基于景观生态学的黄石市城市绿地系统研究

尹发能，叶 勇，龙 满，董元华,张友涛，陈贵兵

(湖北师范学院 城市与环境学院， 湖北 黄石 435002)

0 引言

景观生态学是地理学与生态学交叉形成的学科，以整个景观为研究对象，通过能量流、物质流、信息流在地球表层传输和交换，通过生物与非生物的相互转化，研究景观的空间构造、内部功能及各部分直接的相互关系，探讨景观异质性发生发展及保持异质性的机理，建立景观的“时-空”模型[1]。随着景观生态学的发展，人们逐渐把研究的目光转向城市，从景观生态学的角度，对城市这一人类活动的中心进行研究[2]。

在城市绿地景观生态学中可以将城市绿地景观划分为斑块(Patch)、廊道(Corridor)、基质(Matrix)等基本景观单元。就城市而言，最具有指导意义的是景观生态学中的“廊道-斑块-基质”理论。斑块(Patch)是指与周围环境在外貌或性质上不同，但又具有一定内部均匀性的空间部分，城市绿地景观的类型、大小、形状、边界、动态及内部均质程度对城市绿地生态系统有特定的生态学意义[3]。城市绿地斑块是指公园、花园、庭院、小游园、广场等点状空间。廊道(Corridor)是景观中唯一的线型要素，是不同于两侧相邻土地的一种特殊带状要素类型。城市绿地系统中的廊道是由规划区内的道路绿地、河岸防护林等带状绿地组成。基质(Matrix)是景观中分布最广、连续性也最大的背景结构。它一般呈面状，对景观功能起着重要作用。城市中的基质与廊道、斑块之间没有严格的界限，“基质”本身也是由不同大小的斑块和廊道组成，如居民区、商业区、工业区等[4]。

遥感技术的应用为城市绿地系统的规划提供了技术支撑，特别是对城市绿化空间的定量研究，使得景观格局指数得以高精度的实现。本文以黄石市2010年Landsat ETM+遥感影像为基础资料，对黄石市城市绿地斑块信息进行了提取并作出分析和评价，对黄石市城市绿地系统规划具有一定参考意义。

在本次研究中，由于使用的Landsat ETM+遥感为30米分辨率，对城市绿地斑块的提取较为有效，而对于绿地廊道特别是道路绿地信息的提取较为有限，对道路绿地只能提取部分信息。因此本次研究的重点在于城市绿地斑块，意在运用景观生态学原理对其进行量化分析，研究其分布的合理性。

1 研究区概况

黄石市地处于湖北省东南部，全市现辖黄石港区、西塞山区、下陆区、铁山区四个城区及大冶市、阳新县，总面积4583 km2.市区形状呈“入”字形，三面环山，一面临江，全境地势由西南向东北倾斜，地形破碎，局部地方形成不完整的山间盆地，岗地坡度一般较为平缓，沿江一带标高较低。该区为典型的亚热带东亚大陆性气候，年均降水量1382.6 mm.在中国植被区划上属于亚热带常绿阔叶林区，而地带性植被类型则是亚热带常绿阔叶落叶混交林，实际上亚热带针叶林占一定优势，还有亚热带竹林、灌丛、荒山草地及人为栽种的混合植被类型(街道、公园绿化带)。

本次研究区域为《黄石市城市总体规划(2001-2020)》确定的黄石市区，即黄石港、西塞山、下陆、铁山四区组成，面积237km2.所用数据为国际科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn/)下载的Landsat ETM+遥感影像(2010-07-07)、黄石统计年鉴、黄石市行政区划图以及《黄石市城市总体规划(2001-2020)》等。图像已经过初步的几何校正和初步辐射校正，利用经数字化的行政区矢量图层裁剪出了研究区的影像。研究中所用软件包括Erdas9.1、Envi4.1、Fragstats3.3、Arcgis10.0等。

2 遥感图像的处理及景观指数的选取

2.1 最佳波段的组合

本研究采用最佳波段组合法。通常波段选择应遵循三个原则：1)所选的波段信息量要大；2)波段之间的相关性要小；3)波段组合对所研究地物类型差异要大[5]，波段的相关系数越小，表明各个波段的独立性越高，信息的冗余度也就越小[6]。用envi软件生成相关系数矩阵，进行波段相关性分析，求出相关系数矩阵如表1所示。由于TM 6波段为热红外波段，分辨率较低，本研究中未使用该波段。

表1 波段相关系数矩阵表

由相关性矩阵表可以看出TM1、TM2、TM3具有很高的相关系数，TM4比较独立，TM5和TM7相关系数较高。因此，应选择TM1、TM2、TM3中的一个波段，TM4以及TM5和TM7中的一个波段。由此可以得到6种波段组合情况TM145、TM245、TM345、TM147、TM247、TM347.

研究中运用最佳波段组合指数法确定组合波段，即用三个波段的标准差及两两之间的相关系数计算一个最佳指数因子[7]。

公式中：Si为第i波段的标准差，Rij是第i波段与第j波段之间的相关系数。OIF越大，说明波段包含的信息量越大，波段间相关性越好。表2为OIF指数表。

表2 OIF指数表

表2可以得知，TM145波段组合的OIF指数最大，同时由表1得出的TM145相关性较低，故最终选择TM145这三个波段合成假彩色遥感影像来进行绿地信息的提取。

2.2 图像的解译和分类

本次研究中主要采用非监督分类对遥感图像中地物进行分类。非监督分类不需要人工训练样本，仅需要输入分类数，计算机按照一定的规则自动根据相元光谱或空间等特征组成集群组，然后分析者将每个组和参数相比较，将其划分到不同类别中[7]。本文通过非监督分类分别将TM145三个波段合成假彩色图像分为12类、15类、18类、20类，经过比较确定分为18类。为消除同物异谱现象和便于景观指数计算，通过实地调查和Google earth对地物进行识别，最终将图像合并分为6类，即林地、草地、耕地、建设用地、水域、未利用地(见图1).

图1 基于遥感影像的2010年黄石市土地利用分类图

2.3 景观指数计算

城市绿地景观的等级、形状、大小、质量和空间结构的组合是反映城市生态系统的重要因素之一，它对城市自身的功能结构、生态平衡、生活舒适度、城市局地气候具有重大影响。对城市绿地景观生态系统空间特征的度量，是城市绿地景观空间结构研究的深化方向[8]。城市绿地景观的形状、大小、分布等对绿地系统的功能发挥具有重要的作用。通过研究景观格局指数，可以对绿地系统的空间布局进行合理有效的量化分析。

本文通过GIS软件和Fragstats景观软件对制作的黄石市绿地分布图中对草地、林地、耕地三类绿地的景观格局指数进行了提取。

根据黄石市城市绿地系统格局分布的重点和景观格局指数的生态学含义，选取了八个指标，包括斑块类型面积CA、核心斑块总面积TCA、总核心斑块指标TCAI、斑块平均面积MPS、面积加权平均形状指数AWMSI、面积加权平均斑块分维数AWMPFD、平均最近距离MNN、斑块类型占景观面积的比例MPLAND.

表3 2010年黄石市土地利用分类统计表

表4 黄石市各类绿地类型景观指数

3 黄石市绿地系统景观生态学评价

由图1和表3、表4中可以看出：1)黄石市绿化覆盖度较高，2010年植被覆盖度达45.15%.其中草地、林地、耕地分别占总面积的8.69%、23.01%、13.45%，林地在绿地中分布最多；2)草地、林地、耕地中核心斑块总面积分别为379.44hm2、3097.44hm2、1089.45hm2，平均斑块面积分别为0.79 hm2、3.49hm2、1.99hm2，林地核心斑块所占比例最大，平均面积最大，说明林地的绿化质量高，而草地核心斑块所占比例低，平均面积小，说明绿化质量较低；3) 耕地、林地、草地三类绿地的面积加权平均斑块分维数分别为1.23、1.21、1.18，草地和林地作为绿地的主体部分，面积加权平均斑块分维数相对较低，说明了林地和草地受人类活动的影像较大；4)耕地、林地、草地三类绿地的平均最近距离分别为63.06m、59.50m、58.61m,表明耕地斑块较分散，相互间干扰较少，林地、草地斑块相对较集中，相互间干扰的可能性较大；5) 从土地利用分类图可以看出城区内部特别是西塞山以上的长江沿岸是一片绿化低值区，而该地区居住人口较多，商业活动频繁，说明了黄石绿地分布与人口分布不够协调，绿地分布不够均匀，在人口聚集地区没能保证足够的绿地；6)黄石市绿地主要由东南部和西北部的黄荆山、峰烈山、马鞍山、大众山等外环自然山体构成，而生态内环仅有团城山等少量的小的自然山体，说明发展过程中对土地开发强度较大，城区内部自然绿地保留较少，主要集中在外围。

4 建议

1)在规划建设中将黄石市区的绿地系统作为一个有机整体，注重其系统内部结构的合理性，做到各种不同类型、不同功能的绿地合理分布。具体表现为构建包括沈下路、陈家湾低强度建设区和以大尺度开放空间为特征的团城山中心区在内的生态内环；保护好黄荆山、峰烈山、马鞍山、大众山等自然山体围合的生态外环。

2)针对西塞山以上长江沿线城市绿地分布较少现象，建议在旧城改造和城市更新过程中增加广场绿地、街头绿地等中小型绿地斑块，建设长江及沿岸开敞空间生态区。城市内部按其自然和经济社会条件建设公共绿地和公园，同时在规划和研究中注重绿地的服务半径，为城市创造良好的休闲、娱乐功能的绿地空间。

3)在西塞山区等工业区增加生产绿地，在工业区外围增加防护绿地，以改善自然生态环境和保护耕地。

4)注重草地、林地、耕地的绿化质量，将三种绿化类型合理分布。在规划建设中突出山体林地的轴线，强调城市与山脉、水域的自然联系，以及城市与自然的复合、融合。构建以海观山、磁湖、团城山、青龙山、东方山为主题的山水生态廊道。

本文以黄石市为例，探讨了基于景观生态学在城市绿地规划中的应用。通过遥感技术，利用LandsatETM+影像制作了黄石市土地利用分类图，提取了城市绿地信息并计算了8类景观指数。在评价黄石市绿地分布的过程中，运用景观生态学原理，进行了科学合理的评价，并对绿地系统规划提出了自己的建议。但本次研究中由于水平和时间有限，对绿地指标的获取不够，对绿化树种的选取未给出意见，这有待在今后的研究中进一步提高。

[1]福尔曼 R. 景观生态学[M]. 北京:科学技术出版社，1999.

[2]肖笃宁,高 峻,石铁矛.景观生态学在城市规范和管理中的应用[J].地球科学进展,2001,16(6):813～820.

[3]陈思源. 基于景观生态学的城市绿地系统规划研究——以南宁市为例[J].江西农业大学学报,2008:154～158.

[4]隋 艳.景观生态学在城市绿地系统规划中的运用[J].黑龙江科技信息,2009(8):69.

[5]张海龙，蒋建军.SAR与TM影像融合及在BP神经网络分类中的应用[J].测绘学报,2006,35(5):229～233.

[6]姚 静，武文波，康婷军.基于TM影像的城市绿地信息提取研究[J].测绘科学，2010,35(1):113～115.

[7]马雪梅，许国强，李希峰.基于TM影像的聊城地区植被信息的自动提取[J].聊城大学学报(自然科学版),2008,21(4):72～75.

[8]周延刚，郭达志.基于GIS的城市绿地景观空间结构研究——以宁波市为例[J].生态学报,2003,23(5):901～907.