基于遙感技術(shù)的西安城市景觀格局時(shí)空演變及分析

孫 愷，楊延征，趙鵬祥，張振花

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵712100）

景觀格局（landscape pattern）即景觀結(jié)構(gòu)，廣義包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布和配置［1］。城市景觀是地表景觀動(dòng)態(tài)變換最快的類型之一，因此城市景觀格局研究成為目前最關(guān)注的景觀格局研究領(lǐng)域，而城市景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問題［2-3］。目前景觀格局分析通常要應(yīng)用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，按照研究的側(cè)重點(diǎn)不同，可以分為3大類：景觀格局指數(shù)分析法、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法和景觀格局變化動(dòng)態(tài)模擬方法［4］。景觀指數(shù)是反映景觀格局的重要參數(shù)，它高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征，為科學(xué)衡量景觀結(jié)構(gòu)提供定量化依據(jù)［5-7］。本研究利用景觀指數(shù)分析法，結(jié)合RS和GIS技術(shù)及景觀生態(tài)學(xué)理論，對(duì)西安市各主要城區(qū)景觀格局的演變進(jìn)行分析，旨在為西安市城市規(guī)劃和城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)域

西安市位于我國西北地區(qū)東部，黃河流域中部關(guān)中盆地，107°40′-109°49′E、33°42′-34°45′N 之間。地勢東南高西北低，南依秦嶺，主要地貌類型包括山前洪積臺(tái)地、秦嶺山地和河谷沖積平原。該地區(qū)現(xiàn)轄新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)、閻良區(qū)、臨潼區(qū)、長安區(qū)、藍(lán)田縣、周至縣、戶縣和高陵縣共9區(qū)4縣。轄境東西長約204km，南北約116km，面積9 983km2，其中市區(qū)面積1 276km2。

本次研究區(qū)域主要是西安市主城區(qū)，包括蓮湖區(qū)、新城區(qū)、未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)及灞橋區(qū)等6個(gè)區(qū)，面積約1 068km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究選用數(shù)據(jù)包括：西安市2000年6月29日、2009年6月30日TM遙感數(shù)據(jù)，其空間分辨率為30m；2012年5月30日的我國資源三號(hào)衛(wèi)星影像（ZY-3）數(shù)據(jù)，其空間分辨率為5.8m；西安市土地利用現(xiàn)狀圖和市區(qū)規(guī)劃圖以及手持GPS實(shí)地調(diào)查結(jié)果等。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在ENVI 4.8軟件的支持下，首先以ZY-3衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過4、3、2波段合成假彩色遙感影像，使用資源三號(hào)衛(wèi)星自帶RPC文件，對(duì)圖像進(jìn)行精確正射校正。然后以經(jīng)過校正的ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)TM遙感影像進(jìn)行幾何精校正，并用系統(tǒng)提供的FLAASH大氣校正模塊，對(duì)影像進(jìn)行大氣校正。最后根據(jù)所需研究區(qū)域，對(duì)3幅影像進(jìn)行裁剪，并利用432波段假彩色合成突出植被信息（圖1）。

圖1 研究區(qū)域不同時(shí)期遙感影像Fig.1 Different period images of the study area

2 研究方法

2.1 景觀類型的劃分

城市景觀類型的劃分是遙感影像分類、景觀格局分析等工作的基礎(chǔ)。在不同的應(yīng)用中，景觀的理解不同，無法形成統(tǒng)一的景觀分類原則［2］。研究根據(jù)國家土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)以及研究區(qū)域?qū)嶋H情況和所用數(shù)據(jù)質(zhì)量，將研究區(qū)域景觀類型劃分如下：1）建筑用地景觀，主要指包括居民點(diǎn)、道路、廣場、建筑、工礦區(qū)和商業(yè)區(qū)在內(nèi)的硬質(zhì)景觀；2）林地景觀，主要指山區(qū)喬灌木景觀和城市森林景觀；3）水域景觀，主要指城市內(nèi)較大的水域及市郊湖泊、河流等水體；4）耕地景觀，主要指種植農(nóng)作物的土地；5）未分類用地，主要指城市內(nèi)未經(jīng)開發(fā)利用或遙感影像中無法分析出的用地。根據(jù)實(shí)地調(diào)查的結(jié)果，此類用地面積較小且大部分屬于建筑用地范疇，故在實(shí)際研究中歸入建筑用地中。

2.2 基于遙感影像的景觀信息提取

研究中遙感影像分類選擇支持向量機(jī)（Surpport Vector Machine SVM）分類器。SVM 是研究小樣本情況下機(jī)器學(xué)習(xí)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的一種方法，它以結(jié)構(gòu)最小化為準(zhǔn)則，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中有限訓(xùn)練樣本的問題，表現(xiàn)出很多優(yōu)于已有學(xué)習(xí)方法的性能［8-10］。其最大的優(yōu)點(diǎn)是分類時(shí)無需進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，在算法的收斂性、訓(xùn)練速度、分類精度等方面都具有較高的性能［11］。

2.3 景觀格局分析

在FRAGSTATS4.1景觀分析軟件支持下，分別從類型尺度和景觀尺度上對(duì)研究區(qū)的景觀格局進(jìn)行了分析。選取的景觀指數(shù)有：類型尺度上斑塊類型面積（CA）、斑塊類型所占景觀面積的比例（PLAND）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、平均分維指數(shù)（FRAC-MN）、斑塊密度（PD）、斑塊數(shù)（NP）；景觀尺度斑塊密度（PD）、斑塊數(shù)（NP）、景觀分 離 度 （DIVISION）、Shannon’s 均 勻 度 指 數(shù)（SHEI）、Shannon’s多樣性指數(shù)（SHDI）［12-14］。

2.4 土地利用變化分析

以2000年、2009年、2012年遙感圖像分類結(jié)果為依據(jù)，建立不同時(shí)期土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣，探討土地利用變化的規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感圖像景觀分類

圖2 研究區(qū)域不同時(shí)期影像SVM分類結(jié)果Fig.2 Classification results of different period images using SVM classifier

表1 精度檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Comprision of classification accuracy using different data

根據(jù)西安市土地利用規(guī)劃圖等資料結(jié)合GPS實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，分別對(duì)3期數(shù)據(jù)進(jìn)行SVM分類（圖2）。由表1可以看出，2000年、2009年、2012年影像分類圖的Kappa系數(shù)分別是0.812 6、0.850 4和0.891 1，都達(dá)到了最低允許判別精度0.7的要求，分類結(jié)果可以用于景觀格局分析。

另外，經(jīng)過監(jiān)督分類以后的影像，會(huì)產(chǎn)生一些面積很小的圖斑，研究采用ENVI4.8Post Classification模塊中的聚類統(tǒng)計(jì)（Clump Classes）方法將小圖斑合并到相鄰大圖斑之中［15］。最終利用 Arcgis10.0將做完分類后處理的影像輸出成圖。

3.2 類型尺度上的景觀格局分析

在類型尺度上，對(duì)選取的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。從表2可以看出，從2000-2012年，不同城市景觀類別的景觀格局變化如下。

3.2.1 建筑用地 12a間，建筑用地的斑塊面積持續(xù)增加，由2000年的23 783.04hm2增加到2012年的41 069.00hm2，斑塊個(gè)數(shù)、邊緣密度、斑塊密度和最大斑塊指數(shù)大幅度上升，除了由于不同源數(shù)據(jù)造成的誤差以外，主要是因?yàn)槌鞘械牟粩鄶U(kuò)張，造成建筑用地斑塊擴(kuò)大。平均分維數(shù)變化不大，說明2000-2012年間，建筑用地的破碎度變化不大。

3.2.2 林地 研究區(qū)域內(nèi)的林地斑塊面積總體呈現(xiàn)減少趨勢，面積百分比從2000年的34.515 7%下降到2012年的34.244 1%。從斑塊個(gè)數(shù)、邊緣密度、斑塊密度和最大斑塊指數(shù)的總體變化趨勢可以看出，研究區(qū)域內(nèi)的森林景觀格局破碎化逐漸增加。這主要是城市的快速擴(kuò)張，導(dǎo)致城郊森林日趨碎片化與人工林大量出現(xiàn)相互作用的結(jié)果。

3.2.3 水體 水體面積先減后增，斑塊面積2000年的2 813.49hm2減少到2009年的1 687.68 hm2，到2012年水體斑塊的面積增加到2 136.76 hm2，斑塊個(gè)數(shù)在2000-2012年間銳減408個(gè)，斑塊密度、邊緣密度和最大斑塊指數(shù)也出現(xiàn)相同情況。以上現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是由環(huán)境和人類活動(dòng)造成。

3.2.4 耕地 2000-2012年耕地斑塊的面積從30 406.32hm2減少至13 998.48hm2，而耕地斑塊的數(shù)量從7 612個(gè)增加到55 780個(gè)，導(dǎo)致耕地斑塊的密度從68.252 3m／hm2增加至140.162 5m／hm2。斑塊破碎度明顯增加，這些主要是因?yàn)槌鞘袛U(kuò)張過程中對(duì)于耕地的改造導(dǎo)致的耕地破碎化。

表2 類型尺度上景觀格局指數(shù)Table 2 Landscape indices on class-level

3.3 景觀尺度上的景觀格局分析

在景觀尺度上對(duì)選取的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)果（表3）。從表3可以看出，從2000-2012年，研究區(qū)域內(nèi)景觀整體的斑塊數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢，尤其是2009年以后，上升趨勢明顯加快。導(dǎo)致斑塊密度的快速上升，說明研究區(qū)域以內(nèi)的景觀格局破碎化態(tài)勢愈加嚴(yán)重。隨著景觀分離度的減小，Shannon均勻度和Shannon多樣性指數(shù)有下降的趨勢，這也說明由于人為活動(dòng)的影響，景觀結(jié)構(gòu)的豐富度趨于簡單化。

表3 景觀尺度上景觀格局指數(shù)Table 3 Landscape indices on landscape-level

3.4 土地利用變化分析

根據(jù)3個(gè)不同時(shí)期的遙感影像得出城市景觀類型的轉(zhuǎn)移矩陣（表4、表5）。

3.4.1 建筑用地 2000-2009年建筑用地共增加134.16km2，主要由林地和耕地轉(zhuǎn)入，2009-2012年，建筑用地增加了38.47km2，主要來自林地景觀和耕地景觀?？傮w來說，由于城市規(guī)模的擴(kuò)大，建筑用地的面積不斷增加，逐漸成為研究區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢景觀，而且建筑用地的增長，主要占用的是耕地和林地景觀，耕地和林地景觀的優(yōu)勢度因此逐漸減少。

表4 2000－2009年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Landscape component transition matrix from 2000to 2009 km2

表5 2009－2012年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Landscape component transition matrix from 2009to 2012 km2

3.4.2 林地 2000-2009年林地面積增加18.51 km2，轉(zhuǎn)入面積主要來自耕地和建筑用地。這主要是人們對(duì)于城市森林景觀的重視程度日漸增加，在城市擴(kuò)張過程中，人工林地景觀大量出現(xiàn)的原因。2009-2012年，林地面積少量減少，除一部分轉(zhuǎn)出為耕地外，大部分林地轉(zhuǎn)出為建筑用地?？傮w來說，林地景觀的面積總量保持穩(wěn)定。

3.4.3 水體 2000-2012年，水體面積先減后增。2000-2009年，水體面積減少11.47km2，除水體景觀自身的演變外，大部分轉(zhuǎn)化為其他類型景觀。2009-2012年，水體面積增加4.73km2。主要原因是在城市擴(kuò)張過程中，包括人工湖、人工河流和市郊水庫等人工水體景觀不斷增加。

3.4.4 耕地 2000-2012年，耕地面積持續(xù)減少。2000-2009年，耕地面積減少141.17km2，耕地景觀的轉(zhuǎn)入主要來自林地景觀，而主要轉(zhuǎn)出方向?yàn)榱值睾徒ㄖ玫亍?009-2012年，耕地面積減少22.33km2，轉(zhuǎn)出方向依舊以建筑用地和林地景觀居多。值得注意的是，在2009-2012年間，耕地對(duì)于林地的轉(zhuǎn)出少于林地對(duì)于耕地的轉(zhuǎn)出。這意味著，耕地景觀減少的主要原因，是耕地對(duì)于建筑用地的轉(zhuǎn)入。從圖2可以看出，2000年西安市的耕地集中在城市周邊地區(qū)，隨著城市擴(kuò)張，大量耕地被建筑用地占用，到2012年，又有少量耕地景觀轉(zhuǎn)化為建筑用地和林地景觀。耕地景觀的持續(xù)減少與2000-2012年城市面積的不斷擴(kuò)大有重要的關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

研究利用TM、ZY-3衛(wèi)星影像，采用支持向量機(jī)（SVM）分類方法分別獲取2000年、2009年和2012年西安地區(qū)的景觀分類圖，并通過景觀指數(shù)分析的方法，對(duì)西安市城市景觀格局進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

從類型尺度上看，各類城市景觀呈現(xiàn)出此消彼長的態(tài)勢。優(yōu)勢景觀已從2000年的耕地景觀轉(zhuǎn)變成2012年的建筑用地景觀。斑塊密度逐漸增加，景觀破碎化加劇。其中伴隨著建筑用地的最大斑塊指數(shù)急劇增長，其他景觀類型的最大斑塊指數(shù)逐漸下降，表明在城市范圍不斷擴(kuò)張的同時(shí)，城市景觀格局的同質(zhì)化和破碎化日益加劇。在城市景觀格局的變化過程中，建筑用地的不斷增長、耕地景觀不斷減少的現(xiàn)象值得引起我們的重視。

從景觀尺度上看，2000-2012年間城市景觀斑塊數(shù)量和斑塊密度持續(xù)增加，斑塊分離度不斷減小，這反映出西安市整體景觀，尤其是建筑用地急劇增加，景觀趨于同質(zhì)化。Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)整體上呈現(xiàn)減弱趨勢，這說明研究區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢景觀的控制力逐漸增加，非優(yōu)勢景觀的控制力逐漸減弱。這也反映出城市化進(jìn)程中景觀單一化的趨勢。

從各景觀類型的相互轉(zhuǎn)換情況來看，景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣表現(xiàn)出了與城市景觀指數(shù)相同的變化趨勢。建筑用地的持續(xù)增長與耕地的不斷減少基本持平。經(jīng)歷了2000-2009年的面積增加和2009-2012年的面積減少之后，林地景觀的面積基本沒變。2000-2012年間水體景觀總面積略有下降。

總之，在西安市未來的景觀規(guī)劃和發(fā)展中，需要加強(qiáng)耕地景觀和林地景觀的保護(hù)，防止林地景觀和耕地景觀斑塊面積持續(xù)減少。同時(shí)應(yīng)注意各類城市景觀在城市擴(kuò)張過程中的搭配和聯(lián)系，減少快速擴(kuò)張過程中的人地矛盾，最終確保西安市景觀結(jié)構(gòu)合理有序，生態(tài)環(huán)境和諧健全。

致謝：國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪中心提供的ZY-3衛(wèi)星影像，是本研究的重要基礎(chǔ)資料，在此表示由衷的感謝！

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