（人文地理学专业论文）武汉城市圈景观格局变化研究.pdf

摘要 武汉城市圈，是指武汉及其周边1 0 0 公里范围以内的黄石、鄂州、黄冈、孝感、咸 宁、仙桃、潜江、天门8 市，又称“8 + 1 ”城市圈。2 0 0 1 年提出，2 0 0 7 年底获批开始实 施，新一轮的城市圈建设与发展政策必将激发地方经济的活力，同时也将对城市圈内的 景观格局变化也会产生相当大的影响。 景观格局的研究在实际中有重要意义。“武汉城市圈”是一个刚刚提出的概念，关于 其的基础研究也是相当匮乏，关于武汉城市圈景观方面的研究到目前为止，还没有开始。 揭示武汉城市圈各景观类型的格局特征以及动态变化规律，对武汉城市圈土地利用的可 持续发展、两型社会的建设等等具有一定的实践意义与指导意义。 在a r c i n f o 、f r a g s t a t s 等软件以及数学模型的支持下，本研究以武汉城市圈 为研究区，利用1 9 9 0 年、1 9 9 5 年和2 0 0 0 年的1 ：1 0 万土地利用数据，总结大量国内 外景观格局动态变化和预测模型及分析研究工作的基础上，应用g i s 图形处理技术、编 辑功能、空问分析功能、景观生态学的数量方法以及数学模型的预测功能，并结合武汉 城市圈的景观特征和生态环境现状等，从宏观角度定量和定性分析了武汉城市圈景观类 型的时空演变规律，总结了影响其变化的主要驱动因子，并对其进行了预测研究。对三 期的景观格局变化进行分析后得到以下主要结论： ( 1 ) 研究区在1 9 9 0 年至2 0 0 0 年期问，在各种条件变化的影响下，景观格局变化 较为明显。耕地为研究区的景观基底，耕地面积比例逐渐减少。从9 0 年的3 0 3 6 6 8 1 h m 2 持续减少到2 0 0 0 年的2 9 9 5 6 8 7h m 2 ，共减少了4 0 9 9 4h m 2 。建设用地斑块面积持续增加， 从9 0 年的2 8 0 7 8 3h m 2 增加到3 0 3 6 2 2 h m 2 ，总共增加了2 2 8 3 9h m 2 。通过斑块转移矩阵分 析可得：总的结果是耕地类型转化为其他斑块类型。 ( 2 ) 各类斑块数量变化浮动较大，都是经历一个先减少后增加的过程，总体上有 所增加。三个时期的破碎化指数均小于0 0 1 ，表明了研究区景观破碎程度不高，景观类 型以大斑块为主。但是，1 9 9 0 2 0 0 0 年，研究区面积未变，但其总的斑块数却增加了2 8 7 个，同时斑块密度增加，破碎度指数增大，说明研究区景观随着人类活动的影响，破碎 程度有增大的趋势。 ( 3 ) 景观的整体形状趋于复杂化，耕地的优势地位略有下降。各景观要素的分维数 普遍较高，建设用地等形状趋于复杂，表明建设用地集约化程度不高。各斑块类型在三 个时期景观多样性增强，连接度指数有下降的趋势，说明各斑块问分离度增高。 在本研究中，选取了3 个时间段的土地利用数据，研究时段较短，而景观格局的变 化是在人力和自然力共同作用下长期演变的结果，这就使得研究中未能更深入地分析景 观格局细微的动态变化及其变化的机制。随着武汉城市圈发展的进行，人类的活动必将 加大，如何使马尔柯夫模型模拟景观变化趋势的效果与实际更为符合，就应对马尔科夫 模型进行修正，修正的方法是继续研究的方向之一。 关键词：地理信息系统；f r a g s t a t s ；武汉城市圈；景观格局变化；预测 a b s t r a c t w u h a nu r b a n a g g l o m e r a t i o n s ，p r o p o s e di n2 0 0 1 ，a n da p p r o v e db yt h ee n do f2 0 0 7 ， i n c l u d e sw u h a na n dh u a n g s h i ，e z h o u ，h u a n g g a n g ，x i a o g a n ，x i a n n i n g ，x i a n t a o ，q i a n j i a n g ， t i a n m e n ，t h el a t t e r8c i t i e sw i t h i nt h es c o p eo f1 0 0k ma r o u n dw u h a n ，w h i c ha r ek n o w na s t h e 8 + 1 u r b a na g g l o m e r a t i o n s t h ei n f r a s t r u c t u r e so fn e wu r b a na g g l o m e r a t i o n sa n dt h e n e w d e v e l o p m e n tp o l i c ya r eb o u n d t os t i m u l a t et h el o c a le c o n o m i cv i t a l i t y ，a n dm e a n l ya f f e c t t h ec h a n g e so fw u h a nu r b a na g g l o m e r a t i o n s l a n d s c a p ep a t t e r n t h es t u d yo nt h ela n d s c a p ep a t t e r ni so fp r a c t i c a li m p o r t a n c e w u h a n u r b a n a g g l o m e r a t i o ni san e wc o n c e p t ，w i t hl a c k e dg r o u n ds t u d y , a n di ti sm a i n l y c o n c e n t r a t e do nt h ei n t e g r a t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h eu r b a n a g g l o m e r a t i o n s ，a n ds oo n s of a r , t h er e s e a r c ho ni t sl a n d s c a p ep a t t e r nh a sn o ty e tb e e ng o n e t or e v e a lt h ep a t t e r no fa l lt y p e so fl a n d s c a p ef e a t u r e sa n di t sd y n a m i cc h a n g e so ft h ew u h a n u r b a n a g g l o m e r a t i o n si nr e c e n ty e a r s ，i so f a p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a g u i d es i g n i f i c a n c e o nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fl a n du t i l i t ya n dt h eb u i l d i n g so ft w ot y p e so fc o m m u n i t y u n d e rt h es u p p o r to fa r c i n f o ，f r a g s t a t sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ew u h a nu r b a na g g l o m e r a t i o n so ft h eo b j e c t i o n ，u s i n g1 ：1 0 0 0 0l a n d - u s ed a t ai n 1 9 9 0 ，1 9 9 5a n d2 0 0 0 ，a n dt h e ns u m m a r i z e sal o to fd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h a c h i e v e m e n t s ，w i t ht h eh e l po ft h eg r a p h i c sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，e d i t i o nf e a t u r e s ，s p a c e a n a l y s i so fg i s ，t h em a t h e m a t i c sm e t h o d si nl a n d s c a p ee c o l o g y ，a n dt h ef o r e c a s tf u n c t i o no f m a t h e m a t i c sm o d e l s ，c o m b i n e dw i t ht h ew u h a nu r b a na g g l o m e r a t i o n s l a n d s c a p ea n d e c o l o g i c a le n v i r o n m e n tf e a t u r e s ，f r o mt h ep o i n to fm a c r o s c o p i cv i e w ，a n da n a l y z i n gt h e w u h a nu r b a na g g l o m e r a t i o n s l a n d s c a p et y p e sa n dt h es p a c e t i m ec h a n g el a w sq u a n t i t a t i v e l y a n dq u a l i t a t i v e l yi np a s t1 0y e a r s w ec a ns u m m a r i z et h em a i nd r i v i n gf a c t o r ，a n df o r e c a s ti t s c h a n g e si nt h en e a rf u t u r ef r o mt h es t u d y w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o n sa sb e l o wa f t e r a n a l y z i n gt h e3l a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e s ： ( 1 ) d u r i n gt h e1 9 9 0 2 0 0 0 ，u n d e rt h ei n f l u e n c eo f a l lk i n d so fc h a n g e s ，w u h a nu r b a n a g g l o m e r a t i o n s l a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e so b v i o u s l y 。f a r m l a n dp a t t e r ni sm a t r i xo fs t u d y a r e a ，t h er a t i oo ft h ea r e ao ft h ef a r m l a n dr e d u c e dg r a d u a l l y f r o mt h e3 0 3 6 6 8 1h m 2i n1 9 9 0 t o2 9 9 5 6 8 7h m 2i n2 0 0 0 ，at o t a lr e d u c t i o no f4 0 9 9 4h m 2 ，c o n s t r u c t i o nl a n dc o n t i n u e dt o i n c r e a s e ，f r o m2 8 0 7 8 3h m 2 i n19 9 0t o3 0 3 6 2 2h m 2i n2 0 0 0 ，t h et o t a lo fa ni n c r e a s e2 2 8 3 9h m 2 a f t e ra n a l y z i n gt h et r a n s f e rm a t r i x ，w ec a nk n o wt h a t ：t h eo v e r a l lr e s u l ti st h a tf a r m l a n d t r a n s f o r m i n gt oo t h e rt y p e so fp a t c h e s ( 2 ) t h ec h a n g e s a r eo b v i o u si nt h en u m b e r ，e x p e r i e n c e dai n c r e a s ep r o c e s sa f t e rt h ef i r s t d e c r e a s ep h a s e s ，o nt h ew h o l e ，i th a si n c r e a s e d t h ef r a g m e n t a t i o ni n d e x ( f n ) i nt h r e ep e r i o d s a r el e s st h a n0 0 1 ，i n d i c a t i n gt h a tt h ee x t e n to fl a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o no ft h es t u d ya r e ai s n o th i g l l ，l a n d s c a p et y p e sm a i n l ya r el a r g ep a t c h e s f r o m1 9 9 0t o2 0 0 0w i t ht h es t u d ya r e an o t c h a n g e d ，h o w e v e r ，t h et o t a ln u m b e ro fp a t c h e sh a si n c r e a s e db y2 8 7 , a tt h es a m et i m et h e d e n s i t yo fp l a q u e s i si n c r e a s e d ，b r o k e ni n d e xi n c r e a s e d ，s h o w i n gt h a tt h ef r a g m e n t a t i o ni n d e x o ft h es t u d ya r e aa r ei n c r e a s i n gw i t ht h ei m p a c to fh u m a na c t i v i t i e s ( 3 ) t h eo v e r a l ls h a p eo ft h el a n d s c a p et e n d sc o m p l i c a t e d ，a n dt h ed o m i n a n tp o s i t i o no f f a r m l a n dd e c r e a s es l i g h t l y t h ef r a c t a ld i m e n s i o no fa l lk i n do fl a n d s c a p ei sh i g h ，a n dt h e s h a p e so ft h ec o n s t r u c t i o nl a n da r ec o m p l e x ，s h o w i n gt h a tt h ec o n c e n t r a t i o nd e g r e eo ft h e c o n s t r u c t i o nl a n di sn o th i g l l t h ev a r i o u st y p e so fd i f f e r e n tp a t c h e s s h a n n o nd i v e r s i t ya r e i n c r e a s i n gi nt h et h r e ep e r i o d s ，w i t had o w n w a r dt r e n do ft h ec o n n e c t i v i t y ，s h o w i n gt h e d i v i s i o ni n d e xa r ei n c r e a s e db e t w e e nt h ep a t c h e s i nt h i ss t u d y ，o n l ys e l e c t i n gt h r e ep h a s e so ft h el a n d u s ed a t a ，t h es t u d yp e r i o d sa r es h o r t ， w h i l et h ec h a n g e si nl a n d s c a p ep a t t e r na r et h er e s u l t so fa l lk i n do fc o n d i t i o n su n d e r l o n g t e r me v o l u t i o n ，i n c l u d i n gh u m a na n dn a t u r a lf o r c e s b u ts ow ec a l ln o ta n a l y z et h e l a n d s c a p ed y n a m i cc h a n g em e c h a n i s mm o r ed e e p l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew u h a n u r b a na g g l o m e r a t i o n s ，h u m a na c t i v i t yi si n c r e a s i n g ，h o wt om a k et h em a r k o vm o d e lr e s u l t s m o r en e a rt ot h ea c t u a lp r o c e s s ，m a r k o vm o d e ls h o u l db ef u r t h e ra m e n d e d ，a n dt h em e t h o do f t h ea m e n d m e n ti so n eo ft h ed i r e c t i o n si nt h ec o m i n gs t u d y k e yw o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ；f r a g s t a t s ；w u h a nu r b a n a g g l o m e r a t i o n s ；l a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e s ；f o r e c a s t 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：7 i 申弓钛 日期：矽痔铂o 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允 许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 同期：制fd 舌，0 同期： ) 苏卷g 厂9 第一章绪论 第一章绪论 景观生态学属于较为宏观尺度的研究。近年来，由于区域性乃至全球性的生态环境 问题日益增多，景观生态学逐渐成为生态学的重要研究领域之一。3 s 技术的不断发展， 使得景观生态学研究获得了强有力的技术支撑。二者的有机结合显示出广阔的发展前 景。据统计，近2 0 年来几乎每天都有约1 6 6 平方公里的自然空间在发展中消失。 景观生态学是地理学、生态学及系统论、控制论等多学科交叉、渗透而形成的一门 新的综合学科，它研究由不同生态系统组成的景观的空间结构、相互作用、功能和动态 变化，研究景观和区域尺度的资源、环境经营管理，以及人类活动对景观及其组分的影 响等问题。景观结构、功能及其动态是景观生态学研究中的三大核心问题。结构影响功 能，功能的改变最终将从结构的变化中反映出来。因此，作为景观结构研究的重要内 容一一景观格局研究，它的重要性是显然的。景观格局和生态过程的相互关系是景观生 态学研究的主要内容。近年来，随着人口急剧增长、人类活动对自然环境的影响日趋显 著，土地利用变化导致景观格局的改变。如何协调区域生态环境与社会经济发展之间的 矛盾，实现区域生态环境与社会经济的可持续发展，己成为急需解决的重要科学问题。 武汉城市圈，是指武汉及其周边1 0 0 公里范围以内的黄石、鄂州、黄冈、孝感、咸 宁、仙桃、潜江、天门8 市，又称“8 + 1 ”城市圈。该圈占全省3 3 的土地和5 1 6 的人 口，城市密集度较高，经济基础较好，环境及自然条件优越，是湖北省乃至长江中游最 大的城市圈。2 0 0 4 年，武汉城市圈贡献了全省5 9 4 的g d p ，6 5 3 的财政收入，吸纳 6 3 4 的投资，承载6 2 5 的社会商品零售总额，是湖北经济实力最强的核心区域。武 汉城市圈于2 0 0 7 年底经国务院批准，成为“全国资源节约型和环境友好型社会( 简称“两 型社会”) 建设综合配套改革试验区”，关于它的景观格局研究就显得尤为重要。 1 1 研究背景与意义 1 1 1 武汉城市圈的由来1 1 】 一、提出阶段( 2 0 0 1 1 2 - - 2 0 0 2 3 ) ：“大武汉集团城市”是武汉城市圈最早的提法 2 0 0 1 年1 2 月1 7 日，省社科院要文摘报2 0 0 1 年第5 0 期( 总第4 5 0 期) 发表陈 文科研究员( 时任省社科院副院长) 的关于发展大武汉集团城市的建议，该建议明 湖北人学硕十学何论文 确提出：以建设现代化国际性城市为目标的武汉市应借鉴“京津组合城市”的经验，以适 应当代世界城市群的发展趋势，构建以武汉为龙头，以周边黄石、鄂州、孝感、仙桃、 潜江、天门为支点，组建鄂东金三角城市群，即“1 + 6 ”的“大武汉”集团城市，并将该集 团城市分为核心层( 武汉市本身) 、一体化层( 武鄂黄) 和腹地层( 孝感和仙、潜、天) 三个层次。 二、论证与启动阶段( 2 0 0 2 4 - - 2 0 0 4 4 ) ：从武汉周边城市群“1 + 8 的联合到武汉城 市圈的“四个一体化， 2 0 0 2 年4 月2 5 目，省、市有关方面正式成立了“武汉及周边城市群研究”课题组。 2 0 0 3 年3 月4 日，省政府办公厅下发关于开展“武汉城市圈建设问题”调研活动的通知 ( 鄂政办电1 2 0 0 3 1 1 5 号) ，强调“省政府将把加快武汉城市圈的建设作为今年的重点工 作之一”。它标志着“武汉城市圈”建设的调研已纳入省政府的重点工作日程，并开始由 理论研究进入了实证和操作阶段。2 0 0 3 年4 月一2 0 0 4 年4 月，相关文件起草、修改、 定稿。 三、规划编制阶段( 2 0 0 4 4 - - 2 0 0 6 7 ) ：武汉城市圈总体规划六易其稿 2 0 0 5 年7 月一9 月，课题组进行总体规划文稿及图件编制。2 0 0 6 年7 月2 0 日， 课题组完成武汉城市圈总体规划第五稿，并于7 月3 0 日在北京召开武汉城市圈 总体规划评审会，与会专家一致通过了规划评审。2 0 0 6 年1 2 月底，课题组完成武 汉城市圈总体规划( 简要版) 的定稿。 四、规划实施阶段( 2 0 0 7 年2 月起) ：省十届人大五次会议政府工作报告宣布 实施规划 规划强调：“认真组织实施武汉城市圈总体规划，加快推进基础设施、产业布局、 区域市场、城乡建设、环境保护与生态建设的五个一体化”。 1 1 2 研究意义 加快城镇化进程，促进区域经济协调发展。经济布局、城市发展必须遵循经济规律 和城市发展规律。武汉作为全国特大中心城市之一，处于优越的中心位置。水、陆、空 交通十分发达，古称“九省通衢”，是全省经济社会发展的龙头。武汉市要着眼于提高综 合竞争力，构筑在国际竞争中有比较优势的产业体系和现代化基础设施框架，形成武汉 第一章绪论 经济圈，更好地发挥对全省的辐射带动作用。 自2 0 世纪9 0 年代以来，区域生态问题被关注，景观生态学以其实用性强的优势， 为区域的生态环境与社会经济可持续发展提供有力的科学依据，在研究可持续发展方面 显示出重大价值。为实现武汉城市圈的可持续发展，就要利用景观生态学知识与现代先 进的研究手段对现有景观进行分析、评价、规划与管理。景观动态与演进、景观变化与 稳定性、景观多样性、景观规划与建设以及景观生态保护等都是研究区内生态环境研究 中所面临的核心问题。 新一轮的城市圈建设与发展政策不仅仅促进社会经济的发展，同时也进一步影响到 区域景观变化。城市圈政策的实施，必将激发地方经济的活力，促进“8 + 1 9 大城市的 发展以及周边小城镇发展，对景观格局变化也会产生相当大的影响。 景观格局的研究在实际中有重要意义。“武汉城市圈”是一个刚刚提出的全新概念， 关于其的基础研究也是相当匮乏，主要集中在结构特征及成因分析【2 1 、一体化研究【3 _ 4 1 、 武汉城市旅游圈的旅游空间结构研究f 5 一、武汉城市圈发展物流业s w o t 分析1 7 1 、政府合 作协调机制研究以及城市圈各发展方向的研究与论证【卜9 1 、武汉城市圈常住人口空间分 布研究【1 0 】等方面。关于武汉城市圈景观方面的研究到目前为止，还没有开展。本研究利 用数学模型以及3 s 技术，揭示武汉城市圈各景观类型的格局特征以及动态变化规律，从 而为本地区土地管理决策、生态环境保护以及进步深入研究奠定基础，以期对武汉城 市圈土地利用的可持续发展、两型社会的建设等等具有一定的的实践意义与指导意义。 1 2 景观生态学国内外研究进展 1 2 1 国外研究进展 景观( 1 a n d s c a p e ) - - 词的使用最早见于希伯来语圣经旧约全书( b o o k o f p s a l m s ) ， 用来描述基督教圣地梭罗门皇城( 耶路撒冷) 的美丽景象【n j 。这时，“景观”的含义同汉 语中的“风景”、“景致”、“景色”相一致，等同于英语中的“s c e n e r y ”，都是视觉美学意义 上的概念。景观作为一个地学概念定义为一种地表景象，或综合自然地理区，或是一种 类型单位的通称，如城市景观、森林景观等。景观生态学的创始人的德国著名生物学和 地理学家特罗尔( t r o l l ) 于1 9 3 9 年创造了“景观生态学”一词。基于欧洲区域地理学和植被 3 湖北人学硕十学位论文 科学研究的传统，特罗尔把景观生念学定义为是地理学与生物学之间的交叉学科，或者 更具体说是景观学与生态学之间的交叉学科，是为研究某一景观中生物群落之间错综复 杂的因果反馈关系的科学【1 2 - 1 7 l 。二战后至8 0 年代初这段时间内，德国、荷兰和捷克斯 洛伐克，是景观生态学研究的中心。i s z o n n e v e l d 利用航片、卫片解译方法，从事景 观生态学研究1 1 8 1 。c gl e e u w e n 等人发展了自然保护区和景观生态学管理的理论基础 和实践准则。r u z i c k a 倡导的“景观生态规划”( l 蝌d e p ) 己形成了自己的一套完整方法体 系，在区域经济规划和国土规划中发挥了巨大作用1 1 9 1 。直到2 0 世纪8 0 年代以后，景观 生态学才真正意义上实现了全球性的研究热潮。1 9 8 1 年，荷兰景观生态学会在该国举行 第一届国际景观生态学大会。在景观格局研究方面，以d a n s e r e a u 、r t t f o r m a n 、 e g r i s s e r 、m g t u m e r 等为代表的美国流涮2 0 2 3 1 ，把景观生态学研究建立在现代科学和 系统生态学基础上，形成了从景观空间结构分析、景观生态功能研究、景观动态变化分 析、一直到景观控制和管理的一整套方法。随着景观格局定量化方法取得新进展，对景 观格局的变化研究成为国外学者研究热点，e e o d u m 和m g t u r n e r 利用美国佐治亚洲 1 9 3 5 年到1 9 8 5 年共计五十年的该州景观和资料，对其景观变化进行研究i 卅。涉及土地 利用变化、景观空间格局、景观多样性以及模拟景观格局变化四个方面，同时还研究了 该州土地利用变化的生态学影响和资源利用趋势，并根据景观格局变化研究结果提出了 六点生态环境保护建议。其研究为发展中国家的生态环境与社会经济协调发展提供经 验。 近年来，在以g i s 和遥感为代表的新技术支撑下，对景观动态变化进行大尺度生态 监测和建模研究成为景观生态学的新热点。由于景观变化难以控制和进行实验，在计算 机上进行模拟研究成为研究者采用的主要方法。 1 2 2 国内研究进展 与国际上的景观生态学研究相比，我国景观生态学的研究起步较晚，发展历史还很 短暂，对景观格局、景观动态的研究居多，方法和手段相对落后，研究深度与国际先进 水平相比较还存在相当的差距。国内首次介绍景观生态学的文献有1 9 8 1 年在地理科 学上发表的黄锡畴的德意志联邦共和国生态环境现状及保护与刘安国的捷克斯 洛伐克的景观生态研究 1 2 】。8 0 年代以后，北京大学林超等人在地理译报上先后 翻译了t r o l l 的景观生态学和景观生态学与生物地理群落学术语研究、n e e f 4 第一章绪论 的景观生态学的发展阶段、n a v e h 和l i e b e r m a n 的景观及其景观生态学的定义 等系列文章，对景观生态学的思想在我国的传播起到了促进的作用。1 9 8 5 年陈昌笃评 价z 。纳维等著的景观生态学一文在植物生态学与地植物学丛刊第3 期发表，这 是国内首次对景观生态学理论问题的探讨【2 5 1 。1 9 8 8 年中科院沈阳应用生态研究所成立 了景观生态研究室，开始在国内进行比较系统的景观生态学的研究，1 9 8 9 年在沈阳召开 了中国景观生态学首次学术研讨会。1 9 9 0 年r i c h a r df o r m a n 和m i c h e lg o d r o n 的景 观生态学一书由肖笃宁主持翻译。这一阶段可以说是我国景观生态学研究的起步阶段， 侧重于国外文献的介绍。1 9 9 0 年以后我国景观生态学研究工作真正开始起步。 我国目前景观生态研究受北美学派的影响很大，研究主要集中于对景观的格局、功 能和动态研究上。以肖笃宁对沈阳西郊景观格局变化的研究作为典范f 2 6 1 。不少论文应用 了g i s r s 与统计分析模型等先进方法和手段，其中以傅伯杰在这方面开展的工作较为 突出1 2 7 - 2 8 1 。他在对陕北米脂县黄土区农业景观的空间格局研究中，将g i s 和景观空间 分析模型相结合，用定量模型测定景观的空间格局，取得了更为精确的分析结果，从而 能够对当地的资源优化管理提出合理建议。目前我国学者对景观结构动态变化还处于起 始阶段。 1 3 景观格局变化主要研究方法 景观科学是一个跨学科的复合型科学，它的研究方法具有多学科的特点。早期的景 观生态学与区域地理学和植被科学十分密切，研究范围狭小，随着科学技术的迅速发展， 其研究的广度和深度的不断加强，己经形成了一系列的空间格局分析方法和动态模拟模 型。有关景观格局的研究方法在大量文献中多有讨论【3 5 - 3 引，主要有： 1 3 13 s 技术 “3 s ”是遥感( r s ，r e m o t es e n s i n g ) 、地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ) 和空间定位系统( 主要是指全球定位系统g p s ，( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的 英文缩写的简称。其中g p s 和r s 分别用于获取点、面空问信息或监测其变化，g i s 用 于空间数据的存贮、分析和处理。由于三者功能上存在明显的互补性，在实践中人们渐 渐认识到只有将它们集成在个统一的平台中，其各自的优势才能得到充分发挥。从2 0 世纪9 0 年代开始，“3 s ”集成同益受到关注和重视，并逐渐发展成为一个新的交叉学科： 5 湖北大学硕十学何论文 地球空间信息学( g e o m e l r i c s ) 1 2 9 j 。 景观生态学主要是研究景观层次上大尺度的生态学【3 0 _ 3 3 1 。由于景观生态学研究尺度 大，传统的野外调查耗时多、强度大、费用高，难于满足现代条件下对景观生态学研究 的要求。遥感探测不受地面条件的限制，视域范围大，不仅可以获得可见光波段的电磁 波信息，而且可获得紫外、红外等波段的信息，且成像周期短；具有及时、动态、宏观 的特点，利用多时相t m 影像和d e m 数据提取各种景观生态类型要素，可以反映近 期区域景观生态类型分布的空间格局和受人类影响的变化情况，为生态环境保护、生态 环境规划、生态环境决策提供依据。g i s 具有强大的空间数据分折、存储、管理和查询 功能，把g i s 作为景观生态分类的集成平台，可以强化景观生态的空间表达力，并且有 效提高了工作效率。g p s 技术具有观测简便、精度高的特点，对野外景观生态调查提供 了方便。利用g p s 精确测定典型景观生态定位点，将测得的经纬度转化到地图上，从 而增强了景观生态分类的精确性和科学性。g i s 强大的空间分析及图像处理功能则恰好 满足了景观生态学对大尺度生态学研究的要求。r s 为在区域和全球尺度上研究生态系 统的能量流动提供了一个可靠的信息源，利用g i s 对不同空间分布数据进行叠加，可分 析不同数据层之间的相互关系及空间格局随时间的变化。3 s 技术在景观生态学研究方 面存在广泛的应用空间，如生态空间理论与景观异质性研究。景观演变模型与模拟、景 观的生态监测与动态预测、观生态制图、景观格局与生物多样性等，更离不开3 s 技术瞰l 。 近年来，3 s 技术己成为景观格局变化研究的重要手段。 1 3 2 数学方法 数学模型手段的使用，极大地促进了景观在宏观层次的理论和应用发展，特别是与 计算机模拟相结合的数学模型，在景观生态学中占重要地位。 ( 1 ) 马尔科夫( m a r k o v ) 预测法：就是一种预测事件发生的概率的方法。它是基 于马尔科夫链，根据事件的目前状况预测其将来各个时刻( 或时期) 变动状况的一种预 测方法。马尔科夫预测法是对地理、天气、市场、进行预测的基本方法，它是地理预测 中常用的重要方法之一，其重要特征是无后效性。 ( 2 ) 地学图谱信息分析法：地学信息图谱是陈述彭院士倡导提出的一种很有效的时 空复合分析的理论和方法。它由遥感、地图数据库、地理信息系统与数字地球的大量数 6 第一章绪论 字信息，经过图形思维与抽象概括，并以计算机多维与动态可视技术，显示地球系统及 各要素和现象空间形态与时空变化规律的一种手段与方法，它可动念地反映一种认知事 物的规律。土地利用变化信息动态图谱，表现在地学信息图谱上就是遥感系列成图过程。 ( 3 ) 修正的转移概率方法：是揭示特定景观类型之间数量变化关系的有效手段。在 计算研究时段内不同景观类型总体变化和不同时段内不同景观类型保留率的基础上，计 算景观类型转入贡献率、转出贡献率和优势景观类型特定转移过程的贡献率。 本研究采用的是g i s 分析、计算软件、c 语言程序与马尔科夫模型预测法相结合的 研究方法。 1 4 研究思路及论文结构 本研究以武汉城市圈为研究单元，采用景观生态学的理论和方法研究区域的生态环 境变化，可为区域的可持续发展提供一定的科学依据。本研究所包括的内容主要有五个 方面：首先利用a r c i n f o 的图形数字化、图形编辑、图形拼接、空间叠加等诸多功 能制作武汉城市圈景观类型图；其次通过f r a g s t a t s 软件统计和计算武汉城市圈景观 生态空间格局相关指数，主要是斑块的面积、周长、斑块分维数、景观多样性指数、优 势度指数、景观破碎化指数、景观分离度指数等；然后对所得计算结果进行景观特征分 析；在对影响景观格局变化的因素进行讨论，最后在不同时期( 1 9 9 0 年、1 9 9 5 年和2 0 0 0 年三个时段) 景观生态空间格局特征的基础上。针对目前武汉城市圈景观生态空间格局 的特点，选取合适的预测模型预测武汉城市圈未来景观变化的可能性。具体技术流程图 如下： 7 湖北人学硕十学位论文 图1 - 1 技术流程 8 第一章数据资料的准籍厦研究区三期景删类p 幽的生成 第二章研究区三期景观格局图的生成 2 1 研究区概况 幽2 - 1 研究区在湖j 七省的区位图 2 1 1 自然地理概况 幽2 - 2研究区地形图 “8 + l ”大武汉城市圈是指以武汉为中心，以1 0 0 公里为半径的城市群落，总面积 5 8 万平方公里，人口3 1 0 0 万，形成湖北乃至长江中游最大、最密集的城市群。武汉城 市圈处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带，地貌类型多样，山地、丘陵、岗 湖北大学硕十学位沦文 地和平原兼备。属亚热带季风性湿润气候。光照充足，热量丰富，无霜期长，降雨充沛， 雨热同期，全省平均气温在1 5 1 7 之间，最冷月( 1 月) 平均气温为2 _ _ 4 ，最热月 ( 7 月) 为2 7 - 2 9 ，武汉地区绝对气温高达4 0 。c 左右，有“火炉之称”。全省平均日照 1 1 5 旺2 2 4 5 小时，无霜期在2 3 旺3 0 0 天之间。年均水量在8 0 0 - - - 1 6 0 0 毫米之间。 ( 一) 武汉是中部的龙头 世界第三大河长江及其最大的支流汉水横贯市区，将武汉一分为三，形成了武昌、 汉口、汉阳三镇隔江鼎立的格局。武汉经济繁荣，一度是中国内陆最大的城市，位居亚 洲前列，曾有“东方芝加哥”的美誉。武汉还是华中地区的最大都市，中国大陆七大中心 城市之一、中国最大的钢铁生产基地之一，有“九省通衢”之称。国土面积8 4 6 7 平方公 里，常住人口8 7 5 万人。 ( 二) 孝感是湖北省制造基地 丰富的农业和矿产资源，使孝感当仁不让被称作“宝山”。地下有金、银、铜、锰等 2 4 种物质，其中，膏、盐、磷被誉为孝感“三宝”。境内有秀色俊丽的双峰山风景区，有 宜于疗养的“玉女汤池”温泉。孝感麻糖、米酒、安陆银杏、汉川水产等龙头企业集团将 孝感引向基地化、产业化发展。总面积8 9 1 0 平方公里，总人口5 0 6 万人。 ( 三) 天门是江汉有名的侨乡 农业基础稳固，工业发展迅速。天门还是中国内地最大的侨乡，全市旅居海外的华 侨、华人和港澳同胞约2 8 万多人，旅居在4 0 多个国家和地区，其中百余名实业巨子， 侨界领袖，军政要员，文化名流，科技专家在旅居国大展才华。天门是全国久负盛名的 文化之乡，如楚国令尹子文，世界文化名人“茶圣”陆羽，等灿若群星的人物，均出处天 门，人民日报专文称颂“江汉才子出天门”。面积2 6 2 2 平方公里，总人口1 6 2 1 万人。 ( 四) 潜江是平原福地 潜江的水乡园林特色独具，这里湖泊星罗棋布，河网纵横交织，林木葱郁茂盛，是 有着“活化石”之称的水杉的第二故乡。潜江地上盛产粮棉油，地下富藏油气盐，素称c t 鱼 米之乡”。面积2 0 0 4 平方公里，人口1 0 0 万。 ( 五) 仙桃是水乡新星 1 0 第二章数据资料的准备及研究仄二期景观类璎图的生成 仙桃是一座新兴的城市，原名沔阳县，现为省直管市。处于湖北“金三角”( 襄樊、 宜昌、黄石三市构成的三角区) 优先发展区的中心和“两江”( 长江、汉江) 经济开发带 的交会点上。随着经济迅猛发展，仙桃正成为湖北城市中的一颗新星，力争成为“荆楚 明星城市、水乡园林城市”。面积2 5 3 8 平方公里，总人口为1 5 0 万人。 ( 六) 成宁是武汉美丽的后花园 咸宁山清水秀，景色宜人，物产丰富，桂花甲冠全国，楠竹闻名神州，苎麻饮誉荆 楚，茶叶畅销欧美，池中锦鳞跃，畈上稻花香，在全国享有“温泉之乡”、“桂花之乡”、“楠 竹之乡”、“苎麻之乡”、“茶叶之乡”之美誉，是一座产业发达的美丽后花园。面积9 8 6 1 平方公里，总人口2 7 7 2 万。 ( 七) 黄石是湖北省工业明珠 作为长江中游一个重工业城市，黄石素有“工业明珠”之称，被誉为青铜古都、钢铁 摇篮、水泥故乡、服装新城和能源基地，已发展成为我国重要的矿冶城市和原材料工业 基地，区内分布有冶金、建材、化工、采掘等行业的重点企业，闻名国内外。面积4 6 3 0 平方公里，总人口2 5 2 万人。 ( 八) 鄂州是创业中心 鄂州是湖北的“经济改革开放试验区”，是鄂东“冶金走廊”、“服装走廊”、“建材走廊” 的重要支撑，形成了以冶金、服装、建材、医药、化工、机械、电子、轻工为主体的门 类齐全的工业体系，是湖北省重要的工业基地和鄂东的商品集散中心。面积1 5 0 4 平方 公里，人口1 0 6 0 1 万人。 ( 九) 黄冈是粮仓菜篮 无公害绿色农产品生产在湖北乃至全国都有重要影响。罗田是全国板栗第一县，英 山是全国名茶基地县，麻城是全国秸秆