基于分形理論及信息熵的廣州邊緣區(qū)綠地空間結(jié)構(gòu)分析——以番禺區(qū)為例

張慧霞，婁全勝

1.廣東商學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院, 廣東 廣州 510320；2.國家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院, 廣東 廣州 510310

土地利用/覆被變化是地球系統(tǒng)科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一[1]，主要集中在土地利用時(shí)空變化過程、土地利用變化模型、土地利用變化驅(qū)動力分析、土地利用對區(qū)域自然、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響分析等方面[2-8]。作為城市土地利用的核心內(nèi)容，有關(guān)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的定量描述和數(shù)理分析在引入以分析空間結(jié)構(gòu)和有序程度見長的分形理論和信息熵理論后，景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與穩(wěn)定性等相關(guān)研究取得了長足的進(jìn)展[9-10]。研究土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用變化的最終目的是實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用，使生態(tài)安全性和經(jīng)濟(jì)增長達(dá)到動態(tài)平衡，而以自然或半自然形態(tài)存在的城市綠地景觀作為城市自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其數(shù)量、結(jié)構(gòu)與城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著極其重要的關(guān)系[11]，也是城市生態(tài)環(huán)境和城市熱島的調(diào)節(jié)器，因此研究綠地的空間結(jié)構(gòu)對城市土地的合理布局和生態(tài)響應(yīng)具有重要意義。目前對城市綠地結(jié)構(gòu)的研究多從三個(gè)方面進(jìn)行：一是藺銀鼎、葉洪嶺等人從景觀規(guī)劃的角度探討不同綠地類型在空間上的配置與生態(tài)功能之間的關(guān)系[12-13]，多為宏觀角度的定性研究；二是郭程軒、王曉春等人從景觀生態(tài)學(xué)的角度選用異質(zhì)性、破碎度等景觀指數(shù)定量分析綠地結(jié)構(gòu)隨時(shí)空的變化[14-15]，具有一定的科學(xué)性和合理性，但是由于景觀指數(shù)本身的局限性[16-17]，研究結(jié)果難以兼顧同等條件下綠地斑塊形變、斑塊間配置改變等引致的區(qū)域生態(tài)效應(yīng)變化，例如面積周長相同而形狀有別的綠地斑塊生態(tài)效應(yīng)的差異，及綠地斑塊在空間的排列和組合發(fā)生變化時(shí)引致的生態(tài)效應(yīng)變化。三是張穎、劉慶等人基于生物量對綠地結(jié)構(gòu)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估[18-19]，雖為定量研究，但在描述綠地斑塊的空間配置方面有缺陷。

根據(jù)前人相關(guān)研究對廣州邊緣區(qū)的界定[20-21]，本文以番禺區(qū)為例基于信息熵和分形理論，借助遙感和GIS技術(shù)，通過測定綠地斑塊的空間分布提出綠地空間格局的度量方法，揭示廣州市邊緣區(qū)綠地景觀結(jié)構(gòu)在空間上的分異。

1 研究區(qū)概況

番禺區(qū)位于廣州市南部、珠江三角洲中部河網(wǎng)地帶，東臨獅子洋，西及西南以陳村水道和洪奇瀝為界，與佛山市南海區(qū)、順德區(qū)及中山市相鄰；北隔瀝滘水道與海珠區(qū)相接；南濱珠江出?？冢獬瞿虾?。研究區(qū)域總面積1313.8 km2，陸地面積852.3 km2，約占總面積的65%，其中山地、丘陵各占5%；河涌及外圍水域面積 461.5 km2，約占總面積的35%。地勢由北、西北向東南傾斜，地貌類型依次為西北部低丘、中部平原間少量崗地和東南部海涂及沙田區(qū)。氣候類型為南亞熱帶季風(fēng)性海洋氣候。

番禺作為“半城鎮(zhèn)化空間”的蔓延區(qū)，既要解決自身“自下而上”的區(qū)、鎮(zhèn)、村多級發(fā)展需求，又要配合“自上而下”的新城市空間拓展，南拓戰(zhàn)略的實(shí)施為番禺經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)注入較大活力的同時(shí)也帶來了一系列的發(fā)展問題，例如：高能耗高投入的粗放型發(fā)展方式導(dǎo)致承載各項(xiàng)功能訴求的用地分布顯得分散，總體環(huán)境質(zhì)量下降，占用耕地、林地現(xiàn)象日益增多導(dǎo)致生態(tài)景觀格局破碎等。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

空間數(shù)據(jù)源選取2006年的SPOT多光譜、全色波段影像及土地利用/土地覆被 GIS數(shù)據(jù)，利用ENVI4.5分別對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、影像鑲嵌、影像融合和增強(qiáng)后進(jìn)行監(jiān)督分類。土地利用分類參照遙感調(diào)查土地利用/土地覆被系統(tǒng)，同時(shí)兼顧生態(tài)綠地的劃分標(biāo)準(zhǔn)（農(nóng)林植被、公共綠地、居住綠地及附屬綠地），將土地利用類型分為居住用地、交通用地、工業(yè)用地、水域、綠地、農(nóng)業(yè)水利設(shè)施用地、特殊用地和未利用地8類。結(jié)合實(shí)地踏勘將分類結(jié)果通過精度驗(yàn)證后導(dǎo)出到ArcGIS中，得到研究區(qū)域用地結(jié)構(gòu)的空間分布。

依據(jù)土地利用變化的兩個(gè)前提：①土地利用類型與利用方式轉(zhuǎn)換的可能性（受區(qū)域自然地理環(huán)境的直接控制，主要包括氣候、地貌、土壤、以及原生土地覆蓋類型等）。②人類活動的干擾（主要表現(xiàn)為人類影響的可達(dá)性與頻率以及對土地利用方式的選擇，包括人口分布、交通狀況、社會需求、以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等）[22]；以及景觀分帶的原則：景觀的自然分異、兼顧水資源的利用分區(qū)、保證行政區(qū)域和斑塊的完整性，將研究區(qū)域沿城市發(fā)展的軸線方向分為3個(gè)梯度區(qū)，研究綠地景觀格局在空間上的結(jié)構(gòu)分異。

2.2 研究的理論基礎(chǔ)與研究方法

2.2.1 分形理論及信息熵模型

分形理論由B.Mandelbrot于1975年提出，其原意是“不規(guī)則的、分?jǐn)?shù)的、支離破碎的”物體，用于研究傳統(tǒng)幾何學(xué)所不能很好處理的復(fù)雜且不可微對象的函數(shù)集，如地形地貌、水系、地圖投影、城市變化等[23]，揭示隱藏在復(fù)雜對象背后的規(guī)律、局部與整體之間的本質(zhì)聯(lián)系。對于任何一種景觀斑塊形態(tài)，如果以尺度r去測量其周長和面積，則可得到景觀分形維數(shù)模型為：

式中：D為景觀斑塊的分形維數(shù)，A(r)為斑塊面積，P(r)為斑塊周長，C為常數(shù)。

基于熱力學(xué)原理的信息熵最初應(yīng)用于玻爾茲曼研究分子運(yùn)動的微觀現(xiàn)象，提出熵可以作為把微觀分子運(yùn)動和宏觀熱力學(xué)這兩種不同尺度連接的橋梁。物理系統(tǒng)中不同時(shí)刻分子的相應(yīng)空間分布由下式計(jì)算：

式中：N為觀察到的系統(tǒng)中氣體分子總數(shù)目，P1，P2，……Pk為系統(tǒng)中1，2，……k各室空氣氣體分子所占分子總數(shù)的百分比。D為系統(tǒng)宏觀狀態(tài)的熱力學(xué)概率。

式中：K為波爾茲曼常數(shù)1.380658×10-23J·K-1，W代表某一宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)的數(shù)目（或稱熱力學(xué)概率），S0為熵常數(shù)，S為系統(tǒng)的熵值。當(dāng)S0為0時(shí)，得到波爾茲曼關(guān)系式WKSln?=。因此可以把熵看成是與系統(tǒng)狀態(tài)無序度相聯(lián)系的量。系統(tǒng)無序程度越高，即系統(tǒng)越混亂，其對應(yīng)的微觀狀態(tài)數(shù)目越多，熵就越大；反之系統(tǒng)越有序，熵就越小。

2.2.2 綠地景觀結(jié)構(gòu)的熵模型

圖1 不同梯度區(qū)用地類型分布Fig.1 Landscape types of different gradient area

自然景觀之所以發(fā)生變化，由初始形態(tài)發(fā)展到終極形態(tài)，本質(zhì)上取決于熵的積累，即熵增高的過程。雖然絕大多數(shù)運(yùn)動都遵循熵增的規(guī)律，但事實(shí)上，自然界的演化并不總是熵增的過程。熱力學(xué)第二定律與達(dá)爾文生物進(jìn)化論分別論述了物理界與生物界各自截然不同的兩種演化趨勢：熱力學(xué)系統(tǒng)有從有序走向無序、從非平衡走向熱平衡的退化趨勢；而生物物種的演化總是從簡單到復(fù)雜，從低級到高級，從有序程度低的生命組織走向有序程度高的生命組織，存在著明顯的進(jìn)化趨勢。這種矛盾來自第二定律的前提是孤立系統(tǒng)，它不適用于開放系統(tǒng)。自然界中絕對的封閉系統(tǒng)和孤立系統(tǒng)是很少的，生命、社會、自動機(jī)都不是封閉的，并不完全受熱力學(xué)第二定律的控制，則系統(tǒng)通過與外界的能量交換，有可能吸收負(fù)熵，都有可能由無序向有序化方向發(fā)展。綠地景觀中，綠地的自發(fā)演替過程是由有序度低逐漸向有序度高的形態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。不同的斑塊由開始的相對均勻分布到最終相互聚集，斑塊由大到小，最后發(fā)育為某種頂級結(jié)構(gòu)。

綠地景觀熵模型的構(gòu)建以滿足下列條件為前提：

1.基于分形理論對研究對象不同尺度的自相似性描述和突出最大綠地斑塊的生態(tài)服務(wù)功能，以包含綠地景觀優(yōu)勢度最大斑塊形狀的面作為熱力學(xué)中氣體分子所處的各“室”的標(biāo)準(zhǔn)大小。

2.以各室中斑塊的數(shù)目作為熱力學(xué)中各室內(nèi)氣體分子的數(shù)目。

3.以斑塊的總數(shù)取代熱力學(xué)中氣體分子的總數(shù)。

4.當(dāng)綠地景觀均勻分布時(shí)，沒有斑塊結(jié)構(gòu)形成，系統(tǒng)熵值最高；綠地斑塊各自聚集時(shí)，熵值減小，其演化過程與熱力學(xué)中的氣體分子運(yùn)動方向相反，且綠地景觀熵值的計(jì)算僅作為不同綠地景觀的比較。所以K常數(shù)取-1。

則綠地景觀熵模型為：

其中，S為綠地景觀格局熵值；N為綠地斑塊總數(shù)；N1，N2，……Nk為各室中的斑塊數(shù)。

說明：此模型不考慮綠地景觀中各景觀類型的組成，只把所有的綠地作為同一類景觀結(jié)構(gòu)來研究，是無量綱量。

2.3 結(jié)果計(jì)算

（1）在GIS軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)集，利用空間查詢和SQL查詢相結(jié)合的手段，查找出每一個(gè)梯度區(qū)內(nèi)優(yōu)勢度最大斑塊，即面積最大斑塊，量算其長度和寬度，取最大值。

（2）選擇工具/網(wǎng)格工具，以優(yōu)勢斑塊的長/寬最大值對每個(gè)梯度區(qū)劃分網(wǎng)格，且限定打網(wǎng)格的范圍（即綠地景觀在地圖中的X和Y的最大最小值），生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。

（3）將網(wǎng)格線數(shù)據(jù)集進(jìn)行拓?fù)涮幚?，生成面?shù)據(jù)集。將生成的面數(shù)據(jù)集與綠地景觀數(shù)據(jù)集疊加，使其中一個(gè)網(wǎng)格剛好覆蓋綠地圖層中的最大斑塊，并使斑塊的中心點(diǎn)與網(wǎng)格的中心點(diǎn)重合（圖2）。

圖2 面積優(yōu)勢斑塊與網(wǎng)格覆蓋Fig.2 Spatial overlay of grid and patch

（4）利用GIS的空間分析功能，查詢每一個(gè)網(wǎng)格所覆蓋的綠地斑塊數(shù)。代入公式(4)計(jì)算每一個(gè)梯度區(qū)的綠地景觀熵值。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠地景觀格局及分形分析

圖3 不同梯度區(qū)綠地斑塊與網(wǎng)格的疊加Fig.3 Spatial overlay of grid and patch of green land in different gradients

綠地景觀的基本構(gòu)成是大小不等、形狀各異的綠地景觀單元（斑塊），作為自然景觀的綠地系統(tǒng)，不僅在時(shí)間上表現(xiàn)出演替的過程、階段和規(guī)律，而且在空間上也表現(xiàn)出不同的組合關(guān)系和結(jié)構(gòu)格局，即每一個(gè)斑塊由于所處位置不同、與其他地類在空間上的組合不同發(fā)揮的功能也各不相同。自然條件下，綠地形態(tài)影響了物質(zhì)和能量運(yùn)移的方向，在物種遷移和擴(kuò)散的作用下綠地邊界逐漸由簡單變?yōu)閺?fù)雜，很難從形狀上區(qū)分這一塊綠地與另一塊綠地有何本質(zhì)上的不同，這種不規(guī)則和復(fù)雜性使得任何一個(gè)斑塊都可能包含了整個(gè)綠地景觀的形態(tài)信息。然而城市中的綠地景觀必然更多地受到土地利用開發(fā)、植樹造林、城市規(guī)劃等人為因素的影響，所以綠地景觀形態(tài)更多是人為因素和綠地相互作用、相互影響的產(chǎn)物。

平均面積反映景觀的粒徑，不僅影響著物種的分布和生產(chǎn)力水平，而且也是物種保有和生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定的主要因素；邊緣密度則是單位面積某類景觀類型斑塊與其相鄰異質(zhì)斑塊間的邊緣長度，反映景觀中異質(zhì)斑塊之間物質(zhì)、能量、物種及其他信息交換的潛力及相互影響的程度。從表1可知：在3個(gè)梯度區(qū)內(nèi)，III梯度區(qū)的平均面積最大，達(dá)12.44 hm2，I梯度區(qū)次之(6.43 hm2)，II梯度區(qū)最小(2.08 hm2)；邊緣密度的變化規(guī)律與平均面積相反，III梯度區(qū)最低(63.83)，I梯度區(qū)次之(77.94), II梯度區(qū)最高(91.38)；反映出第 III梯度區(qū)由于距城市中心較遠(yuǎn)、受人為干擾較輕，斑塊較為聚集，且主要以人工濕地分布為主，單位面積內(nèi)的邊界長度較小，形狀較為規(guī)則，而II梯度區(qū)水系支流眾多且河網(wǎng)密布，地形切割較為破碎，導(dǎo)致嚴(yán)格受制于水系分布的綠地斑塊只能形成許多小的鑲嵌體，龐雜的水系又導(dǎo)致綠地斑塊的邊界多褶皺彎曲且形變多樣，故邊緣密度最高。

表1 不同梯度區(qū)綠地景觀格局指數(shù)及熵值Table 1 Landscape pattern metrics and entropy of greenland in different gradients

斑塊結(jié)合度指數(shù)是景觀類型空間連接度的量度，與同類斑塊之間的距離、廊道存在與否、不同類型廊道相交的頻率和構(gòu)成的網(wǎng)格大小有關(guān)，值越大說明空間的連通性越高。結(jié)果表明，綠地的連通性在3個(gè)梯度區(qū)內(nèi)沿城市發(fā)展軸向方向表現(xiàn)出遞增的趨勢(99.04<99.11<99.22)，反映出距離城市越遠(yuǎn)，受人類干擾的劇烈程度越小，與異質(zhì)斑塊的鄰接度降低，綠地斑塊之間的連通性越好，廊道作用的功能越強(qiáng)。

生境破碎化指數(shù)主要表現(xiàn)為斑塊數(shù)量增加而面積減少，斑塊的形狀趨于不規(guī)則，內(nèi)部生境面積縮小，作為物質(zhì)、能量和物種交流的廊道被切斷，反映斑塊間彼此被隔離的程度。生境破碎化指數(shù)值越大，破碎的程度越高。分析結(jié)果說明由 I到 III梯度區(qū)值逐步下降（5.48<5.26<4.51），反映出距城市越遠(yuǎn)，生境的破碎化程度越低，受到的生態(tài)威脅越小。

3.2 綠地景觀熵值分析

根據(jù)構(gòu)建的景觀熵模型，得到各梯度區(qū)的綠地景觀熵值：SI=-36819；SII=-62553；SIII=-12524。II梯度區(qū)的熵值最低，III梯度區(qū)的熵值最高，I梯度區(qū)介于II和III梯度區(qū)之間。根據(jù)綠地景觀熵模型得知：熵值越大，綠地斑塊在空間上的分布越趨向于聚集狀分布，有序度越高；熵值越小，綠地斑塊在空間上的結(jié)構(gòu)越趨向于均勻分布，有序度越低。綠地景觀的演化是朝著景觀熵值增加的過程進(jìn)行的。在這三個(gè)梯度區(qū)中，III梯度區(qū)的綠地生態(tài)系統(tǒng)更容易向頂級結(jié)構(gòu)演替，所以結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，也更利于其生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮。

綠地景觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越強(qiáng)，在一定時(shí)期內(nèi)或在一定的干擾水平下其抗干擾的能力就越強(qiáng)。而綠地景觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響因素取決于兩個(gè)方面：一方面是水文、地質(zhì)地貌、土壤和植被等自然因素；另外一方面則是人文因素，如：不合理的資源利用、開發(fā)等。但人文因素對綠地景觀結(jié)構(gòu)的影響最終通過自然因素起作用。其中水文條件是關(guān)鍵因素，是土壤、植被變化的驅(qū)動力。地質(zhì)地貌因素則對水資源分布起到約束和控制的作用，且這種作用相對較為穩(wěn)定，不會因?yàn)槠渌匀缓腿藶橐蛩氐淖兓霈F(xiàn)明顯的變化。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，III梯度區(qū)處于珠江三角洲沖擊平原地帶，水資源最為充足，地勢較為平坦，地表徑流通暢，而且土層深厚、土壤肥沃。綠地系統(tǒng)的發(fā)育自然條件最好，并且從空間上遠(yuǎn)離城市，人類的干擾相對而言較弱，是綠地空間結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定的原因。II梯度區(qū)由于受到支流眾多的發(fā)達(dá)水系對綠地空間分布的割裂作用，多為形狀復(fù)雜、分散散布的小斑塊，所以熵值最低，穩(wěn)定性最差。雖然I梯度區(qū)的綠地較II梯度區(qū)的綠地景觀熵值大，但是這一地區(qū)多為臺地，且受人為干擾的影響最大。目前這一梯度帶有大量的居民區(qū)和工廠分布，而且在未來的建設(shè)規(guī)劃中，番禺北部調(diào)整完善區(qū)和市橋調(diào)整完善區(qū)是廣州市舊城居住功能疏解的主要地區(qū)，同時(shí)亦面臨蓬勃發(fā)展的房地產(chǎn)業(yè)所帶來的巨大沖擊，洛溪島、南浦島、大石鎮(zhèn)區(qū)以及南村西部等已經(jīng)成為房地產(chǎn)開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)；加強(qiáng)居住用地供給，逐步使之從以工業(yè)為主的開發(fā)區(qū)向生活生產(chǎn)相配套的新城區(qū)發(fā)展。這些工業(yè)用地和居住用地在空間分布的選擇上會把環(huán)境的適宜度放在首位，勢必影響綠地系統(tǒng)中水分的重新分配，所以綠地景觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很大程度上取決于人為活動對其產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

通過對SPOT影像及GIS數(shù)據(jù)的處理獲得番禺區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)土地利用變化的驅(qū)動因素和景觀分帶原則將研究區(qū)沿城市發(fā)展的軸線方向劃分為3個(gè)梯度區(qū)，基于分形理論和信息熵構(gòu)建綠地景觀熵模型，以番禺為例分析廣州市邊緣區(qū)綠地結(jié)構(gòu)在空間上的分異，研究結(jié)果表明：III梯度區(qū)得益于良好的水資源及地形等自然條件，斑塊平均面積最大、邊緣密度最低、連通性最好、生境破碎化程度最小，熵值最高，有序度最高，穩(wěn)定性最好；II梯度區(qū)由于受游移多變且支流眾多的水系脅迫，導(dǎo)致綠地空間結(jié)構(gòu)被切割破碎，熵值最低，穩(wěn)定性最差；而I梯度區(qū)熵值處于III梯度區(qū)和II梯度區(qū)之間，但是由于距城市最近，受人類活動影響最為頻繁，綠地的斑塊結(jié)合度最低、連通性最差，生境破碎化程度最高，且受政府用地調(diào)控的空間較大，因此綠地空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很大程度取決于人為干擾活動的劇烈程度和政府行為對用地結(jié)構(gòu)的調(diào)控。綠地景觀是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不同綠地的面積、形狀、垂直結(jié)構(gòu)、破碎度、連接度和郁閉度不同，帶給人們的舒適度不同，同等斑塊的組合、配置方式不同，綠地空間分布最終發(fā)揮的生態(tài)效應(yīng)也會有所差異。在對綠地景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，很多學(xué)者多用景觀指數(shù)法、模糊綜合評判和模糊聚類分析為一體的模糊綜合法，其特點(diǎn)是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理來進(jìn)行分析判定，最后得出城市綠地景觀生態(tài)綜合狀況，但是計(jì)算量非常大。本次基于分形理論和信息熵構(gòu)建了綠地景觀熵模型，簡明、可操作性強(qiáng)，工作量小，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是由于沒有考慮綠地景觀單元內(nèi)物種的結(jié)構(gòu)、物種的空間層次等因素，故不具有絕對性。進(jìn)一步的研究工作還需要在綜合考慮景觀結(jié)構(gòu)和物種層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制定合理的生態(tài)恢復(fù)措施，使綠地的空間結(jié)構(gòu)更好地促進(jìn)生態(tài)服務(wù)功能的更大發(fā)揮。

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