近十年我國城市景觀生態(tài)學(xué)研究新進(jìn)展

趙琛　覃林　譚玲

摘要：指出了城市景觀格局、動態(tài)變化及其與生態(tài)學(xué)過程的相互關(guān)系是現(xiàn)在景觀生態(tài)學(xué)研究的重點，隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展和新的數(shù)學(xué)工具的不斷引入，出現(xiàn)了大量的前沿理論與研究方法。在近十年國內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，對目前最新景觀數(shù)據(jù)獲取及處理、景觀格局分析、景觀動態(tài)模擬以及城市熱島效應(yīng)研究等實際應(yīng)用進(jìn)行了概述。并闡述了當(dāng)前城市景觀生態(tài)學(xué)研究暴露出的一些不足：突出反映在格局指數(shù)的濫用，以及對景觀格局時空分布與城市化這一生態(tài)學(xué)過程相互關(guān)系的忽視。

關(guān)鍵詞：城市景觀生態(tài)；景觀格局；研究進(jìn)展

中圖分類號：Q149 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2014）04-0060-03

1、引言

城市景觀作為受人為干擾強度最大的景觀類型，也是與人類生活密切相關(guān)的、復(fù)雜開放的景觀生態(tài)系統(tǒng)，一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的一個重要領(lǐng)域。當(dāng)前城市景觀生態(tài)研究已經(jīng)進(jìn)入到一個快速發(fā)展的時期，在景觀生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)上，隨著研究不斷深入，研究范圍逐漸擴大，出現(xiàn)了很多新理論新方法，同時也暴露出不少問題。本文針對近年來我國城市景觀生態(tài)研究的最新進(jìn)展以及存在的一些問題進(jìn)行簡要介紹。

2、數(shù)據(jù)獲取和處理方法進(jìn)展

2.1 遙感技術(shù)的發(fā)展

以衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源，以3S技術(shù)為研究手段已經(jīng)成為當(dāng)前景觀生態(tài)學(xué)的一個重要特征。一方面受傳感器的各項參數(shù)指標(biāo)以及重訪能力限制，另一方面受云層遮擋等天氣原因限制，使得獲取符合研究時相或研究精度的影像較為困難。目前常見的方法是對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，如嚴(yán)明等通過SPOT-5、6、GeoEye-1等高分辨率影像分別通過不同的融合方法，探究光譜畸變的大小，為多源數(shù)據(jù)整合提供了有效參考。

據(jù)不完全統(tǒng)計，在2008～2012年的5年里有超過16顆遙感衛(wèi)星營運，數(shù)量和質(zhì)量上都有較大提高，主要表現(xiàn)在空間分辨率顯著提升，提高影像信息價值；在軌衛(wèi)星組成星座系統(tǒng)，大大提高重訪能力；高光譜向著超光譜發(fā)展。隨著我國航空工業(yè)的進(jìn)步，國產(chǎn)遙感衛(wèi)星也取得較快發(fā)展。于2013年4月發(fā)射的高分一號衛(wèi)星全色波段分辨率可達(dá)2m，填補了我國在高分辨率遙感領(lǐng)域的空白。

2.2 景觀信息提取方法的改進(jìn)

在遙感影像信息提取和景觀分類方面，過去的研究多使用人機交互的監(jiān)督分類，是面向像元的分類方法，忽略了像元之間的空間相關(guān)性，無法避免“同物異譜、同譜異物”的發(fā)生，適用于中低分辨率的影像。而面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄍㄟ^確定分類對象的各項光譜、地形紋理特征，逐層逐項地綜合提取地物信息，更適用于高分辨率影像。分類時通常采取定性與定量相結(jié)合，通過計算各種歸一化指數(shù)，輔以不同波段權(quán)重，在多尺度上對原始影像進(jìn)行分割。如曹寶等使用面向?qū)ο蟮姆椒▽Ρ本┦羞M(jìn)行了景觀分類，精確度有較大提高，并且克服了因高分辨率影像地物信息過于精細(xì)而產(chǎn)生的“椒鹽效應(yīng)”。馬樹東等在海南基于決策樹算法，通過構(gòu)建改進(jìn)水陸指數(shù)WLI、通用植被指數(shù)VIUPD、喬灌草指數(shù)GSI等進(jìn)行面向?qū)ο蟮木坝^信息提取，也取得了高于傳統(tǒng)監(jiān)督分類的精度。

2.3 空間統(tǒng)計分析的應(yīng)用

在景觀格局的統(tǒng)計分析中，各空間數(shù)據(jù)相互之間并不獨立，且不滿足隨機變量的要求，更不能進(jìn)行大規(guī)?？芍貜?fù)的檢驗，因此應(yīng)用受到限制?？臻g分析統(tǒng)計不同于以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的格局指數(shù)分析，其主要反映空間上的相關(guān)與變異，因此可以用來研究景觀組成結(jié)構(gòu)、斑塊性質(zhì)和參數(shù)的空間相關(guān)性、景觀格局趨向性、格局尺度效應(yīng)、格局與過程相互作用等多個方面，具有很強的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)有不少研究開始著眼于利用地統(tǒng)計學(xué)和小波分析等空間統(tǒng)計分析方法，探究城市景觀格局的內(nèi)在關(guān)系及生態(tài)意義。如蔡青在長沙市利用小波分析識別特征尺度，表明研究區(qū)城鎮(zhèn)、農(nóng)田和林地樣區(qū)特征尺度均為120m。

3、研究內(nèi)容新進(jìn)展

3.1 城市景觀演變動態(tài)模型

國內(nèi)早在20世紀(jì)90年代初，徐嵐等人就曾建立馬爾科夫模型預(yù)測沈陽東陵區(qū)景觀變化趨勢。在傳統(tǒng)的研究中常采用空間概率模型、鄰域規(guī)則模型、景觀過程模型等對未來一段時期內(nèi)的格局變化進(jìn)行預(yù)測模擬。這些模型各有其局限性，如無后效性的馬爾科夫模型雖然能較精確地預(yù)測土地覆被/利用變化LUCC的數(shù)量關(guān)系，但是不包含空間信息。針對不同的模型特點，崔福全等在上海進(jìn)行了城市空間擴展的模擬預(yù)測，研究發(fā)現(xiàn)盡管模擬機理有所不同，但多種模型預(yù)測結(jié)果一致性較高，建議將多種模型耦合使用以提高精度。目前常見的動態(tài)演變建模方法是將馬爾科夫（Markov）過程與元胞自動機（CA）相結(jié)合的CA—Markov模型，其以Markov轉(zhuǎn)移概率矩陣作為CA模型中元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)移的參數(shù)，趙永華在西安、程剛在濟南、胡雪麗在大連等都做過這類模型模擬。

3.2 城市熱島效應(yīng)研究進(jìn)展

在城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)中，城市熱島效應(yīng)最受關(guān)注。有關(guān)熱島效應(yīng)的城市景觀生態(tài)研究層出不窮，但主要集中在熱島的時空分布及其與景觀分布格局的相互關(guān)系，以此解釋熱島形成機制，而忽視了熱島效應(yīng)的綜合環(huán)境效應(yīng)。針對熱島效應(yīng)的時空分布，由于研究地氣候環(huán)境等的差異，不同的研究也會得出不同的結(jié)論，陳業(yè)國等在南寧、拉巴次仁等在拉薩的研究均表明該地區(qū)秋冬季節(jié)熱島效應(yīng)最強烈，而張順謙等在成都的研究得出了相反的結(jié)論，熱島效應(yīng)峰值出現(xiàn)在7月。目前熱島效應(yīng)強度與季相的關(guān)系尚無定論，對熱島的時空分布有待深入研究。

利用熱紅外波段遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度的反演是目前最常見的城市熱島觀測手段，這涉及到地表溫度反演算法。受大氣輻射的影響，衛(wèi)星輻射亮溫與實際的地表溫度存在著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，影響因子較多，而且很多參數(shù)無法獲得，因此選擇合適的反演算法是此方面研究的一個難點。目前常見的算法有單窗算法、普適性單通道算法、劈窗算法、多波段回歸法等。目前針對城市熱環(huán)境的研究多基于TM/ETM+影像，因此適用于一個熱紅外波段數(shù)據(jù)的單窗算法使用較多，該算法在國內(nèi)最常使用的是覃志豪提出的簡化單窗算法模型。國內(nèi)外許多學(xué)者在進(jìn)行研究時都進(jìn)行了算法比較，如鄭文武等通過對單窗算法和普適性單通道算法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩種算法在不同土地覆蓋下有較大差異[2”；賈寶全在對西安進(jìn)行熱島研究時簡化了算法，也取得了不錯的結(jié)果。在具體的研究中還需要輔以相應(yīng)的氣象資料，結(jié)合研究區(qū)實際情況選取精度最高的反演算法。

在熱島區(qū)域分類上，不同于傳統(tǒng)的按照不同地表溫度進(jìn)行直接劃分，陳云浩等將熱場分布視作熱力學(xué)景觀，將“基質(zhì)一廊道一斑塊”的景觀格局分析方法直接引入熱島研究中；Xu S.引入“源一匯景觀”理論，將建筑用地視作“源”景觀、水體植被為“匯”景觀，這些都具有一定的探索意義。

3.3 城市景觀安全格局的構(gòu)建

生態(tài)安全是指人類生活、生產(chǎn)的基本保障和來源以及適應(yīng)環(huán)境變化的能力等不受威脅的狀態(tài)。城市化進(jìn)程帶來的一系列問題嚴(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)安全，因此結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)理論，構(gòu)建城市景觀安全格局成為一個新的研究點，也是城市景觀生態(tài)研究的一個重要應(yīng)用。

景觀生態(tài)安全格局理論認(rèn)為任何生態(tài)學(xué)過程在源一匯景觀之間都會受到一個景觀阻力，如物種遷徙要受到食物分布的影響，城市化進(jìn)程要受到地形因素、經(jīng)濟因素等的阻力，這實際上表現(xiàn)為一種潛在可達(dá)性。通過景觀過程模型，識別出對景觀安全起關(guān)鍵作用的關(guān)鍵景觀元素、空間位置及相互聯(lián)系，這就是生態(tài)安全格局。在實際應(yīng)用中，常使用最小累計阻力模型MCR，將建設(shè)用地看做源景觀，建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，分析各類自然因子和人為因子如地形、坡度、水域、林地、耕地，城?zhèn)人均收入等的阻力系數(shù)，即轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的難易程度，構(gòu)建城市擴張的最小阻力面，按照低安全格局、中安全格局、高安全格局等不同狀態(tài)分析城鎮(zhèn)發(fā)展的安全底線。也有研究將保護生態(tài)用地如林地、水體等作為源景觀，獲得城鎮(zhèn)發(fā)展的生態(tài)安全底限。該方法要求研究者全面考慮各種因素對城市擴展的阻力系數(shù)，并結(jié)合研究區(qū)實際情況對其賦值，故尚無通用的阻力模型，尚需更多案例來歸納經(jīng)驗?zāi)Ｐ??；蛘咭圆煌坝^為源，各自構(gòu)建安全格局后再進(jìn)行綜合考量，也能提高研究的精度。

4、當(dāng)前城市景觀研究的不足

景觀格局分析、景觀功能和景觀動態(tài)研究是城市景觀生態(tài)學(xué)的主要研究內(nèi)容。景觀格局作為理解和探究景觀功能、景觀動態(tài)變化及其生態(tài)影響效應(yīng)的基礎(chǔ)，一直是研究的熱點。但是當(dāng)前研究普遍采取的是以景觀指數(shù)來數(shù)量化格局信息，這樣的做法已經(jīng)有很多學(xué)者提出了質(zhì)疑，認(rèn)為現(xiàn)在的景觀格局指數(shù)陷入了數(shù)量多、類型少、生態(tài)學(xué)意義不明顯的怪圈。

景觀格局指數(shù)現(xiàn)在常有的已有幾十種，新的景觀格局指數(shù)也在被不斷創(chuàng)造出來，但是有研究顯示大部分指數(shù)相互不具有獨立性，會帶來信息的冗余。為增強其實用性，Riiters等通過相關(guān)性分析將這些指數(shù)劃分為5類，建議構(gòu)建格局指數(shù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行使用。何鵬利用因子分析等方法將13個景觀指數(shù)分為3類，并通過敏感性系數(shù)確定了4個關(guān)鍵指數(shù)；陳文波、肖篤寧等在景觀指數(shù)相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行分類，并提出了景觀指數(shù)適用性的判別原則。李秀珍等借助中性模型對常用的景觀格局指數(shù)在不同景觀格局下的響應(yīng)進(jìn)行了探究，指出大部分指標(biāo)對格局特征的反映并不全面，并推薦了如總周長、孔隙度、聚集度等對格局變化較敏感的指標(biāo)。

景觀格局指數(shù)多是利用統(tǒng)計學(xué)和信息學(xué)原理構(gòu)建，單單依托數(shù)理統(tǒng)計難以反映出空間結(jié)構(gòu)上的信息，其中也并不包含任何生態(tài)學(xué)過程，過于重視景觀格局變化的量化研究，缺乏這一過程中的生態(tài)學(xué)意義，割裂了景觀生態(tài)學(xué)中的格局一過程理論。也有不少學(xué)者針對特定的生態(tài)學(xué)過程如城市化、荒漠化等構(gòu)建新的格局指數(shù)使用方法，效果較好，如用于歐洲山雀分布研究的連通度指數(shù)和陳利頂?shù)仍诜屈c源污染中提出的景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)等。仇江嘯在北京開展的城市化研究中，利用梯度分析的方法，以破碎度指數(shù)研究斑塊破碎化與城市化進(jìn)程的關(guān)系，構(gòu)建了破碎度指數(shù)與城市化水平之間的倒“u”型關(guān)系，進(jìn)一步表明人口和經(jīng)濟增長是景觀破碎化的直接驅(qū)動因素。

景觀生態(tài)學(xué)中另一個重要的特點就是研究具有尺度性，在使用景觀指數(shù)時也要對尺度作用加以考慮。陳利頂?shù)韧ㄟ^總結(jié)前人的研究，發(fā)現(xiàn)各景觀指數(shù)不僅對研究區(qū)空間異質(zhì)性敏感程度各異，還往往忽略景觀的時間異質(zhì)性，導(dǎo)致相同景觀指數(shù)在不同尺度下進(jìn)行格局分析會產(chǎn)生很大的變異，在研究中需要注意。針對這一點，朱明利用IRS與SPOT影像在上海的研究，表明城市景觀研究最佳空間粒度為5～10m。隨著高分辨率影像的普及，城市景觀研究的適宜尺度是否會發(fā)生變化也將是以后研究的一項重要內(nèi)容。

5、結(jié)語

城市景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展至今已經(jīng)形成了以3S技術(shù)為依托，綜合自然、社會、經(jīng)濟等多方面的一門學(xué)科。目前關(guān)于景觀格局與生態(tài)學(xué)過程的關(guān)系、景觀動態(tài)演變的生態(tài)環(huán)境影響、景觀尺度效應(yīng)的研究依然不夠深入，在大量的景觀格局分析中過度使用自身具有局限性的景觀指數(shù)，造成格局與城市化這一生態(tài)過程的割裂，得到的只是一堆復(fù)雜的數(shù)據(jù)，對于解釋和解決城市化進(jìn)程中的各種生態(tài)問題沒有起到應(yīng)有的作用。當(dāng)前我國的城市化已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，城市景觀研究的理論指導(dǎo)意義空前重要。在新技術(shù)新理論不斷涌現(xiàn)的同時，更需要思考其對景觀生態(tài)學(xué)核心問題究竟有無價值，是否有助于解決現(xiàn)實問題，避免陷入類似景觀格局指數(shù)濫用的怪圈。