基于地理国情普查数据的东莞市景观格局分析

惠宇　麦娥英　杨志刚　姜海林　危育冰

摘要：近15年来，东莞市城镇化发展迅速，城市景观变化明显。本研究基于东莞市地理国情普查数据，利用景观格局分析的方法研究东莞市建成区范围地表覆盖变化规律，计算了研究区域草地、道路、房屋建筑（区）、耕地、构筑物、荒漠与裸露地表、林地、人工堆掘地、水域、园地等10种地表覆盖的景观格局指数，研究了东莞市城镇化进程中景观格局动态变化特征，发掘了东莞市城市景观格局演化的影响因子。结果表明：1999年以后建成区土地形状逐渐变得不规则、破碎，道路连通性不断增强；中部与东北部地区地表覆盖斑块形状较为简单，稳定性较高；西北部地区斑块形状破碎。

关键词：地理国情普查数据；景观格局；地表覆盖；东莞市

0 引言

改革开放以来，我国城市进入了城镇化高速发展的阶段。农村人口大量涌入城市，建设用地不断扩张，城市景观发生了明显变化。城市景观的改变受自然因素、政策执行、经济波动、人口迁移等多重因素的影响，反过来又会引起区域生态、社会和经济环境发生变化。为了能够更加全面、系统地研究景观的时空变化规律，景观格局分析理论被引入到城市景观的研究中，并逐渐吸引了学者的广泛关注。

景观格局是指大小和形状各异的景观空间单元（斑块）在空间上的排列与组合规律，包括景观组成单元的类型、数目、空间分布与配置。景观格局的研究对分析自然与生态过程和社会经济活动之间的关系具有重要意义。景观格局理论包含一系列的景观空间格局分析方法，其中，景观格局指数是应用十分广泛的一种。随着计算机技术和GIS技术的广泛应用，景观格局指数的研究也得到了快速的发展，一些新的景观格局指数不断产生，比如孔隙度指数、聚集度指数、景观空间负荷对比指数等。如今，景观格局指数已经被应用到土地利用变化、土地空间布局、城市区域经济结构等多个研究领域。

本文将城市景观格局的研究地点设定在广东省东莞市。东莞市位于广东省中南部，珠江口东岸，东江下游的珠江三角洲，是珠江三角洲的重要工业城市，有“世界工厂”之称。改革开放以来，东莞市飞速发展，城市内部用地结构变化明显，城市景观格局改变显著。本文使用广东省地理国情普查数据作为数据源，以多种景观格局指数作为评价方法，针对该地区的城镇化发展情况，对研究区域1999-2013年的景观格局变化、发展趋势进行分析和研究，并试图挖掘东莞市各时间段城镇化发展的差异程度及其影响因素，以期更加准确、全面地揭示东莞市十余年来的景观格局发展变化的总体趋势。

1 研究方法

为了从宏观上分析东莞市地表覆盖的组成、空间变化，本文利用景观要素的指数描述不同地表覆盖类型的结构组成和空间特征，同时利用景观总体特征的指数反映区域全局的景观特征。景观要素指数是描述单个景观类的指数，而景观总体特征指数是描述区域内所有景观类型的总体特征的指数。在具体实施过程中，选取景观复杂度、景观破碎度、景观稳定性、景观多样性、景观均匀度、景观优势度几个景观格局指数，如图1所示。

1.1 景观复杂度

选取面积周长分维数（D）用来描述景观复杂度，即景观中斑块形状复杂程度。计算公式如下：

代表景观斑块面积，代表景观斑块周长。

斑块面积的对数与斑块周长的对数回归，得到回归直线，由最小二乘法求得系数a。

面积周长分维数值域为（1，2），分形维数越接近1，表明景观要素斑块的自我相似性越强，斑块形状越有规律，斑块的集合形状趋向简单，受干扰程度越大；反之，分形维数越接近2，表明景观要素斑块的形状越无规律，形状越复杂，受干扰程度越小。

1.2 景观破碎度

破碎度指数（FN）用来描述景观破碎度，即整个景观或某一给定景观类型在给定时间和给定性质上的破碎化程度。计算公式如下：

C=N/A， （2）

式中：N为总斑块数，A为总面积。

C_i=N_i/A_i， （3）

式中：N_i为景观i斑块数，A_i景观i的面积。

1.3 景观稳定性

稳定性指数（Si）用来描述景观稳定性，描述空间结构的稳定性，Mandelbrot认为，布朗运动的线线函数的分维数是1.5。分维数越接近于1.5临界值点，地表覆盖类型越接近于布朗运动状态，稳定性越差；反之，稳定性越强。

S_i=|1.5-D| （4）

式中：D为景观的面积周长分形维数指数。

1.4 景观多样性

香农多样性指数（SHDI）用来描述景观多样性。计算公式如下：

式中：P_i为i类型斑块在景观中出现的可能性，在此以斑块所占景观面积的比例计算，m为景观类型的数目。

景观多样性有两层含义：一是表述斑块类型的多少（即丰富度）；二是说明各类型在空间上分布的均匀程度。当景观由两种以上的类型构成，且各景观类型所占的比例相等时，景观的多样性指数最高；当各景观类型所占的比例差异增大时，类型多样性指数下降。

SHDI>=0，当SHDI=0时，表明整个景观仅由一个斑块组成：SHDI增大，说明斑块类型增加或各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布。

1.5 景观均匀度

香农均匀度指数（SHEI）来描述景观均匀度，表示景观镶嵌体中不同景观类型在其数目或面积方面的均匀程度。公式如下：

式中：为某类景观所占面积的比例，m为景观类型的数目。

0<=SHEI<=1。当景观中只包含一个斑块（没有多样性）时，SHDI=0，随着不同斑块类型间的面积分布越来越不均匀（如主要以一种类型为主），SHDI趋近于0。而当不同类型斑块间是完全均匀（各类型所占比率相等）时，SHDI=1。

1.6 景观优势度

景观优势度指数描述景观的优势度，表示一种或几种类型斑块在一个景观中的优势化程度，也用来描述景观多样性对最大多样性之间的偏差或描述景观由少数几个景观要素控制的程度。

式中：H_max为多样性指数（此处以SHDI）最大值，即计算为i类景观所占面积的比例，m为景观类型的数目。通常，较大的值对应于一个或少数几个占主导地位的景观。

2 实验与结果分析

2.1 数据来源

本文数据来自东莞市地理国情普查数据中地表覆盖数据，包括草地、道路、房屋建筑（区）、耕地、构筑物、荒漠与裸露地表、林地、人工堆掘地、水域、园地共10类景观，数据覆盖了1999年、2003年、2008年、2013年4个年份，由分辨率优于2.5m的高分遥感影像解译获取。研究范围如图2标黑区域所示，为广东省东莞市2013年建成区，分析这片区域从1999-2013年间城镇化进程中的景观格局变化规律。

2.2 研究区域景观格局指数变化

基于上述公式，使用AE进行二次开发，编写代码计算基于矢量数据的景观格局指数，计算结果如图3所示。

图3（a）显示研究区域各类地表覆盖斑块面积周长分维数变化趋势基本相同，总体呈现上升趋势，斑块形状趋向复杂、不规则。房屋建筑（区）几乎无变化，道路变化幅度最大。可能是由于1999年前新开发土地较多、规划力度较强，各类斑块形状较简单、规则；1999～2013年各类土地斑块逐渐细碎化，相互交互，形状变得复杂、不规则。

图3（b）显示景观破碎度总体趋势逐年升高。其中，耕地、草地、荒地等类型的斑块越来越破碎。林地、园地先破碎加剧，2013年破碎度下降，表明有所整合。道路破碎度持续下降，表明道路连通性不断增强。

图3（c）显示稳定性指数总体呈下降趋势。多数地表覆盖斑块1999～2008年稳定度较高，2013年下降。表明1999～2008年抗干扰能力较强，预测性较高。2013年抗干扰能力下降，特别是林地，容易发生形状或类型的变化。

由图3（d）可以看出，房屋建筑（区）及构筑物所占比例持续上升；道路所占面积比例缓慢上升；耕地、草地、园地、荒漠与裸露地表、人工堆掘地所占比例持续下降；林地占比变化不大。

香农多样性指数与均匀度指数持续下降，景观优势度持续上升，表明研究区域景观构成向不均匀转变，各类地表覆盖面积差距拉大，主导地位的地表覆盖斑块房屋建筑（区）占比持续增加，由1999年的23%增加到2013年的44%。

2.3 东莞市镇街景观格局对比

东莞市辖32个镇街，2013年各镇街的建成区景观格局指数的空间分布图如图4所示。

图4（a）、（c）显示东莞市中部地区与东北部地区面积周长分维指数和破碎度指数都比较低，表明地表覆盖斑块形状较为简单、稳定性较高。西部地区除高埗镇、望牛墩镇，周长分维指数和破碎度指数都比较低，表示地表覆盖斑块形状较为复杂、稳定性低。

图4（b）显示中部地区建成区破碎度较低，东西部地区破碎度相对较高。

图4（d）显示西部、中部各有颜色较深的地区，这些区域的优势度较低，而东莞市内莞城街道、北部、东南地区优势度较高。优势度高意味着存在主导类型地表覆盖，对于建成区来说，主要是建设用地的占比较大，建设水平较高。为增加东莞市发展的均衡性，下一步城市建设可优先考虑优势度较低的地区。

3 结论

本文利用景观复杂度、景观破碎度、景观稳定性、景观多样性、景观均匀度及景观优势度等方法，以东莞市2013年建成区为范围，分析了其1999年、2003年、2008年及2013年的景观格局的变化特征，得出如下结论：

（1）研究区域土地形状逐渐变得不规则。表明1999-2013年随着东莞市城市扩张，土地斑块逐渐细化，相互交错，形状变得不规则，同时稳定性也在下降。

（2）1999-2013年间研究区域总体地表覆盖斑块逐渐破碎。但道路破碎度持续下降，表明道路越来越连通。

（3）1999-2013年研究区域耕地、草地面积持续下降。优势景观房屋建筑（区）所占面积比例从1999年的23%扩大到2013年的44%；地表覆盖图叠加分析显示东莞市在1999-2013年间有大量耕地、草地转为建设用地，包括房屋建筑（区）、构筑物、道路。其间新增建设用地主要来源由耕地转为草地。人工堆掘地面积占比下降，表明东莞市改造及新增建筑有所减少。

（4）东莞市建成区中部与东北部地区地表覆盖斑块形状较为简单、稳定性较高，西部地区斑块形状复杂、稳定性低。

（5）研究区域从1999-2013年间总体建设用地逐渐增加到7770，仍然保有1870以上的绿地，道路越来越连通，对于经济发展、居住生活都较适宜。但斑块形状不规则、稳定性低，容易发生形状或类型的转变，建议在未来城市建设中予以重视。