基于景觀指數(shù)的景觀格局研究進展

文／丁金銘 浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計與建筑學(xué)院 2020 級本科生

戴 偉 浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計與建筑學(xué)院 講 師 博 士（通訊作者）

引言

基于信息論和分形幾何學(xué)的景觀指數(shù)可為科學(xué)地量化分析景觀格局提供技術(shù)支撐，成為當(dāng)前國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家、地理學(xué)家、城市規(guī)劃師們關(guān)注的熱點。結(jié)合景觀指數(shù)，分析特定區(qū)域的景觀格局有利于促進景觀科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，促進土地規(guī)劃和建立可持續(xù)人居環(huán)境。文章綜合運用關(guān)鍵詞與文獻統(tǒng)計分析法，旨在探索基于景觀指數(shù)的景觀格局研究進展。首先對景觀格局與景觀指數(shù)的概念進行了闡述，其次綜述了基于景觀指數(shù)的景觀格局研究現(xiàn)狀，并從增加表征質(zhì)量維度的景觀指數(shù)、增加表征地形環(huán)境的景觀指數(shù)、增加基于過程導(dǎo)向的景觀格局分析方法、增加對景觀格局多尺度動態(tài)性研究4 個方面提出了研究展望。

1 景觀格局與景觀指數(shù)的概念

景觀格局一般指景觀在空間上的形態(tài)組織，具有一定的結(jié)構(gòu)特征并能反映其背后的各類過程。空間異質(zhì)性是景觀格局最基本的屬性，并與景觀中尺度性、等級性以及邊緣效應(yīng)性等屬性密切相關(guān)。斑塊、廊道和基質(zhì)模型是目前用于測度景觀格局特征的主流模型[1]，它利用與“空間語言”有關(guān)的模式抽象化表征景觀結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)變化情景?！鞍邏K-廊道-基質(zhì)”組合模型較好地考慮了景觀格局與過程的相互關(guān)系以及隨時間的變化。

景觀指數(shù)是基于多層級、多尺度的間要素配置的能夠反映景觀格局特征的定量指標(biāo)。目前常用的景觀指數(shù)包含三個層級四個類別。三個層級分別為個體斑塊、斑塊類型和景觀整體層級。四個類別分別為面積-邊緣類別、形態(tài)類別、聚散度/鄰近度類別以及多樣性類別。以O(shè)'Neill、Turner 等為代表的美國國家實驗室的生態(tài)學(xué)家們?yōu)榇俗鞒隽俗吭截暙I。之后，景觀指數(shù)逐漸與島嶼生物地理學(xué)、滲透理論、等級理論融合，形成了大量景觀指數(shù)的衍生集合[2-4]。

2 研究進展

基于景觀指數(shù)的景觀格局研究的核心是明晰“格局特征-過程屬性”耦合關(guān)系中的要素動態(tài)變遷、各類過程誘因及空間格局表征現(xiàn)象。動態(tài)演變、尺度效應(yīng)、格局基底和環(huán)境問題4 個方面是現(xiàn)狀研究熱點。

2.1 動態(tài)演變

動態(tài)演變分析主要針對景觀組成和構(gòu)型兩大方面研究特定地區(qū)的景觀格局變化方式，它是理解特定尺度格局-過程動態(tài)變化的核心。該類研究可基于不同時間與空間的比較，提取不同時段衛(wèi)星遙感信息，經(jīng)校正并演繹之后，運用景觀指數(shù)軟件計算和分析信息柵格圖中數(shù)據(jù)。演變分析主要表現(xiàn)在城市-景觀梯度變化、生境破碎化、動力機制研究3 個方面。

2.1.1 城市——景觀梯度變化研究

不同空間下景觀指數(shù)的梯度變化可以較好地明晰土地利用程度與各因素干擾活動程度，從而形成梯度法在研究景觀格局中的運用[5]。利用城市-景觀梯度原理，采用樣帶分析方法，定量研究區(qū)域快速城市化對景觀格局演變造成的影響[6]。美國城市規(guī)劃師Luck 等基于景觀指數(shù)，研究美國亞利桑那州Phoenix 城市景觀梯度樣帶上的景觀格局[7]。英國生態(tài)經(jīng)濟學(xué)家Radford 等以英國曼切斯特為案例，提出結(jié)合六種非經(jīng)濟生態(tài)價值與城鄉(xiāng)梯度的工具與方法[8]。

2.1.2 生境破碎化研究

景觀破碎化涉及景觀格局的脆弱性問題，長期以來是人們高度關(guān)注的對象。物種多樣性的減少、生境破碎可直接導(dǎo)致表征景觀格局的景觀指數(shù)產(chǎn)生變化。仇江嘯等采用梯度分析與景觀指數(shù)結(jié)合的方法，研究了城市景觀破碎化的空間分布格局和差異水平，并利用以斑塊密度、邊緣密度、景觀分類度等指數(shù)衡量了城市景觀破碎化的程度[9]。德國風(fēng)景園林師Guindon 等運用景觀指數(shù)與元胞自動機模型，基于遙感解譯分析了人類活動對生境破碎化的影響，指出只有理解景觀指數(shù)與人類活動的耦合關(guān)系才能阻止生境破碎化[10]。

2.1.3 動力機制研究

景觀指數(shù)可以與城市年鑒中的人口、發(fā)展強度進行關(guān)聯(lián)性研究，探索并解析導(dǎo)致景觀格局變化的動因機制。我國城市規(guī)劃師Deng 等運用景觀指數(shù)時空變化分析杭州市1996—2006 年土地覆蓋，得出城市土地變化經(jīng)歷了從農(nóng)業(yè)用地變?yōu)槌鞘杏玫氐内厔輀11]。陽文銳模擬了2004—2020 年北京市全市域與六環(huán)內(nèi)兩個尺度下的景觀格局時空變化特征，結(jié)合社會經(jīng)濟總體規(guī)劃和城市發(fā)展政策因素，解析北京市變化的驅(qū)動力因素[12]。

2.2 尺度效應(yīng)

尺度是景觀格局的重要屬性。景觀指數(shù)的計算結(jié)果與粒度的變化、斑塊的分割與融合、信息精確度、分辨率大小和改變邊界有關(guān)。認識和研究景觀尺度效應(yīng)是正確理解景觀格局的關(guān)鍵[13]。選取不同尺度（粒度與幅度）作為景觀格局分析的研究基礎(chǔ)，其得到的結(jié)果也不同[14]。美國生態(tài)學(xué)家Turner 等在20 世紀(jì)80 年代創(chuàng)建了景觀指數(shù)的同時，利用不同的景觀粒度切分方式，對景觀指數(shù)進行了尺度效應(yīng)的驗證，發(fā)現(xiàn)不同尺度下的景觀指數(shù)有著明顯的不同[15]。吳未等選用了19 個景觀水平指數(shù)和近期新引入的自相關(guān)Moran's I 指數(shù)，發(fā)現(xiàn)Moran's I 指數(shù)存在尺度效應(yīng)[16]。董翠芳等以鞏義市為例，計算了7 種粒度下52 個指數(shù)，并明確了物種多樣性的景觀粒度范圍[17]。徐麗等分析不同尺度變化對22 個景觀指數(shù)影響，并對不同景觀指數(shù)分析的適宜尺度范圍進行了分析[18]。

2.3 格局基底

建立景觀生態(tài)安全格局常常通過層次分析法、模糊數(shù)學(xué)、灰色關(guān)聯(lián)分析法構(gòu)建基于特定權(quán)重的評價指標(biāo)體系，并通過空間疊圖法將與環(huán)境有關(guān)的空間要素繪制到一張綜合圖紙中，從而為規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)。俞孔堅等利用景觀指數(shù)界定了景觀安全格局的內(nèi)涵，通過疊合與場地水文、地質(zhì)、生物、游憩景觀特征有關(guān)的空間要素，形成了辨別維護上述空間要素過程安全的景觀生態(tài)安全格局[19,20]。

2.4 環(huán)境問題

近年來，景觀指數(shù)除了定量分析景觀格局外，還用來剖析由景觀格局演變衍生的各類環(huán)境影響，建立景觀格局與自然環(huán)境問題的量化關(guān)聯(lián)。該類研究集中在熱島效應(yīng)、水文環(huán)境、大氣環(huán)境等3 個方面。

2.4.1 熱島效應(yīng)

遙感反演可幫助建立城市熱力景觀斑塊圖，利用景觀指數(shù)分析城市熱島格局演變的特征。與傳統(tǒng)指數(shù)（NDVI、植被覆蓋、不透水面覆蓋等）表征熱島強度不同，景觀指數(shù)能夠更好地描述熱島格局的形態(tài)參數(shù)。黃聚聰?shù)扔镁坝^指數(shù)分析城市熱島景觀與景觀格局隨著城市化進程演變的趨勢[21]。江學(xué)頂?shù)冗\用多樣性指數(shù)、分離度與自相關(guān)指數(shù)Geary C，揭示景觀格局變化與熱環(huán)境和城市氣候的影響[22]。我國地理學(xué)者Chen 等根據(jù)景觀指數(shù)中的空間位置與空間鄰接關(guān)系指數(shù)，發(fā)現(xiàn)城市景觀的空間位置與其空間鄰接關(guān)系也會對熱島效應(yīng)產(chǎn)生影響[23]。

2.4.2 大氣環(huán)境

大氣污染主要是城市內(nèi)廠礦廢棄排放、汽車尾氣排放與建筑工地揚塵，與城市景觀格局的演變有著密切關(guān)系。丁宇等認為綠地斑塊的面積與連接度指數(shù)與大氣固碳釋氧作用呈明顯相關(guān)。大氣污染因人口密度、產(chǎn)業(yè)分布和景觀格局的類型、異質(zhì)性、連通性等特征不同而有不同的凈化速率[24]。

2.4.3 水體環(huán)境

城市化過程會改變地表覆蓋狀況，對城市的水文特性產(chǎn)生影響。景觀指數(shù)可以用來評價水體功能。城市土地利用/覆蓋的變化影響徑流、徑流歷時以及最大洪峰等水文指標(biāo)，地表水與地下景觀格局的變化導(dǎo)致城市下墊面環(huán)境改變，建設(shè)用地不僅隔離城市地表水下滲，還將切斷城市地表與地下水文聯(lián)系。美國生態(tài)學(xué)家Ahern 等結(jié)合景觀指數(shù)，運用分層模型得出水體泄洪指數(shù)與景觀的連接度有關(guān)[25]。劉珍環(huán)等利用景觀格局分析，耦合景觀分布與生態(tài)過程與水質(zhì)監(jiān)測，探究景觀動態(tài)變化與河流水質(zhì)的關(guān)系，探討導(dǎo)致水質(zhì)退化的景觀指數(shù)閾值[26]。

3 研究展望

基于景觀指數(shù)的景觀格局分析已有大量研究成果，但還存在一些缺陷。筆者認為，未來研究可以重點從以下4 方面開展。

3.1 增加表征質(zhì)量維度的景觀指數(shù)

絕大多數(shù)景觀指數(shù)側(cè)重于統(tǒng)計表面形態(tài)，景觀指數(shù)的變化無法表達景觀的三維格局，導(dǎo)致現(xiàn)有景觀格局只能被數(shù)量化而不能被品質(zhì)化。因此有必要研究在景觀指數(shù)中增加質(zhì)量維度的可能性和實現(xiàn)形態(tài)。

3.2 增加表征特定地形環(huán)境的景觀指數(shù)

景觀指數(shù)的計算值依賴于景觀分割的像元大小、景觀依托的尺度等級和土地利用分類的粗細程度。通過遙感解譯而獲取的土地利用數(shù)據(jù)是目前景觀格局分析中的主要數(shù)據(jù)來源。依托遙感解譯的計算后得出的景觀指數(shù)未考慮到特定的地形環(huán)境特征。目前，針對不同地域而采取統(tǒng)一的景觀指數(shù)，沒有充分考慮包括坡度、坡向等在內(nèi)的不同的地形環(huán)境，導(dǎo)致利用形態(tài)反映的生態(tài)過程與實際情況不相符。因此，針對特定地形環(huán)境，增加相應(yīng)的景觀指數(shù)確有必要。

3.3 增加基于過程導(dǎo)向的景觀格局分析方法

景觀格局的生態(tài)解釋是景觀格局研究的主要目標(biāo)之一。目前的研究只關(guān)注景觀格局幾何特征的分析和描述，但對基于過程導(dǎo)向的景觀格局分析方法尚需深入。如何將景觀格局指數(shù)與特定場地實際的各類游憩、生態(tài)、文化等過程聯(lián)系起來，提出基于特定景觀指數(shù)的表征不同演變過程的景觀格局分析方法，對于深化景觀格局與場地過程研究具有重要意義。

3.4 增加對景觀格局的多尺度、動態(tài)性研究

現(xiàn)有的景觀指數(shù)僅能表達景觀格局形態(tài)在特定尺度下的靜態(tài)信息，缺少融入跨時空維度的屬性，從而導(dǎo)致在解釋景觀格局多尺度動態(tài)變化的意義時出現(xiàn)無法解釋的窘境。因此，未來景觀格局分析需要強化多尺度、動態(tài)性研究。

結(jié)語

本文綜合運用關(guān)鍵詞分析法與文獻統(tǒng)計分析法，旨在探索基于景觀指數(shù)的景觀格局研究進展。景觀指數(shù)一類從空間層面能夠反映景觀格局特征的定量指標(biāo)。景觀格局一般指景觀在空間上的形態(tài)組織，具有一定的結(jié)構(gòu)特征并能反映其背后的生態(tài)過程。研究成果表明，現(xiàn)階段大量研究主要集中在動態(tài)演變、尺度效應(yīng)、格局基底和環(huán)境問題4個方面，內(nèi)容十分多元但依然具有局限性。未來，增加表征質(zhì)量維度的景觀指數(shù)、增加表征地形環(huán)境的景觀指數(shù)、增加基于過程導(dǎo)向的景觀格局分析方法、增加對景觀格局多尺度動態(tài)性研究應(yīng)成為新的研究熱點。