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?cái)U(kuò)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(jìn)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(jìn)行城市規(guī)劃與管理具有重要價(jià)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(gè)非數(shù)值統(tǒng)計(jì)的角度，即從空間統(tǒng)計(jì)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(shí)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(gè)土地利用圖斑隨著時(shí)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(shí)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(jì)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(dá)，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(dá)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(jìn)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(shí)例分析

（一） 數(shù)據(jù)情況

本文實(shí)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(jìn)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(jì)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(jì)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(yùn)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(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其他農(nóng)用地和未利用土地這兩個(gè)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(yùn)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(gè)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(gè)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(yùn)輸這三類存在三個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)結(jié)果，采用非參數(shù)估計(jì)——核密度估計(jì)模型——來空間可視化其景觀格局。核密度估計(jì)可將數(shù)據(jù)對象的特征在任何尺度下進(jìn)行空間可視化表達(dá)。根據(jù)五個(gè)景觀指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，將每期數(shù)據(jù)綜合成一張核密度圖進(jìn)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(dá)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(jìn)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(gè)區(qū)域擴(kuò)散的趨勢，2010年的景觀指數(shù)高亮點(diǎn)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(gè)小面積的工業(yè)用地或者藍(lán)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?yàn)榇髩K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(gè)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(lán)色圖斑）、交通運(yùn)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(yùn)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(shí)，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(diǎn)分析，這些分離度值高的土地利用類型具有較強(qiáng)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(jì)空間可視化的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合數(shù)值統(tǒng)計(jì)與空間統(tǒng)計(jì)的方法，研究分析了城市土地利用時(shí)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(jì)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(gè)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(diǎn)對于其他完整的圖斑具有分割作用，同時(shí)由于其功能特點(diǎn)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(shí)空演變過程中具有較強(qiáng)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）