RS与GIS支持下的南京市景观格局动态变化研究

ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinVol.14No.1

Jan.2005

　　文章编号:100428227(2005)0120034206

RS与GIS支持下的南京市景观格局动态变化研究

杨英宝1,2,江　南1,苏伟忠3,郑国强3

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008;2.中国科学院研究生院,北京100039;

3.南京大学城市与资源学系,江苏南京210093)

摘　要:利用1986、1994、2000年的TM图像和2000年的土地利用现状图,运用GIS和核心景观指数研究南京市自

1986年以来景观格局的动态演变规律。结果表明:南京市在快速城市化的过程中,城市景观结构的变化主要表现为

耕地、绿地、水体和未利用地等自然或半自然景观向城市、农村居民地、工矿用地以及交通用地等人文景观转变;景观的多样性增加,斑块的平均面积增大,分离度、破碎度和孔隙度减小,城市的开发趋向有序化、规模化;但由于人类活动作用方式或作用程度的不同,不同的景观类型在同一时间段,或者同一景观类型在不同的时间内空间格局的转变模式不同,1986～1994年城市扩展的速度很快,开发比较混乱,城市、农村居民地和交通用地等人文景观的面积大幅增加,耕地、绿地和未利用地的面积大量减少,斑块分布不均匀,空隙度增加,1994～2000年城市扩展的速度减慢,开发趋向有序化,除耕地外,其他景观类型的分离度、破碎度和孔隙度减小,空间分布趋向均匀。关键词:南京市;景观格局;动态变化;破碎度;分离度;异质性文献标识码:A

　　城市化过程直接改变了城市区域的景观结构,引发了许多自然现象和生态过程的变化。景观生态学的核心在于强调大空间尺度上景观格局的生态影响,景观动态研究是其中重要的方面[1～2]。探讨城市区域景观结构和动态特征的演变规律,对于理解城市复杂的复合生态系统的演变趋势,建立可持续的城市化发展模式具有重要意义[3]。自20世纪90年代以来,我国东部地区的城市化过程快速发展,尤其在长江流域下游地区表现尤为明显。本文以南京市市区作为研究区,采用多时段的TM图像,运用GIS技术和核心景观指数对南京市的景观结构和动态特征进行初步研究。

番[4]。经济的快速发展导致城市化水平的迅速提高,城市规模不断扩大,从1986～2000年,南京的建成区从原来65km2扩展到2000年的194km2,增长了60%,2000年底南京都市圈内的非农业人口已达271万人[5]。城市建设与扩展使城市内及边缘地区的景观结构发生了改变。

2　资料来源和研究方法

采用的资料主要有1986年和1994年的Land2satTM,2000年的LandsatETM+,1969年的1¬10万地形图和2000年的南京市土地利用现状图。利用南京市1¬10万地形图对1986年的图像进行几何纠正,然后以1986年的图像为准,分别对1994年和2000年的图像进行几何精纠正。

参考中科院的土地利用分类系统,把南京市景观分为耕地、水体、绿地、居民地及工矿用地、交通用地和未利用地等六种类型。采用分类后比较法[6]和人工交互解译的方法对三景遥感图像进行解译,得到三幅矢量图,运用GIS的空间叠置分析和统计分析功能计算三个时期的破碎度指数、分离度指数、多

1　研究区概况

南京地江下游平原,属亚热带季风气候区,

北临长江,东依钟山,具有良好的自然条件和景观基质;现辖11区2县,面积21km2,人口544万,是长江下游重要的中心城市,经济实力雄厚“九五”,期间GDP年均增长12.2%,高于全国全省平均增长水平,人均GDP1.86万元以上,比1980年翻两

收稿日期:2003210227;修回日期:2004202227

基金项目:中国科学院知识创新工程方向性项目(KZCXZ-310)

),女,安徽省桐城人,在读博士研究生,主要从事GIS及其在城市中的应用研究.作者简介:杨英宝(1976～　

　第1期　　　　　　　　杨英宝等:RS与GIS支持下的南京市景观格局动态变化研究样性指数和孔隙度指数,通过这些景观指数分析南京市自20世纪80年代以来景观格局的动态演化模式。本文采取核心景观指数,即对McGargal的FRAGSTATS进行主成分分析或相关分析后得出

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景观的空间异质性。具体的计算过程是:首先利用

ARC/INFO把三幅矢量图转化为100m×100m的GRID,然后通过编制一个小程序实现100m×100m的GRID和其他尺度的GRID进行空间叠置分析,最后运用GIS的统计分析功能来计算不同尺度下的孔隙度指数。

(4)多样性指数。多样性指数基于信息论基础之上,用来测量系统结构支撑复杂程度的景观水平指数,常用的有Shannon-Weaver多样性指数和Simpson多样性指数[14]。本文采用Shannon指数

核心景观指数[7]。各指数内涵及计算公式如下:

(1)分离度指数。分离度是描述斑块在空间分布上的分散程度,分离度越大表示斑块间的距离越大,斑块在空间分布上越离散[8～10],其公式为:

Ni=

DiSi

　　式中Ni是景观类型的分离度指数,Di是景观类型的距离指数,Di=0.5×(n/A)^0.5,n为景观类型i的斑块数,A为研究区总面积。Si为景观类型i的面积指数,Si=Ai/A,Ai是景观类型i的面积。

(2)破碎度指数。破碎度是指景观被分割的破碎程度[8,9,11],斑块的碎裂化程度与斑块数量呈正相关,与平均斑块面积负相关,能反映人类活动对景观的干扰程度[15]。传统景观碎裂化指数没有完全反映出这种关系,其计算公式为:

Fi=(Pi-1)Q来表示,其公式为:

k

H=-

i=1

∑P

i

×ln(Pi)

　　式中H是景观多样指数;Pi为景观类型i在景观中出现的概率;k表示景观类型的总数。H值越大,景观多样性越大。H大小取决于景观的丰富度和景观类型分布的均匀程度。对于一定的k,当各种景观类型所占的面积比相同时H值最大[14]。

3　结果分析

3.1　南京市景观结构演变概况

　　式中Fi为景观类型i的破碎度指数;Pi是景观类型i的斑块数;Q是研究区所有景观类型的平均面积。景观破碎度指数Fi越大代表景观越破碎。

(3)孔隙度指数孔隙度指数是对景观质地中间隙特征和分布的一种度量。它能提供多尺度空间信息[11～13]。间隙均匀的同质景观其空隙度值较低,分布不均匀的景观则空隙度高,从总体上反映了景观的空间分布规律,其公式为:

Z(1)

A(r)==(1)2Z(Z)

k

(2)

ki=1

自1986年以来南京市景观结构主要表现为自然景观向人文景观转变,斑块密度、分离度、破碎度

减小和景观的多样性指数增大等三个特点。耕地、水体、绿地和未利用地等自然景观向城市与农村居住用地、工矿用地和交通用地等人文景观转变,其中耕地转化的最多,从1986年到2000年,耕地面积指数减少了9.3%,而城市、农村居住用地和交通用地的面积指数增加了9.6%,绿地,水体和未利用地的变化较小,绿地面积指数下降了0.3%,水体下降了0.1%(表1)。斑块密度减小,1986年是1.24km2,1994年是1.15km2,2000年下降到1.13km2。各

∑Sn(s,r)(2)

Z

N(r)

=

i=1

∑Sn(s,r)N(r)

2

　　式中A(r)是孔隙度指数;S是每次选取的样本数;r为滑箱尺度;k为分析尺度的个数;n(s,r)是指以尺度为r的滑箱取样时某一景观类型出现的次数;N(r)是尺度为r的滑箱滑动整个研究区域的次数。孔隙度通过变换观察尺度来测度景观的空间结构,计算方法有多种,常见的是“滑动框”算法

(glidingbox’algorithm)。‘当斑块分布较为均匀

类型景观指数值如表2,具体分析如下:

(1)耕地,包括水田、旱地和园地。1986～1994年,耕地减少了4375.88hm2,1994～2000年,减少了4500.82hm2,14年内面积减少了9.3%,这主要被城市用地占用,共有3543.17hm2耕地被城市建设用地占用,转化为城市建设用地的耕地占耕地减少面积的86%,大片连续分布的耕地被城市用地分割,斑块的平均面积减小,1986年是157.74hm2,1994年为174.hm2,2000年只有148.4hm2,分

时,随着r的增加,孔隙度指数较小,斑块出现频率不明显增加;当斑块分布不均匀时,随着r的增大,孔隙度指数增大,斑块出现频率会增大。根据研究斑块的平均大小来设计合理的r观察在不同的尺度下

离度和破碎度增大。

(2)居住用地及工矿用地。该景观类型14年内

36　　　　　　　　　长江流域资源与环境　　　　　　　　　　　　　　第14卷　

表1　1986～2000年南京市景观结构变化(hm2)

Tab.1　LandscapeStructureofNanjingDuring1986～2000

景观类型耕地绿地水体

1986

1994

2000

　　面积　　　　面积指数(%)

47163.5311328.2114297.0021593.42985.8250.60

49.4311.8714.9822.631.030.05

　　面积　　　　面积指数(%)

42787.6510273.8014296.9726713.051296.4850.59

44.8410.7714.9028.001.360.05

　　面积　　　　面积指数(%)

38286.8211055.8314212.2730491.1374.6050.60

40.1311.5914.32.001.390.05

居民地及工矿用地

交通用地未利用地

表2　1986～2000年南京市各景观类型的破碎度和分离度指数

Tab.2　FragmentationandDispersionIndicesof

NanjingLandscapeDuring1986～2000

景观类型耕地绿地水体居民地及工矿用地交通用地未利用地多样性指数

1986

1994

2000

地面积减少了1054.41hm2,大量林地被破坏。1994～2000年,绿地增加了782.03hm2,这主要是

人工林的增加。1994～2000年绿地斑块数增加,分

离度增加,破碎度增大,这是由于1994年后增加的人工林分布比较零乱、分散。(5)交通用地,交通用地面积逐渐增加,面积指数由1986年的1.03%增加到2000年的1.39%,破碎度和分离度指数都呈下降趋势。未利用地的变化不是太大。

3.2　南京市景观的空间异质性分析

破碎度　分离度破碎度　分离度破碎度　分离度

0.3680.2090.2300.6120.0240.099

0.5661.7621.4771.5937.1.157

0.280.1880.2130.5370.0210.092

0.5651.9311.4721.2525.1939.156

0.290.1920.2050.4960.0220.091

0.81.8271.4701.0615.2039.159

空间异质性强调斑块的种类组成和空间梯度的综合反映。斑块的空间异质性依赖于分析尺度,包括粒度和幅度[14]。幅度是研究对象在时间或空间上的持续长度和范围,本文的研究范围和时间间隔基本相同,因此幅度不需考虑。仅从100m、300m、500m、700m、900m、1100m、1300m、1500m、1700m等九个粒度,采用孔隙度指数来分析南京市景观的空间异质性(图1)。

0.5530.5660.577

面积增加了8848.97hm2,面积指数上升了9.33%,1986～1994年是南京城市规模迅速扩大的主要时期,8年内面积增加了5119.63hm2,增长速度为639.95hm2/年。1994年后南京市扩展的速度稍稍减慢,1994～2000年面积增加了3778.84hm2,增长速度是629.81hm2/年。斑块密度逐渐下降,1986年是2.30个/m2,1994年为1.76个/m2,2000年为1.44个/m2,平均斑块面积增大,斑块的分离度和破碎度都逐渐减小。

(3)水体,包括河流、湖泊和池塘。1986年水体是14296.99hm2,池塘面积为2815.34hm2,到2000年时水体总面积为14212.27hm2,减少了84.72hm2,减少的部分主要是池塘。1986～1994年,池塘面积没有多大变化,1994～2000年,池塘面积减少了84.01hm2,减少的水体主要是因为围网养殖和城市扩展,其中居民地和工矿用地占用的最多,1141.55hm2,占减少总面积的90%。

(4)绿地,包括林地和草地。1986～2000年南京

图1分别列出了1986、1994和2000年各景观类型和耕地、居民点及工矿用地1986、1994和2000年的孔隙度指数对数曲线,由于篇幅关系,其他景观类型的孔隙度指数对数曲线图未能列出(图中12是耕地,21是绿地,41是水体,51是居民地及工矿用地,53是交通用地,63是未利用地,前面三个图的图例是相同的)。从图1能看出,耕地、居民地及工矿用地和绿地随分析尺度的变化出现频率变化不大,孔隙度指数对数曲线比较平缓,说明这三个类型的斑块面积较大,分布比较均匀。从分析尺度看,当尺度为100～700m时,孔隙度指数对数曲线斜率较大,700～1700m时曲线平缓。水体,交通用地及未利用地出项频率随分析尺度的变化而变化,随着尺度的增大,出现频率逐渐下降,说明这几个类型斑块

市绿地总面积减少了272.38hm2,1986～1994年绿

　第1期　　　　　　　　杨英宝等:RS与GIS支持下的南京市景观格局动态变化研究37

图1　南京市主要景观类型的孔隙度指数对数曲线

Fig.1　LogarithmicLacuarityIndexCurveof

MajorLandscapeElements

分布非常不均匀,斑块的面积较小,稍大点的斑块,如长江,斑块的形状指数大,导致分析尺度对斑块的空间孔隙度指数影响很大。从时间维来看,居民地及工矿建设用地、交通用地、绿地等孔隙度指数都是1986～1994年增加,1994～2000年开始减小,耕地,水体,未利用地等景观类型的孔隙度指数自1986年

以来逐渐增加。但每个要素的孔隙度变化又有自己的特征,下面进行具体分析:

(1)耕地斑块在南京市城市扩展的过程中,产生的变化最大,不断被居民地及工矿用地、交通用地等占用,分布零散,斑块面积减小,孔隙度不断增大,其中1986～1995耕地的孔隙度增加较多,1994～2000

38　　　　　　　　　长江流域资源与环境　　　　　　　　　　　　　　第14卷　

城市、农村居民地和交通用地等人文景观的面积大

幅增加,耕地,绿地和未利用地的面积大量减少,其中减少的耕地97.67%转化为城市建设用地,斑块分布不均匀,空隙度增加;1994～2000年城市扩展的速度减慢,开发趋向有序化,除耕地外,其他景观类型的分离度、破碎度和孔隙度减小,空间分布趋向均匀。

年增加较缓慢,这和破碎度,分离度的变化是一致的。100～700m耕地的出项频率较大,700～1700m耕地的出现频率变化缓慢。

(2)从居民地及工矿用地的孔隙度动态变化看,1986～1994年,孔隙度指数增加,1994～2000年,该指数又下降了,说明南京市的城市发展经历了由集中到分散再到集中的过程。1986～1994年之间,南京城市扩展的速度较快,城市的开发较混乱,分布分散,还处于以外延式扩展为主的阶段;1994年以后城市的扩展趋于有序化,斑块间的孔隙度减小,分布趋向均匀。在尺度为100～500m时,斑块的出现频率高,尺度为500～1700m时出现频率减小,孔隙度指数对数曲线平缓。

(3)从绿地孔隙度指数曲线的分布看,它的变化趋势和居民地及工矿用地一样,1986～1994年孔隙度增大,1994～2000年减小。分析尺度为100～900m时出现频率高,900～1700m出现频率降低,孔隙度指数对数曲线平缓。水体,交通用地和未利用地的孔隙度指数对数曲线走向相似,水体和未利用地的孔隙度指数自1986年以来一直在增加,分布不均匀,交通用地1986～1994孔隙度指数增加,1994～2000年减小。

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4　结论

(1)利用破碎度、分离度、多样性指数和孔隙度

等四个景观指数进行分析能正确反映南京市自

1986年以来景观格局的变化,得出的结论和南京市城市空间的扩展过程一致。

(2)南京市在快速城市化的过程中,城市建成区面积不断扩大,城市的景观结构发生了很大的变化。主要表现在耕地、绿地、水体和未利用地等自然或半自然景观向城市、农村居民地、工矿用地以及交通用地等人文景观转变;景观的多样性在增加,斑快的平均面积在增大,分离度、破碎度和孔隙度减小,城市的开发趋向有序化、规模化。

(3)由于人类活动作用方式或作用程度的不同,导致不同的景观类型在同一时间段,或者同一景观类型在不同的时间内空间格局的转变模式不同。通过比较得出:1986～1994年城市的开发比较混乱,

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　第1期　　　　　　　　杨英宝等:RS与GIS支持下的南京市景观格局动态变化研究39

DYNAMICSOFLANDSCAPEECOLOGYINNANJING

CITYREVEALEDBYRSANDGIS

YANGYing2bao1,2,JIANGNan1,SUWei2zhong3,ZHENGGuo2qiang3

(1.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,TheChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;

2.GraduateSchoolofTheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;3.DepartmentofUrbanandResourceScience,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Abstract:ThispaperstudiedthedynamicsoflandscapepatterninNanjingcitysince1986byusingGISandmajorlandscapeindexwithLandsatTMimageriesin1986,1994,2000,thetopographymapof1:100000in1973andcurrentlandusemapof2000.TheresultsshowedthatlandscapestructureofNanjingCitychangeddramaticallyinthecourseofrapidurbanization.Thenaturalandsemi2naturallandscapesuchascultivatedland,greenbelt,waterandunusedlandbecameman2madelandscape.Ingeneral,landscapedi2versityandaverageareaofthepatchesincreased.FragmentationFi,separationNi,andlacunarityA(r)decreased.Theurbanexploitationbecomesregulatedandrational.Butthedifferentlandscapefactorsinthesametimeorthesamelandscapefactorindifferentyearshaddifferentchangemodes.Thespeedofur2banexpansionisrapidfrom1986to1994inwhichtheareaoftheman2madelandscapeincreasedlargely,theareaofcultivatedland,greenbeltandunusedlanddecreased,thepatchesdistributionwasnotwell2pro2portionalandFiincreased,withitsspeeddeclinedduring1994～2000whentheexploitationofNanjingcitybecamedisciplinaryandthepatchdistributiontendstobeuniformalwithFragmentationFi,separation

Ni,andlacunarityA(r)decreasingbarringcultivatedland.

Keywords:NanjingCity;landscapepattern;dynamicchange;fragmentation;separation;heterogeneity