基于fragsas的城市地表景觀結(jié)構(gòu)變化分析快速城市化過程中石家莊市景觀格局變化研究

基于fragsas的城市地表景觀結(jié)構(gòu)變化分析快速城市化過程中石家莊市景觀格局變化研究

城市化是對地球表層的最大影響。景觀記錄了城市空間的時空變化。景觀結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化分析是研究城市及其環(huán)境的重要手段。研究城市景觀的空間變化，可以深入了解城市化的過程及其對社會、經(jīng)濟和環(huán)境的影響。遙感和計算機科學是景觀形態(tài)變化研究的有效方法和技術(shù)支持，越來越多地用于景觀形態(tài)的評價。景觀指數(shù)法通過計算地表景觀類型的復雜性、組成、大小、形狀和空間距離的性質(zhì)來定標景觀格局的變化，已成為景觀評價的主要方法。雖然存在基于規(guī)模依賴的不足，但仍是這一領(lǐng)域廣泛使用的有效方法?，F(xiàn)有景觀模型指數(shù)很多，但許多指數(shù)表示的生態(tài)意義相似。為了避免每個指數(shù)反映的空間信息的重疊，可以采用主成分法進行篩選，并確定典型景觀模型指數(shù)的特征。石家莊市在過去20年經(jīng)歷了快速城市化過程,2009年城市化率達到48.62%.本文以石家莊市為研究區(qū)域,利用GIS、RS和景觀格局分析軟件,通過引入篩選的景觀格局指數(shù)和面積加權(quán)平均景觀擴張指數(shù)AWLEI,對研究區(qū)23年間景觀格局變化定量分析,揭示城市化過程對城市景觀的深刻影響,從而為研究區(qū)未來規(guī)劃與發(fā)展布局提供參考和理論依據(jù).1城市概況及人口數(shù)量石家莊市(37°58′-38°07′N,114°27′-114°37′E)地處河北省中南部,是環(huán)渤海經(jīng)濟圈中心區(qū)域城市.屬于暖溫帶大陸性季風氣候,寒暑懸殊,四季分明,雨量集中于夏秋季節(jié).干濕期明顯,夏冬季長,春秋季短,年總降水量為401.1~752.0mm.所選研究區(qū)總面積410.95km2.城市人口數(shù)量由1987年的121萬人增加到2010年的275萬人,建成區(qū)面積由1987年的238.40km2迅速增加為2010年的386.02km2.2數(shù)據(jù)和方法2.1景觀類型分析所用遙感數(shù)據(jù)為Landsat5TM,1987年圖像為已有數(shù)據(jù),2010年數(shù)據(jù)從中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心網(wǎng)站共享.空間分辨率30m,成像日期分別為1987年6月29日和2010年5月11日,圖像質(zhì)量良好,適合城市景觀格局研究.兩幅圖像都經(jīng)過投影變換、幾何校正和輻射校正,幾何校正RMSE小于0.05個像元.利用圖中白色矢量邊界建立并加載掩膜(圖1),對所得圖像進行分類,得到景觀類型分析所需數(shù)據(jù).2.2學習方法2.2.1景觀類型分類決策樹分類法是將決策過程抽象成為規(guī)則和判斷,通過建立決策節(jié)點對遙感影像進行信息提取,可提高分類精度.按研究所需,計算NDVI(歸一化差值植被指數(shù))、MNDWI(改進的歸一化差異水體指數(shù))、NDISI(歸一化差值不透水面指數(shù))(表1)以及對圖像進行纓帽變換得到的亮度、綠度和濕度指數(shù),將研究區(qū)域分為低密度不透水面、中密度不透水面、高密度不透水面、農(nóng)田植被、水體、城市植被和未利用地七種景觀類型.分類精度分別為89.71%(1987)和94.22%(2010).通過分類后處理和變化監(jiān)測,提取景觀類型變化信息,得到各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣,分析景觀變化.2.2.2景觀格局指數(shù)利用GIS軟件,通過格式轉(zhuǎn)換和屬性提取得到可用來計算景觀格局指數(shù)的分類圖.使用景觀分析軟件Fragstats3.4和GIS軟件中的PatchGrid模塊計算研究區(qū)26個斑塊類型層次的景觀格局指數(shù),利用主成分分析法進行篩選,確定能代表研究區(qū)景觀格局特征的主要景觀指數(shù).再去除研究時段內(nèi)對變化不敏感的景觀指數(shù)(如景觀分割指數(shù)、分離度指數(shù)等).最終選出景觀形狀指數(shù)(LSI)、面積加權(quán)的平均形狀因子(AWMSI)、叢生度指數(shù)(CLUMPY)和散布與并列指數(shù)(IJI)(表2).2.2.3擴張景觀的類型參考武鵬飛等的面積加權(quán)平均景觀擴張指數(shù)AWLEI,在GIS軟件中通過對兩期分類圖進行擦除、提取和連接操作,確定原斑塊和擴張斑塊的關(guān)系,表征擴張景觀類型的擴張規(guī)模,該值越大,表明景觀的擴張程度越大(表2).3結(jié)果與分析3.1不同景觀類型的不透水面分布研究區(qū)23年間景觀類型變化巨大,對比分類結(jié)果圖2a和圖2b,農(nóng)田植被大面積減少,相反不透水面范圍擴展迅速.研究區(qū)域內(nèi)主要景觀類型由1987年的農(nóng)田植被變?yōu)?010年的高密度不透水面.為分析景觀動態(tài)變化,利用遙感軟件統(tǒng)計兩期分類圖,計算各景觀類型面積及比例(表3),除農(nóng)田植被減少41%、低密度不透水面比例降低13%外,其余景觀類型比例均有所增加,增加最大的類型為高密度不透水面,2010年為1987年的11倍.各景觀類型之間發(fā)生不同程度地轉(zhuǎn)變(表4),具體體現(xiàn)在:低密度不透水面主要向中、高密度不透水面轉(zhuǎn)移,面積達7503.12hm2,占71.36%;中密度不透水面向高密度不透水面轉(zhuǎn)移高達72.36%(3025.35hm2);僅有18.73%的農(nóng)田植被未發(fā)生類型變化,其余主要轉(zhuǎn)化為不透水面(42.10%)和城市植被(26.83%);城市植被主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆?1798.29hm2)和未利用地(436.05hm2);58.42%的未利用地向其他類別轉(zhuǎn)變;水體有30.33hm2向高密度不透水面轉(zhuǎn)變;高密度不透水面向其他類型的轉(zhuǎn)變(23.48%)較少.綜上,各種景觀類型均不同程度地向高密度不透水面轉(zhuǎn)變,且高密度不透水面保留比例較高,表明23年間高密度不透水面面積急速增加,城市化進程迅猛.3.2不透水面的形狀變化特征將選定的景觀形狀指數(shù)(LSI)、面積加權(quán)的平均形狀因子(AWMSI)、叢生度指數(shù)(CLUMPY)和散布與并列指數(shù)(IJI)提取分析(圖3).由圖3a可知,水體的LSI最低且無明顯變化,表明水體變動性較小.2010年中密度不透水面的LSI最高,表明中密度不透水面形狀最復雜.除了農(nóng)田植被LSI降低之外,其余類型的LSI呈上升趨勢,景觀形狀變得復雜.不透水面的形狀變化主要是城市不斷擴張的結(jié)果.城市植被LSI值較高但無明顯變化,表明城市植被形狀穩(wěn)定性較強.未利用地LSI升高與大量的城市建設(shè)有關(guān).圖3b中2010年高密度不透水面的AWMSI值最高,且增幅最大,表明其內(nèi)部復雜性斑塊比例最大且逐漸增加.低、中密度不透水面和農(nóng)田植被的AWMSI降低,即形狀復雜的斑塊數(shù)量減少.城市植被、水體和未利用地的AWMSI值變化不明顯.圖3c顯示兩個時期所有景觀類型的CLUMPY均大于零且大小不一,表明所有景觀類型均處于聚集狀態(tài)但聚集程度有所不同.除低、中密度不透水面的CLUMPY狀降低外,其他類型的CLUMPY均有所升高,表明其聚集程度上升,處于快速發(fā)展階段.與CLUMPY不同,IJI從斑塊之間的鄰接邊長來表達斑塊的分布,取值范圍為0-100.2010年,城市植被的IJI值最高(圖3d),表明城市植被面積不斷加大,連通性增強.農(nóng)田植被和水體IJI值降低,其他五種景觀類型的IJI升高.其中,高密度不透水面和城市植被的IJI增幅較大,因這兩種類型面積擴大,增加了與其他景觀類型相鄰接的概率,呈片狀發(fā)展.又因這兩種景觀類型主要由農(nóng)田植被和水體轉(zhuǎn)變而來,增大了這四種類型之間的鄰接概率,農(nóng)田植被和水體的IJI減小,呈破碎狀態(tài).3.3外部式擴張斑塊比例由各景觀類型面積比例和轉(zhuǎn)移矩陣分析得到:中密度不透水面、高密度不透水面、城市植被、水體和未利用地面積呈增長趨勢.用景觀類型擴張指數(shù)AMLEI表征擴張景觀類型的具體特征(表5),同時計算鄰接式擴張斑塊數(shù)量和外部式擴張斑塊數(shù)量以及外部式擴張斑塊比例.水體、城市植被、未利用地和高密度不透水面的外部式擴張斑塊比例與AWLEI的變化趨勢相同.該結(jié)果與武鵬飛的研究一致,即AWLEI值越大,外部擴張斑塊數(shù)量相對越多,整體擴張規(guī)模越大.但對于中密度不透水面,外部式擴張斑塊的比例達到57.54%,其AWLEI值僅為0.9438,與上述研究結(jié)論相悖.可能因中密度不透水面屬于過渡景觀類型,變化情況復雜所致.各景觀類型的擴張指數(shù)大小順序為:高密度不透水面,未利用地,城市植被,水體和中密度不透水面.未利用地擴張指數(shù)較大,是因為一些區(qū)域正處于建設(shè)過程中,呈現(xiàn)未利用地狀態(tài).4城市景觀類型的發(fā)展研究區(qū)處在