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        基于地理國情普查數(shù)據(jù)的東莞市景觀格局分析

        2016-05-30 10:48:04惠宇麥娥英楊志剛姜海林危育冰
        科技尚品 2016年5期
        關(guān)鍵詞:分維東莞市格局

        惠宇 麥娥英 楊志剛 姜海林 危育冰

        摘要:近15年來,東莞市城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,城市景觀變化明顯。本研究基于東莞市地理國情普查數(shù)據(jù),利用景觀格局分析的方法研究東莞市建成區(qū)范圍地表覆蓋變化規(guī)律,計算了研究區(qū)域草地、道路、房屋建筑(區(qū))、耕地、構(gòu)筑物、荒漠與裸露地表、林地、人工堆掘地、水域、園地等10種地表覆蓋的景觀格局指數(shù),研究了東莞市城鎮(zhèn)化進程中景觀格局動態(tài)變化特征,發(fā)掘了東莞市城市景觀格局演化的影響因子。結(jié)果表明:1999年以后建成區(qū)土地形狀逐漸變得不規(guī)則、破碎,道路連通性不斷增強;中部與東北部地區(qū)地表覆蓋斑塊形狀較為簡單,穩(wěn)定性較高;西北部地區(qū)斑塊形狀破碎。

        關(guān)鍵詞:地理國情普查數(shù)據(jù);景觀格局;地表覆蓋;東莞市

        0 引言

        改革開放以來,我國城市進入了城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的階段。農(nóng)村人口大量涌入城市,建設(shè)用地不斷擴張,城市景觀發(fā)生了明顯變化。城市景觀的改變受自然因素、政策執(zhí)行、經(jīng)濟波動、人口遷移等多重因素的影響,反過來又會引起區(qū)域生態(tài)、社會和經(jīng)濟環(huán)境發(fā)生變化。為了能夠更加全面、系統(tǒng)地研究景觀的時空變化規(guī)律,景觀格局分析理論被引入到城市景觀的研究中,并逐漸吸引了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

        景觀格局是指大小和形狀各異的景觀空間單元(斑塊)在空間上的排列與組合規(guī)律,包括景觀組成單元的類型、數(shù)目、空間分布與配置。景觀格局的研究對分析自然與生態(tài)過程和社會經(jīng)濟活動之間的關(guān)系具有重要意義。景觀格局理論包含一系列的景觀空間格局分析方法,其中,景觀格局指數(shù)是應(yīng)用十分廣泛的一種。隨著計算機技術(shù)和GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用,景觀格局指數(shù)的研究也得到了快速的發(fā)展,一些新的景觀格局指數(shù)不斷產(chǎn)生,比如孔隙度指數(shù)、聚集度指數(shù)、景觀空間負荷對比指數(shù)等。如今,景觀格局指數(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到土地利用變化、土地空間布局、城市區(qū)域經(jīng)濟結(jié)構(gòu)等多個研究領(lǐng)域。

        本文將城市景觀格局的研究地點設(shè)定在廣東省東莞市。東莞市位于廣東省中南部,珠江口東岸,東江下游的珠江三角洲,是珠江三角洲的重要工業(yè)城市,有“世界工廠”之稱。改革開放以來,東莞市飛速發(fā)展,城市內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)變化明顯,城市景觀格局改變顯著。本文使用廣東省地理國情普查數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,以多種景觀格局指數(shù)作為評價方法,針對該地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展情況,對研究區(qū)域1999-2013年的景觀格局變化、發(fā)展趨勢進行分析和研究,并試圖挖掘東莞市各時間段城鎮(zhèn)化發(fā)展的差異程度及其影響因素,以期更加準確、全面地揭示東莞市十余年來的景觀格局發(fā)展變化的總體趨勢。

        1 研究方法

        為了從宏觀上分析東莞市地表覆蓋的組成、空間變化,本文利用景觀要素的指數(shù)描述不同地表覆蓋類型的結(jié)構(gòu)組成和空間特征,同時利用景觀總體特征的指數(shù)反映區(qū)域全局的景觀特征。景觀要素指數(shù)是描述單個景觀類的指數(shù),而景觀總體特征指數(shù)是描述區(qū)域內(nèi)所有景觀類型的總體特征的指數(shù)。在具體實施過程中,選取景觀復(fù)雜度、景觀破碎度、景觀穩(wěn)定性、景觀多樣性、景觀均勻度、景觀優(yōu)勢度幾個景觀格局指數(shù),如圖1所示。

        1.1 景觀復(fù)雜度

        選取面積周長分維數(shù)(D)用來描述景觀復(fù)雜度,即景觀中斑塊形狀復(fù)雜程度。計算公式如下:

        代表景觀斑塊面積,代表景觀斑塊周長。

        斑塊面積的對數(shù)與斑塊周長的對數(shù)回歸,得到回歸直線,由最小二乘法求得系數(shù)a。

        面積周長分維數(shù)值域為(1,2),分形維數(shù)越接近1,表明景觀要素斑塊的自我相似性越強,斑塊形狀越有規(guī)律,斑塊的集合形狀趨向簡單,受干擾程度越大;反之,分形維數(shù)越接近2,表明景觀要素斑塊的形狀越無規(guī)律,形狀越復(fù)雜,受干擾程度越小。

        1.2 景觀破碎度

        破碎度指數(shù)(FN)用來描述景觀破碎度,即整個景觀或某一給定景觀類型在給定時間和給定性質(zhì)上的破碎化程度。計算公式如下:

        C=N/A, (2)

        式中:N為總斑塊數(shù),A為總面積。

        Ci=Ni/Ai, (3)

        式中:Ni為景觀i斑塊數(shù),Ai景觀i的面積。

        1.3 景觀穩(wěn)定性

        穩(wěn)定性指數(shù)(Si)用來描述景觀穩(wěn)定性,描述空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,Mandelbrot認為,布朗運動的線線函數(shù)的分維數(shù)是1.5。分維數(shù)越接近于1.5臨界值點,地表覆蓋類型越接近于布朗運動狀態(tài),穩(wěn)定性越差;反之,穩(wěn)定性越強。

        Si=|1.5-D| (4)

        式中:D為景觀的面積周長分形維數(shù)指數(shù)。

        1.4 景觀多樣性

        香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)用來描述景觀多樣性。計算公式如下:

        式中:Pi為i類型斑塊在景觀中出現(xiàn)的可能性,在此以斑塊所占景觀面積的比例計算,m為景觀類型的數(shù)目。

        景觀多樣性有兩層含義:一是表述斑塊類型的多少(即豐富度);二是說明各類型在空間上分布的均勻程度。當(dāng)景觀由兩種以上的類型構(gòu)成,且各景觀類型所占的比例相等時,景觀的多樣性指數(shù)最高;當(dāng)各景觀類型所占的比例差異增大時,類型多樣性指數(shù)下降。

        SHDI>=0,當(dāng)SHDI=0時,表明整個景觀僅由一個斑塊組成:SHDI增大,說明斑塊類型增加或各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢分布。

        1.5 景觀均勻度

        香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)來描述景觀均勻度,表示景觀鑲嵌體中不同景觀類型在其數(shù)目或面積方面的均勻程度。公式如下:

        式中:為某類景觀所占面積的比例,m為景觀類型的數(shù)目。

        0<=SHEI<=1。當(dāng)景觀中只包含一個斑塊(沒有多樣性)時,SHDI=0,隨著不同斑塊類型間的面積分布越來越不均勻(如主要以一種類型為主),SHDI趨近于0。而當(dāng)不同類型斑塊間是完全均勻(各類型所占比率相等)時,SHDI=1。

        1.6 景觀優(yōu)勢度

        景觀優(yōu)勢度指數(shù)描述景觀的優(yōu)勢度,表示一種或幾種類型斑塊在一個景觀中的優(yōu)勢化程度,也用來描述景觀多樣性對最大多樣性之間的偏差或描述景觀由少數(shù)幾個景觀要素控制的程度。

        式中:Hmax為多樣性指數(shù)(此處以SHDI)最大值,即計算為i類景觀所占面積的比例,m為景觀類型的數(shù)目。通常,較大的值對應(yīng)于一個或少數(shù)幾個占主導(dǎo)地位的景觀。

        2 實驗與結(jié)果分析

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        本文數(shù)據(jù)來自東莞市地理國情普查數(shù)據(jù)中地表覆蓋數(shù)據(jù),包括草地、道路、房屋建筑(區(qū))、耕地、構(gòu)筑物、荒漠與裸露地表、林地、人工堆掘地、水域、園地共10類景觀,數(shù)據(jù)覆蓋了1999年、2003年、2008年、2013年4個年份,由分辨率優(yōu)于2.5m的高分遙感影像解譯獲取。研究范圍如圖2標黑區(qū)域所示,為廣東省東莞市2013年建成區(qū),分析這片區(qū)域從1999-2013年間城鎮(zhèn)化進程中的景觀格局變化規(guī)律。

        2.2 研究區(qū)域景觀格局指數(shù)變化

        基于上述公式,使用AE進行二次開發(fā),編寫代碼計算基于矢量數(shù)據(jù)的景觀格局指數(shù),計算結(jié)果如圖3所示。

        圖3(a)顯示研究區(qū)域各類地表覆蓋斑塊面積周長分維數(shù)變化趨勢基本相同,總體呈現(xiàn)上升趨勢,斑塊形狀趨向復(fù)雜、不規(guī)則。房屋建筑(區(qū))幾乎無變化,道路變化幅度最大??赡苁怯捎?999年前新開發(fā)土地較多、規(guī)劃力度較強,各類斑塊形狀較簡單、規(guī)則;1999~2013年各類土地斑塊逐漸細碎化,相互交互,形狀變得復(fù)雜、不規(guī)則。

        圖3(b)顯示景觀破碎度總體趨勢逐年升高。其中,耕地、草地、荒地等類型的斑塊越來越破碎。林地、園地先破碎加劇,2013年破碎度下降,表明有所整合。道路破碎度持續(xù)下降,表明道路連通性不斷增強。

        圖3(c)顯示穩(wěn)定性指數(shù)總體呈下降趨勢。多數(shù)地表覆蓋斑塊1999~2008年穩(wěn)定度較高,2013年下降。表明1999~2008年抗干擾能力較強,預(yù)測性較高。2013年抗干擾能力下降,特別是林地,容易發(fā)生形狀或類型的變化。

        由圖3(d)可以看出,房屋建筑(區(qū))及構(gòu)筑物所占比例持續(xù)上升;道路所占面積比例緩慢上升;耕地、草地、園地、荒漠與裸露地表、人工堆掘地所占比例持續(xù)下降;林地占比變化不大。

        香農(nóng)多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)持續(xù)下降,景觀優(yōu)勢度持續(xù)上升,表明研究區(qū)域景觀構(gòu)成向不均勻轉(zhuǎn)變,各類地表覆蓋面積差距拉大,主導(dǎo)地位的地表覆蓋斑塊房屋建筑(區(qū))占比持續(xù)增加,由1999年的23%增加到2013年的44%。

        2.3 東莞市鎮(zhèn)街景觀格局對比

        東莞市轄32個鎮(zhèn)街,2013年各鎮(zhèn)街的建成區(qū)景觀格局指數(shù)的空間分布圖如圖4所示。

        圖4(a)、(c)顯示東莞市中部地區(qū)與東北部地區(qū)面積周長分維指數(shù)和破碎度指數(shù)都比較低,表明地表覆蓋斑塊形狀較為簡單、穩(wěn)定性較高。西部地區(qū)除高埗鎮(zhèn)、望牛墩鎮(zhèn),周長分維指數(shù)和破碎度指數(shù)都比較低,表示地表覆蓋斑塊形狀較為復(fù)雜、穩(wěn)定性低。

        圖4(b)顯示中部地區(qū)建成區(qū)破碎度較低,東西部地區(qū)破碎度相對較高。

        圖4(d)顯示西部、中部各有顏色較深的地區(qū),這些區(qū)域的優(yōu)勢度較低,而東莞市內(nèi)莞城街道、北部、東南地區(qū)優(yōu)勢度較高。優(yōu)勢度高意味著存在主導(dǎo)類型地表覆蓋,對于建成區(qū)來說,主要是建設(shè)用地的占比較大,建設(shè)水平較高。為增加?xùn)|莞市發(fā)展的均衡性,下一步城市建設(shè)可優(yōu)先考慮優(yōu)勢度較低的地區(qū)。

        3 結(jié)論

        本文利用景觀復(fù)雜度、景觀破碎度、景觀穩(wěn)定性、景觀多樣性、景觀均勻度及景觀優(yōu)勢度等方法,以東莞市2013年建成區(qū)為范圍,分析了其1999年、2003年、2008年及2013年的景觀格局的變化特征,得出如下結(jié)論:

        (1)研究區(qū)域土地形狀逐漸變得不規(guī)則。表明1999-2013年隨著東莞市城市擴張,土地斑塊逐漸細化,相互交錯,形狀變得不規(guī)則,同時穩(wěn)定性也在下降。

        (2)1999-2013年間研究區(qū)域總體地表覆蓋斑塊逐漸破碎。但道路破碎度持續(xù)下降,表明道路越來越連通。

        (3)1999-2013年研究區(qū)域耕地、草地面積持續(xù)下降。優(yōu)勢景觀房屋建筑(區(qū))所占面積比例從1999年的23%擴大到2013年的44%;地表覆蓋圖疊加分析顯示東莞市在1999-2013年間有大量耕地、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,包括房屋建筑(區(qū))、構(gòu)筑物、道路。其間新增建設(shè)用地主要來源由耕地轉(zhuǎn)為草地。人工堆掘地面積占比下降,表明東莞市改造及新增建筑有所減少。

        (4)東莞市建成區(qū)中部與東北部地區(qū)地表覆蓋斑塊形狀較為簡單、穩(wěn)定性較高,西部地區(qū)斑塊形狀復(fù)雜、穩(wěn)定性低。

        (5)研究區(qū)域從1999-2013年間總體建設(shè)用地逐漸增加到7770,仍然保有1870以上的綠地,道路越來越連通,對于經(jīng)濟發(fā)展、居住生活都較適宜。但斑塊形狀不規(guī)則、穩(wěn)定性低,容易發(fā)生形狀或類型的轉(zhuǎn)變,建議在未來城市建設(shè)中予以重視。

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