基于Fragstats4 的上海市城市景观格局指数动态研究

袁轶男,金云峰,聂晓嘉,凌 瑞,吴沙沙,兰思仁*

1.福建农林大学园林学院,福建 福州350002

2.同济大学建筑与城市规划学院景观学系,上海200092

《全国生态保护“十三五”规划纲要》提出国家生态文明建设的主要目标为：到2020年，生态空间得到保障，生态质量有所提升，生态功能有所增强，生物多样性下降速度得到遏制[1]。因此，从景观生态学的角度对于城市景观与城市生态建设进行研究至关重要。景观生态学自1939年发展至今，对于理解城市肌理变化与城市生态变动之间的联系起到至关重要的作用。对于景观格局的研究是景观生态学研究范畴内占比较高，影响较大的部分。从城市空间构成的角度出发，不同的土地利用类型在空间上的分布与变化是景观格局变动的直接驱动因子[2]。通过对城市景观格局指数的分析来把控城市土地利用变化，对于城市生态安全的提升具有重要意义。

1 研究区概况

上海市位于中国华东地区，地理位置30°40′-31°53′N，120°52′-122°12′E，总面积约6340.5 km[2,3]。作为全国的经济、贸易、科技中心，上海人口总量为2400余万，属于超大型城市[4]，如图1。上海市属亚热带季风性气候，温暖湿润，年平均气温为15.7 ℃，年降水量为1040～1137 mm[5]。

图1 上海市域范围图Fig.1 Urban area of Shanghai City

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的主要数据来源为地理空间数据云中2010 年与2018 年2 期的30 m 空间分辨率的Landsat TM/ETM 和Landsat8OL1 影像。利用ENVI4 软件对该影像进行辐射定标、大气校正、影像增强和影像裁剪预处理后，利用最大似然法进行监督分类，得到上海市六类土地利用类型图。通过误差矩阵计算得到2010 与2018 年两期土地利用分类的总体精度分别为95.73%、96.47%，Kappa 系数分别为91.16%、89.57%，表明本文对研究区进行的土地利用分类精度很高，满足研究要求。分类得到六大类用地类型分别为林地、耕地、城市建设用地、水体、草地和未利用地，见图2～3。可以看出，六种用地类型中，只有林地和建设用地面积在研究时段内增加，其他类型用地均呈现不同程度的减少。

图2 2010年，2018年上海市土地利用类型图Fig.2 Land use types in Shanghai City in 2010 and 2018

图3 2010年，2018年上海市土地利用变更对比图Fig.3 Land use change comparison in Shanghai City in 2010 and 2018

2.2 研究方法

本研究通过Fragstats软件对2010年与2018年上海市景观格局指数进行计算，从景观生态学的角度对研究时段内的城市发展变化进行剖析[6]。通过对于上海市的实地考察和专家问询，本研究选取斑块类型总面积（CA）、斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块面积指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、散布与并列指数（IJJ）、景观破碎化指数（SPLIT）、景观聚集度指数（AI），景观度凝结度指数（Cohesion）等景观格局指数对上海市城市景观状况进行分析，见表1。

表1 景观格局指数表Table 1 Landscape pattern index table.

3 结果与分析

3.1 斑块类型层级景观格局指数分析

斑块类型层级的景观格局指数直接反映了不同土地利用类型的景观生态状况，通过分析2010 与2018 年各土地利用类型景观格局指数的变化，分析研究时段内城市不同土地利用类型的生态状况及其变化驱动因素。

表2 上海市2010、2018年各景观类型斑块类型层级景观格局指数Table 2 Landscape pattern index of patch types in Shanghai City in 2010 and 2018

3.1.1 基础指标分析——斑块面积、斑块数量（1）斑块面积/CA 2010 年时，各斑块类型面积分布较为均匀，城市建设用地面积最多为234889.7 hm2，耕地面积次之为379316.3 hm2，草地面积最少为2830.14 hm2。2018 年时，各用地类型发生面积发生变化，其中耕地和草地为变动较小的用地类型，两者面积均减少约7%；其次变动较为明显的为水域与建设用地，水域面积减少24%，建设用地面积增加24%；六类用地类型中，以林地和未利用地发生变动最大，林地面积增长至11478.33 hm2，增长率为113%，可见上海市在城市建设发展迅猛的8 年里，对于城市森林和城市生态的建设相当重视。未利用地减少至266.31 hm2，相对2010 年，减少98%。城市各用地类型的改变是城市表面人类活动发生变化的主要体现，可以看出，研究时段内，上海市城市化进程迅猛，城市用地逐渐饱和，但城市建设的过程中对于城市生态的发展十分重视[17]。

（2）斑块数量/NP 斑块数量是直接反映城市景观类型破碎化程度的景观格局指数。2010～2018年间，各用地类型斑块数量增长明显，说明研究时段内各个用地类型都发生了不同程度的景观破碎化现象。

3.1.2 形状指标分析（1）最大斑块面积指数/LPI 研究时段内，各景观类型的最大面积指数没有发生明显变化，值得注意的是，林地2010 年LPI 值为0.09，至2018 年降低为0.04。说明研究时段内，城市森林虽在面积层面有所增长，但缺乏大型的森林斑块，导致城市森林整体状况不稳定。

（2）景观形状指数/LSI 研究时段内，各用地类型斑块呈现了极其明显的不规则化趋势，其中草地斑块的LSI 指数增加最多，增长率为1108%。LSI 指数增加代表了景观斑块的不规则化现象，说明人类活动对于城市生态系统的干涉幅度增加，斑块形状的不规则尤其是城市森林的斑块不规则导致部分斑块也不再合适原栖息地物种的繁衍与生存。

3.1.3 聚散性指标（1）景观聚集度指数/AI 2010 年，各景观类型的AI 值均在90 以上，相对较高，表示该时期各景观类型中同类型的斑块相互聚合，结构紧凑。2018 年时，各景观类型的AI 值均发生了不同程度的下降，其中水域下降幅度最小，仅为5%左右，耕地和建设用地下降幅度均为11%，而林地、未利用地、草地的AI 值下降幅度为29%，59%与75%，表明研究时段内该三类景观类型中不同类型的斑块离散程度大。

（2）景观导度指数/Cohesion 2010 年，各景观类型的Cohesion 值均处于较高水平，表示景观区域中的各景观斑块分布聚集，然连通度高，景观空间链接度高。2018 年，水域、耕地、建设用地的Cohesion 值波动极小，林地、草地、未利用地的Cohesion 值则分别降低11%、59%和44%，说明该三类景观类型中某种斑块比例降低并不断细化，其连通度降低，相应地，对其中的物种迁移和能量流通造成了一定阻碍。

3.2 景观层级景观格局指数分析

表3 上海市2010、2018年整体景观景观层级景观格局指数Table 3 Overall landscape pattern index in Shanghai City in 2010 and 2018

景观层级的景观格局指数分析可以从全局的角度对于研究区的景观生态水平进行分析，通过表2 可以看出，研究时段内，上海市景观斑块数量呈现大幅度增加的趋势，斑块密度从0.43 个/100 hm2增长至18 个/100 hm2，直接反映了该时段内城市景观的严重破碎化现象；最大斑块面积指数由20%下降至14.98%，说明研究范围内大型巨型斑块的裂化和减少；景观形状指数由41.32 增长到197.29，说明研究区域内斑块形状不规则化现象严重，长条形、指型等过多不规则斑块形状的出现导致原本适宜物种繁衍生存的斑块不再适合栖息，直接破坏了生态平衡；2010 年时，研究区的CONTAG 值为62.87%，相对较高，表明研究区域内存在连通度极高的优势斑块类型，2018 年时，CONTAG 值下降为55.01%，说明研究区内的斑块破碎化现象严重，原本优势的斑块类型破裂，空间优势大大降低。2010 年时IJI 值为39.72%，2018 年时为43.43%，表明斑块间的临近度增加，景观空间中物种由于受制于斑块形状、大小、水源位置等彼此邻近。SPLID 值由2010 年的11.06 增加到2018 年的16.58，直接反映了景观空间的破碎化程度增加，人类活动对生态系统的影响增大；AI 值由2010 年的97.40%增加到2018 年的86.96%，表明景观中不同类型的斑块离散程度增大。

3.3 驱动力分析

3.3.1 社会因素驱动 经济社会环境的变化是城市景观变迁的根本基础，其中，人口因子与经济因子发挥了主要作用[7]。据国家统计局统计数据，2010 年～2018 年间，上海市人口由2303.0 万人增长至2424.0 万人。城市人口增长直接导致了人地关系紧张状况的加剧，人们对住房的需求增加与本就紧张的城市建设用地形成了明显冲突。为缓解人口压力，城市扩张速度加大，城市森林、农田结构被破坏，直接导致了城市各类景观的破碎化现象[18]。2010 年，上海市国内生产总值为17165.98 亿元，2018 年增长至32679.87 亿元，经济建设的快速发展导致产业类型的转变，第三产业发展迅速，各产业产值发展的同时，导致了劳动力与建设用地的需求激增，因此经济因子也是景观格局变化的基本驱动因素之一。

3.3.2 政策因素驱动“十二五”期间，上海市大力突进生态网络建设，逐步形成中心城以“环、楔、廊、园”为主体，以市区范围内的生态保育区位为生态基底的生态网络空间体系。同时，“十二五”期间，上海市内的森林覆盖率由12.6%提升至15.0%。上海市从政策层面对于土地利用和生态建设的全局性把控，是城市土地利用类型变化和不同景观类型变动的重要驱动力之一。“十三五”期间，土地资源利用与生态发展面临新的挑战，上海市重点实施保护农田保护红线，划定生态保护红线，划定城市开发边界，对于城市土地利用，城市生态安全以及整体城市化进程的把控起到了关键性作用。

3.3.3 土地利用规划驱动 土地利用变更是城市景观与城市生态质量发生变动最直接的驱动因子[19]。1997 年，上海市国土资源管理局发布《上海市土地利用总体规划（1997-2010》，提出“一保护、二调整、三平衡、四优化”的土地利用总体规划基本思路，保护基本农田，调整老城区与郊县自然村的土地利用现状，优化中心城区土地利用结构，平衡滩涂资源开发[20]。2006 年，上海市国土资源管理局发布《上海市土地利用总体规划（2006-2020）》，要求严格保护基本农田，提高耕地质量；培育城市发展战略地区，强化土地利用综合调控作用，综合推进土地节约集约利用；统筹安排城市耕地、绿地、林地、园地及滩涂湿地等具有生态功能的土地布局，形成绿色空间体系，维护城市生态安全局[21,22]。两次土地利用规划明显的变动在于从注重土地利用调控向对于城市整体绿色空间和生态安全的整体把控方向提升。上海市土地利用规划的调控对城市景观格局发生了一定影响，主要体现在对于基本农田的保护和城市森林的补植上，10 年间耕地面积仅下降6.54%，林地面积增加113.08%，但两者景观格局指数的变化趋势说明目前对于土地利用的管控主要着眼于耕地面积和林地面积这一表层。

4 结论与讨论

4.1 斑块类型层级景观格局指数变化及分析

斑块类型层级上，2010～2018 年间，各用地类型发生面积发生变化，其中耕地和草地为变动较小的用地类型，水域与建设用地变动较为明显，以林地和未利用地发生变动最大；各用地类型斑块数量增长明显，各个用地类型都发生了不同程度的景观破碎化现象；各景观类型的最大面积指数没有发生明显变化，城市森林虽在面积层面有所增长，但缺乏大型的森林斑块，导致城市森林整体生态状况不稳定；各用地类型斑块呈现了极其明显的形状不规则化趋势；各景观类型的AI 值均发生了不同程度的下降，其中林地、未利用地、草地的斑块离散程度大；林地、草地、未利用地的Cohesion值则分别降低较为明显，斑块连通度降低，对其中的物种迁移和能量流通造成了一定阻碍。

4.2 景观类型层级景观格局指数变化及分析

2010～2018 年间，上海市景观斑块数量大幅度增加，城市景观的严重破碎化现象严重，人类活动对生态系统的影响增大；大型巨型斑块的裂化和减少；斑块形状不规则化现象严重；原本优势的斑块类型破裂，空间优势大大降低；斑块间的临近度增加，景观空间中物种由于受制于斑块形状、大小、水源位置等彼此邻近。景观中不同类型的斑块离散程度增大。同时，从城市生态系统的角度来说，城市森林和湿地空间在保持总量足够，大斑块森林为主的前提下，适当的破碎化是有利于绿色基础设施与城市灰色基础设施的结合，一定程度上能够消减热岛效应，更好服务于居民对于绿色基础设施可达性的需求。

4.3 驱动力分析

上海市各类景观类型生态水平变化的驱动因子主要体现在社会因素、政策因素以及土地利用规划把控三个层面。城市人口的快速增长、经济增长和产业结构的调整给城市景观生态造成负担，使得上海市各类型景观呈现了明显的破碎化趋势。政策方面，政府对于生态建设的宏观调控以及土地利用规划对于城市的及时调整对这种趋势起到了一定的缓解作用，但目前来看调控主要关注点在于各用地类型面积这一表层，虽然为维护城市生态安全与城市景观健康发展起到了至关重要的基底作用，但没有考虑到景观破碎度、连接度以及绿色基础设施可达性等各个具体层面。

4.4 策略与建议

根据对于各层级景观的景观格局指数的分析，对上海市景观生态水平提升提供以下策略：（1）平衡人口增加、经济增长与城市资源合理分配之间的矛盾是城市景观、生态维持健康稳定的基础保障，政府需要从宏观层面进行调控，严格监控城市土地利用状况变化情况，以全局的角度对城市土地利用变化进行预估和规划，严格控制城市中建设用地的蔓延，保证土地利用结构的合理性，在城市经济建设的同时，保护、保障绿色基础设施的建设；（2）以生态水平较好的城市森林、城市公园、城市绿地为生态源地，在保障城市森林、湿地等重要生态斑块状态稳定健康发展的前提下，构建覆盖全区的生态网络体系，连接破碎的斑块，增加景观空间连通性，为物种迁移和能量流通提供保障；（3）城市森林是城市生态系统稳定与安全的重要保障，需要对现有城市森林斑块的生态安全水平进行提升，通过森林公园、森林保护地的形式增加大型、巨型森林斑块，对森林组分进行优化和提升；（4）目前我国采用的是多规合一的国土空间规划调控手段，这是城市景观格局健康演进和发展的重要保障。上海市最新总体规划中在“三线”生态保护红线、永久基本农田保护红线、城市开发边界的基础上增加文化保护控制线，形成以生态空间、农业空间和城镇空间“三大空间”和“四线”为基本框架的分区管理体系。建议上海市基于不同种类的生态关键点加强生态空间建设，通过对生态廊道的提升，增加“三大空间”之间的联系，以缓冲和预警的手段保障“四线三区”之间合理的联系与关系。