城市近郊区景观格局特征分析

陈敬敏 焦晓磊 龙小敏

摘要 以贵阳市1999年、2009年、2019年三期遥感图像为基础数据，基于RS和GIS技术，结合Fragstats4.2软件，对贵阳市20年的景观格局变化进行研究，受城镇快速扩张和工业化快速推进影响，贵阳市城市景观格局发生了一系列变化：（1）研究区1999—2019年，除耕地外，其余景观面积有不断增长的趋势，其中建设用地面积增加了283.5 km2、林地增加了624.425 km2、水体面积增加了238.84 km2、耕地面积在原有基础上持续减少1 146.82 km2;（2）1999年以来，景观转化主要存在于建设用地、耕地和林地之间，从研究分类来看，4种分类中有3类存在相互转换关系，总体趋于稳定;（3）从破碎度指数来看，各类景观受人为和自然灾害干扰，朝着破碎化方向发展，直接导致景观格局发生巨大转变。

关键词 景观格局特征;遥感;GIS;贵阳市

中图分类号：P901 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2020）07–0–05

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.061

Analysis of Landscape Pattern Characteristics in Urban suburb——Take Guiyang as an Example

CHEN Jing-min et al （Beijing Baixin blueprint Technology Co.， Ltd.， Beijing 102208）

Abstract Based on the three phases of remote sensing images of Guiyang in 1999， 2009， and 2019， based on RS and GIS technology， combined with Fragstats4.2 software， the study of the changes in the landscape pattern of Guiyang in the past 20 years is affected by the rapid urban expansion and rapid industrialization. As a result， a series of changes have taken place in the urban landscape pattern of Guiyang City： （1） In the study area from 1999 to 2019， except for arable land， the rest of the landscape area has a trend of increasing， of which the area of construction land increased by 283.5 km2 and the forest land increased by 624.425. km2， the area of water bodies increased by 238.84 km2， and the area of cultivated land continued to decrease by 1 146.82 km2 on the original basis; （2） Since 1999， landscape transformation has mainly existed between construction land， cultivated land and forest land. From the perspective of research classification， 4 species In the classification， there are three types of mutual conversion relationships， and the overall trend is stable; （3） From the perspective of fragmentation index， various landscapes are disturbed by man-made and natural disasters and develop in the direction of fragmentation， which directly leads to a huge change in the landscape pattern.

Key words Landscape pattern characteristics; remote sensing; GIS; Guiyang City

1 绪论

贵州省借助“大数据”和国家重点政策的发展影响力，城鎮快速扩张，工业化快速推进，这在一定程度上导致了城市和农村交界处（城乡接合部）土地利用粗放、耕地资源浪费。分析城市近郊区景观格局变化特征，一方面可以使当地政府和相关部门对城市近郊区景观格局变化现象有所了解，对下一步如何开展环境保护工作和扭转生态危机有一个全面的认知，在保护生态安全的过程中更有利于采取针对性措施;另一方面，利于实现城市经济的可持续发展，维持区域建设和景观生态平衡，也可以为实现城市化建设与生态保护双赢提供理论依据。

研究近郊区景观变化要保证人与自然的和谐相处。贵阳市拥有贵州省规模最大的“大学城”，大量的流动人口和深厚的文化底蕴推动着贵阳市的快速发展和城市化进程，使贵阳市近郊区景观格局不断改变，建筑用地增加，景观结构呈现大规模变化。同时，贵阳市正在打造生态文明示范性城市，如何协调好景观利用同生态保护之间的关系也是一个迫切的议题。

城市近郊区是随着城市发展进化而来的，是城市化的产物，主要指在扩大城市面积的过程中，早晚要囊括在城市范围内但还未来得及发展的地方，围绕现有城市四周，呈环状，是农村景观类型转变为城市景观类型的必经之路，是受城市要素快速发展影响最大的地带。

文章利用贵阳市1999年、2009年和2019年三期遥感影像，通过gis技术，结合Fragstats4.2软件，通过对研究区的地类进行分类处理，提取相关数据进行指数计算，得到城市近郊区景观格局的相关数据，分析其中的变化规律和变化趋势，进而研究贵阳市景观格局变化特征，为城市建设发展的调整与规划提供参考依据。

2 研究现状

2.1 国内研究现状

国内外对景观格局的研究有很多，也有较多的研究成果供参考。郭晋平等[1]在1999年首次对森林景观生态进行了较为全面、系统和深入f 研究，为进一步投身景观生态研究奠定了理论基础。于兴修等[2]以浙江省西菩溪为例，对在不同年份间的土地利用造成的景观结构和其他变化进行了研究，并分析该过程中产生的生态环境质量下降、边缘效应增强和土地退化等现象，在此基础上进一步调整土地利用方案，使浙江省生态建设和当地水土资源利用发展更具有说服力和持久性，真正实现生态环境可持续发展。

有专家通过景观生态学的知识理论结合了发展趋于成熟的CA-Markov模型，分析了研巧区的景观格局在时间和空间上的演变状况，时间跨度较长，由1998年到2009年，最后还对2020年的状况进行了预测。郭文华等[3]在2004年研究了郊区景观和乡村景观结构的异同，并分析其驱动因素。刘黎明等[4]探讨了城市边缘区乡村景观生态特征与景观生态建设，提出了城乡协调、全盘布局和保留自身特色等相应的生态规划治理措施和对策。欧定华[5]在2016年借助GIS软件处理数据后建立Ann-Markov-CA复合模型，分析了成都市龙泉驿区1992—2014年景观格局时空演变特征和变化潜力，对2021年、2028年景观变化趋势进行了模拟。随着技术的发展， 遥感作为景观研究的主要技术， 伴随着城市景观格局研究的不断发展。利用遥感技术提取城市近郊区景观格局信息，借助指数分析等技术方法，RS将成为城市景观格局研究的重点技术。

2.2 国外研究现状

由于对生态环境保护的意识较早，对于景观格局的研究，国外也比我国起步早。1931年就有专家找出土地干旱的程度是影响美国当地土地利用类型的关键因素。为了更好地发展国家经济，很多科学计划都是为了经济而服务的，并没有涉及人类活动对土地利用变化的作用。第二次世界大战后，世界各国都在快速发展，人类活动对土地的影响是非常巨大的。但人们却忽略了发展的同时人类活动对土地的影响，以至于人地矛盾突出、土地资源分配不合理、生态破坏严重。20世纪80年代后到90年代前，LUCC研究进一步向纵深方向发展，并在1995年发表了《土地利用/覆被变化科学研究计划》，在该计划中，景观格局变化的研究就是重点内容之一，国外也将景观格局问题归为生态问题，可以看出国外对土地利用变化的重视。20世纪80年代初，Forman和Gordon提出了景观生态学的“斑块—廊道—基底”模式，大大推动了对景观格局分析的研究。20世纪80年代后，景观格局的各种新研究开始迅猛发展，在3S技术基础上，通过对景观指数的提取分析，可以很直接地了解景观格局的变化，使景观指数在空间格局研究上占主导地位。

3 贵阳市近郊区景观类型诊断

3.1 研究区概况

贵阳市属于中国西部地区，位置大约在东经106°07'～107°17'，北纬26°11'～26°55'，占地面积约有8 034 km2，在贵州省来看，占到了4.56%。贵阳市分为观山湖区、云岩区、白云区、南明区、乌当区、花溪区、清镇市、修文县、开阳县、息烽县;大体上属于山地丘陵地貌，平均海拔在1 100 m左右;属亚热带湿润气候，是全国著名的避暑之都，年平均温度在15.3℃，每年降雪天气仅有10余天;水资源主要来自自然降水、天然雨;森林资源是贵州省较为丰富的资源，2018年贵阳市的森林覆盖率达到了52%;耕地分布不均匀，主要土地利用類型为耕地、林地、建筑用地。

3.2 数据处理

3.2.1 数据来源 研究数据主要通过地理空间数据云获取，Landsat8卫星系列遥感影像作为基础数据来源。下载贵阳市1999年，2009年以及2019年遥感影像，然后进行图像预处理，结合研究区的土地利用现状图和相关文献资料，最后进行波段组合得出结果。

3.2.2 数据预处理 （1）几何校正：卫星在接收和传输图像时，会受到太阳辐射、卫星轨道以及空气密度等的影响，会存在几何畸变，在利用影像之前，要进行几何校正;再通过卫星和传感器将获得的图像加载至ArcGIS后，参照贵阳市高精度校正图，采用二项多项式，通过控制点的选取进行几何精校正。（2）图像融合：为了更好地识别影像上的地类特征，采用多波段组合的输入方式，将获得的贵阳市原始图像数据导入ArcGIS转换为IMG文件，并根据实际情况进行处理。（3）图像裁剪：由于研究区域仅限于贵阳市，研究区影像裁剪是在ArcGIS中导入贵阳市行政边界矢量图，利用GIS软件中的空间分析功能（Spatial Analyst Tools），按照操作，使用掩膜提取（Extrect by Mask）对影像图进行裁剪，从而获得所需的研究区影像。（4）图像增强：利用空间增强与辐射增强对探究区影像进行增强处理，使研究区图像增强，增加图像信息量和质量，根据地物特征更好地进行判别处理，从而可以在人工目视判断方法下识别地类和解译用地类型。

3.3 遥感影像图的解译与监督分类

按照景观功能与生态过程相一致原则，参考王建兵等[6]研究韶山风景区的景观要素分类方法，根据土地利用方式，将贵阳市划分为研究所需的地类区域。在研究时主要提取水体、耕地、林地、建设用地4大景观类型。景观分类是指根据遥感图像对地表景观进行识别分类的一个过程。研究选用精度较高的监督分类，以样本进行判定，经过计算机进行分类后得出结果。

3.4 制作专题图与建立数据库

3.4.1 制作专题地图 将成功做完监督分类的影像进行数据格式转换并导入GIS软件，对一些分类不清楚的同物异谱和同谱异物的土地类型，参照实际地物类型分布图，利用ArcMap编辑功能进行类型修改，再利用拓扑功能进行数据拓扑检验并建立数据库，完成地类和斑块面积的统计。

利用GIS软件的制图功能进行编辑、修改，制作1999年、2009年、2019年的贵阳市景观分布图，从处理好的图像上看，贵阳市景观类型以耕地、林地、建设用地为主要景观，同时可以从图像上看出耕地呈持续减少状态，林地有大面积增长的趋势（图1）。

3.4.2 建立数据库 通过ArcGIS软件的分析处理和研究区遥感影像的解译，得到景观数据库结果。1999—2019年，贵阳市土地景观情况发生了很大的变化，建筑用地从645.197 km2增加到了928.68 km2，耕地从3 067.21 km2减少到了1 920.39 km2;林地在1999年为4 255.97 km2，2019年在1999年的基础上增加到了4 880.39 km2。在贵阳市各类景观类型中，主要以耕地、建筑用地、林地为主，研究区的景观转变主要表现为这三类景观之间的增加与减少，而且三者的占比之和各年都占研究区全部面积的90%以上（表1）。

4 贵阳市景观格局特征分析模型的建立

借助景观指数定量分析景观格局的状态和演变进程是学术界常用的一种方法。借鉴前人研究结果，通过ArcGIS软件提取数据，从而得到土地利用数据库。

4.1 模型指标的选取

考虑到指数间的相关性，选取了六大景观指标进行分析：

（1）斑块类型面积指数：不同类型景观的范围。

（2）斑块数指数：某一景观斑块的数目。计算公式如下：

NP=ni

式中N是景观整体中斑块类型i所包含的斑块数目（NP≥1）。

（3）最大斑块指数：表示研究区内任一景观类型中最大的斑块在总景观面积的比例。表达式为：

式中斑块ij的面积，A代表景观总面积（0100L）。

（4）破碎度指数：为了说明景观遭到人为破坏的现象，专家提出破碎度指数来代表景观被分割的程度。表达式为：Ci=Ni /Ai

式中Ci为景观i的破碎度，Ni 为景观i的斑块数，Ai为景观i的总面积。

（5）多样性指数：从数据上反应某一类景观有多少，占多少比例，表达式为：

SHDI为景观多样性指数;Pi为第i种景观类型面积占总面积的比值;m为景观中斑块类型数;n为景观类型总数（SHDI ≥ 0）。

（6）均匀度指数：代表不同景观类型在总体景观的均匀度。计算公式为：

Pi为景观中斑块类型的面积比重;m为景观中的斑块类型数（0 ≤ SHDI ≤ 1）。

4.2 贵阳市景观格局变化特征

4.2.1 贵阳市近郊区景观格局分析 将通过GIS软件处理好的栅格数据按步骤导入到Fragstats4.2软件中，随后根据实际需求设置斑块类型水平相关参数。

4.2.2 景观类型分析 （1）耕地面积从1999年的3 067.21 km2增加到2009年3 801.48 km2，再到2019年减少到了1 920.39 km2，从比例来看总减少量近60%。从年增减率来看，1999年到2009年增加了近81%，而2019年相较于2009年减少了51%，20年间增加减少率有着巨大的变化，说明由于贵阳市经济生态城市的发展，极有可能使土地利用类型在不同时期发生较大变化，导致景观类型大面积转换。

（2）水体变化：1999年面积为73.81 km2，2009年为46.92 km2，减少了26.89 km2，约减少64%;2019年水体面积相较于2009年增加了265.73 km2;20年来，水体面积总体增加了238.84 km2，在研究时段内，涨幅约23.6%。在前期，由于城市人口数量的急剧增加、水资源的不合理利用以及自然条件的影响等，导致水资源遭到较大的污染。贵阳市在水资源保护方面下足了功夫，并见效良好。说明贵阳市在发展经济的同时，意识到水资源的供给跟不上需求，及时加强了对水域的保护和合理利用。

（3）林地面积变化：林地面积变化是4种景观中较为明显的1种，2009年面积为3 566.99 km2，在1999年4 255.97 km2的基础上减少了688.98 km2;2009—2019年，林地面积增加了1 313.4 km2，林地面积在2019年达到了4 880.39 km2;从数据上看，贵阳市在这一时期有林地发生了大面积的增加，但中途林地面積也遭到了大规模地减少，直到退耕还林等保护林地措施的出台，林地面积才开始增加。说明这一时期由于生态城市的发展较为迅速以及产业结构的变化，导致林地呈持续增长趋势，相关政策的实施看见了成效，也表明贵阳市的生态绿地环境越来越好。

（4）建筑用地：建筑用地从1999的654.197 km2减少至2009年的626.73 km2，总体上减少了约27.47 km2;2009—2019年，建筑用地面积增加到了928.68 km2，相比2009年新增加了301.95 km2;20年间建筑用地总面积增加了274.48 km2。表明了贵阳市1999—2019年在城市发展方面处于积极发展状态，但2009年建筑用地有些许减少，从侧面表明当时的经济社会发展程度不高，人们对于建设的需求不强。随着经济社会的发展，工业的盛行，贵阳市建设用地面积急速增加，贵阳市越来越注重生态城市发展理念，进行了更好的布局规划以及土地景观资源的优化配置（表2）。

4.2.3 其他景观指标分析 （1）从斑块个数来看，耕地由1999年72 113个到2009年525 89个，减少19 524个，在其他景观类型面积都有一定数量减少的基础上，侧面反映了地块的平均面积有所增加;2019年耕地斑块数121 619个，在2009年基础上增加了69 030个，这个阶段各类景观面积都在增加，说明耕地细碎化程度严重;建筑用地斑块数1999年有171 769个，2009年为42 617个，2019年62 741个，说明贵阳市的建设用地在进行合理规划后，很多偏远地区建设用地转为了其他用途;水体斑块数1999年有1 415个，2009年有1 049个，2019年有98 449个，水体斑块随着水体面积的增加而增加，说明各地均有新增的水体，水资源在贵阳市越来越丰富;林地斑块数在1999年有47 969个，2009年有54 632个，2019年62 695个，逐年在增加。林地经历了先减少再增加的过程，为何斑块数在不停地增加？可以认为各，林地在开展保护措施前都遭到不同程度地破坏，经过采取林地保护措施后，扩大并新增了林地数量。各景观类型之间的转换主要在耕地、林地和建设用地之间，且变化幅度最大的是建设用地和耕地。

（2）从斑块密度看，耕地密度1999年23.5 km2、2009年13.8 km2、2019年63.3 km2，增加了39.8 km2;建筑用地密度1999年266.2 km2，2009年68 km2，2019年67.6 km2，變化程度极大;林地密度1999年11.3 km2、2009年15.3 km2、2019年12.8 km2，变化较小;水体密度1999年为19.2 km2，2009年22.4 km2，2019年314.9 km2，变化较为异常。

（3）从最大斑块指数看，耕地从1999年的0.42减少到2009年的0.144，2019年更是直接减少到了0.047;水体1999年最大斑块指数为0.31，2009年为0.303，2019年为0.047;林地最大斑块指数1999年为0.51，2009年为0.039，2019年为0.023，逐年下降;建设用地最大斑块指数1999年为0.051，2009年为0.126，2019年为0.176。最大斑块数在一定程度上证明了各景观间占总面积的比例。

4.2.4 景观水平下近郊区景观格局特征分析 选择相关的景观指数，通过计算破碎度指数、多样性指数、均匀度指数分析景观格局。从数据可以看出，贵阳市景观破碎度指数在1999年为0.36，2009年0.19，2019年0.43，呈折线状;多样性指数1999年为0.949，2009年为0.943，2019年为1.02，变化幅度在0.1左右，不是太大;均匀度指数1999年为0.685，2009年为0.68，2019年0.736，有缓慢增加的趋势（表3）。

3个指数从侧面较好地反映了贵阳市在实现建设“生态城市”的过程中，土地利用类型转换幅度大，较好地实现了景观类型的转变，随着土地利用的不断增加，受大面积人为活动干扰，贵阳市景观破碎化严重。

5 结论

从研究区景观类型总体变化来看，除耕地外，建设用地、林地、水体都有增加和减少的阶段，意味着这三类景观转变的程度相较于耕地来说更加频繁，对景观的影响总体上来说没有耕地的影响大。建设用地面积增加大，耕地面积减少大，意味着大部分耕地转变了原有用途，逐渐转型成了建设用地，这是城市化发展的需求，说明贵阳市正处于经济高速发展时期。建筑面积的增长也在很大程度上使得其他景观用地面积下降，尤其是耕地。20年来，贵阳市耕地面积连续下降，总体减少了1 146.82 km2，减少率高达63%。水域面积先减后增，研究区内水体景观比较容易受到经济发展和人为影响，其中人为因素占主要原因。从总体情况来看，贵阳市景观类型变化以建筑用地大量增加，林地面积不断增加，耕地面积快速减少为主导。从以上各类景观类型面积变化情况来看，贵阳市正大力发展第二、三产业，促进国民经济高速发展。从研究区景观转变速度来看，景观类型转变速度说明贵阳市在经济建设和生态保护方面进展比较快速。

从对贵阳市景观格局分析来看，很大程度上景观类型的变化可以很客观地反映该地区国民经济发展状况，各类景观类型变化正在变化，但最终是朝着一个稳定方向发展的。从景观类型的空间格局分布来看，贵阳市是在稳步发展的前提下，结合生态建设理念，使各类型土地得到了合理的分配利用。

本次研究也存在部分不足之处，在近郊区景观格局特征分析方面，本文只通过景观类型数量的变化和各类景观转换变化对研究区景观格局进行分析，由于数据基数小，难以研究区近郊区景观格局变化特征准确判定;同时，地图数据处理由于工作量大，时间线较长，导致3张图在部分处理上有些许不同，但不存在太大问题;在指标的选取上，由于对Fragstats4.2软件的掌握程度还不够熟练，只能选取简单的、有研究基础的指标进行研究，在创新性方面有所欠缺。在之后的研究中，将继续学习新的理论和方法论，用更加合理的方法和模型进行相关研究。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞