基于綜合景觀指數(shù)的城鄉(xiāng)結(jié)合部邊界劃分

黃 祥

（1.成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610059）

基于綜合景觀指數(shù)的城鄉(xiāng)結(jié)合部邊界劃分

黃 祥1

（1.成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610059）

總結(jié)單一景觀指數(shù)模型提取城鄉(xiāng)結(jié)合部邊界存在的問題，提出綜合景觀指數(shù)模型。同時指出，唯有將城市擴(kuò)展方向信息與指數(shù)模型相結(jié)合，才能提高城鄉(xiāng)結(jié)合部的提取精度。以成都市為例，應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)，根據(jù)建立的模型，計(jì)算出各判別單元的綜合景觀指數(shù)，并將綜合景觀指數(shù)在0～22之間的判別單元劃分為城鄉(xiāng)結(jié)合部。

城鄉(xiāng)結(jié)合部；城市擴(kuò)展方向；綜合景觀指數(shù)

城鄉(xiāng)結(jié)合部是城市中心建成區(qū)和外圍純農(nóng)業(yè)腹地之間的過渡帶，在我國城市化演變格局中發(fā)揮著重要作用[1]。但是，城鄉(xiāng)結(jié)合部經(jīng)常被城市和農(nóng)村公共管理部門忽視，使該區(qū)域缺乏綜合性的土地利用規(guī)劃，并導(dǎo)致一系列社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境問題[2]?？焖?、準(zhǔn)確地界定城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍，為城鄉(xiāng)公共管理部門提供進(jìn)行土地利用規(guī)劃以及生態(tài)環(huán)境治理等各項(xiàng)措施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于城鄉(xiāng)結(jié)合部的生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)范圍是成都市第一繞城高速公路平行外延3 km所形成環(huán)線包圍的區(qū)域。第一繞城高速建成于2001年12月，全長85 km，與成都市三環(huán)路之間的間距在3～5 km不等，穿越區(qū)域內(nèi)土地利用類型多樣。成都市第一繞城高速公路承擔(dān)了成都市城鄉(xiāng)結(jié)合部交通轉(zhuǎn)換、普通道路與高速公路交通轉(zhuǎn)換樞紐的功能，選擇其作為研究區(qū)的劃分依據(jù)具有一定的意義。

1.2 數(shù)據(jù)簡介

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括成都市2009年10月的TM影像和2013年4月的Landsat8影像，成都市行政區(qū)劃圖，成都市地形圖。

Landsat8攜帶有2個主要載荷：OLI（operational land imager，陸地成像儀）和TIRS（thermal infrared sensor，熱紅外傳感器）。OLI包括9個波段，其中第8波段為15 m的全色波段，其余波段空間分辨率為30 m。OLI包括了ETM+傳感器所有的波段，并新增2個波段。為了避免大氣吸收特征，OLI對波段進(jìn)行了重新調(diào)整，見表1[3]。

表1 OLI和ETM+對照表

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）將2013年來自Landsat8影像數(shù)據(jù)的多光譜波段和全色波段在ENVI軟件中進(jìn)行融合。通過對幾種融合結(jié)果的比較，最終選擇Gram-Schmidt融合技術(shù)結(jié)合雙線性內(nèi)插重采樣的融合結(jié)果。

2）利用成都市地形圖對融合后的影像在ENVI軟件中進(jìn)行配準(zhǔn)。

3）矢量化成都市繞城高速公路并使用ArcGIS工具將矢量化結(jié)果平行外延3 km，得到研究區(qū)邊界。

4）利用研究區(qū)邊界矢量圖對配準(zhǔn)后的影像在ENVI軟件中進(jìn)行裁剪，獲得研究區(qū)域遙感影像。

5）采用非監(jiān)督分類和手動修改相結(jié)合的方法對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行分類，生成該區(qū)域2013年土地利用圖。實(shí)際過程中為了能夠準(zhǔn)確區(qū)分，將土地利用類型分為4類，即植被、建設(shè)用地、水域、裸地，其中植被包括生長農(nóng)作物的耕地、草地和林地。

2 基本原理與研究方法

首先利用遙感影像提取土地利用類型圖和城市擴(kuò)展的主導(dǎo)方向，在城市擴(kuò)展的主導(dǎo)方向和非主導(dǎo)方向上將土地利用類型圖劃分為大小不一的網(wǎng)格單元，再計(jì)算每個單元的綜合景觀指數(shù)，最后根據(jù)指數(shù)的變化趨勢，設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?，提取城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍，如圖1所示。

圖1 城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍界定技術(shù)路線圖

2.1 包含方向信息的網(wǎng)格劃分

使用時間間隔在3～5 a的兩期遙感影像，提取城市擴(kuò)張的建筑群范圍，然后利用ArcGIS強(qiáng)大的空間分析工具，計(jì)算出該時期城市擴(kuò)展各方向的變化面積，選擇面積變化大的幾個方向?yàn)橹鲗?dǎo)方向。

將土地利用類型圖在城市擴(kuò)展主導(dǎo)方向上劃分為80個像元大小的網(wǎng)格，即每個網(wǎng)格大小為1.2 km×1.2 km，在中等活躍方向及城市中心劃分為60 個像元大小的網(wǎng)格，在不活躍的邊緣區(qū)劃分為40個像元大小的網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)土地利用圖網(wǎng)格化結(jié)果

2.2 綜合景觀指數(shù)模型

為了界定城鄉(xiāng)結(jié)合部的范圍，根據(jù)城鄉(xiāng)結(jié)合部的特點(diǎn)選取多個指標(biāo)加權(quán)疊加來構(gòu)建一個綜合景觀指數(shù)E，利用綜合景觀指數(shù)E來區(qū)分城鄉(xiāng)結(jié)合部與農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部與城市。

城鄉(xiāng)結(jié)合部作為城市化發(fā)展到一定階段形成的獨(dú)特的地域?qū)嶓w，主要有3個特點(diǎn)：①沒有單純的城市大面積建筑物，也沒有單純的農(nóng)村大面積植被（耕地）；②土地利用類型多樣，建設(shè)用地、耕地、裸地等職能土地同時存在；③人類活動的強(qiáng)烈干擾。由此，選擇蔓延度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、面積-周長分維度指數(shù)來建立綜合景觀指標(biāo)E。E表達(dá)為：

式中，CO為蔓延度指數(shù)，描述的是景觀里不同拼塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢。一般來說，高蔓延度值說明景觀中的某種優(yōu)勢拼塊類型形成了良好的連接性，反之則表明景觀具有多種要素的密集格局，景觀的破碎化程度較高。公式為：

式中，m為總斑塊數(shù)；pi為第i類斑塊在景觀中的面積比例；gik為各拼塊類型之間相鄰的格網(wǎng)單元數(shù)目占總相鄰的格網(wǎng)單元數(shù)目的比例（%），范圍（0,100）。

S為香農(nóng)多樣性指數(shù),該指標(biāo)能反映景觀異質(zhì)性，特別是對景觀中各拼塊類型非均衡分布狀況較為敏感，即強(qiáng)調(diào)稀有拼塊類型對信息的貢獻(xiàn)。如在一個景觀系統(tǒng)中,土地利用越豐富,破碎化程度越高,其不定性的信息含量也越大,計(jì)算出的S值也就越高。公式為：

式中，m為總斑塊數(shù)；pi為第i類斑塊在景觀中占的面積比例，范圍（0，1.5）。

P為面積-周長分維度指數(shù)，表示斑塊組成的景觀形狀與面積大小之間的關(guān)系，反映了一定觀測尺度上景觀類型的復(fù)雜程度及人類活動干擾的程度，面積周長分維數(shù)越小，景觀越趨于規(guī)則，人類活動對景觀的干擾越大。公式為：

式中，aij為斑塊面積；pij為斑塊周長；N為總斑塊數(shù)；P范圍（1,1.5），其值理論上限為2，實(shí)際可能上限為1.5。

a、b、c為各指標(biāo)的權(quán)重，且a+b+c=1。考慮到蔓延度指標(biāo)對大尺寸的景觀敏感，多樣性指標(biāo)對景觀內(nèi)的斑塊類型數(shù)目和斑塊間尺寸差別程度敏感，面積-周長分維度指標(biāo)對人類活動是否介入較敏感。經(jīng)權(quán)衡，以上3個指數(shù)分別賦予0.5、0.3、0.2的權(quán)值。

式 （1）中各景觀指數(shù)均由Fragstats4.0軟件計(jì)算所得，各指數(shù)均無量綱且值域范圍不一致，因此，對Fragstats計(jì)算所得值進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯筇幚恚癁?～100間的值，再進(jìn)行加權(quán)疊加作為最后的綜合景觀指數(shù)。表達(dá)式如下：

式中，CO'、S'和P'分別為經(jīng)放大處理后的CO、S和P。E值越小，景觀紊亂程度越高，人為干擾力度越大，景觀所包含土地利用類型越多，越符合城鄉(xiāng)結(jié)合部特點(diǎn)。

3 城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍

根據(jù)成都地區(qū)實(shí)際景觀特點(diǎn)和社會經(jīng)濟(jì)情況差異，對照成都市區(qū)劃圖并結(jié)合實(shí)地考察，設(shè)定符合城鄉(xiāng)結(jié)合部特點(diǎn)的土地利用綜合景觀指數(shù)閥值。本文將土地利用綜合景觀指數(shù)在0～22的區(qū)域劃分為城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍。檢查劃分結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在幾處被建筑用地或者植被包圍的孤立的“城鄉(xiāng)結(jié)合部”，這是因?yàn)樵搮^(qū)域土地利用類型多樣，景觀紊亂且沒有優(yōu)勢景觀。例如城市中的公園，既有大面積植被，還有不少建筑物，有些還有水域等，劃分結(jié)果顯示為城鄉(xiāng)結(jié)合部，實(shí)際應(yīng)劃分為城市范圍。因此，結(jié)合2013年遙感影像圖原件，對劃分結(jié)果作適當(dāng)修正，得到研究區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部界定結(jié)果

4 結(jié) 語

本研究利用綜合景觀指數(shù)模型計(jì)算基于方向的判別單元的綜合景觀指數(shù)，據(jù)此提取的城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍與實(shí)際范圍基本相符。鑒于研究區(qū)范圍比較小，研究區(qū)邊界割裂了成都市主城區(qū)——雙流縣城一線的城市建成區(qū)，所以城鄉(xiāng)結(jié)合部的范圍并非閉合的環(huán)狀。

采用綜合景觀指數(shù)能夠更精確地表達(dá)景觀格局的特殊性，較其他單一景觀指數(shù)模型劃分城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍更準(zhǔn)確。同時，基于方向的網(wǎng)格劃分方法較其他統(tǒng)一大小網(wǎng)格單元劃分方法的優(yōu)勢在于，考慮了在地理空間的不同方向上的不同發(fā)展特點(diǎn)，更具有因地制宜的思想。本文的不足之處在于網(wǎng)格單元的具體大小設(shè)定是基于多次實(shí)驗(yàn)對比的結(jié)果，主觀因素較大，科學(xué)性方面還有點(diǎn)欠缺，有待進(jìn)一步研究。

[1] 黃寶榮，張慧智.城鄉(xiāng)結(jié)合部人-環(huán)境系統(tǒng)關(guān)系研究綜述[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012,32(23):7 607-7 621

[2] Liu Y, Lv X J, Qin X S. An Integrated GIS-based Analysis System for Land-use Management of Lake Areas in Urban Fringe[J]. Landscape and Urban Planning, 2007, 82(4): 233-246

[3] ENVI-IDL中國官方博客. Landsat8的不同波段組合說明[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01019urt.html,2013-08-08

[4] 王秀蘭，李雪瑞，馮仲科. 基于TM影像的北京城市邊緣帶范圍界定方法研究[J]. 遙感信息，2010(4):100-104

[5] 楊葉濤. 基于多時相TM影像的城市邊緣區(qū)劃分及其變化監(jiān)測[J]. 遙感信息，2009(3):49-53

[6] 錢建平，周勇，楊信廷. 基于遙感和信息熵的城鄉(xiāng)結(jié)合部范圍界定——以荊州市為例[J].長江流域資源與環(huán)境，2007，16(4):451-455

[7] 布仁倉，胡遠(yuǎn)滿，常禹，等. 景觀指數(shù)之間的相關(guān)分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005,25(10):2 764-2 775

P237.9

B

1672-4623（2015）04-0007-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.003

黃祥，碩士，主要從事遙感和GIS研究。

2014-05-21。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41071265、41372340）。