第42卷第1期 2017年1月 环境科学与管理 ENVⅡ【0NMENTAL SCIENCE AND M_ANAGEMENT Vo1.42 No.1 Jan.2017 文章编号:1674—6139(2Ol7)01-0037-05 长沙城市景观破碎化空间异质性研究 李昕昕 (湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南长沙410081) 摘要:景观破碎化表现为景观由单一、均质、连续趋于复杂、异化离散状态。空间异质性是空间景观格局产生 的原因。不同尺度下景观破碎化空间异质性表现为不同的特征。遵循“尺度——格局——过程”的思路,以长 沙市2005年、2010年遥感影像为数据源,针对都市区空间异质性对不同粒度和幅度水平的响应得到合适的分 析尺度,进而对长沙市景观破碎化的空间格局和空间异质性展开研究,最后剖析了景观破碎化与城市生态系统 的耦合过程。研究表明:(1)长沙都市区研究中,60 m粒度是一个本征观测尺度,1 200 m幅度是理想特征尺 度;(2)都市区景观破碎化空间格局复杂;(3)景观破碎化空间异质性受人为因素干扰影响大,随经济社会发展 呈正相关关系。 关键词:景观破碎化;空间异质性;尺度;半变异函数;空间自相关 中图分类号:X171 文献标志码:A Study on Spatial Heterogeneity of Urban Landscape Fragmentation in Changsha Li Xinxin (College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,China) Abstract:The landscape fragmentation is a state that landscape transform single,homogeneous,continuous to complex,al— ienated,discrete one.Spatil hetaerogeneity is the cause of the spatial landscape pattern.The spatial heterogeneity of landscape fragmentation has scale dependence.In this study,on the basis of the interpreted land use maps from RS imagery,we follow the idea“scale—pattern—process”and analysis the metropolitan area spatial heterogeneity in Changsha.The study mainly include the response of diferent grain and range and the appropriate scale,the spatil heterogeneiaty under typical scale,and the coupling mechanism of landscape fragmentation and urban ecosystem.Research shows that:(1)According to the spatial heterogeneity anal— ysis of Changsha metropolitan area,we choose 60 meters as a Intrinsic observation scale,and 1200 meters as a Ideal characteristic scale;(2)The spatila pattern of landscape fragmentation in urban area is complex;(3)The spatil aheterogeneity of landscape frag— mentation is seriously influenced by human factor interference,and has a positive correlation with the socil develaopment. Key words:landscape fragmentation;spatil hetaerogeneity;scale;Semi variation function;Spatial autocorrelation 景观破碎化是主要表现为斑块数量增加而面积 探究景观结构与自然生态过程和社会经济活动关 系、研究景观功能以及城市可持续发展具有重要的 现实意义 J。 减小,景观由单一、均质、连续的整体趋于复杂、异 质、离散的斑块集合。景观异质性是景观结构随机 和非均匀的空间分布,是空间景观格局产生的原 因…。随着城市化进程的进一步加快,城市景观破 碎化情况越来越严重,分析破碎化的空间异质性对 目前许多学者对空间异质性进行了大量的研 究,主要集中在以下几个方面。在研究尺度方面,岳 文泽认为对上海而言1 km幅度范围是比较好的空 间研究尺度 ;陈命男认为上海市150 m粒度水平 收稿日期:2016—10—28 基金项目:国家自然科学基金项目(41071097) 作者简介:李昕听(1992一),女,硕士在读,主要从事城乡规划与人文 地理方面的研究。 和2 km幅度水平是上海陆域范围景观格局变化的 合适尺度 J。研究对象多集中于森林景观l6]、山地 景观l 、农业景观、湿地景观、以及流域和黄土高原 ・37・ 第42卷第1期 2017年1月 李昕昕・长沙城市景观破碎化空间异质性研究 Vn1.42 N0.1 Jan.2017 等方面,但是对于城市内部空间破碎化研究并不多 见。而在城市研究中多为沿海发达城市,如上海、北 京、广州,对中西部地区城市研究少之又少。中西部 地区目前正处于城市化快速进程中,城市形态和结 采用2005年SPOT5 10 m多光谱影像数据和 2010年ALOS 10 ITI多光谱影像数据作为数据源。 首先对原始影像进行预处理(包括几何校正、去云、 去阴影、图像增强等),然后根据景观分类体系,采 用监督分类和人工目视解译相结合的方法,结合长 沙市土地利用现状图对遥感影像进行调整和纠正, 构处于剧变期,城市扩张和用地碎化愈发严重,适时 地规划将会对城市发展起到举足轻重的作用。 长沙作为湖南的省会城市,处于国家城镇化两横三 纵格局中长江横轴和京广纵轴的结合点,是国家 “一最终获得研究区土地利用分类信息数据库。在数据 源中裁剪出带矢量数据的都市区范围,根据研究需 要,最终将都市区分为建设用地(居住用地、工矿交 通)、农田(耕地、园地)、绿地(草地、灌丛)、林地 带一部”战略核心区域。 基于此,本文选择长沙市都市区范围作为研究 区,在遵循“尺度——格局——过程”的思路基础 上,采用景观指数和半变异函数方法对不同粒度和 幅度下景观破碎化空间异质性特征进行比较分析得 到合适的研究尺度,进而对长沙市景观破碎化的空 间格局和空间异质性展开研究,最后剖析了景观破 (针叶林、针阔混交林、阔叶林)、水体(河流、湖泊、 沼泽)、未利用地等六类。 2.2研究方法 2.2.1景观破碎化指标(见表1) 2.2.2空间异质性指标 碎化与城市生态系统的耦合过程。 采用综合性指标半变异函数来揭示空间异质性 1研究区概况 长沙市都市区,位于湖南省东部偏北,湘江下游 和长浏盆地西缘。根据《长沙市城市总体规划2003 —和空间依赖性。其研究对象为区域化变量,也即在 空间分布的变量,具有随机性和结构性两方面变化。 半变异函数定义为: 1 Ⅳ( ) 2020(2014修改)》中确定的范围,包括长沙市五 区、望城区的5个镇和长沙县的8个镇,总面积 1 930 km 。长沙市都市区处于湘江和浏阳河交汇 ( ) 南= z( )一z( )] h为空间两个样本点之间的距离,z( )和 Z( 十 )分别表示区域化变化Z( )在相距h的 的河谷台地,经地质变化和大自然的侵蚀,形成南高 北低、丘涧交错、红岩白沙的地貌特征。属典型的红 壤丘陵区,海拔高程在23.5 in~1 607.9 In之间。 水资源丰富,以地表水为主。长沙又称“星城”,以 岳麓山为背,湘江、浏阳河为带,以橘子洲为代表的 洲岛构成城市项链,形成独特的“山水洲城”景观。 两个样本点的观测值,Ⅳ( )为样本对总数。有4个 主要的参数,分别是块金值co、基台值co+C、变 程Ao及分维数Fractal dimentiono块金值表示随 机部分(测量误差或由于所选尺度大于本征尺度 造成)引起的空间异质性;基台值表示区域总空间 差异性;块金基台比值反映了随机部分引起的空 2研究方法 2.1数据来源与处理 间异质性占总空间异质性的比重。另外半变异函 数还具有各向同性和各向异性,用分维数来表示。 表1景观破碎化指标 ・38・ 20I7年1月 第42卷第1期 李听昕-长沙城市景观破碎化空间异质性研究 Vo1.42 No.1 Jan.20l7 3结果与分析 3.1 研究区景观基本特征及变化情况 该地区较大面积的景观类型是农田,从2005年 到2010年面积占比由43.71%变为40.74%,减少 格局图进行重采样,将原栅格图粒度上推到20 m, 40 m,60 m,80 m,100 m,120 m,140 m,160 m,180 m,200 m,得到10个不同分辨率的景观格局栅格网 层。在Fragstats 4.2中进行景观指数的计算,得到 景观指数随粒度的变化趋势(见图2)。 由图2可以看出,随着粒度增大,原先较小的斑 块被较大斑块吞并,斑块密度逐渐减小;融合为更完 整的地块,斑块面积增大,则有效粒度面积也增大, 了559.17 km ;其次是绿地面积占比约为25%,5年 间略有增加;建设用地面积增加了590.89 km (见 图1);其他景观类型面积较小,变化不大,均未超过 总面积的6%。 聿利用地l 景观的破碎化程度随之变小;在吞并过程中,更多斑 块连为一体,景观连通性好,则蔓延度指数下降 面 积加权平均斑块分维数FRAC—AM反映斑块的形状 简单还是复杂;FRAC—AM变小说明随着粒度增大, 绿地 I 毫设用地 永体l 番# 斑块形状受人类行为影响逐渐趋于规则化。如此看 来,长沙市景观破碎化对粒度变化的响应符合尺度 200 400 60O 800 ・・800・-600—・400—-200 0 推绎的一般规律,各种景观破碎化指数的变化都具 有尺度依赖性。 这四个指数中0 m~60 m范同内变化都比较平 图I 2005年一2010年间都市区景观类型净转换(km ) 3.2景观破碎化空间变异的尺度依赖性 3.2.1 景观破碎化对粒度的响应 稳,而在60 m以后出现了变大或变小的趋势,60 m 对长沙2010年的遥感影像数据,进行“粗粒 化”,即把小尺度的结果外推到较大尺度。采用 ArcGIS10.2的Data Management Tool模块下的Resa— mple工具,对分辨率为10 m的长沙市土地利用景观 粒度前后变化特征差异显著。因此,本文认为,在利 用原始分辨率10 m的SPOT影像进行长沙市景观 破碎化分析时,60 m粒度是长沙的一个本征观测尺 度。在研究中,粒度选择最好要大于60 m 图2景观破碎化指数对粒度的响应 3.2.2景观破碎化对幅度的响应 效粒度面积为例),并赋值给中心栅格形成景观指 数栅格图。为避免非整数个像元带来数据处理的麻 烦,故选用60 m的倍数作为移动窗口尺寸大小,白 300 m开始,每增加300 m等级进行考察,到3 000 m ・在已确定的粒度水平下,利用景观分析软件 Fragstats 4.2中的Moving Window从研究区左上角 开始一格一格地移动,计算景观指数值(本文以有 39・ 第42卷第1期 2017年1月 李昕听・长沙城市景观破碎化空间异质性研究 V01.42 Nn1 Jan.2017 为上限。然后借助ArcGIS10.2生成5 000个随机样 点,并将栅格单元上的破碎化指数赋值给随机点;最 间变异的各向异性。通过半变异函数中分维数来 反映各向异性特征。分维数越大表示景观破碎化 空间异质性越高,反之则越小。根据表2景观破碎 化指数不同方向分维数可以看出,2005年与2010 年空间变异的各向异性特征基本相似,在NW—SE 方向上分维数最小,表明这个方向上景观破碎化 后,利用GS+计算得到景观破碎化指数的半变异函 数值和理论模型,形成长沙市都市区景观破碎化指 数空间变异特征趋势图(见图3),横轴表示不同的 窗口大小,纵轴表示块金值与基台值的比值Co/Co +c,该值表示景观破碎化的空间变异程度,比值越 空间变异程度低,空间格局简单;而在NE—SW、N —高,空间变异程度越高,斑块越不稳定;比值越小,空 间自相关越明显,景观相似度越高,也就越稳定。 s、E—w等方向上分维数大,表明破碎化程度 高,空间分布较为复杂。从时间上来看,2005年到 图3有效粒度尺寸空间变异特征值趋势图 块金基台比值相对稳定时可以反映景观破碎化 的空间变异及其内在尺度特征。图3中景观破碎化 指数随着窗口尺寸先增大后减小,到一定数值后趋 于稳定,即可以进行特征尺度的判定。窗口为600 in和900 in时很不稳定,而在1 200 m之后就比较稳 定,表明该尺度可以反映研究区景观破碎化空间变 异;另外,尺度过大如1 500 m之后会损失过多的空 间信息,故不可取。因此,选取1 200 m作为分析长 沙市景观破碎化的理想特征尺度。 3.3特征尺度下景观破碎化空间格局特征 3.3.1景观破碎化空间分布特征 从2005年和2010年景观破碎化(以有效粒度 尺寸为例)空间分布图可以看出。有效粒度尺寸越 小代表破碎化程度越高,景观土地利用变化剧烈;越 大表示破碎化程度越低,土地利用越单一、连续。景 观破碎化指数高值区和低值区交错分布,中心城区 和东部以及河西岳麓片区用地相对规整,而北部、西 部和东南部较大地区被低值区覆盖,景观破碎化非 常强烈。对比两个时期发现,从空间分布上来看,与 2005年相比,2010年市中心高值区面积增加,主要 分布于中心城区的北部和南部以及河西;而低值区 面积变化不大。 3.3.2景观破碎化各向异性分析 景观破碎化空间异质性除了在区域空间一定 距离上不同,在各个方向上也差异显著,即存在空 ・40・ 2010年不同方向上分维数都不同程度减小,说明 整体上景观破碎化空间差异变小。 表2景观破碎化指数不同方向分维数 以2010年各向异性为例,发现在不同方向上空 问变异明显。在NE—SW、N—S、E—W三个方向上 曲线都呈现先上升后下降、再上升再下降的“双拱 形”,而在NW—SE方向上呈现先上升后下降的“单 拱形”,说明在前三个方向上存在景观破碎化的空 间变异情况,而在后一个方向上景观特征相对较为 连续。同时四个方向上都在达到一定距离后开始下 降,不再表现出空间自相关性,前三个方向的空间自 相关距离最小,大致为21 km。后一个方向上空间 自相关范围最大,约为25 km。 3.3.3景观破碎化空间集聚特征 LISA(10cal Indicator of Spatial Association)是 Anselin于1995年提出的,用来检验在局部区域是 否存在相异或相似的观察值聚集在一起,LISA表示 区域与其邻域之间的关联程度。用散点图来表示时 可分为5类,在通过显著性检验的空间集聚点对中, HH表示高值点被高值点包围,LL表示低值点被低 值点包围,HL表示高值点周围低值点居多,LH即为 低值点周围高值点居多。 通过各年的景观破碎化指数LISA值,并在z检 验(P≤0.05)基础上绘制LISA集聚分布图。在通 过显著性检验的集聚点对中,HH、LL类型代表空间 异质性集聚的正相关,表现为空间格局呈聚合特征, 说明该区用地单一,破碎化不明显;HL、LH类型表 2017年1月 第42卷第1期 李昕昕・长沙城市景观破碎化空间异质性研究 V0I_42 No.1 Jan.2017 示空间异质性集聚的负相关,表现为空间格局呈离 散特征,说明破碎化特征明显。2005年HH型主要 中心城区及北部、南部和河西片区用地单一、连续, 聚集性较好;而西部和东南部较大地区用地离散、破 距离大(25 km),空间变异程度低,空间自相关程度 分布于中部地区,东部和东南部也有少量分布;LL 碎。在东南——西北方向上分维数小,空间自相关 型离散地分布于整个区域,尤其是中部偏西北和中 部偏东南地区;HL和LH型分布很少。2010年HH 型和LL型基本与2005年差别不大,HH型在南部 稍有增加。 高;在西南一东北、南一北、东一西方向上分维数大, 空间自相关距离小(21 km),空间变异程度大,空间 分布复杂。 3.4景观破碎化与城市生态过程耦合过程 (3)景观破碎化空间异质性受人为因素干扰影 响大,随经济社会发展呈正相关关系。经济发达地 城市景观是由自然、经济、社会三方面因素共同 影响形成的复杂的巨系统。景观空间异质性是人为 和自然两方面因素共同作用下形成的,并且随着社 会经济发展,人为干扰作用越来越强烈,特定的城市 景观格局形成的生态学过程就是自然——社会—— 经济耦合过程。 从景观破碎化空间异质性来看,对照各向异性 特征分析可知,东北——西南方向分维数最大,是空 间变异较大的区域,这是因为该方向上除城镇建设 用地外,森林、农田、河流等交错分布,土地利用类型 及景观错杂。 从景观破碎化空间分布来看,景观破碎化空间异 质性随经济社会发展呈正相关关系。经济发达地区 已形成连片建设用地,破碎化情况不严重。中心城区 开发较早,河东四区以及星马片区、黄黎组团已形成 一定规模建设用地;河西岳麓片区有国家级4A级景 区岳麓山风景名胜区,是湖南省重点保护地区,拥有 大片森林绿地,用地也相当规整,聚集性较好;5年中 加强了南部暮云片区、北部金霞片区开发建设,空港 组团也在不断完善中。经济欠发达地区土地利用类 型复杂,破碎化严重。中心城区周边地区,包括北部、 西部、东南部较大地区,处于城市化的重要时期,地块 变化剧烈,大面积农田正向城镇建设用地转变,用地 碎化严重。整体上2005年到2010年连续、规整地块 面积增加。 4 结论 (1)景观破碎化空间变异具有明显的尺度依赖 性。由景观破碎化对粒度和幅度的响应特征,认为 长沙市都市区景观破碎化分析中,60 m粒度是一个 本征观测尺度,1 200 m幅度是理想特征尺度。 (2)长沙市都市区景观破碎化空间格局复杂。 区建设用地连片,重点风景名胜保护区岳麓山森林 面积广阔,破碎化程度低;经济发展偏弱地区正处于 加速发展阶段,土地利用类型变化剧烈,破碎化程度 严重。 (4)研究结果一方面从理论上验证了景观破碎 化的尺度依赖性,并且对城市空间布局、城市生态过 程的研究具有重要价值;另一方面从实践上有助于 城市生态系统的结构和功能优化,为合理制定区域 发展规划和提供理论参考和决策依据。但与此 同时,本文对景观破碎化与城市生态过程的耦合比 较粗浅,而且只讨论了生态方面的破碎化,对于社 会、经济方面的破碎化情况还有待继续深入研究。 参考文献: [1]傅伯杰,陈利顶,马克明,等.景观生态学原理及应用 [M].北京:科学出版社,2001:73—106. 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