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2019 , Vol. 34 >Issue 4: 732 - 744

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20190405

资源生态

基于LEI和MSPA的南昌市城市扩张类型与生态景观类型变化关联分析

  • 赵燕如 ,
  • 邹自力 ,
  • 张晓平 ,
  • 危小建
展开
  • 东华理工大学测绘工程学院,南昌 330013
通讯作者：邹自力（1963- ）,男,湖南衡阳人,教授,研究方向为土地利用规划与评价、变形监测与分析预测、3S技术与应用。E-mail:

作者简介：赵燕如（1995- ）,女,江西上饶人,硕士,研究方向土地利用规划与评价。E-mail:

收稿日期: 2018-09-26

  要求修回日期: 2019-01-23

  网络出版日期: 2019-04-20

基金资助

国家自然科学基金项目（51708098）

江西省社科规划项目（18SH08）

江西省数字国土重点实验室基金项目（DLLJ201613）

江西省自然科学基金项目（20171BAA218018）

收起

The relationship analysis of urban expansion types and changes in ecological landscape types based on LEI and MSPA in the city of Nanchang

  • ZHAO Yan-ru ,
  • ZOU Zi-li ,
  • ZHANG Xiao-ping ,
  • WEI Xiao-jian
Expand
  • School of Geomatics, East China University of Technology, Nanchang 330013, China

Received date: 2018-09-26

  Request revised date: 2019-01-23

  Online published: 2019-04-20

Copyright

《自然资源学报》编辑部 所有
Fold

摘要

中国正处于城市化快速发展阶段,城市扩张导致大量生态景观日益破碎,分析城市扩张类型与生态景观类型的变化及其关联机制能为改善生态环境提供指导。以南昌市为研究区,采用景观扩张指数（LEI）和形态学空间格局分析法（MSPA）识别南昌市的城市扩张类型和生态用地景观类型,并通过建立缓冲区带分析城市扩张类型与生态景观类型变化的关联特征。结果表明：（1）南昌市城市扩张主要以边缘型扩张为主,生态用地以“核心”形态为主;（2）不同圈层的城市扩张类型和生态景观类型的关系在不同发展阶段差异显著;（3）在城市扩张过程中,总体上生态景观越加破碎,边缘型扩张会加速大型绿色斑块的减小,飞地型扩张促进绿色景观单元的破碎化,填充型扩张则有弱化这一过程的作用。研究结果可为控制城市无序扩张提供可靠的理论参考,并为研究区的城市有序扩张和生态环境保护提供决策依据。

关键词： LEI; MSPA; 城市扩张; 生态景观; 关联分析; 南昌市

本文引用格式

赵燕如 , 邹自力 , 张晓平 , 危小建 . 基于LEI和MSPA的南昌市城市扩张类型与生态景观类型变化关联分析[J]. 自然资源学报, 2019 , 34(4) : 732 -744 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20190405

Abstract

The economic growth and urbanization development of Nanchang have been accelerated significantly and considerably by China's rapid urbanization and industrialization since the reform and opening-up in the late 1980s. However, due to the rapid urban expansion, the ecological and environmental problems caused by the fragmentation of green landscapes have become more serious. Thus, this paper chose Nanchang city as an example to analyze the changes and relationship of urban expansion types and ecological landscape types, which will provide guidance for improving the ecological environments. Firstly, this paper used the Landscape Expansion Index (LEI) to identify the expansion models of the three periods, and analyzed the variations of construction land expansion from both time and space, based on the land use data of 2000, 2005, 2010 and 2015. Then, the Morphological Spatial Pattern Analysis (MSPA) method was used to obtain the ecological landscapes of the four periods, and expressed the ecological landscape fragmentation process from nine representative points. Finally, multiple buffer layers were created to explore the correlation between the variations in different expansion types and landscape types. The results are shown as follows. (1) Edge-expansion is the main expansion pattern, while ecological landscape is dominated by "core", and the variation of expansion types and landscape types varies with time. (2) The relationship between urban expansion types and ecological landscape types in different circles is significantly different at different development periods. (3) During the urban expansion process, infilling expansion is the main method to improve the compactness at the central urban area. In general, the ecological landscape is more fragmented, the edge-expansion will accelerate the reduction of large green patches, and the outlying expansion promotes the green landscape units more fragmentary, while infilling expansion has the effect of weakening the process. According to the research results, calculating the landscape expansion index of the newly approved construction land and studying the current situation of ecological landscape types will enable decision makers to identify the urban expansion trend and make scientific and developmental predictions for the next stage of development. Then, decision makers can control the disorderly urban sprawl from a macroscopic level.

Key words： LEI; MSPA; urban expansion; landscape pattern; relationship analysis; Nanchang

随着城市化进程的加快、经济规模的不断扩大,农业人口向城市的转移及城市自身的发展,需要规模的扩大来实现。而“摊大饼”式的城市扩张则会导致土地利用粗放、侵占耕地、农地撂荒、生态破坏、环境污染及阻碍城市可持续发展等问题[1,2]。中国正处于城市化过程的快速发展时期,城市用地需求和规模都在扩大,小城市数量持续增加,大城市、超大城市不断涌现,由城市无序蔓延所导致的区域社会经济、生态问题频发[3,4]。加强城市扩张对生态环境影响的研究,对认清城市扩张所带来的负效应,从而提出有效控制城市扩张的建议具有重要意义。
目前,关于城市土地扩张的研究方向主要集中于建设用地扩张模式和形态[5,6,7,8,9,10,11,12]、驱动机制[13,14,15,16,17]、生态效应[18,19,20,21,22,23]、特征分析[24,25]、城市增长边界划定[26,27]以及空间模拟预测[28,29,30,31]等方面。对于城市扩张的生态影响研究,主要有城市植被变化、热岛效应、大气污染、水体污染、土壤碳循环、城市内涝等。城市土地扩张会侵占不同类型的生态景观,诸如林地、耕地、湖泊及草地等,然而现有研究都只涉及到建设用地扩张对某一类型景观生态用地的研究,如城市扩张对基本农田[32]、水[33]的影响研究,鲜有涉及到不同城市扩张模式与多种生态用地类型的关系研究。未来十年是中国城镇化稳步推进的关键期,建设用地扩张在今后很长一段时期内仍将持续[13]。而城市扩张侵占不同的景观类型对环境和气候有不同的影响,所以研究这两者之间的关系就显得尤为必要。
对此,本文以南昌市为研究区,运用GIS中的空间分析工具计算各个时期的景观扩张指数值,通过指数值将南昌市各个时段的城市扩张模式分为三种：填充型（Infilling）、边缘型（Edge-expansion）以及飞地型（Outlying）。并对生态用地进行MSPA[34,35]分析,得到7种不同类型的生态景观类型,通过建立缓冲区分析南昌市不同的城市扩张模式与不同的生态景观类型变化之间的关联特征。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

南昌市为江西省省会,江西省的政治、经济、文化、科技中心。全市总面积7402.36 km2,辖6个市辖区、3个国家级开发区以及3个县,介于115°27'~116°35'E、 28°10'~29°11'N之间。南昌地处江西省中部偏北,赣江、抚河下游,滨临鄱阳湖,连接了中国三大重要经济圈（长三角、珠三角、海西区）。

1.2 数据与处理

如图1所示,本文所使用的主要数据有：南昌市2000年、2005年、2010年、2015年土地利用数据。将南昌市土地利用类型分为耕地,林地,草地,水域,建设用地以及未利用土地。首先,基于GIS软件平台提取不同土地利用类型栅格数据。然后,定义前景和背景,对不同时期的栅格数据进行形态学空间格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA）处理。最后,重新回到ArcGIS平台,建立缓冲带,进行南昌市城市扩张类型与生态景观类型的变化关联分析。
Fig. 1 Landuse map of Nanchang during 2000-2015

图1 2000-2015年土地利用现状

1.3 研究方法

1.3.1 景观扩张指数
景观扩张指数（Landscape Expansion Index,LEI）可以定量地表达景观扩张规模、识别城市空间扩张的类型。本文借鉴刘小平等[10]提出的缓冲区方法计算 LEI ,该指数以扩张斑块的缓冲区为基础进行表达：
LEI = 100 × A O A O + A V （1）
式中： LEI 为新增斑块的景观扩张指数; A O 为扩张斑块缓冲区与原斑块的重合面积; A V 为扩张斑块缓冲区面积与 A O 的差值,即缓冲区与原斑块的非重合面积。
由式（1）可知, LEI 的取值范围是[0, 100],当 LEI =0时,扩张斑块缓冲区与原斑块没有重合,扩张模式为飞地型;本文中定义 LEI ≥50为填充型扩张,即当 LEI 处于[50, 100）时,则景观扩张模式为填充型;当 LEI 的取值处于（0, 50）时,景观扩张模式为边缘型。
对于城市景观扩张过程,以平均斑块扩张指数（ MLEI ）来定义：
MLEI = ∑ i = 1 N LE I i N （2）
式中： LE I i 为新增建设用地的景观扩张指数; N 为新增斑块总的数量; MLEI 的值越大其景观扩张规模越紧凑。
以面积加权平均斑块扩张指数（ AWLEI ）来考虑单个新增斑块在整个斑块扩张类型中的地位,公式如下：
AWLEI = ∑ i = 1 N LE I i × a i A （3）
式中： LE I i 为新增建设用地的景观扩张指数; a i 是新增斑块的面积; A 是所有新增斑块的总面积。
1.3.2 形态学空间格局分析
MSPA可以识别目标像元集与结构要素之间的空间拓扑关系,将目标像元集分为核心区、孤岛、孔隙、边缘区、连接桥、环道和支线7种生态景观类型（图2）[36,37]。其定义、生态学含义如表1所示。
Fig. 2 The landscape type map of MSPA

图2 MSPA结构示意图

Table 1 The definition and ecological meaning of morphological spatial pattern analysis (MSPA) classes

表1 MSPA的景观类型定义及生态学含义

景观类型 定义 生态学含义
核心区（Core） 前景像素点远离背景像素点的距离大于指定大小的某个参数的像素集合 大型自然斑块、野生动植物栖息地、森林保护区等
孤岛（Islet） 未连接任何的前景区域的斑块,并且面积小于核心区的最小阈值 彼此不相连的孤立、破碎的小型自然斑块,通常包括建成区内的小型城市绿地
孔隙（Perforation） 中心区内部的孔洞,由背景构成 核心区内部的建设用地,不具有生态效益
边缘区（Edge） 前景外部的边缘 是核心区和建设用地之间的过渡,具有边缘效应
连接桥（Bridge） 至少有2个点连到不同的核心区 连通核心区之间的带状生态用地,即区域绿色基础设施中的廊道,促进区域内部物种迁徙、能量流动与网络形成
环道（Loop） 至少有2个点连接到同一核心区 连接同一核心区的生态走廊,规模小、与外围自然斑块的连接度低
支线（Branch） 仅有一边连接到边缘区、桥接区或环道区 仅与核心区一端联系的生态斑块,景观连接度较差
首先,基于研究区域的土地利用数据,提取出林地、耕地及草地景观类型作为研究区的MSPA方法的前景要素,其他用地类型作为背景要素。然后,将数据转化为栅格数据文件。最后,采用Guidos分析软件对栅格数据进行MSPA处理,由此得到7种不交互的景观类型。

2 结果分析

2.1 南昌市建设用地扩张时空格局变化

分别统计研究区在三个时期内三种城市扩张方式各自所占的面积比例（图3）。综合观察三个时期的城市发展,可以发现边缘型扩张处于主导地位。在2000-2005年间,边缘型扩张占据了新增加城市用地总面积的64.04%,且在2005-2010年间和2010-2015年间都有较大的增幅,分别增至74.00%和84.52%。填充型扩张所占的城市扩张面积不断减少,由2000-2005年间的31.10%减至2005-2010年间的15.36%,到2010-2015这五年间已经低于10.00%。总的来看,飞地型扩张所占的比例一直是三种扩张类型中最少的,但没有太大的变化,由2000-2005年间的4.86%增加到2005-2010年间的10.64%,在2010-2015年间出现了较小幅度的减小,减至7.70%。
Fig. 3 The area percentages and number percentages of the three patterns of expansion at different periods

图3 三种扩张模式在不同时间段的面积百分比和数目百分比

边缘型扩张的斑块数目一直是最多的,相对于在2000-2005年间的75.26%和2010-2015年间的66.67%,在2005-2010年间有了大比例的增加,占南昌市建设用地扩张类型总数量的97.52%,呈现先增后减的趋势。在这三个时期内飞地型扩张斑块数呈现明显的先减后增趋势,由22.30%减小到1.21%再增至23.33%。这两种扩张类型表现出了相反的变化趋势。填充型扩张所占的比例分别为2.44%、1.27%、10.00%,先是出现了微小的减小趋势再表现出了较大比例的增加。填充型和飞地型扩张变化趋势一致,但飞地型变化的幅度明显高于填充型扩张。
分别计算各个时间段的南昌市平均斑块扩张指数（ MLEI ）和面积加权平均斑块扩张指数（ AWLEI ）。 MLEI 在2000-2015年间呈现明显的上升趋势,三个时间段的值分别为16.06、21.34、22.12。 AWLEI 在三个时间段内呈现出下降的趋势,三个时期的值分别为29.08、26.83、20.10。 MLEI 值和 AWLEI 值出现了相反的变化,说明南昌市的扩张愈加分散,且斑块类型整体扩张规模越来越小,边缘型和飞地型扩张形态数量增多,这与城市内部可挖掘的土地数量减少,外部扩张斑块细碎有关。
识别出各类斑块具体空间分布（图4）。具体地,南昌市2000-2005年间扩张斑块共有287块,64块斑块（面积共计约10.33 km2）呈飞地型特征增长,主要位于新建县和南昌县附近的城镇。有7块斑块属于填充型增长,呈现斑块集中、面积大的特点,基本位于青山湖区东部、西湖区、南昌县临近市区地区,共计面积约66.10 km2。边缘型增长占了大部分,共有216块,主要位于青山湖区西部、新建县和南昌县靠近市区部分以及进贤县南部,约136.09 km2。飞地型增长分散较广且数量多,而填充型则较集中连片。2005-2010年间共有扩张斑块1736块但面积却远远少于上一阶段,边缘型增长仍占主要部分,但是边缘型增长分布较上一阶段广,多分布在安义县、新建县以及南昌县。填充式增长数量较上一阶段有所增长且分散,有22块,约有8.58 km2。飞地型数量较上一阶段有所减少,有21块共计面积5.95 km2。2010-2015年间增长斑块数量减小共有150块,但面积却迅速增至85.3 km2,表明每个扩张斑块的面积在扩大,飞地型增长共有35块,面积约6.57 km2,分散于各县,填充型增长虽然只有15块,但面积约6.63 km2,其中大面积位于南昌县靠近青山湖地区。边缘型增长共有斑块100块,面积约72.1 km2,这一阶段的边缘型增长主要出现在新建县和进贤县内。
Fig. 4 Urban expansion type map for each period

图4 各个时间段的城市扩张类型图

2.2 基于MSPA方法的南昌市生态景观格局分析

经过MSPA分析得到各时点南昌市生态景观功能类型格局图（图5）。随着研究区城市建设用地的快速扩张,城市边缘地带的核心斑块逐渐被蚕食,面积减少,生态景观破碎度加剧。分别选取景观破碎度变化较大的九点来表达景观破碎过程,在选取的点中核心区和边缘区面积都发生了改变且伴随着其他一种或多种景观类型的变化。其中,A、B两点孔隙面积较其他类型变化显著,C、D两点连接桥和支线较其他景观类型变化显著,E、G点连接桥变化最为显著,F点孔隙变化较其他类型大、H点连接桥及环道较其他类型变化大,I点孤岛较其他景观类型变化较大。在2000-2015年间建设用地快速增长从而导致景观细碎化,究其原因,主要与南昌市人口从593.39万增至766.75万,《南昌市城市规划（2003-2020年）》的实施,实力南昌、创新南昌、开放南昌、智慧南昌、美丽南昌和文明南昌这“六个”南昌建设的提出以及《南昌市土地利用总体规划（2006-2020年）》从宏观上对南昌市进行土地利用调控有关。
Fig. 5 MSPA type space change in Nanchang during 2000-2015

图5 2000-2015年南昌市MSPA类型空间变化

统计出2000-2015年间各生态景观类型面积（表2）,核心区在研究区内分布最广,在四个时期内面积均为4000 km2以上,其次是边缘区、孔隙、环道、连接桥、支线,孤岛最少,低于10 km2。2000-2015年间的核心区、孔隙、连接桥、环道面积总体上以较慢的速度递减;孤岛和边缘区表现出先减后增的趋势;支线则以较小的幅度呈现出先增加后减少再增加的趋势;生态景观总面积先减后增再减。生态景观面积减少数量增多,在一定的程度上表明城市建设用地不断增加,生态景观面积不断减小,城市景观破碎度增加,景观连通性有所降低,这与这一时期南昌市的城市空间快速扩张有关。
Table 2 Ecological landscape types of statistical tables during 2000-2015 (km2)

表2 2000-2015年各生态景观类型统计表

年份 核心区面积 孤岛面积 孔隙面积 边缘区面积 连接桥面积 环道面积 支线面积 生态景观总面积
2000 4320.56 4.65 365.00 470.08 61.18 95.02 50.32 5366.81
2005 4192.65 4.17 341.87 460.41 56.25 84.08 52.10 5191.53
2010 4195.34 4.97 343.90 458.47 55.15 84.60 50.83 5193.26
2015 4092.20 6.57 338.05 470.97 57.76 86.90 54.26 5106.71

2.3 南昌市城市扩张类型与生态景观类型变化关联分析

结合本研究区域的实际情况,对南昌市各时间段扩张结果和MSPA生态景观分类结果以2 km作为缓冲距离,覆盖整个区域建立31个缓冲区（图6）。
Fig. 6 Buffer analysis of the study area

图6 研究区缓冲区分析

分别统计各扩张类型在不同时间段各圈层中的面积和各景观类型在不同时间段各圈层中的变化量（图7）。综合分析下图,得出以下结论：
Fig. 7 Relationship between various types of expansion and landscape types

图7 各扩张类型与各景观类型变化关系

（1）在2000-2005年中,南昌市在3~8圈层中得到了快速的扩张且速度远大于后两个阶段,为了满足城区的快速发展,以填充型扩张来挖掘城市内部潜力,以边缘型扩张扩大城区面积,飞地型扩张面积较少。在3~8圈层中,城市化快速推进,绿色景观愈加破碎,连通性降低,核心区、孔隙及环道的面积呈现下降趋势,且核心区的面积下降的速度随着城市扩张面积的增加而加快,支线、孤岛、边缘区及连接桥的面积呈现相反的趋势,都有一定数量的增加。在15~20圈层中核心区、边缘区面积有所增加,城市扩张速度减慢。在19~22圈层中边缘型扩张出现了一个小高峰段,飞地型面积有小幅度的增加,核心区面积呈现下降的状态,其他各景观类型无明显变化。
（2）在2005-2010年这一阶段中,城市扩张还是以边缘型扩张为主且变化幅度大,填充型扩张主要出现在1~8圈层中,为了更加集中用地,1~3圈层以填充型扩张为主导。飞地型扩张以小面积扩张形式主要出现在5~16圈层中,与边缘型扩张共同作用,促使核心区在7~13圈层一直处于减少状态,并在第10圈层减少了9.21 km2,其他景观类型随着扩张类型的变化出现小幅度的增减变化。在这五年期间,各县城都得到了快速发展,且边缘型扩张起主要作用,导致核心区面积减少,连接核心区与核心区、以及核心区与外部环境的环道、连接桥等景观类型面积呈现一定幅度的增加。
（3）填充型在2010-2015年这一阶段中的前三圈层中仍然起主导作用,中心城区土地利用更加集约,而在随后的圈层中以边缘型扩张为主,飞地型扩张为辅。边缘型、飞地型、边缘区、支线及孤岛的变化趋势基本一致,核心区、孔隙变化趋势大致相同,环道和连接桥呈现先增后减再增的变化趋势。随着城市扩张的加快,大型生态景观类型面积不断减少,且递减的速度不断加快,具有边缘效应的边缘区和破碎的绿色斑块面积不断增加。
城市扩张会导致大型绿色生态景观破碎,且扩张速度越快,大型生态斑块减少的速度也不断加快。在南昌市三个阶段的扩张过程中,1~3圈层中的市区中主要以填充型扩张为主,通过边缘型和飞地型扩大城区范围。随着城市化的推进,景观类型越加破碎,连通性降低,大型绿色斑块逐渐减少,飞地型扩张会加速景观类型的破碎进程,且不同圈层的城市扩张类型和景观类型的关系在不同发展阶段有显著的差异。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文运用建立缓冲区求取LEI值的方法,识别出不同时期城市扩张类型,结合MSPA区别出7种景观类型,通过建立缓冲区分析南昌市城市扩张类型与生态景观类型变化关联。结果显示：城市扩张会分割不同的景观类型,尤其是像核心区这样的大型绿色斑块,且生态景观总面积在时间轴上大致呈现出减少的变化趋势;南昌市城市扩张主要以边缘型为主,生态用地以“核心”形态为主;不同阶段的城市扩张类型和生态景观类型的关系在不同发展阶段差异显著;在城市扩张过程中,中心城区主要以填充型扩张提高城市紧凑度,总体上生态景观越加破碎,边缘型扩张会加速大型绿色斑块的减小,飞地型扩张促进绿色景观单元的破碎化,填充型扩张则有弱化这一过程的作用。
南昌市作为江西的省会城市,其建设用地扩张过程既是经济高速增长的结果,也是国家在城镇化政策在空间上的表现。从对南昌市2000-2015年的建设用地景观扩张分析来看,经济增长、产业结构的调整使城市土地更加集中连片,在发展过程中,飞地型扩张数量减少,边缘式起主导作用,但在扩张过程中也要避免“摊大饼”式的扩张,防止生态环境问题的产生。

3.2 讨论

（1） MLEI 和 AWLEI 的值都能在一定程度上表达斑块类型整体的空间扩张过程[9]。在南昌市的扩张过程中,2005-2010年的边缘型（0< LEI <50）扩张数量占比远高于2000-2005年,而2010-2015年的填充型（50≤ LEI <100）扩张数量占比远高于2005-2010年,导致 MLEI 呈现出逐渐增加的趋势。填充型扩张面积不断减少,而边缘型扩张所占的面积有显著的增加,造成 AWLEI 的值逐渐下降。 AWLEI 值与 MLEI 值的变化趋势说明大面积斑块的扩张以分散为主,且城市扩张以边缘型和飞地型扩张为主。 MLEI 和 AWLEI 指数计算简单、适用度高,但受空间扩张模式影响较大,若研究区影像分辨率较低则采用此方法需谨慎,且这两个指数只能在一般程度上表示城市扩张过程,要想更加精确的表达城市扩张过程则需采用其他更加合适的方法。
（2）在南昌市MSPA的分析结果中（图5）,生态景观面积变化显著,“核心”形态分布最为广泛且变化较其他类型明显,另外六种景观类型变化较小。但影像分辨率对MSPA的处理结果影响较大,使得小的景观类型不能精确提取,进而影响七种景观类型的面积数量和空间分布,故使得除核心区外其他六种景观类型的变化不显著。
（3）通过对建立的31个圈层的分析,宏观上可以得到边缘型、飞地型扩张会加速大型绿色斑块的减小,促进绿色景观单元的破碎化,填充型扩张则有弱化这一过程作用的结论。但是,研究时间尺度的选取对所得结果有严重影响。因为建设用地的扩张对景观生态类型结构的影响有滞后性,若采用比较长的时间间隔来获取建设用地扩张数据,会抑制城市扩张随机性对两者关系研究的影响。
（4）从2000-2015年的南昌市建设用地扩张分析来看,边缘式增长是城镇的主要增长模式,但盲目增长会导致城市无序蔓延。因此,在新增建设用地报批上计算景观扩张指数,研究生态景观类型现状,能够让决策者清晰城镇空间扩展趋势,对下一阶段的发展做出科学性、发展性的预判,从宏观上对城市的无序蔓延进行控制。

The authors have declared that no competing interests exist.

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