基于3S技術(shù)的城市邊緣區(qū)景觀格局變化分析
——以沈陽市沈北新區(qū)為例

齊 麗，李健鋒

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；4.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075)

1 引言

城市邊緣區(qū)農(nóng)田景觀對于城市的發(fā)展具有重要的意義，這一特性是遠(yuǎn)郊的農(nóng)田不具備的屬性[1～3]。對城市邊緣區(qū)農(nóng)田景觀的研究與保護(hù)具有重大意義。目前并未有人對沈北新區(qū)農(nóng)田景觀進(jìn)行系統(tǒng)分析。

城市邊緣區(qū)農(nóng)田景觀格局的形成，受到基本的農(nóng)田景觀演變的影響，于此同時(shí)還會受到人類的影響。城市邊緣區(qū)的農(nóng)田是原始農(nóng)田演變來的，其過去也是遠(yuǎn)郊農(nóng)村的農(nóng)田，伴隨著城市范圍的不斷擴(kuò)大逐漸變成城市邊緣區(qū)的農(nóng)田。鑒于此，選取沈北新區(qū)作農(nóng)田景觀格局研究。包括其農(nóng)田景觀的格局現(xiàn)狀及將會怎樣演化發(fā)展。探討在這種發(fā)展變化中，城市發(fā)展起到怎樣的作用，如何來控制與改善城市邊緣區(qū)農(nóng)田景觀的發(fā)展?fàn)顩r，使之與城市發(fā)展相適應(yīng)[4]。

2 研究區(qū)概況

沈北新區(qū)(原新城子區(qū))隸屬于遼寧省沈陽市，地處沈陽市區(qū)北郊，位于大連、沈陽、長春、哈爾濱“東北城市走廊”中部，南靠沈陽市區(qū)，北隔遼河、萬泉河與鐵嶺、法庫縣相望，東與撫順市、鐵嶺縣毗鄰，西接遼西走廊，與新民市、于洪區(qū)相連。是連接吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古三省區(qū)的黃金通道和“東北城市走廊”的樞紐重地。坐標(biāo)介于東經(jīng)123°16′～123°48′，北緯41°54′～42°11′之間。 沈北新區(qū)總面積1098 km2?？?cè)丝?19380人。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的遙感數(shù)據(jù)為不同時(shí)相的美國陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)(表1)，利用此類數(shù)據(jù)獲取沈北新區(qū)土地分類信息；非遙感數(shù)據(jù)包括沈陽市1∶5萬地形圖，用于對遙感數(shù)據(jù)的幾何精校正；土地利用現(xiàn)狀圖對解譯過程中地類的判定提供參考作用。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)的具體位置以及研究區(qū)的實(shí)際城鄉(xiāng)分布結(jié)構(gòu)，選取包含研究區(qū)在內(nèi)的遙感影像，進(jìn)行初步裁剪。本文應(yīng)用ArcGIS空間分析工具的Extraction功能，得到研究區(qū)的遙感影像圖，如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 遙感影像預(yù)處理

本文利用遙感圖像處理軟件ENVI4.5，以2015、2020年的遙感影像圖以及1∶5萬的地形圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將河流和道路的相交點(diǎn)等作為控制點(diǎn)，利用最鄰近像元重采樣以及二次多項(xiàng)式變換的方法對影像進(jìn)行精度配準(zhǔn)以及幾何校正。校正后，研究區(qū)的影像像元大小是30 m×30 m。另外，要對圖像進(jìn)行空間加強(qiáng)處理。本研究主要是對土地利用類型進(jìn)行提取，選擇3、4、5波段開展假彩色合成，方便目視解譯[5]。

圖1 研究區(qū)影像裁剪圖(345假彩色合成)

3.2.2 影像解譯

本文利用的是土地分類系統(tǒng)，主要是依據(jù)《中國資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究》中的分類方法，同時(shí)考慮到研究區(qū)的狀況，將土地利用類型分為6類，分別是旱地，草地，水田，水域，建設(shè)用地，林地。其中，林地包含園地和各類林業(yè)用地，旱地包括菜地等。

為能夠展現(xiàn)沈北新區(qū)用地類型多樣性特征，依據(jù)建立的六類解譯指標(biāo)體系，選擇能代表不同農(nóng)田景觀類型的某些區(qū)域作為訓(xùn)練區(qū)，得到訓(xùn)練樣本，利用ENVI4.5對不同時(shí)相的遙感影像采用最大似然法對圖像進(jìn)行監(jiān)督類。

3.2.3 解譯結(jié)果的GIS處理

為了便于使用Fragstats3.3進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，將解譯得到的柵格數(shù)據(jù)使用ArcGIS處理，以便直接導(dǎo)入Fragstats3.3中計(jì)算結(jié)果。過程如下：首先，在ArcGIS軟件的支持下，使用Conversion Tools工具箱，打開From Raster工具集，在Raster to Polygon中完成遙感解譯得到的影像分類柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量格式文件；然后制作兩期地類分布圖；在此基礎(chǔ)上，在ArcGIS中添加圖斑面積、周長字段，并計(jì)算相應(yīng)數(shù)值；最后，添加指標(biāo)計(jì)算字段，將水田、旱地合為農(nóng)田，其它分類不變，在Fragstats3.3中將按此字段分類進(jìn)行計(jì)算。

3.2.4 指標(biāo)指數(shù)的計(jì)算

將通過ArcGIS處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats3.3中，分別計(jì)算全境指標(biāo)與農(nóng)田指標(biāo)。其結(jié)果如表2所示。

表2 不同年份全境景觀鑲嵌體特征指標(biāo)

4 結(jié)果與分析

4.1 沈北新區(qū)農(nóng)田面積變化分析

根據(jù)在ArcGIS中計(jì)算得到的各地類面積可知2015年沈北新區(qū)農(nóng)田總面積為571.59 km2，這一數(shù)據(jù)到2020年變?yōu)?48.84 km2，減少了4.15%。主要變更為建設(shè)用地，由兩期地類分布圖可以看出，新增建設(shè)用地主要集中在沈北新區(qū)南部即靠近沈陽市區(qū)一側(cè)。由此可知沈北新區(qū)地類變更與城鎮(zhèn)化更多的是受沈陽市(市區(qū))影響，而非沈北新區(qū)中心城區(qū)。

4.2 沈北新區(qū)全境景觀鑲嵌體動態(tài)變化

由表2可以看出，2015與2020年面積積特征指數(shù)顯示，沈北新區(qū)的斑塊總數(shù)明顯增加了，平均斑塊面積減少，斑塊密度增加；與此同時(shí)，鄰近度指數(shù)顯著下降，形狀指數(shù)有所增加。這就代表近五年時(shí)間里，沈北新區(qū)斑塊形狀變得越來越復(fù)雜，景觀破碎度增強(qiáng)了，離散程度增高。

聚散度指數(shù)不斷減小，這代表相鄰并列的不同類型斑塊變的越來越多，破碎度不斷變高，團(tuán)聚程度高的現(xiàn)象不斷減少，多個(gè)小斑塊不斷形成。

空間上雖然保持著農(nóng)田景觀為優(yōu)勢景觀類型的鑲嵌體格局，但大量的建設(shè)用地通過道路等連通肆意切割成片原有農(nóng)田，使農(nóng)田變得破碎、不規(guī)則。形成農(nóng)田、林地、建設(shè)用地、水域和草地交錯(cuò)密集的新的土地利用格局。

4.3 沈北新區(qū)農(nóng)田單一景觀動態(tài)變化分析

農(nóng)田面積占沈北新區(qū)總面積一半以上，約為65%。從景觀的角度講，在沈北新區(qū)農(nóng)田屬于景觀中的基質(zhì)，是斑塊鑲嵌內(nèi)的背景生態(tài)系統(tǒng)，占絕對優(yōu)勢，有很好的連通性。其它景觀，建設(shè)用地、林地、水域、草地鑲嵌其上。

與鑲嵌體水平對比分析可知，斑塊水平上的特征指數(shù)能夠特別細(xì)致的說明單一景觀組分的演變規(guī)律。依據(jù)沈北新區(qū)景觀的實(shí)際情況，本研究從形狀、聚散度、面積、鄰近度以及形狀五個(gè)指數(shù)對其進(jìn)行分析，其結(jié)果如表3所示。

表3 不同年份農(nóng)田景觀特征指標(biāo)

兩個(gè)年份的鄰近度指數(shù)出現(xiàn)下降，體現(xiàn)的是從2015年以來，在半徑為1000 m的情況下，農(nóng)田景觀斑塊的破碎度不斷增加，同時(shí)離散度也在不斷增加。同時(shí)，聚集度指數(shù)也在不斷降低，這代表農(nóng)田景觀斑塊集中連片的格局正在不斷的減少，以前聚集性較高的大片農(nóng)田被分割成零碎的小斑塊。這是因?yàn)榻鼛啄觌S著沈北新區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，其基礎(chǔ)設(shè)施水平不斷增加，改變了原有的大片農(nóng)田。與此同時(shí)，該地區(qū)不斷遷入大小企業(yè)，因?yàn)闆]有科學(xué)的進(jìn)行整體規(guī)劃，嚴(yán)重的影響到農(nóng)田景觀，形成了凌亂的、破碎度較高的城市近郊型土地利用格局。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得知，近五年來沈北新區(qū)城市周邊的農(nóng)田面積正在不斷減少，主要原因是城市建設(shè)發(fā)展建設(shè)占用。在近五年的農(nóng)田演變中，雖然景觀類型還是以農(nóng)田景觀為主，但是較之前的景觀類型復(fù)雜了許多，逐步形成了農(nóng)田、建設(shè)用地、水域、林地和草地縱橫交錯(cuò)的景觀格局。研究分析顯示：農(nóng)田景觀逐漸向破碎度高，離散程度不斷增加的方向演變，景觀變的越來越復(fù)雜，越來越零碎。這就造成了大面積高效率的機(jī)械化施工越來越困難。同時(shí)，生物多樣性也在不斷降低，這極大地降低了城市周邊農(nóng)田景觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

城市邊緣區(qū)的農(nóng)田景觀具備經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、美學(xué)三個(gè)方面的價(jià)值。同時(shí)，城市邊緣區(qū)的農(nóng)田景觀價(jià)值正在由傳統(tǒng)單一的生產(chǎn)價(jià)值轉(zhuǎn)變?yōu)楦佣鄻踊木坝^價(jià)值。因此，當(dāng)下討論在城市經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的情況下，如何構(gòu)建符合當(dāng)?shù)匕l(fā)展特色的農(nóng)田景觀建設(shè)模式具有重要意義，使其構(gòu)建的景觀模式既能夠保障糧食生產(chǎn)功能價(jià)值被充足發(fā)揮，又能夠形成各具地方特色的農(nóng)田景觀，擴(kuò)充城市綠色空間，發(fā)揮休憩觀賞作用，是值得進(jìn)一步探討的問題。