李晓谦, 周雷, 孙子程, 宋有涛,2,*

1. 辽宁大学环境学院, 沈阳 110036

2. 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016

基于TM影像的沈阳市城市景观格局变化分析

李晓谦1, 周雷1, 孙子程1, 宋有涛1,2,*

1. 辽宁大学环境学院, 沈阳 110036

2. 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016

利用1992年和2013年Landsat TM数据, 在遥感与GIS平台支持下, 采用景观格局和梯度分析相结合的方法来分析沈阳市城市化进程中景观格局变化。研究结果表明, 1992—2013年, 沈阳市城市景观格局总体变化明显, 城镇用地增长 10.97%, 农业用地减少 9.95%, 水体、道路、绿地变化幅度较小。整体景观格局破碎化程度有所下降, 斑块密度、边界密度、Shannon多样性均有所下降, 蔓延度升高。在样带梯度分析中, 以斑块密度为基础的几种景观指数能检测出城市化梯度和程度不断向郊区递减, 在空间上, 呈现出农村-城乡交错带-城市-城乡交错带-农村的变化特征,在时间上, 中心城区的景观破碎化降低, 城乡交错带景观破碎化升高。景观格局变化分析为了解城市化过程中城市形态、结构和生态过程提供依据和参考。

城市化; 景观格局变化; 梯度分析; 景观指数; 沈阳市

1 前言

城市作为特殊的土地利用类型, 是人类对自然环境干扰最强烈的地方[1]。城市化研究受到学者们的高度重视, 1923年的同心圆学说、1939年的扇形学说、1945年的多核心学说, 都是地理学家、经济学家和社会学家对城市化的深入研究[2]。城市化深刻地影响着全球的自然景观, 从而影响生态系统的可持续发展[3]。例如： 城市扩张所导致的景观变化有效影响着生物多样性, 能量流动和物质循环[4-5]。因此, 理解城市化的空间格局及其对生态过程的影响对促进城市的可持续发展、土地利用规划和城市生态格局建立是非常重要的[6-8]。McDonnell and Pickett提出了用城乡梯度法来研究城市生态系统[9],这种方法进一步与景观格局指标相结合[2]。景观指标和梯度分析被广泛应用于表征城市化结构且能够进一步理解城市生态过程[10-11]。基于景观格局指数的梯度分析是研究城市化进程的有效手段[12-13], 能够显示城市样带在空间上的分布规律, 被广泛用于城市-乡村的空间梯度分析[14-15]。近年来, 很多研究人员对城市景观格局演变以及所带来的生态效应研究非常重视, 定量研究景观格局成为景观生态学中重要的研究方向[16-17]。

沈阳市从 1992年至今进行快速城镇化进程, 城镇建设用地扩张, 影响城市的生态过程, 整个景观格局发生了变化。穿过市中心延浑南-沈北轴线上的梯度变化明显。通过分析沈阳市景观格局在时间和空间上的变化, 了解 20年来城市格局的变化, 为今后深入研究土地利用结构和城市生态管理提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区为辽宁省沈阳市市辖区域, 该区域以平原为主, 浑河为流经市内的主要河流, 沈阳市是东北地区的经济、文化、交通和商贸中心, 随着经济和社会快速发展, 城市建设用地快速扩张, 城市景观格局也发生了明显的变化。

2.2 材料准备与处理

以1992年和2013年2幅TM Landsat-5影像作为信息源, 在ERDAS IMAGINE 9.2平台支持下, 进行几何校正, 并用沈阳市行政区划边界对影像进行切割, 得到研究区域图像。参照《城市用地分类与规划地标准》, 在ArcGIS10.1的支持下进行目视解译和屏幕数字化, 将影像分成水体、道路、城镇用地、绿地、农业用地这5类土地, 得到 1992和2013年沈阳市土地利用矢量数据, 进而将矢量数据转换成栅格数据, 用FRAGSTATS3.3进行景观格局指数分析。沈阳市土地利用图见图1。

2.3 研究方法

采用景观格局分析和梯度分析相结合的方法,梯度分析近些年被广泛应用与城市景观格局变化分析[18-19]。延浑南-沈北方向设立一条贯穿市中心的西北-东南方向长41 km、宽5 km的矩形样带, 分析城乡梯度上的变化, 采用移动窗口法, 延样带设置13个样方, 大小为5 km×5 km, 将市中心所在样方的中心记为0 km点, 其他样方根据中心到0 km点的距离表示, 向南为正, 向北为负。

景观格局指数能够准确反映景观格局的相关信息, 是景观生态学界广泛使用的一种定量研究方法[20-21]。本文根据研究需要, 选取如下几种指标, 见表 1。

图1 1992年和2013年沈阳市土地利用分类及研究样带示意Fig. 1 Land use map and studied transect of Shenyang City

表1 景观格局指数Tab. 1 Description of landscape metrics

3 结果与分析

3.1 沈阳市总体景观变化

从图2可以看出, 沈阳市以农业用地为优势景观, 其次是城镇用地。1992年, 沈阳市农业用地占总体景观的74.15%, 城镇用地占总体景观的11.76%。而到2013年, 农业用地占总体景观的比例为64.2%,比1992年下降了9.95个百分点, 城镇用地由1992年的11.76%增加到2013年的22.73%, 增加了10.97个百分点。水体、道路、绿地所占景观比例相对较小, 1992年到2013年, 水体和道路景观均有小范围的增加,而绿地景观变化幅度也较小, 虽然20年来林地景观面积减少, 但由于城市绿地景观面积的增加, 导致整个绿地景观的面积变化幅度不大。综上可见, 1992年至2013年沈阳市城市化水平显著提高, 大量农田被开发成城镇用地, 道路交通日益密集。

从景观水平上的指数来看(表 2), 2013年沈阳市斑块密度、边界密度、Shannon多样性指数均有所下降, 而蔓延度则有所上升, 平均分维数基本上变化不大。斑块密度、边界密度和蔓延度主要反映景观的破碎化, 斑块密度、边界密度越大, 蔓延度越小,则景观破碎化越高。Shannon多样性主要反映景观类型多样性的大小, 一般来说, 景观破碎化程度越高,该指标越大。平均分维数意味着斑块的自相似程度,从一定程度上反映了人类活动对斑块的影响程度,平均分维数越少, 表示斑块形状相似性越小, 形状越来越不规则。这5个指标从不同方面反映沈阳市景观格局城市化进程中的变化情况, 从1992年到2013年, 斑块密度、边界密度较少, Shannon多样性指数减少, 蔓延度升高, 反映了20年来沈阳市整体景观破碎化程度成下降趋势。

图2 1992年和2013年沈阳市景观类型面积Fig. 2 Areas of landscape types in Shenyang City in 1992 and 2013

表2 1992和2013年沈阳市景观水平格局指数Tab. 2 Landscape-level indices in Shenyang City in 1992 and 2013

3.2 景观格局在样带上的变化

通过类型水平指数和景观水平指数来分析沈阳市城区样带梯度的景观组成和结构, 探讨景观格局和城市化的关系。

从类型水平上来看, 选取城镇用地和农业用地这两个主要景观的景观面积和斑块密度这两个指数,来分析它们在时间和空间上的变化。由图3可以看出,农业用地的面积基本上随着与市中心距离的增加而上升, 而城镇用地则相反。除了距市中心较近的区域(-3 km到3 km), 由于绿地和道路景观的增加, 城镇用地有小幅度的减少, 基本上随着与市中心距离的增加而上升。1992年, 从市中心向南北两侧距中心3 km之间, 农业用地面积很小, 而在小于-3 km和大于3 km处农业用地大幅增加, 2013年, 距市中心-6 km和9 km之间农业用地面积很小, 小于-6 km和大于9 km农业用地大幅增加, 农业用地的变化体现出沈阳市城市化不断向南北两侧郊区推移的过程。从市中心延样带向南北两侧城镇用地斑块密度表现为先上升后下降, -6 km到6 km的区域, 虽然由于道路的切割使得城镇用地较为破碎化, 但是毗邻景观的相似程度很高, 斑块面积大而集中, 使得该区域斑块密度2013年反而低于1992年。农业用地斑块密度在距市中心较远的郊区斑块密度大幅度上升, 1992年农业用地斑块密度最大值出现在-9和9 km处, 而2013年则出现在-12和12 km处, 同样反映出城市化不断向郊区推移的过程。由类型水平分析可以看出, 由中心城区到郊区景观组成由以城镇用地为主转变成以农业用地为主。

图4为延样带西北-东南方向13个样方景观水平上的指数变化。各指数的变化反映出不同城市化地区景观格局的不同。从图中可以看出, 沈阳市自市中心向南北两侧大致形成了城市-城乡交错带-农村的景观梯度带。景观斑块密度自市中心向南北两侧表现为先变大后变小的趋势, 城乡交错带大于市中心, 这是由于虽然城市中心地带景观破碎化较高,但城镇用地斑块占主导地位, 比邻城镇用地斑块由于相似度较高从而聚合成较大斑块, 景观聚集度仍较高。在市中心及距市中心较近区域, 景观斑块密度、边界密度、Shannon多样性指数呈下降趋势, 平均分维数、蔓延度呈上升趋势, 说明市中心城市斑块变得聚合, 多样性下降。而在城乡交错带, 景观类型增多, 各类景观区分性较好, 反映出较好的破碎化现象。在农业区, 农业用地占主导地位, 比邻农业用地因相似度较高而形成较大的斑块, 所以农业区的斑块密度也相对较低。1992年斑块密度峰值出现在-6 km和9 km的位置, 而2013年斑块密度峰值出现在-9 km和12 km的位置, 由此可见, 沈阳市的城市化进程不断向郊区推移, 南北两侧的推移速度大致相同, 峰值的变化在其他景观指标中也得到了相应的体现。

图3 1992和2013年沈阳市样带梯度上景观类型Fig. 3 Landscape types along the transect in Shenyang City in 1992 and 2013

4 结论

沈阳市土地利用20年来发生了较大的变化, 城镇用地增长10.97%, 农业用地则减少9.95%, 水体、道路、绿地均有小幅的增长。空间上, 自市中心向南北两侧呈现出城市-城乡交错带-农村的变化特征。从1992年到2013年, 景观斑块密度、边界密度、多样性指数下降, 而蔓延度则升高, 总体上景观破碎化成下降趋势。

在所选取的优化样带上景观梯度变化明显, 能够充分体现城市化扩张所带来的景观格局的变化。具体表现为： 城镇用地多样性低、斑块较大、聚集程度高; 城乡交错带中城镇用地和农业用地面积比例相差较小, 景观类型复杂, 景观破碎化明显, 多样性高, 聚合度低; 农业用地反映出和城镇用地相一致的趋势。

城镇化使城市绿地景观特别是主城区绿地面积增加。研究表明, 城市景观中绿地斑块平均面积越大、破碎度指数越低, 其对大气污染净化的作用越大[22]。城市中绿地的空间分布对改善城市大气污染,尤其是城市固体颗粒物浓度、空气环境质量方面均有较好效果[23]。城市绿地景观在改善城市环境质量、提高人居环境舒适度方面起到了重要作用。同时,农村城镇化能减少农业水土资源流失、草原过度放牧等问题, 实现人口、资源与环境的良性循环, 实现经济可持续发展。

但随着社会经济发展、人口急剧增长和城市扩张, 生态用地在不断流失[23], 大面积农田转化为城镇用地造成景观破碎化, 导致景观连接度降低, 阻碍物质、能量的自然流通, 从而影响生物多样性[24],表现为人工外来物种的增加和自然物种的减少。边振兴等人研究了沈北新区城市扩张对农田生态系统中土壤动物的影响, 他们发现在农田受人为干扰最为强烈的城乡交错带上, 土壤动物个体数量最少,物种多样性最低[25]。城市化还会导致热岛效应, 大气环境、水环境的恶化, 生态用地流失和区域生态环境恶化等诸多问题。经过多年治理, 目前蒲河沈北段水质已达国家Ⅲ类标准, 而辽河和浑河沈阳段水质质量较过去也有明显好转, Ⅴ类和劣Ⅴ类水体减少, 但随着城镇化的继续进行, 沈阳市地表水水质状况依然面临着严峻考验。协调好城市规划与生态环境保护变得尤为重要。

景观格局与梯度分析相结合能充分体现出城市化前沿, 沈阳市城市化水平自市中心不断向南北郊区延伸, 目前浑南新区已形成大学科技城、沈抚新城、浑南国际新兴产业园区等 7大功能区, 沈北新区已形成辉山经济区、道义经济区、沈北新城等 8大功能区, 未来沈阳市还将继续进行南北区域的城市化扩张, 浑南、沈北仍将是今后几年沈阳市发展较快的区域。在开发土地资源, 进行城镇化的同时,要协调好建设用地、绿地、耕地、水体之间的关系,不断优化现有土地利用结构, 充分考虑生物多样性,确保生态-社会-经济的和谐统一[26]。

图4 1992和2013年沈阳市样带景观水平上指数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

浑河流域沈抚段水生态建设与功能修复技术集成与示范项目(2014ZX07202-011)

李晓谦(1990—), 男, 辽宁沈阳人, 硕士研究生, 主要从事景观遗传学研究, E-mail： lxqian111@163.com*通信作者：宋有涛, 男, 教授, 主要从事景观生态和景观遗传学研究, E-mail： ysong@lnu.edu.cn

李晓谦, 周雷, 孙子程, 等. 基于TM影像的沈阳市城市景观格局变化分析[J]. 生态科学, 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.