城市景观格局演变及动态特征变化预测仿真

王一波，李婷婷

(1. 河南科技大学建筑学院，河南 洛阳 471003；2. 西安交通大学，陕西 西安 710000)

1 引言

伴随着城市人口的剧增，以及国家经济的持续发展，城市规模在不断地扩张，这对原有的城市形态、功能、景观格局等产生了极大的影响[1]。城市景观格局指的是形状各异、大小不一的景观斑块在空间上的配置，是景观生态过程、形成因素等长期构成的结果。城市景观格局反映的是生态系统的演变过程。依据现有景观生态学理论，认为城市是由住宅、绿地、河流、工业、街道等多种斑块、基质构成的，以此来满足人类生活与生产需求的景观生态系统[2]。在上述系统中，多种生物与非生物因素在空间上的配置，共同形成了城市景观格局。城市景观格局会随着时间进行一定规律的演变，在这个过程中，城市生态功能会弱化，为人类生活与生产带来一定的问题，例如城市垃圾、水资源污染、噪声等环境问题，另外也会引发交通拥挤、景观多样性丧失、住房紧缺等生态与社会问题，直接阻碍城市的发展，进而降低城市居民生活质量[3]。

对于产生上述问题产生的因素，许多专家与学者对其进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。文献[4]提出快速城市化影响下超大型城市景观生态格局演变特征分析，通过多时相遥感变化监测和格网划分技术，利用景观指数定量分析城市景观空间格局及动态变化测定。该方法能够得到精准的城市景观生态格局演变特征，但对景观动态特征变化的预测准确率较差；文献[5]提出2007—2017年三亚城市景观空间格局动态特征及驱动因素分析，从遥感影像数据中提取典型景观格局指数，分析了三亚市景观空间格局变化的驱动因素。结果表明，三亚市同一土地利用类型的空间聚集度降低，空间分布趋于分散，不同土地类型的整合度高，形态趋于复杂，景观类型分布趋势均衡，景观破碎化程度明显景观的复杂性增加，土地利用的丰富性逐渐增强。该方法对城市景观格局演变的分析较为准确，但未对景观格局动态特征变化做出预测。

在城市发展过程中，生态、社会与环境等问题均与城市景观格局的变化息息相关，大众也逐渐意识到了城市景观格局至关重要的作用。因此提出城市景观格局演变及动态特征变化预测仿真研究，为城市可持续发展提供更加精准的数据依据。

2 城市景观格局演变分析

2.1 景观分类体系的确定

为了详细分析城市景观格局演变情况，首要的任务就是确定景观分类体系，依据综合性原则、实用原则、主导因子原则与等级性原则，将城市景观划分八个类别，具体如表1所示。

表1 城市景观分类体系表

2.2 景观格局指数的选择

对城市景观格局演变以及动态特征进行定量化分析，需要依据确定的景观分类情况选取适当的景观格局指数，以此来描述景观格局的时空变换以及生态过程之间的联系。

在传统城市景观格局研究过程中，选取的景观格局指数类别较少，导致传统方法预测结果精准度较差，无法满足现今城市发展的需求，故此研究分别在景观类型与景观水平方面各选取了三类指标，共计12个景观格局指数，其指数定义情况如表2所示。

表2 景观格局指数定义表

2.3 景观格局演变分析方法

城市景观格局演变分析指的是对景观格局变化幅度、动态度以及转移度进行深入研究[6]。其中，景观格局变化幅度与动态度均可以通过公式进行计算，计算公式为

(1)

式中，U表示景观格局变化幅度；Ua与Ub分别表示起始年与终止年某类别景观的面积；T表示时间长度；K表示景观格局动态度。

而景观格局转移度需要通过转移矩阵来描述，其反映的是景观类型结构的变化方向与特征[7]。景观格局转移矩阵公式为

(2)

式中，S表示景观面积；i与j分别表示研究初期与末期的景观类型；n表示景观类型数。

依据式(1)与式(2)所得结果即可对研究城市的景观格局演变过程进行详细分析，可以清晰地确定每个景观分类面积的变化情况，也能明确城市一定时间内的景观格局演变方向[8]。

3 城市景观格局动态特征变化预测

3.1 数据格式转换

在城市景观格局动态特征变化预测过程中，获取的数据格式呈现为多样化，无法直接对其进行应用，故需要对获取数据格式进行统一转换，方便后续过程进行[9]。此研究采用IDRSI软件进行数据格式的转换，具体数据格式转换过程如下所示：

步骤一：采用Spatial Analyst工具对景观类型栅格图进行分类，并设置Nodata值为零，并对其它景观类型进行顺序排序；

步骤二：导出分类后栅格图，检查栅格大小的行、列数量是否保持一致；

步骤三：在IDRSI软件中，采用Import模块将数据格式转换为RST格式，如图1所示。

图1 景观类型RST示意图

如图1所示，0表示背景；1表示城市居住景观；2表示农村居住景观；3表示其它建设用地景观；4表示广场与绿地景观；5表示农业景观；6表示林地景观；7表示水体景观；8表示道路景观[10]。

3.2 转移概率矩阵构建

景观格局特征变化是一个动态的过程，单纯采用景观格局转移矩阵无法描述变化的动态性，故构建转移概率矩阵[11]。

将上述获取的RST数据导入至IDRSI软件中的Markov模块计算个景观类型相互转化的变化量，以此为基础，获取转移概率矩阵[12]。

需要注意的是，要想获取更加精准的转移概率矩阵，比例误差设置为0.15，时间间隔设置为4年。则转移概率矩阵中，“行”指的是前一时期，“列”指的是后一时期。

3.3 适宜性图集制作

适宜性图集指的是某一类别景观转变为其它景观的概率图，是预测城市景观格局动态特征变化的关键。影响适宜性图集制作的因素主要包括地形地貌因素、行政中心因素、水系因素与主要交通因素。依据影响因素分析，规定适宜性图集约束条件，具体如表3所示。

表3 适宜性图集约束表

依据表3规定的约束条件，利用IDRSI软件中MCE模块合并每个景观类型的约束条件，从而获取各种景观类型的适宜性图集。

3.4 景观格局动态特征变化预测

以格式转换后的数据、构建的转移概率矩阵以及制作的适宜性图集，构建景观格局动态特征变化预测模型，将已知数据作为构建模型的输入量，构建模型的输出量即为景观格局动态特征变化预测结果。

景观格局动态特征变化预测模型由五个模块构成，其结构如图2所示。

如图2所示，在空间特征模块中，包含多种景观类型适宜性图集，均由Logistic回归计算获得，Logistic回归表达式为：

(3)

式(3)中，pi表示栅格内景观类型i可能出现的概率；β0表示Logistic回归结果中的常数项；βn表示景观类型驱动因素对应回归系数，n取值范围为[1，+∞]；xn，i表示景观类型i涉及的驱动因素。

城市景观格局空间分配具体步骤为：

步骤一：确定城市景观格局空间分配的栅格单元；

步骤二：计算不同类别景观在栅格单元中出现的总概率，计算公式为：

TPROPi，u=Pi，u+ELASu+ITERu

(4)

式(4)中，TPROPi，N表示栅格单元i上景观类型u出现的总概率；Pi，u表示Logistic回归方程计算得到的空间分布概率；ELASu表示景观类型u的转移弹性；ITERu表示景观类型u的迭代变量。

步骤三：依据步骤二得到的景观类型总分布概率初始分配每个栅格的景观，并为其配置相同的迭代变量值ITERu；

步骤四：比较初始分布区域与需求区域。若初始分布区域小于需求区域，提升迭代变量值；若初始分布区域大于需求区域，降低迭代变量值。同时，依据变动的迭代变量值进行第二次分配。

步骤五：对步骤二——步骤四进行重复，直到景观类型分配面积与需求面积一致为止。

景观格局动态特征变化预测模型主要参数文件及其要求如表4所示。

表4 模型参数文件及其要求表

采用kappa系数衡量构建模型的精度，kappa系数计算公式为：

(5)

式(5)中，k表示kappa系数；N表示栅格总像元数；Pc表示模型预测误差；a，b分别表示真实栅格与模拟栅格像元数。

式(5)结果取值范围为[0，1]，kappa系数越大，表明构建模型预测精度越好。

通过上述过程实现了城市景观格局演变的分析，及其动态特征变化的预测，为城市生态环境、居民环境的发展提供更加精准的数据支撑。

4 仿真与结果分析

为了验证提出方法的性能，采用MATLAB软件设计仿真，具体实验过程如下所示：

4.1 实验对象选取

实验选取某县级城市作为实验对象，其地理坐标为东经116度，北纬24度，总面积约为2879平方千米，其地形地貌示意图如图3所示。

图3 实验对象地形地貌示意图

4.2 实验数据准备

实验区域数据信息源如表5所示。

表5 实验区域数据信息源表

将获取的城市景观格局影像数据导入ArcGIS10.5软件中，对其进行地理配准以及裁剪预处理，保障后续实验的顺利进行。另外还需要对实验区域中的空白区域进行补充，结合其它的城市景观格局采样数据，对实验数据进行修正与核实。

以卫星影像、无人机航空影像为例，得到预处理后的实验数据如图4所示。

图4 实验数据预处理示意图

(1)卫星影像

(2)无人机航空影像

4.3 实验结果分析

对实验对象数据进行预处理，进行城市景观格局动态特征变化预测仿真。通过预测误差显示提出方法性能，具体实验结果分析过程如下：

通过仿真获得景观格局动态特征变化值预测误差数据如表6所示。

表6 景观格局动态特征变化值预测误差数据表

如表6数据显示，所提方法对其它建设用地景观格局动态特征变化的预测最准确，误差值为0.07；对农村居住景观格局动态特征变化的预测最准确率最低，误差值为5.06，对8种城市景观的平均预测误差为2.91，充分表明所提方法预测结果更加精准。

5 结论

此研究在分析城市景观格局演变基础上，提出了一种新的景观格局动态特征变化预测方法，通过仿真得到，所提方法平均预测误差减小了1.78，能够有效预测城市景观格局动态特征变化，为我国城市景观建设发展提供更多的帮助。