基于GIS和Fragstats的城市绿地景观格局动态变化研究

其格乐很 何秉宇 黄玲

摘要 選取乌鲁木齐市中心城区（天山区、沙依巴克区、水磨沟区、高新区）为研究靶区，以2008、2013、2017年的Landsat遥感影像为数据源，运用Envi、ArcGIS以及Fragstats景观格局分析软件，对2008—2017年研究区生态类型格局面积变化及转移矩阵进行分析，并选取7个景观特征指标，即绿地斑块面积、斑块个数、斑块密度、平均斑块面积、斑块形状指数、斑块类型占景观面积比例、斑块聚集度，进行了定性与定量分析。结果表明：城市绿地景观转入量主要来自裸地及农田，绿地面积从2008年的90.38 km2增加至113.34 km2，2017年绿地面积相较2013年增加了22.96 km2，面积所占比例增加了2百分点。研究区绿地景观破碎化程度总体呈上升趋势，其中高新区绿地面积较小，斑块个数最多，斑块密度最大，破碎化程度最高，绿地生态功能较弱。绿地斑块形状及绿地景观结构的复杂性总体呈现增加的趋势，城市绿地景观受人类活动影响明显，其中因水磨沟区部分山区绿地景观连通性较强、破碎度小，城市绿地聚集度最大。针对这些问题提出绿地优化建议，为研究区城市绿地景观优化及生态环境的改善提供参考，同时为乌鲁木齐市创建“国家生态园林城市”这一目标提供一定理论依据与决策支持。

关键词 GIS;城市绿地;景观格局;景观破碎化;乌鲁木齐市

中图分类号 TU985文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）15-0072-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.021

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract Taking Tianshan District，Saybagh District，Shuimogou District and Gaoxin District of Urumqi City as the research objects，with all data based on Landsat remote sensing images of 2008，2013 and 2017，using Envi，ArcGIS and Fragstats landscape pattern analysis software，this paper analyzed the change and transfer matrix of landscape pattern area of the study area from 2008 to 2017，and selected seven landscape characteristic indicators，namely green patch area，patch number，patch density，average patch area，patch shape index，proportion of patch type to landscape area and patch aggregation degree.The results showed that the amount of green space landscape transfer mainly comes from unused land and farmland.The area of green space has increased from 90.38 km2 to 113.34 km2.Compared with 2013，the area of green space increased by 22.96 km2 in 2017，and the proportion of green space increased by 2 percent points.The fragmentation degree of green space landscape in the study area is generally on the rise.The green space area in the new urban area is smaller，the number of patches is the largest，the density of patches is the largest，the degree of fragmentation is the highest，and the ecological function is weak.The complexity of patch shape and landscape structure of green space shows an increasing trend.Urban green space landscape is obviously disturbed by human activities.Because of the strong connectivity and small fragmentation of landscape in some areas of Shuimogou District，urban green space aggregation is the largest.In this study，the green space optimization suggestions were put forward to provide reference for urban green space landscape optimization and ecological environment improvement in the study area.At the same time，it also provided some theoretical basis and decision support for the goal of establishing “National Ecological Garden City” in Urumqi.

Key words GIS;Urban green space;Landscape pattern;Landscape fragmentation;Urumqi City

作者简介 其格乐很（1995—），女，内蒙古鄂尔多斯人，硕士研究生，研究方向：区域污染控制与环境影响评价。*通信作者，副教授，从事区域污染控制与环境影响评价研究。

收稿日期 2019-02-13

城市绿地是城市规划区范围内，以植被形态存在的最易被城市居民感知的自然元素，也是衡量城市居民生活环境质量的重要标准之一，其布局的合理与否也直接影响着城市生态效益、社会效益、经济效益以及城市的可持续发展[1-3]。我国城市绿地系统的研究起步于20世纪50年代，以借鉴前苏联的理论与经验为基础，城镇化发展虽快，城市绿化发展却较为缓慢。1992年国务院颁布《城市绿化条例》，同年，国家建设部发起《国家生态园林城市》创建活动。2002年建设部颁布《城市绿地分类标准》。3S技术在此期间开始广泛应用于城市绿地研究中。2010年建设部颁布了《城市园林绿化评价标准》。2017年国务院对《城市绿化条例》进行修订。我国城市绿地系统建设从借鉴前苏联经验的摸索阶段逐步迈向正规化标准化的快速发展阶段[4-5]。

城市绿地景观格局方面的研究，从早期的基于绿地普查数据报告的研究到如今较为常见的运用3S技术，诸如进行NDVI波段合成、目视解译等多种遥感地理信息技术的普及，以及针对景观格局研究中普遍运用的，如Patch Analyst、Fragstas等景观分析软件的运用，使得城市绿地景观格局方面的研究在不断革新的同时也在不断发展新的方法及技术[6-10]。对于城市景观格局的研究，如哈孜亚·包浪提将[11]对城市景观格局动态变化以及驱动力进行研究;冯珊珊等[12]对粤港澳区的不透水面进行景观生态学分析研究。对于城市绿地景观的研究，如刘亚文等[13]运用3S技术对吐鲁番高昌区近27年的绿洲空间变化特征及驱动力进行研究;高鹏[14]基于ArcGIS遥感影像解译建立城市绿地信息系统，对城市生态可持续发展提出建议;周亚东等[15]基于GIS和Fragstats技术对森林景观格局破碎化程度及城市建设扩张模式进行研究分析;刘凌霄[16]基于景观格局指数对城镇景观格局规划以及优化提出建议及理论依据。

新疆是“丝绸之路经济带”核心区，乌鲁木齐市是新疆的首府城市，是“核心区”的核心，承担着“一带一路”倡议落实的巨大责任。随着经济迅猛发展，城市化进程不断加快，乌鲁木齐城市景观结构及绿地系统空间格局发生了巨大的变化。该研究运用地理信息技术以及景观生态学原理，研究乌鲁木齐市中心城区（天山区、沙依巴克区、水磨沟区、高新区）近10年绿地景观格局变化及趋势，为乌鲁木齐市绿地系统布局优化，生态文明建设提供科学的参考依据。

1 研究区概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

乌鲁木齐地处中国西北部的天山中段北麓、准噶尔盆地南缘。乌鲁木齐市是世界上距离海洋最远的大型内陆绿洲城市，地形三面环山，东南高西北低，城市呈现出东西较窄、南北狭长的分布。全市面积为14 216.3 km2，辖7区1县，常住人口数量为2 444.67万。该研究选取乌鲁木齐市中心城区（天山区、沙依巴克区、水磨沟区、高新区）作为研究区。

1.2 数据来源与预处理 选用2008 年Landsat 5 和 2013 年、2017年Landsat 8遥感影像数据，均从美国 USGS 网站和地理空间数据云网站获取，影像精度为30 m，研究区无云，图像质量较好。为避免季节变化引起的差异，影像均选自植被覆盖良好的7月及8月。

1.3 研究方法

1.3.1 数据处理。

在ArcGIS 10.2中采用世界1984_UTM_49N坐標系，对3期的影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、图像融合等预处理。OLI_TIRS影像经过与全彩色波段进行图像融合，合成15 m分辨率的影像数据，利用Envi 5.3监督分类法及目视解译法，依据我国土地利用现状分类系统，分别提取绿地、建设用地、农田、水域、裸地5个景观生态类型进行研究分析。在ENVI classic中通过confusion matrix工具对3期影像的分类结果进行精度验证，Kappa系数均为0.9以上。

1.3.2 数据处理方法。

（1）城市景观生态类型转换矩阵。城市景观生态类型转换矩阵可较为全面的反映研究区域内，各城市景观之间的转换方向及转换数量，能较好的表现城市景观格局的时空演化过程。数学模型如下：

利用ArcMap 10.2.2中空间叠加运算的方法对监督分类好的3期遥感影像进行叠加运算，求出3个时间点期间的城市生态类型转移矩阵。

（2）绿地景观指数提取及计算方法。

景观格局指数能够量化的表征景观空间结构特征的同时，也是衡量景观随时间变化的重要指标。绿地景观格局变化的定量分析可以从景观指数变化上来反映。将ArcMap 10.2.2中进行图像处理后的景观生态类型矢量数据转化为栅格数据，利用景观格局分析软件Fragstats 4.2计算景观格局指数。该研究遵循因地制宜的原则，结合各景观指标的表征作用，选取了斑块个数（NP）、斑块类型面积（CA）、斑块密度（PD）、平均斑块面积（MPS）、斑块形状指数（LSI）、斑块类型占景观面积比例（PLAND）、斑块聚集度（AI）等7个景观指标。

2 结果与分析

2.1 景观构成及其变化特征

通过解译遥感影像，对2008—2017年乌鲁木齐市中心城区景观生态类型分布情况进行提取，并对其动态变化进行分析。

2.1.1 生态类型面积及比例变化。对影像进行解译、分类及分类后处理，获得各景观生态类型面积及比例变化如图2和表4。近10年，乌鲁木齐市4个城区生态类型有较大变化，主要表现为建设用地向四周不断扩张，城市绿地逐渐增加，农田景观急剧减少，裸地面积呈现先增加后减少的趋势。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）社会经济及城市化进程加速增长是影响城市景观格局变化的主要因素。据2008—2017年乌鲁木齐统计年鉴可知，乌鲁木齐市GDP（生产总值）从2008年的1 020亿元到2017年的2 700亿元，生产总值实现成倍式的增长，乌鲁木齐市中心城区（天山区、沙依巴克区、水磨沟区、高新区）建成区也呈现增长趋势，2008—2017年，天山区建成区面积从32.79 km2增至65.46 km2;沙依巴克区建成区面积从29 km2增至53.3 km2;水磨沟区建成区面积从32.79 km2增至63 km2;新市区建成区面积为42 km2。10年来，社会经济快速发展和城市化进程的加快，直接引起了城市各类景观生态格局的剧烈转变。

（2）城市建设用地面积在10年间增加了119.64 km2，而景观生态类型占比面积由2008年的19.3%转变为2017年的29.6%，这表明，社会经济快速发展，使得城市不断向外扩张，城市化进程加快的势头愈加剧烈。

（3）2008—2017年绿地景观生态类型占比仅从原先的7.8%增加至9.8%，但绿地景观面积面积有所增加，2017年绿地景观面积为113.34 km2，在10年间增加了22.96 km2。城市绿地景观面积占比较小，绿地大部分集中在建成区，而城郊区绿地覆盖率较少，使得对其生态功能评价不能仅从行政区划范围内面积占比作为参考，需要充分考虑建成区及城郊区绿地配比实际情况来进行评价。

（4）通过对景观生态类型转移矩阵的分析，10年间城市绿地景观增加主要来自裸地及农田，其次是建设用地，而水域景观基本没有转变成绿地景观。裸地较多地转出为城市绿地是城市建设发展中较好的现象，说明在城市中绿化荒山荒地等举措被实施，城市环境得到改善，城市景观的观赏性价值逐渐提升。

（5）城市绿地景观整体呈现破碎化程度增加的趋势，其中高新区绿地景观面积不大，却是斑块个数最多斑块密度最大的区域，也是4个城区中破碎度最大的区域，主要与4个城区发展阶段有关，如天山区、沙依巴克区以及水磨沟区均为老城区，城中居住建筑群及商业建筑群等已形成规模化的发展，较难对其进行碎片式的绿化，而高新区作为新的市区，部分区域还在建设阶段，对其绿地系统规划也较晚，碎片式的绿地建设满足了居民对绿色景观的需求。水磨沟区是城市绿地景观面积及斑块类型占景观面积比最大的城区，主要与其郊区山脉绿地常年不变且面积基数较大有关。高新区城市绿地景观面积先减少后增加与其农田耕作的农作物类别有一定关系。

（6）绿地景观斑块形状复杂性及景观空间结构复杂性总体上均呈现增加的趋势，也表明城市绿地景观越发的易受人类活动的干扰，其中因水磨沟区郊区山脉附近绿地景观连通性较强、破碎化程度相对较小，城市绿地聚集度最大。

3.2 建议

（1）乌鲁木齐市总体呈现建成区绿地覆盖率较高，城市郊区绿地覆盖率较低，绿地空间布局不均衡，生态功能较弱的现象，应合理规划和布局城市绿地景观格局，消除因分布不均衡导致的城市绿化盲区。适当增加城市郊区绿化面积，优化城市绿地景观格局，使城市绿地更好地服务于大众，发挥大的社会经济效益。

（2）在绿地建设与规划中应注重道路绿地建设，诸如环城高速以及河滩高速路等市内高速路均分担着较大的车流量，增加其路旁绿化有助于降低整个市区的扬尘量以及噪声量。在不断增加街旁绿地及道路绿地的同时，应加强建成区内荒山荒地的绿化，将建成区内裸地转化为城市绿地。结合路旁绿化及荒山绿化等措施，增加整个城市绿地的连通性，使其生态功能更加完善。

（3）适当的扩建或增建公园绿地，对原有的大型公共绿地加强保护，规划将部分中小型绿地扩建为大型绿地，发挥大型绿地的规模效应，降低其受人类活动干扰的程度同时，使城市“热岛效应”得到缓解。

（4）优化城市绿地空间布局的同时，重视绿地植被多样性，并且更加科学化的选择植被，合理搭配不同植被色彩及植被形态，充分结合城市居民精神需要，努力创建一个布局合理、色彩分明、景色优美的生态园林城市。

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