基于遥感和GIS的吉林市区景观演变分析 6页

第27卷第3期世界地质Vo1．27No．32008年9月GLOBALGEOLOGYSept．2008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：AAnalysisoflandscapechangeinJilinCitybasedonremotesensingandGISWUQiong，YANGGuo—dong，LIHong—qing，LIUXu-sheng，NIUXue—feng，WANGZhi—heng，WANGQiongJ．CollegeofC-eoexplorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun130026，China；2．The3rdSnngandMappingInstitute，HeilongfiangBureauofSurveyingandMapping，Harbin150086，ChinaAbstract：TheauthorsanalyzedlandscapechangeandspatialpatternofurbanexpansioninJilinCitybasedonremotesensingandGIS．Theresultoflandscapepatternchangeanalysisindicatesthaturbanconstructionland，ruralresidentialland，trafficland，glebeandpaddyfieldareincreasingobviously；woodland，grassplotandunusedlandaredecreasingtremendously．Theincreaseoftheconstructionlandoccupiedalotofglebe，paddyfieldandwoodland，meanwhile，theincreaseofglebeoccupiedalargeamountofwoodland．Whenthelandscapedispersionincreasedinthestudiedarea，thelandscapeheterogeneitydecreasedwithsimplylandscapeshapeandanti—interfer—enceabilityandstabilityforthewholeecosystemdecreased．TheresultofregressionanalysisshowsthaturbanlandexpansionmostlylocatesinthestripareaneartheSonghanRiver，andtheurbanformappearsasastripcityinshape．Keywords：landscapechange；landscapepattern；urbanexpansion；remotesensing；GIS；JilinCity究城市对地方、区域乃至全球生态环境的影响。0引言近20年来，大量文献关注城市及其周边地区土地城市是全球环境变化多种尺度的驱动力，城市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)\n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速增长，化工产业的规模继续扩大。城市及其相关活的平台E4-8,。土地利用变化尤其是城市用地变产业扩展增加了松花江的环境污染风险，对城市形化的分析为城市形态分析提供了基本的空间信息，态的合理规划提出了更加严格的要求。而城市形态分析已经成为城市可持续发展研究的中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2．1景观变化探测过程及其环境影Ⅱ向研究主要集中在中南部和沿海经1989年吉林市区土地利用图数字化自当地土济发达地，关于东北部尤其是长白山地区城市地区地部门提供的1：1万土地利用图；2005年1：1万土地土地利用变化的研究较少。本文基于遥感和GIS分利用图解译自SPOT5影像，影像经过辐射校正和析了1989～2005年吉林市区景观格局演变，利用地形校正，分类方法为目视解译结合野外GPS辅回归分析方法研究了城市建设用地扩展的空间形助调查，为保证分类精度，所有斑块都经过外业调态，为松花江上游地区生态保护提供数据支持。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10Ill像元的土地利用图。根据研究需1研究区域要将景观类型分为城镇建设用地(URB)，独立工吉林市区处于北纬42。31～44。40，东经125。矿(IIM)，农村居住地(RR)，交通用地40～127。56的长白山余脉，辖区面积3775km(TRN)，旱地(GLB)，水田(PAD)，林地(图1)，地势从东南到西北逐渐降低，发源于长白(FOR)，园地(ORC)，草地(GRS)，水域山脉的松花江流经吉林市区，松花湖位于市区东南(WAT)，未利用地(UNE)。部，是建设丰满水电站形成的大型人工湖泊。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，图1研究区和缓冲区图Fig．1M印ofstudyareaandthebuferzonearea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吉林市是中国的化工基地之一，其化工产业最指标，聚集度指数是衡量斑块聚集程度的指标，多早始于20世纪60年代，目前，几乎所有的石化及样性指数是衡量景观多样性的指标，均匀度指数是其相关企业都整合到中国石油天然气集团公司吉林衡量斑块分布的均匀程度。斑块指数计算采用石化分公司。同中国其他城市一样，过去20年吉FRAGSTATS3．3，各指数的计算公式及其说明，可林市也正在经历着快速的城市化过程，经济规模迅以参考计算软件帮助文件中的有关说明。\n334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％(6739．69hm)和江沿岸，令1989年到2005年增加的城镇建设用地211．20％(1431．82hm)，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％(3713．49hm)，独立工矿用地减少了生成步长为0．1km的一系列带状缓冲区(图1)，29．54％(2476．14hm)，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9408．86hm。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％(16371．72hm)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％(4399．32hm)，林地和园地分别降低型，可以表示为：了5．27％(8143．48hm。)和4．61％(169．66hm)，草地几乎消失。增加的城镇建设用地中，URBincreased=。0+(01In())3247．78hm来源于独立工矿用地，1237．74hm式中：URBincreased为每个缓冲区内增加的城来源于旱地，465．86hm来源于林地，325．67hm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，2370hm来该缓冲区到松花江的距离(km)。源于旱地，610．37hm来源于林地；减少的自然景观中，16862．60hm的林地转化为了旱地(表13结果和图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．2Landusemapsin1989(figureA)and2005(figureB)in衄inCity\n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Table1LandusechangematrixinJilinCitybetween1989and2005明城市用地的开发利用在不断加强。独立工矿用地降，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，形成大量独立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Table2Landscapemetricsinpatchclasslevel\n336世界地质第27卷景观水平上景观指数变化为：研究区斑块密度也转化为城镇建设用地，用于满足城镇扩展的需由14．45下降到l2．67，破碎化程度下降，最大斑求。城市空间形态扩展分析表明，吉林市城市形态块指数降低，景观分布离散化增强，主要由于研究为以松花江为中心的带状城市。区大量新建道路导致大斑块被分割所致。边缘密4讨论度、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，聚集度指数本文基于遥感和GIS分析了吉林市区景观变增加，说明景观异质程度下降，景观类型向非均衡化，利用回归分析，研究了城市扩展的空间形态。化方向发展，降低了景观的抗干扰能力与整个生态吉林市景观变化主要特点是城镇建设用地和交通用系统的稳定性，是研究区内耕地与城镇建设用地面地迅速增加，联通性增强；旱地增加，林地减少，积大量增加，而林地大量减少的直接反映(表3)。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表3景观层次上的景观指数加强。城镇建设用地扩展过程中占用了大量农业用Table3Landscapemetricsinlandscapelevel地，然而其农业用地总量不仅没有减少，反而大量PDLPIEDAI增加，主要原因就是林地开垦为农业用地。林地转LSIPAFRACSHDISHEl／#．km-2／％nl／hm／％化为农业用地的现象在中国南方的许多城市也经常198914．4517．7092．49142．061．391．65O．699O．91出现'，但是，这种转换不能补偿建设用地对农2OO512．671O．6378．80121，O31．361．59O．6692．28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3．2城市空间形态分析地，虽然增加了农业收入，同时也造成区域林业生回归分析的结果为：URBincreased=193．0723态系统退化，破坏了松花江流域的生态系统稳定—98．1346In()，其中，／2=0．91，F=1367，P性。城镇建设用地迅速扩展，其中一个主要原因就=0。000，o=0．05，可见城镇建设用地增加的面积是各种开发区的建立。过去2O年中，中国的每个与其到松花江的距离有很强的对数相关性。1989城市甚至村镇，都建立了各种各样的经济开发区，年到2005年期间，增加的城镇用地主要分布在距使得城镇建设用地迅速扩展。吉林市也建立了五个离松花江4km的带状范围内，是到松花江距离的主要的开发区，包括吉林高新技术开发区、吉林经对数衰减函数(图3)。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、400葛汽车、化纤、电子、制药和食品加工等。城市3oo地区会对区域大气质量。’“】、地表水质量[i2-15]和鲴土壤质量产生重要影响，而吉林市处于松花江旺200醛上游地区，如何合理规划城镇用地扩展方式及各个萤g100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00l234567游乃至整个松花江流域的生态环境保护都具有重要距松花江距离／km意义。图3城市用地扩展与其到松花江距离的关系参考文献：Fig．3RelationshipbetweenurbanlandexpansionanddistancetoSonghuaRiver[1]GrimmNB，FaethSH，GolubiewskiNE，eta1．Globalchangeandtheecologyofcities[J]．Science，3198：从1989年到2005年，大部分建成区附近靠近756-760．松花江边的农村居住用地和独立工矿用地都转化为[2]AligRJ，KlineJD，LichtensteinM．Urbanizationonthe城镇建设用地，一些距离建成区较近的旱地和水田USlandscape：lookingaheadinthe21stcentury[J]．\n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337LandscapeandUrbanPlanning，2004，69：219-234．tryofbaseflowwithintheChattahooeheeRiverBasin[3]JensenJR，CowenDC．Remotesensingofurbansubur-(Georgia，USA)[J]．Hydrology，2007，341：42-54．infrastructureandsocio．economicattributes[J]．[13]BerryLW，FitzgibbonTO，WelchKA，eta1．MercuryPhotogrammetricEngineeringandRemoteSensing，1999。geochemistryoftheSciotoRiver，Ohio：Impactofagri—65：611-622．euhureandurbanization[J]．AppliedGeochemistry，[4]HathoutS．TheuseofGISformonitoringandpredicting2006，21：1880—1888．urbangrowthinEastandWestStPaul，Winnipeg，Mani—[14]DucrotR，LePC，BommelP，eta1．Articulatinglandtoba，Canada[J]．EnvironmentalManagement，2002，andwaterdynamicswithurbanization：anattemptto66：229-238．modelnaturalresourcesmanagementattheurbanedge[5]WuQ，LiH，WangR，eta1．Monitoringandpredicting[J]．Computers，EnvironmentandUrbanSystems，landusechangeinBeijingusingremotesensingandGIS2004，28：85—106．[J]．LandscapeandUrbanPlanning，2006，78：322．[15]JeongCH．Efectoflanduseandurbanizationon333．hydrochemistryandcontaminationofgroundwaterfrom[63WengQ．LandusechangeanalysisintheZhujiangDehaTaejonarea，Korea[J]．Hydrology，2001，253：194·ofChinausingsatelliteremotesensing，GISandstochas—210．ticmodeling[J]．EnvironmentalManagement，2002，[16]PanchmrdA，AguayoM，PeneaE，eta1．Multiple64：273_284．efectsofurbanizationonthebiodiversityofdeveloping[7]FanF，WengQ，WangY．Landuseandlandcovercountries：Thecaseofafast-growingmetropolitanareachangeinGuangzhou，China，from1998to2003，based(Concepci6n，Chile)[J]．BiologicalConservation，onLandsatTM／ETM+Imagery[J]．Sensors，2007，2006，127：272—281．7：1323．1342．[17]牛雪峰，杨国东．城市地理信息系统应用[J]．世界[8]LiX，YehAG．Analyzingspmialrestructuringofland地质，1998，17(1)：78．83．usepatternsinafastgrowingregionusingremotesensingNIUXue-feng，YANGGuo-dang．ApplicationsofurbanandGIS[J]．LandscapeandUrbanPlanning，2004，geographicinformationsystem[J]．WorldGeology，69：335-354．1998，17(1)：78-83．[9]SetoKC，KanfmannRK．Modellingthedriversofurban[18]McGarigalK，CushmanSA，NeelMC，eta1．FRAG．landUsechangeinthePeadRiverDelta．China：integra-STATS：Spatialpatternanalysisprogramforcategoricaltingremotesensingwithsocioeconomicdata[J]．Landmaps．Computersoftwareprogramproducedbytheau-Economics，2003，79：106．121．thorsattheUniversityofMassachusetts，Amherst[EB／[10]CiveroloK，HogrefeC，LynnB，etal。EstimatingtheOL]．Http：／／www．umass．edu／landeco／researeh／efectsofincreasedurbanizationonsurfacemeteorologyfragstats／fragstats．hum．2002．andozoneconcentrationsintheNewYorkCitymetropol—[19]吉林市发展与改革委员会．吉林市国民经济和社会itanregion[J]．AtmosphericEnvironment，2007。41：发展第十个五年计划纲要[EB／OL]．Http：／／www．1803．1818．jlsdrc．gov．en／fazhan／．2006。12．26．[11]YamadaT．AnumericalsimulationofurbanizationonDevelopmentandReformCommissionofJilinCity．thelocalclimate[J]．WindEngineeringandIndustrialGuidelinesofthe10fiveyearcivileconomicandsocialAerodynamics，1999，81：1-19．developmentplanofJilinCity[EB／OL]．Http：／／[12]RoseS．Theeffectsofurbanizationonthehydrochemis—www．jlsdrc．gov．cn／fazhan／．2006，12．26．