苕溪流域城市化发展的景观格局变化研究

陈 奕,陈增奇,邵雄飞,李世锋

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 景观概述

景观是一个由不同土地单元镶嵌组成,具有明显视觉特征的地理实体;它处于生态系统之上,大地理区域之下的中间尺度,兼具经济、生态和文化的多重价值[1]。景观具有空间异质性、地域性、可辨识性、可重复性和功能一致性等特征,特别强调景观的尺度性和多功能性。因此,景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间格局及其与生态学过程相互作用的综合性学科;它不仅仅研究自然生态,也涉及到人的因素,即在研究生态景观的形成和演变,格局与过程等基本问题的同时,不能忽略人类对于环境感知中的重要内容,它同样是景观功能和价值的有机组成部分[2]。

城市化发展导致城市的土地利用、覆盖发生变化,并因此导致城市景观组分在不同水平下发生剧烈变化。不同景观组分之间的相互作用除受建设用地扩张外,还受自然资源环境、区域生产经营和生态环境容纳量等因素的综合制约[3]。因此研究城市化过程的景观格局变化能够探讨城市发展伴随的景观组成和斑块的变化,以及由此产生的生态环境影响[4]。

2 研究区概况

苕溪流域位于杭嘉湖东部平原以西,行政上分属浙江省杭州市的临安市、余杭区和湖州市的安吉、长兴、德清县和湖州市区以及安徽省的部分地区。流域面积4 543 km2,主流河长157.8 km,受地势制约,水流自然流向由西南向东北流入太湖和黄浦江。全区分为苕溪(东、西苕溪)、京杭运河、长兴滨湖平原3大水系。研究区的年平均降雨量1 466.00 mm左右,最丰年 (1954年)降水量为2 170.00 mm,最枯年(1978年)降水量为960.80 mm。流域地貌属于浙北丘陵地区,处于天目山脉与杭嘉湖平原的交汇地带,以东苕溪主河道为界,其西属天目山脉,其东为杭嘉湖平原。地势由南向北倾斜。南部为山区,北部多平原。土壤类型有红壤土、黄壤土、水稻土和潮土4类。

研究区经济发展较快,城市化水平较高,根据统计年鉴资料,2008年苕溪流域内的平均人口城镇化率为26.77%,杭州市略高于湖州市,其中德清县的武康镇、安吉县的递埔镇、余杭区的余杭镇、临安市的锦城街道城镇化率超过了50.00%。

3 研究区的土地利用变化情况

此次研究搜集了苕溪流域1998年、2003年、2008年3期的TM遥感影像。空间分辨率约30m,共有7个波段,分别为 B1(0 145～ 0 152 μ m)、 B2(0 152 ～ 0 160 μ m)、 B3(0 163～ 0 169 μ m)、B4(0 176 ～ 0 190 μ m)、 B5(1 155～1 175 μ m)、B6(1 014～ 1 215μ m)和 B7(2 108～ 2 135μ m)。现状的遥感解译软件只能处理由3个波段合成的假彩色图像,因此如何根据具体的应用目的,在众多的波段中选出3个波段,以突出感兴趣区域,显得尤为重要。在对原始影像进行几何纠正和辐射校正等预处理后,选取B4、B3、B2三个波段进行假彩色合成。为了提高分类精度,在影像解译中引入了苕溪流域地形图(1:10 000、1:50 000),同时结合Google Earth卫星资料作为辅助进行分类。

采用ERDAS进行解译分析,使用ArcGIS进行统计与后处理,得到苕溪流域1998年、2003年、2008年土地利用情况见图1和表1。

图1 苕溪流域1998年、2003年、2008年土地利用图

表1 苕溪流域土地利用变化统计表

由图1和表1可知,苕溪流域建设用地逐年增加,而农用地、林地和草地则有减少的趋势,水域面积也逐年减少,这就说明随着城市化的发展,有些农用地、林地、草地和水域转化为建设用地。

4 评价方法

景观格局从斑块水平、斑块类型水平、景观水平3个空间尺度来计算。

斑块水平尺度:描述某单个斑块的景观指数,如斑块的面积、周长、形状指数,或廊道的长度、曲度等。斑块类型水平尺度:描述同一类型斑块的景观指标,如景观类型面积、斑块数、斑块密度、斑块面积变异系数、最大斑块指数等。景观水平尺度:描述不同景观要素组成的区域景观镶嵌体的空间结构指数,如Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数、蔓延度指数、优势度指数等。

由于单个斑块景观指数的计算分析对区域景观格局分析贡献较小,因此实际研究中多对斑块类型和景观水平尺度的指数进行探讨[5]。另外,由于所采用的遥感影像在分辨率上有所不同,因此选择指标时还需要选择对于分辨率不敏感的景观指数[6]。此研究选择连通性(COHESION)、平均分维数(FRAC_MN)、香农多样性指数(SHDI)3个景观水平指标。各指数的定义及计算方法如下[7-8]:

(1)连通性 (COHESION)。度量相关斑块类型之间在地理上的连接性,在渗透阈值以下,斑块合并对于聚合程度敏感,当斑块之间更加聚集时该数值越大,在0.00～100.00。表达式为:

(2)平均分维数 (FRAC—MN)。该指标反映景观格局总体特征,在一定程度上也反映了人类活动对景观格局的影响,一般来说,受人类活动干扰小的自然景观的分维值高,而受人类活动影响大的人为景观的分数维值低。表达式为:

(3)香农多样性指数 (SHDI)。反映一种基于信息理论的测量指数,在1个景观系统中,土地利用越丰富,破碎化程度越高,计算出的SHDI值也就越高。香农多样性指数表达式为:

式中:i为斑块类型,i=1,…,m;m为景观中总的斑块类型;j为斑块数目,块;pi为斑块类型i的面积比例;pij为斑块类型i中单元j的面积比例;aij为斑块类型i中单元j的面积,m2;A为总面积,m2。

5 评价结果与讨论

5.1 评价结果

根据苕溪流域1998年、2003年、2008年遥感解译数据通过Fragstats软件计算得到的景观水平指数,各指标的变化趋势见表2～4。

表2 苕溪流域景观连通性变化趋势计算表

表3 苕溪流域景观平均分维数变化趋势计算表

表4 苕溪流域景观香农多样性指数变化趋势计算表

5.2 指标分析

连通性是度量相关斑块类型之间在地理上的连接性,该数值越大表明景观的连通性越好,其值在0.00～100.00,一般而言,连通性均大于90。

平均分维数运用了分维理论来测量拼块和景观的空间形状复杂性。其值等于1.0代表形状最简单的正方形或圆形;等于2.0代表周长最复杂的拼块类型,通常其值的可能上限为1.5。该指标反映景观格局总体特征,在一定程度上也反映了人类活动对景观格局的影响,一般来说,受人类活动干扰小的自然景观的分维值高,而受人类活动影响大的人为景观的分数维值低。

香农多样性指数能反映景观异质性,特别对景观中各拼块类型非均衡分布状况较为敏感,即强调稀有拼块类型对信息的贡献,SHDI=0表明整个景观仅由1个拼块组成;SHDI增大,说明拼块类型增加或各拼块类型在景观中呈均衡化趋势分布。

根据各指标统计可知,连通性指标近10 a略有恶化,近5 a恶化加剧,确定变化趋势指数为30,属于较差状态;平均分维数指标近10 a几乎无变化,确定变化趋势指数为50,属于一般状态;香农多样性指数近10 a略有增加,近5 a增加较快,变化趋势指数确定为30,属于较差状态。

各景观指标量化评价等级划分见表5。

表5 苕溪流域景观指数变化趋势指标评价表

根据表5的评价结果,说明随着苕溪流域内城市化进程的加快,不同斑块之间的相邻概率增加,使得景观的破碎化程度增加,从而影响了整体景观的连通性。同时在研究区占优势的自然景观类型(主要是林地和农用地)无论在面积还是聚集程度上都呈现下降趋势;人工景观 (主要是建设用地)面积增加且分散发展,使得整个区域的景观格局变化较大且受到人类干扰的程度增大。

[1]戎良.杭州西溪湿地景观格局研究分析[D].杭州:浙江大学出版社,2007.

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