淺析土地利用景觀特征研究
——以上海松江區(qū)為例

文/莊瀾

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淺析土地利用景觀特征研究
——以上海松江區(qū)為例

文/莊瀾

我國在城市化過程中面臨著人口增長、資源短缺、生態(tài)與環(huán)境惡化等與土地利用密切相關(guān)的可持續(xù)發(fā)展重要問題。由于城市土地利用把以自然為主的土地利用景觀變成了以工業(yè)和住宅為主的人工土地利用景觀，帶來復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境后果；在城市土地擴張與更新的過程中，土地利用在空間格局上的演變使其自身所承載的功能以及空間關(guān)系發(fā)生了變化，進而產(chǎn)生了環(huán)境污染、交通擁擠及居住環(huán)境惡化等一系列城市問題，影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究土地利用景觀格局的演變特征及其演變因素，對客觀認(rèn)識人地關(guān)系、更科學(xué)合理地進行城市規(guī)劃與管理具有重要價值和戰(zhàn)略意義。

土地利用空間景觀格局的變化提供了一個非數(shù)值統(tǒng)計的角度，即從空間統(tǒng)計上揭示土地利用格局、人地關(guān)系與城市發(fā)展過程。本文基于上海市松江區(qū)2010年和2014年兩期土地利用實例數(shù)據(jù)，利用圖斑特征、圖斑密度、形狀指數(shù)、景觀多樣性、景觀分離度等景觀指數(shù)，來研究城市空間格局的動態(tài)演化過程，探討城市化過程中土地利用變化的格局特征、變化過程、變化原因等，并為城市土地利用、城市建設(shè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供有效決策支持。

一、土地利用景觀特征

土地利用景觀特征，是指在局部尺度下反映土地利用圖斑的形狀特征、面積大小、密度大小、地類數(shù)量及其占比、空間距離、相互關(guān)系、空間分布情況等的景觀指數(shù)。同一個土地利用圖斑隨著時間變化，其形狀特征與屬性特征都會發(fā)生變化，通過這些景觀指數(shù)可以定量描述土地利用在特定時間空間范圍內(nèi)的空間形態(tài)及格局演變過程。

（一）土地利用圖斑特征

土地利用圖斑特征，是指土地利用的圖斑面積和圖斑數(shù)量信息，反映了土地利用景觀格局的基本特征。土地利用圖斑面積的增加與減少直接反映了地類面積的變化情況，通過直觀的數(shù)據(jù)統(tǒng)計即可獲取土地利用地類流向情況；圖斑數(shù)量的變化從圖形的角度描述了土地利用的變化情況，同一地區(qū)斑塊數(shù)量越多，則圖斑越破碎，發(fā)展速度越快，發(fā)展程度越高。

（二）土地利用圖斑密度

圖斑密度，是指一定范圍內(nèi)土地利用圖斑數(shù)量的密集程度，即區(qū)域內(nèi)景觀圖斑數(shù)量除以區(qū)域面積。圖斑密度是圖斑特征的集成表達，它結(jié)合了圖斑數(shù)量和圖斑面積兩種信息，可直接表征圖斑空間格局。圖斑密度值越小，表示該類型斑塊較為完整，圖形越自然原始，受人為因素影響越小，空間格局越離散稀疏；圖斑密度值越大，表示該地類圖斑呈現(xiàn)破碎化，受人為因素影響越大，空間格局聚集分布，發(fā)展程度越高。

（三）土地利用景觀形狀指數(shù)

景觀形狀指數(shù)是衡量圖斑形狀的復(fù)雜程度的指標(biāo)，即斑塊邊長與斑塊面積開方的比值。圖斑景觀形狀指數(shù)包含圖斑面積和圖斑邊長信息，可表征土地利用斑塊的形狀復(fù)雜程度。指數(shù)值越大，表示該地類圖斑邊長越長，形狀越復(fù)雜，受規(guī)劃與開發(fā)影響大，地類發(fā)展程度高；指數(shù)值越小，則表示圖斑形狀越自然，土地利用發(fā)展程度低。

（四）土地利用景觀多樣性

圖斑多樣性是衡量一定范圍內(nèi)景觀信息量的指數(shù)，在土地利用方面可以表達兩方面含義：一是描述土地利用類型的種類信息；另一方面可以反映景觀在空間上的分布均勻程度。多樣性指標(biāo)考量的是信息量，對于土地利用而言，則是比較土地利用類型的數(shù)量和面積，即地類多樣性與占比大小。景觀多樣性能反映景觀異質(zhì)性，特別對景觀中土地利用地類分布不均的狀態(tài)較為敏感。景觀多樣性指數(shù)越大，則表示景觀種類越單一，分布集中不均勻；該值越小，則表示景觀種類多樣化且分布均勻。

（五）土地利用景觀分離度

景觀分離度是衡量同一景觀圖斑的分離程度的指標(biāo)，即景觀分離值與景觀面積指數(shù)的比值。對不同土地利用類型進行景觀分離度比較分析可以獲得不同地類的空間分布情況信息。景觀分離度指數(shù)越大，則表示同一種土地利用區(qū)域內(nèi)圖斑與圖斑之間的空間距離越大，景觀格局呈現(xiàn)離散化，空間分布邊緣化，關(guān)聯(lián)性減弱；指數(shù)越小，則表示同一土地利用區(qū)域內(nèi)圖斑之間的距離越小，景觀空間格局呈現(xiàn)聚集化，具有較好的連通性。

二、上海松江區(qū)實例分析

（一） 數(shù)據(jù)情況

本文實例數(shù)據(jù)采用上海市松江區(qū)2010年和2014年兩期土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)《全國土地分類（試行）》進行分類，每期數(shù)據(jù)都包含三大類所有三級類。為了便于計算與分析，本文將分類截至到二級類，即：一級類包含農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用地；二級類包含耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、商服用地、工礦倉儲用地、公共設(shè)施用地、公共建筑用地、住宅用地、交通用地、水利設(shè)施、特殊用地、未利用土地和其他土地。

（二）景觀指數(shù)計算結(jié)果

圖1表示上海市松江區(qū)2010年和2014年兩期圖斑數(shù)據(jù)中的圖斑特征變化量，其中柱狀部分為面積增加率，線狀部分為數(shù)量增量。結(jié)果顯示，圖斑面積增加率較大的是商服用地、公用設(shè)施用地和水利設(shè)施，而面積減速較快的是未利用土地和其他農(nóng)用地。在圖斑數(shù)量方面，曲線整體在坐標(biāo)軸上方，表示2010-2014年間松江區(qū)的圖斑數(shù)量呈現(xiàn)增加的趨勢。其中增量最大的是公用設(shè)施用地，其次是住宅用地和交通運輸，數(shù)量減少最多的是林地。

圖1 松江區(qū)2010年和2014年圖斑面積增率和圖斑數(shù)量增量圖

對圖斑面積和圖斑數(shù)量的變化情況進行分析發(fā)現(xiàn)，其他農(nóng)用地和未利用土地這兩個二級類的面積減少較多而數(shù)量減少不明顯，工礦倉儲用地、住宅用地、公用設(shè)施、交通運輸這些地類面積增加少，圖斑數(shù)量增量明顯。這表明其他農(nóng)用地和未利用土地減少的都是大塊圖斑，經(jīng)過土地利用演變轉(zhuǎn)而破碎化成商業(yè)、工業(yè)、住宅、交通等小圖斑。通過圖斑特征的對比分析，顯示松江區(qū)2010-2014年間區(qū)域圖斑數(shù)量有明顯增量，呈現(xiàn)破碎化，圖斑面積出現(xiàn)農(nóng)用地和未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，還存在大塊低效的農(nóng)用地和未利用地圖斑細(xì)化轉(zhuǎn)移為具有功能性的建設(shè)用地小圖斑的現(xiàn)象。

圖2表示松江區(qū)兩期基于圖斑密度、形狀指數(shù)、多樣性、分離度四個景觀指數(shù)的變化情況。圖斑密度方面，如圖2所示，公用設(shè)施用地存在一個較小的峰值，與圖1圖斑特征變化情況一致，表明該地類在四年間數(shù)量增量明顯，空間呈現(xiàn)密集分布；形狀指數(shù)方面，如圖2中的紅色線段，很明顯可以發(fā)現(xiàn)在商服用地、公用設(shè)施用地和交通運輸這三類存在三個波峰，其余地類變化量較小，說明上述地類受到人為規(guī)劃和開發(fā)的影響，發(fā)展程度在過去四年中較高；景觀多樣性方面，兩期數(shù)據(jù)的變化量如圖2中的黃色線段所示，所有地類都處于坐標(biāo)軸附近，表明在過去的四年里，松江區(qū)地類數(shù)量在土地利用變化過程中保持合理結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)多樣性變化波動，地類信息空間分布均勻；景觀分離度方面，未利用土地出現(xiàn)峰值，表明該地類在2010-2014年間空間距離增加，空間上往松江區(qū)邊緣遷移，而在商服用地、水利設(shè)施和特殊用地上出現(xiàn)波谷，表明這三個地類空間距離變小，在空間上呈現(xiàn)聚集趨勢。

圖2 松江區(qū)2010年和2014年四個景觀指數(shù)變化量圖

（三）基于綜合景觀指數(shù)的空間可視化對比分析

這里針對景觀指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，采用非參數(shù)估計——核密度估計模型——來空間可視化其景觀格局。核密度估計可將數(shù)據(jù)對象的特征在任何尺度下進行空間可視化表達。根據(jù)五個景觀指數(shù)的計算結(jié)果，將每期數(shù)據(jù)綜合成一張核密度圖進行空間可視化對比分析，核密度結(jié)果經(jīng)過歸一化處理，其值范圍為0-1：0值為暗黑色，表示經(jīng)綜合后的景觀指數(shù)較低，景觀特征不明顯；1值為白色高亮，表示綜合后景觀指數(shù)較高，具有明顯的景觀特征。具體如圖3所示。

基于綜合景觀指數(shù)的可視化表達能直觀地對比分析松江區(qū)2010-2014年間土地利用變化區(qū)域，便于找到變化較大的區(qū)域來研究土地利用演變的原因。

圖3 松江區(qū)2010年和2014年綜合景觀指數(shù)空間可視化

如圖3所示，松江區(qū)兩期未變化區(qū)域主要集中于松江區(qū)中心的方松街道和中山街道，兩期都呈現(xiàn)暗黑色，主要由于該區(qū)域都是成熟的住宅街區(qū)和工業(yè)倉儲用地，發(fā)展模式固定，變化程度較小。松江區(qū)東北角區(qū)域變化也不明顯，兩期都是高亮顯示，表明該區(qū)域景觀特征明顯，圖斑密度大，地類信息多，空間聚集度較高，由于該區(qū)域工業(yè)化程度高且聚集，因此土地利用較為固定。

兩期變化較大的區(qū)域出現(xiàn)在松江區(qū)石湖蕩鎮(zhèn)、小昆山鎮(zhèn)以及佘山鎮(zhèn)的北部區(qū)域，主要在2010-2014年間呈現(xiàn)由黑暗到高亮的變化，以下具體用土地利用圖斑數(shù)據(jù)的對比來進一步分析土地利用演變的原因。

1.小昆山鎮(zhèn)在2010-2014年間土地利用有由邊緣聚集向整個區(qū)域擴散的趨勢，2010年的景觀指數(shù)高亮點集中于小昆山鎮(zhèn)的西北角，而到2014年，東南角也有高亮的區(qū)域，整體呈現(xiàn)地類均衡的分布格局。

根據(jù)可視化結(jié)果可以找到具體的圖斑變化情況，小昆山鎮(zhèn)東南角的土地利用變化如圖4所示。根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)2010年的大塊圖斑如褐色的工礦倉儲用地和綠色的農(nóng)用地到了2014年部分細(xì)化成多個小面積的工業(yè)用地或者藍色的公用設(shè)施、工業(yè)用地及黃色的住宅用地混合分布，因此，該區(qū)域在2010-2014年間呈現(xiàn)白色高亮的狀態(tài)，主要原因為大塊低效圖斑細(xì)化破碎為具有功能性的建設(shè)用地小圖斑，新增的耕地圖斑面積小且分布聚集，土地利用類型增多。

圖4 2010年（ ）和2014年（右）小昆山鎮(zhèn)土地利用情況

2.石湖蕩鎮(zhèn)在2010-2014年間整個區(qū)域呈現(xiàn)明顯的高亮（土地利用圖斑可見圖5）。2010年石湖蕩鎮(zhèn)主要以農(nóng)用地為主，零散分布工業(yè)用地，而到2014年，新增了公用建設(shè)用地（圖5藍色圖斑）、交通運輸用地（黑色圖斑）以及特殊用地（粉色圖斑）。從土地利用的景觀特征角度分析，道路、公路、鐵路等長條形的新增交通運輸圖斑在空間上具有一定的分割功能，它將沿線的整塊農(nóng)用地大圖斑分割成細(xì)小圖斑，因其地類的功能，在將農(nóng)用地破碎化的同時，帶動沿線部分農(nóng)用地流向公用建筑用地如教育科研用地、商服用地、車站道路等基礎(chǔ)設(shè)施，造成區(qū)域圖斑密度增加，形成了區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

圖5 2010年（ ）和2014年（右）石湖蕩鎮(zhèn)土地利用情況

3.佘山鎮(zhèn)北部在2010-2014年間呈現(xiàn)明顯的高亮（土地利用變化可見圖6）。兩期對比分析發(fā)現(xiàn)松江區(qū)北部區(qū)域在2010年圖斑分布較稀疏、零散、不規(guī)則，主要以綠色農(nóng)用地圖斑和黃色住宅用地圖斑為主，而2014年住宅用地新增明顯，且景觀布局經(jīng)過合理規(guī)劃，新增多條道路網(wǎng)絡(luò)，使得該區(qū)域的圖斑形狀指數(shù)、圖斑密度變大，交通用地的增加尤其是公路的新增帶動周邊儲備用地向商業(yè)用地轉(zhuǎn)型，公用配套設(shè)施也得到完善，逐步形成了具有商業(yè)、住宿、公共服務(wù)功能的核心區(qū)，該區(qū)域在2010-2014年間得到了較快的發(fā)展。

圖6 2010年（ ）和2014年（右）松江區(qū)北部土地利用情況

對比兩期土地利用圖斑發(fā)現(xiàn)，除了變化活躍的二級類建設(shè)用地外，水利設(shè)施和特殊用地的圖斑景觀特征也比較特殊。上述地類雖然景觀分離度指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，但分離度絕對值處于較高水平且在松江區(qū)的景觀格局變化不大，具體類型主要有水工建筑、軍事用地、墓葬地等水利設(shè)施和特殊用地。從地類特點分析，這些分離度值高的土地利用類型具有較強的空間局限性。如：水利設(shè)施主要由分布于河道、水庫周圍的水工建筑組成，受限于該地類的地理因素；而特殊用地主要受限于區(qū)域規(guī)劃、地類性質(zhì)的影響，空間位置固化于區(qū)域邊緣而不易變化。

三、 結(jié)束語

本文通過一系列景觀指數(shù)以及核密度估計空間可視化的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合數(shù)值統(tǒng)計與空間統(tǒng)計的方法，研究分析了城市土地利用時空演變過程與影響演變的因素，得到以下結(jié)論。

一是基于土地利用景觀指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果：上海市松江區(qū)在2010年-2014年間土地利用圖斑面積呈現(xiàn)農(nóng)用地和未利用地向建設(shè)用地二級類轉(zhuǎn)移；圖斑數(shù)量有明顯的增量，區(qū)域圖斑特征呈現(xiàn)整體破碎化；結(jié)合圖斑密度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，面積較大的低效圖斑細(xì)化成面積較小的功能性圖斑，具體表現(xiàn)在大塊農(nóng)用地細(xì)化為商服、工業(yè)、住宅、交通等小圖斑，體現(xiàn)了區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整；結(jié)合景觀多樣性指數(shù)分析，上海市松江區(qū)2010-2014年間土地利用景觀格局變化合理，沒有出現(xiàn)因單一地類變化而影響整個區(qū)域地類信息分布失衡的情況。

二是基于土地利用景觀指數(shù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)交通用地對于區(qū)域發(fā)展驅(qū)動作用明顯。交通用地由于其形狀特點對于其他完整的圖斑具有分割作用，同時由于其功能特點可帶動沿線周圍地類轉(zhuǎn)移或再分割，使細(xì)碎的小圖斑向公用設(shè)施、商業(yè)、工業(yè)、住宅等建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，區(qū)域得到較快的發(fā)展。

三是結(jié)合景觀分離度指數(shù)和景觀空間格局分析，發(fā)現(xiàn)水利設(shè)施和特殊用地這些分離度高值地類在土地利用時空演變過程中具有較強的空間局限性和固化性，主要受限于地理因素、區(qū)域規(guī)劃和地類屬性。

（作者單位：上海市不動產(chǎn)登記事務(wù)中心）