基于ALOS數據的烏魯木齊市綠地景觀格局研究

阿里木江·卡斯木，玉蘇普江·艾麥提

(新疆師范大學a.地理科學與旅游學院;b.新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心，烏魯木齊830054)

0 引言

城市綠地是關系著城市可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)境因素，作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于改善城市生態(tài)環(huán)境、維持城市生物多樣性以及調節(jié)城市生態(tài)系統(tǒng)平衡起著重要的作用;科學合理的城市綠地景觀布局能夠提升城市綠地系統(tǒng)經營管理水平，引導城市用地布局朝著健康、持續(xù)的人居環(huán)境發(fā)展。城市景觀是地表景觀動態(tài)變化最快的類型之一，因此城市景觀格局研究成為目前最受矚目的景觀格局研究領域[1]。應用衛(wèi)星影像及其信息提取方法，研究城市綠地分布及結構，在GIS和RS的支持下對城市綠地進行提取并引用景觀生態(tài)學理論對城市綠地景觀結構進行管理和評價，可以為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃、改善城市環(huán)境質量提供依據，從而為生態(tài)城市的建設提供有力的基礎數據和決策支持，有著十分重要的理論與現實意義[2-3]。同時景觀指數能夠濃縮景觀格局信息，是反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標，是景觀生態(tài)學最常用的定量化研究方法[4]。

本研究利用ALOS衛(wèi)星數據并采用監(jiān)督分類方法獲取烏魯木齊市的綠地信息并制作綠地景觀圖和綠地景觀分布圖，應用景觀生態(tài)學原理，計算出合適的景觀指數來對烏魯木齊市的綠地景觀格局進行分析與評價，發(fā)現問題，提出解決問題的措施和決策，可為烏魯木齊市的景觀生態(tài)規(guī)劃與生態(tài)設計提供依據。

1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，地處北天山北坡，準噶爾盆地南緣，是世界上距離海洋最遠的內陸城市，西北部和東北部與昌吉回族自治州接壤，南部與巴音郭楞蒙古自治州相鄰，東南部與吐魯番地區(qū)交界。地理坐標:東經86°37'33″～88°58'24″，北緯42°45'32″～44°08'00″。南北最寬處約153 km，東西最長約190 km，轄7區(qū)1縣，總面積12 000 km2，城市規(guī)劃控制面積10 800 km2。市區(qū)東、西、南三面環(huán)山，北為平緩的沖積平原，地勢東南高、西北低。自然坡度1.2%～1.5%，海拔680～920 m。本研究區(qū)以東經87°26'44″～87°38'46″，北緯43°43'32″～43°56'36″內的城市地域為研究范圍。烏魯木齊市遠離海洋，空氣較干燥，屬溫帶大陸性氣候。其特點是:光照充足，寒暑變化劇烈，晝夜溫差較大，降水少且不均，春季升溫快且多大風，夏季炎熱，冬季寒冷而漫長，采暖期長達168～180 d。年均降水量190 mm，年均蒸發(fā)量1 900 mm。

2 數據與處理

2.1 ALOS數據

ALOS衛(wèi)星是日本于2006年1月24日發(fā)射的目前世界上先進的地球觀測衛(wèi)星，其重訪時間為2 d，重復周期為46 d，可廣泛應用于測繪、區(qū)域環(huán)境觀測、災害觀測等領域。ALOS衛(wèi)星有3個傳感器，分別為全色遙感立體測繪儀(PRISM)、可見光與近紅外輻射計(AVNIR-2)和相控陣型L波段合成孔徑雷達(PALSAR)。其中AVNIR-2多光譜影像的星下點空間分辨率為10 m，高于Landsat TM、SPOT-4等多光譜傳感器的空間分辨率，主要用于陸地和沿海地區(qū)觀測，為區(qū)域環(huán)境監(jiān)測提供土地覆蓋圖和土地利用分類圖[5]。本研究利用2009年10月8日的ALOS衛(wèi)星(AVNIR-2多光譜影像)來分析烏魯木齊市的綠地景觀格局現狀。

2.2 數據處理

在遙感專業(yè)處理軟件ERDAS IMAGINE 8.7下利用監(jiān)督分類方法進行研究區(qū)的綠地信息提取，分類后對提取的綠地信息進行精度評價，其分類精度為88%，Kappa系數為0.844 2，基本符合要求。監(jiān)督分類后的烏魯木齊市綠地景觀圖如圖1所示。

圖1 烏魯木齊市綠地景觀圖層Fig.1 Greenbelt landscape layers of Urumqi City

3 綠地景觀分類

3.1 烏魯木齊市綠地類型劃分

城市景觀類型劃分是遙感影像分類、景觀格局分析等工作的基礎。在不同應用中，景觀的理解不同，無法形成統(tǒng)一的景觀分類原則。本研究根據研究目的、烏魯木齊市城市綠化普查手冊①城市綠化普查手冊，新疆農業(yè)大學林學院，2004年。以及城市綠地分類標準[6]，將烏魯木齊市綠地景觀劃分為5大類:單位附屬綠地、居住綠地、公共綠地、生產防護綠地和其它綠地。

3.2 烏魯木齊市綠地景觀制圖

在遙感技術支持下提取出城市綠地信息得到烏魯木齊市綠地的柵格圖像，并對提取的柵格圖像進行格式轉換，在遙感圖像處理軟件ENVI 4.0下將柵格圖像轉換成shape格式的矢量圖，導入ArcGIS 9.0進行綠地景觀類型編輯與分類。分類時，將提取的圖像與遙感影像疊加在一起，參考Google Earth軟件下烏魯木齊市城區(qū)遙感影像圖，進行目視判別分類并制作成烏魯木齊市綠地景觀類型分布圖(圖2)。

4 綠地景觀格局分析與評價

4.1 景觀格局指數

圖2 烏魯木齊市綠地景觀類型分布圖Fig.2 Distribution of Urumqi greenbelt landscape types

景觀格局是在自然或人為因素作用下形成的一系列大小形狀各異、排列不同的景觀要素集，是各種復雜的物理、生物和社會經濟過程相互作用的結果[7]。景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標。結合烏魯木齊市綠地景觀分布特征，本研究選擇了5種景觀指數，分別為斑塊數量，分維數(D)，破碎度指數(Ci)，分離度(Ni)，多樣性指數(H)，詳細計算方法和意義[8]見表1。

表1 景觀格局評價指標Tab.1 The landscape pattern evaluation indexes

4.2 結果與分析

本研究景觀指數是利用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊與FRAGSTATS景觀指數統(tǒng)計軟件計算得到的。其中整體景觀多樣性指數值為0.508 7，景觀最大多樣性指數值為1.609 4，其他指數值如表2所示。近年來，烏魯木齊市的基礎設施、交通條件不斷改善，加速了土地利用景觀的城市化，影響著城市綠地景觀。本研究從以下5個方面對綠地景觀進行分析。

表2 景觀指數計算結果Tab.2 The results of landscape indexes

4.2.1 斑塊的數量與大小。從表2和圖3可知，單位附屬綠地斑塊數量最多，其綠地景觀面積僅次于公共綠地，主要是由于市區(qū)內企事業(yè)單位相對集中，綠化水平較高;生產防護綠地和居住綠地的斑塊數量雖多，但斑塊面積較小，主要是由于斑塊呈小而零散狀態(tài)分布。其他綠地斑塊數量少，但面積較大，主要由于它們是分布在城市外圍的農田菜地。農田菜地成片分布，多為大型斑塊，斑塊個數少，面積較大;公共綠地斑塊數量最少，但綠地景觀面積最大，這是由于公共綠地大多成片分布，如雅瑪里克山、水磨溝公園、鯉魚山和植物公園等。這種成片分布的綠地生態(tài)效應較高，對改善城市的生態(tài)環(huán)境起著重要作用。

圖3 景觀斑塊數量和斑塊面積百分比Fig.3 The numbers and percentage of landscape patch areas

4.2.2 綠地景觀分維數分析。從表2和圖4可知，在所有的綠地景觀類型中生產防護綠地的分維數最高，為1.898 9，說明生產防護綠地斑塊邊界復雜。雖然生產防護綠地是人工干擾之后發(fā)育而成，但人對其形成的斑塊形狀干預相對較少，故其分維數值比其他景觀類型要高。居住綠地和單位附屬綠地的分維數相近，因為居住區(qū)綠地景觀和單位附屬綠地景觀受規(guī)則的房屋建筑影響，綠地斑塊大多為規(guī)則式。其他綠地斑塊的分維數較低，主要是因為它們受人為干擾大，斑塊較規(guī)則，斑塊形狀較為簡單的原因。公共綠地斑塊的分維數最低，因為它們更多地只是滿足觀賞的需要，綠地規(guī)劃設計大多模式化，斑塊邊界簡單，因此公共綠地斑塊的分維數普遍低。

4.2.3 綠地景觀破碎度分析。烏魯木齊市5種綠地景觀類型破碎化指數在0.120 6～0.891 5之間，如表2和圖4，各個類型破碎化指數由小到大分別是:公共綠地＜其他綠地＜生產防護綠地＜居住綠地＜單位附屬綠地。其中單位附屬綠地的破碎化指數最大，表明其破碎化程度最高，其次是居住綠地，因為它們受人類的影響較大，形狀相對多樣、不規(guī)則，故破碎度較高。公共綠地因成片分布，所以其破碎化指數最小，破碎化程度最低。

4.2.4 綠地景觀分離度分析。烏魯木齊市的分離度指數在0.296 3～1.198 1之間，如表2和圖4，居住綠地景觀的分離度指數最大為1.198 1，居住綠地景觀斑塊數量較多，分布較分散而且面積較小，故分離度高;生產防護綠地分布較廣，如主要干線道路兩側的防護綠帶，大多呈帶狀分布，因此其分離度也較大;單位附屬綠地的斑塊數目最多，景觀面積較大，因此其分離度指數較小;其他綠地，如耕地景觀面積較大，分布較集中，故分離度值較小;公共綠地景觀的斑塊數量少，但是單個斑塊面積大，故分離度最小。

圖4 景觀分離度、破碎度和分維數Fig.4 Landscape separation index，fragmentation and the fractal dimensions

4.2.5 綠地景觀多樣性分析。景觀多樣性是指景觀在結構、功能以及時間變化方面的多樣性，它揭示了景觀的復雜程度。經計算可知，烏魯木齊市綠地景觀多樣性指數值為0.508 7，僅為綠地最大景觀多樣性指數值1.609 4的31.6%，因烏魯木齊市城區(qū)內公共綠地和單位附屬綠地景觀占支配地位，各類綠地景觀面積差異較大，所占比例不均勻，從而導致綠地景觀類型多樣性指數較低。

5 結論與建議

利用烏魯木齊市2009年的ALOS數據，借助GIS和RS技術，運用景觀生態(tài)學理論和方法，定量分析了烏魯木齊市的綠地景觀格局，結果表明:烏魯木齊市綠地景觀類型分布不均勻，公共綠地的斑塊數量最少，但斑塊面積最大，單位附屬綠地的斑塊數量最多，斑塊面積較大，它們構成了烏魯木齊市綠地景觀基質;單位附屬綠地的破碎化程度最高，其次是居住綠地，因為它們受人類的影響較大，形狀相對多樣、不規(guī)則;公共綠地因成片分布，所以其破碎化指數最小，破碎化程度最低;綠地景觀總體多樣性程度不高，豐富度較小。

在發(fā)展城市綠化、注重城市綠地均衡布局、提高公共綠地和單位附屬綠地在綠地面積上的比重的同時，也要提高生產防護綠地和居住綠地面積上的比重;進一步提高景觀多樣性，提高綠地系統(tǒng)結構的復雜程度，增加景觀的異質性。維持和發(fā)展城市生態(tài)的良性循環(huán)，除了城市自身環(huán)境的改善外，也必須以城市外圍區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定為背景，不斷加強烏魯木齊市周邊荒山的植樹造林，早日把烏魯木齊市建設為“城在林中，林在城中”的國家園林城市。

[1]易文斌，蔣衛(wèi)國，國巧真，等.基于ALOS數據的城市景觀格局信息提取研究——以北京市海淀區(qū)為例[J].遙感應用，2008，4(8):33-38.

[2]陳穎彪.遙感與GIS支持下的城市綠地信息提取方法研究——以深圳市為例[J].生態(tài)環(huán)境，2004，13(3):362-364.

[3]玉麗榮，李貞，管東生，等.廣州城市綠地系統(tǒng)景觀生態(tài)學分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，1998，11(3):26-29.

[4]周廷剛.基于GIS的城市綠地景觀空間結構研究——以寧波市為例[J].生態(tài)學報，2003，23(5):901-907.

[5]李靜.高分辨率衛(wèi)星影像催生衛(wèi)星攝影測量時代[J].遙感信息，2007，2(3):89-90.

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