基于3S技术的城市边缘区景观格局变化分析 ——以沈阳市沈北新区为例

齐 丽，李健锋

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；4.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075)

1 引言

城市边缘区农田景观对于城市的发展具有重要的意义，这一特性是远郊的农田不具备的属性[1～3]。对城市边缘区农田景观的研究与保护具有重大意义。目前并未有人对沈北新区农田景观进行系统分析。

城市边缘区农田景观格局的形成，受到基本的农田景观演变的影响，于此同时还会受到人类的影响。城市边缘区的农田是原始农田演变来的，其过去也是远郊农村的农田，伴随着城市范围的不断扩大逐渐变成城市边缘区的农田。鉴于此，选取沈北新区作农田景观格局研究。包括其农田景观的格局现状及将会怎样演化发展。探讨在这种发展变化中，城市发展起到怎样的作用，如何来控制与改善城市边缘区农田景观的发展状况，使之与城市发展相适应[4]。

2 研究区概况

沈北新区(原新城子区)隶属于辽宁省沈阳市，地处沈阳市区北郊，位于大连、沈阳、长春、哈尔滨“东北城市走廊”中部，南靠沈阳市区，北隔辽河、万泉河与铁岭、法库县相望，东与抚顺市、铁岭县毗邻，西接辽西走廊，与新民市、于洪区相连。是连接吉林、黑龙江和内蒙古三省区的黄金通道和“东北城市走廊”的枢纽重地。坐标介于东经123°16′～123°48′，北纬41°54′～42°11′之间。 沈北新区总面积1098 km2。总人口319380人。

3 数据处理

3.1 数据来源

本文使用的遥感数据为不同时相的美国陆地卫星数据(表1)，利用此类数据获取沈北新区土地分类信息；非遥感数据包括沈阳市1∶5万地形图，用于对遥感数据的几何精校正；土地利用现状图对解译过程中地类的判定提供参考作用。

表1 遥感影像数据参数

根据研究区的具体位置以及研究区的实际城乡分布结构，选取包含研究区在内的遥感影像，进行初步裁剪。本文应用ArcGIS空间分析工具的Extraction功能，得到研究区的遥感影像图，如图1所示。

3.2 数据处理

3.2.1 遥感影像预处理

本文利用遥感图像处理软件ENVI4.5，以2015、2020年的遥感影像图以及1∶5万的地形图作为基础数据，将河流和道路的相交点等作为控制点，利用最邻近像元重采样以及二次多项式变换的方法对影像进行精度配准以及几何校正。校正后，研究区的影像像元大小是30 m×30 m。另外，要对图像进行空间加强处理。本研究主要是对土地利用类型进行提取，选择3、4、5波段开展假彩色合成，方便目视解译[5]。

图1 研究区影像裁剪图(345假彩色合成)

3.2.2 影像解译

本文利用的是土地分类系统，主要是依据《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》中的分类方法，同时考虑到研究区的状况，将土地利用类型分为6类，分别是旱地，草地，水田，水域，建设用地，林地。其中，林地包含园地和各类林业用地，旱地包括菜地等。

为能够展现沈北新区用地类型多样性特征，依据建立的六类解译指标体系，选择能代表不同农田景观类型的某些区域作为训练区，得到训练样本，利用ENVI4.5对不同时相的遥感影像采用最大似然法对图像进行监督类。

3.2.3 解译结果的GIS处理

为了便于使用Fragstats3.3进行指标计算，将解译得到的栅格数据使用ArcGIS处理，以便直接导入Fragstats3.3中计算结果。过程如下：首先，在ArcGIS软件的支持下，使用Conversion Tools工具箱，打开From Raster工具集，在Raster to Polygon中完成遥感解译得到的影像分类栅格数据转化为矢量格式文件；然后制作两期地类分布图；在此基础上，在ArcGIS中添加图斑面积、周长字段，并计算相应数值；最后，添加指标计算字段，将水田、旱地合为农田，其它分类不变，在Fragstats3.3中将按此字段分类进行计算。

3.2.4 指标指数的计算

将通过ArcGIS处理后的数据导入Fragstats3.3中，分别计算全境指标与农田指标。其结果如表2所示。

表2 不同年份全境景观镶嵌体特征指标

4 结果与分析

4.1 沈北新区农田面积变化分析

根据在ArcGIS中计算得到的各地类面积可知2015年沈北新区农田总面积为571.59 km2，这一数据到2020年变为548.84 km2，减少了4.15%。主要变更为建设用地，由两期地类分布图可以看出，新增建设用地主要集中在沈北新区南部即靠近沈阳市区一侧。由此可知沈北新区地类变更与城镇化更多的是受沈阳市(市区)影响，而非沈北新区中心城区。

4.2 沈北新区全境景观镶嵌体动态变化

由表2可以看出，2015与2020年面积积特征指数显示，沈北新区的斑块总数明显增加了，平均斑块面积减少，斑块密度增加；与此同时，邻近度指数显著下降，形状指数有所增加。这就代表近五年时间里，沈北新区斑块形状变得越来越复杂，景观破碎度增强了，离散程度增高。

聚散度指数不断减小，这代表相邻并列的不同类型斑块变的越来越多，破碎度不断变高，团聚程度高的现象不断减少，多个小斑块不断形成。

空间上虽然保持着农田景观为优势景观类型的镶嵌体格局，但大量的建设用地通过道路等连通肆意切割成片原有农田，使农田变得破碎、不规则。形成农田、林地、建设用地、水域和草地交错密集的新的土地利用格局。

4.3 沈北新区农田单一景观动态变化分析

农田面积占沈北新区总面积一半以上，约为65%。从景观的角度讲，在沈北新区农田属于景观中的基质，是斑块镶嵌内的背景生态系统，占绝对优势，有很好的连通性。其它景观，建设用地、林地、水域、草地镶嵌其上。

与镶嵌体水平对比分析可知，斑块水平上的特征指数能够特别细致的说明单一景观组分的演变规律。依据沈北新区景观的实际情况，本研究从形状、聚散度、面积、邻近度以及形状五个指数对其进行分析，其结果如表3所示。

表3 不同年份农田景观特征指标

两个年份的邻近度指数出现下降，体现的是从2015年以来，在半径为1000 m的情况下，农田景观斑块的破碎度不断增加，同时离散度也在不断增加。同时，聚集度指数也在不断降低，这代表农田景观斑块集中连片的格局正在不断的减少，以前聚集性较高的大片农田被分割成零碎的小斑块。这是因为近几年随着沈北新区经济的不断发展，其基础设施水平不断增加，改变了原有的大片农田。与此同时，该地区不断迁入大小企业，因为没有科学的进行整体规划，严重的影响到农田景观，形成了凌乱的、破碎度较高的城市近郊型土地利用格局。

5 结论与建议

根据数据分析得知，近五年来沈北新区城市周边的农田面积正在不断减少，主要原因是城市建设发展建设占用。在近五年的农田演变中，虽然景观类型还是以农田景观为主，但是较之前的景观类型复杂了许多，逐步形成了农田、建设用地、水域、林地和草地纵横交错的景观格局。研究分析显示：农田景观逐渐向破碎度高，离散程度不断增加的方向演变，景观变的越来越复杂，越来越零碎。这就造成了大面积高效率的机械化施工越来越困难。同时，生物多样性也在不断降低，这极大地降低了城市周边农田景观的生态系统服务功能。

城市边缘区的农田景观具备经济、生态、美学三个方面的价值。同时，城市边缘区的农田景观价值正在由传统单一的生产价值转变为更加多样化的景观价值。因此，当下讨论在城市经济不断发展的情况下，如何构建符合当地发展特色的农田景观建设模式具有重要意义，使其构建的景观模式既能够保障粮食生产功能价值被充足发挥，又能够形成各具地方特色的农田景观，扩充城市绿色空间，发挥休憩观赏作用，是值得进一步探讨的问题。