基于Landsat遥感图像的广州市景观格局分析与优化

摘要：依据城市生态景观学的相关理论，运用RS遥感技术及TM遥感数据，以广州为例，绘制出了相应的绿地系统分析图和统计表，研究了土地利用分类、特征及其绿地景观格局，并对景观丰富度等6种常用景观指数进行了分析。结果表明：在城市化驱动下，中心老城区缺乏宏观规划，景观破碎化程度严重；次中心城区景观聚集度较高，但缺乏生态节点联系。鉴于此，提出了城市景观格局的改善与优化建议。

关键词：景观格局；景观图像；景观指数；生态景观优化

中图分类号：Q948文献标识码：A文章编号：1674-9944（2012）12-0157-05

1引言

从历史的观点来看，景观生态一直与土地利用和规划、人文地理以及人类生态学紧密联系。景观格局分析对解决实际的环境、资源和生态学问题都有重要的应用价值。景观格局即生态景观的组成单元（斑块、廊道等）的特征及其空间格局。研究景观的结构是研究景观功能和动态的基础[1]。景观指数是指能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标。遥感（RS）是景观生态学研究中的重要技术工具。遥感技术就是利用不同的土地覆盖类型对不同波长的太阳光或其他电磁波有不同的反射率的特点来区分地表不同物体的。如今，在生态学领域最常用的遥感资料来源便是美国1972年发射的陆地卫星的Landsat Thematic Mapper影像。

目前，国内关于景观生态方面的研究越来越多，然而对于珠江三角洲地区绿地利用景观格局的定量研究，尤其是通过土地利用和景观指数作分析的研究少见报道[2，3]。此外，现有的文献资料的研究尺度普遍从城市级别出发，以一整个城市或城市中大面积地区为单位做研究，小尺度范围研究相对缺乏。因此，本文选择广州市为对象进行景观格局分析。

本研究基于Landsat TM遥感图像，通过实地调研，目测、人工计算和计算机软件等方法相结合，绘制研究区域（以广州为例）的绿地使用状况分析图表，计算出主要的景观指数。并通过数据和图表对比探讨景观指数尺度效应及各种景观格局指数的变化，从而分析总结研究区域近年的生态景观格局变化。旨在为区域生态评价、规划提供理论支持，从而为城市景观指数计算和尺度转换的适宜选择提供较为科学的决策参考。

2研究地与研究方法

2.1研究地

由于广州经济发达且城市化进程较快，因此，本研究选取广州为例。广州位于广东省的中南部，珠江三角洲的北缘，范围是东经112°～114°，北纬22°～23°。耕地面积为8.61万hm2，林业用地面积25.4万hm2。具有温暖多雨、光热充足、温差较小、夏季长、霜期短等气候特征。广州地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林，但天然林已极少，山地丘陵的森林都是次生林和人工林。

在进行城市景观格局分析时，一般根据用地性质将城市的景观研究范围划分为3个板块，一是中心城区，二是次中心城区，三是远郊区域。为强化景观价值意义，对于农业用地比例较大的远郊，一般可不纳入研究范围。以下选取广州中心城区的越秀区、天河区、荔湾区、海珠区（也称老城区）及次中心的黄埔区、白云区、番禺区等7个城区为研究范围，而处于广州远郊的花都、萝岗、南沙、从化及增城等区域不在本文讨论范围。

2.2研究方法和计算软件

本文选取2012年广州地区的Landsat TM遥感图像作为基础图像，行政区域划分界线把研究区域分为7个区。再通过ArcGis、Photoshop软件进行图像处理，并结合实地考察和人工目视等方法，生成广州市绿地利用分布图（图1）和斑块数量、斑块面积、周长数据（表2）。最后把数据输入电脑，运用CASIO数学计算机、Microsoft Word、Microsoft Excel软件辅助进行人工计算，绘制出绿地组成特征表（表1），绿地利用分布比例图（图2、图3），按照景观指数公式用软件计算出来，并生成景观格局指数统计表（表3）。为进一步分析和探讨研究区生态环境状况提供数据支持。

3结果与分析

3.1景观图像分析

景观类型图是综合表现各种景观管理要素的类型、相互关系及其空间分布格局的专题地图。景观制图为景观的规划、管理及生态恢复提供了科学依据[4]。景观图像一般以遥感图像、cad平面图或各种专题图（如植被图、地形图、土壤图等）为基础，通过计算机处理或人工处理综合而成。

本研究在户外实地调查的基础上，以卫星遥感图像为基础，根据《我国城市绿地分类标准CJJ/T 85-2002》[5]，选取城市几大主要用地类型（G1公园绿地；G2生产绿地；G3防护绿地；G41居住绿地；G5其他绿地；水域），制作出广州主要城区（包括越秀区、天河区、荔湾区、海珠区、黄埔区、番禺区、白云区等7个行政区）绿地利用分类图，如图1所示。

图1广州中心及次中心城区绿地利用分类3.2绿地组成分析

根据对图1的处理分析，并结合中国广州网（.cn/qkpdf/lvse/lvse201212/lvse20121262.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文

由图2、图3可知中心和次中心城区绿地组成比例差异很大。中心区（越秀、荔湾、海珠、天河）中公园绿地、防护绿地和其他绿地分布平均，比例都在24%上下，同时居住绿地与生产绿地比例较低。而次中心区（黄埔、白云、番禺）由于农业及生产业发达，生产绿地占了土地总面积的69%，同时，其余各种绿地占的比例都不高，其中公园绿地、防护绿地和居住绿地比例最高不超过5%。此用地状况既符合一般城市绿地使用规律，也反映了不同区域用地功能差异。

4景观指数分析

斑块数、斑块面积、斑块周长是计算景观指数的基本指标，本文在图1的基础上，通过计算得出各区域基本景观指标统计表，如表2所示。

本文选取了以下几个常用且最能直接反映景观生态状况的景观指数作计算和分析之用，分别是：景观丰富度指数、景观多样性指数、分维数、景观聚集度指数、破碎度指数、景观优势度指数。

4.1景观指数

4.1.1景观丰富度指数（landscape richness index）

景观丰富度指数直接反映出景观区域斑块数量的多少。景观丰富度R是指景观中斑块类型的总数，即R=m。式中，m是景观中斑块类型数目。本文计算时采用的数据m是各个行政区的各类绿地的斑块数的总和。

4.1.2景观多样性指数（landscape diversity index）

多样性指数H是基于信息论基础之上，用来度量系统结构组成复杂程度的一些指数。常用的为：Shannon-Weaver多样性指数，

式中，Pk是斑块类型k在景观中出现的概率（通常以该类型占有的栅格细胞数或像元数占景观栅格细胞总数的比例来估算），n是景观中斑块类型的总数。

4.1.3分维数（fractal dimension）

分维数可以直观地理解为不规则几何形状的非整数维数。而这些不规则的非欧几里德几何形状可通称为分形。对于单个斑块而言，其形状的复杂程度可以用其分维数来度量。斑块分维数可用下式求得：

式中，P是斑块的周长，A是斑块的面积，Fd是分维数，k是常数，对于栅格景观而言，k=4。4.1.4景观聚集度指数（contagion index）

景观聚集度C的一般数学表达式如下：

式中，Cmax是聚集度指数的最大值[2ln（n）]，n是景观中斑块类型总数，Pij是斑块类型i与j相邻的概率。

4.1.5破碎度指数（fragmentation index）

景观破碎度指数公式为：

C=∑Ni/∑Ai

式中，∑Ni是景观斑块总个数，∑Ai是景观总面积[6]。C值越大，表示斑块越破碎[7]。通常，景观聚集度指数与破碎化程度指数呈负相关性，而两者都反映了景观中斑块的紧密程度。

4.1.6景观优势度指数（landscape dominance index）

优势度指数D是多样性指数的最大值与实际计算值之差。其表达式为：

式中，Hmax是多样性指数的最大值， 是Pk斑块类型k在景观中出现的概率，m是景观中斑块类型的总数。通常，较大的D值对应于一个或少数几个斑块类型占主导地位的景观。

4.2数据分析与对比

本文在表2数据基础上，通过3个基本指标计算出各地区的上述6个景观指数，如表3所示。

4.2.1景观多样性特征分析

景观总体特征一般通过Shannon多样性指数来分析，多样性指数越高，景观类型越丰富。从表3可以看出荔湾区多样性指数最高，达到1.558，黄埔区多样性指数最低且不足1。《珠江三角洲景观空间格局分析》[8]中对广东9个主要城市多样性指数的统计显示其数值均集中在2左右，广州指数为2.005，居中。另外，通过和徐州市、武汉市、内蒙古[9～12]等多个地区横向比较，可知一般城市多样性指数在1.5～2.5，景观类型相对丰富。大于2.5时，地区景观类型将十分丰富。如果指数低于1.5则说明景观类型单一、景观分布不平均。而表3数据显示6个行政区多样性指数都不足1.5，且西南部地区指数相对较高，东北地区较低，这与近年来广州实施的向东、向北发展，城市中轴线东移不无关系。越秀区、荔湾区和海珠区等老城区在政府保留城市历史风貌的政策下，用地性质并未有大的改变。但偏重商业和发展的东部和北部新兴行政区商业、工业建筑密度和高度不断增多，交通道路网日益密集，最终带来的是绿地生态景观规模的逐渐减少。此外，严重缺少水体、悠闲绿地和公园绿化的市中心生态环境问题也越来越严重。

4.2.2景观优势度特征分析

优势度指数是反映地区中不同景观在整个地区中权重的重要指标。通常，优势度指数和景观多样性指数呈负相关关系，即多样性指数越高，则优势度指数越低，此时景观种类丰富，且相对平均；反之亦然。通过与其他地区优势度指数作比较，可知广州各行政区数值偏低，少数景观主导现象并不明显，各景观比例相对均衡。

4.2.3分维度特征分析

分维数取值范围一般应在1～2之间，其值越接近1，斑块形状就越有规律，也就是说斑块越简单，表明受人为干扰程度越大；反之亦然。数值达1.5以上的地区斑块形状极为复杂。根据数据对比可知广州中心城区的各地区景观复杂性差异较大，说明该城市部分地区生态以及园林绿地受人类活动影响大。由于城市的扩建和城中村改造等活动的日渐频繁，尤其在2010年广州亚运会“穿衣戴帽”系列工程的推动下，城市主要道路、广场和亚运设施的周边地区进行大范围整治改造，生态系统受到了人为的较大干扰。

4.2.4聚集度与破碎度特征分析

聚集度和破碎度指数都是研究景观中斑块分散和紧密程度的指标，通常两者呈负相关性并且和优势度指数有关。聚集度与破碎度主要反映了景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度，如果一个景观由许多离散的小斑块组成，其聚集度的值较小，破碎度的值较大。2000～2010年间，广州地区破碎度指数持续上升，表明人类活动对景观影响正在加剧，土地利用进一步破碎化[3]。由表3数据可知越秀区、荔湾区等历史文化老城区由于当时规划建设时没有宏观的体系，导致城区内斑块没有明确的主次从属关系，各斑块之间联系性低，相互竞争。在生态景观上则体现为城市建筑缺乏规律，布局混乱，园林绿地分散破碎，不成体系。

4.3景观优化方案与建议

综上分析，虽然近20年来广州市景观破碎度和多样性指数变化不大，且景观生态安全状况略有提高[13]，但景观类型多样性依然不足。虽然各类景观比例和面积均衡，但缺乏占主导地位的景观。对于部分城区聚集度高但缺乏公园绿地的广州市，应当实施生态景观的改造。对此，在坚持人与自然和谐发展的原则下，本文提出以下三点改善和优化建议。

（1）合理布局不同的绿地斑块。通常，公园绿地和居住绿地受众甚广，而且比防护绿地、附属绿地等其他类型绿地更适合城市居民使用。因此，在今后的改造规划中，一些老城区应当增大公园绿地和居住绿地的比例，而新兴发展区增大绿地的密度，从而有力改善景观格局功能不佳的现状，以便更好地满足居民生活和使用绿地的需要。

（2）因地制宜，优化改造区生态景观格局。破碎化程度高的区域应加大力度建设具优势度高的绿地，提高和周边斑块的联系。大部分城市绿地和城市建筑用地是成片开发的，并无多的衔接点，这样在生态网络图的构建中并不会形成太多的覆盖[14]。因此，聚集度指数高的现代化商务区应该增加外部附属绿地，以提高各个占主导地位的绿地斑块和生态节点的连通性。

（3）加大城市外围地区生态绿化建设。由于土地资源有限，建成区的发展日渐破坏着生态环境，人类主导的城市景观，已成为各景观类型中优势的类型，威胁着支持生态稳定与环境质量的森林、湿地、耕地等自然景观的存在，容易造成大范围景观的单一化。因此，必须在外围地区还未改造开发前提高外围未开发地区生态用地面积，提高植被覆盖比例，在避免外围地区未来被全面用于建筑设施的同时又能一定程度地为城市补充中心城区缺乏的绿地资源。

5结语

由于中国的经济持续快速增长，东部地区尤其是沿海开放地区的城市化进程不断提速。人口基数大、外来人口每年递增、污染增多导致环境日益恶化，汽车保有量激增导致不少公共绿地被夷平建为停车场，肆意破坏环境、电线网线水管的疯狂铺设导致植被生长严重受阻。政府实施的一系列环境改造工程（如广州迎亚运期间的城市改造工程），大多属于面子工程、政绩工程，并不能有效解决生态环境问题。面对这样的现状，如何有效地解决原有生态功能景观逐渐退缩、减少乃至消失，迫在眉睫。如何有效控制经济中心与生态功能中心越来越大的差距，有效拯救生态功能景观之间通达性的日益降低甚至消失等问题，刻不容缓。

令人遗憾的是，在发展的道路上，大部分景观元素的消失是不可逆转的，人类在经济发展得到许多的同时却在景观生态上失去了太多。在未来的生态建设中，人们只有合理地适当地开发，权衡经济和环境两者的关系，才能与自然环境和谐共处，社会才能可持续发展。

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