景观扩张指数及其在城市扩展分析中的应用

景观指数是定量分析景观格局的一种常用手段,但目前大部分景观指数,往往只侧重于对景观斑块或格局的几何特征进行简单分析和描述,忽略了景观格局动态变化过程的信息,缺乏将景观空间分布格局与其变化过程相结合的深入研究。作者提出了一种新的景观指数—景观扩张指数(Landscape Expansion Index,LEI),与传统的景观指数相比,LEI包涵了景观格局的过程信息,可用来分析两个或多个时相景观格局的动态变化,而传统景观指数则只能反映某一时相景观格局的信息。将景观扩张指数应用于东莞市1988-2006年期间的城市景观扩张过程中,研究结果表明,LEI能够很好的识别城市扩张的三种类型—填充式、边缘式以及飞地式。此外,通过对东莞市城市扩张过程LEI的变化分析,发现东莞市城市扩张规律与城市增长相位理论是相符合的。

基于改进景观扩张指数苏锡常地区城镇扩展空间形态变化

针对目前景观扩张指数计算存在的问题，提出一种改进计算景观扩张指数的方法用于动态分析城镇空间形态变化特征。将景观格局的3种增长模式：填充式、边缘式和飞地式分别表示为3种拓扑关系：包含、相交及相离关系，通过判断新增城镇建设用地斑块之间的拓扑天系计算景观格局扩张的各项指数，据此对苏锡常地区1985-2008年各阶段城镇扩展空间形态变化进行分析。从总体景观扩张模式的变化来看，苏锡常地区建设用地增长方式以边缘式的紧凑增长为主；从增长形态的空间位置来看，各市市区和各镇行政中心的增长形态基小可以归纳为以边缘式增长为主的紧凑增长形态，普通城镇则可能是紧凑增长形态或者蔓延增长形态。计算结果表明，改进的景观扩张指数方法能够动态的反映苏锡常地区城镇用地空间格局形态变化过程。进一步计算反映城镇用地分形特征的盒子维数作对比分析，从计算结果来看，随着时间推移苏锡常地区城镇用地分维数值逐渐增加，从1985年的1．220增加到2008年的1．504，但增长幅度小大，说明城镇空间格局始终处于集中和均衡之间；而景观扩张指数计算结果反映，从1995年飞地式增长模式的数量和分布开始增加之后，给城镇发展的卡导的紧凑模式带来了扰动，这种扩散式的增长导致各城镇扩张的结果在空间形态上出现与总体趋势分异的现象。新建设用地的增长点引起了城镇空间结构的变化，这种发展增加了城镇空间形态的随机性和结构的不稳定性，这个结果可以作为前述盒子维数计算结果的补充，说明景观扩张指数可以解释分形这种形态结果的空间变化过程；并且通过计算景观扩张指数，决策者可以了解城镇扩展守间形态的变化趋势，从而从宏观上控制城镇的无序蔓延。

一种新的景观扩张指数的定义与实现

景观格局动态信息的定量表达始终是景观生态学研究的一个重要科学问题,景观格局指数是其中的一种重要方法,但其多是静态指数,难以有效定量表达景观格局的动态信息。因此,针对景观扩张过程以斑块扩张面积为基础提出了一种新的景观扩张指数,来表达景观格局的动态信息。并以妫水河流域1998—2009年的景观农田化过程为例,验证该指数的适用性,结果表明:该指数不仅能够定量表达斑块的空间扩张规模,而且可以准确识别斑块的空间扩张模式。根据扩张斑块与原斑块的空间位置关系,将景观的空间扩张模式划分为邻接扩张式和外部扩张式两种。提出的景观扩张指数在技术方法上计算简便,易于实现,完善了景观格局动态的量化表征科学方法。

基于多维景观扩张指数的城市紧凑度分析研究

城市紧凑度是反映城市空间形态的重要指标。基于二维平面上建设用地斑块与原有建设用地斑块之间的缓冲区或者共同边分析是现有研究中测度新增建设用地紧凑或者扩散的主要方式,但是这类方法忽视了斑块内部三维建筑物的高度以及斑块之间的距离。为了更加客观准确地评价微观斑块尺度实际紧凑程度,本文提出了多维景观扩张指数(Multi-dimensional Landscape Expansion Index,MDLEI),通过对中国36个主要城市建设用地图斑中的建筑物图斑进行提取,分别使用景观扩张指数(Landscape Expansion Index,LEI)和MDLEI计算建筑物图斑的扩张指数,并对各市两种扩张指数分别占所有城市均值总和的比例进行比较来确定该城市的紧凑度是否被高估。主要结论为:在扩张模式的识别上,MDLEI识别出的飞地式扩张斑块的数量和面积均高于LEI对应结果,表明LEI高估了扩散型增长斑块的紧凑程度;根据MDLEI计算得到的各市扩张斑块紧凑度,发现紧凑度较高的城市均分布在胡焕庸线以东,其中紧凑度最高的厦门、深圳、杭州、上海均为东南沿海城市,总体呈现出东高西低,南高北低的紧凑度分布状态。多维景观扩张指数能较为准确地识别微观层面扩张斑块的紧凑度,为政府因地制宜进行建设用地扩张管理和存量规划提供科学有效信息。

一种新的城市景观扩张过程测度方法:多阶邻接度指数

提出多阶邻接度指数(Multi-order Adjacency Index, MAI),应用多阶缓冲区完善对新旧斑块间空间关系的识别,从而更为详细地揭示城市扩张过程特征。MAI的延伸公式可供自下而上从宏观分析城市整体的扩张程度及空间变化过程。选取武汉市作为研究区,基于4期遥感影像(1995、2000、2005和2010年)划分3个时段应用MAI分析武汉市城市景观格局的演变特征。结果表明,MAI能够详细地反映出新增城市斑块在空间上有更加离散的分布趋势,新增斑块的扩张程度逐渐加深,建成区的边界不断向外延展。比较MAI与LEI(Landscape Expansion Index,LEI)的特征差异,指出MAI能够更加详尽地反映新旧斑块间的空间位置关系。

合肥市建设用地扩张演变与模拟研究

本文以1990年—2020年合肥市土地利用数据为基础,采用PLUS模型模拟合肥市2030年的土地利用情况,并结合景观扩张指数计算建设用地景观格局演变特征。结果表明,1990年-2030年合肥市建设用地扩张主要以边缘式扩张为主,建设用地扩张先后经历起步阶段、加速阶段和稳定阶段。同时,随着建设用地的不断外扩,建设用地逐渐融合,斑块更加集聚,斑块形状更加规则。

快速城市化过程中石家庄市景观格局变化研究

城市化过程通过改变地表景观结构而改变城市环境质量,因此研究城市景观格局及其变化具有重要意义.以石家庄市为例,基于遥感、GIS和Fragstats软件分析景观类型特征及变化.结果表明,研究时段内除农田植被和低密度不透水面面积及比例减少外,其余景观类型呈扩张趋势,高密度不透水面扩展最快.低、中密度不透水面景观边界复杂化,内部复杂斑块比例减小;高密度不透水面边界简单、内部斑块复杂、连通性增强;未利用地边界复杂,斑块团聚;城市植被和水体形状变化不显著,聚集程度上升,但连通性变化相反.扩张景观类型的扩张指数大小顺序为:高密度不透水面,未利用地,城市植被,水体和中密度不透水面.

基于触媒理论的城市形态扩张人工智能模拟

为了研究城市化过程中规划政策和关键区位对于城市空间形态扩张和功能结构调整的带动作用,以吉林省延吉市为例,基于触媒理论,通过未来土地利用模拟模型和景观扩张指数,探索规划政策的修改对未来城市形态发展的影响,诊断城市扩张方式。结果表明:规划政策修改前城市形态紧凑度低,出现离心型城市化的现象;规划政策修改后,新机场作为新的城市触媒更好地连接新老城区,城市空间结构优化,城市形态紧凑度提高。城市触媒对城市形态的优化作用,需要利用良好的空间规划政策。在现行规划政策付诸实施之前,FLUS模型能对未来结果以及开发选择进行评估。

蕉城区城乡建设用地景观格局变化研究

以福建省宁德市蕉城区2010年土地利用现状图和2020的土地利用规划图作为基础数据,提取了该区各个行政区的城乡建设用地信息。运用景观格局分析理论,选取五种景观指数,其中采用了一个新型的景观扩张指数,用以表征城乡建设用地动态变化过程。结果表明,蕉城区在规划期间城乡建设用地将大量扩张,面积将增加71.4%;其中面积增加最多的是潭湾镇,达到1157.45 hm2;而该地区城乡建设用地分形维数从2010年的1.349变为2020年的1.319,稳定性指数从0.153增加到0.1822;这就说明该地区在人为规划因素影响下,其斑块变得越来越规则,结构也趋于稳定,其中以七都镇最为突出,稳定性指数增加77.0%,达到0.223;另外通过计算景观扩张指数,得出该区86%的扩张斑块为邻接式扩张,14%的扩张斑块为外部式扩张,比较突出的是飞鸾镇和三都镇,它们外部式扩张的斑块数超过10个。

结合宏观和微观视角的东莞城市建成区扩张特征分析

分析城市扩张过程中土地的供给现状、集约应用和利用监测等,对城市精准化管理与未来发展规划具有重要意义。本文基于东莞市历年遥感影像数据,提取城市用地信息,分别从宏观和微观角度量化城市用地变化和城市扩张过程,解释城市建成区扩张特征及城市扩张时空演化规律。研究表明:宏观上东莞市建城区面积1998—2018年逐渐扩张,直至2018年建成区面积增加918.85 km^(2);年均城市扩张强度在不同时期显示不同,1998―2003年为4.2%,2013―2018年为0.78%;城市土地密度变化符合反S曲线规律,其值随着距离城市中心由近到远递减,同时期城市建成区的紧凑度呈逐年上升趋势;城市扩张形式表现不同,1998―2018年城市扩张形式由边缘式逐渐向填充式转变,特别是2018年相比1998年扩张形式变化明显,边缘式减少38.93%,飞地式减少3.7%,而填充式增加42.65%;不同方位上城市发展紧凑度表现不同,西部低海拔河谷平原地区城市扩张紧凑度显示较高,而东南部山区的城市紧凑度显示低值。

玛纳斯河流域人工绿洲空间扩张模式

针对绿洲城市城乡间生态位势差异不断扩大,稀缺生态资源尤其是水资源不断向城市集聚,农业用地面临的生态压力等问题,运用景观生态学及流域生态学理论,基于遥感影像解译及信息识别技术,用景观指数综合分析方法,从空间扩张类型、方向、重心及趋势等方面研究了玛纳斯河流域人工绿洲空间扩张规律。结果表明:玛纳斯河流域农业用地总体仍呈缓慢扩张趋势,扩张模式以填充式空间扩张为主,边缘式和飞地式扩张为辅,空间异质性明显,景观形态趋于整体紧凑,扩张重心向西北方向转移;建设用地呈迅速扩张趋势,扩张模式以飞地式扩张模式为主,填充式和边缘式为辅,空间扩张重心向东北转移,具有快速城镇化初级阶段的典型特征;人工绿洲平均斑块扩张指数(MEI)和面积加权平均斑块扩张指数(AWMEI)都呈明显上升趋势,建设用地迅速扩张是玛纳斯河流域城市扩张的主体。

顾及城市空间结构信息的元胞自动机模型构建及其应用

利用衡量新增斑块空间邻接关系的多阶景观扩张指数定量识别城市组团的空间特征,结合城市组团所表现出的城市空间结构信息,构建基于MLEI的元胞自动机城市扩展(MLEI-CA)模型。针对武汉市1990、2000、2013年3期遥感影像数据,运用MLEI-CA对武汉市城市扩展进行模拟,通过与Logistic-CA模型对比验证该模型的适用性。研究结果表明,MLEI-CA模型更加准确地揭示城市扩展的空间演变过程,MLEI-CA模型精度优于Logistic-CA模型,Kappa系数、城市用地的精度分别提高6%和4%。

东莞市城镇扩张景观格局变化特征

借助ENVI对东莞市1997—2013年的TM/ETM遥感影像进行解译,利用景观格局梯度变化分析以及景观扩张指标(LEI)与AMOEBA空间层次聚类算法相结合,从空间相对距离变化及扩张时序变化两个角度,对城镇斑块景观时空分异性、扩张变化程度、类型以及组团的空间分异性特征进行剖析,从动态及静态两个方面了解城镇扩张过程中空间结构的变化特征。结果表明:①1997—2013年,东莞的城镇扩张呈现出以边缘式扩张模式为主的状态;②从梯度分析结果来看,距离城镇中心10 km范围内已经形成较为成熟的城镇区域,10～40 km范围内的地区属于扩张活跃地带;③新增城镇用地受到城镇中心、周边城市以及主要交通线延伸的影响,形成具有时空分异特征组团。最后,为了城镇的可持续发展,依据城镇分析结果,结合东莞城镇发展情况,提出了相应的对策建议。

基于GlobeLand30的城市生态用地时空变化特征——以北京市为例

生态用地是保障城市生态系统结构及功能稳定的土地类型。在城市高速增长而土地资源有限的背景下,北京市探索了城市总体规划统领的生态保护与建设有效途径,探究其生态用地时空变化特征,能够为生态用地与建设用地同步规划和协调布局提供参考。针对现有研究中孤立探讨生态用地相关问题的不足,将城市视为一个整体,在综合分析生态用地与其他用地的关系的视角下,基于北京市2000年、2010年和2020年的GlobeLand30土地覆盖数据,首先分析了2000—2020年生态用地与建设用地、农用地的相互转化,揭示了各类用地变化强度在不同距离及方位的空间分布特征,应用景观格局指数刻画了空间形态变化;其次,进一步拓展了景观扩张指数的应用范围,建立景观扩张/收缩指数判定生态用地空间形态变化模式;通过高斯两步移动搜索法计算建设用地与生态用地的可达性。结果表明:(1)生态用地面积占比一直为13%—15%,但不同距离和方位的空间分布发生显著变化,生态条件较好区域受城市增长负面影响较大,生态条件相对薄弱区域的生态建设在城市增长中加强。(2)生态用地的空间形态变化不大,但空间分布趋于分散;生态用地增加以新生模式和扩展模式为主,减少则从消亡模式为主转向分裂模式和收缩模式为主。(3)建设用地与生态用地的可达性整体偏低,2000—2010年新增建设用地可达性的低等级占比高于既有建设用地,可达性高值区零散分布在中心区域;2010—2020年新增建设用地可达性的较高等级占比高于既有建设用地,可达性较高区域的空间分布更加均匀。研究结果有助于从北京市解决城市增长与生态建设矛盾的成效中,发现值得其它城市借鉴的有益经验。

苏锡常地区建设用地扩张过程的定量分析

基于遥感影像与社会经济统计数据,本文综合运用3S空间分析技术、景观扩张指数与多元逐步回归模型,分析了1990—2010年苏锡常地区建设用地扩张的时空特征、空间模式及社会经济驱动力.结果表明:研究区建设用地面积经历了快速增长-缓慢增长-加速增长的变化轨迹,这与不同时期国家宏观政策的重大调整紧密相关;研究期间,建设用地面积增长2218.9 km2,主要源于对水田、旱田、水库坑塘等生态用地的占用;1990—1995年,区域建设用地主要以填充式、边缘式进行扩张;1995—2000年,填充式、边缘式受到政策限制,飞地式成为建设用地扩张的主要途径;2000年以后,飞地式扩张大幅锐减,填充式扩张显著增强,建设用地空间形态逐渐趋向紧凑;区域经济高速增长是驱动建设用地扩张的主导因素,城镇人口的激增也加速了建设用地的扩张.未来区域的经济社会发展规划,应重视提高土地集约利用水平、加强土地管理体制创新并推行紧凑的城市发展模式.

自组织双重空间聚类算法的城市扩张结构分析应用

双重空间聚类是能顾及空间连续性和属性相似性的空间数据分析,而常规空间聚类算法难以同时顾及2方面的约束条件。本文采用自组织双重空间聚类算法,对城市扩张结构分析进行了研究。通过改造自组织特征映射的最佳匹配神经元搜索的算法机制,在空间域和属性域进行迭代聚类搜索,实现了自组织双重空间聚类。以武汉市扩张斑块的位置信息和扩张程度指数为输入数据,使用自组织双重空间聚类算法,实现了城市扩张动态结构的识别。自组织双重空间聚类算法使得聚类结果,既在空间域上连续,又在属性域上相近,算法过程具有自组织性,减少了人为影响。

深圳市近20年城市景观格局演变及其驱动因素

基于深圳市1996—2015年土地利用数据,利用景观指数、景观转移矩阵和景观扩张指数等方法探究了深圳市近20年景观格局时空变化、主要景观类型转移和建筑用地扩张模式,最后使用Binary Logit模型考察了市级和区级建筑用地景观扩张的主要驱动因素。结果表明:①1996—2015年,深圳市建筑用地景观优势性逐步增强,面积增加15.81%,以蔓延式(61.9%)和填充式(36.27%)扩张为主;②1996—2006年为城市化快速扩张期,建筑用地扩张呈集中开发形态,景观多样性和均匀性增加,城市扩张中心略微向北部和东部移动,2006—2015为城市化低速过渡期,景观破碎化加剧,城市扩张重心向北部和西部偏移;③在市级尺度上,GDP密度和人口密度对建筑用地景观扩张有显著正影响,生态控制线、高程、坡度和至道路的距离有着显著负影响。每单位生态控制线范围、坡度的增加分别将使建筑用地景观扩张的机会比率将平均减少到原来0.8168倍、0.8841倍。各驱动因素表现出区域和尺度差异性,GDP对宝安区、南山区和坪山区,人口增长对宝安区、龙华区,以及交通可达性对大鹏新区、龙岗区驱动分别最为突出。研究结果可以为中国城市快速扩张过程中的景观格局变化提供科学实践。

渝西农业区土地利用动态与景观格局分析——以铜梁区张家沟小流域为例

以铜梁区张家沟小流域为例,基于1957—2014年5期矢量数据,分别运用景观格局指数、景观扩张指数以及土地利用动态度等方法,研究渝西农业区土地利用及景观格局时空变化规律。结果表明,张家沟小流域土地利用综合动态度在1998—2014年间最高(9.25%),1983—1998年间最低(7.74%),且年变化速率较高,发展较快;研究时段内张家沟小流域斑块数目不断增加,旱地面积大幅下降,林地覆被面积先减少而后逐步恢复,居民点斑块规模小、数目多、形状复杂、分布零散破碎;小流域总体以水田为优势景观,且水田面积不断扩大,至2014年水田面积已达7.28km2,占小流域总面积的49%,扩张模式多为邻接式小规模扩张。研究认为,作为渝西较典型的农业片区,1957—2014年间张家沟小流域土地利用及景观格局变化逐渐趋于稳定,景观斑块数目未来依然有不断增加的趋势,随着重庆市经济的不断发展以及相关政策规划的实施,未来该农业片区土地利用年变化速率依然可能偏高。

基于GlobeLand 30的南亚各国人造地表变化时空特征分析

以南亚各国为例,基于2000、2010和2020年三期GlobeLand30数据,通过空间扫描统计法、景观扩张指数和洛伦兹曲线对2000—2010年和2010—2020年两个时段南亚各国的人造地表扩张情况进行统计分析,研究南亚各国人造地表的时空变化和空间结构的发展特征。结果表明:(1)南亚人造地表面积持续扩张,扩张率由2000—2010年的0.42%增长到2010—2020年的2.59%。(2)近20年来,印度人造地表面积扩张量最大,不丹的扩张率最快,南亚在人造地表扩张的过程中出现了显著的空间热点区域,并且在不同时段表现出空间热点的迁移现象。(3)巴基斯坦西部、斯里兰卡中部、孟加拉国西北部以及印度东部和南部飞地式斑块增加,人造地表呈现出分散凌乱的扩散特点;印度北部、斯里兰卡东部和孟加拉国东南部的新增斑块类型由飞地式转化为填充式和边缘式,表现出从扩散式阶段发展到趋于紧凑的聚合式阶段的变化趋势。(4)南亚各国人造地表的扩张在不同规模的城市尺度上存在很大差异,导致人造地表扩张过程表现出明显的不均衡性。

基于灯光数据的西南生态屏障区建设用地扩展的空间分布特征

基于1998年、2003年、2008年和2013年4期夜间灯光影像数据,本文对西南生态屏障区建设用地的扩展情况进行了分析。结果表明:(1)1998年到2013年,研究区建设用地面积共增加了19282.31 km^2。其中,广西和四川建设用地面积增加最多。从时间尺度上看,1998-2003年该地区的建设用地扩展强度最大,为5.23%。与全国相比,研究区建设用地扩展强度处于中等水平。(2)研究时段内,研究区建设用地的重心呈南移趋势。(3)整个研究区建设用地扩展以边缘型扩展为主,并呈逐渐增加的趋势。飞地型扩展不断减小,内填型扩展减小迅速。各地区建设用地仍以边缘型扩展为主,不同地区变化情况不同。(4)交通运输,尤其是铁路运输的发展对研究区建设用地的扩展至关重要。城镇人口的增加、游客的增多及经济的发展对建设用地的扩展具有一定的影响。