基于景观指数的景观格局研究进展

文／丁金铭 浙江工业大学设计与建筑学院 2020 级本科生

戴 伟 浙江工业大学设计与建筑学院 讲 师 博 士（通讯作者）

引言

基于信息论和分形几何学的景观指数可为科学地量化分析景观格局提供技术支撑，成为当前国内外生态学家、地理学家、城市规划师们关注的热点。结合景观指数，分析特定区域的景观格局有利于促进景观科学的可持续发展，促进土地规划和建立可持续人居环境。文章综合运用关键词与文献统计分析法，旨在探索基于景观指数的景观格局研究进展。首先对景观格局与景观指数的概念进行了阐述，其次综述了基于景观指数的景观格局研究现状，并从增加表征质量维度的景观指数、增加表征地形环境的景观指数、增加基于过程导向的景观格局分析方法、增加对景观格局多尺度动态性研究4 个方面提出了研究展望。

1 景观格局与景观指数的概念

景观格局一般指景观在空间上的形态组织，具有一定的结构特征并能反映其背后的各类过程。空间异质性是景观格局最基本的属性，并与景观中尺度性、等级性以及边缘效应性等属性密切相关。斑块、廊道和基质模型是目前用于测度景观格局特征的主流模型[1]，它利用与“空间语言”有关的模式抽象化表征景观结构、功能和动态变化情景。“斑块-廊道-基质”组合模型较好地考虑了景观格局与过程的相互关系以及随时间的变化。

景观指数是基于多层级、多尺度的间要素配置的能够反映景观格局特征的定量指标。目前常用的景观指数包含三个层级四个类别。三个层级分别为个体斑块、斑块类型和景观整体层级。四个类别分别为面积-边缘类别、形态类别、聚散度/邻近度类别以及多样性类别。以O'Neill、Turner 等为代表的美国国家实验室的生态学家们为此作出了卓越贡献。之后，景观指数逐渐与岛屿生物地理学、渗透理论、等级理论融合，形成了大量景观指数的衍生集合[2-4]。

2 研究进展

基于景观指数的景观格局研究的核心是明晰“格局特征-过程属性”耦合关系中的要素动态变迁、各类过程诱因及空间格局表征现象。动态演变、尺度效应、格局基底和环境问题4 个方面是现状研究热点。

2.1 动态演变

动态演变分析主要针对景观组成和构型两大方面研究特定地区的景观格局变化方式，它是理解特定尺度格局-过程动态变化的核心。该类研究可基于不同时间与空间的比较，提取不同时段卫星遥感信息，经校正并演绎之后，运用景观指数软件计算和分析信息栅格图中数据。演变分析主要表现在城市-景观梯度变化、生境破碎化、动力机制研究3 个方面。

2.1.1 城市——景观梯度变化研究

不同空间下景观指数的梯度变化可以较好地明晰土地利用程度与各因素干扰活动程度，从而形成梯度法在研究景观格局中的运用[5]。利用城市-景观梯度原理，采用样带分析方法，定量研究区域快速城市化对景观格局演变造成的影响[6]。美国城市规划师Luck 等基于景观指数，研究美国亚利桑那州Phoenix 城市景观梯度样带上的景观格局[7]。英国生态经济学家Radford 等以英国曼切斯特为案例，提出结合六种非经济生态价值与城乡梯度的工具与方法[8]。

2.1.2 生境破碎化研究

景观破碎化涉及景观格局的脆弱性问题，长期以来是人们高度关注的对象。物种多样性的减少、生境破碎可直接导致表征景观格局的景观指数产生变化。仇江啸等采用梯度分析与景观指数结合的方法，研究了城市景观破碎化的空间分布格局和差异水平，并利用以斑块密度、边缘密度、景观分类度等指数衡量了城市景观破碎化的程度[9]。德国风景园林师Guindon 等运用景观指数与元胞自动机模型，基于遥感解译分析了人类活动对生境破碎化的影响，指出只有理解景观指数与人类活动的耦合关系才能阻止生境破碎化[10]。

2.1.3 动力机制研究

景观指数可以与城市年鉴中的人口、发展强度进行关联性研究，探索并解析导致景观格局变化的动因机制。我国城市规划师Deng 等运用景观指数时空变化分析杭州市1996—2006 年土地覆盖，得出城市土地变化经历了从农业用地变为城市用地的趋势[11]。阳文锐模拟了2004—2020 年北京市全市域与六环内两个尺度下的景观格局时空变化特征，结合社会经济总体规划和城市发展政策因素，解析北京市变化的驱动力因素[12]。

2.2 尺度效应

尺度是景观格局的重要属性。景观指数的计算结果与粒度的变化、斑块的分割与融合、信息精确度、分辨率大小和改变边界有关。认识和研究景观尺度效应是正确理解景观格局的关键[13]。选取不同尺度（粒度与幅度）作为景观格局分析的研究基础，其得到的结果也不同[14]。美国生态学家Turner 等在20 世纪80 年代创建了景观指数的同时，利用不同的景观粒度切分方式，对景观指数进行了尺度效应的验证，发现不同尺度下的景观指数有着明显的不同[15]。吴未等选用了19 个景观水平指数和近期新引入的自相关Moran's I 指数，发现Moran's I 指数存在尺度效应[16]。董翠芳等以巩义市为例，计算了7 种粒度下52 个指数，并明确了物种多样性的景观粒度范围[17]。徐丽等分析不同尺度变化对22 个景观指数影响，并对不同景观指数分析的适宜尺度范围进行了分析[18]。

2.3 格局基底

建立景观生态安全格局常常通过层次分析法、模糊数学、灰色关联分析法构建基于特定权重的评价指标体系，并通过空间叠图法将与环境有关的空间要素绘制到一张综合图纸中，从而为规划设计提供依据。俞孔坚等利用景观指数界定了景观安全格局的内涵，通过叠合与场地水文、地质、生物、游憩景观特征有关的空间要素，形成了辨别维护上述空间要素过程安全的景观生态安全格局[19,20]。

2.4 环境问题

近年来，景观指数除了定量分析景观格局外，还用来剖析由景观格局演变衍生的各类环境影响，建立景观格局与自然环境问题的量化关联。该类研究集中在热岛效应、水文环境、大气环境等3 个方面。

2.4.1 热岛效应

遥感反演可帮助建立城市热力景观斑块图，利用景观指数分析城市热岛格局演变的特征。与传统指数（NDVI、植被覆盖、不透水面覆盖等）表征热岛强度不同，景观指数能够更好地描述热岛格局的形态参数。黄聚聪等用景观指数分析城市热岛景观与景观格局随着城市化进程演变的趋势[21]。江学顶等运用多样性指数、分离度与自相关指数Geary C，揭示景观格局变化与热环境和城市气候的影响[22]。我国地理学者Chen 等根据景观指数中的空间位置与空间邻接关系指数，发现城市景观的空间位置与其空间邻接关系也会对热岛效应产生影响[23]。

2.4.2 大气环境

大气污染主要是城市内厂矿废弃排放、汽车尾气排放与建筑工地扬尘，与城市景观格局的演变有着密切关系。丁宇等认为绿地斑块的面积与连接度指数与大气固碳释氧作用呈明显相关。大气污染因人口密度、产业分布和景观格局的类型、异质性、连通性等特征不同而有不同的净化速率[24]。

2.4.3 水体环境

城市化过程会改变地表覆盖状况，对城市的水文特性产生影响。景观指数可以用来评价水体功能。城市土地利用/覆盖的变化影响径流、径流历时以及最大洪峰等水文指标，地表水与地下景观格局的变化导致城市下垫面环境改变，建设用地不仅隔离城市地表水下渗，还将切断城市地表与地下水文联系。美国生态学家Ahern 等结合景观指数，运用分层模型得出水体泄洪指数与景观的连接度有关[25]。刘珍环等利用景观格局分析，耦合景观分布与生态过程与水质监测，探究景观动态变化与河流水质的关系，探讨导致水质退化的景观指数阈值[26]。

3 研究展望

基于景观指数的景观格局分析已有大量研究成果，但还存在一些缺陷。笔者认为，未来研究可以重点从以下4 方面开展。

3.1 增加表征质量维度的景观指数

绝大多数景观指数侧重于统计表面形态，景观指数的变化无法表达景观的三维格局，导致现有景观格局只能被数量化而不能被品质化。因此有必要研究在景观指数中增加质量维度的可能性和实现形态。

3.2 增加表征特定地形环境的景观指数

景观指数的计算值依赖于景观分割的像元大小、景观依托的尺度等级和土地利用分类的粗细程度。通过遥感解译而获取的土地利用数据是目前景观格局分析中的主要数据来源。依托遥感解译的计算后得出的景观指数未考虑到特定的地形环境特征。目前，针对不同地域而采取统一的景观指数，没有充分考虑包括坡度、坡向等在内的不同的地形环境，导致利用形态反映的生态过程与实际情况不相符。因此，针对特定地形环境，增加相应的景观指数确有必要。

3.3 增加基于过程导向的景观格局分析方法

景观格局的生态解释是景观格局研究的主要目标之一。目前的研究只关注景观格局几何特征的分析和描述，但对基于过程导向的景观格局分析方法尚需深入。如何将景观格局指数与特定场地实际的各类游憩、生态、文化等过程联系起来，提出基于特定景观指数的表征不同演变过程的景观格局分析方法，对于深化景观格局与场地过程研究具有重要意义。

3.4 增加对景观格局的多尺度、动态性研究

现有的景观指数仅能表达景观格局形态在特定尺度下的静态信息，缺少融入跨时空维度的属性，从而导致在解释景观格局多尺度动态变化的意义时出现无法解释的窘境。因此，未来景观格局分析需要强化多尺度、动态性研究。

结语

本文综合运用关键词分析法与文献统计分析法，旨在探索基于景观指数的景观格局研究进展。景观指数一类从空间层面能够反映景观格局特征的定量指标。景观格局一般指景观在空间上的形态组织，具有一定的结构特征并能反映其背后的生态过程。研究成果表明，现阶段大量研究主要集中在动态演变、尺度效应、格局基底和环境问题4个方面，内容十分多元但依然具有局限性。未来，增加表征质量维度的景观指数、增加表征地形环境的景观指数、增加基于过程导向的景观格局分析方法、增加对景观格局多尺度动态性研究应成为新的研究热点。