究目的的需要,選取景觀多樣性、優(yōu)勢度、破碎度、分維數(shù)和邊緣密度等指數(shù)來表征景觀格局動態(tài)變化。在ArcInfo支持下,應(yīng)用Fragstat 3.3軟件完成景觀格局指數(shù)計算(表1)。

表1 1988-2002年鄭州市景觀格局變化

由表1可知,1988-2002年鄭州景觀格局發(fā)生了較大變化,突出表現(xiàn)在:①景觀破碎化程度加大。景觀破碎化是干擾對景觀要素及其空間配置持續(xù)作用的結(jié)果,14 a間,鄭州市景觀破碎度、斑塊數(shù)量、斑塊密度均呈現(xiàn)不同程度的增加態(tài)勢,斑塊平均面積由1988年4.956 hm2減至2002年3.844 hm2,呈明顯減少趨勢,這些表明景觀破碎化程度在加大;②景觀異質(zhì)性程度加大。景觀異質(zhì)性指景觀的變異程度,它是自然干擾、人類活動和植被內(nèi)源演替的結(jié)果。14 a間,鄭州景觀多樣性指數(shù)有所增加,優(yōu)勢度指數(shù)由0.137減至0.118,表明景觀異質(zhì)性程度加大;③景觀形狀趨于復(fù)雜化。斑塊分維數(shù)和邊緣密度用來測定景觀斑塊周邊形狀的復(fù)雜程度,1988-2002年分維數(shù)和邊緣密度略有增加,優(yōu)勢度指數(shù)由0.137減至0.118,表明景觀的整體形狀趨于復(fù)雜破碎,邊緣效應(yīng)增強[10]。

圖4 沿E-W、N-S、NE-SW和 NW-SE向的土地利用程度剖面曲線

3.3 城市景觀空間梯度變化

城市景觀梯度分異特征是景觀空間異質(zhì)性重要體現(xiàn),借鑒了劉紀(jì)遠等人的土地利用分級標(biāo)準(zhǔn)和計算思路,利用ArcGIS軟件來探討鄭州市城市景觀空間梯度分異規(guī)律[11]。具體計算步驟如下:首先采用Erdas Imaging/Recode命令建立2002年TM影像景觀分類矢量圖,之后利用Arcgis/Focal statistics工具對7×7鄰近象元進行多次循環(huán)運算,最后利用3D analysis spatial tools/Profile工具,繪制以二七塔(113.66°E、34.75°N)為中心分別沿東西、北南、東北-西南和西北-東南向延伸的剖面圖(圖4)。

由圖4可知,鄭州市土地利用程度曲線呈現(xiàn)以二七廣場為中心向四周波動減少趨勢,反映了人類對城市景觀干擾強度自中心城區(qū)向郊區(qū)梯度性遞減規(guī)律,且存在方向分異。圖4a中心線附近以建設(shè)用地為主,土地利用度較高,隨著西部須水組團建設(shè)和鄭東新區(qū)建設(shè),周邊大量農(nóng)田被侵占,城郊土地利用變化劇烈,故曲線變化特征不明顯;圖4b曲線波動明顯,表明隨著鄉(xiāng)村工業(yè)化進程加速和城市蛙跳式擴展,使得郊區(qū)工廠、道路和旅游區(qū)建設(shè)等用地增加,土地利用度較大,但城鄉(xiāng)過渡區(qū)仍以農(nóng)業(yè)景觀為主,故曲線呈現(xiàn)“馬鞍式”;圖4c曲線呈典型的中間高兩邊低,土地利用度自中心向外圍梯度變化明顯;圖4d曲線波動較大,長期以來城市一直沿京廣鐵路軸線式向外擴展,尤其是1990年以來西北部高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和西南部經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè),使得城市擴展加速,建設(shè)用地集中連片。隨著城市擴展由緊湊環(huán)式向分散組團式轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)了須水組團、莆田組團和花園口等多個次級中心,城市擴展在各方向上差異明顯,NW-SE向為城市擴展主軸線。

3.4 城市景觀擴展強度分析

城市擴展強度是進行城鎮(zhèn)空間擴展分析的一個實用標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù),其實質(zhì)上是各空間單元的土地面積對其年平均擴展速度進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,因而能夠較好地表現(xiàn)出城鎮(zhèn)擴展的空間差異[13]。城市擴展速度和擴展強度指數(shù)計算公式如下:

式中:Ai——研究前期面積;Aj——研究后期面積;Δt— —變化時間(a);ΔA ——面積變化;A — —試驗區(qū)土地面積;EA——擴展倍數(shù);EI——擴展強度。

圖6 鄭州市環(huán)城公路內(nèi)城市擴展動態(tài)

利用ERDAS IMAGING軟件,分別對2002年的Landsat TM 圖像的 Band5、Band4、Band3賦予紅、綠、藍來合成假彩色圖像,通過目視判讀,提取鄭州市三環(huán)信息和繞城公路的信息,通過掩膜技術(shù),分別提取三環(huán)內(nèi)和繞城公路內(nèi)城市擴展分布情況。由圖5和圖6可知,1988-2002年,三環(huán)內(nèi)的城市擴展主要發(fā)生在城市的西南和東北部,由于這些地區(qū)具有良好的基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟基礎(chǔ),因而城市化水平發(fā)展迅速;其次是東部和北部,是外延式擴展,在其西部、西北部擴展較少,且多為內(nèi)部填充式擴展。三環(huán)與繞城公路間,城市擴展主要是沿道路而擴展,發(fā)生在北部、東部,南部主要是外延式擴展,市區(qū)內(nèi)部主要是填充式擴展。因此,城市重心整體由西向東偏移,偏移大約1.5 km2。

表2 鄭州市城市動態(tài)擴展分布

交通環(huán)線的建設(shè)為城市用地的圈層式擴張?zhí)峁┝藙恿?使得建設(shè)用地尤其工業(yè)用地沿軸擴張趨勢明顯。由城市動態(tài)擴展分布(表2)可知,在繞城公路內(nèi),1988-2002年城市擴展面積達38.76 km2,年均擴展面積2.77 km2,其中三環(huán)路內(nèi)達25.75 km2,占總擴展面積的66.46%;三環(huán)與繞城公路間擴展倍數(shù)最大為1.56;擴展強度能較好的表現(xiàn)城鎮(zhèn)擴展的空間差異,三環(huán)內(nèi)擴展強度最大為1.36,三環(huán)與繞城公路間最小為0.37,可見城市擴展主要集中在三環(huán)路內(nèi)。

4 結(jié) 論

運用景觀生態(tài)學(xué)及其相關(guān)學(xué)科理論,利用遙感信息多尺度、多時相、多波段的特點,在GIS技術(shù)的支持下,從不同角度對鄭州市城市景觀空間格局演變進行了系統(tǒng)分析,結(jié)論如下:1988-2002年來鄭州市建設(shè)用地、林地顯著增加,水澆地、旱地減少明顯且呈持續(xù)減少趨勢。土地利用結(jié)構(gòu)仍以農(nóng)業(yè)用地為主,各土類間轉(zhuǎn)換激烈;14 a間,斑塊數(shù)量、景觀破碎度、分維數(shù)明顯增大,優(yōu)勢度指數(shù)由0.137減至0.118,表明景觀格局趨于復(fù)雜化、破碎化和多元化,今后應(yīng)加強綠色廊道建設(shè),優(yōu)化生態(tài)敏感區(qū),以維護景觀格局和生態(tài)過程的連續(xù)性。城市擴展主要集中在三環(huán)路內(nèi),NW-SE向為城市擴展主軸線,擴展模式由緊湊環(huán)式向分散組團式轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)了須水組團、莆田組團和花園口等多個次級中心,開放式多中心的空間擴張新格局已經(jīng)形成。今后應(yīng)加強對影像數(shù)據(jù)解譯方法的探索和改進,以提高解譯精度;加強對城市生態(tài)環(huán)境影響評價,以揭示城市景觀格局變化的機理和生態(tài)效應(yīng);進一步考慮景觀分類、地形(高程、坡度)因素、尺度(粒度和幅度)變化對格局指標(biāo)的影響;開展對城市擴展過程、驅(qū)動機制及動態(tài)演化模型的研究,積極探討符合鄭州實際的景觀生態(tài)優(yōu)化發(fā)展模式。

[1] 張金屯,邱揚,鄭鳳英.景觀格局的數(shù)量研究方法[J].山地學(xué)報,2000,18(4):346-352.

[2] 高峻,宋永昌.基于遙感和GIS的城鄉(xiāng)交錯帶景觀演變研究[J].生態(tài)學(xué)報,2003,23(4):805-813.

[3] Wang Y Q,M oskovits D K.Tracking fragmentation of natural communities and changes in land cover:Applications of landsat data for conservation in an urban landscape[J].Conservation Biology,2001,15(4):835-843.

[4] Mathew Luck,Wu Jianguo.A gradient analysis of urban landscape patern:a case study from the Phoenix metropolitan region,Arizona,USA[J].Landscape E-cology,2002,17:327-339.

[5] Lagro J A.Landscape context of rural residential development in southeastern Wisconsin(USA)[J].Landscape Ecology,1998.13:65-77.

[6] 楊英寶,江南,蘇偉忠,等.RS與GIS支持下的南京市景觀格局動態(tài)變化研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2005,14(1):342-347.

[7] 孫娟,夏漢平,藍崇鈺,等.基于緩沖帶的貴港市城市景觀格局梯度分析[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(3):655-662.

[8] 彭建,王仰麟,張源,等.土地利用分類對景觀格局指數(shù)的影響[J].地理學(xué)報,2006,61(2):157-168.

[9] 肖篤寧,鐘林生.景觀分類與評價的生態(tài)原則[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1998,9(2):217-221.

[10] 黨安榮.ERDAS IM AGINE遙感圖像處理方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:216-220.

[11] 梁國付,丁圣彥.河南黃河沿岸地區(qū)景觀格局演變[J].地理學(xué)報,2005,60(4):665-672.

[12] 劉紀(jì)遠.中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,1996:262-275.

[13] 吳曉青,胡遠滿,賀紅士.沈陽市城鎮(zhèn)擴展時空格局及其驅(qū)動力[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2007,18(10):2282-2288.