近十年我國城市景觀生態學研究新進展

趙琛　覃林　譚玲

摘要：指出了城市景觀格局、動態變化及其與生態學過程的相互關系是現在景觀生態學研究的重點，隨著3S技術的不斷發展和新的數學工具的不斷引入，出現了大量的前沿理論與研究方法。在近十年國內研究的基礎上，對目前最新景觀數據獲取及處理、景觀格局分析、景觀動態模擬以及城市熱島效應研究等實際應用進行了概述。并闡述了當前城市景觀生態學研究暴露出的一些不足：突出反映在格局指數的濫用，以及對景觀格局時空分布與城市化這一生態學過程相互關系的忽視。

關鍵詞：城市景觀生態；景觀格局；研究進展

中圖分類號：Q149 文獻標識碼：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的、復雜開放的景觀生態系統，一直是景觀生態學研究的一個重要領域。當前城市景觀生態研究已經進入到一個快速發展的時期，在景觀生態學的理論基礎上，隨著研究不斷深入，研究范圍逐漸擴大，出現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研究的最新進展以及存在的一些問題進行簡要介紹。

2、數據獲取和處理方法進展

2.1 遙感技術的發展

以衛星遙感影像作為數據源，以3S技術為研究手段已經成為當前景觀生態學的一個重要特征。一方面受傳感器的各項參數指標以及重訪能力限制，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有數據進行整合，如嚴明等通過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，為多源數據整合提供了有效參考。

據不完全統計，在2008～2012年的5年里有超過16顆遙感衛星營運，數量和質量上都有較大提高，主要表現在空間分辨率顯著提升，提高影像信息價值；在軌衛星組成星座系統，大大提高重訪能力；高光譜向著超光譜發展。隨著我國航空工業的進步，國產遙感衛星也取得較快發展。于2013年4月發射的高分一號衛星全色波段分辨率可達2m，填補了我國在高分辨率遙感領域的空白。

2.2 景觀信息提取方法的改進

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性，無法避免“同物異譜、同譜異物”的發生，適用于中低分辨率的影像。而面向對象的分類方法通過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合，通過計算各種歸一化指數，輔以不同波段權重，在多尺度上對原始影像進行分割。如曹寶等使用面向對象的方法對北京市進行了景觀分類，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而產生的“椒鹽效應”。馬樹東等在海南基于決策樹算法，通過構建改進水陸指數WLI、通用植被指數VIUPD、喬灌草指數GSI等進行面向對象的景觀信息提取，也取得了高于傳統監督分類的精度。

2.3 空間統計分析的應用

在景觀格局的統計分析中，各空間數據相互之間并不獨立，且不滿足隨機變量的要求，更不能進行大規?？芍貜偷臋z驗，因此應用受到限制?？臻g分析統計不同于以數理統計為基礎的格局指數分析，其主要反映空間上的相關與變異，因此可以用來研究景觀組成結構、斑塊性質和參數的空間相關性、景觀格局趨向性、格局尺度效應、格局與過程相互作用等多個方面，具有很強的應用前景。目前已經有不少研究開始著眼于利用地統計學和小波分析等空間統計分析方法，探究城市景觀格局的內在關系及生態意義。如蔡青在長沙市利用小波分析識別特征尺度，表明研究區城鎮、農田和林地樣區特征尺度均為120m。

3、研究內容新進展

3.1 城市景觀演變動態模型

國內早在20世紀90年代初，徐嵐等人就曾建立馬爾科夫模型預測沈陽東陵區景觀變化趨勢。在傳統的研究中常采用空間概率模型、鄰域規則模型、景觀過程模型等對未來一段時期內的格局變化進行預測模擬。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測土地覆被/利用變化LUCC的數量關系，但是不包含空間信息。針對不同的模型特點，崔福全等在上海進行了城市空間擴展的模擬預測，研究發現盡管模擬機理有所不同，但多種模型預測結果一致性較高，建議將多種模型耦合使用以提高精度。目前常見的動態演變建模方法是將馬爾科夫（Markov）過程與元胞自動機（CA）相結合的CA—Markov模型，其以Markov轉移概率矩陣作為CA模型中元胞狀態轉移的參數，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 城市熱島效應研究進展

在城市景觀格局演變的生態環境效應中，城市熱島效應最受關注。有關熱島效應的城市景觀生態研究層出不窮，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系，以此解釋熱島形成機制，而忽視了熱島效應的綜合環境效應。針對熱島效應的時空分布，由于研究地氣候環境等的差異，不同的研究也會得出不同的結論，陳業國等在南寧、拉巴次仁等在拉薩的研究均表明該地區秋冬季節熱島效應最強烈，而張順謙等在成都的研究得出了相反的結論，熱島效應峰值出現在7月。目前熱島效應強度與季相的關系尚無定論，對熱島的時空分布有待深入研究。

利用熱紅外波段遙感數據進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，衛星輻射亮溫與實際的地表溫度存在著復雜的函數關系，影響因子較多，而且很多參數無法獲得，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。目前針對城市熱環境的研究多基于TM/ETM+影像，因此適用于一個熱紅外波段數據的單窗算法使用較多，該算法在國內最常使用的是覃志豪提出的簡化單窗算法模型。國內外許多學者在進行研究時都進行了算法比較，如鄭文武等通過對單窗算法和普適性單通道算法進行比較，發現兩種算法在不同土地覆蓋下有較大差異[2”；賈寶全在對西安進行熱島研究時簡化了算法，也取得了不錯的結果。在具體的研究中還需要輔以相應的氣象資料，結合研究區實際情況選取精度最高的反演算法。

在熱島區域分類上，不同于傳統的按照不同地表溫度進行直接劃分，陳云浩等將熱場分布視作熱力學景觀，將“基質一廊道一斑塊”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建

生態安全是指人類生活、生產的基本保障和來源以及適應環境變化的能力等不受威脅的狀態。城市化進程帶來的一系列問題嚴重威脅著區域生態安全，因此結合景觀生態學理論，構建城市景觀安全格局成為一個新的研究點，也是城市景觀生態研究的一個重要應用。

景觀生態安全格局理論認為任何生態學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，城市化進程要受到地形因素、經濟因素等的阻力，這實際上表現為一種潛在可達性。通過景觀過程模型，識別出對景觀安全起關鍵作用的關鍵景觀元素、空間位置及相互聯系，這就是生態安全格局。在實際應用中，常使用最小累計阻力模型MCR，將建設用地看做源景觀，建立經驗模型，分析各類自然因子和人為因子如地形、坡度、水域、林地、耕地，城鎮人均收入等的阻力系數，即轉化為建設用地的難易程度，構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分析城鎮發展的安全底線。也有研究將保護生態用地如林地、水體等作為源景觀，獲得城鎮發展的生態安全底限。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，并結合研究區實際情況對其賦值，故尚無通用的阻力模型，尚需更多案例來歸納經驗模型?；蛘咭圆煌坝^為源，各自構建安全格局后再進行綜合考量，也能提高研究的精度。

4、當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研究是城市景觀生態學的主要研究內容。景觀格局作為理解和探究景觀功能、景觀動態變化及其生態影響效應的基礎，一直是研究的熱點。但是當前研究普遍采取的是以景觀指數來數量化格局信息，這樣的做法已經有很多學者提出了質疑，認為現在的景觀格局指數陷入了數量多、類型少、生態學意義不明顯的怪圈。

景觀格局指數現在常有的已有幾十種，新的景觀格局指數也在被不斷創造出來，但是有研究顯示大部分指數相互不具有獨立性，會帶來信息的冗余。為增強其實用性，Riiters等通過相關性分析將這些指數劃分為5類，建議構建格局指數數據集進行使用。何鵬利用因子分析等方法將13個景觀指數分為3類，并通過敏感性系數確定了4個關鍵指數；陳文波、肖篤寧等在景觀指數相關性分析的基礎上對其進行分類，并提出了景觀指數適用性的判別原則。李秀珍等借助中性模型對常用的景觀格局指數在不同景觀格局下的響應進行了探究，指出大部分指標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。

景觀格局指數多是利用統計學和信息學原理構建，單單依托數理統計難以反映出空間結構上的信息，其中也并不包含任何生態學過程，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學意義，割裂了景觀生態學中的格局一過程理論。也有不少學者針對特定的生態學過程如城市化、荒漠化等構建新的格局指數使用方法，效果較好，如用于歐洲山雀分布研究的連通度指數和陳利頂等在非點源污染中提出的景觀空間負荷對比指數等。仇江嘯在北京開展的城市化研究中，利用梯度分析的方法，以破碎度指數研究斑塊破碎化與城市化進程的關系，構建了破碎度指數與城市化水平之間的倒“u”型關系，進一步表明人口和經濟增長是景觀破碎化的直接驅動因素。

景觀生態學中另一個重要的特點就是研究具有尺度性，在使用景觀指數時也要對尺度作用加以考慮。陳利頂等通過總結前人的研究，發現各景觀指數不僅對研究區空間異質性敏感程度各異，還往往忽略景觀的時間異質性，導致相同景觀指數在不同尺度下進行格局分析會產生很大的變異，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生變化也將是以后研究的一項重要內容。

5、結語

城市景觀生態學發展至今已經形成了以3S技術為依托，綜合自然、社會、經濟等多方面的一門學科。目前關于景觀格局與生態學過程的關系、景觀動態演變的生態環境影響、景觀尺度效應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，造成格局與城市化這一生態過程的割裂，得到的只是一堆復雜的數據，對于解釋和解決城市化進程中的各種生態問題沒有起到應有的作用。當前我國的城市化已經進入了快速發展階段，城市景觀研究的理論指導意義空前重要。在新技術新理論不斷涌現的同時，更需要思考其對景觀生態學核心問題究竟有無價值，是否有助于解決現實問題，避免陷入類似景觀格局指數濫用的怪圈。