大慶市景觀格局變化梯度分析

楊 昕，王俊杰

(1.哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028；2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150022；3. 黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150025)

大慶市景觀格局變化梯度分析

楊 昕1,3，王俊杰2

(1.哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028；2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150022；3. 黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150025)

定量分析地區(qū)景觀格局梯度變化的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)于監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)快速城市化過程的生態(tài)后果有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，基于大慶市1996、2001和2005年的TM和ETM+遙感影像，獲得3個(gè)時(shí)期的景觀類型圖，選取西北向東南60 km長(zhǎng)5 km寬和東北向西南105 km長(zhǎng) 和5 km寬的兩條樣帶，應(yīng)用移動(dòng)窗口計(jì)算了相應(yīng)的景觀指數(shù)。結(jié)果表明，城市空間格局的多項(xiàng)景觀指數(shù)可準(zhǔn)確、定量地指示研究區(qū)兩條發(fā)展軸線上10年來城市化的景觀梯度時(shí)空分異特征，有助于理解城市形態(tài)的內(nèi)在發(fā)展過程。

景觀格局；景觀指數(shù)；梯度分析；資源型城市

資源型城市是在開發(fā)利用能源、礦產(chǎn)資源基礎(chǔ)上興起的，以消費(fèi)一定數(shù)量的自然資源賴以生存發(fā)展起來的特殊城市類型，具有強(qiáng)烈的資源指向性。資源型城市也是人地關(guān)系作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，在發(fā)展過程中普遍存在著資源危機(jī)、經(jīng)濟(jì)危困和生態(tài)危機(jī)等問題，嚴(yán)重制約著城市的轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展[1-3]。城市化引起的生態(tài)環(huán)境問題和城市景觀演變一直是地理學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、城市規(guī)劃學(xué)家、環(huán)境學(xué)家和社會(huì)學(xué)家等研究的焦點(diǎn)[4]。景觀生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵是空間異質(zhì)性，而空間異質(zhì)性研究中空間梯度是指沿某一方向景觀特征有規(guī)律地逐漸變化的空間特征[5]。近些年一些學(xué)者為此進(jìn)行了有益的嘗試，將梯度分析與景觀格局指數(shù)相結(jié)合，來研究城市化與生態(tài)系統(tǒng)、土地利用變化和景觀格局之間的關(guān)系[6-16]，但此類研究在資源型城市中很少見。因此，運(yùn)用遙感、GIS等空間分析等先進(jìn)手段，通過定量分析大慶市景觀格局的時(shí)空梯度變化，揭示其景觀格局時(shí)空變化規(guī)律，為資源型城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

大慶市位于124°19′～125°12′ E，45°46′～46°55 N，土地總面積5 107 km2，濱洲鐵路從市中心穿過，濱洲線、讓通線在市內(nèi)交會(huì)，轄薩爾圖、龍鳳、讓胡路、紅崗、大同5區(qū)，是我國(guó)最重要的石油生產(chǎn)基地之一。屬中溫帶大陸性半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量均在400～450 mm，夏季降水量占全年降水量的70.0%～72.3%。研究區(qū)特有的氣候條件、光熱條件、水資源條件、土壤條件、地質(zhì)地貌條件以及人類活動(dòng)影響，常有干旱、洪澇、低溫冷害和霜凍害、大風(fēng)和沙塵暴等自然災(zāi)害，是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。隨著哈大齊工業(yè)走廊的進(jìn)一步開發(fā)建設(shè)，大慶市的土壤鹽堿化、沙化、濕地萎縮、植被退化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，該地區(qū)土地生態(tài)安全正遭到嚴(yán)重的威脅。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源文中1996年、2001年和2005年3個(gè)時(shí)期的城市景觀類型數(shù)據(jù)(圖1)來源于相應(yīng)年份的TM和ETM+遙感影像[3,17]。城市景觀類型的劃分是基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ137-90)，并結(jié)合大慶市土地利用特征重新分類，共分居住及工礦用地(A)、道路用地(B)、水域(C)、耕地(D)、林地(E)、牧草地(F)和其他用地(G)7類。以人口比例指標(biāo)來確定大慶市區(qū)的城市化強(qiáng)度(表1)。

2.2 研究區(qū)樣帶的選取依據(jù)大慶市城市化強(qiáng)度的空間梯度，選取具有代表性的兩條樣帶[6,14-16]，即西北-東南向的A樣帶和東北-西南向的B樣帶(圖2)。A樣帶自西北向東南沿橫向鐵路穿過讓胡路、薩爾圖、龍鳳3個(gè)區(qū)，樣帶長(zhǎng)60 km，寬5 km。在此樣帶上設(shè)立一5 km×5 km的移動(dòng)窗口[6,14-16]，沿著樣帶由西北向東南每移動(dòng)2.5 km，取樣一次，窗口依次編號(hào)a1～a23。B樣帶自東北向西南貫通薩爾圖、紅崗、大同3個(gè)區(qū)，樣帶長(zhǎng)105 km，寬5 km，沿著樣帶由西北向東南依次取樣，窗口編號(hào)b1～b41。

2.3 景觀格局指數(shù)的選取文中采用景觀指數(shù)分析方法，對(duì)研究區(qū)城市化的空間格局特征進(jìn)行分析。采用的代表性指數(shù)有斑塊密度(PD)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)等[18]。

表1 大慶市區(qū)人口數(shù)

注：資料來源于1997、2002、2006年大慶統(tǒng)計(jì)年鑒。

3 結(jié)果分析

3.1 大慶市景觀格局總體變化特征1996年、2001年、2005年3個(gè)時(shí)段城市景觀圖(圖1)顯示的總體特征是，耕地占據(jù)主體地位并呈逐年上漲的趨勢(shì)(圖3a)，牧草地和其他用地也占有較高比例，分別為20%和22%，其他用地占較高比例的主要原因是土地沙化、鹽堿化嚴(yán)重。其余類型的面積比例都不超過10%，林地面積變化雖然不明顯，卻是逐年增加的，這與大慶市近年來開展的大規(guī)模的植樹造林活動(dòng)是分不開的。

由圖3可知，大慶市平均斑塊密度(圖3b)為0.06個(gè)/km2，居住及工礦用地(A)的斑塊密度最大，接近0.12個(gè)/km2，2005年較前兩個(gè)時(shí)段增長(zhǎng)幅度大，這是隨著油氣的不斷發(fā)現(xiàn)和開采，油田等工礦用地規(guī)模不斷增大，工業(yè)化城市化的必然結(jié)果。牧草地、其他用地和水域的斑塊密度比較接近，約為0.06個(gè)/km2，而斑塊密度最小的是道路用地，其邊界密度(圖3c)也是最小，僅為0.3 m/km2。整個(gè)大慶市除道路用地以外的其他景觀類型的邊界密度可分為兩個(gè)層次，耕地、牧草地和其他用地居高，居住及工礦用地、水域和林地次之。3個(gè)時(shí)段相比較居住及工礦用地的邊界密度增長(zhǎng)幅度最大?？傮w面積上占優(yōu)的耕地在平均斑塊面積(圖3d)上具有著同樣的優(yōu)勢(shì)，3個(gè)時(shí)段均處于8～10 km2之間，而其余類型的平均斑塊面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于耕地，介于0.4～4.2 km2不等。

3.2 景觀指數(shù)沿樣帶變化的梯度性兩條樣帶上3個(gè)時(shí)段的變化趨勢(shì)基本相同，且多項(xiàng)景觀指標(biāo)沿樣帶都表現(xiàn)出明顯的梯度性：由低城市化區(qū)域向高城市化區(qū)域推進(jìn)的過程中，景觀的破碎化程度逐漸上升，斑塊的形狀更加狹長(zhǎng)，邊界也趨向復(fù)雜，斑塊面積減小且趨于平均化，表現(xiàn)出人類活動(dòng)影響較大的景觀所具有的特征。

3.2.1景觀破碎度分析。由圖4(a)看出：時(shí)間尺度上指數(shù)的變化表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，斑塊密度(PD)沿A樣帶在高城市化區(qū)域薩爾圖區(qū)指數(shù)出現(xiàn)一個(gè)極大值，而隨著距市中心距離的增加，指數(shù)呈下降趨勢(shì)，一段距離后左右兩側(cè)又分別呈上升趨勢(shì)后又下降，這是因?yàn)槲痪铀_爾圖區(qū)東西兩側(cè)的讓胡路區(qū)與龍鳳區(qū)的城市化水平與薩爾圖區(qū)接近，指數(shù)均高于其周邊地區(qū)，表現(xiàn)出明顯的梯度性。高值分別出現(xiàn)在窗口編號(hào)a16(薩爾圖區(qū))，a5(讓胡路區(qū))，a20(龍鳳區(qū))，且樣帶西北端的指數(shù)值略高于東南端。

圖5(a)可知樣帶變化比較復(fù)雜且有多個(gè)峰值和低谷，這主要是因?yàn)檠谺樣帶的3個(gè)不同城市化強(qiáng)度區(qū)域(薩爾圖、紅崗、大同)城市化強(qiáng)度變化幅度大，在紅崗和大同兩個(gè)區(qū)城市化水平較低，所以指數(shù)的變化幅度較小，梯度性沒有A樣帶那么明顯。峰值出現(xiàn)在市中心(b11)附近，時(shí)間尺度上窗口編號(hào)b25～b27 2001年和2005年的指數(shù)明顯低于1996年，原因是1996年大片的牧草地轉(zhuǎn)化為林地，窗口內(nèi)斑塊類型減少趨于單一，這與大慶開展的大規(guī)模的植樹造林活動(dòng)是分不開的，并經(jīng)歷了以“隱蔽油田、防風(fēng)固沙”為主的零星植樹期到“工程造林、規(guī)模推進(jìn)”的發(fā)展階段。由于大同區(qū)城市化水平最低，導(dǎo)致在b21～b41上下不斷起伏，變化幅度很小。指標(biāo)的變化表現(xiàn)不出明顯的梯度性。

3.2.2景觀優(yōu)勢(shì)度分析。最大斑塊指數(shù)(LPI)在一定程度上能夠間接反映出景觀優(yōu)勢(shì)度。由圖4(b)、圖5(b)可知，LPI表現(xiàn)出中間低、兩邊先升高再降低的特點(diǎn)，在a16附近形成一個(gè)“W”字型曲線，在城市區(qū)(窗口編號(hào)為a11～a17，a5，a20，b11，b24，b36)LPI普遍較低，隨著距城市距離的增加LPI升高，即窗口內(nèi)最大的斑塊面積占整個(gè)窗口面積的1/3；而樣帶兩端窗口內(nèi)的最大斑塊都占據(jù)了整個(gè)窗口面積的50%以上，相對(duì)面積較小的窗口使農(nóng)業(yè)斑塊被切割，這也從側(cè)面表明了斑塊在面積上的差異更為明顯。由于a8和b18內(nèi)耕地占據(jù)了整個(gè)窗口的絕大部分且景觀類型少，從而在此處分別形成兩個(gè)樣帶的峰值。

3.2.3景觀形狀指數(shù)分析。由圖4(c)和圖5(c)可知， LSI峰值出現(xiàn)在市中心附近a16，b11，說明離市中心越近斑塊形狀越趨于復(fù)雜化。其余幾個(gè)高值也都是出現(xiàn)在城市區(qū)域，只不過LSI的較市中心低些，表現(xiàn)出城市化水平的與該指數(shù)之間存在一定的相關(guān)性；在時(shí)間尺度上，斑塊形狀指數(shù)和分維數(shù)的變化幅度較A樣帶大，但仍然表現(xiàn)出沒有一定的規(guī)律性，這種差異的幅度增大了，且峰值出現(xiàn)在b26，2005年其形狀指數(shù)為3.94，分維數(shù)為1.16，更加突出了斑塊之間規(guī)則性的差異。

3.2.4景觀多樣性分析。圖4(d)為了衡量斑塊種類沿樣帶的變化特征，選取多樣性指數(shù)(SHDI)進(jìn)行分析，3個(gè)指標(biāo)中后兩者的變化特征基本一致，斑塊豐富度密度略有不同。多樣性指數(shù)在3個(gè)不同城市化強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的梯度性，整體看上去像是一個(gè)波浪狀，表明在各個(gè)區(qū)的中心區(qū)附近景觀類型多樣；反之亦然，類型單一的景觀中其面積分布也較為集中。

與A樣帶相比，圖5(d)更加復(fù)雜，且沒有一定的規(guī)律性。由于中心城區(qū)被大量的居住用地和道路所占據(jù)，使得開發(fā)活動(dòng)最為活躍的各區(qū)域交錯(cuò)帶具有較大的景觀異質(zhì)性和景觀多樣性，但是這種景觀多樣性有別于生態(tài)學(xué)上傳統(tǒng)的多樣性，它只能表示人類對(duì)地利用方式的多樣化，并不表明系統(tǒng)具有更大的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)研究的梯度分析是沿大慶市區(qū)內(nèi)5個(gè)子區(qū)不同的城市化強(qiáng)度進(jìn)行的，3個(gè)時(shí)段的總體變化趨勢(shì)基本相同，但B樣帶表現(xiàn)的梯度性沒有A樣帶明顯，原因是沿B樣帶的3個(gè)不同城市化強(qiáng)度區(qū)域(薩爾圖、紅崗、大同)的城市化水平比沿A樣帶的3個(gè)不同城市化強(qiáng)度區(qū)域(讓胡路、薩爾圖、龍鳳)變化幅度大，但在各區(qū)內(nèi)景觀上的差別反而小，所以指數(shù)的變化幅度較小。

(2)研究結(jié)果顯示出大慶市景觀格局在斑塊密度、形狀指數(shù)、聚集度和多樣性指數(shù)等多項(xiàng)指標(biāo)都表現(xiàn)出了明顯的規(guī)律性，居住及工礦用地沿自西北—東南和自東北—西南兩樣帶都顯示了在城市中心達(dá)到峰值，在離開中心一段距離時(shí)又出現(xiàn)較高值的梯度特征(資源型城市獨(dú)有的特點(diǎn))，而農(nóng)業(yè)用地則顯示了不同的、多峰值的梯度特征。

(3)大慶市景觀特征是多種因素綜合作用的結(jié)果。距離城市中心的距離，沿兩樣帶可以識(shí)別出不同城市化強(qiáng)度的區(qū)域，高城市化區(qū)域不僅表現(xiàn)出了高度的景觀破碎化和空間復(fù)雜性，而且也擁有較高的景觀多樣性與分離度；道路加速城市中能流物流的同時(shí)，對(duì)其他斑塊類型卻表現(xiàn)出強(qiáng)大的阻隔和破碎作用，體現(xiàn)在景觀斑塊密度的上升和聚集度的下降。

因而，景觀格局梯度分析可用來比較城市不同時(shí)間、空間的動(dòng)態(tài)變化情況，有助于理解形成城市形態(tài)的各種內(nèi)在過程。

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Research on the Landscape Pattern Change of Daqing City

YANG Xin1,3, WANG Jun-jie2

(1. Harbin Institute of Petroleum, Harbin, Heilongjiang 150028; 2. Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin, Heilongjiang 150022; 3. Heilongjiang Colleges Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment, Harbin, Heilongjiang 150025)

The inherent law of landscape pattern gradient change in the region was quantitatively analyzed; the result offers an important basis for monitoring and evaluating the ecological consequences of rapid urbanization process. Using the landsat TM and ETM+data of Daqing in 1996, 2001 and 2005 to get three landscape type maps and choose the northwest to the southeast of 60 km long and 5 km width, and the northeast to southwest 105 kilometers long and 5 km wide two kind of belt, the landscape metrics was calculated by moving windows. The result revealed that landscape index of urban spatial pattern could accurately and quantitatively indicate temporal and space differentiation characteristics of landscape gradient on two urbanization development axis during 10a in the study area and provided the insight to understand the inner development process of urban form.

Landscape pattern; Landscape metrics; Gradient analysis; Resource-based cities

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11553015)。

楊昕(1980-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，從事“3S”技術(shù)與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。

2015-03-13

S 127;P 98

A

0517-6611(2015)13-128-04