基于地理國情普查數據的東莞市景觀格局分析

惠宇　麥娥英　楊志剛　姜海林　危育冰

摘要：近15年來，東莞市城鎮化發展迅速，城市景觀變化明顯。本研究基于東莞市地理國情普查數據，利用景觀格局分析的方法研究東莞市建成區范圍地表覆蓋變化規律，計算了研究區域草地、道路、房屋建筑（區）、耕地、構筑物、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，研究了東莞市城鎮化進程中景觀格局動態變化特征，發掘了東莞市城市景觀格局演化的影響因子。結果表明：1999年以后建成區土地形狀逐漸變得不規則、破碎，道路連通性不斷增強；中部與東北部地區地表覆蓋斑塊形狀較為簡單，穩定性較高；西北部地區斑塊形狀破碎。

關鍵詞：地理國情普查數據；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化高速發展的階段。農村人口大量涌入城市，建設用地不斷擴張，城市景觀發生了明顯變化。城市景觀的改變受自然因素、政策執行、經濟波動、人口遷移等多重因素的影響，反過來又會引起區域生態、社會和經濟環境發生變化。為了能夠更加全面、系統地研究景觀的時空變化規律，景觀格局分析理論被引入到城市景觀的研究中，并逐漸吸引了學者的廣泛關注。

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律，包括景觀組成單元的類型、數目、空間分布與配置。景觀格局的研究對分析自然與生態過程和社會經濟活動之間的關系具有重要意義。景觀格局理論包含一系列的景觀空間格局分析方法，其中，景觀格局指數是應用十分廣泛的一種。隨著計算機技術和GIS技術的廣泛應用，景觀格局指數的研究也得到了快速的發展，一些新的景觀格局指數不斷產生，比如孔隙度指數、聚集度指數、景觀空間負荷對比指數等。如今，景觀格局指數已經被應用到土地利用變化、土地空間布局、城市區域經濟結構等多個研究領域。

本文將城市景觀格局的研究地點設定在廣東省東莞市。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城市，有“世界工廠”之稱。改革開放以來，東莞市飛速發展，城市內部用地結構變化明顯，城市景觀格局改變顯著。本文使用廣東省地理國情普查數據作為數據源，以多種景觀格局指數作為評價方法，針對該地區的城鎮化發展情況，對研究區域1999-2013年的景觀格局變化、發展趨勢進行分析和研究，并試圖挖掘東莞市各時間段城鎮化發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描述不同地表覆蓋類型的結構組成和空間特征，同時利用景觀總體特征的指數反映區域全局的景觀特征。景觀要素指數是描述單個景觀類的指數，而景觀總體特征指數是描述區域內所有景觀類型的總體特征的指數。在具體實施過程中，選取景觀復雜度、景觀破碎度、景觀穩定性、景觀多樣性、景觀均勻度、景觀優勢度幾個景觀格局指數，如圖1所示。

1.1 景觀復雜度

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

代表景觀斑塊面積，代表景觀斑塊周長。

斑塊面積的對數與斑塊周長的對數回歸，得到回歸直線，由最小二乘法求得系數a。

面積周長分維數值域為（1，2），分形維數越接近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，分形維數越接近2，表明景觀要素斑塊的形狀越無規律，形狀越復雜，受干擾程度越小。

1.2 景觀破碎度

破碎度指數（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，A為總面積。

C_i=N_i/A_i， （3）

式中：N_i為景觀i斑塊數，A_i景觀i的面積。

1.3 景觀穩定性

穩定性指數（Si）用來描述景觀穩定性，描述空間結構的穩定性，Mandelbrot認為，布朗運動的線線函數的分維數是1.5。分維數越接近于1.5臨界值點，地表覆蓋類型越接近于布朗運動狀態，穩定性越差；反之，穩定性越強。

S_i=|1.5-D| （4）

式中：D為景觀的面積周長分形維數指數。

1.4 景觀多樣性

香農多樣性指數（SHDI）用來描述景觀多樣性。計算公式如下：

式中：P_i為i類型斑塊在景觀中出現的可能性，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。當景觀由兩種以上的類型構成，且各景觀類型所占的比例相等時，景觀的多樣性指數最高；當各景觀類型所占的比例差異增大時，類型多樣性指數下降。

SHDI>=0，當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

香農均勻度指數（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為景觀類型的數目。

0<=SHEI<=1。當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 景觀優勢度

景觀優勢度指數描述景觀的優勢度，表示一種或幾種類型斑塊在一個景觀中的優勢化程度，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幾個景觀要素控制的程度。

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

2 實驗與結果分析

2.1 數據來源

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

2.2 研究區域景觀格局指數變化

基于上述公式，使用AE進行二次開發，編寫代碼計算基于矢量數據的景觀格局指數，計算結果如圖3所示。

圖3（a）顯示研究區域各類地表覆蓋斑塊面積周長分維數變化趨勢基本相同，總體呈現上升趨勢，斑塊形狀趨向復雜、不規則。房屋建筑（區）幾乎無變化，道路變化幅度最大。可能是由于1999年前新開發土地較多、規劃力度較強，各類斑塊形狀較簡單、規則；1999～2013年各類土地斑塊逐漸細碎化，相互交互，形狀變得復雜、不規則。

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。道路破碎度持續下降，表明道路連通性不斷增強。

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

由圖3（d）可以看出，房屋建筑（區）及構筑物所占比例持續上升；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下降；林地占比變化不大。

香農多樣性指數與均勻度指數持續下降，景觀優勢度持續上升，表明研究區域景觀構成向不均勻轉變，各類地表覆蓋面積差距拉大，主導地位的地表覆蓋斑塊房屋建筑（區）占比持續增加，由1999年的23%增加到2013年的44%。

2.3 東莞市鎮街景觀格局對比

東莞市轄32個鎮街，2013年各鎮街的建成區景觀格局指數的空間分布圖如圖4所示。

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

圖4（b）顯示中部地區建成區破碎度較低，東西部地區破碎度相對較高。

圖4（d）顯示西部、中部各有顏色較深的地區，這些區域的優勢度較低，而東莞市內莞城街道、北部、東南地區優勢度較高。優勢度高意味著存在主導類型地表覆蓋，對于建成區來說，主要是建設用地的占比較大，建設水平較高。為增加東莞市發展的均衡性，下一步城市建設可優先考慮優勢度較低的地區。

3 結論

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

（1）研究區域土地形狀逐漸變得不規則。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，形狀變得不規則，同時穩定性也在下降。

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

（3）1999-2013年研究區域耕地、草地面積持續下降。優勢景觀房屋建筑（區）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、草地轉為建設用地，包括房屋建筑（區）、構筑物、道路。其間新增建設用地主要來源由耕地轉為草地。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）東莞市建成區中部與東北部地區地表覆蓋斑塊形狀較為簡單、穩定性較高，西部地區斑塊形狀復雜、穩定性低。

（5）研究區域從1999-2013年間總體建設用地逐漸增加到7770，仍然保有1870以上的綠地，道路越來越連通，對于經濟發展、居住生活都較適宜。但斑塊形狀不規則、穩定性低，容易發生形狀或類型的轉變，建議在未來城市建設中予以重視。