快速城市化地区景观格局时空演变研究——以长株潭城市群核心区为例

1.福建师范大学地理科学学院 2.湖南科技大学地理空间信息技术国家地方联合工程实验室

姜华伟1 戴文远1** 杨育普2

在全球化大背景下，城市化已成为全球重要的社会、经济现象之一。它是人类活动对自然生态系统的一种强烈作用[1-2]。城市化过程不仅影响城市中各景观成分的具体组成，同时也影响这些景观要素在空间上的分布与配置，因此城市化过程中景观结构与格局演变研究成为近期城市研究的最基本命题[3-4]，景观格局分析是景观生态学的基本研究内容，这就使得城市化研究和景观生态学密不可分。随着RS和GIS的发展，景观格局的定量分析、可视化、空间化分析不断涌现。移动窗口法是观察景观格局指数空间变异状况的有效手段[5],网格分析是通过一定规则进行的空间采样[6]，梯度分析能够很好地显示研究目标在空间上的分布规律[7]，景观格局分析与上述三种方法的结合研究越来越多，本文以长株潭城市群核心区为例，利用移动窗口法分析其景观格局演变的空间特征，利用网格分析法探讨景观格局的梯度演变规律，为未来城市群核心区的规划发展提供科学依据。

1 研究区概况

长株潭城市群包括长沙、株洲、湘潭三市，是京广经济带、泛珠江三角经济区、长江经济带的结合部，是湖南省经济发展的核心增长极，区位和交通条件优越。三市沿湘江呈“品”字形分布，相互间距离不足 40公里，结构紧凑[8-9]。城市群核心区是指长沙、株洲、湘潭三市辖区，以及长沙县、望城县、湘潭县、株洲县等四县，面积约 8619km2。随着长株潭城市群一体化的推进，城市群核心区联系越来越紧密，核心区景观格局发生了巨大的变化。

2 数据处理与研究方法

2.1 数据处理

本研究以长株潭城市群核心区2000年和2010年Landsat TM 遥感影像（分辨率为 30m）为基础数据，采用 ERDAS软件进行影像的预处理和解译，野外判读建立解译标志，通过人机交互的方式进行景观分类，结合全国土地覆盖分类体系和本研究区特征，将景观分为林地、灌丛、草地、水体、农田、城镇和裸地等7种类型，并对分类结果进行精度检验，各类景观Kappa系数均达到0.85以上，符合研究要求。本文其他数据分析主要采用 ArcGIS10.2、Fragstas 4.2、SigmaPlot10.0和Excel2007软件。

2.2 研究方法

2.2.1 景观格局指数选取

尽管景观格局指数众多, 但单一指数所指示的格局特征往往存在局限性，而多个景观格局指数之间又存在冗余[10]。本文在参照相关研究的基础上[11-12]，利用Fragstas4.2软件，在景观水平上从景观优势度、景观破碎化、景观形状特征和景观多样性四个角度分别选取了最大斑块指数、斑块密度指数、景观形状指数和景观多样性指数来分析长株潭城市群核心区景观时空格局及演化特征。各景观格局指数的表达与含义详见Fragstats 4.2帮助文档。

2.2.2 移动窗口法

将本区矢量景观图转为 30m×30m栅格景观图，利用Fragstas4.2软件，参照前人研究[13-16]成果，以3km×3km矩形窗口为移动窗口大小，从研究区左上角开始移动，每次移动1个栅格，计算窗口内的景观指标值，并将该值赋给该窗口的中心栅格，最后形成景观指标栅格图[17]。由于移动窗口法的计算结果返回窗口中心栅格，为消除边界效应对计算结果的影响，需要采用扩展带法扩大研究区域范围[10]，因此本文以移动窗口半径1.5km为缓冲区半径，对原行政区边界进行缓冲区分析，得到结果与2000年和2010年景观类型矢量图叠加，然后转为30m×30m的栅格图，导入Fragstas4.2软件，运用移动窗口法对研究区局部景观格局指数进行计算。

2.2.3 梯度分析法

利用网格分析法通过网格采样进行梯度分析，设计湘潭—长沙样带、株洲—长沙样带、湘潭—株洲样带，宽度均为4km，长度分别为60km、60km和40km。三个样带的设计是用先用线段对长沙、株洲和湘潭三城市约中心位置相互连接，然后以2km为半径进行缓冲区分析，以步长为2km进行网格采样，结果得到湘潭—长沙样带30个 4km×2km矩形网格，株洲—长沙样带30个4km×2km矩形网格，湘潭—株洲样带20个4km×2km矩形网格，湘潭—长沙样带和湘潭—株洲样带的采样起点设在湘潭市一端，株洲—长沙样带起点设在株洲市一端。基于研究区的两期景观栅格数据，运用ArcGIS10.2软件进行掩膜提取，获得每个网格的景观栅格数据，导入Fragstas4.2软件，计算每个网格的景观格局指数，将计算结果导入Excel中，运用SigmaPlot10.0绘图软件绘制核心区不同样带的景观格局指数梯度图（见图1）。

图1 长株潭城市群核心区2010年景观类型与样带布置

3 结果与分析

3.1 景观类型特征分析

3.1.1 景观类型结构特征

从表1看出，2000—2010年长株潭城市群核心区各景观组分面积为农田>灌丛>林地>城镇>水体>草地>裸地。就2010年来看，农田景观占42.84%，灌丛和林地之和与农田相当，占 43.43%，城镇占 10.03%，其余景观比例较小，因此可知本区农田景观为基质景观，其它景观为镶嵌体景观。十年间，农田、林地、灌丛和裸地景观面积呈减少趋势，与此同时，城镇、水体和草地景观面积呈增加趋势，其中农田、林地和灌丛分别减少 129.65km2、95.19km2和 27.53km2，城镇增加251.85km2。

表1 核心区景观面积与百分比

3.1.2 景观类型转移特征

从表2可以看出，长株潭城市群核心区各景观类型明显表现为林地和灌丛景观向农田和城镇转化，农田向城镇转化的过程。十年间城镇总转入 252.82km2，农田、林地和灌丛分别转入161.40 km2、70.94 km2和16.84 km2，分别占总转入量的63.84%、28.06%和6.66%；农田总转入37.98km2，其中林地和灌丛转入 26.96 km2和 9.69km2，分别占总转入的70.98%和25.51%。

表2 2000—2010年核心区景观类型转移矩阵（单位： km2）

3.2 景观格局特征分析

3.2.1 景观格局总体特征

十年间，长株潭城市群核心区斑块密度、最大斑块指数和景观形状指数呈降低趋势，多样性指数呈升高趋势。其中斑块密度降低0.28，景观形状指数降低5.63，表明随着长株潭城市群城市化和一体化的推进，景观整体破碎化程度降低，景观形状趋于简单；而最大斑块指数降低0.97，多样性指数升高0.04，表明区内景观类型趋于多样化（见表3）。

表3 核心区景观水平景观格局指数

3.2.2 景观格局局部特征

最大斑块指数高低值聚集且均匀分布，高值区散布在农田、灌丛和城镇景观，突出该区农田、灌丛和城镇景观的数量优势；低值区集中于本区海拔较高的南部与东南部地区。值得注意的是，由于湘江廊道对景观的分割作用，使得湘江为低值区，其沿岸高值镶嵌分布，表明河流廊道打破了景观的连贯性和一致性。2000—2010年，区内整体景观优势度高值斑块不断合并或消失，说明景观优势度整体降低。从局部来看，城市群核心区各市区优势度不断增大，同时市区边缘优势度有所降低，表明近十年来城市群市区城镇边缘式扩张[17]，使得城镇优势度不断扩大，边缘区由于被其它景观类型侵入而引起原景观类型的优势度下降。

景观形状指数北高南低，高值区明显聚集于城市外围，低值区明显集中于市区和本区边缘地区，因此自城市群核心区中心向外围呈现出“低—高—低”的分布模式，表明本区景观形状特征自市区向外围由简单到复杂又到简单的分布特征。2000—2010年，城市群核心区景观形状指数的低值区以市区为中心向外不断扩大，表明城市的扩张带来了景观形状指数的不断降低（见图2）。

斑块密度指数高低值相间分布，且北高南低，表明本区北部景观破碎化程度高于南部。高值区主要集中于城市边缘及湘江沿岸，低值区主要集中在市中心及城市外围，北部自长沙市中心向北呈现“低—高—较高”的分布模式，南部自湘潭和株洲市中心向南呈现“低—高—低—较高”的分布模式，三个城市的过渡区域为低值区，主要由于核心区生态绿心区域因受人类活动干扰较少，从而表现出破碎化程度较低的趋势。2000—2010年，市中心低值区不断向外扩展，市区外围高值区有所减少，表明城市扩张一定程度上削减了景观斑块密度，继而降低了景观破碎度。

景观多样性指数高值区呈带状延伸，明显聚集于湘江沿岸及环三市中心地区，低值区聚集于市中心及本区的边缘地区，表明了河流廊道对景观类型的聚集效应，进而提高了湘江沿岸的景观类型多样性水平[18]，同时城市的扩张带来了城市边缘各种景观的聚集与镶嵌，提高了景观类型的多样性与异质性。2000—2010年，沿湘江廊道及城市边缘地区高值区景观多样性持续提高，特别是湘江长沙段及长沙市边缘地区，相反市中心低值区向外扩展，主要原因是城市扩展导致低值区扩大，从而边缘高值区不断向外扩展。

图2 核心区景观格局指数空间分布

3.2.3 景观格局梯度特征

根据图3～图5中2010年景观格局指数可以看出，湘潭—长沙、株洲—长沙和湘潭—株洲样带的最大斑块指数波动起伏，分别以城市高值区为中心，向外围呈现：“低—高—低”的分布趋势，而在城市高值区中三样带分别在 10km、8km和8km处出现低值，主要是由于湘江廊道的分割作用破坏了斑块的完整性。在向两端城市中心过渡中，城市边缘为低值，随着远离市区最大斑块指数先升高继而又降低。

三样带市区的斑块密度皆为低值区，湘潭—长沙样带以城市为中心向外围递增，在湘潭向长沙过渡中，斑块密度整体波动上升，至30km处达到峰值。株洲—长沙样带以城市为中心向外围呈现“低—高—低”的分布趋势，在 14km 和40km处呈现峰值，样带中心区域波动下降，至32km达最低值。湘潭—株洲样带以城市为中心向外围递增，至样带中心位置20km处达到峰值。

三样带的景观形状指数和香农多样性指数分布城市均为低值区，其中湘潭—长沙样带和株洲—长沙样带以城市为中心呈现出“低—高—低”的分布趋势，湘潭—长沙样带两指数均在6km和48km处出现低值，在56km处呈现最高值；株洲—长沙样带在6km和48km处出现低值，在城市边缘区出现峰值。而湘潭—株洲样带以城市为中心呈现“低—高”的分布趋势，城市中心为低值区，城市边缘区20km处出现峰值。

经过上述分析可知，三条样带最大斑块指数以城市高值为中心向外围降低，景观形状指数、斑块密度和香农多样性指数以城市低值为中心向外围升高，表明长株潭城市群核心区样带内城市地区由于人类活动强度大而景观优势度较高，形状较为单一、破碎化程度较低同时景观多样性较低。随着向两个城市中心区域推进，各样带最大斑块指数不断降低，在两个城市中心出现明显的低值区；除湘潭—株洲样带外，其他样带中心区域的景观形状指数、斑块密度和香农多样性指数出现短距离的低值，表明随着远离市区，景观的优势度降低、景观形状简单、斑块密度降低。湘潭—株洲样带之所以在中心区域呈现高值，主要是因为两城市距离较近，随着城市一体化的推进，受人类活动干扰强度大，景观形状较为复杂、破碎化程度和景观多样性较高。

2000—2010年长株潭城市群核心区各景观格局指数不断下降，且下降区域主要集中在市区及其边缘地区，表明人类活动强度的加大带来的城市扩张强烈扰动了核心区景观格局特征，而远离市区的城市过渡区域景观格局基本稳定，表明了城市化对景观格局影响的梯度效应特征，同时也表明核心区城乡结合部的生态绿心区域受人类活动干扰强度较小，继而其景观格局较为稳定。

图3 湘潭—长沙样带景观格局指数梯度图

图4 株洲—长沙样带景观格局指数梯度图

图5 湘潭—株洲样带景观格局指数梯度图

4 结论

本文利用移动窗口和梯度分析相结合的方法对快速城市化背景下的长株潭城市群核心区 2000—2010年景观格局时空演变特征进行了分析，得出以下结论：

（1）长株潭城市群核心区各景观面积为农田>灌丛>林地>城镇>水体>草地>裸地，2000—2010年农田、林地、灌丛和裸地景观面积呈减少趋势，城镇、水体和草地景观面积呈增加趋势。林地和灌丛向农田和城镇转化，农田向城镇转化较为明显。

（2）随着长株潭城市群一体化的推进，城市群核心区景观破碎化程度降低、斑块形状也趋于简单，景观类型趋于多样化。

（3）景观格局指数的空间分异明显。最大斑块指数高低值南北分散分布，景观形状指数和斑块密度低值在城市中心，高值主要在城市边缘，香农多样性指数高值沿湘江呈带状分布，上述指数十年间变化主要发生在城市周围。

（4）城市化是景观格局变化的主要扰动因素，景观格局分布具有明显的梯度效应。核心区城市中心景观优势度较高，随着远离市区，景观优势度呈现“低—高—低”的分布趋势；城市中心的景观形状简单、破碎化程度较低、景观多样性较低，其中湘潭—长沙和株洲—长沙样带随着远离市区呈现波动上升继而下降的趋势，湘潭—株洲样带随着远离市区景观形状指数、斑块密度和香农多样性指数波动上升。

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