港口時空演化對區域景觀格局影響研究

郭子堅，劉俊舒，王文淵，張 祺（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

港口時空演化對區域景觀格局影響研究

郭子堅，劉俊舒，王文淵，張 祺
（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

港口建設是影響港口城市景觀格局變化的重要因素。本文基于景觀生態學理論，應用Landsat遙感影像為數據源，提出港口城市景觀格局分析方法，以大連市大窯灣區域為例，對1990—2015年期間2.5～10 km不同緩沖區的遙感影像進行土地利用分類，進行景觀格局指數計算，并對計算結果進行影響模式分析和緩沖區分析，并提出水域監管、生態廊道建設、物種保護的措施建議。揭示了港口時空演化對區域景觀格局的影響，對港口生態、港城互動、生態廊道建設等研究有借鑒意義。

景觀格局；時空演變；港口

引 言

景觀格局是指不同類型的大小和形狀不一的土地利用斑塊在空間上的排列，是景現異質性的具體表現。對于景觀格局受影響因素變化的研究很多，劉世梁等［1］通過景觀格局和過程的研究，從景觀生態學理論入手，分析了道路對景觀的影響，并提出了基于格局和過程的生態環境指數，進而得出道路綜合生態風險評價的方法。Ouml等［2］通過景觀連接度建立模型，幫助生態學者、環保規劃和決策者在景觀格局方面維護物種擴散和生態流動。陳利頂等［3］系統總結了城市化過程對景觀格局演變的影響，分析了城市景觀格局演變的生態服務效應等方面的研究進展。

港口區域是城市不可缺少的功能區域，是港口城市景觀的重要組成部分［4］。目前港口建設對區域景觀格局的影響研究集中在單一港口項目建設，單一生態系統，鮮有對港口時空演化對區域景觀格局的影響的研究。周然等［5］對鴨綠江口濕地的土地利用狀況進行景觀分類，利用Landsat TM影像進行人機交互式判讀解譯，獲得了該區域現狀和丹東港規劃完成后景觀解譯圖，并開展了港口建設對濕地景觀格局的影響及其生態效應的評估。浦靜姣等［6］以營口港為例，基于GIS的港口總體規劃景觀結構分析，結合景觀生態學指數，分析了港口地區景觀結構在規劃實施前后的特征及其變化，并探討了港區景觀結構變化對海岸帶生態過程可能產生的影響。

本文應用景觀生態學理論，提出了港口城市景觀格局的分析方法，并以大連市大窯灣區域為例，對1990—2015年期間2.5～10 km不同緩沖區的遙感影像進行土地利用分類，進行景觀格局指數計算，并對計算結果進行影響模式分析和緩沖區分析，提出改進措施。

1 港口區域用地類型分類

本研究以美國NASA發射的Landsat衛星獲取的TM/ETM+影像為數據源，分辨率為30 m×30 m，應用遙感處理軟件對遙感影像進行幾何糾正和正射校正，并執行支持向量機（Support Vector Machine Classification）的監督分類。本研究將土地利用分類分為5類，如表1所示。

表1 港口區域土地利用類型的劃分及含義

2 港口區域景觀格局指標體系確定

景觀格局分析通常采用景觀生態學景觀指標作為定量指標進行分析，通常可在3個水平上計算景觀指數，斑塊水平（patch-level）、斑塊類型水平（class-level）和景觀水平（landscape-level）。本研究選取斑塊類型水平指標中的斑塊類型面積（CA）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND）和景觀水平的形狀指數LSI、聚集/分散度指數SPLIT和MESH、均勻度指數SHEI和MSIEI。各指標的生態意義及描述如下。

2.1 面積指數

1）斑塊類型面積CA

CA度量的是景觀的組分，也是計算其它指標的基礎。它有很重要的生態意義，其值的大小制約著以此類型斑塊作為聚居地的物種的豐度、數量、食物鏈及其次生種的繁殖等。

CA等于某一斑塊類型中所有斑塊的面積之和，一般以公頃為單位（ha）。

2）斑塊所占景觀面積比例PLAND

PLAND度量的是景觀的組分，由于它計算的是某一斑塊類型占整個景觀的面積的相對比例，因而是幫助我們確定景觀中模地（Matrix）或優勢景觀元素的依據之一，也是決定景觀中的生物多樣性、優勢種和數量等生態系統指標的重要因素。

PLAND等于某一斑塊類型的總面積占整個景觀面積的百分比。

2.2 形狀指數

面積加權平均形狀指數LSI：

LSI是斑塊周長與相同面積圓形斑塊周長之比。當LSI數值越大，說明斑塊形狀越復雜。

式中：m為斑塊類型數；eik為類型i與k的斑塊之間相鄰的總邊緣長度；A為景觀總面積。

2.3 景觀聚集/分散度指數

聚集度是景觀最重要的空間特征，常常是破碎化研究的核心問題。聚集度不是一個單純表示某個獨立格局特征的指數，而是一個融合了斑塊面積、形狀和邊緣的綜合性指數。

1）SPLIT

SPLIT表示根據某類斑塊在整個景觀中的加權平均面積計算的有效網格數，當某斑塊類型或景觀由許多小斑塊構成時，SPLIT較大，說明該類斑塊呈現較強的破碎化，或者該景觀為細粒景觀。

式中：A為整個景觀的面積；aij為斑塊ij的面積。

2）MESH

MESH與 SPLIT相對，表示將某類斑塊分為SPLIT個時，斑塊的平均大小。

2.4 均勻度指數

均勻度指數反映景觀中各斑塊類型在面積上的均勻程度。

1）Shannon-Weaver均勻度指數SHEI

式中：iP為斑塊類型i在景觀中出現的概率，通常以該類型占整個景觀的面積比例來估算。

2）修正Simpson’s均勻度指數MSIEI

式中各符號含義同上。

3 算例與分析

選取大連市大窯灣區域為研究對象，收集1990、1995、2000、2005、2010、2015六年的Landsat衛星遙感數據，并分別對2.5 km、5 km、7.5 km、10 km四個不同緩沖區進行分析，執行上述土地類型分類方法，以10 km緩沖區為例，各年的土地類型分類結果如圖1。

圖1 各年的土地類型分類結果

對各年不同緩沖區的柵格數據進行景觀格局指數計算，目前普遍使用的景觀格局指數計算軟件是美國俄勒岡州立大學森林科學系開發的Fragstats，Fragstats計算精度較高，界面也更易于操作。以10 km緩沖區為例，計算得出的景觀格局指數見表2和表3。

表2 10 km緩沖區斑塊類型水平景觀指數

表3 10 km緩沖區景觀水平景觀指數

3.1 景觀格局指數分析

由表2可以看出，1990至2015年期間大窯灣區域水域、植被、山地或荒地3種生態用地類型均減少，其中水域面積減少2 521.89 ha，水域斑塊所占景觀比例下降9.18 %，植被用地面積減少1 059.3 ha，所占比例下降 4.74 %，山地或荒地面積減少6 282.36 ha，山地和荒地作為原優勢斑塊，在港口時空演變因素驅動下，斑塊所占景觀比例下降幅度最大，達到22.64 %。而城市用地斑塊類型和港區斑塊類型分別增長了8 871.84 ha和2 004.66 ha，所占景觀比例分別增加29.7 %和6.86 %。

由表3可以看出，形狀指數LSI從1990年至2015年呈下降趨勢，說明區域斑塊復雜性降低；聚集/分散度指數 SPLIT呈現先增長后下降趨勢，MESH呈先下降后增長趨勢，說明區域景觀格局的破碎程度先增加后減少；均勻度指數SHEI和MSIEI均呈緩慢下降趨勢，說明區域景觀格局中各斑塊在面積上的均勻程度緩慢下降。

3.2 景觀格局影響模式分析

圖2 不同緩沖區SPLIT變化

圖3 不同緩沖區MESH變化

由景觀聚集/分散度指數SPLIT和MESH變化（圖2、圖3）可以看出，大窯灣區域在2005年景觀格局的破碎化達到最大，2005年后空間格局緩慢聚集。相關學者有過類似景觀格局變化模式研究［7］，本研究認為大窯灣區域的港口時空演變為主要驅動因素對區域景觀格局的影響經歷以下階段：

1）破碎階段：港口建設初期，原生態景觀為優勢景觀，由于港口的驅動因素，城市化向大窯灣區域發展，原景觀出現碎裂，區域景觀格局破碎化明顯。景觀破碎化是生物多樣性降低的主因，對鳥類、爬行動物與小型哺乳動物的生存造成影響［8，9］。指數上表現為SPLIT呈現較大值，而MESH較小。如大窯灣區域1990年—1995年階段。

2）聚集階段：港口建設高速發展帶動城市化進程加快，港城互動大幅增加，造成原以植被、山地或荒地和水域的生態用地面積減少，城市用地類型和港口用地增加，原本破碎化的生態斑塊轉變為城市用地和港區用地，區域景觀破碎化水平降低。如大窯灣區域的1995年—2005年階段。

3）平穩階段：港口驅動因素城市化發展達到飽和，破碎化的生態用地較小斑塊逐漸消失，破碎化水平趨于平穩或稍有回落。如大窯灣區域的2005年—2015年階段。

3.3 景觀格局影響緩沖區分析

將區域緩沖區分為2.5 km、5 km、7.5 km和10 km。以優勢景觀為研究對象，以城市用地和陸域生態用地（植被和山地或荒地）斑塊平均變化率為依據，經計算，各緩沖區斑塊呈明顯梯度變化，7.5 km內研究對象斑塊類型平均累計變化為82 %，7.5～10 km區域只占18 %。本研究認為港口時空演變對區域景觀格局的主要影響范圍為7.5 km。

3.4 措施建議

加強水域監管，港口水域是港口生態承載力的主要來源［10］，對填海造地項目進行更加嚴格的論證和監管，對水域污染加強監測和整治；生態廊道建設，生態廊道是景觀的重要組成部分，具有棲息地、源、匯、通道、通道或過濾多重功能。加強生態廊道建設，大幅提升區域生態流動，對區域物種多樣性，生態穩定性等有重要意義；重視物種保護，對國家自然保護區實行嚴格監管，嚴禁將國家自然保護區劃入港口規劃。

4 結 論

本研究應用景觀生態學理論，建立港口為驅動因素的區域景觀格局指數體系，并以大連市大窯灣區域為例，計算并分析了大窯灣區域的景觀格局指數，探究大窯灣區域港口時空演變為驅動因素的區域景觀格局“破碎-聚集-平穩”的影響模式，并以優勢景觀類型變化為依據對景觀格局影響緩沖區進行分析，得出了港口對區域景觀格局的主要影響范圍為7.5 km，此外對港口區域生態景觀改進提出措施建議。

［1］劉世梁，楊志峰，崔保山，等.道路對景觀的影響及其生態風險評價—以瀾滄江流域為例［J］.生態學雜志，2005，24（8）：897-901.

［2］Ouml，Bodin Rjan，Saura Santiago.Ranking individual habitat patches as connectivity providers：Integrating network analysis and patch removal experiments［J］.Ecological Modelling，2010，221（19）：2393-2405.

［3］陳利頂，孫然好，劉海蓮.城市景觀格局演變的生態環境效應研究進展［J］.生態學報，2013，33（4）：1042-1050.

［4］付博新.港口景觀設計與評價方法研究［D］.大連：大連理工大學，2007.

［5］周然，彭士濤，覃雪波，等.港口建設對濱海濕地景觀格局的影響及其生態效應［J］.水道港口，2012，33（3）：245-250.

［6］浦靜姣，史曉雪，張浩，等.基于GIS的港口總體規劃景觀生態學分析［J］.環境科學研究，2007，20（2）：130-135.

［7］劉珍環，王仰麟，彭建，等.基于不透水表面指數的城市地表覆被格局特征—以深圳市為例［J］.地理學報，2011，66（7）：961-971.

［8］Zhu Ming，P U Lijie.Effects of varied remote sensor spatial resolution and grain size on urban landscape pattern analysis［J］.Acta Ecologica Sinica，2008，28（6）：2753-2763.

［9］Paul Opdam，Eveliene Steingr?ver，Sabine Van Rooij.Ecological networks：A spatial concept for multi-actor planning of sustainable landscapes［J］.Landscape & Urban Planning，2006，75：322-332.

［10］郭子堅，望燦，王文淵，等.基于生態足跡的港口生態承載力模型［J］.港工技術，2015，52（2）：48-51.

Impact of Port Space-time Evolution on Regional Landscape Pattern

Guo Zijian，Liu Junshu，Wang Wenyuan，Zhang Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）

Port construction is an important factor that influences the landscape pattern of port city.By referring to the theory of landscape ecology，Landsat remote sensing image serves as data source，and an analysis method is proposed for the landscape pattern of port city.As for Dayao Bay in Dalian，the land use classification is carried out by analyzing the remote sensing images on different buffer zones within the range of 2.5～10 km from 1990 to 2015.And the index of landscape pattern is calculated.Based on the calculation results，the impact models and buffer zone analysis is made in order to propose relevant measures and suggestions for water area monitoring，ecological corridor construction and species protection.The research reveals the impact of port space-time evolution on regional landscape pattern，which can be used for reference in the construction of port ecology，port-city interaction and ecological corridor.

landscape pattern； space-time evolution； port

X171.1；U651

A

1004-9592（2016）05-0060-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160515

2016-02-14

郭子堅（1965-），男，教授，主要從事港口規劃與港口物流研究。