基于rs與gis的城市森林景觀格局比較研究基于RS和GIS的馬鞍山市分區(qū)城市森林景觀格局綜合評價

城市綠化是城市環(huán)境建設(shè)的重要方面。隨著城市的發(fā)展,我國的城市綠化建設(shè)進入了一個快速發(fā)展階段,但從總體水平來看,我國與發(fā)達國家仍有明顯差距,城市森林的覆蓋率、人均擁有綠地面積、城市(尤其是大城市)中大面積連片的綠地量、城市生物多樣性等水平都比較低。因此,越來越多的人對城市森林表示關(guān)注,城市森林成為我國城市綠化建設(shè)中的重要內(nèi)容。近年來,我國積極發(fā)展城市森林,一些城市還提出建設(shè)“森林城市”的目標(biāo)。城市森林是城市景觀中的一個重要元素,其種類、結(jié)構(gòu)、分布同樣受到城市地理、形態(tài)、經(jīng)濟水平以及經(jīng)營管理的影響,同時在改善城市環(huán)境、提高城市居住質(zhì)量上發(fā)揮著不可替代的作用。目前對城市森林的研究多數(shù)在生態(tài)系統(tǒng)的水平上,著重結(jié)構(gòu)、功能與效益等方面,如美國芝加哥及薩克拉曼多城市森林的氣候效應(yīng)研究、北京市城市森林結(jié)構(gòu)及其緩解大氣污染的效益研究、合肥城市森林結(jié)構(gòu)和生態(tài)效益以及沈陽城市森林生態(tài)系統(tǒng)研究等。然而,由于受到人類的強烈干擾,城市森林景觀表現(xiàn)為規(guī)模的破碎性、空間布局的梯度性和異質(zhì)性以及能量流動的復(fù)雜性等特點,不同區(qū)域城市森林分異特征明顯,景觀系統(tǒng)優(yōu)劣程度差異很大。近年來一些學(xué)者從景觀生態(tài)學(xué)的角度,對城市森林的空間格局展開研究,如北京東靈山景觀格局及破碎度評價、余杭市森林景觀格局研究、合肥市區(qū)城市森林景觀格局研究、烏魯木齊市城市綠地景觀空間分布特征研究等。因此,為了進一步優(yōu)化城市森林的景觀格局,充分發(fā)揮其生態(tài)效益和游憩效益,科學(xué)指導(dǎo)城市森林的建設(shè)和管理,從景觀的尺度上,基于量化的景觀格局指數(shù)建立相應(yīng)的綜合評價指標(biāo)體系,選擇合理的評價方法,開展城市森林結(jié)構(gòu)評價研究,顯得尤為重要。本文以馬鞍山市為例,選用高分辨率的QuickBird衛(wèi)星影像圖,在ArcGIS軟件的支持下,對馬鞍山市建成區(qū)內(nèi)3個行政區(qū)的城市森林景觀斑塊進行分析;在此基礎(chǔ)上選取具有代表性的景觀指數(shù),運用3種客觀賦權(quán)的方法進行綜合評價和比較。研究結(jié)果可為城市森林指標(biāo)體系的建立提供參考,同時也為探討長江典型沿江工業(yè)城市的城市森林結(jié)構(gòu)、整體布局以及環(huán)境功能優(yōu)化提供理論依據(jù)。1中國工業(yè)和城市園林城市馬鞍山市位于安徽省東部,屬北亞熱帶季風(fēng)型濕潤氣候。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉與落葉闊葉混交林。馬鞍山市是我國十大鋼鐵工業(yè)基地之一、安徽省重要的工業(yè)和港口城市、國家園林城市。地理位置為118°24′30″～118°41′23″E,31°36′38″～31°46′54″N;西臨長江,東接丘陵,低丘與長江之間是狹長的階地和河漫灘;建成區(qū)范圍內(nèi)間斷分布著一些山丘,形成了“九峰環(huán)一湖,翠螺出大江”的秀麗自然景觀。為了重點探討城市人居生態(tài)林的空間格局,結(jié)合遙感數(shù)據(jù)源的范圍,本文研究范圍為馬鞍山建成區(qū),面積為63.08km2,由金家莊區(qū)、雨山區(qū)和花山區(qū)構(gòu)成。2學(xué)習(xí)方法2.1遙感解譯方法遙感數(shù)據(jù)主要為馬鞍山建成區(qū)范圍內(nèi)QuickBird全色波段正射遙感影像圖(成像時間為2003年7月3日,分辨率為0.61m),以及同時期的LandsatTM遙感影像圖和數(shù)字化地形圖。遙感解譯采用人機交互解譯的方法,并應(yīng)用手持式GPS進行不同地類的驗證。經(jīng)檢驗,分類精度為88.3%,Kappa系數(shù)為0.75,精度滿足后續(xù)工作的需要。2.2森林景觀的概念本文中景觀類型的劃分以我國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)為依據(jù)。根據(jù)研究區(qū)域的特點,采用城市森林的結(jié)構(gòu)研究模式將馬鞍山市的景觀類型劃分為:建筑用地、道路、城市森林、一般綠地、農(nóng)田和水面6大類。本文將樹冠覆蓋率在30%以上的片狀綠地定義為城市森林(斑塊),樹冠覆蓋率在30%以下的為一般綠地;道路屬于硬質(zhì)鋪裝地面,但廊道景觀則單獨歸類;農(nóng)田主要是指分布在城區(qū)邊緣的菜田和水田等,是城市發(fā)展過程中殘留的農(nóng)業(yè)用地;水體包括湖泊、水塘、面積較大的魚塘以及河道。另外,城市森林根據(jù)不同面積大小,可分為:小型城市森林斑塊(250～500m2)、中型城市森林斑塊(500～2000m2)、大型城市森林斑塊(2000～10000m2)、特大型城市森林斑塊(10000～50000m2)、巨型城市森林斑塊(>50000m2)。2.3景觀指數(shù)的計算公式和生態(tài)意義運用ArcGIS軟件建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫,選取景觀要素面積比例、分離度指數(shù)、多樣性指數(shù)、斑塊密度指數(shù)、斑塊形狀指數(shù)以及景觀要素優(yōu)勢度等景觀指數(shù),具體計算公式和生態(tài)意義見表1。2.4確定各指標(biāo)權(quán)重城市森林景觀格局綜合評價實際上是對景觀指數(shù)特征進行分析與綜合,是一個多目標(biāo)決策問題。多指標(biāo)綜合評價問題關(guān)鍵在于如何合理確定各個指標(biāo)的權(quán)重。確定權(quán)重的方法主要有兩大類:一類是主觀賦權(quán)法,如Delphi法、專家評分法、層次分析法等;另一類是客觀賦權(quán)法,如熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、CRITIC法、主成分分析法、模糊綜合評判法等。各種不同的方法也因其計算方法的不同而使指標(biāo)的權(quán)重大小不同。本文以馬鞍山為例就客觀權(quán)重賦權(quán)法中的熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法和CRITIC法進行分析比較,探討客觀賦權(quán)法在建立城市森林景觀格局評價體系中的應(yīng)用。2.4.1評價指標(biāo)體系的選擇針對馬鞍山市建成區(qū)范圍內(nèi)城市森林景觀特點,從斑塊的數(shù)量、規(guī)模、連接程度、空間布局等方面,選用城市森林覆蓋率、分離度指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)、斑塊密度指數(shù)、斑塊形狀指數(shù)等5個評價指標(biāo),對金家莊區(qū)、雨山區(qū)、花山區(qū)進行城市森林景觀格局綜合評價。2.4.2評估方法1評價指標(biāo)的信息熵熵原本是一個熱力學(xué)概念,最先由Shannon引入信息論。如果某個指標(biāo)的信息熵越小,就表明其指標(biāo)值的變異程度越大,提供的信息量越大,在綜合評價中所起的作用越大,則其權(quán)重也應(yīng)越大。指標(biāo)的信息熵可用下式求得:Ej=-(lnm)-1m∑i=1ΡijlnΡijΡij=dijm∑i=1dijWj=1-Ein-n∑j=1Ejj=1?2???n;i=1?2???m式中,Ej為第j項指標(biāo)的信息熵;m為被評價對象的數(shù)目,m=3;n為評價指標(biāo)數(shù)目,n=5;dij為第i個對象第j項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值;Wj為第j項指標(biāo)的權(quán)重。2各類基因指標(biāo)的變異程度,應(yīng)根據(jù)其指標(biāo)值的變標(biāo)準(zhǔn)離差法的計算原理與熵權(quán)法相似,如果某個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差越大,就表明其指標(biāo)值的變異程度越大,提供的信息量越大,在綜合評價中所起的作用越大,則其權(quán)重也應(yīng)越大。Wj=σjn∑i=1σjj=1,2,??n式中,σj為第j項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。3評價指標(biāo)的選取CRITIC(criteriaimportancethroughintercriteriacorrelation)法是由Diakoulaki提出的一種客觀權(quán)重賦權(quán)方法。它的基本思路是確定指標(biāo)的客觀權(quán)重以兩個基本概念為基礎(chǔ)。一是對比強度,它表示了同一個指標(biāo)各個評價方案之間取值差距的大小,以標(biāo)準(zhǔn)差的形式表現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)差越大各方案之間取值差距越大。二是評價指標(biāo)之間的沖突性,指標(biāo)之間的沖突性是以指標(biāo)之間的相關(guān)性為基礎(chǔ),如兩個指標(biāo)之間具有較強的正相關(guān),說明兩個指標(biāo)沖突性較低。指標(biāo)的客觀權(quán)重確定就是以對比強度和沖突性來綜合衡量的。Cj=σjn∑t=1(1-rtj)Wj=Cj5∑j=1Cjj=1,2,??n(n=5)式中,rtj為指標(biāo)j和指標(biāo)t的相關(guān)系數(shù),Cj表示第j個評價指標(biāo)所包含的信息量。通過3種客觀權(quán)重賦權(quán)的方法,分別確定各指標(biāo)的權(quán)重Wj,最后計算得出每個區(qū)域城市森林景觀格局的綜合指數(shù)(urbanforestlandscapestructurecomprehensiveindex,UFLS):U=5∑j=1Wjdj式中,U為城市森林景觀格局綜合指數(shù)UFLS,dj為第j項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。3結(jié)果與分析3.1森林斑塊與城市森林景觀資源馬鞍山市的地貌特征比較復(fù)雜,丘陵、河湖、平原鑲嵌形成了多樣性高、自組織程度較好的城市景觀。遙感影像判讀結(jié)果表明,研究區(qū)范圍內(nèi)建筑用地占整個景觀的63.1%、道路2.4%,全部硬質(zhì)地面達到65.5%,成為景觀的背景;城市森林斑塊數(shù)目為2500塊,總面積1112.6hm2,占整個城市景觀的17.6%;城市森林的景觀要素優(yōu)勢度為0.48,僅次于建筑用地(0.57),表明城市森林與建筑用地的景觀優(yōu)勢度接近,已具有較好的環(huán)境控制能力。此外,根據(jù)城市森林斑塊的不同面積分類,馬鞍山城市森林景觀多樣性為1.58,優(yōu)勢度為0.74,其中面積大于5hm2的城市森林面積占總面積的65.54%,表明大面積的森林斑塊構(gòu)成了城市森林的主體。城市森林主要由城市西側(cè)沿江的大面積的森林斑塊組成,多為20世紀(jì)50—60年代營造的林地,現(xiàn)已成為馬鞍山的主要風(fēng)景資源。這些島狀的城市森林大斑塊對城市森林的形成起著關(guān)鍵的作用,在凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候、維持城市生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。3.2雨山區(qū)的森林質(zhì)量馬鞍山市轄3區(qū)中,金家莊區(qū)的面積最大,為2888.1hm2,主要是沿江的馬鞍山鋼鐵股份有限公司工業(yè)區(qū)和連續(xù)分布的大片農(nóng)田;雨山區(qū)位于中心城區(qū),面積為2310.1hm2,城市森林斑塊的土地?fù)碛新氏鄬^高,有諸如雨山公園這樣的大型游憩林;花山區(qū)位于城市東部,主要為城市居住用地,面積約為1117.2hm2。3.2.1花山區(qū)和雨山區(qū)景觀分布現(xiàn)狀分析結(jié)果表明(表2):在3個行政區(qū)域中,建筑用地為花山區(qū)最高(71.6%),其次分別為雨山區(qū)和金家莊區(qū)。其中花山區(qū)多為居住用地,建筑密度較大;而金家莊區(qū)主要為馬鞍山鋼鐵股份有限公司工業(yè)區(qū)。道路面積比例依然是花山區(qū)最高(6.9%),遠(yuǎn)高于雨山區(qū)和金家莊區(qū)。農(nóng)田景觀分布主要集中在金家莊區(qū)和雨山區(qū),分別占20.1%和9%,花山區(qū)內(nèi)幾乎沒有農(nóng)田(僅為0.4%),反映了馬鞍山城市化東擴方向的特點。水體景觀,3區(qū)相差不大,其中花山區(qū)最高(5.6%)。一般綠地景觀面積比例在花山區(qū)內(nèi)最高(0.6%),金家莊區(qū)和雨山區(qū)僅為0.4%和0.2%。城市森林景觀在雨山區(qū)中面積比例最大(22.6%),其他兩個區(qū)較為接近,金家莊區(qū)為14.7%,花山區(qū)為14.9%。3個區(qū)域的城市景觀多樣性指數(shù)分別為花山區(qū)1.33、雨山區(qū)1.46、金家莊區(qū)1.63。其差異主要是由于城市不同功能組團的人為干擾驅(qū)動差異所產(chǎn)生的。3.2.2城市森林斑塊的連接度、破碎化程度和景觀多樣性3個區(qū)域的城市森林斑塊分布見圖1。景觀格局指數(shù)分析結(jié)果見表3～4。金家莊區(qū)擁有城市森林斑塊959個,是研究區(qū)城市森林斑塊數(shù)的38.4%,占金家莊區(qū)土地面積的14.7%,是3個區(qū)中城市森林斑塊土地?fù)碛忻娣e最小的區(qū)。由于該區(qū)為馬鞍山鋼鐵股份有限公司所在地,建廠時綠化預(yù)留地少,雖然經(jīng)過多年努力,城市森林整體面積仍較少;城市森林斑塊平均面積為0.44hm2,其中大面積的城市森林斑塊主要由苗圃、風(fēng)景林以及防護林構(gòu)成;斑塊形狀指數(shù)為24,較為規(guī)則;分離度指數(shù)比雨山區(qū)和花山區(qū)都高,為0.63,表明其城市森林斑塊間的連接度最低;斑塊密度指數(shù)為2.26個/hm2,其破碎化程度處于雨山區(qū)和花山區(qū)之間;城市森林景觀多樣性為1.56,僅次于花山區(qū),其巨型城市森林斑塊面積總和為281.5hm2,占總面積的66%。雨山區(qū)擁有城市森林斑塊940個,是研究區(qū)城市森林斑塊數(shù)的37.6%,占雨山區(qū)土地面積的22.6%,在3個區(qū)中比例最高,說明雨山區(qū)的總體綠化建設(shè)力度較大,環(huán)境條件較好。此外雨山區(qū)平均城市森林斑塊面積最大,破碎度最小,連接度最大;該區(qū)城市森林的分離度指數(shù)和斑塊密度指數(shù),均為3個區(qū)中最低的,分別為0.17和1.80個/hm2,具有較好的景觀格局。巨型和特大型的城市森林斑塊面積占到該區(qū)城市森林總面積的81%,其原因主要是該區(qū)擁有較多的游憩林和風(fēng)景林地,如采石磯、西山、九華山、雨山等,因此該區(qū)城市森林的景觀多樣性最低,為1.26,斑塊形狀指數(shù)也為最低,為22?；ㄉ絽^(qū)擁有城市森林斑塊601個,是研究區(qū)城市森林斑塊數(shù)的24.0%,占花山區(qū)土地面積的14.9%,城市森林覆蓋率較低,與金家莊區(qū)相近;城市森林斑塊的平均面積最低,為0.28hm2;斑塊密度指數(shù)最高,為3.61個/hm2,城市森林破碎化程度最高,其原因主要是該區(qū)建筑密度大,存在大量成帶狀分布的道路林和零散分布的庭院林,且中小面積尺度的道路林和庭院林在該區(qū)占有一定比例,因此城市森林景觀多樣性指數(shù)最高,為1.97。與另外兩個區(qū)比較,該區(qū)缺少風(fēng)景林地,大面積城市森林斑塊主要由游憩林構(gòu)成,如雨山湖公園、佳山公園、花果山等。此外,該區(qū)城市森林受人為干擾最大,斑塊形狀指數(shù)最高,相對其他兩個區(qū)較復(fù)雜,城市森林的生態(tài)邊緣效益明顯,游憩林的可達性較好。3.3各行政區(qū)城市森林景觀結(jié)構(gòu)的綜合評價3.3.1數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值由于原始數(shù)據(jù)量綱不同,為了便于比較分析,將各指標(biāo)的實際觀測值轉(zhuǎn)化為無量綱的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)以下公式對原始數(shù)據(jù)進行處理,得到各數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值(見表5)。x′i=xi-xminxmax-xmin正向關(guān)系評價指標(biāo)為城市森林覆蓋率(x1)、城市森林景觀多樣性指數(shù)(x4)和城市森林斑塊形狀指數(shù)(x5)。x′j=xmax-xjxmax-xmin負(fù)向關(guān)系評價指標(biāo)為城市森林斑塊密度指數(shù)(x2)和城市森林分離度指數(shù)(x3)。3.3.2標(biāo)準(zhǔn)離差法的權(quán)重排序根據(jù)3種客觀賦權(quán)的計算方法,得出各指標(biāo)的權(quán)重值(見表6)。熵權(quán)法的權(quán)重排序為:x1(0.31)>x4(0.19)>x5(0.18)>x2(0.16),x3(0.16);標(biāo)準(zhǔn)離差法的權(quán)重排序為:x1(0.21),x3(0.21)>x2(0.20)>x4(0.19),x5(0.19);CRITIC法的權(quán)重排序為:x3(0.40)>x2(0.16)>x1(0.15),x4(0.15)>x5(0.14)。3.3.3斑塊結(jié)構(gòu)與布局綜合評價結(jié)果表明(見表7),3種評價方法的結(jié)果相同,雨山區(qū)分值最高,其次為花山區(qū),金家莊區(qū)最低。此結(jié)果很好地說明,雨山區(qū)城市森林景觀斑塊結(jié)構(gòu)與布局比較合理,城市森林景觀綜合狀況最佳;花山區(qū)的城市森林斑塊結(jié)構(gòu)與布局的合理性相對較差,但其城市森林景觀多樣性較高,各個尺度的森林斑塊分布均勻,城市森林邊緣效益明顯;金家莊區(qū)城市森林覆蓋率最低,且斑塊間連接度低,空間分離度最高,城市森林對整個景觀的控制力相對較低,因而其綜合評價結(jié)果最低。然而,從馬鞍山市整體情況上看,城市森林斑塊的結(jié)構(gòu)及分布還是比較理想的,城市森林景觀格局綜合狀況比較好。4森林景觀格局的空間格局問題1)馬鞍山市建成區(qū)主要景觀要素有6類,建筑用地占總面積的63.1%,是景觀的基質(zhì);城市森林占到17.6%,其景觀要素優(yōu)勢度為0.48,僅次于建筑用地(0.57),表明城市森林已具有較高的環(huán)境控制能力。2)3個區(qū)域中,斑塊數(shù)目最多的為城市森林景觀,且主要由面積大于1hm2的大型斑塊和巨型斑塊構(gòu)成。雨山區(qū)城市森林景觀斑塊規(guī)模普遍較大,斑塊的土地?fù)碛新矢?各種面積尺度的森林斑塊景觀所占面積比較均勻,風(fēng)景林地和游憩林是該區(qū)城市森林的主體,其面積、斑塊