基于移动窗口法的乌鲁木齐市建成区景观格局变化分析

阿娜古丽·麦麦提依明，阿里木江·卡斯木,2，买尔孜亚·吾买尔

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院, 830054，乌鲁木齐；2.新疆师范大学丝绸之路经济带城镇化发展研究中心, 830054，乌鲁木齐)

城市景观是当前城市景观格局研究中最受关注、最为重要的热点领域之一，更是作为地表景观动态变化中最快的一个类型[1]。在研究城市景观格局时，能够有效观测景观格局指数空间动态变化的方法之一就是移动窗口法，它将景观指数和相关环境因素紧密相连，更好地将城市的景观格局与其对应的社会、自然和经济过程相互联系[2]。

景观破碎化是指地表景观由于受到自然或人文因素的干扰和影响，从单一趋向复杂化的过程，即景观由简单、均质和连续的整体，向复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的发展变化过程[3-5]。在这一过程当中，自然因素的影响较小，而社会、经济活动却对景观格局产生十分重大的影响，逐渐成为影响景观破碎化的主导因素[6-7]。景观破碎化在不同程度上影响着城市景观的功能、结构及其相关的生态过程[8]。由于大城市边缘区景观格局存在较为明显的特征，因此，定量分析区域景观破碎化及其空间异质性，对大城市边缘区景观格局的作用机理进行深入、具体的探索，为该区域当前存在的生态问题提供准确的研究依据[9-10]。景观异质性主要是指景观内部资源或性状的时空变异程度，其产生的原因在于环境要素的时空差异，以及自然和人为因素的干扰作用在时空上的不均匀性，这对于研究一个城市景观结构、自然生态过程和社会经济活动的相互联系，有着至关重要的社会意义[11-14]。

伴随乌鲁木齐城市化的快速发展，城市布局问题和用地结构之间的矛盾日益尖锐，在此背景下，对城市景观格局进行深入研究，将会在一定程度上对乌鲁木齐城市土地利用的协调性和健康可持续的发展产生影响[15-18]。当前，利用景观格局指数来定量分析城市景观格局的研究相对较多，但是利用移动窗口法对乌鲁木齐城市景观的空间形式表达研究还较为少见；因此，笔者基于乌鲁木齐市1990、2002和2014年3期Landsat遥感影像，对其景观进行分类，采用移动窗口法，实现景观指数的空间化表达，进而分析乌鲁木齐市建成区的景观破碎化在时空上的分布规律及其变化特征，寻找该区域城市发展与其景观破碎化之间存在的对应关系，为乌鲁木齐市的景观管理与城市可持续发展提供科学、合理的参考依据。

1 研究区概况

乌鲁木齐市(E 86°37′～88°58′，N 42°45′～44°08′)，其处于中天山北麓，准噶尔盆地南缘，市区三面环山，地势呈现西北低、东南高的分布特征，兼具山地城市和平原城市的特点。平均海拔约为800 m，属于温带半干旱陆性气候，寒暑差异尤为显著，昼夜温差也较大，降水稀少，冬季寒冷漫长，并伴有逆温层出现[19]。 乌鲁木齐在区位、资源、政策和文化等方面占据着十分显著的优势；而面对着生态脆弱的自然环境，将给乌鲁木齐的城市发展带来前所未有的新机遇和巨大挑战[20-21]。

2 研究方法

2.1 数据来源与景观分类

首先研究所使用的Landsat 数据来源于美国地质勘探局网站(http://glovis.usgs.gov/)，由美国国家航空航天局(NASA)发射的 Landsat 陆地卫星携带的传感器所获取，选取1990 年10月18日、2002年10月18日的Landsat TM、ETM+图像和2014年10月11日的Landsat OLI遥感影像数据，轨道号142/30，数据质量较好(云量低于10%)，该产品经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且通过 DEM进行了地地形校正。其次，在遥感图像处理软件ENVI 5.0 的支持下，采用监督分类法进行分类，获得3个时期乌鲁木齐景观类型空间分布信息。一般在不同地理环境背景下，对城市景观的理解与分类有所不同。依据研究区的土地覆被的自然属性和建设规划的特点，将11个土地利用类型合并为建设用地、水体和未利用地等3个一级利用单元，以及草地、林地和耕地等3个二级利用单元(表1)。其中建设用地、林地、耕地、草地和水体等作为研究的主要景观类型。景观类型的总体分类精度分别达到89.54%、90.41%和91.27%，基本满足精度要求。

表1 乌鲁木齐市土地利用程度分级表Tab.1 Classification grades of land use in Urumqi city

2.2 景观格局指数选择

根据乌鲁木齐市在城市发展和环境因素等方面的特点，合理有效使用移动窗口法手段，对乌鲁木齐建成区景观破碎化的空间布局和内部水平差异进行深度的剖析[22]。移动窗口可以从空间上较明确的展现城市景观格局动态变化的空间实现过程，能够更加深入分析城市土地利用变化状况，以及由此而引起的城市格局演变。移动窗口方法主要是通过对窗口内选中的特征进行统计，输出对应所选景观指数的新栅格图。具体步骤为：1)对乌鲁木齐市土地利用现状矢量图进行缓冲区分析，缓冲区大小为500 m，其与移动窗口大小相等；2)将第1步骤操作后的的矢量图转换为栅格图层；3)对第2步骤后的栅格图层分别从景观水平和类型水平进行移动窗口分析，得到相应的景观指标栅格图。

结合景观生态学的相关理论和研究区的总体景观格局特征，选取斑块密度(PD，即单位面积的斑块数目，反映景观破碎程度)、最大斑块指数(LPI ，该数值决定景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征)、斑块个数(NP，即反映整个景观的异质性，NP数值的大小与景观的破碎度基本呈正相关)、景观分离度指数(DIV，指某一景观类型中不同斑块个体分布的分离程度)、Shannon 多样性指数(SHDI、SHEI，即反映景观组分类型的多度和异质性信息)、斑块类型面积(CA，该值的大小制约着聚居地物种的丰度、数量、食物链及其次生种的繁殖等)，以及景观面积(TA，是计算其他指标的基础，决定景观的范围，以及研究和分析的最大尺度)等指数，进行景观格局分析[23]。

3 结果与分析

3.1 乌鲁木齐市景观类型时空变化

研究分析区域内不同土地类型的景观格局分布和变化，并探究各景观类型的演变规律和特点，反映出该城市内整体景观格局变化的特点及规律[24]。由图1和表2可知：1990年乌鲁木齐市城市建设用地总面积约为67.15 km2，2014年城市建设用地面积有明显的增加趋势，其面积为295.91 km2；1990年研究区森林总面积为87.61 km2，2014年森林面积增加至179.81 km2；1990年研究区草地总面积为40.41 km2，2014年的面积增加为88.07 km2；乌鲁木齐市1990年的水域面积为5.67 km2，2014年水域面积增加为7.24 km2，但在城市总面积中仅占到0.47%。研究区1990年耕地总面积约为278.94 km2，到2014年耕地总面积则成持续减少的趋势，其面积仅为210.34 km2。

图1 1990、2002、2014年乌鲁木齐市建成区景观类型分布图Fig.1 Distribution map of landscape type in Urumqi city in 1990, 2002, and 2014

用地类型Landusetype199020022014面积Area/km2比例Proportion/%面积Area/km2比例Proportion/%面积Area/km2比例Proportion/%建设用地Constructionland67.154.36171.1711.11295.9119.19草地Grassland40.412.6222.781.4888.075.714林地Forestland87.615.6890.845.89179.8111.67耕地Farmland278.9418.1269.1317.46210.3413.65水域Water5.670.377.090.467.240.47未利用地Unusedland1061.4868.87980.2563.61759.8949.30

基于ArcGIS软件，获得乌鲁木齐市建成区1990—2002 年与2002—2014年2个时段的景观类型转化图(图2)。由图2可知，近25年研究区景观类型的变化，主要体现在景观面积和各景观类型2者之间的相互转换上，并且有着较为显著的空间变化和在时间上的阶段性。在1990—2002年期间，乌鲁木齐建成区中的景观类型变化是以耕地、未利用地和建设用地的显著变化为主要来源。其中：土地利用类型中耕地面积的减少，主要分布在城市的边缘地带；建设用地的快速扩张，主要体现在对未利用地的开发和耕地的占用。而在2002—2014 年期间，各景观类型变化主要来源于城市中耕地、建设用地和未利用地三者之间的相互转换和增减状况。

图2 乌鲁木齐市建成区景观类型转移空间分布图Fig.2 Spatial transitional map of landscape types in Urumqi city

3.2 乌鲁木齐市景观格局指数变化分析

从表3可知：1990—2014年间乌鲁木齐市景观格局发生了明显变化。1990—2002年间NP逐渐增加，由1万8 320个增加为3万1 968个；PD在增加，由11.886 3个/km2增加到20.741 4 个/km2；LPI显著减少，由66.428 2%减少为58.345 9%；SHDI在增加，由0.981 8增加到1.090 6；SHEI增加量较少，由0.548 0增加到0.608 7；DIV显著增加，由0.547 2增加到0.634 8。由此说明乌鲁木齐市在城市化进程和发展中，人类活动这一因素的影响干扰较为强烈，景观破碎化程度呈现不断增强的发展趋势，优势度则有所降低，而异质性会随之呈持续增强状态 。在2002—2014年间，NP持续增加，由31 968个增加为53 103个；PD也是继续增加，由20.741 4个/km2增加到34.454 0个/km2；LPI大幅度减少，由58.345 9%减少到31.242 8%；SHDI大幅度增大，由1.090 6增加到1.376 7；SHEI明显增加，由0.608 7增加到0.768 4；DIV大幅度增加，由0.634 8增加到0.863 5。说明乌鲁木齐城市化进程不断加快速度，景观破碎化程度不断增强，优势度呈现降低趋势，异质性也随之增强。2002—2014年间各指标的变化幅度均大于1990—2002年；因此，2002—2014年间城市化进程更快，人类活动这一因素的影响较为强烈，景观破碎化程度进一步加剧，景观类型朝着多样化的方向发展。

表3 乌鲁木齐市建成区景观格局指标动态变化Tab.3 Dynamic changes of landscape metrics in Urumqi city

注：TA：景观面积；NP：斑块个数；PD：斑块密度；LPI：最大斑块指数；DIV：景观分裂指数；SHDI：香农多样性指数；SHEI：香农均匀度指数. 以下类同。Notes：TA：Total area. NP：Number of patches. PD：Patch density. LPI： Largest patch index. DIV：Division index. SHDI： Shannon’s diversity index. SHEI：Shannon’s evenness index. The same below.

3.3 乌鲁木齐市景观破碎化的分布特征分析

从图3可知：乌鲁木齐城市景观指数表现出一定的规律性。1990年，NP和PD的高值出现在人类活动影响强烈的城市和郊区的交错地带；LPI高值出现在城市东南部和西南部，因为这些区域是未利用集中的主要区域；DIV、SHDI和SHEI的高值都分布在土地利用类型多样的城市和郊区的交错地带，以及城市建城区。2002年，NP和PD的高值还是出现在城市和郊区的交错地带，不过与1990年相比，出现的区域值大小都不一样，2002年的NP和PD高值分布区域逐渐向外移动，表明城市建城区已经向外扩张，建城区面积增大；LPI高值出现在城市东南部和西南部，因为这些区域是未利用主要集中的区域；DIV、SHDI和SHEI的高值都分布于交错地带，与1990年相比，指数值有所增加，说明人类活动的影响进一步增强；NP、PD、LPI、DIV、SHDI和SHEI指数表现出逐渐增大的趋势，而且在交错地带出现高值。LPI值逐渐减少，出现的区域也逐渐缩小，说明城市向外扩展，城市边缘区域破碎化程度和异质性增大，人类活动的影响逐渐增强。2002年乌鲁木齐建成区向外扩展速度有显著加快的发展趋势，城市化水平有了进一步的提高。

2014年，NP和PD高值比较集中的出现在城市建城区内部，说明此区域受到人类活动的影响较强烈，城市内部区域破碎化程度增大，是因为城市处于内部填充式发展阶段；LPI高值仍然出现城市东南部和西南部，但是范围和极值减小，说明城市中的未利用地被进一步的开发和利用，由此建成区出现不断地向外扩张趋势；DIV、SHDI、SHEI高值出现在建城区，与2002年相比，范围和值都增大，说明景观破碎化程度和异质性进一步增大；NP、PD、LPI、DIV、SHDI和SHEI在城市内部呈现出逐渐增大的趋势，而且向郊区移动，在城市内部和城市郊外交错带出现高值；LPI指数范围和极值减小，说明建设用地面积增加，乌鲁木齐建成区、边缘区破碎化程度呈现持续增大趋势，人类活动影响不断增强。2014年乌鲁木齐建成区向外迅速扩展，城市化水平有所提高，城市处于高速发展的时期。

4 结论

笔者利用景观生态学的相关理论，对乌鲁木齐市建成区1990—2014年城市景观格局的分布与演变，进行定量分析和探究，由此得出以下结论。

1)在1990—2014年期间，乌鲁木齐城市中未利用地和建设用地2种景观类型的变化速率最快，其面积变化最为显著。这反映出在近25年期间，乌鲁木齐市在不断发展的同时，城市化进程也在不断加快，尤为显著的是在2002—2014年期间，建设用地面积呈现急剧增加的发展趋势。

图3 1990—2014年乌鲁木齐市建成区景观指数密度空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of landscape metrics density in Urumqi city during 1990—2014

2)乌鲁木齐城市化进程不断加快，景观破碎化程度进一步增强，优势度有所降低，异质性呈现增强趋势。2002—2014年间的变化幅度均大于1990—2002年，可以得出，2002—2014年间城市化进程更快，人类活动这一影响因素对其产生的影响作用更为强烈和显著，景观破碎化程度在呈现不断加剧的趋势，景观类型向着多样化的方向不断发展。

3) 1990年这一时期，城市内部破碎化程度和异质性都比较低，城市正处于发展阶段，城市化水平较低。在2002年这一时期，乌鲁木齐城市向外扩展的速度呈现显著的增大趋势，城市化水平进一步的提高。而在2014年这一时期，乌鲁木齐城市向外扩展的速度依然不断增加，城市化水平较之前有所提高，城市正处在高速发展时期。

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