基于RS与GIS技术的城市景观格局及生态适宜性评价

第一章 绪 论

1.1 选题背景
城市具有发达的物质生活条件，也是以人类为中心的复合生态系统，城市化程度反映了一个国家的社会、经济、环境水平。在我国高速发展的背景下，人口及经济的集聚效应逐步凸显，城市急速扩张，据测算，在十二五期间：我国的人口城市化率将达到并超过 50%，也就是说，在十二五结束后，我国将有超过 50%的人口定居在城市中，城市的扩张将满足更多人对现代生活的渴望[1]。但是，快速城市化的过程改变了原有的城市的景观格局，也引发了许多正面和负面的变化。研究城市化，分析理解城市化过程对我们的社会的影响，并在之后的正确、认真的予以解决，是关系到人类可持续发展的全局性关键问题。城市化带来了城市景观的变化。城市景观是城市在长期发展过程中形成的社会、自然、区域的景观或环境氛围。
造成城市景观变化的因素是由自然与人类两种驱动力共同构成的，在城市化的过程中，最直接的表现是城乡交界处的景观类型的转变，即从由植被、水土等要素组成的自然景观转变为由沥青、化工材料、金属等要素组成的纯人工建筑景观，由此可见，城市景观的空间配置演变是产生各种城市化环境问题的前提之一[2]。城市化带来了城市生态系统的变化。城市生态系统是指在城市中存在的某种显性或隐性的生态系统空间格局，它由景观中的某些关键的局部、其所处方位和空间联系共同构成，是在自然生态系统的基础上建立起来的人工生态系统。比起自然的生态系统，城市生态系统更加脆弱和不稳定。在城市化的过程中，生态安全性重要程度不言而喻。城市扩张形成的格局应以不破坏生态，维持人类生存安全的基本为基础，是以生命土地的健康和安全的名义和以持久的公共利益的名义，而不是从眼前城市土地开发的需要出发来进行规划[3]。
近十年来，利用景观生态学指导城市建设发展，在理论上已相对完善，并已得到了足够的重视[4]。分析城市用地的发展状况、寻找安全的城市建设格局这些与人类生活息息相关、能促进城市可持续发展的课题，都是研究热点。但是，目前在景观生态的角度对城市化研究还没有形成体系，对其带来的城市景观的变化的研究往往停留在定性的角度上，从空间角度定量化分析城市化影响的相关文献还较少；城市生态适宜性评价的研究往往也存在研究因素选取考虑不足，方法混乱等问题。地处内陆豫陕鄂川渝五省交界处的南阳市，是区域性的中心城市，是豫西南政治、经济、文化教育、科技、物流、交通中心，是国务院第二批命名的历史文化名城，也是我国中部地区重要的旅游胜地。城市化进程给南阳市带来了城市用地范围急速扩张，也导致了原有的生态系统布局无法适应新的城市空间布局。为此南阳市在“十二五”期间城市建设中充分的意识到了生态体系建设的重要性，并且提出了建设森林城市的口号。因此，本文的研究的目的和意义主要有：以南阳为例，借助 RS 与 GIS 技术，分别从“景观格局”“生态适宜性”两方面着手，从现状出发，在空间的层面上，定量化计算南阳市城市发展过程中的“城市景观格局”，并揭示城市化对南阳市景观格局的影响；着眼未来，结合各潜在生态因子对城市规划发展的影响，对城市土地的“生态适宜性”进行评价。为南阳市城市建设优化景观格局、明确城市生态的安全格局、提高城市土地利用效率提供科学的依据，也对在今后加快城市发展过程中，提高城市居民生活质量，改善城市生态环境以及增强区域竞争能力提供基础数据和参考。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 景观生态学
CarlTroll主要研究各种类型的景观斑块在空间上的配置。他的这一看法开拓了地理学向生态学发展的道路。而后来产生的景观生态规划一词是指利用景观生态学的理论进行的规划，其思想是探讨景观生态与规划的关联，结合规划的相关原理，充分的考虑人与自然的相互影响，提出规划结构优化的模式[5-7]。目前，景观生态学研究核心内容仍然在于强调景观空间的格局、生态过程与尺度的三者的相互作用的关系。我国最早涉及到的景观生态学研究的文献是景贵和于 1986 年在地理学报上发表的《土地生态评价与土地生态设计》[8]，随后，各种有关景观生态学的研究成果如雨后春笋般的涌现。目前，景观生态学的研究已在国土利用变化，景观生态规划，主体功能区划分，城市设计等诸多领域取得了令人满意的效果，是研究人类可持续发展的重要依据。
1.2.2 景观格局
景观格局的研究一直是研究的热门课题之一，早在 20 世纪 50 年代，学者就对其进行了大量的描述性研究，20 世纪 70 年代开始，学者发现用数学语言定量化的描述更加具有说服力，于是开始制定了大量的指标来说明景观的内涵，该阶段的初步探索为之后的深入研究奠定了基础。20 世纪末，随着计算机技术，空间探测技术的发展，计算数据的效率，获取信息的能力有了大幅度的提高，景观格局定量化研究取得了重大进展，在各种景观指数的基础理论得到完善的同时也出现了大量的数量化的计算方法[9-14]，期间 McGarigel K，Marks BJ 等人于 1995 年编制出了专业的景观格局指数计算软件 FRAGSTATS[15]，极大的提高的研究的效率。之后，关于景观指数应用的研究文献相继出现[16-26]，该阶段的研究方法特征主要是利用地面或遥感数据进行景观分类，定量化的求取指数。进入 21 世纪初，国内外学者意识到单时空的数据描述说明现象的能力较弱，开始采用不同的时间、空间尺度差异性进行量化对比，并分析差异产生的缘由。例如：空间尺度上，研究不同地域内景观的差异性，以分析地域对景观的影响[27][28]；时间尺度上，在相同的范围内研究不同时间段内景观指数、类型、面积的变化，以求得其动态变化的描述[29-41]；比对不同时期的景观类型的空间分布以预测景观未来变化等[42-46]。

    1.3 研究内容、技术方法 .....................14-16
        1.3.1 主要研究内容 .....................14
        1.3.2 框架结构与技术路线 .....................14-16
第二章 研究区概况和数据源 .....................16-20
    2.1 研究区概况 .....................16-17
        2.1.1 南阳市简介 .....................16-17
        2.1.2 研究区范围 .....................17
    2.2 研究区数据来源 .....................17-20
        2.2.1 基础资料数据 .....................17
        2.2.2 遥感数据 .....................17-18
        2.2.3 DEM数据 .....................18-19
        2.2.4 辅助数据 .....................19-20
第三章 数据预处理 .....................20-30
    3.1 景观类型分类 .....................20-23
    3.2 热岛效应 .....................23-25
        3.2.1 热岛效应产生 .....................23
        3.2.2 地温遥感数据反演原理 .....................23-24
        3.2.3 研究区热岛效应 .....................24-25
    3.3 植被覆盖 .....................25-26
        3.3.1 NDVI（归一化植被指数） .....................25
        3.3.2 研究区地面植被覆盖情况 .....................25-26
    3.4 生物廊道 .....................26-29
    3.5 其他数据预处理 .....................29-30
第四章 城市景观格局分析 .....................30-39
    4.1 景观指数选取 .....................30-31
    4.2 研究区 2009 年景观格局分析 .....................31-32
        4.2.1 研究区景观指数 .....................31-32
        4.2.2 研究区景观分析讨论 .....................32
    4.3 景观多样性、斑块密度空间特征 .....................32-37 
    4.4 城市化对城市景观格局影响研究 .....................37-38
        4.4.1 景观格局影响指标选取 .....................37
        4.4.2 相关性及相关系数矩阵计算 .....................37-38
    4.5 结果分析 .....................38-39
第五章 城市生态适宜性评价 .....................39-54
    5.1 城市土地生态适宜性评价基础理论 .....................39-40
    5.2 评价原理与技术路线 .....................40-41
    5.3 南阳市生态适宜性评价 .....................41-53
    5.4 结果分析 .....................53-54
第六章 研究区城市发展、生态系统建设对策 .....................54-61
    6.1 南阳市城市发展用地选择建议 .....................54-57
        6.1.1 城市发展用地分析 .....................54
        6.1.2 城市发展方向及时序 .....................54-55
        6.1.3 城市土地利用对策 .....................55-57
    6.2 南阳市城市景观生态系统建设对策 .....................57-61
        6.2.1 生态系统现状 .....................57
        6.2.2 建设要点分析 .....................57-58
        6.2.3 生态系统建设对策 .....................58-59
        6.2.4 城市景观风貌设计建议 .....................59-61

结论

本文借助遥感影像资料作为基础信息源，使用 GIS 为主要数据分析处理工具，分析了南阳市的中心城区的景观特征，讨论了城市发展中的生态适宜性，并提出城市发展、景观生态系统建设优化对策。
（1）景观格局研究。在遥感影像分类的基础上，以中心城区范围的尺度对景观类型分析。结果表明：2009 年研究区中南阳市的主要景观类型为农田，占整个区域的 35.40%，可视为整个区域的基质。MPS 值的最小值，PD 的最大值，NP 的最大值均为绿地景观，说明在研究区中的绿地景观破碎化较严重，复杂程度高，分割性明显，城镇景观的 LPI 值为11.3211，明显高于其他类型景观，这是由于城镇景观替代了其他自然分布的景观，导致了城市中心区的大型的城镇景观斑块单一的类型所致。
（2）在 3 千米的尺度上进一步分析城市空间特征。其中斑块密度的空间特征反映出的是南阳市中心城区破碎度最低，白河湿地公园的破碎度较低，城市南部与城市西部的破碎度较高，表明城市南部、西部正在进行城市化的开发，各种类型的景观斑块相对较小，分布破碎；景观的多样性的空间特征体现出的是城市中心城区复杂程度较低，城市外围的土地复杂程度较高，并且成“环形”分布，其具体意义为城市化过程中城乡景观交错带。
（3）尝试性的运用景观格局影响指标，定量化研究相互关联程度。选取了对城市化发展过程中有可能产生相互影响的 NDVI 指数，热岛效应，斑块密度空间特征，多样性空间特征，与城市中心区边缘的距离，与水系的距离，与公路的距离，坡度，高程九个因子求取相关系数。结果表明：1）南阳市的坡度与高程呈低度相关，高程与水系的距离呈低度相关，这些都是由于自然的原因导致的。2）高程、距城区的与距水系的距离低度线性相关体现出了南阳市背山依水而建的城市景观结构特点。

参考文献

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[6] 俞孔坚,李迪华,段铁武.生物多样性保护的景观规划途径[J].生物多样性,1998,6(3):205-212.
[7] McGarigel K , Marks BJ.FRAGSTATS: Spatial pattern analysis program for quantifyinglandscape structure. Forest Science Department, Oregon State Univeristy,Corvallis.1994.
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