快速城市化地區(qū)景觀格局時(shí)空演變研究——以長株潭城市群核心區(qū)為例

1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 2.湖南科技大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室

姜華偉1 戴文遠(yuǎn)1** 楊育普2

在全球化大背景下，城市化已成為全球重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象之一。它是人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的一種強(qiáng)烈作用[1-2]。城市化過程不僅影響城市中各景觀成分的具體組成，同時(shí)也影響這些景觀要素在空間上的分布與配置，因此城市化過程中景觀結(jié)構(gòu)與格局演變研究成為近期城市研究的最基本命題[3-4]，景觀格局分析是景觀生態(tài)學(xué)的基本研究?jī)?nèi)容，這就使得城市化研究和景觀生態(tài)學(xué)密不可分。隨著RS和GIS的發(fā)展，景觀格局的定量分析、可視化、空間化分析不斷涌現(xiàn)。移動(dòng)窗口法是觀察景觀格局指數(shù)空間變異狀況的有效手段[5],網(wǎng)格分析是通過一定規(guī)則進(jìn)行的空間采樣[6]，梯度分析能夠很好地顯示研究目標(biāo)在空間上的分布規(guī)律[7]，景觀格局分析與上述三種方法的結(jié)合研究越來越多，本文以長株潭城市群核心區(qū)為例，利用移動(dòng)窗口法分析其景觀格局演變的空間特征，利用網(wǎng)格分析法探討景觀格局的梯度演變規(guī)律，為未來城市群核心區(qū)的規(guī)劃發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長株潭城市群包括長沙、株洲、湘潭三市，是京廣經(jīng)濟(jì)帶、泛珠江三角經(jīng)濟(jì)區(qū)、長江經(jīng)濟(jì)帶的結(jié)合部，是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長極，區(qū)位和交通條件優(yōu)越。三市沿湘江呈“品”字形分布，相互間距離不足 40公里，結(jié)構(gòu)緊湊[8-9]。城市群核心區(qū)是指長沙、株洲、湘潭三市轄區(qū)，以及長沙縣、望城縣、湘潭縣、株洲縣等四縣，面積約 8619km2。隨著長株潭城市群一體化的推進(jìn)，城市群核心區(qū)聯(lián)系越來越緊密，核心區(qū)景觀格局發(fā)生了巨大的變化。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

本研究以長株潭城市群核心區(qū)2000年和2010年Landsat TM 遙感影像（分辨率為 30m）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用 ERDAS軟件進(jìn)行影像的預(yù)處理和解譯，野外判讀建立解譯標(biāo)志，通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行景觀分類，結(jié)合全國土地覆蓋分類體系和本研究區(qū)特征，將景觀分為林地、灌叢、草地、水體、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和裸地等7種類型，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，各類景觀Kappa系數(shù)均達(dá)到0.85以上，符合研究要求。本文其他數(shù)據(jù)分析主要采用 ArcGIS10.2、Fragstas 4.2、SigmaPlot10.0和Excel2007軟件。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數(shù)選取

盡管景觀格局指數(shù)眾多, 但單一指數(shù)所指示的格局特征往往存在局限性，而多個(gè)景觀格局指數(shù)之間又存在冗余[10]。本文在參照相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[11-12]，利用Fragstas4.2軟件，在景觀水平上從景觀優(yōu)勢(shì)度、景觀破碎化、景觀形狀特征和景觀多樣性四個(gè)角度分別選取了最大斑塊指數(shù)、斑塊密度指數(shù)、景觀形狀指數(shù)和景觀多樣性指數(shù)來分析長株潭城市群核心區(qū)景觀時(shí)空格局及演化特征。各景觀格局指數(shù)的表達(dá)與含義詳見Fragstats 4.2幫助文檔。

2.2.2 移動(dòng)窗口法

將本區(qū)矢量景觀圖轉(zhuǎn)為 30m×30m柵格景觀圖，利用Fragstas4.2軟件，參照前人研究[13-16]成果，以3km×3km矩形窗口為移動(dòng)窗口大小，從研究區(qū)左上角開始移動(dòng)，每次移動(dòng)1個(gè)柵格，計(jì)算窗口內(nèi)的景觀指標(biāo)值，并將該值賦給該窗口的中心柵格，最后形成景觀指標(biāo)柵格圖[17]。由于移動(dòng)窗口法的計(jì)算結(jié)果返回窗口中心柵格，為消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，需要采用擴(kuò)展帶法擴(kuò)大研究區(qū)域范圍[10]，因此本文以移動(dòng)窗口半徑1.5km為緩沖區(qū)半徑，對(duì)原行政區(qū)邊界進(jìn)行緩沖區(qū)分析，得到結(jié)果與2000年和2010年景觀類型矢量圖疊加，然后轉(zhuǎn)為30m×30m的柵格圖，導(dǎo)入Fragstas4.2軟件，運(yùn)用移動(dòng)窗口法對(duì)研究區(qū)局部景觀格局指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3 梯度分析法

利用網(wǎng)格分析法通過網(wǎng)格采樣進(jìn)行梯度分析，設(shè)計(jì)湘潭—長沙樣帶、株洲—長沙樣帶、湘潭—株洲樣帶，寬度均為4km，長度分別為60km、60km和40km。三個(gè)樣帶的設(shè)計(jì)是用先用線段對(duì)長沙、株洲和湘潭三城市約中心位置相互連接，然后以2km為半徑進(jìn)行緩沖區(qū)分析，以步長為2km進(jìn)行網(wǎng)格采樣，結(jié)果得到湘潭—長沙樣帶30個(gè) 4km×2km矩形網(wǎng)格，株洲—長沙樣帶30個(gè)4km×2km矩形網(wǎng)格，湘潭—株洲樣帶20個(gè)4km×2km矩形網(wǎng)格，湘潭—長沙樣帶和湘潭—株洲樣帶的采樣起點(diǎn)設(shè)在湘潭市一端，株洲—長沙樣帶起點(diǎn)設(shè)在株洲市一端。基于研究區(qū)的兩期景觀柵格數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行掩膜提取，獲得每個(gè)網(wǎng)格的景觀柵格數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Fragstas4.2軟件，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的景觀格局指數(shù)，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Excel中，運(yùn)用SigmaPlot10.0繪圖軟件繪制核心區(qū)不同樣帶的景觀格局指數(shù)梯度圖（見圖1）。

圖1 長株潭城市群核心區(qū)2010年景觀類型與樣帶布置

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型特征分析

3.1.1 景觀類型結(jié)構(gòu)特征

從表1看出，2000—2010年長株潭城市群核心區(qū)各景觀組分面積為農(nóng)田>灌叢>林地>城鎮(zhèn)>水體>草地>裸地。就2010年來看，農(nóng)田景觀占42.84%，灌叢和林地之和與農(nóng)田相當(dāng)，占 43.43%，城鎮(zhèn)占 10.03%，其余景觀比例較小，因此可知本區(qū)農(nóng)田景觀為基質(zhì)景觀，其它景觀為鑲嵌體景觀。十年間，農(nóng)田、林地、灌叢和裸地景觀面積呈減少趨勢(shì)，與此同時(shí)，城鎮(zhèn)、水體和草地景觀面積呈增加趨勢(shì)，其中農(nóng)田、林地和灌叢分別減少 129.65km2、95.19km2和 27.53km2，城鎮(zhèn)增加251.85km2。

表1 核心區(qū)景觀面積與百分比

3.1.2 景觀類型轉(zhuǎn)移特征

從表2可以看出，長株潭城市群核心區(qū)各景觀類型明顯表現(xiàn)為林地和灌叢景觀向農(nóng)田和城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化，農(nóng)田向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化的過程。十年間城鎮(zhèn)總轉(zhuǎn)入 252.82km2，農(nóng)田、林地和灌叢分別轉(zhuǎn)入161.40 km2、70.94 km2和16.84 km2，分別占總轉(zhuǎn)入量的63.84%、28.06%和6.66%；農(nóng)田總轉(zhuǎn)入37.98km2，其中林地和灌叢轉(zhuǎn)入 26.96 km2和 9.69km2，分別占總轉(zhuǎn)入的70.98%和25.51%。

表2 2000—2010年核心區(qū)景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣（單位： km2）

3.2 景觀格局特征分析

3.2.1 景觀格局總體特征

十年間，長株潭城市群核心區(qū)斑塊密度、最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)呈降低趨勢(shì)，多樣性指數(shù)呈升高趨勢(shì)。其中斑塊密度降低0.28，景觀形狀指數(shù)降低5.63，表明隨著長株潭城市群城市化和一體化的推進(jìn)，景觀整體破碎化程度降低，景觀形狀趨于簡(jiǎn)單；而最大斑塊指數(shù)降低0.97，多樣性指數(shù)升高0.04，表明區(qū)內(nèi)景觀類型趨于多樣化（見表3）。

表3 核心區(qū)景觀水平景觀格局指數(shù)

3.2.2 景觀格局局部特征

最大斑塊指數(shù)高低值聚集且均勻分布，高值區(qū)散布在農(nóng)田、灌叢和城鎮(zhèn)景觀，突出該區(qū)農(nóng)田、灌叢和城鎮(zhèn)景觀的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)；低值區(qū)集中于本區(qū)海拔較高的南部與東南部地區(qū)。值得注意的是，由于湘江廊道對(duì)景觀的分割作用，使得湘江為低值區(qū)，其沿岸高值鑲嵌分布，表明河流廊道打破了景觀的連貫性和一致性。2000—2010年，區(qū)內(nèi)整體景觀優(yōu)勢(shì)度高值斑塊不斷合并或消失，說明景觀優(yōu)勢(shì)度整體降低。從局部來看，城市群核心區(qū)各市區(qū)優(yōu)勢(shì)度不斷增大，同時(shí)市區(qū)邊緣優(yōu)勢(shì)度有所降低，表明近十年來城市群市區(qū)城鎮(zhèn)邊緣式擴(kuò)張[17]，使得城鎮(zhèn)優(yōu)勢(shì)度不斷擴(kuò)大，邊緣區(qū)由于被其它景觀類型侵入而引起原景觀類型的優(yōu)勢(shì)度下降。

景觀形狀指數(shù)北高南低，高值區(qū)明顯聚集于城市外圍，低值區(qū)明顯集中于市區(qū)和本區(qū)邊緣地區(qū)，因此自城市群核心區(qū)中心向外圍呈現(xiàn)出“低—高—低”的分布模式，表明本區(qū)景觀形狀特征自市區(qū)向外圍由簡(jiǎn)單到復(fù)雜又到簡(jiǎn)單的分布特征。2000—2010年，城市群核心區(qū)景觀形狀指數(shù)的低值區(qū)以市區(qū)為中心向外不斷擴(kuò)大，表明城市的擴(kuò)張帶來了景觀形狀指數(shù)的不斷降低（見圖2）。

斑塊密度指數(shù)高低值相間分布，且北高南低，表明本區(qū)北部景觀破碎化程度高于南部。高值區(qū)主要集中于城市邊緣及湘江沿岸，低值區(qū)主要集中在市中心及城市外圍，北部自長沙市中心向北呈現(xiàn)“低—高—較高”的分布模式，南部自湘潭和株洲市中心向南呈現(xiàn)“低—高—低—較高”的分布模式，三個(gè)城市的過渡區(qū)域?yàn)榈椭祬^(qū)，主要由于核心區(qū)生態(tài)綠心區(qū)域因受人類活動(dòng)干擾較少，從而表現(xiàn)出破碎化程度較低的趨勢(shì)。2000—2010年，市中心低值區(qū)不斷向外擴(kuò)展，市區(qū)外圍高值區(qū)有所減少，表明城市擴(kuò)張一定程度上削減了景觀斑塊密度，繼而降低了景觀破碎度。

景觀多樣性指數(shù)高值區(qū)呈帶狀延伸，明顯聚集于湘江沿岸及環(huán)三市中心地區(qū)，低值區(qū)聚集于市中心及本區(qū)的邊緣地區(qū)，表明了河流廊道對(duì)景觀類型的聚集效應(yīng)，進(jìn)而提高了湘江沿岸的景觀類型多樣性水平[18]，同時(shí)城市的擴(kuò)張帶來了城市邊緣各種景觀的聚集與鑲嵌，提高了景觀類型的多樣性與異質(zhì)性。2000—2010年，沿湘江廊道及城市邊緣地區(qū)高值區(qū)景觀多樣性持續(xù)提高，特別是湘江長沙段及長沙市邊緣地區(qū)，相反市中心低值區(qū)向外擴(kuò)展，主要原因是城市擴(kuò)展導(dǎo)致低值區(qū)擴(kuò)大，從而邊緣高值區(qū)不斷向外擴(kuò)展。

圖2 核心區(qū)景觀格局指數(shù)空間分布

3.2.3 景觀格局梯度特征

根據(jù)圖3～圖5中2010年景觀格局指數(shù)可以看出，湘潭—長沙、株洲—長沙和湘潭—株洲樣帶的最大斑塊指數(shù)波動(dòng)起伏，分別以城市高值區(qū)為中心，向外圍呈現(xiàn)：“低—高—低”的分布趨勢(shì)，而在城市高值區(qū)中三樣帶分別在 10km、8km和8km處出現(xiàn)低值，主要是由于湘江廊道的分割作用破壞了斑塊的完整性。在向兩端城市中心過渡中，城市邊緣為低值，隨著遠(yuǎn)離市區(qū)最大斑塊指數(shù)先升高繼而又降低。

三樣帶市區(qū)的斑塊密度皆為低值區(qū)，湘潭—長沙樣帶以城市為中心向外圍遞增，在湘潭向長沙過渡中，斑塊密度整體波動(dòng)上升，至30km處達(dá)到峰值。株洲—長沙樣帶以城市為中心向外圍呈現(xiàn)“低—高—低”的分布趨勢(shì)，在 14km 和40km處呈現(xiàn)峰值，樣帶中心區(qū)域波動(dòng)下降，至32km達(dá)最低值。湘潭—株洲樣帶以城市為中心向外圍遞增，至樣帶中心位置20km處達(dá)到峰值。

三樣帶的景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)分布城市均為低值區(qū)，其中湘潭—長沙樣帶和株洲—長沙樣帶以城市為中心呈現(xiàn)出“低—高—低”的分布趨勢(shì)，湘潭—長沙樣帶兩指數(shù)均在6km和48km處出現(xiàn)低值，在56km處呈現(xiàn)最高值；株洲—長沙樣帶在6km和48km處出現(xiàn)低值，在城市邊緣區(qū)出現(xiàn)峰值。而湘潭—株洲樣帶以城市為中心呈現(xiàn)“低—高”的分布趨勢(shì)，城市中心為低值區(qū)，城市邊緣區(qū)20km處出現(xiàn)峰值。

經(jīng)過上述分析可知，三條樣帶最大斑塊指數(shù)以城市高值為中心向外圍降低，景觀形狀指數(shù)、斑塊密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)以城市低值為中心向外圍升高，表明長株潭城市群核心區(qū)樣帶內(nèi)城市地區(qū)由于人類活動(dòng)強(qiáng)度大而景觀優(yōu)勢(shì)度較高，形狀較為單一、破碎化程度較低同時(shí)景觀多樣性較低。隨著向兩個(gè)城市中心區(qū)域推進(jìn)，各樣帶最大斑塊指數(shù)不斷降低，在兩個(gè)城市中心出現(xiàn)明顯的低值區(qū)；除湘潭—株洲樣帶外，其他樣帶中心區(qū)域的景觀形狀指數(shù)、斑塊密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)出現(xiàn)短距離的低值，表明隨著遠(yuǎn)離市區(qū)，景觀的優(yōu)勢(shì)度降低、景觀形狀簡(jiǎn)單、斑塊密度降低。湘潭—株洲樣帶之所以在中心區(qū)域呈現(xiàn)高值，主要是因?yàn)閮沙鞘芯嚯x較近，隨著城市一體化的推進(jìn)，受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度大，景觀形狀較為復(fù)雜、破碎化程度和景觀多樣性較高。

2000—2010年長株潭城市群核心區(qū)各景觀格局指數(shù)不斷下降，且下降區(qū)域主要集中在市區(qū)及其邊緣地區(qū)，表明人類活動(dòng)強(qiáng)度的加大帶來的城市擴(kuò)張強(qiáng)烈擾動(dòng)了核心區(qū)景觀格局特征，而遠(yuǎn)離市區(qū)的城市過渡區(qū)域景觀格局基本穩(wěn)定，表明了城市化對(duì)景觀格局影響的梯度效應(yīng)特征，同時(shí)也表明核心區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部的生態(tài)綠心區(qū)域受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度較小，繼而其景觀格局較為穩(wěn)定。

圖3 湘潭—長沙樣帶景觀格局指數(shù)梯度圖

圖4 株洲—長沙樣帶景觀格局指數(shù)梯度圖

圖5 湘潭—株洲樣帶景觀格局指數(shù)梯度圖

4 結(jié)論

本文利用移動(dòng)窗口和梯度分析相結(jié)合的方法對(duì)快速城市化背景下的長株潭城市群核心區(qū) 2000—2010年景觀格局時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）長株潭城市群核心區(qū)各景觀面積為農(nóng)田>灌叢>林地>城鎮(zhèn)>水體>草地>裸地，2000—2010年農(nóng)田、林地、灌叢和裸地景觀面積呈減少趨勢(shì)，城鎮(zhèn)、水體和草地景觀面積呈增加趨勢(shì)。林地和灌叢向農(nóng)田和城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化，農(nóng)田向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化較為明顯。

（2）隨著長株潭城市群一體化的推進(jìn)，城市群核心區(qū)景觀破碎化程度降低、斑塊形狀也趨于簡(jiǎn)單，景觀類型趨于多樣化。

（3）景觀格局指數(shù)的空間分異明顯。最大斑塊指數(shù)高低值南北分散分布，景觀形狀指數(shù)和斑塊密度低值在城市中心，高值主要在城市邊緣，香農(nóng)多樣性指數(shù)高值沿湘江呈帶狀分布，上述指數(shù)十年間變化主要發(fā)生在城市周圍。

（4）城市化是景觀格局變化的主要擾動(dòng)因素，景觀格局分布具有明顯的梯度效應(yīng)。核心區(qū)城市中心景觀優(yōu)勢(shì)度較高，隨著遠(yuǎn)離市區(qū)，景觀優(yōu)勢(shì)度呈現(xiàn)“低—高—低”的分布趨勢(shì)；城市中心的景觀形狀簡(jiǎn)單、破碎化程度較低、景觀多樣性較低，其中湘潭—長沙和株洲—長沙樣帶隨著遠(yuǎn)離市區(qū)呈現(xiàn)波動(dòng)上升繼而下降的趨勢(shì)，湘潭—株洲樣帶隨著遠(yuǎn)離市區(qū)景觀形狀指數(shù)、斑塊密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)波動(dòng)上升。

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