全 文 ：3S 技术在哈尔滨市郊景观生态规划中的应用 3
范文义1 　龚文峰1 ,2 　刘丹丹1 　周洪泽1 　祝　宁1 3 3
(1 东北林业大学 ,哈尔滨 150040 :2 黑龙江大学 ,哈尔滨 150080)
【摘要】　利用哈尔滨市遥感数据资料 ,在 RS、GIS 和 GPS技术支持下 ,获取哈尔滨市郊景观格局现状及哈
尔滨数字高程模型 (DEM) . 选取平均斑块面积、景观优势度、平均坡度、平均海拔和破碎度因子对其进行
综合分析 ,并借助 DEM 模型进行景观生态规划. 结果表明 ,3S 技术为典型景观类型的确定提供了科学依
据 ;建立了市郊景观类型数据库 ,并生成景观类型专题图 ;土地利用现状和景观空间分布以及地形地貌和
土地利用类型相结合. DEM 和遥感影像的叠加 ,从大尺度上定性刻画市郊的景观生态规划 ,而景观生态规
划和 DEM 的叠加 ,更加直观地反映了市郊的景观结构 ,为提高区域生态功能 ,促进城乡一体化的健康发
展提供科学依据.
关键词 　3S技术 　景观生态规划 　主成分分析 　DEM
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 12 - 2291 - 05 　中图分类号 　Q149 　文献标识码 　A
Application of 3S techniques in ecological landscape planning of Harbin suburb. FAN Wenyi1 , GON G Wen2
feng1 ,2 ,L IU Dandan1 , ZHOU Hongze1 , ZHU Ning1 ( 1 Northeast Forest ry U niversity , Harbin 150040 , China ;
2 Heilongjiang U niversity , Harbin 150080 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (12) :2291～2295.
With the image data (SPO T) ,soil utilization map (1∶50 000) and other related materials of Harbin ,and under
the support of GIS ,RS and GPS techniques ,this paper obtained the landscape pattern of Harbin suburb and the
Digital Elevation Model (DEM) of Harbin. Indices including mean patch area ,landscape dominance ,mean slope ,
mean altitude ,and fragmentation degree were selected and synthetically analyzed ,with the ecological landscape
planning made by DEM model. The results showed that 3S techniques could help to decide typical landscape
types. The landscape type database was established ,and the landscape type thematic map was generated ,with
land use status and landscape distribution ,physiognomy ,and land use types combined. The ecological landscape
planning was described in large scale with the image data and DEM combined ,and the landscape structure of
Harbin suburb was reflected directly with the ecological landscape planning and DEM combined ,which improved
the ecological function in this region ,and provided scientific bases to the healthy development in urban2rural inte2
gration area.
Key words 　3S techniques , Ecological landscape planning , Principal analysis , Digital elevation model.3 国家“十五”重大科技攻关资助项目 (2002BA516A15201) .3 3 通讯联系人.
2005 - 01 - 06 收稿 ,2005 - 04 - 25 接受.
1 　引 　　言
景观生态学的发展为景观规划注入了新的活
力. 景观规划是在工业文明及后工业文明中 ,为适应
新的社会发展需要而产生的一门新兴工程应用性学
科专业[16 ] . 景观生态规划更注重自然过程和景观格
局中的水平运动 ,尤其是对破碎化和人为干扰活动
的研究 ,强调景观的优化利用与其生态条件相适应、
相协调 ,并维持景观生态健康发展. 随着空间信息技
术的不断发展 ,研究方法上也有相应的改进 ,即 3
“S”技术的广泛应用. 其中 ,遥感 ( RS) 具有宏观、综
合、动态和快速的特点 ,特别是现代高分辨率的影像
是景观分类空间信息的主要数据源 ,遥感影像分析
是景观生态分类和景观规划的主要技术手段 ;全球
定位系统 ( GPS)的准确定位是野外调查复核空间信
息定位的重要工具 ;地理信息系统 ( GIS) 空间数据
和属性数据集成处理以及强大的空间分析功能 ,使
得现代景观规划在资源管理、土地利用、城乡建设等
领域发挥着越来越大的作用.
城乡交错带存在于城市建成区与广大农村地区
相互连接的部位 ,是城市与乡村景观功能相互交错、
过渡 ,各组成要素相互作用、相互渗透的中间地带 ,
具有明显的“边缘效应”[4 ,7 ] . 它能够有效地疏散城
市职能 ,带动相邻农村地区的快速发展 ,对于整个区
域社会和经济发展以及社会稳定有着重要意义. 本
文借助于 RS、GPS 和 GIS 技术 ,从大区域尺度来掌
握不同景观要素 (土地利用类型) 分布的时空差异 ,
从景观生态学的角度研究区域各景观要素之间的相
互关系. 在景观分析的基础上 ,掌握城郊景观格局现
状 ,通过对多个因子综合分析 ,借助数字高程模型
应 用 生 态 学 报 　2005 年 12 月 　第 16 卷 　第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2005 ,16 (12)∶2291～2295
(DEM) ,对城乡交错带进行景观生态规划 ,为生态
环境改善、土地合理利用以及区域经济结构调整提
供科学的依据 ,为促进城乡一体化以及区域生态环
境恢复提供理论指导和技术支持.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究区域概况
研究区域选在哈尔滨市市郊 (城乡结合处 ,45°25′N～
45°30′N , 126°20′～126°25′E) ,面积为 1 24219 km2 (根据哈
尔滨市测绘局提供的边界) . 哈尔滨市位于黑龙江省中南部 ,
地处松嫩平原东部 ,松花江由西向东从政区内穿过. 地貌为
东部中低山丘陵和西部平原特征 ,地形和地势总趋势是东高
西低 , 其中山地占全市幅员面积的 33125 %、丘陵占
21143 %、平原占 45132 %. 全市年平均气温 215～410 ℃,年
平均无霜期 110～150 d ,年降水量 400～600 mm ,年 ≥10 ℃
积温在 2 500～3 100 ℃,适宜发展农业生产. 该地区四季分
明 ,气候宜人 ,资源较丰富 ,区位条件优越 ,交通发达 ,是东北
亚经济区重要的铁路、公路和航空运输枢纽.
哈尔滨市是黑龙江省会 ,是我国东北北部最大的中心城
市.管辖 7 区 12 县 (市) ,幅员面积为53 067195 km2 ,总人口
941133 万人. 哈尔滨的工业崛起于 20 世纪 50 年代 ,在第一
个五年计划期间 ,哈尔滨是国家重点建设城市之一 ,拥有大、
中型工业企业 217 家. 闻名全国的“三大动力”厂 ———哈尔滨
电机厂、锅炉厂和汽轮机厂生产的发电设备占全国装机总容
量的三分之一 ,是一个工业基础比较雄厚的中心城市.
212 　研究方法
21211 分类体系的制定 　参照“九五”研究成果 ,结合城郊景
观的特点以及研究尺度特征 ,采用土地利用现状的二级分类
系统进行景观类型划分 ,并根据实际情况做了一定改动 ,具
体分类结果为 A 农田景观 :A1 旱田、A2 水田、A3 菜田 ;B 湿
地景观 :B1 退化湿地、B2 近天然湿地 ;C 沙地景观 ;D 水域景
观 :D1 河流、D2 养鱼池塘、D3 泡沼 (水库) ; E森林景观 : E1 水
保林、E2 农田防护林、E3 城市防护林 (线状) 、E4 片林 ; F 道路
景观 : F1 主要道路、F2 一般道路、F3 村屯道路、F4 铁路 ; G村
屯景观 (含工厂及城镇建筑) ; H 草地景观.
21212 数据来源及处理　针对市郊区域较广和尺度较大的特
点 ,采用 2001 年 8 月 10 m的分辨率 SPOT遥感数据为主要研
究材料 ,还有 1988 年和 1998 年两期 30 m 分辨率的 TM 数
据、1∶50 000地形图、哈尔滨市林相图、黑龙江三北防护林图
等文字图形材料以及利用 GPS进行野外调查的数据.
首先用 ERDAS软件对 SPO T 遥感数据进行几何校正 ,
然后对数据进行空间增强和辐射增强等处理 ,将 GPS 在地
面调查的样点和植被类型显示在视窗上 ,利用 AOI 选取模
板进行训练 ,根据制定分类体系划分景观类型 ,对训练模板
的可能矩阵进行评价 ,结合已有资料和野外调查数据 ,以目
视解译和外业调查的结果为辅 ,对分类效果进行评价检验并
根据评价结果进行监督分类 ,将分类后数据经过聚类、统计
过滤除去一定面积的斑块 ,在 ARCGIS 813 中进行数字化 ,
生成各景观类型的多边形矢量数字文件 ,建立拓扑关系后 ,
生成各类景观专题图 ,对各区进行统计 ,得到景观分类图和
各种景观类型专题图. 在此基础上 ,对数据进行综合分析 ,然
后对哈尔滨地区的地形图进行数字化并生成数字高程模型
(DEM) ,为景观因子的选择和遥感数据的叠加奠定基础.
21213 DEM 模型与因子的选择
1) DEM :数字地形模型 (DTM ,Digital Terrain Model) 是
地形表面形态属性信息的数字表达 ,是带有空间位置特征和
地形属性特征的数字描述. 数字地形模型中地形属性为高程
时称为数字高程模型 (DEM ,Digital Elevation Model) . 从数学
角度讲 ,高程模型是高程 Z 关于平面坐标 X , Y 两个自变量
的连续函数. 数字高程模型 (DEM) 只是它的一个有限的离
散的表示. 在地理信息系统中 ,DEM 模型是建立 DTM 的基
础数据 ,其它的地形要素可由 DEM 直接或间接导出 ,称为
“派生数据”,如坡度、坡向.
2)因子选择 :根据景观分类结果并借助于 DEM 派生出
的数据 ,选取平均斑块面积、景观优势度、平均坡度、平均海
拔、破碎度进行景观生态分析评价.
平均斑块面积 ( PA ) : A = ∑
n
i = 1
pi , PA = A / n
式中 , pi 为某个斑块的面积 , n 为某类景观斑块的个数 ,是计
算其它空间特征指标的基础.
景观优势度 ( D) : D = Hmax + ∑
n
i = 1
Piln ( Pi) ;
Hmax = ln ( n)
式中 , Hmax 是多样性指数的最大值 , Pi 是斑块类型 i 在景观
中出现的概率 , n 是景观中斑块类型的总数. 优势度大 ,表明
各景观类型所占比例差别大 ,其中一种或某种景观类型占优
势 ;优势度小 ,表明各类型所占比例相当.
破碎度 ( F) : F = ∑
n
i = 1
N i / A
式中 , n 表示景观类型数目 , N i 为第 i 类景观类型的斑块数 ,
A 为景观总面积 ; F 为破碎度. 用单位面积内的斑块数测度
表示 F 越大 ,表示景观斑块越破碎 ,为景观生态规划提供了
一定的依据 ,在一定程度上反映了人为对景观的干扰程度.
坡度 ( S ) : tana = h/ d
式中 , h 表示高程 , d 表示相应的水平距离 ; tana = [ ( z / x) 2
+ ( z/ y) 2 ]1/ 2 ,其中 z 表示高差 , x , y 为相应的坐标增量.
3)因子分析提取主成分 　采用因子分析提取主成分的
方法 ,将多个因子综合为少数几个因子 ,用最少的因子来概
括和解释多个因子所要说明的事件.
因子分析的数学模型 :
X m = bm1 z1 + bm2 z2 + ⋯⋯bmnz n + en
即 　X = B Z + E
其中 , X 为原始变量向量 , B 为公因子负荷系数矩阵 , Z 为公
因子向量 , E 为残差向量. 在实际的研究中 ,根据积累方差贡
献率大于 80 % 原则选取 m 个方差贡献率大的因子 ,舍弃那
些方差贡献率小的因子.
2922 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
3 　结果与分析
311 　景观因子的统计结果
　　从土地利用状况来看 ,在整个郊区的景观中 ,农
田景观占的比重最大 ,是主要景观类型 ,面积为
81315 km2 ,占总面积的 65145 %. 城郊景观以农田
为本底 ,其平均斑块面积也远远大于其它景观类型 ,
景观的完整化程度高、破碎度小. 其次 ,湿地和退化
湿地占比重较大.
表 1 　景观类型数据表
Table 1 Landscape types data
景观类型
Landscape
type
斑块数量
Number
of patch
(ind1) 景观面积Landscapearea(km2) 斑块平均面积 Patchmean area(km2) % 斑块密度Patchdensity(ind. ·km - 2)
旱 　田
Drought field
45 506111 11125 40172 010889
水 　田
Paddy field
34 286117 81417 23102 011188
菜 　田
Vegetable field
31 21122 016845 1171 114609
退化湿地
Degraded wetland
78 100102 112823 8105 017798
近天然湿地
Natural wetland
15 14132 019547 1115 110475
沙 　地
Sand
44 52122 111868 412 018426
河 　流
River
28 38119 11364 3107 017332
养鱼池塘
Piscina
60 48135 018058 3189 11241
沼泡 (水库)
Small (big) lake
58 11108 011738 0181 51754
水保林
Water and soil conservationforest
37 8197 012424 0172 411249
片 　林
Small2scale forest 164 34167 012114 2179 417303
草 　地
Grassland
44 14168 013363 1118 219972
村屯 (工厂等建筑)
Village (factory)
326 10619 013279 8169 310496
合 　计 Sum 964 124219 100100
　　斑块密度反映景观整体斑块分化程度 ,斑块密度
指数越大 ,破碎化程度越高[3 ]1 从斑块密度上 ,泡沼
(湖泊)最大 ,数量上约是旱田的 65 倍. 人们对湿地的
干扰和改造 ,如对河漫滩进行种田、养鱼等经营活动 ,
加大了景观破碎化程度 ,也是退化湿地面积大的一个
直接原因.其次 ,片林和水保林的斑块密度指数也较
大 ,说明其破碎化较高 ,在经济条件、人力和地形条件
等影响下 ,导致斑块小而密集 ,说明景观的破碎化程
度受人类的干扰影响较大 ;如果景观类型相对单一 ,
种植结构简单 ,受人类的干扰程度小 ,其破碎度小. 这
就是农田景观的斑块密度相对小的一个直接原因. 本
文根据斑块破碎化结果 ,结合土地的实际利用状况并
从大景观尺度考虑来进行景观生态规划.
312 　主成分分析结果
在提取公共因子后 ,明确各公共因子代表的意
义 ,建立的因子载荷阵 B = ( bij) m ×n每一列元素并
不明显 ,不便于对公共因子进行实际背景解释 ,需要
对 B 阵进行旋转 ,使因子载荷阵的结构简化 ,因子
载荷的平方值向 0 或 1 两级分化 ,使大的载荷更大、
小的更小 ,分散各因子的贡献率. 进而对 m 个公共
因子进行命名 ,赋予实际意义. 采用最大方差正交旋
转法 ,使每个因子上具有最高载荷的变量数最小.
表 2 　总方差解释表
Table 2 Total variance explained data
主成分
Principal
component
初始化特征值
Initial eigenvalues
特征根
Total
方 　差
贡献率
% of
variance
累积方差
贡献率
Cumulative
( %)
载荷平方的提取值
Extraction sums of squared loading
特征根
Total
方 　差
贡献率
% of
variance
累计方差
贡献率
Cumulative
( %)
1 11986 391718 391718 11986 391718 391718
2 11337 261739 661457 11337 261739 661457
3 01827 161539 821996
4 01673 131451 961447
5 01178 31553 1001000
表 3 　旋转后的因子载荷表
Table 3 Rotating loading factor
因 子
Factor
公共因子 General factor
1 2
平均面积 Mean patch area 01894126 01166941
景观优势度 Landscape dominance 01874044 - 0131224
平均坡度 Mean slope - 0115324 01738049
海拔高度 Altitude 01216921 01737584
破碎度 Isolation 01392095 - 0156661
　　由表 3 可以看出 ,第 1 主成分中平均面积和景
观优势度占的比重较大 ,两个要素与景观类型分布
区域和所占比重有关 ,其实际上代表了一定的景观
格局 ,是景观类型的主成分. 研究区域中农田、水域、
湿地等景观占有相当大比重 ,从土地的利用现状和
景观空间分布出发 ,可以在宏观上对市郊的景观现
状进行初步的景观规划 ;第 2 主成分中的平均坡度
和海拔高度占的比重大 ,说明哈尔滨市郊的地形和
地貌. 由图 1 可以看出 ,平缓区域占有相当大的部
分 ,其实质是农田、湿地、水域景观的综合反映 ;山
地、丘陵占有较少的比重. 哈尔滨的地貌总体走向是
东南高、西北低 ,自东向西倾斜 ,结合哈尔滨市郊土
壤类型分布状况和外业调查情况 ,从地形地貌和土
地利用类型相结合出发 ,可在空间区域尺度上进行
一定的景观规划.
313 　DEM 和景观功能规划
31311 DEM 　应用 R2V 矢量化软件对地形图上的
等高线进行矢量化并对高程赋值 ,导入 ArcView313
并生成哈尔滨市区的 DEM 模型 (图 2) . 在此基础
上 ,把遥感影像和 DEM 相叠加 ,直观地反映哈尔滨
市郊景观的空间分布和地域状况. 从立体的角度上 ,
392212 期 　　　　　　　　　　　　范文义等 :3S技术在哈尔滨市郊景观生态规划中的应用 　　　　　　　　　　　
图 1 　哈尔滨市郊地形、地貌图
Fig. 1 Topography2physiognomy of Harbin’s suburb. 更加清晰地表达了哈尔滨市郊的景观格局现状 ,了解近期景观生态类型分布空间格局和受人类影响的变化情况 ,为以后景观区划和生态环境保护、生态环境规划、生态环境决策提供依据 (图 3) .31312 景观规划 　市郊是城市在扩张过程中景观发展变化最激烈的地段 ,有其特殊的景观特点和生态系统特征. 在景观规划中遵循以下原则 :1)整体性原则 :充分利用 3S技术和系统方法原理论 ,协调各类型景观同整个区域景观关系 ,实现整体上的协调发展 ;2)尺度原则 :从景观单元出发 ,考虑景观的规模、破碎化等因素 ,根据其合理的尺度规模进行界定 ;3)自然景观优先原则 :在保证经济、信息流畅达的同时 ,充分尊重自然生态过程 ,保护一些具有生态价值的自
　
图 2 　哈尔滨市的 DEM 图像
Fig. 2 Harbin’s DEM image.
图 3 　DEM +遥感影像
Fig. 3 DEM + Harbin’s remote sensing image.
　
图 4 　哈尔滨市市郊景观生态规划
Fig. 4 Landscape ecological architecture of Harbin’s suburb.
1)平原区 Plain region ; 2) 城区 City region ; 3) 湿地区域 Wetland re2
gion ;4)丘陵区域 Highland region ;5) 东部山区 East coteau. 下同 The
same below.
然景观. 此外 ,在 DEM 模型和 DEM + 遥感影像的基
础上 ,利用两个主要影响因子即主成分载荷 ,从土地
的利用现状、景观空间分布以及地质地貌和土地利
用类型出发 ,结合外业调查和实际景观格局现状 ,对
哈尔滨市市郊进行景观生态规划 ,结果见图 4. 通过
DEM +市郊景观生态规划 ,在空间上更好、更直观地
了解景观生态规划 (图 5) .
4 　结 　　论
411 　采用高分辨率的遥感影像数据和利用 GPS 的
精确定位 ,特别是对测定典型景观类型的定位 ,以
GIS 为平台将测点准确地转化到地图上 ,从而增强
景观生态分类的精确性和科学性.
4922 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
　图 5 　DEM +哈尔滨市市郊景观生态规划
Fig. 5 DEM + the landscape ecological architecture of Harbin’s suburb.
412 　对多个景观因子分析 ,反映了近期区域景观生
态类型分布空间格局和受人类影响的变化情况 ;对
多个因子的综合分析和影像与 DEM 模型的叠加 ,
在定性分析的基础上进行功能区划 ,更加直观地了
解哈尔滨市郊区的景观生态规划 ,为生态环境保护、
生态环境规划提供依据.
413 　在“3S”技术支持下 ,建立哈尔滨市郊的景观
生态类型编码系统 ,并根据实际需要 ,制出多种景观
类型专题图 ,有利于空间信息的查询和对郊区的景
观类型的综合管理 ,为哈尔滨其它区域的景观分类
提供依据.
414 　在景观生态区划上 ,对部分因子进行主成分变
换 ,通过借助于 DEM 模型 ,对市郊进行定性的景观
功能区划 ,随着材料和数据的收集 ,做到对景观的定
量规划.
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作者简介 　范文义 ,男 ,1965 年生 ,教授. 主要从事 3S 技术
的应用与研究 ,发表论文 40 篇. Tel : 13936497488 ; E2mail :
fanwy @163. com
592212 期 　　　　　　　　　　　　范文义等 :3S技术在哈尔滨市郊景观生态规划中的应用