陳 淳 祁兆寰 陳緒昊通訊作者

1.中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080;2.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 重慶 400715

引言

當(dāng)前城市化進(jìn)程發(fā)展很快,這一過程伴隨著廣泛而持續(xù)的土地利用變化。開展針對(duì)在某一時(shí)間階段內(nèi)選定區(qū)域中土地資源利用類型變化的研究,對(duì)于復(fù)盤過去的城鄉(xiāng)開發(fā)歷程,從中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),并且為日后的相似活動(dòng)提供指導(dǎo)有著重要作用。在過去的幾十年里,國內(nèi)外關(guān)于這一方面的研究眾多,隨著遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的逐漸完善,更多的研究者采用這些技術(shù)手段配合數(shù)學(xué)模型分析的方法代替了以往的實(shí)地踩點(diǎn)取樣的方法。這樣帶來的好處是顯而易見的:研究者可以更加便捷地獲取并且處理數(shù)據(jù),將時(shí)間及地域因素對(duì)研究開展的難度的影響降低。同時(shí),開源數(shù)據(jù)庫和模型計(jì)算方法的發(fā)展也為進(jìn)行進(jìn)一步研究提供了便利的條件。

本文歸納分析了利用GIS等工具對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究以及未來城鄉(xiāng)規(guī)劃發(fā)展趨向的指導(dǎo)或建議的文獻(xiàn),試圖梳理其研究思想及方法的脈絡(luò),并且對(duì)比各研究者采用的獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理等的方法的優(yōu)劣和異同。旨在推進(jìn)該領(lǐng)域的研究產(chǎn)出在城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、城鄉(xiāng)合理規(guī)劃等方面發(fā)揮作用,并應(yīng)用在自然地理環(huán)境變遷分析等更多的研究領(lǐng)域。

1 共性研究流程與方法

(1)傳統(tǒng)方法到現(xiàn)代手段的過渡

Pauleit和Duhme在2000年采用了1981-1982及1991年通過實(shí)地調(diào)查獲取的慕尼黑城市土地利用單元以及覆蓋類型詳細(xì)平面圖。該圖通過傳統(tǒng)測(cè)繪制圖,將慕尼黑中心及周圍城區(qū)的人口密度、街道劃分、用地種類詳細(xì)呈現(xiàn),體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)廣泛使用的制圖思想。測(cè)繪過程中使用了諸如航拍、分區(qū)估量等技術(shù)措施,并收集了足量的數(shù)據(jù)使其能夠成為之后建立地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)據(jù)庫。文章中同時(shí)也指出了在使用該圖時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺陷和不足之處。

這一研究案例很好地展示了在傳統(tǒng)測(cè)繪統(tǒng)計(jì)與現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)平行用于研究的時(shí)代,也即是該研究領(lǐng)域從傳統(tǒng)方法向現(xiàn)代理念過渡的階段,典型的研究是建立在怎樣的數(shù)據(jù)獲取和處理上的。從中可見的是傳統(tǒng)測(cè)繪具有其一定的優(yōu)點(diǎn),即詳實(shí)而更加直觀,所呈現(xiàn)的結(jié)果可讀性也更高。但是耗費(fèi)大量人力物力的航拍實(shí)地制圖也有其弊端,即在圖像處理過程中產(chǎn)生難以避免的人為操作上的誤差,同時(shí)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)因素的限制,同一地區(qū)兩次覆蓋性測(cè)繪之間所隔的時(shí)間較長,導(dǎo)致其時(shí)效性也較差。這在需要較近時(shí)期的數(shù)據(jù)來源時(shí)往往是難以克服的障礙。對(duì)比來看,我們也可以看出GIS的應(yīng)用給研究者帶來許多便利。

(2)成熟GIS分析方法流程

彭建、王仰麟[1]等在2005年總結(jié)了過去十余年間應(yīng)用空間格局分析研究景觀生態(tài)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化流程,探究了基于土地利用/土地覆被圖的景觀空間格局分析的重要方法,同時(shí)評(píng)估了其在地學(xué)、城市規(guī)劃中的應(yīng)用,并且對(duì)具體計(jì)算中的各指數(shù)意義進(jìn)行了必要的闡釋和質(zhì)疑。其時(shí)的景觀格局指數(shù)計(jì)算、應(yīng)用的基本流程開始于將遙感影像或土地利用現(xiàn)狀圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,人工確定土地利用分類系統(tǒng)后,使用ERDAS等圖像處理系統(tǒng)獲得景觀類型圖,再應(yīng)用專門的軟件包計(jì)算各種景觀指數(shù),并分析、評(píng)價(jià)其意義。由此可以判斷,影響分析景觀格局指數(shù)的因素不僅包括傳統(tǒng)而言的尺度效應(yīng)、數(shù)據(jù)源準(zhǔn)確度、生態(tài)意義可解釋性和相關(guān)性,還包括土地利用分類的不確定性。出于上述因素,為探究土地利用分類對(duì)于景觀格局的影響,選取的區(qū)域需要包含多種土地利用類型,且已開展過相關(guān)研究。由此該研究選取深圳市寶安區(qū)作為研究對(duì)象,將數(shù)據(jù)通過既定流程處理,進(jìn)行回歸分析,比較不同土地利用分類系統(tǒng)對(duì)于空間格局度量的影響。其研究結(jié)論指出同一景觀采用有差異的土地利用分類辦法時(shí),用相同的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)其空間格局進(jìn)行度量,所得的結(jié)果存在可觀的區(qū)別。

因此,在對(duì)某一區(qū)運(yùn)用GIS進(jìn)行分析時(shí),要慎重考慮所用的數(shù)據(jù)源,避免可控的“人為誤差”。此外,必須要指出的是,在使用所得圖表進(jìn)行比對(duì)時(shí)要留意分析圖表時(shí)所用的量度,同時(shí)需要結(jié)合實(shí)際來考慮不同分辨率的圖像對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的影響。要考慮到制圖對(duì)于不同分辨率的數(shù)據(jù)來源的敏感程度,細(xì)致地依據(jù)不同種類的數(shù)據(jù)和指標(biāo)對(duì)于各種因素改變的反饋程度來決定該類別數(shù)據(jù)是否適用。如數(shù)據(jù)來源和處理方式對(duì)于斑塊豐富度(patch richness)的影響較不顯著,而對(duì)分形維度指數(shù)(fractal dimension index)影響則較大,這就要求在選擇性處理數(shù)據(jù)時(shí)要做到穩(wěn)度和敏感度的平衡協(xié)調(diào)。

2 不同研究方法的優(yōu)劣

(1)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌對(duì)比

龍凌波等[2]基于多源數(shù)據(jù),統(tǒng)籌研究了上海市公園時(shí)空格局演變及其生態(tài)效益。在獲取數(shù)據(jù)階段,利用了網(wǎng)絡(luò)開放平臺(tái)的上海市公園數(shù)據(jù)匯集,如上海市林業(yè)局等網(wǎng)站收集的公園名錄等信息,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用百度地圖API接口完成邊緣繪制并獲取經(jīng)緯度信息,隨后基于高分辨率多源遙感影像修正公園的矢量邊界等信息。基于上海市公園矢量邊界數(shù)據(jù),計(jì)算上海市公園及其緩沖區(qū)內(nèi)的平均地表溫度(LST),在此基礎(chǔ)上根據(jù)上海市公園LST分布情況對(duì)其進(jìn)行k-mean 聚類,探討上海市公園緩沖帶LST的變化情況。將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行線性或?qū)?shù)擬合,從而探究影響上海市公園及其周邊區(qū)域熱環(huán)境的因素。最后用公園建成前后兩期不同年份日期相近的Landsat8遙感數(shù)據(jù)和Google Earth多源遙感歷史影像來評(píng)估公園建成的降溫和生態(tài)效益,并進(jìn)一步探究潛在影響因素。

該研究創(chuàng)新之處在于合理選擇了不同年份、不同來源的影像數(shù)據(jù),通過人為和信息系統(tǒng)的自助收集、手動(dòng)校正和矢量化得到包含完整而豐富的公園數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)原創(chuàng)性較強(qiáng)。值得一提的還有其對(duì)比不同年份歸納區(qū)域降溫效應(yīng)以及其他生態(tài)效應(yīng)的方法,以及對(duì)于建設(shè)生態(tài)文明城市給出的現(xiàn)實(shí)性建議。其不足在于沒有能夠完善遙感影像分辨率不足的缺陷以及由于手動(dòng)統(tǒng)計(jì)公園邊界產(chǎn)生的與規(guī)劃文件的出入。同時(shí)在研究方法上擬合線性數(shù)據(jù)時(shí)未考慮景觀格局的指數(shù)變量。

(2)新數(shù)據(jù)源的應(yīng)用和發(fā)展

寧曉剛、劉婭菲[3]等發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的城市功能用地多采用土地利用數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)、調(diào)查問卷數(shù)據(jù)等方式獲得,而開源的興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)、OSM路網(wǎng)數(shù)據(jù)容易獲取,且單純運(yùn)用該數(shù)據(jù)進(jìn)行功能用地劃分的研究相對(duì)較少,基于該數(shù)據(jù)的城市功能用地劃分方法研究對(duì)于城市功能用地低成本、快速獲取和動(dòng)態(tài)更新具有重要意義。研究通過將原始POI數(shù)據(jù)點(diǎn)(電子地圖興趣點(diǎn))預(yù)處理,疊加在去除人行道路、公交站臺(tái)等的路網(wǎng)圖內(nèi),經(jīng)過軟件處理繪制出依據(jù)街區(qū)區(qū)塊劃分的功能用地分類。經(jīng)過精度評(píng)估,該方法可行性較高,劃分結(jié)果與實(shí)際情況高度一致。

該研究提出的城市功能用地分類方法簡單可行且便于動(dòng)態(tài)更新,避免了原有根據(jù)遙感影像和行人行蹤追蹤的方法所需的繁瑣步驟,更加簡明地呈現(xiàn)城市的內(nèi)部功能分區(qū),給設(shè)施選址、城鄉(xiāng)規(guī)劃等提供了重要的參照。當(dāng)然,該方法雖然簡單易行、時(shí)效性強(qiáng),但在人員流動(dòng)相對(duì)不密集、建筑密度小、興趣點(diǎn)稀少的郊區(qū)、農(nóng)村地區(qū)無法有效應(yīng)用。同時(shí)由于最小單位區(qū)塊是由路網(wǎng)決定的,必然造成更小的用地類型無法識(shí)別。從這兩點(diǎn)出發(fā),需要今后將該方法與其他數(shù)據(jù)結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)高精度識(shí)別和劃分。

(3)典型數(shù)據(jù)處理方法

袁軼男、金云峰[4]等縱向?qū)Ρ?010及2018年上海市六類土地利用類型,利用Fragstatus4軟件,對(duì)其景觀格局指數(shù)進(jìn)行定量分析。該時(shí)間段內(nèi)上海市城市發(fā)展變化顯著,依據(jù)實(shí)際情況,研究者選取了多樣的斑塊類型總面積(CA)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJJ)、景觀破碎化指數(shù)(SPLIT)、景觀聚集度指數(shù)(AI)、景觀度凝結(jié)度指數(shù)(COHESION)等景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析。將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)出為便于對(duì)比基礎(chǔ)指標(biāo)以及不同年份變化的表格,獲得初步結(jié)論后分析其體現(xiàn)在社會(huì)、政策、土地利用規(guī)劃把控等方面的驅(qū)動(dòng)力因素,并據(jù)此提出了相關(guān)建議,如平衡人口增長和增強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)之間的矛盾。

3 結(jié)束語

總而言之,自1939年景觀生態(tài)分析與土地利用類型統(tǒng)計(jì)結(jié)合后,該領(lǐng)域的研究方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)的測(cè)繪制圖人工分析到現(xiàn)代的基于多源數(shù)據(jù)庫和模式化指標(biāo)計(jì)算的發(fā)展。預(yù)期在未來的一段時(shí)間內(nèi),完全基于GIS的數(shù)據(jù)源還不能完全取代實(shí)地測(cè)繪,這是因?yàn)橛跋穹直媛屎推渌嚓P(guān)因素會(huì)對(duì)制圖可靠性產(chǎn)生一定干擾,因此繼續(xù)需要二者的結(jié)合。另一方面,地理信息系統(tǒng)向精確即時(shí)方向發(fā)展,工作精度向著1∶2.5萬-1:1萬或更大比例尺發(fā)展,大數(shù)據(jù)展示向著及時(shí)性和實(shí)時(shí)性發(fā)展。同時(shí),未來的趨勢(shì)在于更加全面、系統(tǒng)地指標(biāo)計(jì)算和分析城鄉(xiāng)規(guī)劃中城市綠色空間的生態(tài)景觀效益、社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益,并建立一套較為科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[6],因此加強(qiáng)各地、尤其是人類活動(dòng)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)劃分和土地利用分類系統(tǒng)已迫在眉睫?？梢韵胍?在未來會(huì)有更多基于大數(shù)據(jù)和移動(dòng)端的便捷、可靠的數(shù)據(jù)源,其與已有渠道的有機(jī)結(jié)合能夠促進(jìn)該領(lǐng)域研究的程序革新和進(jìn)步。