李志強,周偉奇,3,*
1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站, 北京 100085
城市作為“社會-經(jīng)濟-自然”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),其景觀具有高動態(tài)度的特征[1- 3],具體表現(xiàn)為土地覆蓋/土地利用在時間和空間兩個維度上的高頻變化[4-5]。這種變化可能會帶來環(huán)境質(zhì)量的下降,如產(chǎn)生揚塵、噪聲等,并降低城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,影響城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),從而導(dǎo)致城市可持續(xù)發(fā)展能力下降[6-7]。此外,城市內(nèi)部高動態(tài)地區(qū)通常是城市生態(tài)系統(tǒng)的敏感區(qū),也是城市監(jiān)管的重點區(qū)域[8]。因此,開展城市內(nèi)部景觀格局動態(tài)變化的定量化研究是理解城市生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律以及城市監(jiān)管和城市規(guī)劃的基礎(chǔ)[9]。
城市化與城市發(fā)展對景觀格局的影響,既包括城市擴張過程中對景觀格局的影響,也包括城市內(nèi)部更新產(chǎn)生的景觀格局的動態(tài)變化?;贚andsat等中等分辨率遙感影像眾多的學(xué)者在城市、區(qū)域,甚至全球尺度上研究了城市擴張引起的城市景觀格局動態(tài),揭示城市發(fā)展過程中建設(shè)用地的增長及其帶來的農(nóng)田、森林、草地和濕地等其他生態(tài)系統(tǒng)喪失的城市化影響[10- 13]。研究中通常假設(shè)城市內(nèi)部土地變化都是從透水面轉(zhuǎn)化為不透水面,且這種變化不可逆[14-15]。但是,城市發(fā)展過程中,不僅存在城市空間的向外擴張,城市建成區(qū)也存在高度的動態(tài)變化[5],只是這種內(nèi)部動態(tài)受限于空間分辨率,基于中等分辨率的遙感影像的方法難以揭示[9,16]。城市內(nèi)部景觀的高度異質(zhì)性,需要采用更高空間分辨率的數(shù)據(jù),在更精細(xì)的尺度,才能準(zhǔn)確刻畫[16-17]。街區(qū)作為城市管理的基本單元,也是開展城市更新、內(nèi)部填充等土地開發(fā)活動的基本單元[18-19]。國際上,如美國等國家以街區(qū)尺度開展的研究相對較多,而中國由于城市街區(qū)尚未有明確的官方定義,街區(qū)的劃分方法還有待統(tǒng)一[18],使得在街區(qū)尺度上對城市內(nèi)部動態(tài)度開展定量化的研究還十分罕見。
為揭示城市內(nèi)部土地覆蓋動態(tài)度變化的空間異質(zhì)性,本研究以深圳市為例,利用多等級道路數(shù)據(jù)劃分街區(qū),基于高分辨率衛(wèi)星影像解譯的土地覆蓋數(shù)據(jù)對街區(qū)尺度的土地覆蓋動態(tài)度及其土地利用強度進行量化,以期回答如下3個科學(xué)問題:(1)深圳城市建成區(qū)街區(qū)尺度上土地覆蓋變化的劇烈程度如何,其在空間上如何分布?(2)城市內(nèi)部街區(qū)不同土地覆蓋類別動態(tài)度及其土地利用強度有何差異?(3)街區(qū)的動態(tài)度與街區(qū)大小是否存在關(guān)聯(lián)?回答上述問題,有助于深化對城市景觀動態(tài)的認(rèn)識,為城市景觀動態(tài)的監(jiān)測、管理以及城市規(guī)劃提供科學(xué)支撐。
深圳市地處廣東省南部,毗鄰中國香港,位于東經(jīng)113°46′—114°37′,北緯 22°27′—22°52′之間,全市面積約為1997 km2,是中國實施改革開放政策以來設(shè)立的第一個經(jīng)濟特區(qū)(圖1)。40余年來,伴隨著城市的飛速發(fā)展,深圳市土地覆蓋也發(fā)生著高度動態(tài)變化。1979年到2017年,深圳市建設(shè)用地從26.49 km2增長到946.14 km2,經(jīng)歷了34倍的城市增長[20]。2010年,深圳市頒布了《深圳市城市總體規(guī)劃(2010—2020)》,控制外部增量,挖潛內(nèi)部存量。2013年深圳市的城市更新項目達(dá)72個,占地面積5.45 km2,占深圳市建設(shè)用地面積的0.63%[21]。深圳城市空間增長開始逐漸由“攤大餅式”的快速擴張向“存量優(yōu)化”的城市更新模式轉(zhuǎn)變[22]。因此,深圳市是研究城市內(nèi)部動態(tài)度量化的理想地點。
圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Summary of study area
研究基于OpenStreetMap(https://www.openstreetmap.org)下載的2017年5等級道路矢量作為劃分深圳市街區(qū)的邊界,不同等級道路分別為:高速公路(motorway)、主干道(trunk)、一級道路(primary)、二級道路(secondary)、和三級道路(tertiary)(表1)。為了刻畫深圳市高時空動態(tài)度特征,選取2017、2018 年SPOT 6和GF- 1號(全色波段分辨率為1.5 m,多光譜分辨率為6 m)高分辨率遙感影像解譯的土地覆蓋結(jié)果(圖2),進行街區(qū)動態(tài)度的量化。遙感影像土地覆蓋解譯結(jié)果的類別共有9類,分別為林地、草地、水體、建筑、在建用地、道路、其他不透水地表、裸土、農(nóng)田。參考Qian等[16]精度驗證的方法,獲得兩期影像分類總體精度分別為89.67%和90.67%。
圖2 2017和2018年深圳市土地覆蓋分類結(jié)果Fig.2 Land cover classification maps of Shenzhen in 2017 and 2018
表1 道路等級描述表
本研究在街區(qū)尺度上量化深圳市動態(tài)度,主要包括以下三個方面:(1)基于深圳市多等級道路矢量劃分深圳市街區(qū);(2)利用2017、2018年土地覆蓋分類結(jié)果量化街區(qū)的動態(tài)度及其土地利用強度;(3)統(tǒng)計分析不同街區(qū)動態(tài)度與街區(qū)大小以及土地覆蓋類型的關(guān)系。
2.2.1城市街區(qū)的劃分
研究中通常將街區(qū)定義為具有正方形或長方形形狀,建筑填充其中,以閉合街道為邊界的密集空間[23]。作為城市居民社會活動的基本單元,街區(qū)已成為城市生態(tài)、城市規(guī)劃、城市管理等領(lǐng)域的重要分析尺度。近些年,國內(nèi)已有學(xué)者在考慮空間、功能維度等方面的基礎(chǔ)上提出街區(qū)的劃分方法[18,24-25],但不同方法仍存在復(fù)雜、不易應(yīng)用,以及與實際不符等情況。本研究借鑒Xia等的方法[24],利用5個等級的道路矢量來劃分城市街區(qū)。具體方法如下:在ArcGIS10.1軟件中,將獲取的不同等級的道路矢量數(shù)據(jù)進行融合(Merge)處理,手動修改不同等級道路間的拓?fù)溴e誤,利用線轉(zhuǎn)面 (Feature To Polygon) 工具將道路線狀矢量轉(zhuǎn)化為街區(qū)面狀矢量。由于不同等級道路間相互交錯,產(chǎn)生許多較小面積的地塊,這些地塊并不具有城市生態(tài)學(xué)和城市管理學(xué)意義,對初步獲得的街區(qū)進行如下處理:(1)將面積小于1hm2的地塊合并到相鄰街區(qū)地塊中;(2)2005年起深圳市劃定了生態(tài)控制線,管制綠色空間[22],部分由道路直接產(chǎn)生的地塊內(nèi)部全部為林地,不符合街區(qū)定義,故將其刪掉,最終得到深圳市街區(qū)分析單元。
2.2.2城市街區(qū)動態(tài)度及其土地利用強度量化
為反映街區(qū)內(nèi)土地覆蓋變化的頻率與幅度,研究使用街區(qū)動態(tài)度指數(shù)對其進行量化。城市內(nèi)部土地覆蓋變化包括地類轉(zhuǎn)出和地類轉(zhuǎn)入兩個過程,只關(guān)注地類的凈變化無法反映土地覆蓋真實的動態(tài)度[16,26]。動態(tài)度的量化需要同時關(guān)注這兩個過程。本研究借鑒Wang等量化城市綠地動態(tài)度的方法,利用土地利用動態(tài)度指數(shù)對深圳市街區(qū)尺度上的土地覆蓋動態(tài)度進行量化[9]。首先,基于深圳市2017年和2018年的土地覆蓋分類結(jié)果,進行兩年間土地覆蓋的變化檢測分析。然后,在街區(qū)尺度上對深圳市9種地類間的轉(zhuǎn)化結(jié)果進行動態(tài)度指數(shù)(Dynamic Index,DI)的計算:
(1)
其中,DI為街區(qū)內(nèi)土地覆蓋動態(tài)變化的比例;s為遙感影像解譯的期數(shù),本研究中s為2;i為土地覆蓋類別代碼;j為土地覆蓋類別數(shù)量,本研究中j為9;P(i→noti)為土地覆蓋類別i轉(zhuǎn)變?yōu)榉莍類別的比例。
土地利用強度指數(shù)不僅可以反映土地利用程度的高低,也可以反映土地利用開發(fā)的環(huán)境效應(yīng),被廣泛應(yīng)用于土地覆蓋動態(tài)變化研究中[27-28]。研究使用劉紀(jì)遠(yuǎn)等提出的土地利用強度綜合指數(shù)[29],其計算公式為:
(2)
土地利用強度變化可定量反映土地利用的綜合水平及其變化趨勢,計算公式如下:
(3)
其中,I為土地利用強度綜合指數(shù),Ai為第i級的土地利用程度分級指數(shù);Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比;ΔI為土地利用強度綜合指數(shù)的變化,該值為正數(shù)時,表明土地利用程度增加,而該值為負(fù)數(shù)時,表明土地利用程度降低。Cia和Cib分別為第i級土地利用程度在時間a、b時的分級面積百分比。
根據(jù)慶大方等對土地利用分級的描述[29],以及深圳市土地利用的實際情況,對深圳市土地利用強度等級進行以下分級:
表2 土地利用程度分級賦值表
2.2.3統(tǒng)計分析
熱點分析(hotspot analysis)是一種識別感興趣變量聚集分布區(qū)域的空間分析方法,廣泛應(yīng)用于土地覆蓋動態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究[30-31]。本研究利用局部Gi*統(tǒng)計量(Getis-Ord Gi*)對街區(qū)尺度動態(tài)度進行熱點分析,識別其熱點和冷點的空間分布,分析其空間聚集特征,可為城市內(nèi)部高動態(tài)度區(qū)域的監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。為探究街區(qū)動態(tài)度在不同街區(qū)大小上的差異,研究基于街區(qū)動態(tài)度與街區(qū)面積的散點圖及二者數(shù)據(jù)分布的箱式圖,進行回歸分析,從而為城市街區(qū)動態(tài)監(jiān)測提供參考。土地覆蓋轉(zhuǎn)變過程中,不同地類對動態(tài)度的貢獻度往往不同,將每種類別轉(zhuǎn)移占總變化的比例定義為動態(tài)度貢獻度(公式4),統(tǒng)計每個街區(qū)中不同類別轉(zhuǎn)移對于街區(qū)動態(tài)度貢獻度,分析街區(qū)不同土地覆蓋轉(zhuǎn)移類別的差異。
(4)
其中,P(i→j)為街區(qū)內(nèi)部類別i轉(zhuǎn)化為j的比例。
深圳市6個等級道路共劃分出5044個地塊,去除掉位于生態(tài)控制線內(nèi)的地塊,共得到4796個街區(qū)(圖3)。街區(qū)面積共1061.43 km2,占深圳市國土面積的53.15%。計算街區(qū)動態(tài)度指數(shù),發(fā)現(xiàn)2017—2018年深圳市共有716個街區(qū)發(fā)生土地覆蓋變化,占街區(qū)總數(shù)的14.93%,表明深圳市街區(qū)尺度上的土地覆蓋變化仍處于高度動態(tài)中。其中,動態(tài)度較高的街區(qū)主要分布在鹽田區(qū)、大鵬新區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū),街區(qū)平均動態(tài)度分別為18%、17.6%、17.5%和17.1%,而龍崗區(qū)、福田區(qū)、坪山新區(qū)等區(qū)的土地覆蓋變化動態(tài)度則相對較低,街區(qū)平均動態(tài)度分別為10%、12.2%和12.7%(圖4),說明深圳市西部沿海地區(qū)總體上仍處于較為劇烈的開發(fā)中。
圖3 深圳市2017—2018年街區(qū)動態(tài)度分布Fig.3 Distribution of dynamics of street block in Shenzhen from 2017 to 2018
圖4 深圳市各區(qū)街區(qū)動態(tài)度箱式分布圖 Fig.4 Boxplot of block dynamics of different districts in Shenzhen
2017—2018年深圳市在不同置信度下動態(tài)度的熱點分布如圖5。本文以P<0.05(95%可信度)作為判斷顯著性的標(biāo)準(zhǔn),動態(tài)度熱點主要分布在寶安區(qū)西北部、寶安區(qū)與南山區(qū)交界的前海新區(qū),以及坪山新區(qū)的中部和東部。這些區(qū)域主要是深圳市近些年原特區(qū)外重點開發(fā)的區(qū)域。而作為原特區(qū)的南山區(qū)、羅湖區(qū)、福田區(qū),由于開發(fā)程度較高,則為深圳市動態(tài)度冷點區(qū)域。
圖5 深圳市2017—2018年街區(qū)動態(tài)度熱點分布Fig.5 Hotspots of block dynamics in Shenzhen from 2017 to 2018
分析街區(qū)內(nèi)部土地覆蓋類別對街區(qū)動態(tài)貢獻度可以發(fā)現(xiàn):不同類別土地覆蓋間的轉(zhuǎn)移對街區(qū)動態(tài)的貢獻度具有較大差異(圖6)。其中,街區(qū)貢獻度最高的為林地到裸土的轉(zhuǎn)化,為12.59%;其次為在建用地向建筑、林地向建筑用地,以及其他不透水地表向裸土的轉(zhuǎn)移,其動態(tài)度貢獻度分別為7.21%,7.00%,6.20%;而草地和農(nóng)田與其他類別間的轉(zhuǎn)化對街區(qū)動態(tài)的貢獻度相對較小,分析原因主要為城市內(nèi)街區(qū)草地與農(nóng)田的比例很少。值得注意的是,其他不透水地表向裸土的變化的動態(tài)度貢獻度較高,說明城市更新引起的城市內(nèi)部動態(tài)占據(jù)重要地位。
圖6 不同土地覆蓋類別轉(zhuǎn)移對街區(qū)動態(tài)貢獻度熱點圖(灰色表示無值)Fig.6 Heatmap of contribution of different land cove types to block dynamics (gray squares represent null value)
對比街區(qū)的土地利用強度變化可以發(fā)現(xiàn),不同街區(qū)的土地利用強度變化差異較大,土地利用強度變化值的范圍為-400—337.2。在深圳市4796個街區(qū)中,土地利用強度發(fā)生變化的有735個。其中,土地利用強度變化為負(fù)值的有390個,占變化街區(qū)總數(shù)的8.13%,主要分布在城市內(nèi)部,如寶安區(qū)東部、龍崗區(qū)南部、坪山新區(qū)、羅湖區(qū)、福田區(qū)等。而土地利用強度變化為正值的有345個,占變化街區(qū)總數(shù)的7.19%,主要分布在城市外圍,如寶安區(qū)西部沿海、龍華新區(qū)、龍崗區(qū)與坪山新區(qū)相鄰的區(qū)域、南山區(qū)北部等。以上街區(qū)土地利用強度變化表明,深圳市城市內(nèi)部總體上土地開發(fā)強度降低,而城市外圍的土地開發(fā)強度增加,可能的原因為城市更新更注重城市生態(tài)環(huán)境的改善,增加了街區(qū)的生態(tài)用地,使街區(qū)的土地開發(fā)強度有所降低。
圖7 深圳市街區(qū)土地利用強度變化分布Fig.7 Distribution of land use intensity changes of blocks in Shenzhen
分析街區(qū)大小與街區(qū)動態(tài)度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):深圳市街區(qū)大小主要集中在1—85.03hm2之間,街區(qū)平均面積為42.22 hm2(圖8),表明深圳市不同街區(qū)的大小存在較大差異,且街區(qū)大小在均值上下分布范圍較大。街區(qū)動態(tài)度則主要分布在0.1%—43.95%,街區(qū)的平均動態(tài)度為14.63%(圖8),說明不同街區(qū)的動態(tài)度大小也存在較大差異,需要對不同街區(qū)進行的差異化的監(jiān)管。從街區(qū)動態(tài)度和街區(qū)大小的散點圖可以得到:隨著街區(qū)面積的增加,街區(qū)動態(tài)度先急劇下降,之后下降程度逐漸放緩。利用對數(shù)回歸進行擬合,得到街區(qū)動態(tài)度隨街區(qū)大小變化的回歸方程,并通過統(tǒng)計上的顯著性檢驗(P<0.01)。街區(qū)動態(tài)度與街區(qū)大小間的非線性關(guān)系表明動態(tài)高的街區(qū)主要為面積相對較小的街區(qū),這一結(jié)果也為街區(qū)尺度上的城市監(jiān)管提供了參考。
圖8 深圳市街區(qū)動態(tài)度與街區(qū)面積邊際箱線圖及二者關(guān)系Fig.8 Distribution of block size and block dynamics and relationship between them
研究通過對深圳市城市街區(qū)動態(tài)度的量化,在街區(qū)尺度上揭示了深圳市內(nèi)部土地覆蓋動態(tài)度特征,加深了對城市生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化的理解,豐富了城市發(fā)展過程中的土地覆蓋時空動態(tài)的變化規(guī)律。對比前人研究結(jié)果[20,32],深圳市在城市化初期與后期,城市土地覆蓋均具有高度的動態(tài)度,但兩個階段動態(tài)變化特征存在明顯差異。從動態(tài)度空間分布上看,城市化初期,深圳市大規(guī)模進行圍海造陸等城市擴張活動,土地覆蓋變化主要發(fā)生在西部沿海和北部的林地[20],城市動態(tài)度熱點主要分布在城市外圍。而進入城市化后期,深圳市城市發(fā)展從“增量擴張”向“存量優(yōu)化”轉(zhuǎn)變,城市高動態(tài)度熱點由城市外部向城市內(nèi)部轉(zhuǎn)移。南山區(qū)、鹽田區(qū)作為原經(jīng)濟特區(qū),面臨著以城市更新為主要方式的“存量優(yōu)化”改造?!渡钲谑袑嵤〇|進戰(zhàn)略行動方案(2016—2020)》中提出加快東部城區(qū)城市化進程,打造東部發(fā)展新軸帶,實現(xiàn)東西均衡發(fā)展[33]。大鵬新區(qū)東部沿海地區(qū)作為深圳市著力打造旅游名片,鹽田區(qū)作為東進的重要通道都具有較高的動態(tài)度。
從變化類別來看,以往的研究表明深圳市快速的城市化主要通過侵蝕林地、農(nóng)田、濕地來增加建設(shè)用地[20],因此向外部蔓延的城市擴張成為深圳市城市化初期動態(tài)度的主要貢獻者。而現(xiàn)階段的城市動態(tài)則主要來自于城市內(nèi)部的存量式開發(fā),如城市更新活動等,表現(xiàn)為其他不透水地表轉(zhuǎn)化為裸地的變化也具有較高的動態(tài)度貢獻,并且城市內(nèi)部的土地利用強度變化相對城市外圍較低,一定程度上改善了城市人居環(huán)境。因此,“存量優(yōu)化”階段下的城市動態(tài)度監(jiān)測在兼顧城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施(如城市公園、廣場植被等)和藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施(如河道、公園水體等)的同時,也應(yīng)該關(guān)注城市內(nèi)部建筑以及城市棕地的動態(tài)[34],以改善城市人居環(huán)境,實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。
及時準(zhǔn)確獲得城市動態(tài)度信息是城市生態(tài)監(jiān)管和城市規(guī)劃的基礎(chǔ)與前提[35]。街區(qū)作為城市居民活動的主要場所,已成為城市生態(tài)與城市規(guī)劃研究中的基本基元[25,36]。街區(qū)大小是街區(qū)的基本屬性之一,其直接影響城市居民的社會生活,如出行方式等,對于城市的社會經(jīng)濟生活具有重要意義[18,24,37]。本研究結(jié)果顯示,不同大小的街區(qū),其動態(tài)度存在較大差異,面積較小的街區(qū),城市動態(tài)度較高,而面積較大的街區(qū)具有較低的動態(tài)度,二者存在非線性關(guān)系。分析可能的原因為面積較小的街區(qū)其內(nèi)部景觀組成較為單一,對其進行土地開發(fā),動態(tài)度的影響是全局的;而面積較大的街區(qū),其景觀組成相對復(fù)雜,內(nèi)部往往有較大面積的城市公園等,土地開發(fā)活動頻度相對較低,其動態(tài)度影響通常是局部的。同時,這一結(jié)果也為城市動態(tài)監(jiān)測提供了參考。在實際監(jiān)測過程中,監(jiān)管人員可將高動態(tài)度的小街區(qū)合并到臨近街區(qū),形成一定尺度的“街區(qū)組”;而對于動態(tài)度低的大街區(qū)可進行更為細(xì)致的“子街區(qū)”分割,進而在“街區(qū)組”和“子街區(qū)”水平上進行監(jiān)管。此外,監(jiān)管中應(yīng)對面積較大且動態(tài)度較高的街區(qū)進行高頻率的監(jiān)測,而對于面積較小且動態(tài)度較低的街區(qū)開展低頻率的監(jiān)測,從而實現(xiàn)街區(qū)的差異化監(jiān)管,提高城市監(jiān)管的效率。
城市發(fā)展過程中不僅往外擴張,城市建成區(qū)內(nèi)部也發(fā)生變化,量化城市內(nèi)部的這種變化,是理解城市發(fā)展的生態(tài)環(huán)境影響,有效開展城市生態(tài)監(jiān)管與城市規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)。本研究以深圳市為例,基于街區(qū)量化相鄰兩年城市的土地覆蓋動態(tài)度,得到如下結(jié)論:(1)深圳市城市內(nèi)部具有較高的動態(tài)度,2017—2018年間14.93%的街區(qū)發(fā)生了不同程度的變化。動態(tài)度的熱點區(qū)域主要分布在南山區(qū)、寶安區(qū)、鹽田區(qū)等,冷點則主要分布在龍崗區(qū)、坪山新區(qū)、福田區(qū)等。(2)相較于城市化初期,現(xiàn)階段深圳市動態(tài)度熱點由西部向東部轉(zhuǎn)移,城市更新引起的土地覆蓋變化(如不透水地表轉(zhuǎn)變?yōu)槁阃恋?的動態(tài)度貢獻較高,是導(dǎo)致城市內(nèi)部景觀動態(tài)的重要因素。與此同時,深圳市街區(qū)的土地利用強度也存在較大差異,且表現(xiàn)為土地利用強度增加的街區(qū)多分布在城市外圍,而街區(qū)土地利用強度降低多分布在城市內(nèi)部。(3)深圳市街區(qū)尺度上空間動態(tài)度隨著街區(qū)面積的增大,先急劇下降,后趨于平緩,二者關(guān)系呈現(xiàn)非線性關(guān)系。研究結(jié)果揭示了深圳市內(nèi)部街區(qū)尺度上的動態(tài)度特征,加深了對城市景觀動態(tài)發(fā)展的認(rèn)識,為城市規(guī)劃和生態(tài)空間監(jiān)管提供了重要支撐。