基于遥感和GIS 的广州市天河区水域景观演变及其驱动因子分析

摘要:本文应用遥感、GIS技术和景观指数方法,对广州市天河区水域景观动态演化进行了研究.得出:①近20 年来,广州市天河区水域景观斑块数量(NP)、总面积(TA)、平均斑块面积等数量特征参数均减小,表明水域景观呈现退化趋势;②广州市天河区水域景观内部结构中,斑块密度(NP)和平均斑块最近距离(MNN)增加、斑块聚合度(AI)减小,表明水域景观由团聚分布转向分散分布,斑块破碎化程度增大;③平均斑块形状指数(SHAPE_MN)、平均斑块分维数(FRAC_MN)降低、最大斑块指数(LPI)增大,表明水域景观斑块形状由不规则转向规则,人类活动影响频率加强.④引起天河区水域景观变化的原因既有自然因子,也有人为因子,其中人为因子为主要因素.根据研究结果进一步提出了相关建议和对策,为广州市建设生态城市,保障城市生态安全的管理决策提供参考.
　　关键词:水域景观;空间格局;演化;驱动力;天河区
　　城市水域是城市中重要的绿色开敞空间,是城市中自然要素最为密集、自然过程最为复杂的地域,是城市最理想的生境走廊和最高质量的城市绿斑[1];水域景观同时也是城市文化内涵的重要组成部分.但是,随着城市规模的扩大和人工建筑物的不断增加,城市水环境质量恶化、水生生态系统日益脆弱,城市水域景观系统已经成为当今社会关注的热点问题之一.当前,国内外对水域景观的研究涉及水域概念、分类,水域景观评价[2,3]、水域景观生态效应[4]、水域景观生态修复和治理[5- 7]、生态安全、水资源承载力[8- 10],人类活动、城市扩张对水域景观的影响[11- 13]等.苏伟忠等研究城市边缘区发展对太湖水域景观的影响[14]、任静从政策角度讨论了城市扩张下的城市水资源的法律保障[15]、王颖探讨了城市扩张过程中人工湖的设计[16]等.
　　1990 年,天河区被广州市政府划定为"新城市"中心,城市建成区由面积从20km2 不到发展到2002 年的80km2,水域景观一直处于被掠夺开发的状态,保护城市水域景观已经成为该地区城市可持续发展的必然,而正确认识城市水域景观格局的演变及其原因是保护城市水域景观的前提.本文运用3s 技术、景观生态学、地理学、生态学等理论方法,定量化研究水域景观空间格局动态演化特征及其驱动机制,为区域土地利用规划和生态恢复决策提供科学参考.
　　1 研究区域和数据来源
　　1.1 研究区概况
　　天河区位于广州市老城区东部,总面积约139km2,地处广州市东进轴与南拓轴的交汇点以及城市新中轴线上,在"内圈"城区中独具"承西启东、接北转南"的中心区位优势,是广州交通枢纽之一和人才最密集的地区之一,同时是快速建设中的广州市城市中心区.天河区地下水资源丰富.其中,已开发的有珠村矿泉水、龙眼洞矿泉水、凤凰山矿泉水,但产量不大.此外,新塘、吉山、龙洞、渔沙坦一带丘陵台地还有一些百年井泉.截止到2010 年,该区总人口77.03 万人,户籍人口户数21.58 万户.
　　1.2 数据来源
　　数据源包括覆盖该研究区域的1988 年6 月、2008 年6 月同属丰水期时段的航空影像,分辨率为2.5m,广州市1:10000地形图,1990 年和2008 年广州市土地分类数据,天河区矢量图,天河区环境保护规划、统计年鉴,天河区志文字资料,以及利用GPS 实地调查数据等(2010 年4 月1 日和4 月14 日,对宵基窝水库、车陂涌、珠江支流水域、村塘、风水塘、鱼塘进行现场定点和调查资料).
　　2 研究方法
　　2.1 水域景观提取
　　水域景观指以水体作为景观构成的最基本要件,既包括那些由各种形态的水体独立形成的景观,如河流、湖泊、池塘;也包括那些直接与水体有关的一些的景观,如桥梁、沟渠等[17].本文所指水域景观类型包括天然、人工陆地水域及水域设施,包括沟渠、湖泊、水库和坑塘.
　　使用envi4.6 软件,对1988、2008 年两期遥感影像进行几何校正、投影变换、空间增强等预处理;使用天河区矢量边界分别对两期影像进行剪切;对剪切后两期影像进行非监督分类;结合天河区地形图和土地分类图、天河区水系图等资料以及GPS 野外调查数据,对非监督分类误判的类进行目视解译;对解译的目标斑块导入ARCGIS 中进行数字化,同时建立空间数据库;利用ARCGIS 进行空间统计、专题图的制作和输出;将水域景观数据转换为ASCII 格式,使用FRAGSTAT3.0 软件进行水域景观格局指数的计算.
　　2.2 景观格局分析方法
　　景观指数是高度浓缩的景观格局信息,是反映景观结构组成和空间配置某些特征方面的简单量化指标[18].本文主要选取斑块水平上的景观指数,包括景观单元特征指数和景观异质性指数,对广州市天河区水域景观格局进行定量分析.本文景观格局指数选取斑块数、斑块总面积、斑块最大面积、斑块最小面积、斑块平均面积、斑块密度、最大斑块指数、平均斑块分维数、平均斑块形状指数、平均斑块最近距离、聚合度等[19].景观指数计算方法见Fragstat3.3 帮助文件.
　　3 结果
　　与分析利用遥感、GIS 方法处理1988 年、2008 年两期高空间分辨率影像,提取两期水域景观,制作专题图(图1,图2).并使用FRAGSTAT3.0 计算相应的景观空间格局指数,得出广州市天河区水域景观空间格局各种统计特征(见表1~ 表3).
　　3.1 水域景观单元特征变化
　　天河区水域景观斑块数从1988 年的351 减少到284,斑块总面积减少132.912hm2.年均减少13.912hm2,另外,最大水域斑块面积、最小斑块面积、平均斑块面积都减小,反映了广州市天河区水域景观呈现退化的趋势.
　　3.2 水域景观斑块数量特征
　　天河区1988 年、2008 年水域斑块1hm2 以下、100hm2 以上的水域斑块所占比例均较小,1~10hm2 和10~100hm2 水域斑块占整个百分比的绝大多数,即面积较大和较小的斑块均少,面积中等的斑块占绝大多数,符合正态分布;天河区1hm2 以下、100hm2 的水域景观斑块所占百分比呈增大趋势,然而,1hm2 以下斑块增加较多;1~10hm2 和10~100hm2 景观斑块所占百分比呈减少趋势,10~100hm2 减少的比例较大;2008 年相比1988年,水域景观斑块稳定性降低.
　　3.3 景观异质性变化
　　2008 年的斑块密度(PD)大于1988 年,同时,平均斑块最近距离(ENN_MN)增大,聚合度(AI)减小,说明水域斑块破碎化程度加大,由团聚分布渐转向离散分布;1988 年水域斑块的平均斑块分维数(FRAC_MN)、平均斑块形状指数(SHAPE_MN)均高于2008 年,表明水域斑块1988 年边界形状较复杂,2008 年的边界渐规则化;最大斑块形状指数由1988年的43.5708 上升到2008 年的53.3211,从1988 年到2008 年广州市天河区水域分布图和景观指数来看,区域内最大的斑块是河流,随着城市化进程的加快,一些水域如池塘、湖泊等被蚕食,一些居民小区建设人工亲水性的景观,此外,有一些人工养殖塘出现,造成总体水域面积的减少的同时LPI 指数增大.表明近20 年,天河区水域景观受城市化和人类活动影响显著.
　　3.4 驱动因子
　　近20 年中,天河区水域景观整体退化,景观内部结构也呈不稳定、脆弱的状态.根据所得结果,结合天河区近20 年来的统计年鉴、社会经济数据的实际情况,得出促使天河区水域景观格局演变的因素有内驱动力和外驱动力,内驱动力主要包括区位优势、人才优势、还有社会心理等因素;外驱动力主要有政策因素、城市发展扩张需求等等.研究驱动因子可以更好的明确水域景观变迁机制,为水域景观规划、城市规划提供建议[20- 23].
　　3.4.1 内驱动力
　　首先,天河区具有良好的地理区位,从东西方向看,天河区是广州市向东发展城市带的起点;从南北方向看,天河区又是广州市新城市中轴线经过的中心地区.空间上聚集的城市轴线强化了天河区的整体城市形象,提高了天河的新城市中心地位和经济竞争能力,给天河区带来了极大的发展机遇.其次,天河区是广州市高校区和高科技密集区.高校和科研单位云集,区内有华工大学、华农大学、华师大学、暨南大学等全日制普通高校27 所,形成人才优势,为区域发展提供了强有力的支撑.再次,天河区于1985 年5 月24 日被国务院批准建立,成为广州市属行政区,位于老城区东部,原属于郊区,居住在这里的人们对城市化、高收入有一种强烈的渴望,这样的一种社会心理引导他们极力抓住机遇,摆脱农村不经济.
　　3.4.2 外驱动力
　　外驱动力主要有政策因素、城市扩张需求等.1999 年,天河区被划定为广州市新城市中心,广州市又于2002 年提出建设"国际大都市"的目标,而建设大都市的中央商务区(CBD)珠江新城就位于天河区,"双中心"的优势又一次为天河区的发展注入新的活力;另外,在广州市老城市发展空间不足的形势下,天河区特殊的地理区位,是城市扩张的前沿区域和敏感区域.
　　4 结论
　　本文运用景观生态学原理、城市历史学等对天河区水域景观的演变进行研究,目的在于揭示天河区水域景观格局演变的机制和规律,为实现城市水域景观资源的可持续利用提供依据.研究结果表明:水域景观以每年13.912hm2 的速度锐减,呈现整体退化的趋势;水域景观斑块破碎化加大,不稳定性加强;水域景观受人类活动影响较大,在内动力和外动力驱动下,水域景观成为城市扩张、农民因利益驱使改变水域景观类型等的牺牲品.结合广州市天河区水域景观现状,以国际国内水域景  观规划治理为指导[24,25],提出:不能一味追求区域经济飞速发展而牺牲生态环境;要以恢复水域景观的自然状态科学治水;建设水域景观工程设施,要以治水水质为最终目的,不盲目建设水域工程设施破坏水域景观流动性和景观整体协调性;同时,也要完善体制禁止污染、健全法规严格执法,保证水域景观科学可持续发展.