郑州市域不同地形位上城乡景观格局动态变化

穆 博，李华威，姚恩民，何瑞珍，田国行

(1. 河南农业大学林学院，河南 郑州 450002; 2. 河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002)

郑州市域不同地形位上城乡景观格局动态变化

穆 博1,2，李华威1，姚恩民1，何瑞珍1，田国行1

(1. 河南农业大学林学院，河南 郑州 450002; 2. 河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002)

以郑州市域为研究范围，通过ArcGIS 10.2和ENVI 5.0等遥感软件，对1992、2000、2004、2009和2013年的Landsat TM遥感影像和DEM高程影像进行解译，获取郑州市域城乡景观空间分布和地形高程数字化信息，并通过GIS空间分析和Fragstats 4.2软件，分析过去20年间郑州市域城乡景观格局在不同地形区位上的时空演变特征。结果表明，平原黄泛沙区(海拔6.0～135.2 m)和丘陵黄土沟壑区(海拔135.2～315.4 m)分别占研究区域总面积的50%和24%，是城市、农田和水体空间的主要分布区域，也是人类活动的主要集聚区；浅山区(海拔315.4～495.6 m)和深山区(海拔495.6～1 459 m)分别占研究区域总面积的19%和7%，是绿地空间的主要分布区，也是风景名胜区集聚区和生态环境保护的重要区域。

景观格局；地形位；动态变化；郑州

城乡景观格局是在一定地域范围内对景观空间结构和景观组分的空间分布特征的表征。随着城市空间规模的不断扩张，研究学者对城乡景观格局变化的研究已经从微观和中观层面扩展到宏观区域层面。而且在遥感科学和景观生态学的支持下，国内外学者对城市化过程中景观格局的时空动态变化规律和过程进行了大量的研究[1-2]，主要包括景观格局的时空动态变化[3-4]及其对生态环境和气候的影响[5-8]；景观格局时空演变的驱动要素和动力机制等[9-10]。但这些研究主要集中在人类活动和城市扩张对景观格局的影响过程等方面[3, 11]，而对景观格局发展具有决定性和限制性作用的物理环境要素(地形、气候、水文、土壤等)研究相对较少[12]。地形作为城乡景观格局的重要空间载体，对地表物质的迁移与能量的转换有着重要影响[13]，不仅为景观格局的形成提供基础条件，其空间特征也影响着景观格局的演变过程[14]，特别是在人为活动占优势的景观中，地形条件对宏观尺度景观空间格局的形成尤为重要[15]。郑州既是河南省的省会，又是中原经济区的核心城市，其快速城市化进程开始于1992年。过去20多年间，在一系列规划政策的推动下，城乡景观格局发生了巨

大的变化。郑州市域整体地形地貌为西高东低，由西南向东北倾斜，呈阶梯状下降，从山区、丘陵过渡到平原，分界明显。本研究从不同地形位梯度的视角出发，借助遥感影像和景观生态学理论，对郑州市域的基础物理背景和城乡景观格局的演变特征进行定量化研究，为未来城乡景观空间规划和山水田林城融合发展一体化城市建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区域概况

郑州地处中原，位于中国的中北部(112°42′E～114°14′E, 34°16′N～34°58′N)，伏牛山脉东北翼向黄淮平原过渡地带，横跨中国第二级和第三级地貌台阶，既是河南省的省会，中国八大古都之一，又是中原经济区(CPER)的核心城市，西依嵩山，北拥黄河，地理位置优势显著，南北京广、京哈通道和东西新欧亚大陆桥中段在此交汇，并在《全国流通节点城市布局规划(2015—2020年)》中被定位为国家级流通节点城市，是中国的综合交通枢纽(图1)。自改革开放以后，郑州和其他城市一样，进入快速城市化阶段，据郑州市统计局统计数据显示，1978—2013，郑州市城镇化率由32.4%增加至67.1%，增加了2倍多，城乡景观格局也发生了巨大的变化。本研究区域总面积7 446.2 km2，按照传统的行政区划，由郑州市、新郑市、荥阳市、巩义市、登封市、新密市和中牟县组成，其中郑州市主城区总面积1 010.3 km2，包括二七区、金水区、管城区、中原区和惠济区，隶属于郑州市的上街区位于荥阳市西侧，故不在郑州市主城区内(图2)。

图1 郑州在全国的地理位置Fig. 1 The geographical location of Zhengzhou in China

图2 郑州行政区划图Fig. 2 Administrative district map of Zhengzhou

1.2研究方法

1.2.1 数据来源与处理 研究所用多光谱Landsat 5/Landsat 8遥感影像(精度:30 m；path124, row 36, level 1T product)和DEM高程影像(精度：30 m)从美国USGS网站(http://www.usgs.gov/)和中国科学院计算机网络信息中心(http://www.gscloud.cn)免费获得。为了避免季节差异，所有遥感影像均选自夏季(2000-05-31，2004-06-11，2009-06-25，2013-06-04)，仅1992年(1992-10-16)除外。在影像解译过程中，所有影像均采用世界1984_UTM_49N坐标系。影像的预处理包括利用ArcGIS 10.2对获取的影像进行几何校正(误差小于0.5个像元)、大气校正、辐射校正和裁切。影像的解译采用最大似然监督分类和目视解译相结合的方法进行分类，并在ENVI 5.0中对分类结果进行分类后处理(包括Majority/Minority Analysis、Clump Classes和Combine Classes几个步骤)。最后，选取300个点通过混淆矩阵对分类结果进行分类精度验证，整体精度均达到97%以上。在数据处理过程中，地形图(1:250 000)、行政区划图、城市总体规划图和Google地图均用于遥感影像的辅助解译。

1.2.2 城乡景观空间分类 根据区域景观特征和本研究内容需求，城乡景观空间共分为城市空间(包括建设用地、施工场地)、绿地空间(包括城市绿地、乡村林地和草地)、农田空间(包括耕地、果园和菜园)、水空间(包括河流、湖泊水库和坑塘)和其他空间(荒地、滩涂地和裸露地)5大类(表1)。

表1 城乡景观空间分类Table 1 The classification of urban-rural landscape space

续表 ContinuingTable

1.2.3 地形高程的计算和分级 基于ArcGIS10.2对DEM高程影像进行拼接和分类处理，依据郑州市域总体地形地貌特征，全市共划分为平原黄泛沙区、丘陵黄土沟壑区、浅山区和深山区4个地形区域(图3)，其高程等级、面积和所占比例如表2所示。

图3 郑州市域地形高程分类图Fig.3 The topographic features classification map of Zhengzhou

地形分区Topographicgradient高程/mHeight面积/km2Area占比/%Percentage平原黄泛沙区Yellowsandplainregion6.0～135.23764.450丘陵黄土沟壑区Loesshilly-gullyregion135.2～315.41806.624浅山区Lowmountainregion315.4～495.61426.119深山区Highmountainregion495.6～1459521.17

1.2.4 景观分布指数的计算 景观分布指数能够定量化分析各类景观在不同地形区位上的分布特征，并不受地形位面积和景观面积的影响[16]。景观分布指数越大，说明该景观类型的分布权重越高[14]。

其计算公式为：P= (Sti/Si) / (St/S)(1)，

式中：Sti为某一地形位上景观i的面积;Si为研究区域景观i的总面积;St为该地形位总面积;S为研究区域总面积)。

1.2.5 景观格局指数的计算 在Fragstats 4.2中，本研究共选取9个景观格局指数(表3)，分别从景观和斑块类型水平上，来计算和定量化分析不同地形区位下城乡景观格局的演变过程，包括斑块密度(PD)、边界密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、面积加权分形维数(FRAC_AM)、面积加权形状指数(SHAPE_AM)、聚合度指数(AI)、分离度指数(SPLIT)和内聚度指数(COHESION)。

表3 景观格局指数的简述与计算公式Table 3 The brief description of landscape metrics and their computational formula

2 结果与分析

2.1不同地形区位上城乡景观空间总量的动态变化

由图4可以看出，1992—2013年，在每一地形位上城市空间均快速增加，农田空间先增加后急剧减少，绿地空间则先急剧减少后快速增加；且随着地形位的升高(平原区到深山区)，城市空间和农田空间总量逐渐减少，绿地空间总量变化不大。农田空间为平原丘陵区的优势景观，但随时间变化却呈明显下降趋势，其中,平原区农田空间年均减少量最多，达50.64 km2·a-1，而建设用地年均增量最多，达42.83 km2·a-1，说明该地形位上城市空间的增长主要以牺牲农田空间为主。浅山区是优势景观从农田向绿地过渡的区域。绿地空间为深山区的优势景观，且2000年之后，在丘陵区和浅山区的增量最大，说明新增绿地空间主要集中在丘陵区和浅山区，这与2000年以来当地政府在郑州市周边以及西南象限大面积植树造林密切相关，其中1999年的退耕还林政策，2003年的郑州市森林生态城建设和2013年的郑州都市区森林公园体系规划起到非常重要的作用。

2.2城乡景观空间分布特征

由表4可知，城市空间，农田空间和水体景观的分布指数随地形位的升高逐渐降低，而绿地空间则逐渐增加，且2000年之后在深山区的分布指数快速下降，并有向浅山区和丘陵区扩张的趋势。农田空间面临着来自城市空间和绿地空间发展的双重压力。城市空间与农田空间立地条件的相似性也是导致其容易遭受城市空间侵蚀的重要原因。绿地空间则因其立地条件的广泛性，呈现出在城市周边伴随城市空间耦合性增长的趋势。其他用地(滩涂地、荒地和其他未利用土地)则主要分布在平原区黄河流域，但在2009年的浅山区和2013年的深山区也分布有较多的其他用地，这可能与山体开发导致的裸露地增加有关。

图4 不同地形梯度上各类景观面积的变化趋势Fig. 4 Trends of landscape area in different topographic gradient space

年份Year地形 Topograph 建设用地Built-upland施工场地Constructionsite绿地Greenspace农田Agriculturalspace水体Water其他用地Other1992平原区Yellowsandplainregion1.421.460.471.151.731.71丘陵区Loesshilly-gullyregion0.850.750.911.080.390.05浅山区Lowmountainregion0.440.421.750.780.180.44深山区Highmountainregion0.030.113.130.270.040.622000平原区Yellowsandplainregion1.161.010.401.051.801.77丘陵区Loesshilly-gullyregion1.111.110.431.110.330.07浅山区Lowmountainregion0.731.101.540.970.090.44深山区Highmountainregion0.180.305.810.310.010.172004平原区Yellowsandplainregion1.181.290.521.051.731.88丘陵区Loesshilly-gullyregion1.171.030.711.080.380.10浅山区Lowmountainregion0.640.531.500.990.190.10深山区Highmountainregion0.100.114.090.380.020.152009平原区Yellowsandplainregion1.201.370.561.031.831.40丘陵区Loesshilly-gullyregion1.140.880.761.080.270.39浅山区Lowmountainregion0.620.511.361.060.070.93深山区Highmountainregion0.100.084.060.360.010.382013平原区Yellowsandplainregion1.241.440.471.171.751.34丘陵区Loesshilly-gullyregion1.050.781.090.970.370.20浅山区Lowmountainregion0.630.471.600.850.161.16深山区Highmountainregion0.120.072.890.240.020.80

2.3不同地形区位上城乡景观格局的动态变化

2.3.1 景观水平上景观格局动态变化 如图5所示，景观水平上，郑州市域城乡景观的斑块密度(PD)和边界密度(ED)随地形位的升高而逐渐降低，随时间的推移逐渐增加，说明1992—2013年，城乡景观破碎度不断加剧，且在平原区景观破碎程度最高(PD,ED)；最大斑块指数(LPI)随地形位的降低而逐渐减小(LPI)，反映了平原区人类干扰程度较大，斑块破碎度较大；景观形状指数的变化趋势与斑块密度和边界密度相似，且在平原区景观形状指数最大，说明平原区的景观形状复杂程度最高(LSI)；面积加权的平均形状指数(SHAPE_AM)随时间和地形梯度的变化趋势则反映了从1992—2013年平原区景观斑块形状由复杂到单一再趋向复杂的变化过程，丘陵区和浅山区变化趋势较为平缓，深山区景观斑块形状最为简单，且在时间梯度上几乎没有变化(SHAPE_AM)；面积加权的平均斑块分形维数(FRAC_AM)在丘陵区最高，其次为浅山区和平原区，深山区最低且随时间变化幅度最小，说明丘陵区的景观边界形状复杂程度最高(FRAC_AM)；内聚度指数(COHESION)和聚集度指数(AI)在深山区最大，且2000年之后，在平原区，丘陵区和浅山区其值大幅度下降，说明在地形位较高的深山区景观的聚集度较高，而在地形位较低容易受到人类干扰的区域，景观的聚集度较低，且受人类干扰强度较大(COHESION和AI)；分离度指数的变化趋势也反映了在平原区、丘陵区和浅山区随时间的变化景观的离散分布和蔓延态势明显增强，尤其是平原区，受快速城市化的影响，如新城建设，公路和铁路的扩建和延伸等，景观离散度和分离度最高(SPLIT)；

图5 不同地形位上景观水平上景观格局指数的动态变化Fig. 5 The dynamic changes of landscape pattern at landscape level and different topographic spaces

2.3.2 斑块类型水平上景观格局动态变化 以建设用地、绿地和农田这3大景观类型为研究对象，选取斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)，面积加权的斑块形状指数(SHAPE_AM)和聚集度指数(AI)来分析不同地形区位上3大景观之间的博弈过程和变化规律。

如图6所示，每个地形位上，随时间的推移，3大景观的破碎度均在增加，同时建设用地和绿地景观随地形位的升高其破碎度逐渐降低，农田则在浅山区斑块密度最大，景观破碎度最大(图6，PD)；建设用地的景观优势度随时间快速增加，随地形位的升高而下降，其在平原区的最大斑块指数从1992年的0.9增加到2013年的6.2，扩大了将近7倍；绿地景观的优势度随时间变化迂回上升，随地形位升高而增强，并在深山区的景观优势度最大；农田景观的优势度则随时间和地形均呈现明显的下降趋势，且在平原区于2009年后与建设用地的优势度基本持衡(图6，LPI)。

图6 不同地形位上3大景观格局的动态变化Fig.6 Dynamic changes of urban, green and agricultural landscape at different topographic spaces

从平原区到深山区，建设用地景观和农业景观的平均斑块形状指数(SHAPE_AM)均呈降低的变化趋势，表明了建设用地和农业景观斑块形状随地形位的升高由复杂到简单的变化过程；绿地景观的斑块形状则是由简单到复杂。且随着时间的变化，每个地形区位上的建设用地和绿地景观均呈现复杂化的趋势，仅有农业景观斑块形状呈现简单化的趋势。

建设用地景观在每一地形位上的聚集度随时间的变化均呈现增加的趋势，绿地景观在2000年之后亦有相同的变化趋势；而农业景观则和建设用地景观、绿地景观呈相反的变化趋势。从平原区到深山区，建设用地景观和农业景观的聚集度在逐渐降低，绿地景观则刚好呈相反的趋势。因此，建设用地和农田景观在平原区的聚集度最高，绿地景观则在深山区的聚集度最高。

3 结论与讨论

城乡景观格局的动态监测和量化对未来进行更科学合理的城乡景观空间规划具有非常重要的意义。本研究以郑州市域为研究范围，运用遥感科学和景观生态学相关技术和理论，对城乡景观格局的动态变化，及其与地形位特征的关系进行了定量化的分析。研究结果显示,城市空间、农田空间和水体空间主要分布在平原黄泛沙区和丘陵黄土沟壑区；绿地空间主要分布在浅山区和深山区，同时，这两个区域也是风景名胜集聚区和生态环境保护的重要区域。1992—2013年，每一地形位上的城市空间总量、景观破碎度、优势度、斑块形状复杂程度和聚集度均快速增加，且在平原区增加幅度最大；农田空间总量则随时间和地形位均呈减少的变化趋势，且其景观破碎度也在不断加剧，景观优势度，聚集度和斑块形状复杂程度均快速下降，且在平原区由于其与城市空间分布区域的相似性，受快速城市扩张的影响，农田空间总量和格局指数下降幅度最大；绿地空间则在2000年之后由于一系列绿化政策的实施和保护，在城市边缘的浅山区和丘陵区增加最多，在深山区由于人为干扰程度最低，景观格局最稳定，聚集度最高。

根据以上城乡景观格局动态变化及分布特征的量化研究，基于目前快速城市化带来的一系列生态环境[17-18]和粮食安全问题[19]，在未来城乡景观空间的发展和规划过程中，城市空间的发展与建设不应该受建设成本的禁锢而一味地向平原地区发展，而应该更多的考虑其建成后的景观效果和管理成本，因地制宜，依形就势向浅山丘陵地区发展。因为“城市占用耕地，耕地开垦荒地”的恶性循环只会浪费更多的金钱和土地资源，造成平原地区优质农田的大量流失，从而导致土地资源未能高效利用、城市空间缺乏特色等现象。而且随着人口、资源与环境之间矛盾的日益激化，许多学者已经对城与山的关系[20]、山地城市的选址、规划与建设，以及山地城市景观营造等方面进行研究[21]，山地城市拥有丰富多样的空间形态和景观界面，山地城市的建造和规避生态风险的理论和技术也已经不再是难以攻克的难题。黄光宇[22]还提出了6条山地城市生态化发展与规划的基本原则和发展理念，总结了多种山地城市空间结构模型，肯定了山地生态城市建设的前景。因此，未来城市空间的发展方向应该由人口密集的平原地区向环境优越而建设条件复杂的山地丘陵过渡，积极保护合理利用生态用地，释放更多的优质生产用地，从而实现资源高效利用、生态经济协同发展的局面。

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(责任编辑：李 莹)

Dynamicchangesofurban-rurallandscapespatialpatternindifferenttopographicfeaturesinZhengzhouCity

MU Bo1,2, LI Huawei1, YAO Enmin1, HE Ruizhen1, TIAN Guohang1

(1. College of Foresty, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In this study, we focused on the dynamic changes of urban-rural landscape pattern of Zhengzhou in different topographic gradients. Five multi-spectral Landsat TM images (1992,2000,2004,2009,2013) and three DEM images were used to get the information of landscape pattern and topographic characteristics using the remote sensing software of ArcGIS 10.2 and ENVI 5.0. Fragstats 4.2 was also used to calculate the landscape metrics. The results indicated that urban space, agricultural space and water space were mainly located in the plains regions and hilly regions,and green space was mainly concentrated in the low and high mountain regions. In the high mountain regions, there were less human disturbance and stabilized landscape patterns, while it was opposite in the other three regions. Especially in the plain regions, there were the highest urbanization levels, dramatic landscape changes and fragmented landscape pattern. And due to the similar site condition of built-up land and agricultural land, a mass of good agricultural lands were occupied by the urban space in the plain region. Large and high connected green spaces were mainly concentrate in the high mountain region, while small and fragmented green spaces were distributed in the plain region. Therefore, in the future urban-rural landscape planning and development process, we should focus on the protection of high quality agricultural land in the plain region, the connection of green space, and the suitable location of urban space (e.g. hilly and mountain region), and avoid the phenomenon of “urban space occupying agricultural land, agricultural land reclaiming barren land”, to realize the urban transition, efficiency and intensive of resources, ecological and cooperation development.

landscape pattern; topographic features; dynamic changes; Zhengzhou

2016-03-14

国家自然科学基金(31470029)；河南省科技厅产学研基金项目(14107000101)；河南省交通厅重点科技攻关项目(2015J02)；河南省国际人才合作项目(2015GH19);河南省交通厅科研项目(2013J49)

穆 博(1986 -)，女，河南南阳人，博士，主要从事风景园林规划与设计方面的研究。

田国行(1964 -)，男，河南封丘人，教授，博士研究生导师。

1000-2340(2016)06-0789-10

TU 986

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