全 文 ：第 25 卷第 11 期
2005 年 11 月
生　　态　　学　　报
A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 25,N o. 11
N ov. , 2005
济南市城市绿地时空梯度分析
尹海伟1, 孔繁花2
(11 南京大学城市与资源学系, 南京　210093; 21 日本广岛大学国际协力研究科, 日本广岛　73928529)
基金项目: 中国科学院知识创新资助项目 (KZCX32SW 2424) ; 国家自然科学基金资助项目 (40371038)
收稿日期: 2004211226; 修订日期: 2005204220
作者简介: 尹海伟 (1978～ ) , 男, 山东青州人, 博士生, 主要从事城市生态与 G IS 研究. E2m ail: qzyinhaiw ei@ 163. com
Foundation item: P ro ject of Ch inese A cadem y of Sciences (N o. KZCX32SW 2424) , N ational N atural Science Foundation of Ch ina (N o.
40371038)
Rece ived date: 2004211226; Accepted date: 2005204220
Biography: Y IN H ai2W ei, Ph. D. candidate, m ain ly engaged in urban eco logy and G IS. E2m ail: qzyinhaiw ei@ 163. com
摘要: 随着社会经济的发展, 人们越来越关注生活质量, 而具有重要生态和社会经济功能的城市绿地是反映一个城市生活质量
的重要指标。因此, 城市绿地空间格局的定量研究就显得尤为重要。以济南市作为研究区, 以R S 和 G IS 为技术手段, 采用梯度
分析和景观指标相结合的方法, 在 8 个方向上从市中心到边缘取样, 对研究区 1989、1996、2004 年的城市绿地空间格局及其变
化进行了定量分析。研究结果表明: (1)基于城市绿地类型图、运用移动窗口所得到的梯度分析结果能够准确的表达城市绿地空
间格局及其动态变化; (2)城市绿地时空梯度的动态变化能够反映城市土地利用空间结构及政府政策的影响; (3)梯度分析方法
能够实现景观指标的空间化与可视化; (4) 局部区域上的景观指标量化与整个景观水平上的量化相比, 能够更好的连接景观格
局与过程, 对进一步分析城市绿地的生态和社会经济功能具有重要意义。
关键词: 移动窗口; 梯度分析; 城市绿地; 济南市
文章编号: 100020933 (2005) 1123010209　中图分类号: X22　文献标识码: A
Spa tio- tem pora l grad ien t ana lys is of urban green space in J i′nan C ity
Y IN H ai2W ei1, KON G Fan2H ua2　 (11 D ep artm en t of U rban and R esou rces S ciences, N anj ing U niversity , N anj ing 210093, Ch ina;
21 G rad ua te S chool f or In terna tiona l D evelopm en t and Coop era tion, H irosh im a U niversity , H ig ash i2h irosh im a 73928529, J ap an). A cta Ecolog ica
S in ica , 2005, 25 (11) : 3010～ 3018.
Abstract: U rban green space can be defined as ou tdoo r p laces w ith sign ifican t amoun ts of vegetat ion and m ain ly ex ists as sem i2
natu ral areas. It has impo rtan t eco logical and social funct ions, including m ain tain ing b iodiversity, abso rb ing rainw ater and
po llu tan ts, m it igat ing u rban heat island effects, p roviding recreat ion venues, reducing w o rk2rela ted stress, and increasing
p roperty values.
W ith social developm en t, peop le pay m uch mo re at ten t ion to the living standard in the u rban area. U rban green space
becom es an impo rtan t indicato r. A nalysis of green space pattern is the basis to op tim ize u rban p lann ing in the fu tu re. In ch ina,
after the R efo rm and Open Po licy and the U rban L and R efo rm in it ia ted in 1980s, Ch inese cites are facing a rap id u rban
expansion and redevelopm en t. T h is rap id u rban izat ion p rofoundly transfo rm ed the spat ia l pat tern of u rban area, obviously,
including the green space. T he governm en t at temp ts to p lan green space to adap t the u rban developm en t, w h ich requ ires an
understanding of the p rocess of green space change. T h is has been done since 1980s. Bu t mo st of the cit ies have imp lem en ted
green p lann ing since 1990s.
Q uan tificat ion of green space pattern s is a p rerequ isite to the understanding of green space changes, and is essen tia l fo r
mon ito ring and assessing green space functions. T h is paper p resen ts a new m ethod fo r quan tifying and cap tu ring changes in
green space pattern s, th rough a case study of J i′nan city w h ich carried ou t five phases of green ing w o rk after the estab lishm en t
of the“Great Changes in F ive Years”in 1997, resu lt ing in trem endous change of u rban spatia l pat tern, especially the green
space, du ring 198922004. Suppo rted by G IS and remo te sensing, w e quan tified the local green space w ith the“moving
w indow ”techn ique (using FRA GSTA T S) , and a gradien t analysis by samp ling from the u rban cen ter to the fringe.
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R esu lts demonstrated that: (1) Based on urban green space type m ap and moving w indow techn ique, gradien t m ap s of
differen t landscape m etrics in each local area and the samp ling analysis from urban cen ter to the fringe in eigh t direct ions cou ld
p recisely quan tify the sign ifican tly altered green space pattern; (2) Changes of green space pattern in spat io2tempo ral gradien t
cou ld obviously reflect the effects of u rban izat ion and the imp lem en tat ion of governm en tal po licy; (3) U sing moving w indow
techn ique, landscape m etrics cou ld be quan tified in each local area; ( 4) Compared w ith quan tifying m etrics in the en tire
landscape, part ia l quan tificat ion of landscape pattern cou ld link pattern and p rocesses mo re effect ively, and estab lish an
impo rtan t basis fo r subsequen t analysis of eco logical and socioeconom ic functions of green spaces.
Key words: moving w indow s; gradien t analysis; u rban green space; J i′nan C ity
随着城市化水平的不断提高, 城市地域不断向外扩展, 不可避免会带来严重的环境与社会经济后果[1～ 3 ]。城市绿地是城市
中唯一残存的自然景观, 通常具有重要的生态和社会经济功能, 如保护生物多样性, 防治水土流失, 减轻城市热岛效应, 提供休
息娱乐场所, 减轻城市人的工作压力, 影响房屋价格等[4～ 8 ]。随着人们生活水平的不断提高与休闲时间的逐渐增加, 人们更加渴
望接触自然、亲近自然、走向自然。因此, 城市绿地日益成为评价城市生态可持续与人们生活质量的重要标准。景观生态学因能
同时考虑人为与自然景观并能提供城市土地利用与环境改善的优化方法而非常适合进行城市绿地方面的研究[9～ 11 ]。它用斑块
数目、大小、形状和位置 4 个基本元素来定义生态格局, 并运用景观指标来量化空间格局[9～ 13 ]。梯度分析, 始于植被分布规律的
分析, 目前已被用于调查城市化对植被分布和生态特征的影响[14～ 16 ]。在最近的研究中, L uck 和W u [17 ]、Zhang 等[18 ]和李俊祥
等[19 ]将梯度分析方法应用到景观生态学领域, 用分割窗口沿所选样带移动并分析每个窗口的景观格局变化, 以此探讨了城乡
景观格局演化与城市化产生的生态后果, 但该方法依然难以实现研究区任一点空间信息的量化与可视化, 因此空间格局与过程
的准确连接仍然难以有效解决。
本文以济南市为研究区, 基于 F ragstats[20 ]软件平台, 以R S 和 G IS 为技术手段, 采用移动窗口方法进行梯度分析, 在 8 个
方向上从市中心到边缘取样, 对研究区 1989、1996、2004 年的城市绿地空间格局及其变化进行了定量分析, 生成了景观特征 (景
观指标)空间分布图, 实现了研究区空间量化信息的可视化, 使空间格局与过程的准确连接得以有效解决。本研究试图解决以下
问题: 1)城市绿地空间格局如何变化; 2) 城市绿地梯度分析能否体现城市化和政府政策的影响; 3) 梯度分析能否更好的连接景
观格局与过程, 为进一步分析城市绿地生态与社会经济功能提供前提, 为将来生态城市规划提供基本信息。
1　研究区概况
济南市是山东省省会, 南依泰山、北枕黄河; 属典型的温带半湿润大陆性季风气候, 四季分明, 年平均气温 14 ℃, 年平均降
雨量 650～ 700 mm ; 南部泰山山脉属石灰岩且岩层向北倾斜, 北部地层为火成岩, 因此从泰山岩层南来的地下水在北部受到阻
挡而形成许多泉水, 济南由此而以“泉城”著称; 自然植被以针阔混交林和常绿针叶林为主, 优势树种为法桐 (P la tanus orien ta lis
L. )、国槐 (S op hora jap on ica)、毛白杨 (P op u lus tom en tosa Carr. )和侧柏 (P la ty clad us orien ta lis F ranco. )及一些草灌群落[21 ]。
50 多年来, 济南城市化不断推进、城市用地不断扩展, 建成区面积由 1949 年的 2416km 2 扩展到 2003 年的 190km 2, 2020 年
将达到 400km 2 [22, 23 ]。快速城市化深刻地改变着城市土地利用空间格局, 也使得城市绿地与城市发展之间的矛盾日益激化, 因此
各级政府都希望通过合理规划城市绿地来适应城市发展。济南市城市总体规划 (1996～ 2010 年) 和“济南 5 年大变样”方案
(1997 年) 制定并实施以来, 济南市共进行了 5 个阶段的绿化工作, 使济南市城市土地利用与城市绿地的空间格局发生了巨大
变化[23 ]。本文以济南市二环路以内区域作为研究区, 总面积为 14912km 2, 该区域是历届济南市总体规划的核心区域。
2　数据与研究方法
本研究所使用的主要数据有: ①1989 年 6 月 1 日 SPO T 图像 (分辨率 10m , 单波段) , 1989 年 6 月 27 日 TM 图像 (分辨率
30m , 7 波段) , 1996 年 6 月 12 日 SPO T 图像 (分辨率 10m , 单波段和分辨率 20m , 4 波段) , 2004 年 5 月 23 日 SPO T 图像 (分辨率
10m , 4 波段) ; ②2000 年绘制的地形图 (1: 10000) ; ③济南市规划局和济南市统计局提供的城市规划及统计数据。
济南市城市绿地时空梯度分析方法和过程如下: ①基于地形图运用 ERDA S 软件将遥感图像数据进行校正并创建U TM
坐标系统, 因 1989 和 1996 年数据分辨率不同, 因此将图像数据进行了融合; ②根据中国城市绿地划分标准 (CJJöT 8522002) 并
结合城市绿地功能与土地利用类型及其所属权等将济南市城市绿地划分为 9 类 (表 1) ; ③运用A RCöIN FO 软件进行目视解译
得到 3 个时期的城市绿地类型矢量图, 并结合野外调查数据对其进行校正 (图 1) ; ④将城市绿地类型矢量图转换为 10m ×10m
的栅格数据图; ⑤在 F ragstats 软件支持下, 选用半径为 500m 的移动窗口进行梯度分析。窗口在整个研究区内从左上角开始移
动, 计算 500m 窗口内每一个景观指标值, 并将改值赋给该窗口中心栅格, 最后形成景观指标栅格图 (图 2) [20 ] , 本文共选取了斑
块类型面积 (C lass area, CA )、斑块密度 (Patch density, PD )、斑块类型面积百分比 (Percen t of landscape, PLAND )、平均斑块面
积 (M ean Patch Size,M PS)、最大斑块指数 (L argest patch index,L P I)、斑块形状指数 (L andscape shape index,L S I)、平均最小邻
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近距离 (Euclidian m ean nearest neighbo r distance,M NN )、斑块丰富度 (Patch richness, PR ) 8 个指标; ⑥基于以上生成的栅格
图, 从研究区几何中心到边缘每隔 200m 进行空间取样, 共在 8 个方向上选取了 286 个样点进行了分析 (图 2)。
表 1　济南市城市绿地分类
Table 1　Classif ication of urban green space
大类O riginal type 中类M edium type 特征D escrip tion
公园绿地
Public park
公园绿地
Public park (PU )
向公众开放, 以教育、娱乐和休息为主要功能, 自然和人工植被混合, 以乔木和灌木
为主, 植被多样性较高
Open to the public; p rovides education, p leasure and recreation; has natural and
p lan ted vegetation, mo st is trees and sh rub; h igh diversity
广场绿地
P laza2green space (PL ) 向公众开放, 提供娱乐休息的场所, 以人工植被为主, 主要是草坪和灌木, 乔木较少,植被多样性较低Open to the public; p rovides open space, recreational oppo rtun it ies; has p lan ted
vegetation, seldom trees, mo st is sho rter sh rubs and grassland; low diversity
生产绿地
N ursery
生产绿地
N ursery (NU )
为城市绿化提供苗木、花草和种子的苗圃、花圃、草铺等圃地
P ropagating and cult ivating vegetation, breeding and supp lying sap lings fo r urban
green ing
防护林
Green buffer
防护林
Green buffer (GR )
具有一定宽度的生态廊道, 具有隔离和防护功能, 包括卫生隔离带, 城市高压走廊绿
带, 防风林带等, 以人工植被为主, 植被多样性较低
L inear co rrido rs p ro tecting h igh2vo ltage transm ission lines, screen ing w ind and
cleansing po llu tan ts; w ith p lan ted vegetation; low diversity
附属绿地
A ttached
green space
附属绿地
A ttached green space (A T )
工业、商业、教育、市政设施等土地的附属绿地, 以人工植被为主
A ttached to industrial, comm ercial, u tility land etc1; has p lan ted vegetation
居住绿地
Residen tial green space (RE)
城市居住区内, 社区公园以外的绿地, 包括宅旁绿地, 配套公建绿地、小区道路绿地
等, 以人工植被为主, 植被多样性较低
A ttached to residen tial areas, including tho se p lan ted and m ain tained by the
individual residen ts; includes comm unal green space serviced the local comm unity
(excludes PU and PL ) ; lim ited p lan t diversity
道路绿地
Roadside green space (RO )
包括行道树、分车绿带、交通绿岛等, 具有减少交通事故、屏蔽噪音、减少太阳辐射等
作用, 以人工植被为主, 植被多样性较低
L inear co rrido rs betw een sidew alk s, curbs o r island patches in cro ssroads; serve to
buffer peop le from traffic, screen no ise and so lar radiation etc1; has p lan ted
vegetation; lim ited p lan t diversity
其他绿地
O ther green space
河流水域绿地
R iparian green space (R I)
河流和水域旁的线形生态廊道, 植被多样性较高
L inear co rrido rs along w atersheds; often h igh p lan t diversity
风景林
Scenery fo rest (SC)
向公众开放, 以残存的自然或者半自然植被为主, 具有较高的生物多样性, 是城市保
护生物多样性的主要场所
Open to the public; a mo saic of rem nant o r naturalized habitat types; h igh diversity;
the m ain site p ro tecting biodiversity
图 1　研究区 3 个时期城市绿地分类图
F ig. 1　U rban green space type m ap of study area in th ree periods
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图 2　在景观水平上的斑块密度 (PD )栅格图及样点分布
F ig. 2　Grid m ap of PD m etric in landscape2level and 286 samp ling po in ts
图 3　济南市城市绿地总体格局特征
F ig. 3　Synop tic landscape characterist ics of green space in J i′nan C ity
3　结果与分析
311　城市绿地总体格局分析
由图 3 可见, 城市绿地总面积不断增大, 由 1989 年的 430212 hm 2, 增为 1996 年的 433717 hm 2 和 2004 年的 553816hm 2, 但
3 个时期城市绿地总面积的增长率差异却较大, 1996～ 2004 年城市绿地面积年均增长率为 2717% , 远远高于 1989～ 1996 年的
018% ; 各类绿地面积及其所占比例的变化差异亦比较明显, 附属绿地、居住绿地和公园绿地增长最为明显, 但风景林在 1996 年
到 2004 年间却减少了 66188hm 2, 居住绿地、附属绿地、道路绿地及公园绿地比例都有了明显增加, 而防护绿地、苗圃比例却有
所减少; 居住绿地在 3 个时期始终具有最大 PD 和M PS, 这说明居住绿地的破碎化程度最大; 风景林具有最大 PLAND、M PS 和
较低的 PD , 这表明风景林在城市绿地中为优势类型并具有较高的聚集度; 道路绿地的 PD 和 PLAND 逐渐增加, 表明道路绿地
的连接度逐渐增加, 城市绿地网络逐渐形成。城市绿地类型及格局的以上变化与济南市城市总体规划 (1996～ 2010 年)和“济南
5 年大变样”方案 (1997 年) 的实施和城市化进程密切相关, 城市绿化政策使得大多数城市绿地类型的面积增加, 并改变了城市
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绿地类型的空间分布格局, 与此同时城市空间的扩展却造成大量绿地被侵吞, 特别是风景林和水域绿地。
　　城市绿地总体格局分析有利于获得研究区总体格局的变动特征, 也是目前通用的一种分析方法, 然而仅通过这一分析, 我
们很难发现城市绿地时空变化的直接原因, 而下面的梯度分析可以有效解决这一问题。
312　类型水平上的梯度分析
通过移动窗口, 在类型水平上对 9 种城市绿地进行了梯度分析, 但因数据太多, 本文仅选择居住绿地进行解释。由图 4 可
见, 在 3 个时期, 居住绿地的 PLAND , PD 和L S I从城市中心到边缘均呈现“V ”型形态, 这与市中心为政治和商业中心, 而两侧
多为居住区有关; 不同景观指标在不同的时期也表现出不同的空间特征。在靠近市中心, PLAND , PD 和L S I的序列相同: 2004
年> 1996 年> 1989 年, 表明居住绿地面积、斑块密度和破碎化程度逐年增加, 这与政府的绿化政策密切相关, 因为在市中心附
近居住面积的增加已不太可能, 因此政府实施了“见缝插针”的绿化政策; 在城市中心外围, 在北、东北、东和西北部, PLAND 和
L S I表现出峰值并且具有相同的排序: 2004 年> 1996 年> 1989 年, 表明越来越多的人们居住于市中心外围, 致使城市周边居住
区的大量建设和城市空间的进一步扩展, 然而在西南、西和南部, PLAND 序列为 1989 年> 1996 年> 2004 年, 而 PD 和L S I 为
1996 年> 1989 年> 2004 年, 表明居住绿地由于城市的扩展和建筑密度的增大而不断被蚕食, 变的更为破碎。
图 4　类型水平上居住绿地的梯度变化
F ig. 4　Gradien t changes of residen tial green space in class2level
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图 5　景观水平上 4 个方向的梯度变化
F ig. 5　Gradien t changes in landscape2level in four directions
413　景观水平上的梯度分析
由图 5、图 6 可见, 1989 年, 除了市中心以外的大多数区域, PD 均较小, 而M NN 较高并波动剧烈, 这表明 1989 年城市绿地
分布很不均匀, 且连接度较低; 2004 年的L P I与 1996 年和 1989 年相比具有更多峰值, 表明城市绿地明显增加, 斑块间距离减
小, 连接度增加, 甚至组合成较大的斑块; PR 在整个景观水平上呈“M ”型, 这与济南市城市土地利用空间结构密切相关。市中心
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是政治和商业中心, 绿地主要为道路和附属绿地, 在其两翼, 以居住区为主, 同时配有公园、广场等娱乐场所和教育、商业等附属
绿地, 绿地类型比较齐全, 而在城市周边, 以大面积的风景林或防护林及河流水域绿地为主, 类型又相对比较单一。
图 6　景观水平上其他 4 个方向的梯度变化
F ig. 6　Gradien t changes in landscape2level in ano ther four directions
在南部 (- 3～ - 2km ) 和东南部 (- 5～ - 7km ) ,L P I在 3 个时期均为峰值, 说明在此区域绿地的优势度一直很高, 始终为
研究区的“绿核”, 主要为风景林 (SC) 和公园绿地 (PU ) , 而在这两个方向的边缘 PD 和M NN 呈现 2004 年> 1996 年> 1989 年,
这表明在这些区域破碎化程度增加, 说明公园绿地 (PU ) 和风景林绿地 (SC) 由于城市的不断扩展而受到侵蚀。在北部 (在 4～
7km )和东北部 (在 3～ 7km ) , 在 1989 年L P I表现出不少峰值, 但在 1996 年、2004 年, 这些峰值消失, 这表明 1989 年在这些地区
集中分布的绿地, 由于受到城市扩展的影响, 而不断被蚕食并分割成小的斑块。从市中心向西大约 4km 处, L P I 为 2004 年>
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1996 年> 1989 年,M NN 为 1989 年> 1996 年> 2004 年, 表明更多的“绿核”形成, 绿地间距离减小,“点式分布, 见缝插针”的绿
化政策收到明显效果。
4　结论与讨论
R S、G IS、景观指标与梯度分析有机结合, 是城市绿地时空梯度分析研究中的一项全新的分析思路和方法。本文采用该方
法, 对研究区 1989 年、1996 年、2004 年的城市绿地空间格局及其变化进行了定量分析。研究结果表明:
(1)城市绿地时空梯度分析结果能够准确表达城市绿地空间格局及其动态变化。
(2)城市绿地时空梯度的动态变化能够反映城市土地利用空间结构及政府政策的影响。
(3)梯度分析方法能够实现景观指标的空间化与可视化。
(4) 局部区域上的景观指标量化与整个景观水平上的量化相比, 能够更好的连接景观格局与过程, 对进一步分析城市绿地
的生态和社会经济功能具有重要意义。
景观生态学在过去的几十年里主要基于斑块镶嵌模式研究格局和过程的关系[9, 24, 25 ]。整个研究区景观指标的平均计算导
致在分析结果时经常产生错误的解释, 而且总体特征的变化不能用以解释特定位置的变化规律, 即整体景观指标的核算一定程
度上抹煞了区域内部景观格局的差异[26 ]。因此, 未来景观生态学的发展将会因为在景观尺度上缺少有效的方法和工具来分析
连续变化的生态现象而受到限制[15 ]。而本文在 F ragstats 软件的支持下, 采用移动窗口方法, 进行研究区绿地景观格局的时空
梯度分析, 实现了景观指标的空间量化与可视化, 也实现了研究区绿地空间格局的连续表达和分析, 弥补了当前景观格局研究
难以细化的难题。
数量化与空间化的城市绿地格局与其他环境与社会经济空间数据信息相结合, 可以进一步分析城市绿地的生态和社会经
济功能。例如, 城市绿地的宜人性能够影响其周边的房屋销售价格, 目前已有不少学者使用享乐模型 (H edon ic model)分析其关
系[8 ]。
另外, 为了获得较好的平滑效果研究中尝试了不同的窗口大小, 结果表明, 500m 半径的窗口效果较好, 能够通过景观指标
的变动特征真实反映城市绿地空间格局的变化。窗口的选择也可以看作是尺度变化对景观指标影响的一个范例。在基于类型图
运用移动窗口进行梯度分析时, 如何选择窗口大小以及尺度如何影响景观指标等是有待进一步深入研究的问题。
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