基于景觀生態(tài)學的黃石市城市綠地系統(tǒng)研究

尹發(fā)能，葉 勇，龍 滿，董元華,張友濤，陳貴兵

(湖北師范學院 城市與環(huán)境學院， 湖北 黃石 435002)

0 引言

景觀生態(tài)學是地理學與生態(tài)學交叉形成的學科，以整個景觀為研究對象，通過能量流、物質(zhì)流、信息流在地球表層傳輸和交換，通過生物與非生物的相互轉(zhuǎn)化，研究景觀的空間構(gòu)造、內(nèi)部功能及各部分直接的相互關(guān)系，探討景觀異質(zhì)性發(fā)生發(fā)展及保持異質(zhì)性的機理，建立景觀的“時-空”模型[1]。隨著景觀生態(tài)學的發(fā)展，人們逐漸把研究的目光轉(zhuǎn)向城市，從景觀生態(tài)學的角度，對城市這一人類活動的中心進行研究[2]。

在城市綠地景觀生態(tài)學中可以將城市綠地景觀劃分為斑塊(Patch)、廊道(Corridor)、基質(zhì)(Matrix)等基本景觀單元。就城市而言，最具有指導意義的是景觀生態(tài)學中的“廊道-斑塊-基質(zhì)”理論。斑塊(Patch)是指與周圍環(huán)境在外貌或性質(zhì)上不同，但又具有一定內(nèi)部均勻性的空間部分，城市綠地景觀的類型、大小、形狀、邊界、動態(tài)及內(nèi)部均質(zhì)程度對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)有特定的生態(tài)學意義[3]。城市綠地斑塊是指公園、花園、庭院、小游園、廣場等點狀空間。廊道(Corridor)是景觀中唯一的線型要素，是不同于兩側(cè)相鄰土地的一種特殊帶狀要素類型。城市綠地系統(tǒng)中的廊道是由規(guī)劃區(qū)內(nèi)的道路綠地、河岸防護林等帶狀綠地組成?；|(zhì)(Matrix)是景觀中分布最廣、連續(xù)性也最大的背景結(jié)構(gòu)。它一般呈面狀，對景觀功能起著重要作用。城市中的基質(zhì)與廊道、斑塊之間沒有嚴格的界限，“基質(zhì)”本身也是由不同大小的斑塊和廊道組成，如居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等[4]。

遙感技術(shù)的應用為城市綠地系統(tǒng)的規(guī)劃提供了技術(shù)支撐，特別是對城市綠化空間的定量研究，使得景觀格局指數(shù)得以高精度的實現(xiàn)。本文以黃石市2010年Landsat ETM+遙感影像為基礎資料，對黃石市城市綠地斑塊信息進行了提取并作出分析和評價，對黃石市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃具有一定參考意義。

在本次研究中，由于使用的Landsat ETM+遙感為30米分辨率，對城市綠地斑塊的提取較為有效，而對于綠地廊道特別是道路綠地信息的提取較為有限，對道路綠地只能提取部分信息。因此本次研究的重點在于城市綠地斑塊，意在運用景觀生態(tài)學原理對其進行量化分析，研究其分布的合理性。

1 研究區(qū)概況

黃石市地處于湖北省東南部，全市現(xiàn)轄黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)、鐵山區(qū)四個城區(qū)及大冶市、陽新縣，總面積4583 km2.市區(qū)形狀呈“入”字形，三面環(huán)山，一面臨江，全境地勢由西南向東北傾斜，地形破碎，局部地方形成不完整的山間盆地，崗地坡度一般較為平緩，沿江一帶標高較低。該區(qū)為典型的亞熱帶東亞大陸性氣候，年均降水量1382.6 mm.在中國植被區(qū)劃上屬于亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，而地帶性植被類型則是亞熱帶常綠闊葉落葉混交林，實際上亞熱帶針葉林占一定優(yōu)勢，還有亞熱帶竹林、灌叢、荒山草地及人為栽種的混合植被類型(街道、公園綠化帶)。

本次研究區(qū)域為《黃石市城市總體規(guī)劃(2001-2020)》確定的黃石市區(qū)，即黃石港、西塞山、下陸、鐵山四區(qū)組成，面積237km2.所用數(shù)據(jù)為國際科學數(shù)據(jù)服務平臺(http://datamirror.csdb.cn/)下載的Landsat ETM+遙感影像(2010-07-07)、黃石統(tǒng)計年鑒、黃石市行政區(qū)劃圖以及《黃石市城市總體規(guī)劃(2001-2020)》等。圖像已經(jīng)過初步的幾何校正和初步輻射校正，利用經(jīng)數(shù)字化的行政區(qū)矢量圖層裁剪出了研究區(qū)的影像。研究中所用軟件包括Erdas9.1、Envi4.1、Fragstats3.3、Arcgis10.0等。

2 遙感圖像的處理及景觀指數(shù)的選取

2.1 最佳波段的組合

本研究采用最佳波段組合法。通常波段選擇應遵循三個原則：1)所選的波段信息量要大；2)波段之間的相關(guān)性要小；3)波段組合對所研究地物類型差異要大[5]，波段的相關(guān)系數(shù)越小，表明各個波段的獨立性越高，信息的冗余度也就越小[6]。用envi軟件生成相關(guān)系數(shù)矩陣，進行波段相關(guān)性分析，求出相關(guān)系數(shù)矩陣如表1所示。由于TM 6波段為熱紅外波段，分辨率較低，本研究中未使用該波段。

表1 波段相關(guān)系數(shù)矩陣表

由相關(guān)性矩陣表可以看出TM1、TM2、TM3具有很高的相關(guān)系數(shù)，TM4比較獨立，TM5和TM7相關(guān)系數(shù)較高。因此，應選擇TM1、TM2、TM3中的一個波段，TM4以及TM5和TM7中的一個波段。由此可以得到6種波段組合情況TM145、TM245、TM345、TM147、TM247、TM347.

研究中運用最佳波段組合指數(shù)法確定組合波段，即用三個波段的標準差及兩兩之間的相關(guān)系數(shù)計算一個最佳指數(shù)因子[7]。

公式中：Si為第i波段的標準差，Rij是第i波段與第j波段之間的相關(guān)系數(shù)。OIF越大，說明波段包含的信息量越大，波段間相關(guān)性越好。表2為OIF指數(shù)表。

表2 OIF指數(shù)表

表2可以得知，TM145波段組合的OIF指數(shù)最大，同時由表1得出的TM145相關(guān)性較低，故最終選擇TM145這三個波段合成假彩色遙感影像來進行綠地信息的提取。

2.2 圖像的解譯和分類

本次研究中主要采用非監(jiān)督分類對遙感圖像中地物進行分類。非監(jiān)督分類不需要人工訓練樣本，僅需要輸入分類數(shù)，計算機按照一定的規(guī)則自動根據(jù)相元光譜或空間等特征組成集群組，然后分析者將每個組和參數(shù)相比較，將其劃分到不同類別中[7]。本文通過非監(jiān)督分類分別將TM145三個波段合成假彩色圖像分為12類、15類、18類、20類，經(jīng)過比較確定分為18類。為消除同物異譜現(xiàn)象和便于景觀指數(shù)計算，通過實地調(diào)查和Google earth對地物進行識別，最終將圖像合并分為6類，即林地、草地、耕地、建設用地、水域、未利用地(見圖1).

圖1 基于遙感影像的2010年黃石市土地利用分類圖

2.3 景觀指數(shù)計算

城市綠地景觀的等級、形狀、大小、質(zhì)量和空間結(jié)構(gòu)的組合是反映城市生態(tài)系統(tǒng)的重要因素之一，它對城市自身的功能結(jié)構(gòu)、生態(tài)平衡、生活舒適度、城市局地氣候具有重大影響。對城市綠地景觀生態(tài)系統(tǒng)空間特征的度量，是城市綠地景觀空間結(jié)構(gòu)研究的深化方向[8]。城市綠地景觀的形狀、大小、分布等對綠地系統(tǒng)的功能發(fā)揮具有重要的作用。通過研究景觀格局指數(shù)，可以對綠地系統(tǒng)的空間布局進行合理有效的量化分析。

本文通過GIS軟件和Fragstats景觀軟件對制作的黃石市綠地分布圖中對草地、林地、耕地三類綠地的景觀格局指數(shù)進行了提取。

根據(jù)黃石市城市綠地系統(tǒng)格局分布的重點和景觀格局指數(shù)的生態(tài)學含義，選取了八個指標，包括斑塊類型面積CA、核心斑塊總面積TCA、總核心斑塊指標TCAI、斑塊平均面積MPS、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)AWMSI、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)AWMPFD、平均最近距離MNN、斑塊類型占景觀面積的比例MPLAND.

表3 2010年黃石市土地利用分類統(tǒng)計表

表4 黃石市各類綠地類型景觀指數(shù)

3 黃石市綠地系統(tǒng)景觀生態(tài)學評價

由圖1和表3、表4中可以看出：1)黃石市綠化覆蓋度較高，2010年植被覆蓋度達45.15%.其中草地、林地、耕地分別占總面積的8.69%、23.01%、13.45%，林地在綠地中分布最多；2)草地、林地、耕地中核心斑塊總面積分別為379.44hm2、3097.44hm2、1089.45hm2，平均斑塊面積分別為0.79 hm2、3.49hm2、1.99hm2，林地核心斑塊所占比例最大，平均面積最大，說明林地的綠化質(zhì)量高，而草地核心斑塊所占比例低，平均面積小，說明綠化質(zhì)量較低；3) 耕地、林地、草地三類綠地的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)分別為1.23、1.21、1.18，草地和林地作為綠地的主體部分，面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)相對較低，說明了林地和草地受人類活動的影像較大；4)耕地、林地、草地三類綠地的平均最近距離分別為63.06m、59.50m、58.61m,表明耕地斑塊較分散，相互間干擾較少，林地、草地斑塊相對較集中，相互間干擾的可能性較大；5) 從土地利用分類圖可以看出城區(qū)內(nèi)部特別是西塞山以上的長江沿岸是一片綠化低值區(qū)，而該地區(qū)居住人口較多，商業(yè)活動頻繁，說明了黃石綠地分布與人口分布不夠協(xié)調(diào)，綠地分布不夠均勻，在人口聚集地區(qū)沒能保證足夠的綠地；6)黃石市綠地主要由東南部和西北部的黃荊山、峰烈山、馬鞍山、大眾山等外環(huán)自然山體構(gòu)成，而生態(tài)內(nèi)環(huán)僅有團城山等少量的小的自然山體，說明發(fā)展過程中對土地開發(fā)強度較大，城區(qū)內(nèi)部自然綠地保留較少，主要集中在外圍。

4 建議

1)在規(guī)劃建設中將黃石市區(qū)的綠地系統(tǒng)作為一個有機整體，注重其系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性，做到各種不同類型、不同功能的綠地合理分布。具體表現(xiàn)為構(gòu)建包括沈下路、陳家灣低強度建設區(qū)和以大尺度開放空間為特征的團城山中心區(qū)在內(nèi)的生態(tài)內(nèi)環(huán)；保護好黃荊山、峰烈山、馬鞍山、大眾山等自然山體圍合的生態(tài)外環(huán)。

2)針對西塞山以上長江沿線城市綠地分布較少現(xiàn)象，建議在舊城改造和城市更新過程中增加廣場綠地、街頭綠地等中小型綠地斑塊，建設長江及沿岸開敞空間生態(tài)區(qū)。城市內(nèi)部按其自然和經(jīng)濟社會條件建設公共綠地和公園，同時在規(guī)劃和研究中注重綠地的服務半徑，為城市創(chuàng)造良好的休閑、娛樂功能的綠地空間。

3)在西塞山區(qū)等工業(yè)區(qū)增加生產(chǎn)綠地，在工業(yè)區(qū)外圍增加防護綠地，以改善自然生態(tài)環(huán)境和保護耕地。

4)注重草地、林地、耕地的綠化質(zhì)量，將三種綠化類型合理分布。在規(guī)劃建設中突出山體林地的軸線，強調(diào)城市與山脈、水域的自然聯(lián)系，以及城市與自然的復合、融合。構(gòu)建以海觀山、磁湖、團城山、青龍山、東方山為主題的山水生態(tài)廊道。

本文以黃石市為例，探討了基于景觀生態(tài)學在城市綠地規(guī)劃中的應用。通過遙感技術(shù)，利用LandsatETM+影像制作了黃石市土地利用分類圖，提取了城市綠地信息并計算了8類景觀指數(shù)。在評價黃石市綠地分布的過程中，運用景觀生態(tài)學原理，進行了科學合理的評價，并對綠地系統(tǒng)規(guī)劃提出了自己的建議。但本次研究中由于水平和時間有限，對綠地指標的獲取不夠，對綠化樹種的選取未給出意見，這有待在今后的研究中進一步提高。

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