顧及三維的大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其生態(tài)效應(yīng)

陳 勇, 阮景華, 王巧稚, 肖 曉, 曾向陽(yáng)

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430081; 2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430081)

工業(yè)化和城市化帶來的生態(tài)環(huán)境問題一直是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)城市化過程中建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究已較為廣泛，主要集中在建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?zhí)卣鳌U(kuò)張模式、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和模擬模型研究[1]，以及擴(kuò)張引發(fā)的大氣、水、土壤等環(huán)境要素效應(yīng)和景觀生態(tài)格局、物質(zhì)能量循環(huán)、生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化等綜合生態(tài)效應(yīng)研究[2]。由于研究數(shù)據(jù)多采用遙感影像投射到二維笛卡爾空間上形成的平面數(shù)據(jù)進(jìn)行，使得區(qū)域復(fù)雜自然地貌分異和三維空間特征較少在研究中得以體現(xiàn)，從而影響分析結(jié)果的客觀性和實(shí)用性。

礦業(yè)城市是指因礦產(chǎn)資源的開發(fā)而興起或發(fā)展，且在一段時(shí)期內(nèi)礦業(yè)在城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)地位的城市。礦產(chǎn)資源開發(fā)推動(dòng)了區(qū)域城市化進(jìn)程，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)礦業(yè)城鎮(zhèn)數(shù)量超過400個(gè)，縣級(jí)以上礦業(yè)城市就有99個(gè)，礦業(yè)城市已成為我國(guó)城鎮(zhèn)體系的重要組成部分。

大冶市是我國(guó)中南地區(qū)典型的礦業(yè)城市，位于114°31′—115°20′E，29°40′—30°15′N，地處鄂東南丘陵北緣和湖北省冶金走廊腹地，全市土地總面積1 566.3 km2，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候。大冶礦產(chǎn)資源豐富，已發(fā)現(xiàn)和探明的大小礦床273處，是我國(guó)重要的銅、鐵礦生產(chǎn)基地。本文基于大冶市1995年、2005年、2015年三期遙感影像解譯結(jié)果，疊加數(shù)字高程模型，分析不同地貌類型上建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的空間差異，并利用三維地形信息對(duì)傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)和景觀格局指數(shù)進(jìn)行修正，用修正值測(cè)算建設(shè)用地?cái)U(kuò)張帶來的生態(tài)服務(wù)價(jià)值效應(yīng)和景觀格局效應(yīng)，為大冶市土地資源有效管理和生態(tài)安全維護(hù)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于中科院地理空間數(shù)據(jù)云提供的30 m空間分辨率DEM數(shù)據(jù)和1995年10月、2005年11月、2015年10月三期Landsat影像，以2010年土地利用現(xiàn)狀圖和研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充信息。利用ENVI軟件對(duì)影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正、配準(zhǔn)、裁剪等預(yù)處理，利用武鵬飛等[3]提出的三指數(shù)合成法進(jìn)行波段合成來加強(qiáng)建設(shè)用地光譜特征，采用監(jiān)督分類法對(duì)研究區(qū)的土地利用類型按照耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6種地類進(jìn)行分類，借助其他相關(guān)數(shù)據(jù)信息對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行修正，得到研究區(qū)3個(gè)階段的土地利用類型空間分布數(shù)據(jù)。通過生成隨機(jī)點(diǎn)與Google Earth影像對(duì)比驗(yàn)證，最終3個(gè)時(shí)期的總體分類精度均在80%以上，Kappa系數(shù)也均在0.77 以上。

2 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張分析

2.1 自然地貌分類

合理的地貌分類體系是科學(xué)劃分地貌的基礎(chǔ)，中國(guó)科學(xué)院地理所1978年主持編制的《中國(guó)1∶1 000 000地貌圖制圖規(guī)范(試行)》[4]，采用海拔和地形起伏度將我國(guó)地貌劃分為18個(gè)基本形態(tài)類型，對(duì)大區(qū)域尺度地貌分類具有指導(dǎo)意義。眾多研究表明，在中小尺度區(qū)域應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況確定地貌劃分體系，如《湖北農(nóng)業(yè)地理》[5]依據(jù)海拔、地表形態(tài)和組成物質(zhì)將江漢平原劃分為平原湖區(qū)、平緩崗地和起伏丘陵3種地貌類型。鑒于大冶市海拔差異不大(最高海拔839.19 m，最低海拔11 m)，海拔對(duì)區(qū)域土地利用的限制較小，這里采用地形起伏度和坡度來劃分地貌類型(圖1)。

圖1 大冶市地貌類型分布

地形起伏度指地表一定范圍內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高程差，值的大小與領(lǐng)域選擇密切相關(guān)，根據(jù)郎玲玲等[6]的研究，起伏度隨著統(tǒng)計(jì)單元面積的增大快速增加，到達(dá)一定閾值后增速開始減緩，由陡變緩的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值即為最佳統(tǒng)計(jì)單元，本文采用均值變點(diǎn)法計(jì)算這一閾值，最終確定12×12鄰域?yàn)榇笠笔械貏?shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元，在ArcGIS軟件支持下得到大冶市地形起伏度；常用的坡度算法有4塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法和直接求解法等5種，實(shí)踐表明，擬合曲面法是求解坡度的最佳方法[7]，本文利用擬合曲面法計(jì)算坡度。

針對(duì)大冶市自然地貌分異規(guī)律和當(dāng)?shù)亓?xí)俗稱謂，綜合熟悉當(dāng)?shù)厍闆r專家的意見，將大冶市自然地貌劃分為平畈、緩丘、陡丘和低山4種類型。其中：平畈指地形起伏度小于50 m的區(qū)域；緩丘指地形起伏度介于50～500 m，且坡度小于20度的區(qū)域；陡丘指地形起伏度介于50～500 m，且坡度大于20度的區(qū)域；低山指地形起伏度大于500 m的區(qū)域。經(jīng)GIS分析和統(tǒng)計(jì)，平畈、緩丘、陡丘和低山4類地貌的面積分別為880.32 km2，475.85 km2，175.5 km2，34.63 km2。

2.2 建設(shè)用地時(shí)空變化分析

2.2.1 數(shù)量變化 本文引入建設(shè)用地比重、年均擴(kuò)張面積指數(shù)SI和年均增長(zhǎng)率指數(shù)SR等3個(gè)指標(biāo)定量表達(dá)建設(shè)用地?cái)?shù)量變化特征。其中，SI用來表征建設(shè)用地面積變化的數(shù)量，SR用來表征建設(shè)用地面積變化的速度，計(jì)算公式分別如下：

(1)

(2)

式中：Ss，Se分別表示研究單元某一時(shí)期初始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的建設(shè)用地表面積；d為時(shí)間間隔。

圖2 建設(shè)用地空間擴(kuò)張分布

經(jīng)統(tǒng)計(jì)(表1)，大冶市1995年、2005年和2015年的建設(shè)用地面積分別為129.15 km2，159.33 km2，236.46 km2，建設(shè)用地比重從1995年的8.25%上升到2015年的15.11%，增長(zhǎng)了1.8倍。其中，1995—2005年、2005—2015年兩個(gè)階段的SI分別為3.02 km2/a和7.91 km2/a，SR分別為2.12%和4.11%。均是后一階段大于前一階段，說明大冶市建設(shè)用地呈現(xiàn)出加速擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)(圖2)。

按地貌類型統(tǒng)計(jì)，1995—2005年大冶市平畈區(qū)域建設(shè)用地增加了23.16 km2，SI為2.32 km2/a，SR為2.18%；緩丘區(qū)域建設(shè)用地增加了6.91 km2，SI為0.69 km2/a，SR為2.02%；陡丘區(qū)域建設(shè)用地增加了0.10 km2，SI為0.01 km2/a，SR為0.56%；低山區(qū)域建設(shè)用地增加了0.01 km2，SI為0.001 km2/a，SR為0.25%。2005—2015年平畈區(qū)域建設(shè)用地增加了63.13 km2，SI，SR分別為6.31 km2/a，4.34%；緩丘區(qū)域建設(shè)用地增加了15.51 km2，SI，SR分別為1.55 km2/a，3.47%；陡丘區(qū)域建設(shè)用地增加了0.48 km2，SI，SR分別為0.05 km2/a，2.37%；低山區(qū)域建設(shè)用地增加了0.01 km2，SI，SR分別為0.001 km2/a，1.94%。平畈區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)張表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，其擴(kuò)張面積占總擴(kuò)張面積的比重達(dá)78.9%，且有不斷增大的趨勢(shì)；緩丘區(qū)域擴(kuò)張面積占總擴(kuò)張面積的比重達(dá)20.5%，但有逐步減小的趨勢(shì)；陡丘和低山區(qū)域受地形的影響，擴(kuò)張較為緩慢(圖3)。

表1 不同地貌類型上建設(shè)用地面積 km2

圖3 不同地貌類型上建設(shè)用地?cái)U(kuò)張情況

2.2.2 空間特征 本文采用武鵬飛[8]提出的景觀擴(kuò)張指數(shù)LEI來定量識(shí)別建設(shè)用地的空間擴(kuò)張模式，LEI的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Ao為新增建設(shè)用地斑塊生成的30 m緩沖區(qū)內(nèi)原有建設(shè)用地斑塊面積；Av是緩沖區(qū)內(nèi)除去原有建成區(qū)斑塊剩余的面積；如果LEI≥50，那么該新增斑塊為填充式擴(kuò)張，即新增建設(shè)用地斑塊填充在原有建設(shè)用地斑塊內(nèi)部；如果0

1995—2015年，大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要以邊緣式為主，填充式為輔，邊緣式、填充式和飛地式擴(kuò)張的比重分別為64.7%，25.0%和10.3%。其中，平畈區(qū)域邊緣式擴(kuò)張表現(xiàn)最為明顯，其邊緣式、填充式和飛地式擴(kuò)張的比重分別占66.3%，23.7%和10.0%；緩丘區(qū)域次之，但也是以邊緣式擴(kuò)張為主，其邊緣式、填充式和飛地式擴(kuò)張的比重分別占57.8%，30.4%和11.8%；陡丘和低山區(qū)域則3種擴(kuò)張方式的數(shù)量差異不大(圖4)。

圖4 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張模式空間分布

從1995—2005年和2005—2015年兩個(gè)階段看，大冶市平畈區(qū)域邊緣式、填充式和飛地式擴(kuò)張從1995—2005年的70∶23∶7變?yōu)?005—2015年的65∶24∶11，緩丘區(qū)域則從62∶20∶18變?yōu)?6∶35∶9，邊緣式擴(kuò)張雖然仍是大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的最主要方式，但所占比重在逐漸減小，填充式和飛地式擴(kuò)張開始增多(圖5)。

圖5 不同地貌類型上建設(shè)用地?cái)U(kuò)張模式比例

2.2.3 簡(jiǎn)要評(píng)述 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張受地形影響，平畈和緩丘交通便利，有利于建設(shè)用地發(fā)展，其中大冶市東北部還地橋鎮(zhèn)、羅家橋街道、東岳路街道以及汪仁鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張顯著，這是由于1992年成立了湖北黃石經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，2010年正式升級(jí)為國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，技術(shù)和信息在此處集中，科技創(chuàng)新平臺(tái)在此處建立，高新技術(shù)、高新人才在此處聚集，經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，并且向周邊區(qū)域擴(kuò)散，建成了勁牌工業(yè)園、羅橋工業(yè)園和城西北工業(yè)園為主的三大園區(qū)，因此，20 a間，大冶市東北部建設(shè)用地增長(zhǎng)劇烈。

在城市增長(zhǎng)相位理論中，認(rèn)為城市的發(fā)展主要包括兩種相位：擴(kuò)散和聚合。如果以城市增長(zhǎng)相位理論對(duì)應(yīng)3種擴(kuò)張模式，飛地式增長(zhǎng)可視作擴(kuò)散，而填充式和邊緣式增長(zhǎng)則可視作聚合的過程。1995—2015年，大冶市平畈和緩丘區(qū)域建設(shè)用地整體處于聚合的過程，但同時(shí)為了進(jìn)一步發(fā)展經(jīng)濟(jì)尋找新用地增加了飛地式擴(kuò)張的面積和分布，雖然飛地式增長(zhǎng)可能帶來新的發(fā)展機(jī)會(huì)，但是盲目應(yīng)用會(huì)造成城鎮(zhèn)的無序蔓延，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，產(chǎn)生一系列生態(tài)環(huán)境問題；陡丘和低山受地形影響，建設(shè)用地?zé)o法形成緊湊的增長(zhǎng)形態(tài)。

3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張生態(tài)效應(yīng)

生態(tài)效應(yīng)指人為活動(dòng)造成的環(huán)境污染和環(huán)境破壞引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。本文從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀格局兩個(gè)角度來探討建設(shè)用地?cái)U(kuò)張所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)。

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效應(yīng)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算大都借鑒Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算公式[9]：

(4)

式中：ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；VCij為j類生態(tài)系統(tǒng)i類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)；Aj為j類生態(tài)系統(tǒng)面積。

謝高地等[10]結(jié)合中國(guó)國(guó)情對(duì)Costanza式中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)VCij進(jìn)行了修正，提出了中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表。實(shí)踐中，國(guó)內(nèi)研究者多根據(jù)研究區(qū)域的具體情況，利用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)、降水、GDP指數(shù)、居民消費(fèi)價(jià)格指數(shù)、平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值等對(duì)當(dāng)量因子表進(jìn)行國(guó)家到研究區(qū)的修正[11]。三維地形是最基本的自然地理要素，影響著地表物質(zhì)、能量的分配和土壤、植被的形成和發(fā)育過程，相同面積的地塊，其生態(tài)服務(wù)價(jià)值量會(huì)因地形部位不同而產(chǎn)生差異。同時(shí)，傳統(tǒng)利用遙感數(shù)據(jù)來分析土地利用/覆被變化時(shí)往往忽略了實(shí)際面積與投影面積的差別，在地形起伏較大的區(qū)域，地表面積與投影面積間的差異不可忽略。基于此，本文采用地表表面積代替投影面積，引入地形修正因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)進(jìn)行修正，建立估算模型如下：

(5)

式中：αj為j類生態(tài)系統(tǒng)地形修正因子；Sj為j類生態(tài)系統(tǒng)地表面積。

3.1.1 地表面積計(jì)算 常規(guī)方法所用的面積一般是垂直投影后的面積，而實(shí)際上地形是一個(gè)曲面，與投影面有很大差別。將投影面與曲面劃分為無數(shù)個(gè)柵格，每個(gè)柵格內(nèi)曲面可以看成一傾斜面，單位柵格傾斜面積與投影面積的關(guān)系式可表示為

Si=S0/cosθi=S0×secθi

(6)

式中：Si為單位柵格傾斜面積；S0為單位柵格投影面積；θi為傾斜面與投影面的夾角，即坡度。

假定研究區(qū)域內(nèi)共有n個(gè)柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)投影面積與柵格面積的關(guān)系，單位柵格傾斜面面積與柵格面積的關(guān)系，以及曲面表面積與單位柵格傾斜面面積的關(guān)系可以表示為：

Sp=n×S0

(7)

(8)

式中：Sp表示研究區(qū)投影面積；Sa表示地表表面積。曲面面積等于其投影面積與所有柵格傾斜面坡度正割值平均值的乘積。當(dāng)?shù)匦纹鸱兓瘎×摇⑵露妊鼋窃龃髸r(shí)，坡度正割值也增大，曲面表面積與投影面積的差異就越顯著。

3.1.2 單位面積生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量修正 地形起伏對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)有著重要影響。一方面，地形起伏影響植被類型與分布；另一方面，影響地面徑流變化，從而影響土壤侵蝕量，起伏越大，阻力系數(shù)增大，徑流沿程損失增大，從而削弱徑流侵蝕力。植被、水流、土壤等因子的綜合作用，改變了區(qū)域內(nèi)各組成部分的生態(tài)關(guān)系從而造成不同地形起伏度上相同面積的同類生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值量不同。

坡向?qū)τ谏降厣鷳B(tài)有著較大的作用。一方面，山地的方位影響著日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，陽(yáng)坡和陰坡在溫度、植被等方面的差異常常是很大的；另一方面，坡向?qū)邓挠绊懸埠苊黠@，由于一山之隔，降水量可相差幾倍。由于光照、溫度、雨量、風(fēng)速、土壤質(zhì)地等因子的綜合作用，坡向能夠?qū)χ参锂a(chǎn)生影響，從而引起植物和環(huán)境的生態(tài)關(guān)系發(fā)生變化。

基于上述分析，本文從地形起伏度、坡向兩個(gè)方面構(gòu)建地形修正因子對(duì)耕地、林地、草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)進(jìn)行修正。水域和建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受地形影響較小，其地形修正因子均取值1。未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體不高，這里忽略地形因素的影響，其地形修正因子也取值1。

地形因子修正模型計(jì)算公式如下：

α=P1xai+P2ybi

(9)

式中：xai表示第i級(jí)地形起伏度修正因子；ybi表示第i級(jí)坡向修正因子；P1，P2分別表示各修正因素的權(quán)重，P1=P2=0.5。

地形起伏度、坡向主要影響植物的長(zhǎng)勢(shì)和豐富度，因此本文基于研究區(qū)植被覆蓋指數(shù)來確定每一級(jí)地形起伏度、坡度的修正因子。將地形起伏度小于50 m，坡向?yàn)槠降氐膮^(qū)域修正因子分別定為1，其他級(jí)別的地形起伏度、坡向的修正因子的值則為對(duì)應(yīng)級(jí)別的區(qū)域平均植被覆蓋度與地形起伏小于50 m或坡向?yàn)槠降氐膮^(qū)域平均植被覆蓋度的比值，計(jì)算公式如下：

(10)

將地形起伏度、坡向分別與植被覆蓋度圖層疊加，計(jì)算各修正因子值如表2，3所示。

表2 地形起伏度修正因子

表3 坡向修正因子

3.1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失估算 參考程建等[12]對(duì)長(zhǎng)江流域不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的研究，結(jié)合上述三維地形修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算模型，得到研究區(qū)1995年、2005年和2015年的各類地貌上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失量。

1995—2015年，大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張帶來的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總損失為37 525.56萬(wàn)元，其中，平畈區(qū)域損失27 038.25萬(wàn)元，緩丘區(qū)域損失10 381.63萬(wàn)元，陡丘和低山區(qū)域因?yàn)檎嫉孛娣e較小，損失也很小。考察單位面積建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻膿p失，平畈區(qū)域?yàn)?11萬(wàn)元/km2，緩丘區(qū)域?yàn)?56萬(wàn)元/km2，陡丘區(qū)域?yàn)?41萬(wàn)元/km2，低山區(qū)域?yàn)?76萬(wàn)元/km2，緩丘和低山區(qū)域建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的代價(jià)更高，這與平畈區(qū)域建設(shè)用地主要占用耕地和林地，緩丘區(qū)域主要占用林地和耕地，陡丘區(qū)域主要占用草地和林地，低山區(qū)域主要占用了林地有關(guān)(圖6)。

圖6 不同地貌類型上新增建設(shè)用地占地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失

從1995—2005年、2005—2015年兩個(gè)階段看，受建設(shè)用地?cái)U(kuò)張加速的影響，生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失在整體和各類地貌區(qū)域上均表現(xiàn)出相應(yīng)擴(kuò)大的趨勢(shì)。平畈區(qū)域由于占用水域的比例有所提高，單位面積建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻膿p失加大；緩丘區(qū)域則由于占用耕地的比例開始提高，而占用林地的比例有所降低，單位面積建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻膿p失減小。

3.2 景觀格局效應(yīng)

建設(shè)用地?cái)U(kuò)張勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致景觀單元的類型、數(shù)量以及空間分布上的變化，即景觀格局的變化，通常利用景觀指數(shù)來定量表征這些變化，但傳統(tǒng)的二維景觀格局指數(shù)以二維遙感影像作為數(shù)據(jù)源，忽略了地形對(duì)景觀格局的影響，造成了三維結(jié)構(gòu)生態(tài)學(xué)意義的缺失。

基于此，本文從景觀水平選擇了5個(gè)指數(shù)：平均斑塊面積(MPA)、平均最小鄰近距離(MENN)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指標(biāo)(SHDI)、香農(nóng)均一度指數(shù)(SHEI)，采用上節(jié)介紹的方法計(jì)算各景觀斑塊的表面積，斑塊表面周長(zhǎng)的計(jì)算原理與面積類似，首先提取各斑塊的邊界線，然后將矢量的斑塊邊界線與DEM 數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算出斑塊各邊界的表面長(zhǎng)度，最后加和求得各斑塊的表面周長(zhǎng)。根據(jù)各斑塊的表面面積，表面周長(zhǎng)及相關(guān)計(jì)算公式，可以算出各3 D景觀指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

從MPA和CONTAG來看，平畈和緩丘區(qū)域總體小于陡丘和低山區(qū)域，說明平畈和緩丘區(qū)域景觀破碎程度較高。1995—2015年，各類地貌區(qū)域MPA和CONTAG值均持續(xù)減小，說明建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致大斑塊數(shù)量減少，小斑塊數(shù)量增多，景觀的破碎程度增加。

表4 不同地貌類型上三維景觀格局指數(shù)變化情況

從MENN來看，平畈和緩丘區(qū)域明顯小于陡丘和低山區(qū)域，說明平畈和緩丘區(qū)域同類型斑塊間距近，呈團(tuán)聚分布，而陡丘和低山區(qū)域由于林地斑塊面積大，分布廣，導(dǎo)致其他類型斑塊間距離較遠(yuǎn)。1995—2015年，平畈和緩丘區(qū)域MENN值先增大后減小，說明1995—2005年建設(shè)用地對(duì)其他類型斑塊的占用導(dǎo)致同類型斑塊距離的增大，而2005—2015年新增的建設(shè)用地與原有建設(shè)用地有很好的連接性，增加了團(tuán)聚程度；陡丘和低山區(qū)域MENN值在1995—2005年幾乎沒有變化，說明新增建設(shè)用地對(duì)原有格局影響不大，而2005—2015年MENN值開始變大，說明新增的建設(shè)用地團(tuán)聚程度低。

從SHDI和SHEI來看，平畈和緩丘區(qū)域均大于陡丘和低山區(qū)域，SHDI值越大，說明斑塊類型增加或各拼塊類型在景觀中呈均衡化趨勢(shì)分布，SHEI值越小，說明景觀受到優(yōu)勢(shì)拼塊類型所支配，平畈和緩丘區(qū)域各類斑塊分布較均勻，而陡丘和低山區(qū)域景觀受林地斑塊所支配，耕地、水域斑塊較少。1995—2015年，平畈區(qū)域SHDI和SHEI均先增大后減小，說明1995—2005年建設(shè)用地的擴(kuò)張使得景觀分布更均衡，而2005—2015年建設(shè)用地的擴(kuò)張降低了景觀的均衡度；緩丘區(qū)域SHDI和SHEI持續(xù)增大，說明建設(shè)用地的擴(kuò)張?jiān)黾恿烁黝惏邏K的均衡；陡丘和低山SHDI和SHEI也持續(xù)增大，說明建設(shè)用地對(duì)林地的占用，開始削弱林地的主導(dǎo)地位。

4 結(jié) 論

(1) 1995—2015年，大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張存在逐漸加速的趨勢(shì)，并具有明顯的空間異質(zhì)性，平畈區(qū)域擴(kuò)張強(qiáng)烈且所占比重不斷增大，緩丘區(qū)域擴(kuò)張較強(qiáng)但所占比重有減小的趨勢(shì)，陡丘和低山區(qū)域受地形的影響，擴(kuò)張較為緩慢。從擴(kuò)張模式看，大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張以邊緣式為主，填充式為輔，受地形條件影響，不同區(qū)域存在差異，平畈和緩丘區(qū)域邊緣式擴(kuò)張占有優(yōu)勢(shì)地位，但所占比重在減小，填充式和飛地式擴(kuò)張開始增多，陡丘和低山區(qū)域邊緣式、填充式和飛地式擴(kuò)張數(shù)量則一直差異不大。

(2) 考慮三維地形的影響，從地形起伏度和坡向兩個(gè)角度，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)單價(jià)進(jìn)行修正，能夠更為客觀和準(zhǔn)確地反映不同地形部位生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值。根據(jù)修正后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值模型測(cè)算得到，大冶市1995—2015年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張帶來的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總損失為37 525.56萬(wàn)元，平畈和緩丘區(qū)域因建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占地比例大，所以總損失也大，而緩丘和低山區(qū)域占用林地比例較高，故單位建設(shè)用地?cái)U(kuò)張代價(jià)更高。從1995—2005年、2005—2015年兩個(gè)階段看，平畈區(qū)域因占用水域比例有所提高導(dǎo)致單位面積建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻膿p失加大，而緩丘區(qū)域則由于占用耕地的比例開始提高，而占用林地的比例有所降低，單位面積建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻膿p失減小。

(3) 從1995年、2005年、2015年的三維景觀格局指數(shù)變化看，大冶市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致各類地貌區(qū)域的景觀破碎程度均持續(xù)增加。在平畈和緩丘區(qū)域，新增建設(shè)用地與原有建設(shè)用地的連通性在開始改善，但平畈區(qū)域的景觀均衡性從前期的增強(qiáng)變?yōu)楹笃诘臏p弱，緩丘區(qū)域的景觀均衡性則持續(xù)增強(qiáng)；在陡丘和低山區(qū)域，新增建設(shè)用地團(tuán)聚程度低，林地的主導(dǎo)地位開始削弱。