港口時(shí)空演化對(duì)區(qū)域景觀格局影響研究

郭子堅(jiān)，劉俊舒，王文淵，張 祺（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

港口時(shí)空演化對(duì)區(qū)域景觀格局影響研究

郭子堅(jiān)，劉俊舒，王文淵，張 祺
（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

港口建設(shè)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(tài)學(xué)理論，應(yīng)用Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，提出港口城市景觀格局分析方法，以大連市大窯灣區(qū)域?yàn)槔?，?duì)1990—2015年期間2.5～10 km不同緩沖區(qū)的遙感影像進(jìn)行土地利用分類，進(jìn)行景觀格局指數(shù)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行影響模式分析和緩沖區(qū)分析，并提出水域監(jiān)管、生態(tài)廊道建設(shè)、物種保護(hù)的措施建議。揭示了港口時(shí)空演化對(duì)區(qū)域景觀格局的影響，對(duì)港口生態(tài)、港城互動(dòng)、生態(tài)廊道建設(shè)等研究有借鑒意義。

景觀格局；時(shí)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(xiàn)異質(zhì)性的具體表現(xiàn)。對(duì)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(tài)學(xué)理論入手，分析了道路對(duì)景觀的影響，并提出了基于格局和過程的生態(tài)環(huán)境指數(shù)，進(jìn)而得出道路綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法。Ouml等［2］通過景觀連接度建立模型，幫助生態(tài)學(xué)者、環(huán)保規(guī)劃和決策者在景觀格局方面維護(hù)物種擴(kuò)散和生態(tài)流動(dòng)。陳利頂?shù)龋?］系統(tǒng)總結(jié)了城市化過程對(duì)景觀格局演變的影響，分析了城市景觀格局演變的生態(tài)服務(wù)效應(yīng)等方面的研究進(jìn)展。

港口區(qū)域是城市不可缺少的功能區(qū)域，是港口城市景觀的重要組成部分［4］。目前港口建設(shè)對(duì)區(qū)域景觀格局的影響研究集中在單一港口項(xiàng)目建設(shè)，單一生態(tài)系統(tǒng)，鮮有對(duì)港口時(shí)空演化對(duì)區(qū)域景觀格局的影響的研究。周然等［5］對(duì)鴨綠江口濕地的土地利用狀況進(jìn)行景觀分類，利用Landsat TM影像進(jìn)行人機(jī)交互式判讀解譯，獲得了該區(qū)域現(xiàn)狀和丹東港規(guī)劃完成后景觀解譯圖，并開展了港口建設(shè)對(duì)濕地景觀格局的影響及其生態(tài)效應(yīng)的評(píng)估。浦靜姣等［6］以營(yíng)口港為例，基于GIS的港口總體規(guī)劃景觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)，分析了港口地區(qū)景觀結(jié)構(gòu)在規(guī)劃實(shí)施前后的特征及其變化，并探討了港區(qū)景觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)海岸帶生態(tài)過程可能產(chǎn)生的影響。

本文應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)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(qū)域?yàn)槔?，?duì)1990—2015年期間2.5～10 km不同緩沖區(qū)的遙感影像進(jìn)行土地利用分類，進(jìn)行景觀格局指數(shù)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行影響模式分析和緩沖區(qū)分析，提出改進(jìn)措施。

1 港口區(qū)域用地類型分類

本研究以美國(guó)NASA發(fā)射的Landsat衛(wèi)星獲取的TM/ETM+影像為數(shù)據(jù)源，分辨率為30 m×30 m，應(yīng)用遙感處理軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何糾正和正射校正，并執(zhí)行支持向量機(jī)（Support Vector Machine Classification）的監(jiān)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(qū)域土地利用類型的劃分及含義

2 港口區(qū)域景觀格局指標(biāo)體系確定

景觀格局分析通常采用景觀生態(tài)學(xué)景觀指標(biāo)作為定量指標(biāo)進(jìn)行分析，通?？稍?個(gè)水平上計(jì)算景觀指數(shù)，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(biāo)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(shù)LSI、聚集/分散度指數(shù)SPLIT和MESH、均勻度指數(shù)SHEI和MSIEI。各指標(biāo)的生態(tài)意義及描述如下。

2.1 面積指數(shù)

1）斑塊類型面積CA

CA度量的是景觀的組分，也是計(jì)算其它指標(biāo)的基礎(chǔ)。它有很重要的生態(tài)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(shù)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(jì)算的是某一斑塊類型占整個(gè)景觀的面積的相對(duì)比例，因而是幫助我們確定景觀中模地（Matrix）或優(yōu)勢(shì)景觀元素的依據(jù)之一，也是決定景觀中的生物多樣性、優(yōu)勢(shì)種和數(shù)量等生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的重要因素。

PLAND等于某一斑塊類型的總面積占整個(gè)景觀面積的百分比。

2.2 形狀指數(shù)

面積加權(quán)平均形狀指數(shù)LSI：

LSI是斑塊周長(zhǎng)與相同面積圓形斑塊周長(zhǎng)之比。當(dāng)LSI數(shù)值越大，說明斑塊形狀越復(fù)雜。

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

2.3 景觀聚集/分散度指數(shù)

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(gè)單純表示某個(gè)獨(dú)立格局特征的指數(shù)，而是一個(gè)融合了斑塊面積、形狀和邊緣的綜合性指數(shù)。

1）SPLIT

SPLIT表示根據(jù)某類斑塊在整個(gè)景觀中的加權(quán)平均面積計(jì)算的有效網(wǎng)格數(shù)，當(dāng)某斑塊類型或景觀由許多小斑塊構(gòu)成時(shí)，SPLIT較大，說明該類斑塊呈現(xiàn)較強(qiáng)的破碎化，或者該景觀為細(xì)粒景觀。

式中：A為整個(gè)景觀的面積；aij為斑塊ij的面積。

2）MESH

MESH與 SPLIT相對(duì)，表示將某類斑塊分為SPLIT個(gè)時(shí)，斑塊的平均大小。

2.4 均勻度指數(shù)

均勻度指數(shù)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(shù)SHEI

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

2）修正Simpson’s均勻度指數(shù)MSIEI

式中各符號(hào)含義同上。

3 算例與分析

選取大連市大窯灣區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，收集1990、1995、2000、2005、2010、2015六年的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并分別對(duì)2.5 km、5 km、7.5 km、10 km四個(gè)不同緩沖區(qū)進(jìn)行分析，執(zhí)行上述土地類型分類方法，以10 km緩沖區(qū)為例，各年的土地類型分類結(jié)果如圖1。

圖1 各年的土地類型分類結(jié)果

對(duì)各年不同緩沖區(qū)的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀格局指數(shù)計(jì)算，目前普遍使用的景觀格局指數(shù)計(jì)算軟件是美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的Fragstats，F(xiàn)ragstats計(jì)算精度較高，界面也更易于操作。以10 km緩沖區(qū)為例，計(jì)算得出的景觀格局指數(shù)見表2和表3。

表2 10 km緩沖區(qū)斑塊類型水平景觀指數(shù)

表3 10 km緩沖區(qū)景觀水平景觀指數(shù)

3.1 景觀格局指數(shù)分析

由表2可以看出，1990至2015年期間大窯灣區(qū)域水域、植被、山地或荒地3種生態(tài)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(yōu)勢(shì)斑塊，在港口時(shí)空演變因素驅(qū)動(dòng)下，斑塊所占景觀比例下降幅度最大，達(dá)到22.64 %。而城市用地斑塊類型和港區(qū)斑塊類型分別增長(zhǎng)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(shù)LSI從1990年至2015年呈下降趨勢(shì)，說明區(qū)域斑塊復(fù)雜性降低；聚集/分散度指數(shù) SPLIT呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，MESH呈先下降后增長(zhǎng)趨勢(shì)，說明區(qū)域景觀格局的破碎程度先增加后減少；均勻度指數(shù)SHEI和MSIEI均呈緩慢下降趨勢(shì)，說明區(qū)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(qū)SPLIT變化

圖3 不同緩沖區(qū)MESH變化

由景觀聚集/分散度指數(shù)SPLIT和MESH變化（圖2、圖3）可以看出，大窯灣區(qū)域在2005年景觀格局的破碎化達(dá)到最大，2005年后空間格局緩慢聚集。相關(guān)學(xué)者有過類似景觀格局變化模式研究［7］，本研究認(rèn)為大窯灣區(qū)域的港口時(shí)空演變?yōu)橹饕?qū)動(dòng)因素對(duì)區(qū)域景觀格局的影響經(jīng)歷以下階段：

1）破碎階段：港口建設(shè)初期，原生態(tài)景觀為優(yōu)勢(shì)景觀，由于港口的驅(qū)動(dòng)因素，城市化向大窯灣區(qū)域發(fā)展，原景觀出現(xiàn)碎裂，區(qū)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(duì)鳥類、爬行動(dòng)物與小型哺乳動(dòng)物的生存造成影響［8，9］。指數(shù)上表現(xiàn)為SPLIT呈現(xiàn)較大值，而MESH較小。如大窯灣區(qū)域1990年—1995年階段。

2）聚集階段：港口建設(shè)高速發(fā)展帶動(dòng)城市化進(jìn)程加快，港城互動(dòng)大幅增加，造成原以植被、山地或荒地和水域的生態(tài)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(tài)斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫睾透蹍^(qū)用地，區(qū)域景觀破碎化水平降低。如大窯灣區(qū)域的1995年—2005年階段。

3）平穩(wěn)階段：港口驅(qū)動(dòng)因素城市化發(fā)展達(dá)到飽和，破碎化的生態(tài)用地較小斑塊逐漸消失，破碎化水平趨于平穩(wěn)或稍有回落。如大窯灣區(qū)域的2005年—2015年階段。

3.3 景觀格局影響緩沖區(qū)分析

將區(qū)域緩沖區(qū)分為2.5 km、5 km、7.5 km和10 km。以優(yōu)勢(shì)景觀為研究對(duì)象，以城市用地和陸域生態(tài)用地（植被和山地或荒地）斑塊平均變化率為依據(jù)，經(jīng)計(jì)算，各緩沖區(qū)斑塊呈明顯梯度變化，7.5 km內(nèi)研究對(duì)象斑塊類型平均累計(jì)變化為82 %，7.5～10 km區(qū)域只占18 %。本研究認(rèn)為港口時(shí)空演變對(duì)區(qū)域景觀格局的主要影響范圍為7.5 km。

3.4 措施建議

加強(qiáng)水域監(jiān)管，港口水域是港口生態(tài)承載力的主要來源［10］，對(duì)填海造地項(xiàng)目進(jìn)行更加嚴(yán)格的論證和監(jiān)管，對(duì)水域污染加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和整治；生態(tài)廊道建設(shè)，生態(tài)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(qiáng)生態(tài)廊道建設(shè)，大幅提升區(qū)域生態(tài)流動(dòng)，對(duì)區(qū)域物種多樣性，生態(tài)穩(wěn)定性等有重要意義；重視物種保護(hù)，對(duì)國(guó)家自然保護(hù)區(qū)實(shí)行嚴(yán)格監(jiān)管，嚴(yán)禁將國(guó)家自然保護(hù)區(qū)劃入港口規(guī)劃。

4 結(jié) 論

本研究應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)理論，建立港口為驅(qū)動(dòng)因素的區(qū)域景觀格局指數(shù)體系，并以大連市大窯灣區(qū)域?yàn)槔?，?jì)算并分析了大窯灣區(qū)域的景觀格局指數(shù)，探究大窯灣區(qū)域港口時(shí)空演變?yōu)轵?qū)動(dòng)因素的區(qū)域景觀格局“破碎-聚集-平穩(wěn)”的影響模式，并以優(yōu)勢(shì)景觀類型變化為依據(jù)對(duì)景觀格局影響緩沖區(qū)進(jìn)行分析，得出了港口對(duì)區(qū)域景觀格局的主要影響范圍為7.5 km，此外對(duì)港口區(qū)域生態(tài)景觀改進(jìn)提出措施建議。

［1］劉世梁，楊志峰，崔保山，等.道路對(duì)景觀的影響及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)—以瀾滄江流域?yàn)槔跩］.生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（8）：897-901.

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［4］付博新.港口景觀設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

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

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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(jiān)（1965-），男，教授，主要從事港口規(guī)劃與港口物流研究。