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基于ENVI技术的永定河段景观格局演变与优化研究

王楚琦 闫晋钰 李冠衡

王楚琦, 闫晋钰, 李冠衡. 基于ENVI技术的永定河段景观格局演变与优化研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(6): 118-129. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200204
引用本文: 王楚琦, 闫晋钰, 李冠衡. 基于ENVI技术的永定河段景观格局演变与优化研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(6): 118-129. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200204
Wang Chuqi, Yan Jinyu, Li Guanheng. Evolution and optimization research on landscape pattern of Yongding River section of Beijing based on ENVI technology[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(6): 118-129. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200204
Citation: Wang Chuqi, Yan Jinyu, Li Guanheng. Evolution and optimization research on landscape pattern of Yongding River section of Beijing based on ENVI technology[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(6): 118-129. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200204

基于ENVI技术的永定河段景观格局演变与优化研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200204
基金项目: 城乡生态环境北京实验室北京市支持中央在京高校共建项目(2019GJ-93),北京城市生态廊道植物景观营建技术项目(D171100007217003),国家留学基金委项目,北京林业大学建设世界一流学科和特色发展引导专项(2019XKJS0320)
详细信息
    作者简介:

    王楚琦。主要研究方向:植物景观规划与设计。Email:837504946@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院

    责任作者:

    李冠衡,博士,副教授。主要研究方向:植物景观规划设计理论、生态修复。Email:liguanheng@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S731.1

Evolution and optimization research on landscape pattern of Yongding River section of Beijing based on ENVI technology

  • 摘要:   目的  永定河作为北京母亲河,是北京市重要的河流生态廊道。近20年来,由于城市快速化进程和水源性缺水问题严重影响着永定河的可持续发展。梳理永定河景观格局的演变趋势和结构特征对永定河生态空间优化有重要意义。  方法  以永定河落坡岭水库至大宁水库段河流2 000 m缓冲范围河岸带作为研究对象,利用ENVI对1999、2004、2009、2014、2019年遥感图像进行解译,借助转移矩阵、Fragstats4.2景观指数分析景观格局时空演变规律并对景观破碎程度进行评价。  结果  (1)研究区内土地利用类型主要为林地,1999—2004年(1999年7月—2004年7月)由于北京城市扩张,沿河建设用地面积快速增加。2004—2014年(2004年8月—2014年7月)进入城市快速修复期,腾退工业用地、沿岸草地转化为林地,使林地面积快速增长,“南水北调”工程与“五湖一线”滨河公园体系建成促使水域面积明显增长。2014—2019年(2014年8月—2019年7月)处于缓慢修复期,永定河实现全域通水,人工林地面积增加,治理成效由“量变”转向“质变”。(2)景观格局指数分析表明类型水平下林地、水域斑块破碎度较低,永定河生态治理使得水域连通性显著恢复,破碎程度下降,全局景观水平破碎度呈增长趋势,生态治理对于蓝绿空间连通有积极影响。  结论  研究区景观格局变化趋势是空间形态和数量特征趋于稳定,但三家店下游由于城市扩张处于高度动态区域。在绿色空间存量规划的背景下,利用移动窗口法和栅格差异分析方法寻找潜在破碎度高的斑块,结合相关规划指导城市绿色空间增补,并提出生态核心区、缓冲区、净化区的空间分级,统筹区域水域、林地等资源,优化片区绿色格局。

     

  • 图  1  研究区范围

    依据北京市规划委员会《北京市行政区划界线基础地图底图》改绘。Redrawn according to the base map of the administrative territorial entity by the Beijing Municipal Planning Commission.

    Figure  1.  Study area in Beijing

    图  2  1999—2019年NDVI值变化趋势

    Figure  2.  NDVI value change from 1999 to 2019

    图  3  研究技术路线

    Figure  3.  Research technology route

    图  4  1999—2019年研究区土地利用分类图

    Figure  4.  Land use classification map of the study area from 1999 to 2019

    图  5  斑块密度、最大斑块占比、斑块平均面积、景观形状、散布与并列和聚合指数动态变化

    Figure  5.  Dynamic changes of patch density, largest patch index, mean patch size, landscape shape index, interspersion juxtaposition index, aggregation index

    图  6  1999—2019破碎度综合评价

    Figure  6.  Comprehensive evaluation on fragmentation from 1999 to 2019

    图  7  景观水平下永定河景观指数变化趋势

    Figure  7.  Changing trend of landscape index of Yongding River at the landscape level

    图  8  研究范围内国土空间规划(2017—2035年)

    依据北京市规划和自然资源委员会图纸改绘 Redrawn based on drawings of Beijing Municipal Commission of Planning and Natural Resources

    Figure  8.  Landspace planning within the scope of research from 2017 to 2035

    图  9  栅格斑块破碎度分析、调整后永定河平原段土地利用格局和景观结构与景观分区

    Figure  9.  Analysis of grid patch fragmentation degree, land use pattern after adjustment, landscape structure and landscape zoning

    表  1  土地利用变化分析模型

    Table  1.   Land use change analysis model

    参数 Parameter生态意义 Ecological significance公式 Formula
    单一土地利用动态
    Single land dynamic change
    rate (K)
    不同土地利用类型在一定时期内的变化速度和变化幅度
    Changing speed and changing range of different land use types in a certain period
    K = $\frac{1}{T}$ (UbUa)/Ua × 100%
    综合土地利用动态
    Integrated land use dynamics (Lc)
    区域在一定时间范围内土地利用类型的整体状态及趋势
    Region in a certain time range of land use type of the overall state and trend
    ${\rm {Lc} } = \frac{ {\left( {\sum {\Delta {U_{i - j} } } } \right)/2\left( {\sum { { {U}_i} } } \right)} }{T} \times 100\%$
    土地利用综合程度
    Index of comprehensive land use degree (La)
    反映研究区域土地利用的规模和未来发展方向,以及受人为干扰的程度,值越小代表自然属性越大
    It reflects the scale and future development direction of land use in the study area, as well as the degree of human disturbance. The smaller the value is, the greater the natural attribute is
    ${\rm La} = 100 \times \sum\limits_{i = 1}^n { {A_i} \times {C_i} }$
    注:UaUb为初期及末期某种土地利用类型的数量,T为研究时段,$ \Delta {U_{{{i}} - j}}$值为第i类土地利用转化为第j类的面积,$\sum { {U_{i } } }$为第i类土地利用类型的面积,Ai为第i级的土地利用分级指数,Ci为研究区内第i级土地利用分级程度面积比,n为土地利用程度分级数。Notes: Ua, Ub are the quantity of a certain type of land use in the initial and final stages, T is the study period, ∆Ui − j is the area converted from the i type of land use to the j type, and $\sum { {U_i } }$ is the i type of land for the area of the use type, Ai is the index of i level of land use classification, Ci is the area ratio of the i level of land use classification in the study area, and n is the number of land use classification.
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    表  2  1999—2019年土地利用面积与占比变化情况

    Table  2.   Land use area and proportion statistics from 1999 to 2019

    土地利用类型
    Land use type
    19992004200920142019
    面积
    Area/
    km2
    占比
    Proportion/
    %
    面积
    Area/
    km2
    占比
    Proportion/
    %
    面积
    Area/
    km2
    占比
    Proportion/
    %
    面积
    Area/
    km2
    占比
    Proportion/
    %
    面积
    Area/
    km2
    占比
    Proportion/
    %
    绿色空间
    Green space
    草地 Grassland 12.48 13.55 19.00 20.62 17.11 18.57 18.56 20.14 14.49 15.72
    林地 Woodland 33.02 35.83 31.30 33.96 34.69 37.64 30.87 33.50 29.28 31.78
    水域
    Waters
    2.90 3.14 2.33 2.53 2.88 3.13 8.46 9.18 6.36 6.90
    耕地 Farmland 18.07 19.61 8.71 9.45 5.24 5.68 8.67 9.41 13.06 14.17
    非绿色空间
    Non-green space
    未利用地
    Unused land
    13.61 14.77 6.24 6.77 12.01 13.03 11.12 12.06 9.88 10.72
    建设用地
    Construction land
    12.07 13.09 24.58 26.67 20.22 21.94 14.47 15.70 19.08 20.71
    注:1999—2019年,具体时间为1999年7月—2019年7月。下同。Notes: 1999−2019, the specific time is from July 1999 to July 2019. The same below.
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    表  3  1999—2019年各类土地利用面积变化量与动态度分析

    Table  3.   Analysis of area change and dynamic degree from 1999 to 2019

    土地利用类型
    Land use type
    面积变化量 Area change/km2年均动态度 Average annual dynamic degree/%
    1999—20042004—20092009—20142014—20191999—20042004—20092009—20142014—2019
    草地 Grassland 6.52 −1.89 1.45 −4.07 10.44 −1.99 1.70 −4.39
    林地 Woodland −1.72 3.39 −3.82 −1.59 −1.04 2.17 −2.20 −1.03
    水域 Waters −0.56 0.55 3.43 −2.10 −3.89 4.72 38.67 −5.00
    未利用地 Unused land −7.38 5.77 −0.89 −1.24 −10.84 18.52 −1.49 −2.23
    耕地 Farmland −9.37 −3.47 3.43 4.39 −10.36 −7.97 13.11 10.13
    建设用地 Construction land 12.51 −4.36 −5.75 4.61 20.74 −3.55 −5.69 6.37
    注:1999—2004、2004—2009、2009—2014、2014—2019的具体时间为1999年7月—2004年7月、2004年8月—2009年7月、2009年8月—2014年7月、2014年8月—2019年7月。下同。Notes: the specific time of 1999−2004, 2004−2009, 2009−2014, 2014−2019 is July 1999 to July 2004, August 2004 to July 2009, August 2009 to July 2014, August 2014 to July 2019. The same below.
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    表  4  综合土地利用动态度

    Table  4.   Integrated land use dynamics (Lc) %

    时期 Period1999—20042004—20092009—20142014—2019
    综合土地利用动态度 Integrated land use dynamics (Lc)4.914.535.104.53
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    表  5  土地利用综合程度指数

    Table  5.   Land use comprehensive index (La)

    年份 Year19992004200920142019
    La231256237229240
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    表  6  1999—2004年土地利用覆盖动态转移矩阵

    Table  6.   Dynamic transfer matrix of land use cover from 1999 to 2004 km2

    20041999
    草地
    Grassland
    林地
    Woodland
    水域
    Waters
    未利用地
    Unused land
    耕地
    Farmland
    建设用地
    Construction land
    总计
    Total
    草地 Grassland 4.33 4.09 0.45 4.55 4.75 0.83 19.00
    林地 Woodland 1.24 25.98 0.20 0.41 3.20 0.27 31.30
    水域 Waters 0.11 0.54 1.28 0.08 0.09 0.23 2.33
    未利用地 Unused land 0.85 0.26 0.25 2.14 0.74 2.00 6.24
    耕地 Farmland 1.13 1.57 0.17 0.80 4.73 0.32 8.71
    建设用地 Construction land 4.83 0.58 0.55 5.63 4.56 8.42 24.58
    合计 Total 12.48 33.02 2.90 13.61 18.07 12.07 0.00
    转移总量 Total transfer 8.15 7.04 1.62 11.47 13.35 3.64 0.00
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    表  7  2004—2009年土地利用覆盖动态转移矩阵

    Table  7.   Land use cover dynamic transfer matrix from 2004 to 2009 km2

    20092004
    草地
    Grassland
    林地
    Woodland
    水域
    Waters
    未利用地
    Unused land
    耕地
    Farmland
    建设用地
    Construction land
    总计
    Total
    草地 Grassland 1.76 3.43 0.13 0.61 1.26 4.83 12.01
    林地 Woodland 1.00 6.88 0.14 2.12 2.27 4.70 17.11
    水域 Waters 0.34 0.33 1.23 0.24 0.12 0.62 2.88
    未利用地 Unused land 0.25 5.31 0.49 25.81 1.85 0.98 34.69
    耕地 Farmland 0.13 1.41 0.03 1.28 1.85 0.55 5.24
    建设用地 Construction land 2.76 1.64 0.32 1.23 1.37 12.91 20.22
    合计 Total 6.24 19.00 2.33 31.30 8.71 24.58 0.00
    转移总量 Total transfer 4.48 12.12 1.11 5.48 6.86 11.67 0.00
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    表  8  2009—2014年土地利用覆盖动态转移矩阵

    Table  8.   Land use cover dynamic transfer matrix from 2009 to 2014 km2

    20142009
    草地
    Grassland
    林地
    Woodland
    水域
    Waters
    未利用地
    Unused land
    耕地
    Farmland
    建设用地
    Construction land
    总计
    Total
    草地 Grassland 1.25 1.74 0.03 1.87 2.64 1.13 8.67
    林地 Woodland 0.92 26.34 0.16 0.50 2.39 0.55 30.87
    水域 Waters 0.31 1.18 1.96 1.42 2.58 1.00 8.46
    未利用地 Unused land 0.24 0.39 0.13 2.54 1.90 5.91 11.12
    耕地 Farmland 2.10 3.99 0.15 3.20 5.28 3.84 18.56
    建设用地 Construction land 0.41 1.04 0.44 2.48 2.32 7.78 14.47
    合计 Total 5.24 34.69 2.88 12.01 17.11 20.22 0.00
    转移总量 Total transfer 3.98 8.35 0.92 9.47 11.83 12.44 0.00
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    表  9  2014—2019年土地利用覆盖动态转移矩阵

    Table  9.   Land use cover dynamic transfer matrix from 2014 to 2019 km2

    20192014
    草地
    Grassland
    林地
    Woodland
    水域
    Waters
    未利用地
    Unused land
    耕地
    Farmland
    建设用地
    Construction land
    总计
    Total
    草地 Grassland 8.45 0.32 2.16 1.10 6.35 0.70 19.08
    林地 Woodland 0.56 24.46 1.84 0.96 0.22 1.25 29.28
    水域 Waters 1.16 2.31 7.33 0.54 1.09 2.06 14.49
    未利用地 Unused land 0.49 0.23 0.26 5.03 0.12 0.23 6.36
    耕地 Farmland 2.67 0.51 2.20 0.40 2.42 1.68 9.88
    建设用地 Construction land 1.14 3.05 4.78 0.43 0.92 2.74 13.06
    合计 Total 14.47 30.87 18.56 8.46 11.12 8.67 0.00
    转移总量 Total transfer 6.02 6.42 11.24 3.43 8.69 5.93 0.00
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    表  10  1999—2019年景观水平景观格局指数

    Table  10.   Landscape pattern index on landscape level from 1999 to 2019

    年份
    Year
    斑块数量
    Number of
    patch (NP)
    景观形状指数
    Landscape shape
    index (LSI)
    蔓延度
    Contagion index
    (CONTAG)/%
    香农多样性指数
    Shannon’s diversity
    index (SHDI)/%
    香农均匀度指数
    Shannon’s evenness
    index (SHEI)/%
    斑块平均面积/hm2
    Mean patch
    area (MPS)/ha
    1999 8437 53.29 28.03 1.62 0.90 1.09
    2004 8209 53.26 29.63 1.54 0.86 1.11
    2009 6504 46.87 31.77 1.55 0.87 1.42
    2014 8883 57.29 23.72 1.68 0.94 1.04
    2019 10082 59.85 23.14 1.68 0.94 0.91
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-02
  • 修回日期:  2021-03-26
  • 网络出版日期:  2021-06-16
  • 刊出日期:  2021-06-30

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