1988-2002年郑州市景观格局演变分析*

王安周,张桂宾,耿秀丽

(河南大学资源环境研究所,河南大学环境与规划学院,河南开封475004)

城市景观格局是区域自然因素和社会因素共同作用的产物,它是景观异质性的重要表现,同时又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果[1]。城市社会经济活跃,导致人地矛盾突出,不合理的景观格局常常成为城市生态问题产生的症结所在[2]。因此,分析景观空间格局及其动态变化特征有助于探讨景观格局和生态过程间的相互关系,揭示城市景观变化的规律和机制,为人类定向影响生态环境并使之向良性方向演化提供依据。关于城市景观格局及其空间演变,国外[3-4]、国内学者研究较多[5-7],但对深受黄河影响的内陆快速城市化地区研究较少。

郑州地处黄河流域的中游地区,1990年代以来伴随着交通条件改善、工业项目建设和国家宏观政策支持,郑州进入快速城市化时期,但在推动了社会经济高速发展的同时,也引发了城市景观格局和生态过程的变化,产生了一系列生态和社会经济的后果,严重地影响城市进一步发展。因此,探究郑州市20世纪90年代以来城市景观格局动态演变规律,对于揭示景观演替的机制和规律,预测景观演变趋势,建立可持续的城市化发展模式具有重要意义。

1 研究区概况

研究区域仅包括郑州市区(除上街区外),位于北纬 34°36′10″-34°58′20″和东经 113°26′47″-113°51′42″,南北宽约 36.5 km,东西长约 35.8 km,总面积1 010.3 km2。本区北临黄河,地处浅山丘陵向黄淮平原过渡的交接地带,地貌类型以平原为主,地势自西南向东北倾斜,海拔处于84～254 m,气候属暖温带大陆性季风气候,多年平均气温14.4°C。近10 a来,西部大开发、中部崛起战略的实施将使郑州成为东西部经济合作及技术资金人才融汇地,必然促进郑州市技术、信息、产品和人口的大量集散,加速城市景观空间结构的变化。

2 遥感影像解译分类

研究资料主要来源于1988年5月14日、1995年7月5日和2002年9月2日3幅Landsat-5 TM影像、国家基础地理信息中心提供的数字高程模型数据(空间分辨率30 m)、1997年郑州市土地利用现状图(1∶70 000)、2007年 6月GPS调查获取的景观要素的空间位置数据,以及部分社会经济统计数据。

景观类型的划分,应严格按照土地分类标准(GBJ137-90),同时考虑景观功能与生态过程一致性原则、综合分析和主导因素原则、科学性与实用性等原则[8],通过波段优化组合、辐射增强、裁剪等数据预处理,训练样本选取、景观分类系统与解译标志建立,精度评估、分类后处理、分类重编码等进行遥感影像解译[9]。3幅影像的 Kappa指数均大于0.75,满足精度要求;考虑到同物异谱、异物同谱现象存在,利用Raster/Fill Area工具进行纠正处理,最终得到3个时段遥感影像分类结果(图1)。

图1 1988年 、1995年和2002年郑州市景观遥感分类图

3 结果分析

3.1 城市景观空间结构分析

受人类活动和经济发展影响,郑州市城市扩展明显,景观格局和动态变化迅速。利用ArcGIS 9.0平台进行图层矢量转换、信息提取,SPSS11.5工具对研究区不同时段不同景观组分斑块的面积和数量进行分类统计(图2、图3)。

斑块是景观的基本单元,斑块面积大小是斑块最显著的几何特征。由各斑块多年平均面积可知,本地基质以农业景观为主,面积最大是水浇地,其次是菜地和旱地,3者占总面积的55.81%。由图2可知,水浇地面积减少明显,14 a内净减少17.433 km2,而林地和建设用地呈逐年增长趋势。通过GIS空间叠加分析表明,14 a间农村居民点和水浇地转化为建设用地达57.79 km2,占建设用地增加总量的67.76%。旱地和菜地呈波动性减少趋势,1988-1995年间分别增加了0.5%、2.1%,1995年以后两者呈不同程度减少趋势。由图3可知,景观斑块数量最多是居民点,其次是林地;水域、水浇地、建设用地斑块数量明显增多,分别增加2 369,2 670,1 314个;旱地和菜地斑块数分别减少了1 531,674个。

图2 1988-2002年各类斑块面积动态变化

图3 1988-2002年各类斑块数量动态变化

3.2 城市景观格局变化

景观空间格局变化的定量分析可以从景观指数的变化上反映出来。鉴于郑州市20世纪80年代中后期以来的土地利用变化特征和研究目的的需要,选取景观多样性、优势度、破碎度、分维数和边缘密度等指数来表征景观格局动态变化。在ArcInfo支持下,应用Fragstat 3.3软件完成景观格局指数计算(表1)。

表1 1988-2002年郑州市景观格局变化

由表1可知,1988-2002年郑州景观格局发生了较大变化,突出表现在:①景观破碎化程度加大。景观破碎化是干扰对景观要素及其空间配置持续作用的结果,14 a间,郑州市景观破碎度、斑块数量、斑块密度均呈现不同程度的增加态势,斑块平均面积由1988年4.956 hm2减至2002年3.844 hm2,呈明显减少趋势,这些表明景观破碎化程度在加大;②景观异质性程度加大。景观异质性指景观的变异程度,它是自然干扰、人类活动和植被内源演替的结果。14 a间,郑州景观多样性指数有所增加,优势度指数由0.137减至0.118,表明景观异质性程度加大;③景观形状趋于复杂化。斑块分维数和边缘密度用来测定景观斑块周边形状的复杂程度,1988-2002年分维数和边缘密度略有增加,优势度指数由0.137减至0.118,表明景观的整体形状趋于复杂破碎,边缘效应增强[10]。

图4 沿E-W、N-S、NE-SW和 NW-SE向的土地利用程度剖面曲线

3.3 城市景观空间梯度变化

城市景观梯度分异特征是景观空间异质性重要体现,借鉴了刘纪远等人的土地利用分级标准和计算思路,利用ArcGIS软件来探讨郑州市城市景观空间梯度分异规律[11]。具体计算步骤如下:首先采用Erdas Imaging/Recode命令建立2002年TM影像景观分类矢量图,之后利用Arcgis/Focal statistics工具对7×7邻近象元进行多次循环运算,最后利用3D analysis spatial tools/Profile工具,绘制以二七塔(113.66°E、34.75°N)为中心分别沿东西、北南、东北-西南和西北-东南向延伸的剖面图(图4)。

由图4可知,郑州市土地利用程度曲线呈现以二七广场为中心向四周波动减少趋势,反映了人类对城市景观干扰强度自中心城区向郊区梯度性递减规律,且存在方向分异。图4a中心线附近以建设用地为主,土地利用度较高,随着西部须水组团建设和郑东新区建设,周边大量农田被侵占,城郊土地利用变化剧烈,故曲线变化特征不明显;图4b曲线波动明显,表明随着乡村工业化进程加速和城市蛙跳式扩展,使得郊区工厂、道路和旅游区建设等用地增加,土地利用度较大,但城乡过渡区仍以农业景观为主,故曲线呈现“马鞍式”;图4c曲线呈典型的中间高两边低,土地利用度自中心向外围梯度变化明显;图4d曲线波动较大,长期以来城市一直沿京广铁路轴线式向外扩展,尤其是1990年以来西北部高新技术开发区和西南部经济技术开发区建设,使得城市扩展加速,建设用地集中连片。随着城市扩展由紧凑环式向分散组团式转变,出现了须水组团、莆田组团和花园口等多个次级中心,城市扩展在各方向上差异明显,NW-SE向为城市扩展主轴线。

3.4 城市景观扩展强度分析

城市扩展强度是进行城镇空间扩展分析的一个实用标准化指数,其实质上是各空间单元的土地面积对其年平均扩展速度进行标准化处理,因而能够较好地表现出城镇扩展的空间差异[13]。城市扩展速度和扩展强度指数计算公式如下:

式中:Ai——研究前期面积;Aj——研究后期面积;Δt— —变化时间(a);ΔA ——面积变化;A — —试验区土地面积;EA——扩展倍数;EI——扩展强度。

图6 郑州市环城公路内城市扩展动态

利用ERDAS IMAGING软件,分别对2002年的Landsat TM 图像的 Band5、Band4、Band3赋予红、绿、蓝来合成假彩色图像,通过目视判读,提取郑州市三环信息和绕城公路的信息,通过掩膜技术,分别提取三环内和绕城公路内城市扩展分布情况。由图5和图6可知,1988-2002年,三环内的城市扩展主要发生在城市的西南和东北部,由于这些地区具有良好的基础设施和经济基础,因而城市化水平发展迅速;其次是东部和北部,是外延式扩展,在其西部、西北部扩展较少,且多为内部填充式扩展。三环与绕城公路间,城市扩展主要是沿道路而扩展,发生在北部、东部,南部主要是外延式扩展,市区内部主要是填充式扩展。因此,城市重心整体由西向东偏移,偏移大约1.5 km2。

表2 郑州市城市动态扩展分布

交通环线的建设为城市用地的圈层式扩张提供了动力,使得建设用地尤其工业用地沿轴扩张趋势明显。由城市动态扩展分布(表2)可知,在绕城公路内,1988-2002年城市扩展面积达38.76 km2,年均扩展面积2.77 km2,其中三环路内达25.75 km2,占总扩展面积的66.46%;三环与绕城公路间扩展倍数最大为1.56;扩展强度能较好的表现城镇扩展的空间差异,三环内扩展强度最大为1.36,三环与绕城公路间最小为0.37,可见城市扩展主要集中在三环路内。

4 结 论

运用景观生态学及其相关学科理论,利用遥感信息多尺度、多时相、多波段的特点,在GIS技术的支持下,从不同角度对郑州市城市景观空间格局演变进行了系统分析,结论如下:1988-2002年来郑州市建设用地、林地显著增加,水浇地、旱地减少明显且呈持续减少趋势。土地利用结构仍以农业用地为主,各土类间转换激烈;14 a间,斑块数量、景观破碎度、分维数明显增大,优势度指数由0.137减至0.118,表明景观格局趋于复杂化、破碎化和多元化,今后应加强绿色廊道建设,优化生态敏感区,以维护景观格局和生态过程的连续性。城市扩展主要集中在三环路内,NW-SE向为城市扩展主轴线,扩展模式由紧凑环式向分散组团式转变,出现了须水组团、莆田组团和花园口等多个次级中心,开放式多中心的空间扩张新格局已经形成。今后应加强对影像数据解译方法的探索和改进,以提高解译精度;加强对城市生态环境影响评价,以揭示城市景观格局变化的机理和生态效应;进一步考虑景观分类、地形(高程、坡度)因素、尺度(粒度和幅度)变化对格局指标的影响;开展对城市扩展过程、驱动机制及动态演化模型的研究,积极探讨符合郑州实际的景观生态优化发展模式。

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