城市发展推动下的济南市景观格局变动研究——基于2007—2017年景观格局指数的分析

魏亚男，张元朋

(1.西南大学，重庆 400700;2.南京农业大学，江苏 南京 210095)

随着城市化的快速推进，大量的土地资源被占用[1]，城市的景观格局也将随之发生变化。对土地资源有限的城市来说，现有的城市景观是否与城市发展前景相适应，下一步推动怎样的政策进行格局变动会给城市发展提供更充足的动力。现有文献对城市景观格局的研究较为丰富，大部分学者采用遥感影像、GIS和统计软件等对景观格局进行分析[2-3]，研究方向多集中在对风景区的景观格局变动[4]，城市格局的时空变动上[5-7]以及土地资源利用方面[8]，但未将现有的景观格局和下一步的城市发展规划相结合。文中以山东省济南市为例，通过分析近10年的景观格局指数变动，分析城市现阶段的景观格局变动规律，以期为今后济南市城市规划发展提供参考。

1 研究区概况

济南市位于山东省北部地区，植被覆盖率较高，城区南面为山地，中部为平原，北部以黄河为界限，岸边为冲击平原，耕地资源丰富。由于山地地形和黄河的限制，城区只能向东西发展，土地资源利用受限，形成了独特的景观格局。本研究以济南主城区为研究范围，包括长清区、历城区、历下区、市中区、槐荫区和天桥区在内的6区，总面积3 257.46 km2。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本研究所使用的遥感数据来自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云，拍摄时间尽量选择在4—7月份植物生长茂盛，且云量在2%以下的影像。2007年遥感数据来自Landsate5 TM影像，2013年和2017年遥感数据来自Landsate8OLI影像，分辨率皆为30 m。

研究区域需2景遥感影像图进行覆盖，将3期遥感影像在ENVI5.3中进行2%拉伸、辐射定位、大气校正、多幅影像叠加镶嵌、行政区适量裁剪等预处理，并进行假彩色合成，得到3期的假彩色融合影像(图1)。

图1 2007—2013—2017年假彩色影像图

考虑景观生态系统的类型分类、遥感影像的光谱波段特征以及研究区有黄河流经等现实特点，对2007年、2013年和2017年3期的遥感影像进行监督分类(图2)，利用神经网络分类器将济南市主城区土地覆盖类型分为林地、耕地、水域、黄河、建设用地和未利用地6大类，结合水经注历史地图、Google Earth高分辨率影像及外业调查对监督分类结果进行精度评价，3期的监督分类总精度分别为89.759%、86.5928%、92.3019%，kappa分别为0.8698、0.8735和0.9055，满足本研究的需要。

2.2 景观格局分析

景观格局指数是对景观格局信息的高度凝练，主要包括结构的组成、空间配置的特征，是景观格局研究的重要指标[1]。为分析济南市主城区景观演变的原因，参考已有研究的景观指标选取规则，在类型水平和景观水平上分别选取指标，研究济南市主城区10年间的景观格局变化特征。利用Fragstats4进行以下指标的计算：

图2 2007—2013—2017年监督分类

2.2.1类型水平

1)斑块面积(CA)：景观区域一般由不同类型斑块组成，类型斑块面积反映同一类型斑块的总面积。计算公式为：

(1)

2)斑块数量(NP):反映同一类型的所有斑块的数目。当等于1时，说明该类型景观只有1个斑块组成。计算公式为：

NP=ni

(2)

3)景观形状指数(LSI)：反映景观元素形状不规则程度，当等于1时，说明景观中只有1个斑块，且形状规则；当斑块越多，形状越不规则，计算结果越大。计算公式为：

(3)

2.2.2景观水平

1)分维度(PAFRAC):对于非常简单的周长，如正方形，PAFRAC的值接近1，而对于高度旋绕的周长，其值则趋近于2。计算公式为：

(4)

2)蔓延度(CONTAG):描述的是景观里不同斑块类型的团聚程度或延展程度。斑块类型呈极度分散时，CONTAG接近0；当所有斑块在最大程度上聚集，CONTAG趋近于100。计算公式为：

(5)

3)香浓多样性指数(SHDI):当景观中只有1个斑块时，等于0；随着斑块类型和数量增多，值越来越大，也反映了生态系统多样性的增加。计算公式为：

(6)

4)香浓均匀性指数(SHEI):反映景观中不同类型的斑块面积均匀程度。当等于0时，景观由1个斑块组成；等于1时，各类型景观面积相同。计算公式为：

(7)

2.3 质心变化分析

景观的质心分析可以用来分析不同类型的景观在时间上的动态变化，利用质心在空间位置上的动态迁移可以演绎不同类型的景观在时空中的变化特征。各类型景观以面积加权的质心计算方法如下：

(8)

(9)

式中：Xc和Yc是按面积加权的景观的质心坐标，Xi和Yi是该类景观的第i个斑块的质心坐标，Ci是第i个斑块的面积，n是该类景观的总斑块数量。

3 结果分析

3.1 景观格局

在景观层面上，斑块的分维度在10年间基本持平，表示各类型斑块的外边界稳定；香浓多样性指数和香浓均匀性指数在2007—2013年的5年间均呈上升趋势，表示斑块的丰富度不断增加，生态系统趋于多样化，同时2013—2017年指数均趋于稳定，各类型景观斑块有趋于均衡发展的态势。蔓延度指数先呈下降后上升的趋势，表示济南市主城区的6类用地由分散转为集中(图3，图4)。

图3 2007—2013—2017年景观层面指数变化

图4 2007—2013—2017年景观层面指数变化

在类型层面上，耕地和林地的面积和斑块数量保持稳步上升，且二者的形状指数也趋于上升的态势，景观形状趋于多样化，这与济南市生态环境不断改善、绿化面积稳步增长的现状相贴合；也与自2013年以来国土资源部门在全市范围内推进城乡建设用地增减挂钩工作，拆除零散村落、集中规划新型社区模式的政策推动相契合。

水域面积10年来略有增长，此得利于《济南市总体规划》中对城市蓝线的严格把控：1)自2013年起在全市192条河道推行河长制，改善水体环境，严防河道污染退化；2)对大明湖、湿地、水源地等特殊功能区实行特殊保护，严格控制总用水量，特别是地下水的开采量，构建节水型城市。

建设用地的面积和斑块数量在2007—2013年的5年间呈下降趋势，2013—2017年保持稳定，表明在城市化进程中，城市建设逐渐向整体化、集中化发展，在达到一定层级之后趋于后稳定；未利用地的面积在2007—2013年的5年间呈现显著下降，后逐渐趋于平稳态势，表明该类土地早期或得到绿化或转为耕地、建设用地，后期变化较小，济南市的整体土地利用率显著提高。

3.2 质心变化

由2007—2017年景观质心空间位置变化可知(图5)：未利用地、林地的质心变化没有显著的运动方向，质心整体在市中区范围左右徘徊；水域的质心10年间一直处于往南移动的趋势；建设用地的质心先是往东南移动，后往东北移动，总体上趋于往市区中心移动，切合济南市对中部平原区域中部城市空间的定位目标和政策驱动；耕地的质心整体上往北移动，这也与济南市“携河发展”的“北跨”方针和着力构建沿黄特色农业区及黄河北高效农业区的布局相契合。

图5 2007—2013—2017年各类型景观质心变化

4 结论

随着城市化的快速推进，大量的土地资源被占用，城市的景观格局也将随之发生变化。结合济南市2007—2017年10年的城市发展经验，应大力推动农村社区规划，通过社区规划，将零散的农村居民点整合，不仅能提高村民的生活质量和幸福指数，还能大大集约土地利用，村落拆旧后产生的土地经过复垦后，有效地连接了周围的耕地，在增加耕地面积的同时，也能形成耕地的规模效益，有利于集中建设综合配套设施，为现代化农业奠定良好的发展基础。林地是林业发展的基础，是森林资源的重要组成部分，也是满足城市人民群众对生态环境需求的重要前提，严控林地占用，狠抓植被恢复，让林地资源做到有计划有规模的增长，为城市亮起一道绿色的生命防护线。在进行城市规划设计时，应考虑城市在时间和空间上的双重发展尺度，为其适当“留白”，对建设用地的规划更要做到用地结构合理化、土地布局紧凑化、利用功能综合化，以期充分发挥建设用地的集中效应。