（环境工程专业论文）基于gis的长沙市景观格局定量分析与优化研究.pdf

基于g i s 的长沙市景观格局定量分析与优化研究 摘要 快速城市化进程中剧烈的土地利用覆盖变化造成土地资源的不合理利用，导 致了空气污染蔓延、城市热岛效应加剧、水环境恶化、地面沉降加重和生物多样 性丧失等生态环境问题，对高密度城市人群的生存环境和身体健康产生显著胁迫， 直接影响了区域的生态安全状况和可持续发展，人类活动对地球系统变化的影响 部分己超出自然营力，越来越不能忽视。城市景观生态学以其鲜明的理论特色和 方法论优势，成为应对上述城市问题的依托性研究手段。城市景观生态学以其鲜 明的理论特色和方法论优势，成为应对上述城市问题的依托性研究手段。城市景 观格局研究是城市景观生态研究的重要方面，主要包括城市景观格局特征及其动 态、城市景观格局研究方法以及城市景观结构优化和调控。城市地域的可持续发 展必须以生态环境的可持续发展为前提和保障。城市生态系统的状态是由系统的 结构和功能所决定的，系统的功能取决于系统的结构。要改善城市生态系统的状 态，就必须从调整城市生态系统的结构入手。城市土地既是城市空间格局的地域 要素，又是人类活动及其影响的载体，它的利用方式和格局成为调控城市生态系 统结构的关键环节，同时决定了城市生态系统的状态和功能。城市生态合理性目 标的实现取决于城市景观结构与格局能否实现优化。 本研究选择位居于湘江下游，居洞庭湖平原与湘东山地、湘中红壤丘陵结合 处的长沙市作为研究对象，利用1 ：2 5 00 0 0 全国标准地形数据库和e d r a s 遥感 软件对t m 影像进行几何纠正和人机交互式解译，得到1 9 8 6 和2 0 0 0 年的景观矢 量图；然后，在a r c g i s 地理信息系统软件支持下，采用g i s 软件( a r c g i s 9 2 ) 的空 间分析功能，对该景观图进行分析和统计，获取相应的空间信息，如斑块的数量、 面积和形状等；将这些空间信息数据导入景观分析软件f r a g s t a t s 3 3 和e x c e l 2 0 0 3 进行景观格局分析( 景观形状指数、景观多样性指数等) 和计算，同时，在斑块、类 型和景观尺度上对景观格局的多样性进行测定，计算各种景观类型的斑块面积、 斑块数和面积百分比。并对长沙市各景观斑块进行比较，依据景观生态学原理对 结果进行分析，揭示其存在的景观生态问题，并初步分析了城市化水平对景观空 间格局的影响；最后结合城市发展的一般规律和景观生态规划的方法，提出了长 沙市市域范围内景观空间格局可持续发展对策与建议。研究结果表明：( 1 ) 从景观 格局定量分析结果可知，分布面积占研究区总面积达4 6 8 7 0 7 的有林地景观其连 接性、完整性比其他景观类型好，是研究区的基质，但斑块和景观的空间形状较 为复杂，表现出强烈的干扰特征。水田的斑块数量最多，受人为活动影响强烈。 天然草地，改良草地，滩涂表现出萎缩特征。从各类用地的空间组合来看，除了 城镇相对集中的城区等几个地方外，农村居民点多为耕地和林地景观所隔开，各 u 硕士学位论文 城镇和农村居民点由道路或水系连接。如果将市域生态系统划分为城镇建设用地 与非城镇建设用地两种。我们可以判断长沙市域景观的基本格局应为城镇建设“斑 块”镶嵌于由自然和半自然景观构成的非城镇建设“基质”中，道路水系作为“廊道” 连接之中。研究结果对长沙市景观生态规划有指导意义。 ( 2 ) 景观格局动态变化 研究结果显示，由于人为过度砍伐，使得森林覆盖率下降，城镇居民地面积不断 扩大。景观格局的多样性和破碎化程度逐步增加，景观的稳定性增强。通过运用 马尔柯夫模型对长沙市景观格局未来演变趋势的预测可知，马尔柯夫模型可以应 用于湘中红壤丘陵区景观格局的变化预测中。人为干扰，特别是城市化进程的快 速发展和耕地的开垦是导致湘中红壤丘陵区景观演替的动力机制。在自然状态下， 本区的生物气候水资源等自然条件将导致生态环境向良性方向发展，不会使景观 格局发生巨大的变化。然而，当人类活动作用于环境时，将会改变原有的土地利 用方式，从而影响到景观格局特征。影响景观格局变化的人类活动包括城市化、 森林过度采伐，耕作和造林措施不合理等，其中城市化和耕作两种人类活动是造 成景观格局变化的主要原因。( 3 ) 景观格局整体优化方法与生态敏感性及适宜性 分析的综合运用，兼顾了景观单元“垂直 方向的匹配和“水平 方向的关联， 在此基础之上对整体的空间格局进行生态调控，讨论了基于景观格局的长沙市的 生态控制区、生态协调区和生态恢复区位置。提出了“一主、两次、四组团”的城 市空问结构，疏散旧城区人口，适当控制主城区的发展规模，组团之间保持一定 的生态隔离带，形成良好生态环境，从整体上保护山水城市的风貌，空间布局的 优化方案。为城市地域的景观生态调控提供了较为可行的空间途径。为城市的景 观生态规划提供支持。( 4 ) 生态景观的建设探讨了基于景观生态学方法和原理的景 观建设措施。为长沙市的景观的可持续发展和生态基础设施建设提供了参考。 关键词：地理信息系统；景观格局分析；景观指数；f r a g s t a t s ；景观格局优化； 长沙市 l i i 基于g i s 的长沙市景观格局定量分析与优化研究 a b s t r a c t t h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o nb r i n g st oas e r i e so f c i t ye c o s y s t e mp r o b l e m ss u c ha s c r o w d i n g ， t r a f n c c o n g e s t i o n ， a n d w o r s e n i n g e n v i r o n m e n t a sa w i d e s p r e a d p h e n o m e n o n ， a c c e l e r a t e du r b a n i z a t i o n p o s eag r e a tc h a l l e n g et ot h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h ew o r l d t h ep r o t e c t i o ma n d d e v e l o p m e n to ft h ee c o l o g i c a l e v i r o m e n tm u s tb er e g a r d e da st h em a i np r i o r i t yi ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fu r b a n a r e a s p r i n c i p l e so f1 a n d s c a p ee c o l o g yo f f e rat h e o r e t i c a lf r a m e w o r kf o re c o l o g i c a l r e g u l a t i o nt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fl a n d s c a p ep a t t e r n t h e r e f 0 r e ，t h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fl a n d s c a p es p a c ep a t t e r ni sv i t a lt ot h ec i t yl a n d s c a p ep l a n n i n ga n dt h e m a n a g e m e n t u s i n gg i sa n das p a t i a lp a t t e r na n a l y s i ss o f t w a r ef r a g s t a t s ，t h i s p a p e ra t t e m p t st oq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z ea n do p t i m i z et h e1 a n d s c a p ep a t t e r n so f c h a n g s h aci t y t h es c o p eo ft h er e s e a r c hi sl i m i t e dt ot h el a n d s c a p eo fc h a n g s h ac i t ya n dt h e t 0 0 1 si nt h er sa n dg i s t e c h n 0 1 0 9 ya r et h em a i np l a t f o r mi nt h ed a t ap r o c e s s i n gp h a s e w i t ht h eh e l po fg i ss o f t w a r e ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ea e r i a lp h o t o so fc h a n g s h a c i t ya n dt h el a n d s a tt h e m a t i cm a p p e r ( t m ) i m a g e r i e so fc h a n g s h ac i t yp u b l i s h e di n 2 0 0 0 b a s e do nt h e1 a n d s c a p ee c o l o g y ，t h ea r t i c l ed i v i d e dt h ea r e ai n t ot w o 1 e v e l s y s t e m s ：t h e6 r s t1 e v e lc o n s i s t so f6l a n d s c a p et y p e s ，w h i l et h es e c o n dl e v e lc o n s i s t s o f15l a n d s c a p e st y p e s t h ea r t i c l ec l a s s i f i e st h el a n d s c a p ei n t o15 y p e s ，n a m e l y ， p a d d yf i e l d ，d r yl a n d ，w o o d l a n d ，s h r u b ， o p e nf o r e s t ， i m m a t u r ep l a n t a t i o n ， n a t u r a l g r a s s l a n d ，g r a s s l a n di n l p r o v e m e n t ，c i t ya n dt o w n ，r u r a lr e s i d e n t i a la r e a1 a n d ，r i v e ra n d d i t c h ，r e s e r v o i ra n dl a k e ， c o a s t a lb e a c h ，m i r ea n db a r e a r e a a p p l y i n gt h es p a t i a l p a t t e r na n a l y s i ss o f t w a r ef r a g s t a t so ft h er a s t e rv e r s i o n 3 3 ，t h ea u t h o rc a l c u l a t e d as e to fl a n d s c a p ei n d i c e st h a tc o r r e s p o n d st ot h et h r e es c a l e1e v e l so fp a t c h ，c l a s sa n d 1 a n d s c a p e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t1 a n d s c a p ep a t t e r ni n d i c e sc o u l db es u c c e s s f u l l y u s e di n c h a r a c t e r i z i n gt h es p a t i a lp a t t e r no ft h es t u d i e da r e a ，s u c ha sl a n d s c a p e 舶g m e n t a t i o n ，d o m i n a n c e ，d i v e r s i t yi n d e x ，e v e n n e s si n d e xe t c t h ea n a l y s i so ft h e s a m p l e ss h o w st h a t ，t h ew o o d l a n dw h i c hh a s4 6 8 7 0 7 i nt h et o t a lu r b a na r e a si st h e m a t r i xi nc h a n g s h a c i t y i t h a sb e t t e rc o n n e c t i v i t ya n di n t e g r a l i t yt h a no t h e r l a n d s c a p et y p e s t h ep a d d yf i e l di st h em o s tc o m p l e xl a n d s c a p et y p e s a n dt h ea r e a s 0 fn a t u r a lg r a s s l a n d ，g r a s s l a n di n l p r o v e m e n ta n dc o a s t a lb e a c ha r el i m i t e d t h ea u t h o r a l s od i s c u s s e dt h ei n t e r i o rs p a t i a ld i s t r i b u t i o no fu r b a ne c o s y s t e mb ym e a n so ft h e o p t i m i z a t i o no fl a n d s c a p ep a t t e r n t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hw i l la s s i s tt h ea u t h o ri n 硕士学位论文 d e s i g n i n gl 纛e 毽r b a 珏e e o s y s l e l 疑o fc h a 娃g s h ac i | y 。 t h er e ds o 订h i l l ye c o s y s t e mi nc e n t r a lh u n a np r o v i n c ei so n eo ft h et y p i c a lw e a k e e o s y s l e m si nc h i 魏a 1 nl h i ss l 珏d y ，c h a n g s h ac i t yw a ss e l e c t e d 壬o rae a s es t u d y s u p p o r t e db yg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) a n dr e m o t es e n s e ( r s ) ，t h i sp a p e r ， i n t e g r a t e dw i l hl a n d s c a p el h e o r y ，s t u d i e dt h ec h a n g eo fl h el a n d s c a p ep a t t e f ni nr e d s o i l h i l l yr e g i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h el a n d s a tt h e m a t i cm a p p e r ( t m ) i m a g e r i e so fl9 8 6a n d2 0 0 0 ，i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tf o r e s tw a st h em a i nl a n d s c a p e t y p e ， a n dt h ef 矗r m l a n dw a sa l s oa ni m p o f t a _ n 专c o m p o n e n ti nf e ds o i lh i l l ya r e a m e a n w h i l e ，b e c a u s eo fh u m a na c t i v “i e s ( m a i n l yi n c l u d i n gu r b a n i z a t i o na n df a r m i n g ) ， t h ed e g f e eo f 耋i v e s i ya 羹d 蠹鑫g f 嚣e 纛l a l i 。羹o fl a n d s c a p ep a t t e r 觳i 魏r e ds o i lh i l l ya f e a i n c r e a s e dg r a d u a l l y ，、v h i l et h es t a b i l i t yo fl a n d s c a p ep a t t e r nw a ss t r e n g t h e n e d t h e 2 涯a r k o vl 建d e lw a su t i l i z e dt os i l n u l a t el h ol r e 魏do fl a 撞d s c a p ep a 童t e r 歉c h a n g e 。t 量l e c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t e da n do b s e r v e dv a l u e ss h o w e dt h a tt h em o d e lc o u l db e u s e dt os i l n u l a t el a n d s c a p ep a t e r nc h a n g eo ff e ds o i lh i l l ya r e a j u d g i n gf r o ml h e f l o r e c a s to ft h el a n d s c a p ep a t t e r no fc h a n g s b ac i t yf r o m2 0 0 5t o2 0 2 0 ，i tc o u l db e c o n c l u d e dt h a tt h el a n d s c a p ea r e ao fr e s i d e n c ew o u l di n c r e a s ey e a rb yy e a rw i t ht h e e n h a n e e m e n 专o fu f b a n i z a t i o 娃 t h i sc a s e s t u d ya l s oi n d i c a t e st h a tp r i n c i p l e so fl a n d s c a p ee c o l o g yc o u l db e a p p l i e dl op f 鑫e t i e ef 纛i o n a l l yw i l 量lt h ei 鑫l e g f a t e d 印p l i c a l i o no fl a n d s c a p ee e o l g i c a l p l a n n i n ga p p r o a c h e s 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 ( g i s ) ； l a n d s c a p ep a t t e r na n a l y s i s ； l a n d s c a p ei n d i c e s ； f r - a g st j 气t s ； o p t i m i z a t i o no fl h el a n d s c a p ep a t t e r n ； c h a n g s h a c i t y v 硕士学位论文 图1 1 图2 1 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图5 1 插图索引 基于r s 和g i s 的长沙市景观格局研究技术路线4 根据人类干扰强度的景观分类1 3 长沙市景观图2 4 长沙市景观类型特征2 5 长沙市t m 遥感影像图4 7 1 9 8 6 年长沙市景观图5 0 2 0 0 0 年长沙市景观图5 0 长沙市景观生态空间布局示意图5 8 基于g l s 的长沙市景观格局定量分析与优化研究 附表索引 表2 1 景观指标分类系统2 4 表2 2 几种景观格局指数及其对生态过程描述举例2 5 表3 1 长沙市景观类型分类体系3 8 表3 2 长沙市景观图斑块水平上的景观指数( 部分斑块) 4 0 表3 3 长沙市每种景观类型的景观指数4 1 表3 4 长沙市整个景观的景观指数4 4 表4 12 0 0 0 年长沙市景观格局形状指标特征值4 9 表4 21 9 8 6 和2 0 0 0 年景观格局指数比较4 9 表4 31 9 8 6 2 0 0 0 年长沙市景观类型面积转化情况( k m 2 ) 5 1 表4 4 初始状态长沙市各景观利用类型的转移概率矩阵( n = o ) 5 1 表4 51 9 8 6 2 0 0 0 年长沙市各景观利用类型的转移概率矩阵( n = 1 4 ) 5 2 表4 62 0 0 0 年景观类型模拟值与实际值比较5 2 表4 72 0 0 5 2 0 2 0 年景观类型比例预测( ) 5 3 x 湖南大学 学位论文原创性声明 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。 作者签名： 日期：涛甲月渖 学位论文版权使用授权书 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， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：勰争月珂日 日期：时年y 月蜇日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 19 8 6 年美国发表了开展全球变化研究的战略报告，由此拉开了对全球变化研 究的序幕。然而针对与年俱增的生态环境和灾害问题，如何提出人类适应性的对 策，并减缓全球变化所带来的危害，成为全球变化研究、地球科学以及相关学科 研究的重要前沿论题【l 】。进入2 0 世纪9 0 年代，全球环境变化研究领域逐渐加强 了对土地利用土地覆盖变化的研究，19 9 5 年“国际地圈与生物圈计划”g b p ) 和 “全球环境变化人文计划 ( h d p ) 两大组织共同拟定发表了土地利用土地覆盖 变化科学研究计划，并将其列为全球性综合研究计划核心项目之一，把土地利用 土地覆盖变化作为人类和环境资源系统相连接的纽带，进行大范围、体系化的研 究，使得土地利用土地覆盖变化逐渐在全球环境变化和可持续发展研究中占据重 要的地位，并成为全球环境变化研究的重要组成部分【2 j ，在全球变化研究中对人 类活动的深入考虑，尤其是人类活动造成的土地利用覆盖变化及其对生态环境安 全影响的环境变化研究正逐渐受到高度关注。由于人类长期的生产生活活动及其 对生产和居住等用地的巨大需求，使得人类通过对与土地有关的自然资源的利用 活动，直接改变着地球陆地表面的覆盖状况。土地利用变化能够直接改变地表的 覆盖状况，因此改变了地球表面物理特征( 如粗糙度、反照率、土壤含水量等) ， 影响与气候直接有关的地表与大气之间的能量和水分的交换过程。 近年来，伴随着世界范围内，特别是以中国为代表的发展中国家城市化进程 的加速，城市化过程中人口密集、交通拥挤、资源短缺、环境污染、生态恶化等 问题成为全社会关注的焦点。人类活动对地球系统变化的影响部分已超出自然营 力，越来越不能忽视。人类活动对地球系统的影响机制，要求研究重点流域大规 模人类活动的生态影响、适应性和生态安全模式。城市景观生态学以其鲜明的理 论特色和方法论优势，成为应对上述城市问题的依托性研究手段。土地利用、城 市化及大型工程建设成为了作用的主要形式。中国城市化是国家现代化建设的基 础与中心任务，由城市化引起的城市与区域的生态安全问题是国家关注的重点【3 】。 在我国城市及城市空间快速发展的的现实背景下，刘克利、祝金树等对于城市化 水平评价及长沙市城市化发展策略研究表明，作为一个农业大省湖南，2 0 0 1 年城 市化率为3 0 8 0 ，远远低于全国3 7 6 6 的平均水平；省会城市长沙城市化率 达到3 8 2 ，虽高于全国平均水平，但在省会城市中只处于中等水平，离我国 评价现代化城市关于城市化率达到6 0 的标准还相差甚远，城市化综合水平也较 低【4 1 。大力推进湖南城市化进程已时不可待，在这种情况下，准确描述和全面理 基于g i s 的长沙市景观格局定量分析与优化研究 解城市空间结构的演变过程，维护城市社会经济与生态环境的和谐发展，合理规 范城市空间结构的改造和重建过程，成为了城市建设和管理的重要目标。 异质性是景观生态学的一个重要概念，而景观格局是景观异质性的具体表现 【5 ，6 ，7 ，引。景观生态学中的格局是指空间格局，包括景观组成的单元类型、数目以及 空间分布与配置【9 】。景观格局分析主要是定量研究斑块在景观中的分布规律【l 们。 景观格局对其中元素流产生影响，不同景观格局或景观格局动态演变导致区域景 观功能发生变化，同时会影响到物种的丰富度、分布、和种群的生存能力与抗干 扰能力，1 2 j ，以及各种生态过程，即景观结构或景观格局决定景观功能。因此如何 优化景观中斑块的组成、空间配置以及基底特征，从而最有利于生物多样性保护、 生态系统管理和景观的可持续发展，是一个新的、颇有前景的方向【l3 1 。传统的运 筹学方法对开展这类研究可能远远不够，其他方面的理论与方法有必要发展，不 同领域科学家与实践者需要参与。 景观生态学与城市空间结构的交叉研究是当代景观生态学与城市学科交叉的 最新领域，属于国际研究的前沿，对城市科学、城市空间结构以及景观生态学学 科领域而言，在其理论研究和规划应用方面，都具有重要的理论和应用价值。 城市地域的可持续发展必须以生态环境的可持续发展为前提和保障【h 】。城市 生态系统的状态是由系统的结构和功能所决定的，系统的功能取决于系统的结构。 要改善城市生态系统的状态，就必须从调整城市生态系统的结构入手。城市土地 既是城市空间格局的地域要素，又是人类活动及其影响的载体，它的利用方式和 格局成为调控城市生态系统结构的关键环节，同时决定了城市生态系统的状态和 功能【l5 1 。城市生态合理性目标的实现取决于城市景观结构与格局能否实现优化。 本文尝试借助g i s 和f r a g s t a t s 软件，在对长沙市景观格局定量分析与景观格 局演变研究的基础之上，综合生态适宜性、敏感性、生态服务功能、经济发展水 平和景观格局整体优化的理论方法，探讨长沙市市域生态调控的空间途径，以期 达到城市景观格局优化的目的，构建长沙市合理的稳定的自然生态系统，引导区 域及城市用地和空间资源的合理配置，保障区域城乡生态的良性循环，为城市的 可持续发展提供保证。 1 2 研究内容与技术路线 本研究选择位居于湘江下游，居洞庭湖平原与湘东山地、湘中丘陵结合处的 长沙市作为研究对象，旨在探索长沙市的景观格局特征和景观结构优化与调控方 案。研究中将重点关注基于g i s 技术的长沙市市域景观格局定量分析过程，景观 的动态变化以及城市区域景观格局优化与调控的方案等。本研究拟采取地理信息 系统、f r a g s l 盯s 及景观生态学等方法与技术，通过对长沙市生态系统现状的 辨识与分析，进行长沙市市域范围内景观格局定量分析，并在此基础上提出优化 2 硕士学位论文 方案，以期为实施和改进城市功能规划，以及城市化进程中的城市生态建设具有 一定的借鉴价值。 1 2 1 研究内容 城市景观格局研究是城市景观生态研究的重要方面，主要包括城市景观格局 特征及其动态、城市景观格局研究方法以及城市景观结构优化和调控。本研究着 重基于g i s 的长沙市景观格局的定量分析与动态变化。并在此基础上结合景观生 态学方法对长沙市的景观空间结构进行调控，寻求景观格局优化的策略，提出长 沙市生态景观建设的措施。 1 2 1 1 长沙市景观格局定量分析 本研究利用1 ：2 5 0o o o 全国标准地形数据库和e d r a s 遥感软件对t m 影 像进行几何纠正和人机交互式解译，得到2 0 0 0 年的景观矢量图；然后，在a r c g i s 地理信息系统软件支持下，采用g i s 软件( a r c g i s 9 o ) 的空间分析功能，对该景观 图进行分析和统计，获取相应的空间信息，如斑块的数量、面积和形状等；将这 些空间信息数据导入景观分析软件f r a g s t a t s 3 3 和e x c e l 2 0 0 3 进行景观格局分析 ( 景观形状指数、景观多样性指数等) 和计算，同时，在斑块、类型和景观尺度上对 景观格局的多样性进行测定，计算各种景观类型的斑块面积、斑块数和面积百分 比。并对长沙市各景观斑块进行比较，依据景观生态学原理对结果进行分析，揭 示其存在的景观生态问题，并初步分析了城市化水平对景观空间格局的影响；最 后结合城市发展的一般规律和景观生态规划的方法，提出了长沙市市域范围内景 观空间格局可持续发展对策与建议。 1 2 1 2 长沙市景观格局动态变化研究 本研究以湘中红壤丘陵区典型区域长沙市作为研究对象，采用19 8 6 年和2 0 0 0 年美国t m 5 卫星影像及相应地形资料为信息源，研究湘中红壤丘陵区景观格局多 样性的动态变化，对于改善湘中红壤丘陵区的生态环境，促进脆弱生态系统的恢 复有着重要的实践意义。 1 2 1 3 基于空间结构的长沙市景观格局优化研究 景观格局整体优化方法与生态敏感性及适宜性分析的综合运用，兼顾了景观 单元“垂直 方向的匹配和“水平”方向的关联，在此基础之上对整体的空间格 局进行生态调控，提出了长沙市景观生态空间布局的优化方案。为城市地域的景 观生态调控提供了较为可行的空间途径。为城市的景观生态规划提供支持。 1 2 1 4 长沙市生态景观建设探讨 运用景观生态学的原理和生态林业建设的方法，提出了加强长沙市生态廊道、 基于g i s 的长沙市景观格局定量分析与优化研究 班块建设，融山、水、洲、城于一体的优势，保持山水城市特色，把长沙建设成 为可持续的、生态安全与健康的生态城市的具体建议和方案。 1 2 2 技术路线 本次研究运用景观生态学的研究方法对长沙市市域范围内进行研究和分析， 利用遥感和g i s 技术和f r a g s t a s 景观分析软件，从景观空间格局上对斑块、 廊道和基质等不同等级的景观空间结构要素进行生态过程分析。景观格局分析包 括对景观要素的分布特征、空间格局、相关关系等问题的分析，因此必须对描述 景观要素的地学、生态学等特征的g i s 空间数据库进行分析。本研究中涉及大量 的空间数据，对其管理主要包括图形图像的输入、转入及校正，空间数据的建立， 并将空间分析的结果查询和输出等等。g i s 的查询、管理、分析功能和利用多层 空间数据描述环境的特征，为环境监测和资源管理提供了方便。各种g i s 相容的 数字自然资源和环境数据库的开发，为g i s 的空间分析功能提供了极大的方便。 遥感系统，特别是甚高分辨率雷达( a v h r r ) ，为开发生物物理数据库提供了重要 环境数据源引，这些数据以数字形式存在，覆盖大片区域，具备多光谱、多时段 观察能力、高重访频率。随着美国国家航空及太空总署对地观察计划( n a s a m t p e ) 的执行和新传感系统( 如中分辨率成像光谱仪m o d i s ) 的应用可望提供较好 的空间和光谱分辨率，大量遥感数据可用于区域尺度的频繁环境监测与分析。技 术路线见图1 1 。 搜集参考文献 确定研究目标 建立城市景观 分类系统 建立城市景观结构分析、 评价理念与思想 景观指数计算 f r a g s t 4 ( r s 软件运算 城市景观结构空间格局、 稳定性和动态变化 定量分析 r s ( 多光谱卫星遥感数据、雷 达遥感数据、航测遥感数据等) 网l 筹蔫：蒜熟黧、 地理信息系统数据库 数据处理 空间分析 误差分析等 长沙市景观格局分析中存在的问题 长沙市景观格局调控与优化措施 长沙市景观结构可持续发展对策与建议 长沙市中长期发展战略、 长沙市城市总体规划 g p s 与野外实地观测 土地利用数据、景 观数据、流域数据、 河道数据 城市景观类型与结构分析系列图 图1 1 基于r s 和g i s 的长沙市景观格局研究技术路线 4 硕士学位论文 1 3 国内外的研究现状 国内景观生态学文献主要集中于生态学和地理学刊物，以生态期刊居多。其 中有关城市景观生态的研究较为突出。据曹宇、肖笃宁等近十年( 1 9 9 0 年一2 0 0 0 年) 景观来景观生态学文献分析表明，该类文章发表数量位居首位。研究内容涉 及到突出景观格局演变的生态环境效应研究；城市景观生态学研究重视景观格局、 生态过程和生态环境效应研究；重视新技术如3 s 技术( g i s 、r s 和g p s ) 在城市景 观生态学研究中的应用；重视模型在城市景观生态学研究中的应用将城市扩展模 型、非点源污染模型等应用到城市景观生态学研究中；重视理论和应用相结合。 肖笃宁首次将景观生态分析方法引入我国城郊景观研究。此外赵弈对城郊景观的 研究，杨士宏、管东生、宗跃光、李团胜等对城市景观格局有较大的影响【l 。王 华东( 19 9 5 ) 认为城市景观生态是研究城市景观形态、结构、空间布局及景观要 素之间关系并使之协调的科学。由于城市景观生态学是景观生态学理论在城市地 域的应用，因此城市景观生态学的发展应该具有较强的应用性包括了城市景观生 态学在城市规划、景观设计、生物多样性与生态保护和规划、土地整理、城市历 史景观保护、人文社会景观的评价生态旅游发展、景观保护、城市生态美等方面 的应用。 诚然，近几十年来，我国景观生态学取得了十分迅速的发展，已经成为我国 生态环境研究领域的一支重要学科，但是由于发展时间较短，理论和方法尚不完 善。主要表现在以下两个方面：( 1 ) 理论上研究不足，理论上鲜有的重大突破，我 国城市景观生态学现有的研究仍然延续着“斑块一廊道一基底”的基本范式，并 以格局、过程为研究核心。但由于城市问题的复杂性以及我国快速城市化过程中 新问题的不断涌现，城市景观生态学急需推动景观生态学理论和方法的完善，为 解决我国日益突出的“城市病”提供理论依据。( 2 ) 城市景观格局功能和效应研究 不足。虽然关于景观格局变化的生态环境效应的研究工作不少。但大多是基于数 量结构( 如土地利用结构或景观指数) 与生态过程间的关系探讨。对于景观空间格 局与生态过程间的关系尚难于定量化。景观的其它生态服务功能。如绿地和水面 ( 包括面积和空间配置) 与城市人居环境质量的数量关系等尚未受到足够的重视。 景观生态学视角的城市景观研究还处于发展初期。美国i a l e 第1 5 届会议城 市景观生态专题会议的目标为：提供生态、地理与社会科学综合研究城市的方法 和途径；探讨综合一体化的景观生态范式，研究城市生态系统的格局与过程。会 议最为突出的内容是确定与城市研究与关的景观生态学概念与原理，以及能够有 效刻画与连接城市化空间格局与过程的新型技术与方法。景观生态学关于城市化 过程及其生态效应的研究的首要任务是详细分析城市景观的格局规律，了解城市 景观格局与周边其他景观格局之间的关系i l8 1 。在理清有关理论的基础之上，在景 5 基于g i s 的长沙市景观格局定量分析与优化研究 观格局改造和重建过程中，综合考虑发展和生态保护需求，确保社会经济的整体 性和可持续性。 目前城市景观格局动态变化，主要是以土地利用图、航片和高分辨率卫片为 基本数据源，在地理信息系统和遥感软件的支持下，利用景观指数和景观变化模 型进行景观动态研究。比较有代表性的有，b a t t y m ( 19 9 7 ) 在介绍细胞自动机模型 原理的基础上，详细探讨了细胞自动机模型与城市格局形成的机理【1 9 】。r a u l r o m e r o c a l c e r r a d a ( 2 0 0 4 ) 以三期遥感影像为数据源，研究了西班牙e n c i n a r e s 城市 景观格局变化并解释了变化的原因【20 1 。肖笃宁( 19 9 6 ) 在国内最早开展了城市景观 生态方面的研究，运用景观格局指数和马尔柯夫模型对沈阳西郊景观格局进行了 分析和预测，取得了较好的效果1 2 。高竣、宋永昌( 2 0 0 3 ) 以上海西南城乡交错带 1 9 8 4 、1 9 8 9 和1 9 9 4 年3 个时相的航空遥感图像为主要信息源，在a r c i n f o 软 件的支持下，建立景观数据库，运用景观格局指数对1 9 8 4 1 9 9 4 年上海西南城乡 交错带的景观特征及其动态变化进行研究。分析表明，1 9 8 4 1 9 8 9 年和1 9 8 9 1 9 9 4 年两个时期各种景观的结构特征有明显的差异，城市化的进程对城乡交错带的景 观格局有显著的影响，不合理的景观格局是城市生态问题产生的症结所在【2 2 1 。此 外，傅伯杰( 1 9 9 6 ) 、曾辉( 2 0 0 0 ) 、田光进( 2 0 0 2 ) ，张秋菊( 2 0 0 3 ) 、王永军( 2 0 0 5 ) 等人 也对景观格局动态变化进行了大量的研究【2 3 。2 7 1 。 景观格局优化是在景观生态规划、土地科学和计算机技术的基础上提出来的， 同时也是景观生态学研究中的一个难点问题1 28 1 。景观生态规划从产生至今不过二 三十年，在我国的历史更短，欧洲学者普遍习惯称为景观生态规划或景观规划， 美洲学派则更倾向于使用景观管理，区域规划等名称。我国进入2 0 世纪9 0 年代 以来，土地利用结构优化成了土地利用规划的核心内容【2 9 1 ，由原来比较狭窄的农 业土地利用研究转入更为广泛、实践性更强的农林复合与牧业用地、城镇用地、 农村住宅用地、旅游用地等土地利用研究领域【3 们。经过多年的发展和积累，景 观生态学和土地利用方面的理论方法已经很多，而且有部分成果得到广泛的应用。 由于景观格局优化尚处在研究初期，没有准确的定义，也没有得到共同认同的结 论和成熟方法，关于优化的理论和方法尚处于探索阶段，有待在以后的研究中逐 步完善，以提高土地利用的综合价值。景观格局优化首先要假设景观格局对景观 中的物质、能量和信息流的产生、变化有决定性影响，同时这些生态流对景观格 局有调整和维持作用【2 引。景观格局的优化不仅要根据生态因子对景观斑块的类型 进行调整，而且还要运用景观生态学的理论和方法对景观的管理方法进行优化， 其目标是在合理的土地利用和管理措施下，实现区域可持续发展，与维持区域生 态安全。 6 硕士学位论文 第2 章基于g i s 的城市景观格局研究的理论与方法 2 1 景观空间格局与结构研究的理论基础 景观生态学是一门多学科交叉的综合性学科，它的核心是地理学与生态学之 间的交叉。一般认为，景观生态学是从地理学和生态学中吸收了整体性的观念和 生态系统理论，使之成为景观生态学的理论基础，并逐步形成自己的理论体系1 3 。 然而，景观生态学又具有比地理学和生态学更高的综合水平，因此，它也就有更 为广泛的理论基础【”】。从景观生态学理论研究现状来看，目前用理论这一术语表 达景观生态学的理论基础的表述，概括起来主要有以下几个主要的方面。 2 1 1 系统论与景观生态学 系统论的主题是阐述对于一切系统普遍有效的原理，不管系统组成元素的性 质和关系如何，任何学科的研究对象都可看作一个系统。系统论的基本原则是整 体性，系统论主张从对象的整体和全部进行考察，反对孤立研究其中任何部分及 仅从个别方面思考和解决问题 3 2 1 。这符合景观生态学的综合整体性思想。景观生 态系统是由相互作用的斑块组成，以相似的方式重复出现、具有高度空间异质性 的区域。因此，与其他系统一样，景观生态系统具有特定的结构、功能，可以作 为一个整体进行研究和管理。景观生态学还具有有机关联性的思想，以及景观生 态系统的动态性、景观生态系统的有序性、景观生态系统的目的性等【3 2 1 。 2 1 2 岛屿生物地理