基于Fragstats4 的上海市城市景觀格局指數動態研究

袁軼男,金云峰,聶曉嘉,凌 瑞,吳沙沙,蘭思仁*

1.福建農林大學園林學院,福建 福州350002

2.同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系,上海200092

《全國生態保護“十三五”規劃綱要》提出國家生態文明建設的主要目標為：到2020年，生態空間得到保障，生態質量有所提升，生態功能有所增強，生物多樣性下降速度得到遏制[1]。因此，從景觀生態學的角度對于城市景觀與城市生態建設進行研究至關重要。景觀生態學自1939年發展至今，對于理解城市肌理變化與城市生態變動之間的聯系起到至關重要的作用。對于景觀格局的研究是景觀生態學研究范疇內占比較高，影響較大的部分。從城市空間構成的角度出發，不同的土地利用類型在空間上的分布與變化是景觀格局變動的直接驅動因子[2]。通過對城市景觀格局指數的分析來把控城市土地利用變化，對于城市生態安全的提升具有重要意義。

1 研究區概況

上海市位于中國華東地區，地理位置30°40′-31°53′N，120°52′-122°12′E，總面積約6340.5 km[2,3]。作為全國的經濟、貿易、科技中心，上海人口總量為2400余萬，屬于超大型城市[4]，如圖1。上海市屬亞熱帶季風性氣候，溫暖濕潤，年平均氣溫為15.7 ℃，年降水量為1040～1137 mm[5]。

圖1 上海市域范圍圖Fig.1 Urban area of Shanghai City

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究的主要數據來源為地理空間數據云中2010 年與2018 年2 期的30 m 空間分辨率的Landsat TM/ETM 和Landsat8OL1 影像。利用ENVI4 軟件對該影像進行輻射定標、大氣校正、影像增強和影像裁剪預處理后，利用最大似然法進行監督分類，得到上海市六類土地利用類型圖。通過誤差矩陣計算得到2010 與2018 年兩期土地利用分類的總體精度分別為95.73%、96.47%，Kappa 系數分別為91.16%、89.57%，表明本文對研究區進行的土地利用分類精度很高，滿足研究要求。分類得到六大類用地類型分別為林地、耕地、城市建設用地、水體、草地和未利用地，見圖2～3。可以看出，六種用地類型中，只有林地和建設用地面積在研究時段內增加，其他類型用地均呈現不同程度的減少。

圖2 2010年，2018年上海市土地利用類型圖Fig.2 Land use types in Shanghai City in 2010 and 2018

圖3 2010年，2018年上海市土地利用變更對比圖Fig.3 Land use change comparison in Shanghai City in 2010 and 2018

2.2 研究方法

本研究通過Fragstats軟件對2010年與2018年上海市景觀格局指數進行計算，從景觀生態學的角度對研究時段內的城市發展變化進行剖析[6]。通過對于上海市的實地考察和專家問詢，本研究選取斑塊類型總面積（CA）、斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊面積指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）、散布與并列指數（IJJ）、景觀破碎化指數（SPLIT）、景觀聚集度指數（AI），景觀度凝結度指數（Cohesion）等景觀格局指數對上海市城市景觀狀況進行分析，見表1。

表1 景觀格局指數表Table 1 Landscape pattern index table.

3 結果與分析

3.1 斑塊類型層級景觀格局指數分析

斑塊類型層級的景觀格局指數直接反映了不同土地利用類型的景觀生態狀況，通過分析2010 與2018 年各土地利用類型景觀格局指數的變化，分析研究時段內城市不同土地利用類型的生態狀況及其變化驅動因素。

表2 上海市2010、2018年各景觀類型斑塊類型層級景觀格局指數Table 2 Landscape pattern index of patch types in Shanghai City in 2010 and 2018

3.1.1 基礎指標分析——斑塊面積、斑塊數量（1）斑塊面積/CA 2010 年時，各斑塊類型面積分布較為均勻，城市建設用地面積最多為234889.7 hm2，耕地面積次之為379316.3 hm2，草地面積最少為2830.14 hm2。2018 年時，各用地類型發生面積發生變化，其中耕地和草地為變動較小的用地類型，兩者面積均減少約7%；其次變動較為明顯的為水域與建設用地，水域面積減少24%，建設用地面積增加24%；六類用地類型中，以林地和未利用地發生變動最大，林地面積增長至11478.33 hm2，增長率為113%，可見上海市在城市建設發展迅猛的8 年里，對于城市森林和城市生態的建設相當重視。未利用地減少至266.31 hm2，相對2010 年，減少98%。城市各用地類型的改變是城市表面人類活動發生變化的主要體現，可以看出，研究時段內，上海市城市化進程迅猛，城市用地逐漸飽和，但城市建設的過程中對于城市生態的發展十分重視[17]。

（2）斑塊數量/NP 斑塊數量是直接反映城市景觀類型破碎化程度的景觀格局指數。2010～2018年間，各用地類型斑塊數量增長明顯，說明研究時段內各個用地類型都發生了不同程度的景觀破碎化現象。

3.1.2 形狀指標分析（1）最大斑塊面積指數/LPI 研究時段內，各景觀類型的最大面積指數沒有發生明顯變化，值得注意的是，林地2010 年LPI 值為0.09，至2018 年降低為0.04。說明研究時段內，城市森林雖在面積層面有所增長，但缺乏大型的森林斑塊，導致城市森林整體狀況不穩定。

（2）景觀形狀指數/LSI 研究時段內，各用地類型斑塊呈現了極其明顯的不規則化趨勢，其中草地斑塊的LSI 指數增加最多，增長率為1108%。LSI 指數增加代表了景觀斑塊的不規則化現象，說明人類活動對于城市生態系統的干涉幅度增加，斑塊形狀的不規則尤其是城市森林的斑塊不規則導致部分斑塊也不再合適原棲息地物種的繁衍與生存。

3.1.3 聚散性指標（1）景觀聚集度指數/AI 2010 年，各景觀類型的AI 值均在90 以上，相對較高，表示該時期各景觀類型中同類型的斑塊相互聚合，結構緊湊。2018 年時，各景觀類型的AI 值均發生了不同程度的下降，其中水域下降幅度最小，僅為5%左右，耕地和建設用地下降幅度均為11%，而林地、未利用地、草地的AI 值下降幅度為29%，59%與75%，表明研究時段內該三類景觀類型中不同類型的斑塊離散程度大。

（2）景觀導度指數/Cohesion 2010 年，各景觀類型的Cohesion 值均處于較高水平，表示景觀區域中的各景觀斑塊分布聚集，然連通度高，景觀空間鏈接度高。2018 年，水域、耕地、建設用地的Cohesion 值波動極小，林地、草地、未利用地的Cohesion 值則分別降低11%、59%和44%，說明該三類景觀類型中某種斑塊比例降低并不斷細化，其連通度降低，相應地，對其中的物種遷移和能量流通造成了一定阻礙。

3.2 景觀層級景觀格局指數分析

表3 上海市2010、2018年整體景觀景觀層級景觀格局指數Table 3 Overall landscape pattern index in Shanghai City in 2010 and 2018

景觀層級的景觀格局指數分析可以從全局的角度對于研究區的景觀生態水平進行分析，通過表2 可以看出，研究時段內，上海市景觀斑塊數量呈現大幅度增加的趨勢，斑塊密度從0.43 個/100 hm2增長至18 個/100 hm2，直接反映了該時段內城市景觀的嚴重破碎化現象；最大斑塊面積指數由20%下降至14.98%，說明研究范圍內大型巨型斑塊的裂化和減少；景觀形狀指數由41.32 增長到197.29，說明研究區域內斑塊形狀不規則化現象嚴重，長條形、指型等過多不規則斑塊形狀的出現導致原本適宜物種繁衍生存的斑塊不再適合棲息，直接破壞了生態平衡；2010 年時，研究區的CONTAG 值為62.87%，相對較高，表明研究區域內存在連通度極高的優勢斑塊類型，2018 年時，CONTAG 值下降為55.01%，說明研究區內的斑塊破碎化現象嚴重，原本優勢的斑塊類型破裂，空間優勢大大降低。2010 年時IJI 值為39.72%，2018 年時為43.43%，表明斑塊間的臨近度增加，景觀空間中物種由于受制于斑塊形狀、大小、水源位置等彼此鄰近。SPLID 值由2010 年的11.06 增加到2018 年的16.58，直接反映了景觀空間的破碎化程度增加，人類活動對生態系統的影響增大；AI 值由2010 年的97.40%增加到2018 年的86.96%，表明景觀中不同類型的斑塊離散程度增大。

3.3 驅動力分析

3.3.1 社會因素驅動 經濟社會環境的變化是城市景觀變遷的根本基礎，其中，人口因子與經濟因子發揮了主要作用[7]。據國家統計局統計數據，2010 年～2018 年間，上海市人口由2303.0 萬人增長至2424.0 萬人。城市人口增長直接導致了人地關系緊張狀況的加劇，人們對住房的需求增加與本就緊張的城市建設用地形成了明顯沖突。為緩解人口壓力，城市擴張速度加大，城市森林、農田結構被破壞，直接導致了城市各類景觀的破碎化現象[18]。2010 年，上海市國內生產總值為17165.98 億元，2018 年增長至32679.87 億元，經濟建設的快速發展導致產業類型的轉變，第三產業發展迅速，各產業產值發展的同時，導致了勞動力與建設用地的需求激增，因此經濟因子也是景觀格局變化的基本驅動因素之一。

3.3.2 政策因素驅動“十二五”期間，上海市大力突進生態網絡建設，逐步形成中心城以“環、楔、廊、園”為主體，以市區范圍內的生態保育區位為生態基底的生態網絡空間體系。同時，“十二五”期間，上海市內的森林覆蓋率由12.6%提升至15.0%。上海市從政策層面對于土地利用和生態建設的全局性把控，是城市土地利用類型變化和不同景觀類型變動的重要驅動力之一。“十三五”期間，土地資源利用與生態發展面臨新的挑戰，上海市重點實施保護農田保護紅線，劃定生態保護紅線，劃定城市開發邊界，對于城市土地利用，城市生態安全以及整體城市化進程的把控起到了關鍵性作用。

3.3.3 土地利用規劃驅動 土地利用變更是城市景觀與城市生態質量發生變動最直接的驅動因子[19]。1997 年，上海市國土資源管理局發布《上海市土地利用總體規劃（1997-2010》，提出“一保護、二調整、三平衡、四優化”的土地利用總體規劃基本思路，保護基本農田，調整老城區與郊縣自然村的土地利用現狀，優化中心城區土地利用結構，平衡灘涂資源開發[20]。2006 年，上海市國土資源管理局發布《上海市土地利用總體規劃（2006-2020）》，要求嚴格保護基本農田，提高耕地質量；培育城市發展戰略地區，強化土地利用綜合調控作用，綜合推進土地節約集約利用；統籌安排城市耕地、綠地、林地、園地及灘涂濕地等具有生態功能的土地布局，形成綠色空間體系，維護城市生態安全局[21,22]。兩次土地利用規劃明顯的變動在于從注重土地利用調控向對于城市整體綠色空間和生態安全的整體把控方向提升。上海市土地利用規劃的調控對城市景觀格局發生了一定影響，主要體現在對于基本農田的保護和城市森林的補植上，10 年間耕地面積僅下降6.54%，林地面積增加113.08%，但兩者景觀格局指數的變化趨勢說明目前對于土地利用的管控主要著眼于耕地面積和林地面積這一表層。

4 結論與討論

4.1 斑塊類型層級景觀格局指數變化及分析

斑塊類型層級上，2010～2018 年間，各用地類型發生面積發生變化，其中耕地和草地為變動較小的用地類型，水域與建設用地變動較為明顯，以林地和未利用地發生變動最大；各用地類型斑塊數量增長明顯，各個用地類型都發生了不同程度的景觀破碎化現象；各景觀類型的最大面積指數沒有發生明顯變化，城市森林雖在面積層面有所增長，但缺乏大型的森林斑塊，導致城市森林整體生態狀況不穩定；各用地類型斑塊呈現了極其明顯的形狀不規則化趨勢；各景觀類型的AI 值均發生了不同程度的下降，其中林地、未利用地、草地的斑塊離散程度大；林地、草地、未利用地的Cohesion值則分別降低較為明顯，斑塊連通度降低，對其中的物種遷移和能量流通造成了一定阻礙。

4.2 景觀類型層級景觀格局指數變化及分析

2010～2018 年間，上海市景觀斑塊數量大幅度增加，城市景觀的嚴重破碎化現象嚴重，人類活動對生態系統的影響增大；大型巨型斑塊的裂化和減少；斑塊形狀不規則化現象嚴重；原本優勢的斑塊類型破裂，空間優勢大大降低；斑塊間的臨近度增加，景觀空間中物種由于受制于斑塊形狀、大小、水源位置等彼此鄰近。景觀中不同類型的斑塊離散程度增大。同時，從城市生態系統的角度來說，城市森林和濕地空間在保持總量足夠，大斑塊森林為主的前提下，適當的破碎化是有利于綠色基礎設施與城市灰色基礎設施的結合，一定程度上能夠消減熱島效應，更好服務于居民對于綠色基礎設施可達性的需求。

4.3 驅動力分析

上海市各類景觀類型生態水平變化的驅動因子主要體現在社會因素、政策因素以及土地利用規劃把控三個層面。城市人口的快速增長、經濟增長和產業結構的調整給城市景觀生態造成負擔，使得上海市各類型景觀呈現了明顯的破碎化趨勢。政策方面，政府對于生態建設的宏觀調控以及土地利用規劃對于城市的及時調整對這種趨勢起到了一定的緩解作用，但目前來看調控主要關注點在于各用地類型面積這一表層，雖然為維護城市生態安全與城市景觀健康發展起到了至關重要的基底作用，但沒有考慮到景觀破碎度、連接度以及綠色基礎設施可達性等各個具體層面。

4.4 策略與建議

根據對于各層級景觀的景觀格局指數的分析，對上海市景觀生態水平提升提供以下策略：（1）平衡人口增加、經濟增長與城市資源合理分配之間的矛盾是城市景觀、生態維持健康穩定的基礎保障，政府需要從宏觀層面進行調控，嚴格監控城市土地利用狀況變化情況，以全局的角度對城市土地利用變化進行預估和規劃，嚴格控制城市中建設用地的蔓延，保證土地利用結構的合理性，在城市經濟建設的同時，保護、保障綠色基礎設施的建設；（2）以生態水平較好的城市森林、城市公園、城市綠地為生態源地，在保障城市森林、濕地等重要生態斑塊狀態穩定健康發展的前提下，構建覆蓋全區的生態網絡體系，連接破碎的斑塊，增加景觀空間連通性，為物種遷移和能量流通提供保障；（3）城市森林是城市生態系統穩定與安全的重要保障，需要對現有城市森林斑塊的生態安全水平進行提升，通過森林公園、森林保護地的形式增加大型、巨型森林斑塊，對森林組分進行優化和提升；（4）目前我國采用的是多規合一的國土空間規劃調控手段，這是城市景觀格局健康演進和發展的重要保障。上海市最新總體規劃中在“三線”生態保護紅線、永久基本農田保護紅線、城市開發邊界的基礎上增加文化保護控制線，形成以生態空間、農業空間和城鎮空間“三大空間”和“四線”為基本框架的分區管理體系。建議上海市基于不同種類的生態關鍵點加強生態空間建設，通過對生態廊道的提升，增加“三大空間”之間的聯系，以緩沖和預警的手段保障“四線三區”之間合理的聯系與關系。