第27卷第3期 世界地质 Vo1.27 No.3 Sept.2008 2008年9月 GLOBAL GEOLOGY 文章编号:1004—5589(2008)03—0332—06 基于遥感和GIS的吉林市区景观演变分析 吴琼 ,杨国东 ,李宏卿 ,刘绪声 ,牛雪峰 ,王志恒 ,王琼 1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026;2.黑龙江测绘局第三测绘工程院,哈尔滨150086 摘要:基于遥感和GIS分析了吉林市区景观变化和城市扩展的空间形态。景观格局变化分析表明,城 镇建设用地、农村居住地、交通用地、旱地和水田明显增加,林地、草地和未利用地大量减少。建设 用地的增加占用了大量旱地、水田和林地,而旱地增加占用了大量的林地。研究区景观分布离散化增 强,景观异质程度下降,形状更加规则,景观的抗干扰能力与整个生态系统稳定降低。回归分析结果 表明,城市用地扩展主要发生在距离松花江较近的带状区域内,城市总体形态为带状城市。 关键词:景观变化;景观格局;城市扩展;遥感;地理信息系统;吉林市 中图分类号:TP753;TP392 文献标识码:A Analysis of landscape change in Jilin City based on remote sensing and GIS WU Qiong ,YANG Guo—dong ,LI Hong—qing ,LIU Xu-sheng , NIU Xue—feng ,WANG Zhi—heng ,WANG Qiong J.College of C-eoexploration Science and Technology,Jilin University,Changchun 130026,China; 2.The 3rd Sn ng andMappingInstitute,HeilongfiangBureauofSurveying andMapping,Harbin150086,China Abstract:The authors analyzed landscape change and spatial pattern of urban expansion in Jilin City based on remote sensing and GIS.The result of landscape pattern change analysis indicates that urban construction land, rural residentil aland,trafifc land,glebe and paddy ifeld are increasing obviously;woodland,grassplot and unused land are decreasing tremendously.The increase of the construction land occupied a lot of glebe,paddy field and woodland,meanwhile,the increase of glebe occupied a large amount of woodland.When the landscape dispersion increased in the studied area,the landscape heterogeneity decreased with simply landscape shape and anti—interfer— ence ability and stability for the whole ecosystem decreased.The result of regression analysis shows that urban land expansion mostly locates in the strip area near the Songhan River,and the urban form appears as a strip city in shape. Key words:landscape change;landscape pattern;urban expansion;remote sensing;GIS;Jilin City 0 引言 城市是全球环境变化多种尺度的驱动力,城市 究城市对地方、区域乃至全球生态环境的影响 。 近20年来,大量文献关注城市及其周边地区土地 利用变化以及相关环境问题的研究 。遥感已经 生态学综合了自然科学和社会科学的研究方法,研 广泛用于土地利用变化探测 引,地理信息系统 收稿日期:2008-04-09;改回日期:2008-05—14 基金项目:国家自然科学基金项目(70433001,70573106) 第3期 吴琼杨国东等:基于遥感和GIS的吉林市区景观演变分析 333 (GIS)则为土地利用数据的存储和分析提供了灵 活的平台E4-8, 。土地利用变化尤其是城市用地变 化的分析为城市形态分析提供了基本的空间信息, 而城市形态分析已经成为城市可持续发展研究的中 速增长,化工产业的规模继续扩大。城市及其相关 产业扩展增加了松花江的环境污染风险,对城市形 态的合理规划提出了更加严格的要求。 2研究方法 心内容 ]。2O世纪80年代以来,中国经历了前所 未有的大规模快速城市化过程 J。中国的城市化 过程及其环境影Ⅱ向研究主要集中在中南部和沿海经 济发达地,关于东北部尤其是长白山地区城市地区 土地利用变化的研究较少。本文基于遥感和GIS分 析了1989~2005年吉林市区景观格局演变,利用 回归分析方法研究了城市建设用地扩展的空间形 态,为松花江上游地区生态保护提供数据支持。 1研究区域 吉林市区处于北纬42。31 ~44。40 ,东经125。 40 ~127。56 的长白山余脉,辖区面积3 775 km (图1),地势从东南到西北逐渐降低,发源于长白 山脉的松花江流经吉林市区,松花湖位于市区东南 部,是建设丰满水电站形成的大型人工湖泊。 图1研究区和缓冲区图 Fig.1 M印of study area and the buffer zone area 吉林市是中国的化工基地之一,其化工产业最 早始于20世纪60年代,目前,几乎所有的石化及 其相关企业都整合到中国石油天然气集团公司吉林 石化分公司。同中国其他城市一样,过去20年吉 林市也正在经历着快速的城市化过程,经济规模迅 2.1景观变化探测 1989年吉林市区土地利用图数字化自当地土 地部门提供的1:1万土地利用图;2005年1:1万土地 利用图解译自SPOT5影像,影像经过辐射校正和 地形校正,分类方法为目视解译结合野外GPS辅 助调查,为保证分类精度,所有斑块都经过外业调 查。两个时段的土地利用图全都校正到国家坐标基 准中,形成10 Ill像元的土地利用图。根据研究需 要将景观类型分为城镇建设用地(URB),工 矿(IIM),农村居住地(RR),交通用地 (TRN),旱地(GLB),水田(PAD),林地 (FOR),园地(ORC),草地(GRS),水域 (WAT),未利用地(UNE)。 2.2景观指数及其变化分析 景观指数是反映景观格局的参数,根据景观分 析的层次可以分为斑块水平、斑块类型水平和景观 水平指数。景观指数是在确定的边界和粒度上计算 的,仅在所定义的粒度和尺度范围上有意义。景观 指数要根据所研究的生态学过程选择,由于很多景 观指数相关性强,为避免重复,应当选择相关性较 弱的景观指数。本文根据研究需要,选择的斑块类 型水平上的指数包括斑块面积百分比(PLAND), 斑块密度(PD),最大斑块指数(LPI),边界密度 (ED),形状指数(LSI),周长面积比分维数 (PAFRAC),聚集度指数(AI);景观水平指数包 括斑块密度(PD),最大斑块指数(LPI),边界密 度(ED),形状指数(LSI),周长面积比分维数 (PAFRAC),香农多样性指数(SHDI),香农均匀 度指数(SHEI)和聚集度指数(AI)。斑块面积百 分比和最大斑块指数是衡量斑块优势程度的指标, 斑块密度是衡量斑块破碎化程度的指标,边界密 度、形状指数和分维数是衡量斑块形状复杂程度的 指标,聚集度指数是衡量斑块聚集程度的指标,多 样性指数是衡量景观多样性的指标,均匀度指数是 衡量斑块分布的均匀程度。斑块指数计算采用 FRAGSTATS3.3,各指数的计算公式及其说明,可 以参考计算软件帮助文件中的有关说明 。 334 世界地质 第27卷 2.3基于回归关系模型的城市形态分析 是变化最为激烈的景观类型,其中交通用地和城镇 吉林市区内的城镇建设用地,主要分布在松花 建设用地分别增加了94.04%(6 739.69 hm )和 江沿岸,令1989年到2005年增加的城镇建设用地 211.20%(1 431.82 hm ),农村居住地增加了 面积为其到松花江距离的函数,以松花江为中心, 26.48%(3 713.49 hm ),工矿用地减少了 生成步长为0.1 km的一系列带状缓冲区(图1), 29.54%(2 476.14 hm ),建设用地在研究时间内 以每个缓冲区到松花江的距离为自变量,以该缓冲 总共增加了9 408.86 hm 。半自然和自然景观中, 区内城镇建设用地增加的面积为因变量,建立城市 旱地和水田分别增加了5.68%(16 371.72 hm ) 用地增加面积与其到松花江距离的对数回归关系模 和11.78%(4 399.32 hm ),林地和园地分别降低 型,可以表示为: 了5.27%(8 143.48 hm。)和4.61%(169.66 hm ),草地几乎消失。增加的城镇建设用地中, URBincreased=。0+(01 In( )) 3 247.78 hm 来源于工矿用地,1 237.74 hm 式中:URBincreased为每个缓冲区内增加的城 来源于旱地,465.86 hm 来源于林地,325.67 hm 镇建设用地面积(hm ),口。和口 为回归系数, 为 来源于水田;增加的农村居住地中,2 370 hm 来 该缓冲区到松花江的距离(km)。 源于旱地,610.37 hm 来源于林地;减少的自然景 3结果 观中,16 862.60 hm 的林地转化为了旱地(表1 和图2)。 3.1 吉林市区景观格局及其演变 斑块类型水平景观指数变化表现为:城镇建设 1989~2005年期间,吉林市区林地主要分布 用地比例增加,斑块密度减少,最大斑块指数增 在中低山区,而且分布面积最大,耕地、水田和建 加,破碎化程度降低,边界密度、形状指数和分维 设用地主要分布在松花江冲积平原地区。建设用地 数增加,形状趋于复杂,连通性和聚集度增加,表 图2吉林市区土地利用图(A为1989年,B为2005年) Fig.2 Land use maps in 1989(figure A)and 2005(figure B)in衄in City 第3期 吴琼杨国东等:基于遥感和GIS的吉林市区景观演变分析 335 表1吉林市区1989年到2005年土地利用变化矩阵 Table 1 Land use change matrix in Jilin City between 1989 and 2005 明城市用地的开发利用在不断加强。工矿用地 降,而耕地斑块合并导致斑块密度下降。水田比例 比例下降,斑块密度增加,最大斑块指数降低,破 少量增加,其他斑块指数变化不大,其分布相对比 碎化程度增加,边界密度、形状指数增加,形状更 较稳定。林地比例下降,斑块密度增加,最大斑块 加复杂。农村居住地比例增加,斑块密度增加,最 指数降低,破碎化程度增加,边界密度、形状指 大斑块指数下降,破碎化程度增加,边界密度、形 数、分维数下降,说明先存的大片的林地被分割成 状指数和分维数增加,形状趋于复杂,其开发利用 互不相连的众多封闭斑块,分布更分散,形状更简 程度不断增强。旱地比例增加,斑块密度、最大斑 单,相互连通性更差。水域比例少量增加,由于开 块指数下降,边界密度、形状指数和分维数下降, 挖池塘和流域内小河道变迁,形成大量斑块而 聚集度少量增加,总体上表明其形状更加规则,大 导致水域斑块密度增加,其他指数比较稳定(表 面积斑块由于高速公路的分割导致最大斑块指数下 2)。 ・ 表2斑块类型层次上的景观指数 Table 2 Landscape metrics in patch class level 336 世界地质 第27卷 景观水平上景观指数变化为:研究区斑块密度 由14.45下降到l2.67,破碎化程度下降,最大斑 块指数降低,景观分布离散化增强,主要由于研究 区大量新建道路导致大斑块被分割所致。边缘密 度、形状指数和分维数下降,表明研究区形状更加 规则。香农多样性和均匀度指数减小,聚集度指数 增加,说明景观异质程度下降,景观类型向非均衡 化方向发展,降低了景观的抗干扰能力与整个生态 系统的稳定性,是研究区内耕地与城镇建设用地面 积大量增加,而林地大量减少的直接反映(表3)。 表3景观层次上的景观指数 Table 3 Landscape metrics in landscape level PD LPI ED AI /#.km-2/%nl/hm LSI PAFRAC SHDI SHEl /% 1989 14.45 17.70 92.49 142.06 1.39 1.65 O.69 9O.91 2OO5 12.67 1O.63 78.80 121,O3 1.36 1.59 O.66 92.28 3.2城市空间形态分析 回归分析的结果为:URBincreased=193.072 3 —98.134 6 In( ),其中,/2=0.91,F=1367,P =0。000,o=0.05,可见城镇建设用地增加的面积 与其到松花江的距离有很强的对数相关性。1989 年到2005年期间,增加的城镇用地主要分布在距 离松花江4 km的带状范围内,是到松花江距离的 对数衰减函数(图3)。 400 葛 3oo 鲴 旺200 醛 萤 g 100 0 0 l 2 3 4 5 6 7 距松花江距离/km 图3城市用地扩展与其到松花江距离的关系 Fig.3 Relationship between urban land expansion and distance to Songhua River 从1989年到2005年,大部分建成区附近靠近 松花江边的农村居住用地和工矿用地都转化为 城镇建设用地,一些距离建成区较近的旱地和水田 也转化为城镇建设用地,用于满足城镇扩展的需 求。城市空间形态扩展分析表明,吉林市城市形态 为以松花江为中心的带状城市。 4讨论 本文基于遥感和GIS分析了吉林市区景观变 化,利用回归分析,研究了城市扩展的空间形态。 吉林市景观变化主要特点是城镇建设用地和交通用 地迅速增加,联通性增强;旱地增加,林地减少, 自然和半自然用地的破碎化程度增加,反映了研究 区人类对自然和半自然地区的生态胁迫效应在不断 加强。城镇建设用地扩展过程中占用了大量农业用 地,然而其农业用地总量不仅没有减少,反而大量 增加,主要原因就是林地开垦为农业用地。林地转 化为农业用地的现象在中国南方的许多城市也经常 出现 ' ,但是,这种转换不能补偿建设用地对农 业用地的占用,所以农业用地总量在南方许多城市 都不断下降 , J。吉林市农村地区开垦的农业用 地,虽然增加了农业收入,同时也造成区域林业生 态系统退化,破坏了松花江流域的生态系统稳定 性。城镇建设用地迅速扩展,其中一个主要原因就 是各种开发区的建立。过去2O年中,中国的每个 城市甚至村镇,都建立了各种各样的经济开发区, 使得城镇建设用地迅速扩展。吉林市也建立了五个 主要的开发区,包括吉林高新技术开发区、吉林经 济技术开发区、船营经济开发区、丰满经济开发 区、龙潭经济开发区,主要发展的产业包括石化、 汽车、化纤、电子、制药和食品加工等 。城市 地区会对区域大气质量 。’“】、地表水质量[i2-15]和 土壤质量 产生重要影响,而吉林市处于松花江 上游地区,如何合理规划城镇用地扩展方式及各个 开发区的空问分布,尤其是石化、化纤、制药产业 等环境保护要求严格的产业的空间分布,对松花上 游乃至整个松花江流域的生态环境保护都具有重要 意义。 参考文献: [1]Grimm N B,Faeth S H,Golubiewski N E,et a1.Global change and the ecology of cities[J].Science,3198: 756-760. 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