遥感技术应用于城市发展与规划的综合研究与实践

1.“小山小湖”生态资源概况

经解译和筛查，全市入库的“小山小湖”生态资源共3533块，面积为114.46km2，约占市域面积的4.64%，其空间分布如图4.46所示。

图4.46　东莞市“小山小湖”生态资源空间分布

由图4.46可见，“小山小湖”生态资源总体分布比较分散，其中小山主要分布于东莞市中部和东南地区，长安新区、高埗、洪梅、虎门港、麻涌、沙田、万江和望牛墩没有小山分布，面积较大的山体主要分布在中部地区；小湖则主要分布于虎门、谢岗、长安新区、生态园和长安，其余镇街河涌水体分布较为均匀零散，面积较大的水体则主要分布在东北和西南地区。

(1)全市“小山小湖”生态资源类型分布

据统计，两类生态资源占比情况见表4.10，其中，小山所占比重最大，占两类生态资源面积的61.25%，占东莞市总面积的2.83%，最大斑块面积为121hm2，最小斑块面积为0.9hm2，如图4.47所示。

表4.10　东莞市“小山小湖”生态资源类型

图4.47　东莞市各镇街“小山小湖”生态资源构成类型

(2)各镇街“小山小湖”生态资源对比分析

各镇街“小山小湖”生态资源构成及占比统计结果见表4.11和如图4.48所示。

由表4.11和图4.47可见，“小山小湖”生态资源最丰富的是虎门镇，面积达到1116.72hm2，占全市“小山小湖”生态资源面积的9.76%，其次是松山湖、谢岗镇、黄江镇和常平镇，最少的是莞城，面积仅有15.55hm2，占全市“小山小湖”生态资源的0.14%。由图4.48可见，小山面积比较大的镇街是松山湖、黄江镇和樟木头镇，分别为728.94hm2、705.67hm2和705.44hm2；小湖面积比较大的镇街是虎门镇和谢岗镇，分别为786.67hm2和694.12hm2。

表4.11　东莞市“小山小湖”生态资源构成情况

2.“小山小湖”生态资源规划情况分析

将摸查出来的“小山小湖”生态资源与规划审批红线(图4.49)、控制性详细规划等数据进行叠置，分析“小山小湖”生态资源规划情况。

图4.48　东莞市各镇街“小山小湖”生态资源比例

图4.49　东莞市“小山小湖”生态资源与规划审批红线信息

(1)“小山小湖”生态资源审批情况

经分析可得，审批红线范围内的“小山小湖”生态资源图斑共1139个(图4.50)，面积为5923.72hm2，占全市“小山小湖”生态资源图斑数量和面积的32.24%和51.75%(图4.51)；审批红线范围外的“小山小湖”生态资源图斑共2394个，面积为5522.14hm2。

其中，已审批的小山共341个，面积为3244.85hm2，占全市小山总数量和面积的30.37%和46.28%(图4.52)；已审批的小湖共798个，面积为2678.87hm2，占小湖总数量和面积的33.11%和60.40%(图4.53)。

图4.50　东莞市2014年生态控制线外“小山小湖”生态资源规划审批分布图

图4.51　东莞市“小山小湖”生态资源规划审批情况

(2)“小山小湖”生态资源控制性详细规划情况

图4.52　东莞市“小山”的规划审批情况

图4.53　东莞市“小湖”的规划审批情况

控制性详细规划(简称控规)是城市政府进行城市空间协调和调控、引导市场投资的主要手段，是政府管理城市空间资源、管理土地和房地产的一种公共政策。控制性详细规划属于法定规划，向上落实总体规划和分区规划的宏观意图和强制要求，如城市定位与规模、基础设施布局、大型配套项目、土地利用功能等；向下直接指导城市建设，特别是作为具体项目规划许可或行为许可，即土地出让和项目审批的直接依据。东莞市“小山小湖”生态资源与控制性详细规划如图4.54所示。

经统计分析可知，已编制控制性详细规划范围内的“小山小湖”生态资源图斑共2059个(图4.55)，面积为7165.50hm2，占全市“小山小湖”生态资源图斑总数量和面积的58.28%和62.60%(图4.56)；未编制控制性详细规划的“小山小湖”生态资源图斑共1474个，面积为4280.37hm2。

图4.54　东莞市“小山小湖”生态资源与控制性详细规划信息

图4.55　东莞市“小山小湖”生态资源控制性详细规划分布图

其中，已编控规的小山共754座，面积为5045.22hm2，占全市小山总数量和面积的67.14%和71.96%(图4.57)；已编控规的小湖共1305个，面积为2120.27hm2，占小湖总数量和面积的54.15%和47.81%(图4.58)。

“小山小湖”生态资源数据库中属性表达方式见表4.12。

图4.56　东莞市“小山小湖”生态资源控制性详细规划情况

图4.57　东莞市“小山”的控制性详细规划情况

表4.12　东莞市“小山小湖”生态资源数据库样式

图4.58　东莞市“小湖”的控制性详细规划信息情况

3.“小山小湖”生态资源景观格局分析

(1)景观空间格局的理论基础

景观生态学法可以用于生态环境现状评价，也可以用于生境变化预测，是目前国内生态影响评价中的常用方法。景观生态学认为，景观的结构与功能是匹配的，任何空间尺度上的景观及其结构都会随着时间的推移而不断发生变化，其原因在于外界的综合干扰，包括自然环境、各种生物以及人类社会之间复杂的相互作用，结果是景观系统内个别元素的稳定性和景观的空间结构发生变化。

基于景观格局指数的空间格局分析是景观生态学研究的基本内容，它使生态过程与空间格局相互关联的度量成为可能。影响景观格局指数有效性的因素包括尺度效应、数据源准确度、生态意义可解释性和相关性4个被普遍关注的因子，还包括土地利用分类的不确定性，选择适当的景观格局指数是生态环境影响评价中的重点和难点。

1)景观生态学的核心问题：格局—过程—尺度

“景观空间格局”是景观生态学的一个重要概念，指景观要素的形状、比例、空间分布等特征。格局决定景观的性质，包括景观多样性、空间异质性、景观连接度等。景观格局的基本性质是空间异质性，正是因为有了异质性，景观格局才有了研究与分析的价值与意义。景观空间格局常用景观格局指数加以抽象和表达。

景观过程指景观系统内部及内外物质、能量、信息的流通和迁移，以及景观系统自身演变的总称。过程强调动态特征，其表现形式多样，包括物种迁徙、群落演替、物质与能量流动、景观格局变化等。关于景观过程的研究主要有景观格局演变过程的分析与模拟、自然生态系统对景观格局演变的响应方面。景观格局与过程的关系逐渐成为景观生态学研究中的核心内容。

景观尺度主要包括时间尺度和空间尺度。时间尺度主要体现在对景观过程的研究中，较小的时间尺度表示景观采样的时间间隔小，能够反映出景观过程演变的细节信息；较大的时间尺度则能够高度概括景观在长时间水平上的变换趋势。空间尺度即景观格局的空间辨识度，主要包括两个方面概念：一是景观粒度，即景观中最小可辨识单元的空间测度，在最小可辨识单元内认为景观是同质的，最小可辨识单元之间则可能存在异质性；二是景观幅度，幅度指研究对象在空间上的总体量度，可以理解为研究范围的大小。在某一大尺度上进行研究时的噪声成分，在比其小的尺度上往往表现为重要的结构型成分。因此，不同尺度下进行景观生态学研究，往往会得出不同的结果，即景观格局与过程具有尺度依赖性。但部分学者认为高级景观系统总是由比其低一级的景观系统构成的，不同等级之间存在信息的传递，这种信息的传递使得尺度上推和尺度下推成为可能。尺度上推即由低等级的景观上获得的信息或者知识来推断高等级景观上的特征，尺度下推则与之相反，尺度上推和尺度下推合称尺度推绎。

景观格局与生态过程之间存在着紧密联系，这是景观生态学的基本前提，过程产生格局，格局作用于过程，格局与过程的相互作用具有尺度依赖性。虽然景观格局与生态过程之间的联系得到学者认可，但是在研究中怎样合理、有效处理两者的关系并没有达成共识。

2)景观三要素：基质—斑块—廊道

景观作为一个系统，具有一定的结构和功能。景观的结构是通常所说的景观空间格局，是景观系统的基础，决定了景观系统的功能。航空照片和遥感技术的发展，对景观生态学的发展起到了很大的促进作用，也使得土地镶嵌成为了景观生态学的研究对象。从空间的角度来看，土地镶嵌即为景观格局。土地镶嵌在空间的表现可以依据其形态和功能分为三类：基质、斑块、廊道。目前，景观生态学界一般认为景观格局是由基质、斑块、廊道三个最基本的景观要素组成，即通常所说的基质—斑块—廊道模式。

景观基质是景观系统中占统治地位的镶嵌类型，一般在景观系统中的比例应该超过其他所有类型景观所占比例之和；同时基质在景观系统中还需要具有高的连通度。基质决定景观背景值。

景观斑块是指分布在基质中与周围环境不同的景观表面斑块在空间上存在明显的不连续性，同时也是空间异质性产生的源头。斑块内部一般认为是连续均匀的，即斑块之所以成为斑块，是由于某景观元素集在空间上与周围景观存在明显的不同，而其内部的差异在研究的水平上可以忽略。斑块根据其成因可以分为干扰斑块、引进斑块、环境资源斑块、残存斑块、再生斑块。斑块由于其独特的分布特征，在物种多样性保存方面具有独特意义。同时斑块这一概念也依赖于研究的尺度，在某种大尺度下的景观斑块，在小尺度研究中可能成为景观基质。

景观廊道，是指呈条带状分布的景观要素。在景观生态学中提到的廊道通常起到物质、能量、信息沟通与传递的作用，对景观系统具有积极作用。但同时也需要注意到某些呈条带状分布的景观廊道对景观系统表现为阻隔作用，如穿越森林地区的交通线等。廊道的形成过程与斑块类似，因此廊道根据其起源也分成干扰廊道、残存廊道、环境资源廊道、种植廊道、再生廊道等。廊道也存在尺度依赖性，例如，在研究大型野生动物时，其迁徙廊道可能达到几十公里，但是对小型物种，几十公里的廊道则成为其生存环境。

3)景观的空间异质性

景观的空间异质性是景观生态学定量化研究的核心，其定量研究方法包括景观综合图、数学模型和地学信息图谱。空间异质性指生态学过程和格局在空间分布上的不均匀性及复杂性，是空间缀块性和梯度的总和。景观的空间异质性是自然界最普遍的特征，来源于非生物的环境异质性(地形、地质、水文、土壤等)和人类因素的干扰。空间异质性对景观系统的稳定性、抗干扰能力、自我修复能力和物种多样性起着重要作用。空间异质性包括组成、构型和相关三个方面，空间组成是构成景观系统的组分，包括类型、类型数、各类型所占比例和景观单元数量等；构型主要描述景观组分在空间上的分布，包括形状、大小、组织结构、空间连接度等信息；相关则主要指景观格局的空间关联程度，包括空间自相关特性和梯度等。

空间异质性也依赖于研究尺度。空间异质性尤其是障碍、通道和高异质性区域的组合，决定着物种、能量和干扰在景观中的流动或运动，并始终同抗干扰能力、恢复能力、系统稳定性和生物多样性有着密切关系。因此，弄清空间结构特征与生态学过程的关系是十分有必要的。在景观生态学中，尺度是影响空间结构特征的重要因素，尺度的变换可能导致空间异质性的出现和消失，空间异质性结构特征必需考虑尺度问题。因为生态系统及其结构特征是在多尺度上存在的，即具有等级结构，在不同的时间和空间尺度上，不同的生态学过程的作用和重要性也不同。这种时空尺度的确定有助于区别不同的空间结构格局所对应的生态过程。景观过程的控制存在于较小的尺度当中，往往产生同质性结构，同时另一些过程存在于较大的尺度中，产生强烈的异质性结构，测定不同尺度上的空间异质性有助于认识在哪一尺度上异质性控制某一生态过程，绝不可未经研究，就把在一种尺度上得到的概括性结论推广到另一种尺度上去，离开尺度来讨论空间的异质性、格局和干扰是毫无意义的。按O’Nell的等级理论，尺度外推所获的结论很难理解。但King认为，不同等级上的生态系统都是由低一等级的系统所构成，如嵌块体构成景观，景观又构成区域，不同等级之间存在着信息交流，这种信息交流就构成了等级之间的相互联系；这种联系也许能使尺度上推和下推成为可能，它不仅可以用于景观格局的分析，而且还可用于生态学事件机制的解释。在景观尺度上空间异质性结构特征包括空间组成、空间构型和空间相关3部分。空间组成是指景观要素(生态系统)的类型、数量和面积比例，空间构型是指景观要素的空间分布、嵌块体形状、大小和景观对比和景观连接度，空间相关性是指嵌块体异质性与空间参数的相互作用，以及空间关联度，空间规律性是指空间梯度和趋势。在开放的生态系统中，能量由一种状态流向另一种状态，伴随着新结构的建立而增加了空间异质性，而空间异质性的产生机制正是基于这种热力学原理，此外，外动力因子对景观形成的自然干扰，生态系统的演替以及人为活动影响也都是产生空间异质性的重要原因。特别是当代人类活动对生态环境的影响日益增大，对于某些地区景观的变化更是起到了控制性的作用。景观生态规划的实践研究空间异质性理论如何运用到景观生态规划与设计中，达到自然资源高效利用，人与环境高度和谐，区域生态系统的可持续发展目标，就必须积极开展景观尺度上的生态建设研究。目前，景观生态建设涵盖生态规划、生态管理和生态调控技术3个方面。一是通过对原有景观要素优化组合或引入新成分，调整或构建新的景观格局，以增加空间异质性和稳定性，从而创造出优于原有的景观生态系统的经济和生态效益；二是控制人类活动的方式与强度，补偿和恢复景观的生态功能；三是按照景观生态学规律进行可更新自然资源的开发与生产活动，注重宏观生态设计与多学科综合研究。

(2)景观格局指数及选取

景观格局指数用于概括景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征。本研究在ArcGIS中将解译出来的“小山小湖”生态资源矢量数据转化为TIF格式数据，再用Fragstats计算相关景观指数。从斑块类型级别和景观格局级别2个层次对“小山小湖”生态资源分布特征进行分析。

1)斑块类型级别

斑块类型级别主要选用以下指标：(www.xing528.com)

①斑块数量(NP)，公式：

NP＝N　(4-1)

描述：斑块数量是景观中各类型斑块数量的总和。取值范围为：NP≥1，无上限。

生态意义：NP反映景观的空间格局，经常被用来描述整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度也有很好的正相关性，一般规律是NP大，破碎化高；NP小，破碎化低。NP对许多生态过程都有影响，如可以决定景观中各种物种及其此物种的空间分布特征；改变物种间相互作用和协同共生的稳定性。而且，NP对景观中各种干扰的蔓延程度有影响，如某类斑块数目多且比较分散时，则对某些干扰的蔓延(虫灾、火灾等)有抑制作用。

②斑块类型面积(CA)，公式：

描述：CA即某斑块类型的总面积。它等于某一斑块类型中所有斑块的面积之和(m2)除以10000后转化为公顷(hm2)。其中，i＝1，…，m：为斑块类型，j＝1，…，n：为斑块数目；aij为斑块ij的面积(m2)。

生态意义：斑块类型面积度量景观的组分，也是计算其他指标的基础，其值的大小制约着以此类型斑块作为栖息的物种的丰度、数量及此生物种的繁殖等，如许多生物对其聚居地最小面积的需求是其生存的条件之一；不同类型面积的大小能够反映其间物种、能量和养分等信息流的差异，一般来说，一个斑块中能量和矿物养分的总量与其面积成正比；为了理解和管理景观，我们往往需要了解斑块的面积大小，斑块最小面积和最佳面积是极其重要的两个数据。

③斑块面积比(PLAND)，公式：

描述：PLAND等于某一斑块类型的总面积占整个景观面积的百分比。其中，i＝1，…，m：为斑块类型；j＝1，…，n：为斑块数目；aij为斑块ij的面积(m2)；A为景观面积。其范围为0～100，当其值趋于0时，说明景观中此斑块类型变得十分稀少；其值等于100时，说明整个景观只由这一类斑块组成。

生态意义：PLAND度量景观的组分，表示某一斑块类型占整个景观面积的相对比例，是确定景观中基质或优势景观类型的依据之一；也是决定景观中生物多样性、优势种和数量等生态系统指标的重要因素。

④平均斑块密度(PD)，公式：

PD＝N/A　(4-4)

描述：PD是每平方千米的斑块数。取值范围：PD＞0，无上限。其中，N是斑块数，A是景观面积。

生态意义：与斑块数的生态意义相似，其值越大，破碎化程度越高，反之，破碎化程度越低。

⑤平均斑块面积(MPS)，公式：

描述：MPS在斑块级别上等于某一斑块类型的总面积除以该类型的斑块数目；其中aij同上。

生态意义：一个具有较小MPS值的斑块类型比一个具有较大的MPS值的斑块类型更破碎，研究发现MPS值的变化能反馈更丰富的景观生态信息，它是反映空间异质性的关键。

⑥景观形状指数(LSI)，公式：

描述：LSI等于景观中所有斑块边界的总长度(m)除以景观总面积(m2)的平方根，再乘以正方形校正常数。范围：LSI≥1，无上限。当景观中只有一个正方形斑块时，LSI＝1；当景观中斑块形状不规则或偏离正方形时，LSI值增大。

生态意义：它的变化能反映人类活动对景观格局的影响，一般来说，受人类活动干扰小的自然景观的斑块形状规则性较小，而受人类活动影响大的人为景观更加规则。

⑦平均欧氏最近邻距离(MENND)，公式：

描述：每一斑块与其周围斑块的距离都可以用欧氏距离(m)进行测度，而与其距离最近的斑块的距离则是最近邻斑块距离，对于某一类型的景观而言，其所有斑块的平均最近邻斑块距离即为MENND。Dmin为距离该某一斑块最近的斑块与其的距离，N为该景观类型的斑块总数。

生态学意义：MENND越大说明该景观类型越偏向于分散分布；反之，MENND越小说明该景观类型的分布越偏向于集中。

⑧平均斑块分维数(MPFD)，公式：

描述：MPFD是各相同类型的斑块分维数相加后再取算术平均值。具体为2乘以斑块类型中每一斑块周长(m)的对数，0.25为校正常数，除以斑块面积(m2)的对数，对所有斑块加和，再除以斑块总数。其取值范围为：1≤MPFD≤2。

生态意义：其值的大小可以用来反映斑块形状的复杂程度。越趋近于1，表明斑块的几何形状越简单(如圆形、正方形等)；反之，其值越大，形状越复杂。它的变化能反映人类活动对景观格局的影响，一般来说，受人类活动干扰小的自然景观的分维数值高，而受人类活动影响大的人为景观的分维数值低。

2)景观级别

景观级别选用斑块数、平均斑块面积、平均欧氏最近邻距离、景观形状指数、景观丰度、香农多样性指数、香农均匀度指数来描述不同时段的景观格局特征，同时，用景观类型累积面积百分比来说明景观格局优势度特征。

①斑块数量(NP)，公式：

NP＝N　(4-9)

描述及生态意义与斑块类型级别一致。

②平均斑块面积(MPS)，公式：

描述：MPS在景观级别上等于区域的总面积除以该区域的斑块数目。

生态意义与斑块类型级别一致。

③平均欧氏最近邻距离(MENND)，公式：

描述：每一斑块与其周围斑块的距离都可以用欧氏距离(m)进行测度，而与其距离最近的斑块的距离则是最近邻斑块距离，对于某一类型的景观而言，其所有斑块的平均最近邻斑块距离即为MENND。Dmin为距离该某一斑块最近的斑块与其的距离，N为该景观类型的斑块总数。

生态学意义：MENND越大，说明该景观类型越偏向于分散分布；MENND越小，说明该景观类型的分布越偏向于集中。

④景观形状指数(LSI)，公式：

描述：LSI等于景观中所有斑块边界的总长度(m)除以景观总面积(m2)的平方根，再乘以正方形校正常数。范围：LSI≥1，无上限。当景观中只有一个正方形斑块时，LSI＝1；当景观中斑块形状不规则或偏离正方形时，LSI值增大。

生态意义：它的变化能反映人类活动对景观格局的影响，一般来说，受人类活动干扰小的自然景观的斑块形状规则性较小，而受人类活动影响大的人为景观更加规则。

⑤景观丰度(PR)，公式：

PR＝m　(4-13)

描述：PR等于景观中所有斑块类型的总数，取值范围：PR≥1。

生态意义：PR是反映景观组分以及空间异质性的关键指标之一，并对许多生态过程产生影响。研究发现景观丰度与物种丰度之间存在很好的正相关，特别是对于那些生存需要多种生境条件的生物来说PR就显得尤其重要。

⑥香农多样性指数(SHDI)，公式：

描述：SHDI在景观级别上等于各斑块类型的面积比乘以其值的自然对数之后的和的负值。单位：无，范围：SHDI≥0；SHDI＝0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。

生态意义：SHDI是一种基于信息理论的测量指数，在生态学中应用很广泛。该指标能反映空间异质性，特别对景观中各斑块类型非均衡分布状况较为敏感，即强调稀有斑块类型对信息的贡献，这也是与其他多样性指数不同之处。在比较和分析不同景观或同一景观不同时期的多样性与异质性变化时，SHDI也是一个敏感指标。如在一个景观系统中，土地利用越丰富，破碎化程度越高，其不定性的信息含量也越大，计算出的SHDI值也就越高。

⑦香农均匀度指数(SHEI)，公式：

描述：SHEI等于香农多样性指数除以给定景观丰度下的最大可能多样性(各斑块类型均等分布)。单位：无；取值范围：0≤SHEI≤1。SHEI＝0，表明景观仅由一种斑块组成，无多样性；SHEI＝1，表明各斑块类型均匀分布，有最大多样性。

生态意义：SHEI与SHDI指数一样，也是比较不同景观或同一景观不同时期多样性变化的一个有力手段。SHEI与优势度指标(Dominance)之间可以相互转换(即Evenness＝1—Dominance)，即SHEI值较小时，优势度一般较高，可以反映景观受到一种或少数几种优势斑块类型所支配；SHEI趋近于1时优势度低，说明景观中没有明显的优势类型且各斑块类型在景观中均匀分布。

(3)景观指数计算结果

利用Fragstats软件对“小山小湖”生态资源的空间格局进行分析，其景观类型级别指数计算结果见表4.13。

表4.13　东莞市“小山小湖”生态资源景观类型级别指数

东莞市“小山小湖”生态资源中小山的数量(NP)较少，但面积(CA)较大，占东莞市“小山小湖”生态资源(PLAND)的61.26%，是优势斑块。小湖的平均斑块密度(PD)较大，为20.88，表明水体斑块的连通性较差，破碎化程度较高，破坏了生态资源类型间斑块的连接度和连通性。小湖的景观形状指标(LSI)比小山要大，表明小湖受外界因素影响更大。小山的平均斑块面积(MPS)较大，且其平均欧氏邻近距离(MENND)也大，为231.99，说明小山较大且分布间隔较大。此外，两类生态资源平均分形维数(MPFD)较为相近，说明小山和小湖的形状复杂程度相似，且两者的MPFD值都非常接近1，说明两类生态资源用地类型都较容易受人类活动及社会因素的影响。

将小山和小湖两类生态资源作为整体，探讨其景观生态学的意义，东莞市“小山小湖”景观格局级别的指数计算结果见表4.14。

表4.14　东莞市“小山小湖”生态资源景观格局级别指数

由表4.14可见，“小山小湖”整体景观的斑块数(NP)为3533个，平均斑块密度(PD)为30.58，且平均欧氏最近邻距离(MENND)达到了228.9，说明整体景观的破碎化程度很高；景观形状指数(LSI)较大，达到68.49，且平均斑块分维数(MPFD)较小且接近1，说明东莞市“小山小湖”生态资源受人为干扰程度非常大；平均面积(MPS)并不小，为3.27公顷，说明其面积的分异较大；“小山小湖”景观的丰度为2，香农多样性指数(SHDI)为0.67，具有较低的景观多样性，其不定性的信息含量较少；香农均匀指数接近1，说明两种资源中没有明显的优势类型且分布较均匀。