洛陽(yáng)市區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局時(shí)空特征研究

摘 要：探究洛陽(yáng)市區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施（GI）景觀格局時(shí)空特征，為改善城市生態(tài)環(huán)境及實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供參考。基于形態(tài)學(xué)空間格局分析法（MSPA）和景觀格局指數(shù)法，分析洛陽(yáng)市區(qū)GI景觀格局時(shí)空變化。結(jié)果表明：①2001—2021年，洛陽(yáng)市區(qū)的林地面積和水域面積總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，草地面積則呈逐漸減小的趨勢(shì)。②GI總面積呈增加趨勢(shì)，核心區(qū)占總面積的比例最大，其次是邊緣、分支和孤島。③GI斑塊數(shù)量呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)斑塊面積呈先縮小后擴(kuò)大的趨勢(shì)，斑塊聚合度表現(xiàn)為先降低后上升，斑塊多樣性指數(shù)則表現(xiàn)為先上升后下降。整體來(lái)看，研究區(qū)從2001年到2021年的GI網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了破碎化的過(guò)程，但破碎化趨勢(shì)有所減緩，未來(lái)應(yīng)合理構(gòu)建及優(yōu)化GI網(wǎng)絡(luò)，助推城市生態(tài)文明建設(shè)。

關(guān)鍵詞：綠色基礎(chǔ)設(shè)施；形態(tài)學(xué)空間格局分析；景觀格局指數(shù)；洛陽(yáng)市

中圖分類(lèi)號(hào)：TU985" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）23-104-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.23.022

0 引言

近年來(lái)，快速的城市化進(jìn)程使得極端氣候、環(huán)境污染、城市內(nèi)澇等問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，能夠在改善空氣質(zhì)量、緩解高溫風(fēng)險(xiǎn)［1］、保護(hù)生物多樣性、創(chuàng)建宜居城市［2］等方面發(fā)揮有效功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施引起了眾多關(guān)注［3］。1999年，綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，GI）的概念由美國(guó)保護(hù)基金會(huì)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部森林管理局組織成立的“GI工作小組”正式提出。GI作為國(guó)家的自然生命支持系統(tǒng)，是一個(gè)由森林、水域、自然保護(hù)區(qū)、公園和野生動(dòng)物棲息地，以及維持自然生態(tài)過(guò)程和保護(hù)自然資源、提高生活環(huán)境的開(kāi)敞空間組成的相互連接的網(wǎng)絡(luò)［4］。綠色基礎(chǔ)設(shè)施概念最早由張秋明［5］于2004年引入國(guó)內(nèi)，我國(guó)早期相關(guān)研究集中在GI概念、功能及其理論體系與構(gòu)建途徑等方面［6］。隨著GI研究的逐漸深入，曹暢等［7］、謝于松等［8］對(duì)城市GI網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估；于亞平等［9］、謝于松等［10］等運(yùn)用形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）、景觀連通性指數(shù)、景觀格局指數(shù)等方法分析城市GI景觀格局變化；何侃等［11］、費(fèi)文君等［12］、汪勇政等［13］通過(guò)重力模型、最小累積阻力模型、電路理論等方法構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)；周盼等［14］、魏新星等［15］探究城市更新與綠色基礎(chǔ)設(shè)施之間的關(guān)系，提出有助于城市更新的方案；應(yīng)君等［16］、王龍歡等［17］探究氣候變化對(duì)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的作用及影響。

目前，針對(duì)洛陽(yáng)市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的研究主要涉及市域尺度［18］，而對(duì)市區(qū)尺度下的綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局變化特征有待進(jìn)一步深入研究。本研究以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用形態(tài)學(xué)空間格局分析法和景觀格局指數(shù)法對(duì)洛陽(yáng)市區(qū)2001—2021年綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局變化進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)洛陽(yáng)市區(qū)GI空間合理配置、GI網(wǎng)絡(luò)格局構(gòu)建及優(yōu)化提供參考，為營(yíng)造宜居城市及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

洛陽(yáng)市位于河南省西部，橫跨黃河中下游南北兩岸，地處東經(jīng)112°16′～112°37′，北緯34°32′～34°45′，地勢(shì)呈西高東低的格局，該區(qū)域山川丘陵交錯(cuò)，地形復(fù)雜，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為14.7 ℃，年平均降水量為690.00 mm。研究范圍為洛陽(yáng)市區(qū)，包括澗西區(qū)、西工區(qū)、老城區(qū)、瀍河回族區(qū)、洛龍區(qū)、偃師區(qū)（原偃師市）、孟津區(qū)等7個(gè)市轄區(qū)，總面積約為2 282.62 km2。該區(qū)域被北側(cè)邙山、西側(cè)周山、南側(cè)龍門(mén)山和萬(wàn)安山所環(huán)抱，伊河、洛河、澗河、瀍河貫流其間。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

研究數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（www.webmap.cn）；Landsat遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http：//www.gscloud.cn），選擇間隔10 a的3期（2001年、2011年、2021年）數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)獲取研究數(shù)據(jù)。

運(yùn)用ENVI5.6軟件對(duì)Landsat遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌裁剪等預(yù)處理操作，采用最大似然法對(duì)Landsat遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，將遙感影像分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地等6種類(lèi)型，最后得到空間分辨率為30 m的土地利用數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 形態(tài)學(xué)空間格局分析

形態(tài)學(xué)空間格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對(duì)柵格圖像的空間格局進(jìn)行度量、識(shí)別和分割的一種圖像處理方法，將前景數(shù)據(jù)分為互不重疊的核心區(qū)、孤島、穿孔、邊緣、連接橋、環(huán)以及分支等7種GI要素［19］?；贏rcGIS10.8軟件中的重分類(lèi)工具，將研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)劃分為前景和后景，其中林地、草地、水域等GI用地賦值為2，為前景；耕地、建設(shè)用地、未利用地等非GI用地賦值為1，為背景。然后導(dǎo)出柵格單元大小為30 m×30 m的研究區(qū)土地利用二值柵格圖。在Guidos Toolbox3.1軟件中采用八鄰域分析法，對(duì)土地利用二值柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到研究區(qū)形態(tài)學(xué)空間格局分析圖。

2.2.2 景觀格局指數(shù)分析

選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）、結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、聚集度指數(shù)（AI）、Shannon's均勻度指數(shù)（SHEI）、Shannon's多樣性指數(shù)（SHDI）等8個(gè)指標(biāo)分析研究區(qū)GI景觀格局變化。運(yùn)用FRAGSTATS4.2軟件，采用MCGARIGAL等［20］研究方法，計(jì)算各景觀指數(shù)，并分析其生態(tài)學(xué)意義。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類(lèi)型變化分析

基于洛陽(yáng)市區(qū)2001—2021年土地利用數(shù)據(jù)，疊加分析得出2001—2011年和2011—2021年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見(jiàn)表1。如表1所示，2001—2011年土地利用類(lèi)型中轉(zhuǎn)出面積最大的是耕地，共轉(zhuǎn)出554.15 km2，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和林地。耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積占耕地總轉(zhuǎn)出面積的51.54%，草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積占草地總轉(zhuǎn)出面積的56.31%。林地、水域、建設(shè)用地面積均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，由耕地轉(zhuǎn)入的部分分別占林地、水域、建設(shè)用地總轉(zhuǎn)入面積的81.87%、84.55%、90.59%。2011—2021年，耕地仍為轉(zhuǎn)出面積最大的土地利用類(lèi)型，共轉(zhuǎn)出325.42 km2，其中43.88%轉(zhuǎn)化為林地，42.50%轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。草地面積仍呈減少趨勢(shì)，主要轉(zhuǎn)化為耕地，占草地總轉(zhuǎn)出面積的56.05%。林地、水域、建設(shè)用地面積仍呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，由耕地轉(zhuǎn)入的部分分別占林地、建設(shè)用地、水域總轉(zhuǎn)入面積的82.51%、75.91%、40.00%。

3.2 GI要素形態(tài)學(xué)空間格局分析

3.2.1 GI空間變化特征

如圖1所示，2001—2021年，GI要素類(lèi)型中的核心區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和南部邊緣山地區(qū)域，其中孟津區(qū)和偃師區(qū)的核心區(qū)分布較廣，邊緣、分支、孤島等廣泛分布在整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)。研究區(qū)西北部和東南部的邊緣區(qū)域地勢(shì)較高，林地面積占比較大，核心區(qū)在該區(qū)域分布較為密集。研究區(qū)中部和西南部地區(qū)以平原為主，耕地及建設(shè)用地面積占比較大，綠色斑塊面積較小，易形成孤島和連接橋等景觀類(lèi)型。近年來(lái)，隨著洛陽(yáng)市對(duì)洛河流域和伊河流域開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，濱河綠道、公園等相繼建設(shè)完工并投入使用，使得核心區(qū)面積逐漸增加。

3.2.2 GI時(shí)間變化特征

如表2所示，洛陽(yáng)市區(qū)2001—2011年GI總面積在研究區(qū)中的占比從12.20%增加到19.64%。在GI各要素類(lèi)型中，核心區(qū)面積在GI總面積中的占比從68.22%減少到52.49%，邊緣面積在GI總面積中的占比從17.15%增加到26.87%，而核心和邊緣面積均呈增加趨勢(shì)。核心和邊緣的主要轉(zhuǎn)入來(lái)源為背景區(qū)，且部分核心區(qū)和邊緣區(qū)相互轉(zhuǎn)化。分支、孤島、穿孔、環(huán)和連接橋面積均有所增加，主要轉(zhuǎn)入來(lái)源為核心區(qū)和背景區(qū)。2001—2011年，核心區(qū)面積的增長(zhǎng)量明顯小于GI總面積的增長(zhǎng)量，新增的GI斑塊在空間布局上呈現(xiàn)出較為分散的狀態(tài)，未能形成面積較大的核心斑塊，甚至部分原本完整連續(xù)的GI區(qū)域被分割成眾多小型斑塊，使得分支、孤島等GI要素的面積增加，整體景觀格局呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)。

2011—2021年，洛陽(yáng)市區(qū)GI總面積及各要素占比整體呈增加趨勢(shì)。其中核心區(qū)面積在GI總面積中的占比從52.49%增加到56.63%。核心區(qū)主要轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出來(lái)源均為背景區(qū)和邊緣區(qū)，其中轉(zhuǎn)出面積小于轉(zhuǎn)入面積，核心區(qū)面積增加。邊緣面積占比從26.87%減少到25.92%，穿孔和環(huán)面積增加，分支、連接橋、孤島面積有所減少。2011—2021年，核心區(qū)面積的增長(zhǎng)幅度超過(guò)GI總面積的增長(zhǎng)幅度，部分邊緣、連接橋、孤島等GI要素發(fā)生轉(zhuǎn)變，逐漸聚集并擴(kuò)展成為大面積的斑塊，進(jìn)而促進(jìn)了核心區(qū)的形成，增加了核心區(qū)域的連通性。

3.3 景觀格局指數(shù)分析

如表3所示，相較于2001年GI景觀格局各指數(shù)，除景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）外，其余各指數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)均在2011年發(fā)生逆轉(zhuǎn)，斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、Shannon′s多樣性指數(shù)（SHDI）和Shannon′s均勻度指數(shù)（SHEI）均在2011年減小，而最大斑塊指數(shù)（LPI）、結(jié)合度指數(shù)（COHESION）和聚集度指數(shù)（AI）均在2011年增大。2001—2021年，PD由2001年的3.006 0增至2011年的7.339 0，到2021年又減少到6.760 9；LSI在2001—2021年呈增加趨勢(shì)；SHDI和SHEI在2001—2011年呈增加趨勢(shì)，在2011—2021年則呈減少趨勢(shì)；LPI、COHESION和AI在2001—2011年呈減小趨勢(shì)，在2011—2021年則呈增加趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，洛陽(yáng)市區(qū)2001—2011年GI景觀格局各指數(shù)變化幅度較大，主要由于這一時(shí)期洛陽(yáng)市區(qū)道路建設(shè)等一系列人為活動(dòng)的干擾較大，對(duì)研究區(qū)GI景觀格局造成顯著影響，GI景觀破碎化程度高。2011—2021年各指數(shù)變化幅度明顯減小且部分指數(shù)有所回升，表明研究區(qū)公園、街道等綠地建設(shè)已初見(jiàn)成效，GI斑塊連通性得到改善，GI景觀破碎化趨勢(shì)有所減緩。

4 結(jié)論

利用形態(tài)學(xué)空間格局分析法（MSPA）和景觀格局指數(shù)分析法，對(duì)洛陽(yáng)市區(qū)2001—2021年綠色基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)空格局變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明：①2001—2021年，洛陽(yáng)市區(qū)的GI用地總面積呈增加趨勢(shì)，共增加了191.80 km2。其中林地、水域面積均呈增加趨勢(shì)，分別增加了188.92 km2和39.05 km2；草地面積則呈持續(xù)減少趨勢(shì)，共減少了36.17 km2。②2001—2021年，洛陽(yáng)市區(qū)GI總面積呈現(xiàn)出由“急劇增加”向“緩慢增加”過(guò)渡的變化趨勢(shì)，GI總面積在研究區(qū)中的占比同樣呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，共增加了191.80 km2。在GI各要素中核心區(qū)面積占比最大，主要分布在研究區(qū)的北部和南部地區(qū)，其次為邊緣、分支和孤島。③從景觀格局指數(shù)看，洛陽(yáng)市區(qū)2001—2021年斑塊數(shù)量呈先增加后減少的趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)斑塊主導(dǎo)性表現(xiàn)出先減弱后增強(qiáng)的特征，斑塊多樣性和均勻性則呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。這一系列變化表明洛陽(yáng)市區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)在2001—2021年期間經(jīng)歷了破碎化的過(guò)程，但在具體政策措施的實(shí)施下，其破碎化趨勢(shì)有所減緩。

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