基于遙感的珠海市景觀變化梯度分異研究*

楊一鵬，孫皓銘，郭 濼，丁 超

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094;2.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081;3.北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計學(xué)院，廣東深圳 518055）

景觀空間結(jié)構(gòu)是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列，它是景觀異質(zhì)性的重要表現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上相互作用的結(jié)果。景觀組分的時空異質(zhì)性、時空相關(guān)性、規(guī)律性制約和影響著景觀中生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)等各種生態(tài)過程［1－3］。城市是受人類活動干擾最為劇烈的生態(tài)系統(tǒng)，它的發(fā)展是人類社會的必然趨勢［4－5］。區(qū)域城市化是城市擴展的影響過程，其實質(zhì)是區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)向城市生態(tài)系統(tǒng)不斷轉(zhuǎn)化的過程。這一過程在快速城市化條件下導(dǎo)致城市景觀結(jié)構(gòu)劇烈變化，地表生態(tài)環(huán)境容量下降［6］，城市景觀組分在不同水平下發(fā)生劇烈變化。不同景觀組分之間復(fù)雜的相互作用除受城市建設(shè)用地擴張的影響外，還受自然資源環(huán)境條件、區(qū)域生產(chǎn)經(jīng)營、生態(tài)保護和生態(tài)環(huán)境容納量等因素的綜合制約［7－9］。

城市化是影響生物多樣性和人類生活的最明顯的土地轉(zhuǎn)化形式，推動了城市形態(tài)的形成及其快速演化。城市化過程中城市活動的復(fù)雜性和多變性引發(fā)了土地資源的劇烈變動，導(dǎo)致了景觀破碎度增加、生態(tài)功能下降、土地資源短缺等一系列問題，因此，理解城市化所帶來的景觀空間特征的變動，掌握城市景觀格局及其動態(tài)變化規(guī)律對于促進城市的可持續(xù)發(fā)展、進行土地利用規(guī)劃和建立安全的城市生態(tài)格局等應(yīng)用和研究越來越重要［10－13］。在城市生態(tài)學(xué)中，把空間格局和生態(tài)過程聯(lián)系起來，理解兩者之間的關(guān)系以及城市化所帶來的生態(tài)后果，成為研究的重要目標(biāo)和內(nèi)容?；诰坝^指數(shù)的梯度分析法能夠?qū)ν怀鞘胁煌瑫r期的土地或景觀動態(tài)變化定量分析，是將格局和過程聯(lián)系起來分析的基礎(chǔ)，國內(nèi)外的學(xué)者也進行了大量的研究［14－18］。從景觀生態(tài)學(xué)來看，城市是人地關(guān)系相互作用形成的最高地域生態(tài)系統(tǒng)，是目前受人類活動干擾最為劇烈的生態(tài)系統(tǒng)，它的發(fā)展是人類社會的必然趨勢［19－20］。城市景觀結(jié)構(gòu)的主要特征主要表現(xiàn)為景觀高度破碎，道路廊道縱橫交錯。同時，城市也是一個復(fù)雜的動態(tài)的大系統(tǒng)，它內(nèi)容相當(dāng)廣泛，不僅包括生產(chǎn)、消費、流通等空間現(xiàn)象和空間過程，也包括造成空間現(xiàn)象的非空間過程。城市化無論在全球、區(qū)域及地方尺度都是對環(huán)境造成巨大影響的人類活動之一。

本文以珠海市城區(qū)為研究區(qū)，以1995，1999，2005和2010年4個時期的遙感影像分類圖為數(shù)據(jù)源，通過對以城市中心區(qū)為起點17條環(huán)狀梯度帶和兩條不同方向空間樣帶的梯度移動計算，分析珠海市城區(qū)由中心向外圍的擴展中景觀的梯度變化性和方向性以及珠海城區(qū)的城市形態(tài)特征和城市化效應(yīng)，研究珠海主城區(qū)景觀時空特征的梯度變化，對于合理規(guī)范城市的發(fā)展，綜合考慮區(qū)域發(fā)展和生態(tài)保護，確保城市發(fā)展整體規(guī)劃建設(shè)的整體性和可持續(xù)性都有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

珠海市位于廣東省南部，珠江口西岸，北緯21°48'－22°27'、東經(jīng) 113°03'－ 114°19'之間，下轄香洲、斗門、金灣3個行政區(qū)，共15個鎮(zhèn)和8個街道，總面積7653 km2，其中陸地面積1687 km2。瀕臨南海，東與香港水路相通，南與澳門陸地相連，西鄰新會市、江門市，北與中山市接壤，距廣州140 km。依山傍海，海上島嶼星羅棋布，有大小近海與遠海島嶼144個，有“百島之城”的美稱。珠海市的主城區(qū)位于香洲區(qū)，總面積252 km2，轄獅山街、梅華街、翠香街、吉大街、前山街、拱北街、香灣街、灣仔街、唐家灣鎮(zhèn)和南屏鎮(zhèn)等10個鎮(zhèn)級行政單位，獅山街是珠海市政府駐地，梅華街是香洲區(qū)行政中心，構(gòu)成的中心城區(qū)是珠海市的經(jīng)濟、文化和政治中心。屬亞熱帶海洋氣候，溫暖濕潤，森林以常綠季雨林和季風(fēng)性常綠闊葉林為主，地勢自西北向東南傾斜，地貌主要為低山丘陵，將軍山系坐落于主城區(qū)南部，鳳凰山、南山和蜈蚣山等山體分布于主城區(qū)北部。珠海市東、南兩面瀕臨南海，其氣候特點是溫暖濕潤，是降水資源和熱量資源都較豐富的區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源與提取

本研究采用的資料主要包括:珠海市統(tǒng)計年鑒，數(shù)字地形圖、1995年10月，1999年11月，2005年1月Landsat－TM/ETM影像以及2010年12月Quick Bird高分辨率遙感影像。為了獲得準(zhǔn)確的遙感解譯訓(xùn)練區(qū)信息，于2009年10月和2011年3－4月結(jié)合實地GPS定位，進行了兩次野外調(diào)查。利用Erdas8.6進行了圖像預(yù)處理 (輻射校正，幾何糾正，圖幅裁剪和重采樣)，為增加反映城市化進程的元素，減少劃分過細帶來的數(shù)據(jù)冗余和細節(jié)干擾，以自然屬性的相似性和人為利用方式下的趨同性為原則確定了以下8種景觀類型:城建用地(包括城鎮(zhèn)用地、鄉(xiāng)村居民點和工業(yè)用地等)，林地，裸地，水體 (包括湖泊、池塘、河流、水庫)，農(nóng)田，道路，灌草叢和灘涂。遙感圖像的分類結(jié)果已進行精度檢驗。

1.3 梯度分析的方法

1.3.1 梯度緩沖區(qū)的建立 本文采用梯度分析與景觀指數(shù)相結(jié)合的方法，以城區(qū)中心為輻射原點，向外輻射建立梯度帶，研究城市景觀格局由市中心向城市邊緣的變化規(guī)律。以珠海中心城區(qū) (獅山街、翠香街和梅華街)為中心建立第一個梯度環(huán)，建立多環(huán)緩沖區(qū)功能，以第一個梯度環(huán)為基準(zhǔn)，以3 km為間隔，向外擴展共生成17個梯度環(huán)，由中心向外，分別為第1，2……17梯度帶，梯度環(huán)帶在研究區(qū)的分布見圖1。

1.3.2 空間樣帶的建立 根據(jù)主城區(qū)的形狀特征，在西北 (NW)和西南 (SW)兩個方向上選取5km寬的樣帶，移動窗口為5 km的正方形，以中心城區(qū)為起點 (零點)，以1 km為移動步長向兩個方向移動，得到一系列樣方 (樣帶見圖2)。以1 km為步長進行滑動的計算方法類似于時間序列的平均移動，用分割窗口沿著所選樣帶移動，計算每個窗口內(nèi)的景觀指數(shù)，利用相關(guān)格局指數(shù)的空間變化規(guī)律分析研究區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)特征和由中心城區(qū)向外圍的景觀特征梯度變化規(guī)律。

本文選取景觀類型百分比 (PLAND)、斑塊密度 (PD)、平均斑塊面積 (AREA_MN)、最大斑塊指數(shù) (LPI)、形狀指數(shù) (SHAPE_AM)和多樣性指數(shù) (SHDI)來進行空間梯度變化的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 珠海市景觀格局環(huán)狀梯度帶變化的分析

2.1.1 景觀類型變化的梯度帶分析 珠海市景觀類型的面積百分比隨梯度帶的變化規(guī)律較為復(fù)雜，15年來全區(qū)農(nóng)田、林地、灌草叢和城鄉(xiāng)建設(shè)用地四個景觀類型的面積相對較大，其變化特征顯示出梯度差異。隨著時間的變化，城市擴展反映在景觀類型的梯度變化上的差異更加明顯，2010年景觀類型的梯度變化具有代表性 (見圖3)。受珠海市邊界形狀的影響，梯度帶的面積變化規(guī)律不明顯，第1－6梯度帶面積較小，第6帶后大幅度增加，在第12帶處達到最大值，12帶以后梯度帶面積逐漸減小。第1－3梯度帶位于中心城區(qū)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地比例最大，成為梯度帶中的優(yōu)勢景觀，隨著遠離市中心呈逐漸下降的趨勢，在第9帶又出現(xiàn)一個小峰值，因為斗門區(qū)和金灣區(qū)行政中心都分布在此處;農(nóng)田面積在前8個梯度帶內(nèi)增幅度較大，8－16帶呈小幅度波動變化，第15－16帶中農(nóng)田面積最大，占主導(dǎo)地位，在第17帶，由于梯度帶穿過南水鎮(zhèn)的島嶼林帶致使農(nóng)田比例低于林地;林地在1－5帶因穿過唐家灣鎮(zhèn)和主城區(qū)南面的大面積林帶而成為盡次于城市用地的優(yōu)勢景觀類型，在第8帶中面積比例最少;灌草叢的面積隨著城區(qū)距離的加大而增大，由于周圍小鎮(zhèn)的發(fā)展建設(shè)，其面積在第6帶處下降，之后逐漸增加;水體受自然分布的影響，在第8帶處穿過大片河口水域，面積比值最大;裸地、道路比例較低，比例分布差距較為緩和，灘涂是因海河產(chǎn)生的景觀類型，分布聚集，僅在第8、9帶中有大量分布。

圖3 2010年景觀類型面積百分比的梯度變化Fig.3 The gradient changes of landscape type acreage ratio in 2010

2.1.2 景觀格局變化的梯度帶分析 1995－2010年景觀指數(shù)沿梯度帶的分異特征變化曲線見圖4，從第1梯度帶的中心城區(qū)向外一直延伸到第5梯度帶，斑塊密度均呈上升趨勢，平均斑塊面積呈下降趨勢，第1－5梯度帶位于主城區(qū)香洲區(qū)內(nèi)，斑塊密度的上升與城市化的集聚化有密切關(guān)系，在中心城區(qū)即第1帶，城鄉(xiāng)建設(shè)景觀面積很大，為主導(dǎo)景觀，隨著到中心城區(qū)距離的增大，各景觀類型混雜，人工斑塊多且面積較小，使斑塊密度增大，破碎化程度增大。第5－7帶斑塊密度下降，平均斑塊面積上升，第9－14帶，斑塊密度和平均斑塊面積的變化均較為穩(wěn)定。由此可推斷出第6－8梯度帶為城市景觀破碎度下降的過渡帶。四個時期相比，1－14梯度帶變化趨勢基本一致。第14－17帶主要位于平沙鎮(zhèn)和乾務(wù)鎮(zhèn)內(nèi)，1995年兩鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展較弱，城鎮(zhèn)建設(shè)用地等類型較為分散，以農(nóng)田為主，1999－2005年，農(nóng)田和灌草叢大量減少，裸地、道路建設(shè)用地增加，斑塊破碎，2010年，建設(shè)用地開始集中，裸地減少。景觀聚集度指數(shù)在四個時期的變化趨勢基本一致，因為第4梯度帶林地面積較大，且15年來變化較小，所以景觀聚集度也較低，沒有明顯波動。

圖4 景觀指數(shù)沿梯度帶的分異特征變化曲線 (1995，1999，2005，2010年)Fig.4 The change curve of landscape index variation along gradient zones in 1995，1999，2005，and 2010

1995－2010年的形狀指數(shù)在第2和第8帶存在明顯的峰值，指數(shù)變化基本為上升趨勢，至15帶以后逐漸下降。1995年和2010年景觀多樣性指數(shù)在1－8帶呈下升趨勢，而1999年和2005年景觀多樣性指數(shù)在1－8帶呈上升趨勢，是由于1999和2005年是珠海城市化的快速發(fā)展階段，城市景觀類型變化大，而1995城市化沒有大范圍進行，2010城市發(fā)展相對穩(wěn)定，造成不同時期在空間上的差異。

2.2 珠海市城區(qū)樣帶梯度變化的分析

2.2.1 西北方向 (NW)樣帶景觀格局的梯度變化 西北樣帶景觀指數(shù)沿方向梯度分異特征變化曲線見圖5，四個時期的多樣性指數(shù)隨著遠離中心城區(qū)，總體上呈先下降后上升再下降的“U”型趨勢，波谷在移動窗口距中心城區(qū)4 km處。在距中心城區(qū)4 km以內(nèi)，斑塊密度增加，平均斑塊減小，與整體景觀類型的斑塊密度變化規(guī)律相同，因為樣帶在距中心城區(qū)3～8 km處橫穿一個植被帶，植被帶面積較大，距中心城區(qū)4和5 km的樣方幾乎位于整個植被帶內(nèi)，窗口向外圍移動時，逐漸跨入林帶，使斑塊減少，斑塊形狀更加規(guī)則，不同景觀類型面積比例失調(diào)，景觀多樣性下降;4 km以后，逐漸離開林帶，斑塊數(shù)增加，形狀指數(shù)增大，各景觀類型面積比逐漸均勻，景觀多樣性增加，距中心城區(qū)10 km處斑塊密度最大，斑塊的邊緣形狀也最復(fù)雜，此處林地面積較小，不同景觀類型面積較均勻，不同景觀類型的斑塊小而分散。在時間維度上，多樣性增大，原因在于林地和城鄉(xiāng)建設(shè)用面積的增大，在移動窗口距中心城區(qū)10 km以內(nèi)，斑塊數(shù)總體上減少，多樣性下降，在距市中心6 km以外，隨著離中心城區(qū)距離的加大斑塊的形狀越復(fù)雜，這一特征2010比1995更明顯。

2.2.2 西南方向 (SW)樣帶景觀格局的梯度變化

西南樣帶的景觀形狀指數(shù)和多樣性指數(shù)變化趨勢相同，均呈先上升后下降，再略微上升的倒“U”型趨勢 (圖5)。由于林地和城市建設(shè)用地面積下降，道路、灌草叢、農(nóng)田等斑塊數(shù)量增加所致，斑塊密度在距中心城區(qū)4～5 km的移動樣方中達到最大值，形狀指數(shù)也達到最高峰值，斑塊形狀最復(fù)雜。在移動窗口距中心城區(qū)6～8 km處，道路、農(nóng)田、灌草叢、裸地和水體等景觀類型形成鑲嵌格局，不同斑塊類型的面積差異較小，多樣性最大。移動窗口距中心城區(qū)10 km以外，景觀的斑塊數(shù)量、斑塊形狀和多樣性變化較小。

圖5 西北與西南樣帶景觀指數(shù)沿方向梯度分異特征變化曲線 (1995，1999，2005，2010年)Fig.5 The change curve of landscape index variation along gradient in two spatial samples in 1995，1999，2005 and 2010

2.2.3 不同方向空間樣帶梯度變化的差異 在同一起點、不同方向的兩個樣帶上，農(nóng)田和城鄉(xiāng)建設(shè)用地兩個受人類干擾較強的景觀類型梯度變化具有相似之處，由中心城區(qū)向外圍，整體上，農(nóng)田面積逐漸增大，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積減小，證明了城市形態(tài)中心的位置;在時間維上，四個時期相比較，城鄉(xiāng)建設(shè)用地不斷向外圍擴展，面積增大，農(nóng)田、水體面積下降、斑塊變小，表明了城市建設(shè)過程中所帶來的城市化效應(yīng)和城市擴展的方向特征。以城鄉(xiāng)建設(shè)用地的優(yōu)勢范圍可以判定1995年的中心位置位于中心城區(qū)向西北方向5 km和向西南方向11 km的范圍內(nèi)，1999年向西北方向擴展到6 km范圍內(nèi)，2005年則擴展至西北方向7 km和向西南方向12 km的范圍內(nèi)，2010年擴展至西北方向10 km。

兩個空間樣帶相比較，林地、灌草叢、道路與水體的梯度變化差異最大。在兩個樣帶中林地面積變化相反，西北樣帶穿過鳳凰山、小南山、蜈蚣山、珠海植物園等植被帶，由于珠海市對森林保護力度較大，植被帶受人為破壞較少，植被面積在移動窗口距中心城區(qū)3～6 km處高達80%，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的變化梯度曲線呈先下降后上升的趨勢，也間接影響了對城市化發(fā)展方向的判定。同樣，西南樣帶在最南端穿過將軍山系植被帶。因此，林地的分布對其它景觀類型的梯度變化影響非常明顯。

3 討論與結(jié)論

1)根據(jù)景觀格局的梯度變化特點，可以把珠海景觀分為4類區(qū)域:① 城市景觀區(qū)，包括1－3帶，城市建設(shè)景觀成為優(yōu)勢景觀;②過渡帶，包括3－7帶，11－13帶，位于中心城區(qū)與次中心城區(qū)之間，林地和農(nóng)田較多;③次中心城區(qū)，包括9－10帶和14帶，城市建設(shè)景觀較多，農(nóng)田、林地和灌草叢等各景觀類型面積差異在此處較為均勻，景觀多樣性較高;④ 農(nóng)業(yè)景觀，包括第7－8帶，15－16帶，第7－8帶與河口相接，農(nóng)田和灘涂景觀面積較大，15－16帶遠離城鎮(zhèn)景觀，農(nóng)田比例增加。因17帶大部分位于南水鎮(zhèn)的島嶼上，與陸地相隔，林地較高，不列入分類中。

2)由中心城區(qū)向外圍，四個時期的多樣性指數(shù)在NW樣帶上呈先下降后上升再下降的“U”型趨勢，波谷在移動窗口距中心城區(qū)4 km處。，距中心城區(qū)4 km的樣方斑塊最少，斑塊形狀最簡單，多樣性最低，在移動窗口距中心城區(qū)10～11 km處斑塊最多，斑塊形狀最復(fù)雜，不同景觀類型的面積差距最小，多樣性最大;四個時期的多樣性指數(shù)在SW樣帶上先上升后下降，中心城區(qū)4～5 km處的樣方斑塊最多，斑塊形狀最復(fù)雜，在移動窗口距中心城區(qū)7 km處不同景觀類型的面積差距最小，多樣性最大。1995－2010年間，N－W樣帶上，由中心城區(qū)向外圍，林地面積先上升后下降，而其它景觀類型相反，在移動窗口距中心城區(qū)4 km處林地面積和平均斑塊面積最大，其它景觀類型面積最小，斑塊密度和平均斑塊面積較小;SW樣帶上，城鄉(xiāng)建設(shè)用地在移動窗口距中心城區(qū)6 km內(nèi)面積比始終最大，成為優(yōu)勢景觀類型，距5 km以外向外圍逐漸下降，農(nóng)田面積逐漸增大，裸地面積變化不明顯，林地面積變化呈“U”型，灌草叢、道路和水體呈倒“U”型。

3)在以中心城區(qū)為起點的兩個不同方向樣帶上，城市景觀空間特征的梯度變化規(guī)律在景觀類型和景觀水平上都表現(xiàn)相異，同時也存在相同點，即由中心城區(qū)向外圍，整體上農(nóng)田面積逐漸增大，城鄉(xiāng)建設(shè)用地減小。在兩個方向上，景觀格局的梯度變化都是主要受林地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地這兩個優(yōu)勢景觀類型分布的影響，如植被帶在西北方向上位于樣帶的中間位置，在西南方向上則位于樣帶的南端，城鄉(xiāng)建設(shè)用地主要集中于城市形態(tài)中心，向外圍逐漸減少。主城區(qū)景觀類型的空間分布和動態(tài)變化受自然驅(qū)動因子和人為因素的影響。兩樣帶相比較，林地、灌草叢、道路與水體梯度變化差異最大。

4)15年來，珠海主城區(qū)景觀空間特征的變化反映了城市化效應(yīng)，四個時期相比，林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和道路面積增加，城鄉(xiāng)建設(shè)用地由13%增加到33.7%，成為第二大景觀，平均斑塊面積減小，斑塊密度增加，破碎程度明顯上升;農(nóng)田減少了1532 hm2，減少面積最大。城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積和破碎程度的加深，道路的增加以及農(nóng)田的減少，是城市發(fā)展的表現(xiàn)，體現(xiàn)了城市化效應(yīng)。

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