付鳳杰,劉珍環(huán),黃千杜

中山大學地理科學與規(guī)劃學院, 廣州 510275

景觀格局分析是解析城市景觀時空變化和理解城市地區(qū)格局與過程相互作用的經(jīng)典方法[1]。過去幾十年,隨著遙感技術的興起,以二維景觀發(fā)展起來的景觀格局分析日臻完善[2- 3]。城市作為人工景觀的綜合體,在快速城市化進程中,城市空間形態(tài)結構與組織關系迅速地朝著三維立體化發(fā)展,建筑景觀顯著高過綠地景觀,對城市景觀的格局與功能特性產(chǎn)生顯著影響[4]。景觀格局特征的三維立體化和景觀功能聯(lián)系的三維網(wǎng)絡化,改變了三維城市景觀生態(tài)特征[5]。城市景觀結構與功能聯(lián)系的認識,需要突破傳統(tǒng)二維景觀空間平面鑲嵌格局,增加垂直立面的景觀格局解析,才能有效地理解三維城市景觀生態(tài)特征[6]。隨著三維空間信息獲取技術的提升,城市三維景觀生態(tài)特征受到重視,三維景觀格局及其變化特征分析成為當前景觀格局研究的熱點問題,是深化測度城市景觀格局的熱點方向[7]。

三維城市景觀格局研究得益于數(shù)據(jù)獲取與技術方法進步,越來越受到研究者重視[8]。地面數(shù)據(jù)調(diào)查及三維地籍數(shù)據(jù)[9- 11]、航空攝影測量[12]、高分辨率衛(wèi)星遙感影像[13- 15]及機載激光掃描(LiDAR)[16- 18]等數(shù)據(jù)源廣泛應用于三維景觀格局建模及變化分析。數(shù)據(jù)源對三維景觀格局分析有影響,地面調(diào)查和三維地籍數(shù)據(jù)獲取費時費力[19]；航空攝影測量在建筑物稠密區(qū)會出現(xiàn)三維信息缺失問題[20]；高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)可以為地表三維信息提供動態(tài)性和實時性等特征,但大規(guī)模處理高分辨率遙感數(shù)據(jù)尚待突破[21]；LiDAR能獲取目前最為先進的三維信息,但變化時段內(nèi)的數(shù)據(jù)不容易獲取[22]。因此,綜合多源數(shù)據(jù)集成獲取城市景觀三維信息是目前較為可行的技術。

城市景觀以建成景觀和綠地景觀為主,已有研究針對建成景觀和綠地景觀分別構建多種景觀格局指數(shù),但兩者相互作用的分析較少[23-26]。三維景觀格局是研究景觀格局演變與生態(tài)環(huán)境效應之間關系的有效途徑[27],目前在生物多樣性[28]、大氣污染[29]、熱島效應[30-32]、動植物的棲息和遷移[33]等方面都有長足進展。本文選取福田區(qū)為研究區(qū)域,選用景觀格局指數(shù)、景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣和景觀連通性等方法研究2003年與2016年建筑景觀和綠地景觀的空間格局及變化,以及建成景觀與綠地景觀相互作用的時空分異特征,以期為城市建成區(qū)城市更新及合理規(guī)劃提供景觀生態(tài)管理的定量依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

深圳市自1979年建市以來,已快速發(fā)展為超大城市[34],城市中心不斷由東向西遷移,福田區(qū)自21世紀以來成為深圳市的新中心,近18年來經(jīng)歷了快速發(fā)展過程。福田區(qū)位于深圳市中南部(22°30′—22°36′N,113°59′—114°06′E),面積約為78.66 km2。地勢北高南低,北到白尾石、黃竹園等山脊與龍華區(qū)毗鄰,南臨深圳河、深圳灣,東與羅湖區(qū)相連,西與南山區(qū)相接。截止到2017年,全區(qū)常住人口156.12萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值高達3820.56億元。受空間面積制約,福田區(qū)城市立體化發(fā)展趨勢明顯,是典型的快速三維立體城市化地區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究采用的數(shù)據(jù)包含兩期高分辨率遙感數(shù)據(jù)、建筑物普查數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和行政邊界數(shù)據(jù)集,主要數(shù)據(jù)來源見表1。高分辨率遙感數(shù)據(jù)經(jīng)過正射校正、影像融合等預處理后,采用面向?qū)ο蠓诸惡湍恳暯庾g的方法提取遙感影像信息,獲取景觀分類數(shù)據(jù)[35-37]。建立兩級分類體系,第一級為建成景觀、綠地景觀、水體三大類,建成景觀二級分類包括建筑景觀、不透水景觀(包含道路,廣場等)和推平未建景觀,綠地景觀二級分類包括林地和草地景觀。

表1 數(shù)據(jù)源及說明

2015年深圳建筑物普查數(shù)據(jù)包含了高度信息,根據(jù)2003年和2016年高分辨率遙感影像,在已獲取的數(shù)據(jù)基礎上進行建筑目視解譯,增減建筑數(shù)量,利用高分辨遙感影像中建筑陰影和實際建筑高度之間的數(shù)學關系,經(jīng)實地測量數(shù)據(jù)的驗證,得到2003年和2016年建筑分布數(shù)據(jù)。參考《民用建筑設計通則》[38],將建筑按高度劃分為5種類型：低層建筑(≤9 m)、多層建筑(10—18 m)、中高層建筑(19—27 m)、高層建筑(28—99 m)和超高層建筑(>99 m)?；谌珔^(qū)8個街道,使用支路級城市道路網(wǎng)數(shù)據(jù)劃分城市街區(qū)斑塊,2003年共劃分758個斑塊,2016年共劃分766個斑塊。

1.3 研究方法

1.3.1 三維景觀變化分析方法

三維景觀格局指數(shù)。為了分析建筑景觀在三維空間上的結構性和異質(zhì)性,探討三維城市景觀格局時空分異特征,本文參考相關研究選取能夠表征建筑高度變化情況的建筑平均高度、高度標準差指數(shù)以及可以反映建筑在水平和垂直立面擴展情況的建筑密度、建筑體積和容積率指數(shù)[11,39-40]。

1.3.2 二維景觀變化分析方法

(1)景觀格局指數(shù)。景觀格局指數(shù)是景觀生態(tài)學常用的一種定量研究方法[41]。本文選取斑塊水平的景觀格局指數(shù)分析景觀類型斑塊的變化特征,包括斑塊總面積、斑塊數(shù)、面積周長比、平均斑塊面積和斑塊密度。

(2)景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣。景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣可以清楚地表達不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)移情況,顯示區(qū)域內(nèi)景觀類型變化的細節(jié)結構特征,對景觀類型面積變化進行定量分析[42-43]。

1.3.3 景觀連通性分析方法

景觀連通性是衡量景觀格局與功能的重要指標[44],本文選用整體連通性指數(shù)和可能連通性指數(shù)來衡量景觀格局對生態(tài)流的便利或阻礙程度[45-46],選取斑塊重要值表征每個斑塊對景觀連通性的重要程度。

2 結果分析

2.1 建筑景觀格局變化

2.1.1 三維景觀格局指數(shù)

運用三維景觀格局指數(shù)分析福田區(qū)2003年和2016年建筑景觀的變化情況(表2)。從全區(qū)尺度看,2003—2016年間,建筑占地面積由8.53 km2增長到10.24 km2,只增加1.71 km2。建筑平均高度增加6.53 m,高度標準差增加5.81 m,建筑體積增加135.58×106m3,增長50.28%,容積率增長0.53,建筑密度僅增加2.42%,表明福田區(qū)建筑景觀高度差異逐漸增大,三維空間異質(zhì)性明顯,擴展以垂直空間上的延伸為主,空間容納能力大幅提升。

從街道尺度看,各街道建筑景觀增長都以垂向為主,最典型為蓮花街道、福田街道和香蜜湖街道。蓮花街道建筑平均高度在2003年和2016年均是全區(qū)最高,分別為25.82 m、28.10 m。香蜜湖街道變化最明顯,除建筑密度增長53.29%外,其余各指數(shù)增長100%左右,其建筑景觀經(jīng)歷13年重點建設,已由中低層為主轉(zhuǎn)為以中高層為主。福田街道建筑體積增長59.79%,達40.81×106m3,增長的體積還略高于香蜜湖街道和園嶺街道2016年的體積,是區(qū)域CBD的核心區(qū)。園嶺街道和南園街道的建筑密度明顯高于其他街道,13年間變化不明顯,建筑基本維持原狀,是區(qū)內(nèi)城中村集聚區(qū)域。

表2 2003—2016年福田區(qū)建筑景觀三維格局指數(shù)統(tǒng)計

從福田區(qū)建筑密度分布看(圖1),建筑密度在15%—30%之間的街區(qū)占比最大,2003年和2016年分別占比35.22%、37.47%,主要分布在城市綠地及水體周邊。建筑密度在45%—60%之間的街區(qū)主要分布在東部、中部和南部,以商業(yè)用地為主。建筑密度大于60%的街區(qū)主要是大型單體建筑或建筑密集區(qū),如深圳會展中心和城中村。13年間,建筑密度變化主要集中在福田區(qū)的中部和南部的福田保稅區(qū)。建筑密度小于15%的街區(qū)占比減少13.99%,其余各等級占比均有所增長,增長最明顯的是建筑密度大于45%的街區(qū),其占比增加5.22%。

圖1 2003—2016年福田區(qū)建筑密度空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of building density in Futian during 2003—2016

從容積率分布圖看(圖2),2003年,福田區(qū)容積率以第三等級(1.5—3)為主,2016年,福田區(qū)的容積率以第四等級為主(3—6)。容積率呈現(xiàn)西北低、中部和南部高的分布狀態(tài)。容積率變化明顯的街區(qū)主要集中在深南大道和深南中路兩側(cè),該區(qū)域以商業(yè)為主。容積率大于3的街區(qū)主要分布于新洲路、福榮路以及深南大道、深南中路兩側(cè)。容積率大于6的街區(qū)以單體超高層建筑為主。13年間,容積率小于1.5的街區(qū)占比減少15.15%,容積率大于6的街區(qū)占比增至9.53%。

圖2 2003—2016年福田區(qū)容積率空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of floor area ratio in Futian during 2003—2016

2.1.2 建筑景觀分布特征

運用斑塊指數(shù)統(tǒng)計分析2003年和2016年建筑景觀變化特征。建筑斑塊數(shù)量分布表明中高層建筑是福田區(qū)主要建筑類型,分別占建筑總量41.54%和41.12%(表3)。新增建筑主要為高層和超高層建筑,13年間分別增加354棟和173棟。低層建筑、多層建筑和中高層建筑有所減少,分別減少488、193和265棟。13年間,建筑斑塊面積周長比和平均斑塊面積都有小幅增加。斑塊密度顯著降低,低層和多層建筑減少明顯,只有高層建筑斑塊密度有所增加。建筑斑塊變化表明區(qū)域高層化、垂直化發(fā)展趨勢。

建筑高度變化主要集中在福田區(qū)中部和西北部(圖3),建筑高度變化量介于-45—339 m之間。福田區(qū)南北軸從蓮花山至深圳灣和東西軸的深南大道是高層建筑密布區(qū)。2003年,福田區(qū)建筑高度在0—238 m之間，建筑景觀呈現(xiàn)由西向東建筑數(shù)量、建筑高度均增加的“階梯式”格局。建筑高度密集區(qū)出現(xiàn)在華富街道和園嶺街道,即深南中路兩側(cè),以商業(yè)用地為主,梅林街道和沙頭街道多以居住為主的中高層建筑密集區(qū)。2016年福田區(qū)建筑高度在0—345 m 之間，建筑景觀呈現(xiàn)中部高,并沿南北方向建筑高度逐漸減緩的“金字塔”格局。高層和超高層建筑沿深南大道、深南中路和福榮路等交通軸線呈集聚分布,三維城市景觀空間格局特征顯著。

2.2 綠地景觀格局變化

13年間,綠地景觀斑塊數(shù)有所增加,平均斑塊面積降低,斑塊密度略增。2003年綠地景觀面積為32.78 km2,占比42.46%,2016年為35.58 km2,占比46.10%,增長3.64%。13年間林地景觀面積增加15.88 km2,草地面積減少13.07 km2(表4)。

表3 2003—2016年福田區(qū)建筑景觀斑塊指數(shù)統(tǒng)計

圖3 2003—2016年福田區(qū)建筑高度分布圖Fig.3 The 3D distribution of architectural landscape in Futian during 2003—2016

綠地類型Greenland type總面積Total area/km2斑塊數(shù)Number of patches面積周長比Average patch area /perimeter ratio平均斑塊面積Mean patch area/m2斑塊密度Patch density/(個/km2)2003201620032016200320162003201620032016林地景觀Forest14.9330.81200252482811.2411.74719.121261.841390.63792.47草地景觀Grassland17.854.7813031163074.742.861394.71307.80717.173248.41綠地景觀Green landscape32.7835.5833056411356.378.22985.45883.631014.921131.64

草地景觀的斑塊數(shù)和斑塊密度顯著增加,平均斑塊面積降低,面積周長比降低,表明草地斑塊越來越破碎化。林地景觀斑塊數(shù)增加,斑塊密度變小,平均斑塊面積增加,面積周長比小幅增加,表明林地斑塊越來越大塊化,林地景觀13年間有向好的趨勢。

2.3 景觀類型格局變化

為進一步研究綠地景觀與建成景觀之間的相互作用,運用轉(zhuǎn)移矩陣對景觀類型間的變化進行了分析(表5)。2003—2016年間,1.38 km2的林地和4.59 km2的草地景觀轉(zhuǎn)變?yōu)榻ǔ删坝^,主要轉(zhuǎn)出類型為不透水景觀。同時,有6.99 km2和1.28 km2的不透水景觀轉(zhuǎn)為林地和草地。建成景觀與綠地景觀比例由1.20∶1調(diào)整為0.99∶1,建成景觀優(yōu)化減少4.03 km2,綠地景觀增加2.80 km2,建筑景觀的垂向增長減少了建成景觀占地需求,釋放了綠地景觀空間。從景觀類型的空間分布上看,主要表現(xiàn)為草地景觀轉(zhuǎn)變?yōu)榱值鼐坝^、城市行道樹生長冠幅的擴大和居住區(qū)內(nèi)部花園草坪的培育(圖4)。

表5 2003—2016年福田區(qū)景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

圖4 2003—2016年福田區(qū)城市景觀空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of landscape in Futian during 2003—2016

2.4 景觀連通性變化

由表6可以看出,綠地景觀整體連通性和可能連通性均有小幅上升,研究區(qū)生境斑塊之間的連通性有所增加。與前人研究相比福田區(qū)景觀連通性低于深圳市整體水平[47],表明處于都市核心區(qū)的福田區(qū)綠地景觀經(jīng)過多年建設有孤立斑塊化趨勢。

為了便于分析2003年和2016年福田區(qū)景觀斑塊重要性變化情況,將2003年和2016年各級斑塊用1至5級表征斑塊重要程度,數(shù)值越大表明斑塊的重要程度越高(圖5),各級斑塊重要值劃分為<0.5、0.5—1、1—5、5—15和>15。2003—2016年,5級重要斑塊數(shù)量不變,面積增加3.18 km2,占比升高5.86%。4級重要斑塊數(shù)量小幅增加,面積增加3.62 km2,斑塊占比由7.64%上升至17.61%。3級重要斑塊顯著減少,占比減少8.84%。其余等級斑塊數(shù)量和占比均有所降低。2003—2016年,福田區(qū)景觀連通性重要斑塊空間分布呈現(xiàn)北重南輕的特征,圍繞梅林水庫水源保護區(qū)的斑塊是區(qū)內(nèi)最為重要的綠色基礎設施斑塊,南部福田紅樹林國家級自然保護區(qū)斑塊重要性雖然有所上升,但受其北部城市垂向擴張影響,與外部綠色基礎設施斑塊連通性受限。整體上重要性高的斑塊內(nèi)部連通性有提升,但受建成景觀的影響越來越孤立,特別是建筑景觀垂向增長后相當于建立了隔離護欄,在綠色重要性斑塊間建立隔離,例如筆架山公園、蓮花山公園和福田紅樹林生態(tài)公園都已是孤立綠地景觀斑塊。綠地景觀連通性提升有利于區(qū)域綠色基礎設施的優(yōu)化,但綠地景觀尚未形成有效的空間連通。

表6 2003—2016年福田區(qū)景觀連通性統(tǒng)計

圖5 2003—2016年福田區(qū)景觀斑塊連通重要程度分布圖Fig.5 Spatial distribution of connectivity important patches in Futian during 2003—2016

3 結論與討論

研究綜合高分辨率遙感數(shù)據(jù)、建筑物普查數(shù)據(jù)和路網(wǎng)等數(shù)據(jù),以深圳市中心城區(qū)福田區(qū)為研究區(qū),分析了福田區(qū)三維城市景觀格局變化特征。研究結論如下：(1)研究期內(nèi),福田區(qū)建筑占地面積減少,建筑平均高度、建筑體積和容積率等三維景觀指數(shù)顯著增長,街道間異質(zhì)性明顯,變化主要集中在蓮花街道、香蜜湖街道和福田街道。新增建筑以高層和超高層建筑為主,城市建筑景觀格局由“階梯式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖鹱炙毙巍?2)2003—2016年,綠地景觀斑塊數(shù)輕微提升,平均斑塊面積降低,斑塊密度略增,生態(tài)質(zhì)量有所恢復。城市綠地景觀面積比例超過建成景觀,占比增加,變化主要表現(xiàn)為城市大型綠地斑塊內(nèi)部樹木及道路沿線行道樹的生長。(3)福田區(qū)綠地景觀連通性雖有小幅上升,但景觀連通性依然較低,重要性綠地景觀斑塊呈現(xiàn)孤島化。區(qū)域綠色基礎設施有所優(yōu)化,但綠地景觀尚未形成有效的空間連通。

研究表明三維城市空間格局的研究更能反映城市景觀格局變化和提升對城市景觀復雜性的認識[23]。城市建筑的高層化降低建筑占地面積,有助于存量土地優(yōu)化開發(fā)和空間資源優(yōu)化配置,促進城市內(nèi)部更新、控制城市蔓延,為城市布局的合理調(diào)整和城市功能的完善提供參考?，F(xiàn)有的三維景觀研究多以建筑景觀為主,忽略了景觀的整體格局和景觀類型的相互影響。本研究通過運用多源數(shù)據(jù),構建從二維到三維的城市景觀格局變化研究,是一類過渡型的景觀格局變化研究。今后,三維景觀研究通過更新算法和數(shù)據(jù)源,例如運用LiDAR數(shù)據(jù)做出精確的三維景觀分類,將極大推動三維城市景觀研究[48]。此外,還應充分利用各類景觀的高度信息,探尋能衡量建成景觀和綠地景觀在垂直立面相互作用的方法,如天空視域因子[49],提升三維城市景觀格局變化特征研究的深度。