基于GIS的?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局分析

雷金睿，陳宗鑄，楊 琦，陳小花

(海南省林業(yè)科學研究所，海南 ?？?571100)

Abstract：The spatial distribution characteristics of landscape pattern in Haikou City were studied by using RS and GIS techniques.The results showed that Haikou City built-up area was dominated by impervious surface，accounting for the total area of 79.86%，followed by green space and water.In all administrative regions，the landscape index showed a consistent change，the level of urbanization in the built-up areas decreased from Longhua District，Meilan District，Qiongshan District，Xiuying District in turn，and the overall landscape fragmentation degree was higher.Longhua district is located in the central area of the city，large patches of concentrated distribution pattern of landscape connectivity and agglomeration degree is high.In the Xiuying area，the degree of landscape agglomeration decreased due to landscape fragmentation and the landscape diversity was maintained at a high level.The results of this study reveal the spatial distribution characteristics of surface cover types in the urbanization process of Haikou City，which are of guiding significance for the formulation of regional land use policy and sustainable development planning.

Keywords：GIS；urbanization；landscape pattern；impervious surface；Haikou City

20世紀以來，城市化作為最顯著的人類活動過程，迅速改變著全球地表覆被[1-3]。隨著我國城市化進程的不斷推進，城市建設(shè)用地由城市中心區(qū)逐漸向城鄉(xiāng)結(jié)合部、郊區(qū)迅速擴張，造成大量的自然覆蓋向人工覆蓋迅速轉(zhuǎn)化，不透水表面不斷增加，而植被、水域等具有較高生態(tài)價值的景觀斑塊日益萎縮、破碎[2，4]，嚴重威脅到城市生態(tài)安全和城市人居環(huán)境[5-6]。

城市景觀格局變化是由不同斑塊間相互重組、轉(zhuǎn)變等形式構(gòu)成的一個復(fù)雜過程，受到諸多因素的影響[1，7]。周亞東等[8]基于海南省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，對海南島森林景觀格局的研究表明，城市發(fā)展水平較高的森林破碎化程度也較高，城市建設(shè)呈多中心分散分布。田光進等[9]對?？谑芯坝^格局動態(tài)演化研究發(fā)現(xiàn)，因人類活動對景觀要素的作用方式、程度不同，自然景觀向建設(shè)用地等人文景觀的轉(zhuǎn)變也不同，建成區(qū)及郊區(qū)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。與此同時，徐芮等[10]的研究也認為，海口市耕地和林地面積在1991—2014年間萎縮最明顯，多轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境需求與供給之間產(chǎn)生了嚴重矛盾。因此，優(yōu)化景觀格局以實現(xiàn)生態(tài)過程良性發(fā)展成為生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域急需解決的重要問題[11-12]。佘宇晨等[13]基于MCR模型和Kriging對?？谑芯坝^格局提出了優(yōu)化，認為城市生態(tài)源地是維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)正常發(fā)展的基礎(chǔ)，需重點保護并提高穩(wěn)定性，不同的生態(tài)源地應(yīng)采取相應(yīng)的措施進行建設(shè)。

不透水表面指數(shù)(ISA)是指單位面積內(nèi)不透水表面地表所占的面積比例[2，14]，可以很好地反映城市化水平和環(huán)境質(zhì)量，而且能更清楚地反映城市土地利用情況，是衡量環(huán)境質(zhì)量的重要指標之一[5]，被廣泛應(yīng)用于城市生態(tài)環(huán)境、城市規(guī)劃與管理分析等方面，已成為當前研究的熱點[2，15]，但對海口市的研究卻鮮見報道。因此，本研究以?？谑薪ǔ蓞^(qū)為研究樣區(qū)，基于RS和GIS技術(shù)，對?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局變化進行分析，旨在揭示城市地表覆被的格局變化特征，為城市土地規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

?？谑?19°32′—20°05′N、110°10′—110°41′E)地處海南島北部，轄龍華、美蘭、瓊山、秀英4個區(qū)(表1)，2015年全市總?cè)丝?22.3萬，GDP 1161.28億元[16]。海口年均氣溫24.4 ℃，屬于熱帶海洋性氣候，作為我國重要的熱帶濱海城市和海南省政治、經(jīng)濟、文化、交通中心，城市化進程發(fā)展迅猛，城市建成區(qū)面積迅速擴大，已從2003年的63 km2增加到2015年的約150 km2。建成區(qū)內(nèi)地勢平坦，西部以五源河森林公園，南部以永莊水庫、沙坡水庫、玉龍泉森林公園為生態(tài)屏障，東臨南渡江，北瀕瓊州海峽。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究以2011年?？谑猩仲Y源二類調(diào)查矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合海南省林地落界數(shù)據(jù)進行對比修正，得到?？谑薪ǔ蓞^(qū)地表覆蓋矢量數(shù)據(jù)。參照《?？谑谐鞘锌傮w規(guī)劃(2011—2020)》劃定的主城區(qū)界限范圍，將?？谑薪ǔ蓞^(qū)地表覆被劃分為綠地、不透水表面、水面3種景觀類型(圖1)，其中綠地為有植物覆蓋的土地，包括林地、農(nóng)用地、草地及城市公共綠地；不透水表面主要包含建筑、道路、廣場、停車場以及公共設(shè)施用地等；水面包含江河、湖泊及部分海域[5]。借助ArcGIS將?？谑猩仲Y源二類調(diào)查矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為5 m×5 m柵格格式，景觀格局指數(shù)分析采用Fragstats 4.2完成[17]。

表1 ?？谑行姓^(qū)社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)(2014年)

圖1 研究區(qū)景觀類型空間分布

1.3 景觀格局指數(shù)

本研究景觀格局指數(shù)分析分別從類型水平和景觀水平2個方面進行[8，18]，選取了景觀面積(CA)、景觀面積比例(PLAND)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)等8個類型水平指數(shù)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)等3個景觀水平指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局總體特征

由表2可知，城市不透水表面在?？谑薪ǔ蓞^(qū)各類型景觀中所占比例最高，達79.86%；其次是綠地；水面最低，僅為2.50%。說明?？谑薪ǔ蓞^(qū)以道路、廣場、停車場及屋頂?shù)冉ㄖ锝M成的不透水表面為主，且平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)均最高，分別為7.62 hm2、78.41，反映了城市建設(shè)用地大斑塊的集中分布格局。建成區(qū)綠地景觀類型面積所占比例為17.64%，但斑塊個數(shù)卻達3644個，其斑塊密度和景觀形狀指數(shù)也最高，而平均斑塊面積最低，僅為0.61 hm2，反映了綠地景觀在城市建成區(qū)內(nèi)的破碎化、復(fù)雜化的景觀分布格局。水面景觀類型幾乎在所有指數(shù)中均最低，但平均斑塊面積指數(shù)卻明顯高于綠地類型，表明水面景觀在?？谑薪ǔ蓞^(qū)中的集中分布特征。

表2 景觀格局總體特征

2.2 類型水平景觀格局分析

在?？谑薪ǔ蓞^(qū)中，龍華區(qū)不透水表面指數(shù)最高，達87.41%，美蘭區(qū)、瓊山區(qū)、秀英區(qū)依次降低，秀英區(qū)僅為69.45%；建成區(qū)綠地景觀面積比例則相反，為依次升高；而水面景觀類型面積比例變化不明顯，但在美蘭區(qū)中最高(圖2a)。在斑塊數(shù)量上，美蘭區(qū)的綠地和水面景觀類型斑塊數(shù)量最大，而秀英區(qū)不透水表面斑塊數(shù)量最大(圖2b)。而斑塊密度表現(xiàn)出與之相一致的結(jié)果(圖2c)。在平均斑塊面積指數(shù)中(圖2d)，龍華區(qū)的不透水表面和水面景觀平均斑塊面積最大，但綠地景觀很低；秀英區(qū)的各類型景觀平均斑塊面積相差最小。在最大斑塊指數(shù)中，4個區(qū)的不透水表面景觀均表現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢；而綠地景觀的最大斑塊指數(shù)龍華區(qū)最低，水面景觀瓊山區(qū)最低(圖2e)。從景觀形狀指數(shù)上看，瓊山區(qū)的綠地和不透水表面景觀形狀指數(shù)最低；秀英區(qū)的不透水表面最高，但水面景觀形狀指數(shù)最低；而龍華區(qū)和美蘭區(qū)的水面景觀形狀指數(shù)要明顯高于瓊山區(qū)和秀英區(qū)(圖2f)。

圖2 ?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局類型水面變化

總體來看，?？谑薪ǔ蓞^(qū)城市化水平從龍華區(qū)、美蘭區(qū)、瓊山區(qū)、秀英區(qū)依次降低，其中龍華區(qū)的不透水表面和水面景觀平均斑塊面積均最大，表明該區(qū)域城市建設(shè)用地和水域的相對集中連片分布，景觀形狀也趨于復(fù)雜化、多樣化。秀英區(qū)的不透水表面景觀平均斑塊面積指數(shù)和最大斑塊指數(shù)均最小，且該區(qū)域分布有大量的農(nóng)林用地、高爾夫球場和野生雜草地，綠地面積較大，但斑塊數(shù)量也較多，說明該區(qū)域景觀類型的破碎化、復(fù)雜化分布格局。瓊山區(qū)因地處?？谑欣铣菂^(qū)，大量的城中村分布造成景觀斑塊的破碎化；則美蘭區(qū)因其區(qū)域內(nèi)有南渡江、海甸溪以及部分海域面積的分布造成水面景觀的大面積成片分布格局。

2.3 景觀水平景觀格局分析

由表3可知，?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀斑塊密度、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、SHDI多樣性指數(shù)和SHEI均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)出從龍華區(qū)、美蘭區(qū)、瓊山區(qū)、秀英區(qū)依次升高的趨勢，而平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)、蔓延度指數(shù)則相反，依次降低。其中香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)依次升高，表明隨著城市建設(shè)步伐的加快，斑塊類型和景觀形狀越來越豐富多樣、趨于復(fù)雜化，因此破碎化程度也變高。

蔓延度指數(shù)描述的是景觀里不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢[18]。龍華區(qū)的蔓延度指數(shù)最高，達74.57%，說明該區(qū)域內(nèi)各斑塊類型形成了良好的連接性，大斑塊的分布格局造成了斑塊間團聚程度很高；秀英區(qū)的蔓延度指數(shù)最低，斑塊密度高達52.54個·hm-2，說明景觀破碎化程度較高，大量建設(shè)用地斑塊增加造成景觀類型斑塊間的相對均勻、不規(guī)則分布，團聚程度降低，但其景觀多樣性則維持在較高的水平。

總體來看，?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局在各區(qū)域中，各個指數(shù)呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，這也與?？谑械膶嶋H發(fā)展情況相符。龍華區(qū)因地處城市中心區(qū)域，大型城市建設(shè)用地斑塊和綠地斑塊并存，且連通性和團聚度也較高；秀英區(qū)因海口市西部發(fā)展的帶動，造成該區(qū)域土地利用改變、建設(shè)用地斑塊大量增加，景觀類型趨于破碎化、復(fù)雜化分布格局。

表3 ?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局景觀水平變化

3 結(jié)論與討論

海口市建成區(qū)景觀格局在各類型中以不透水表面景觀占主導(dǎo)地位，達79.86%；其次是綠地和水面。而不透水表面指數(shù)是衡量城市化程度的重要指標，城市發(fā)展對土地利用的功能改變是驅(qū)動不透水表面增長和擴展的主要動力[4，14]。徐芮等[10]研究表明，?？谑性?991—2014年間耕地和林地面積縮減最嚴重，成為城市建設(shè)用地的主要來源。隨著?？诔鞘型饩壗ㄔO(shè)所帶來的邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致大量的自然地表迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌δ艿慕ㄔO(shè)用地，城市不透水表面發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，景觀格局也隨之呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化、破碎化的分布格局。研究認為，斑塊密度和平均斑塊面積都能直觀地描述和分析景觀格局破碎化程度[9]。?？谑薪ǔ蓞^(qū)綠地景觀類型斑塊密度達28.80個·hm-2，遠高于不透水表面和水面景觀，且其景觀形狀指數(shù)最高，而平均斑塊面積最低(僅為0.61 hm2)，反映了綠地景觀在城市建成區(qū)內(nèi)的斑塊破碎化、形狀復(fù)雜化的景觀空間分布格局。

通過對?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀的類型水平和景觀水平的分析表明，?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局在各區(qū)域中，各指數(shù)呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，根據(jù)不透水表面指數(shù)得出城市化水平從龍華區(qū)、美蘭區(qū)、瓊山區(qū)、秀英區(qū)依次降低，這與?？谑懈餍姓^(qū)的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)相一致(表1)，揭示了景觀格局與人口密度、社會經(jīng)濟水平之間的內(nèi)在聯(lián)系，也反映了社會經(jīng)濟的快速發(fā)展是其景觀格局顯著變化的重要驅(qū)動因素[1]。瓊山區(qū)為?？谑欣铣菂^(qū)主要分布區(qū)域，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)相對較弱，各景觀斑塊也呈破碎化分布格局。龍華區(qū)因地處城市中心區(qū)域發(fā)展成熟，大型商業(yè)區(qū)和城市居住區(qū)高度聚集，中心城區(qū)的集聚效應(yīng)顯現(xiàn)，城市用地逐漸侵占周邊植被、農(nóng)田和水體等自然景觀，演化成占主導(dǎo)地位的優(yōu)勢景觀[19]。秀英區(qū)因?？谑邢蛭靼l(fā)展的帶動，造成該區(qū)域土地利用改變，建設(shè)用地斑塊大量增加，不透水表面景觀平均斑塊面積指數(shù)和最大斑塊指數(shù)均最小，且該區(qū)域分布有大量的農(nóng)林用地、高爾夫球場和野生雜草地，綠地面積較大，但斑塊數(shù)量也較多，說明了該區(qū)域景觀類型的破碎化、復(fù)雜化分布格局。

通過對海口市建成區(qū)景觀格局的分析表明，城市化和人為干擾是影響景觀格局空間分布差異的重要因素，也反映了?？诮ǔ蓞^(qū)地表覆被的空間分布特征。在城市土地利用規(guī)劃中，需要綜合考慮社會經(jīng)濟和生態(tài)因素，制定科學合理的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和土地利用政策，同時制定有效的環(huán)境保護與管理方案，加強對農(nóng)林用地的保護和土地的集約利用，從而提高城市可持續(xù)發(fā)展水平。對此，本研究提出以下建議：①注重城市生態(tài)斑塊之間的生態(tài)建設(shè)，增強生態(tài)斑塊間的連接度。對于城市重要生態(tài)源地，如城市大型公園、?？谖逶春又脸悄蠞竦厣鷳B(tài)廊道，應(yīng)重點保護和建設(shè)利用，并采取緩沖帶等強化措施，提高城市生物多樣性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，促進其生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮。②在城市地表變化劇烈的區(qū)域，需對土地利用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展合理布局，避免出現(xiàn)高密度不透水表面的建設(shè)用地斑塊聚集，形成城市不透水表面、綠地和水面三者之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一分布，提高景觀多樣性和異質(zhì)性，緩解城市熱島效應(yīng)。③不透水表面也會影響城市徑流速度及數(shù)量[20]，因此在不透水表面指數(shù)較高的區(qū)域要重點考慮防洪防澇管理和排水管網(wǎng)規(guī)劃，針對城市化過程中大型的自然斑塊和廊道應(yīng)予以重點保留和維護，而對徑流較深的地區(qū)則應(yīng)提倡透水性土地覆被(如海綿城市)的規(guī)劃建設(shè)。

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