世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变的数量特征与分形结构模型研究

世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变的数量特征与分形结构模型研究_巡天察地梅安

20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变的数量特征与分形结构模型研究

20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变的数量特征与分形结构模型研究^[1]

徐建华^[2]　梅安新　吴健平　熊云波

摘　要：以上海中心城区为空间范围，以RS和GIS为技术手段，运用多样指数、优势度、破碎度、分离度等指标，研究20世纪下半叶以来上海城市景观镶嵌结构及其演变的数量特征；运用分形理论建立各种景观形态的分形结构模型，以分维数为依据分析各种景观形态的复杂性；基于GIS的空间分析功能，探讨影响景观格局及其演变的主要因素：研究结果表明：（1）上海城市景观的空间扩展，在空间和时间上都是不均匀的；（2）随着时间的推移，景观多样性和破碎度变大，优势度变小；（3）住宅、工矿和其他城市景观的分离度明显地呈减小趋势，农田和村镇的分离度呈增大趋势，道路和河流水域的分离度变化幅度不大；（4）各种景观斑块形态的复杂性程度（分维数的平均值）排序为：道路＞河流水域＞农田＞住宅＞村镇＞工矿＞在建景观＞其他城市景观；（5）从各种景观形态的演变过程来看，住宅斑块形态逐渐趋于复杂化，其斑块形态的分维数呈缓慢地增大趋势；工矿、道路、其他城市景观、农田、村镇等5种景观斑块形态的变化，经历了由简单到复杂，再到简单的变化过程，其分维数在1947—1988年期间呈增大趋势，1988年时增至最大，随后开始逐渐减小；（6）影响上海城市景观格局及其演变的因素主要包括河流廊道、原有基础、交通廊道、经济发展、规划控制等几个方面。

关键词：景观生态学，城市景观，镶嵌结构，分形

景观，是由一系列不同的土地单元或生态系统镶嵌构成，且具有明显视觉特征的地理实体，它是生态学与地理学共同的研究对象。生态学（景观生态学）主要强调景观的异质性、视觉性和物质性，而地理学则主要强调景观的空间性、区域性和综合性。

在一个特定的空间上，各种景观类型互相交错、重复出现、嵌套分布，就形成了一个景观镶嵌体。城市，就是一种典型的景观镶嵌体，其构成要素大致有三类，即①人工景观单元，如道路、住宅、工厂、商场及其他各种建筑物；②半自然、半人工景观单元，如公园、公共绿地、农田等；③人为干扰下的自然景观单元，如河流、水库、自然保护区等。城市景观镶嵌体的结构与功能，明显地区别于其他景观镶嵌体，其景观类型相对单一，景观破碎度明显增大，自然生态功能严重受损；城市景观镶嵌体的功能主要是为人类提供生活和生产场所。

上海是中国规模最大的城市，是全国主要经济中心之一。但是，上海的发展变化主要是在新中国成立以后，20世纪下半叶是上海发生天翻地覆变化的50年。在这50年里，上海城市发展变化的最直观的表现，就是城市景观镶嵌结构的演变，这50年来上海城市景观镶嵌结构的演变过程，记录了新中国成立以来上海城市发展的历史。为了揭示上海城市景观镶嵌结构的演变规律，本文拟以RS和GIS为技术手段，从景观生态学和地理学相结合的角度，运用景观数量分析方法和分形理论，研究20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变问题。

一、研究区域、资料与方法

1.研究区域

新中国成立以来，随着社会经济的发展，上海市区范围一再扩展，行致区划也经历了数次调整。为了便于在同一个空间区域上对不同时期的城市景观镶嵌结构进行比较研究，就必须用一个特定的空间边界界定研究的区域对象。为此，笔者以1988年上海市行政区界线，划定10个中心城区，即黄浦区、南市区、卢湾区、静安区、虹口区、徐汇区、长宁区、普陀区、闸北区、杨浦区，作为本研究区域，总面积280.45km²。

2.研究资料

为了恢复不同时期上海城市景观的真实面貌，笔者从各种不同渠道收集了1947—1996年期间的各种航空遥感、航天遥感与图形资料。其中，航空遥感影像有7个时相（1947、1964、1979、1984、1988、1993、1994年）；航天遥感影像（数据），包括20世纪70年代初期至80年代中期10余时相的MSS影像，5个时相的TM影像，4个时相TM的CCT数据（1985年5月18日，1986年5月31日，1988年1月12日，1996年11月18日），两个时相的SPOT卫星影像（1986年，sx；1994年5月7日，sx＋Pan），两个时相的SPOT卫星的CCT数据（1989年10月25日Pan和1995年12月22日Pan）；图形资料，主要包括1958年1∶20 000、1984年1∶20 000以及1993年1∶25 000的地形图。

3.研究方法

本文采用的研究方法和技术路线是：①根据城市景观的异质性，以及各种城市景观的基本功能，划分景观类型；②通过遥感影像（数据）解译，实际调查、考证，勾绘各个时期各种景观类型斑块；③将各种景观类型斑块转绘到1∶20 000或1∶25 000地形图上；④数字化，运用GIS技术，建立描述各个时期城市景观镶嵌体的空间数据库和属性数据库，绘制景观镶嵌结构图；⑤基于GIS空间数据库和属性数据库，运用景观数量分析方法研究城市景观镶嵌结构演变的数量特征，运用分形结构模型研究各种景观形态的分形特征。

在参考国内外有关文献的基础上，结合本区特点与研究的空间尺度，经过比较，笔者选用景观多样性（Diversity）、优势度（Dominance）、破碎度（Fragmentation）、分离度（Isolation）等指标对于本区景观镶嵌结构进行定量化研究。其中：

①多样性指数，是对景观类型丰富程度和均匀程度的综合描述，其计算公式为：

式中：S为景观类型数目，P_i为第i类景观面积占景观总面积的比重；H为景观多样性指数，H值越大，表示景观类型越丰富，景观类型的多样性越大。

②优势度，用于测度景观镶嵌结构中一种或少数几种景观类型占据支配地位的程度，其计算公式为：

式中：S的意义与（1）式中相同；D为优势度。D值越大，就表示景观结构受一种或少数几种景观类型支配的程度越大。

③破碎度，用单位面积内的斑块数测度，它表示景硬斑块的破碎程度，其计算公式为：

式中：S的意义与（1）式中相同，n_k为第k类景观类型的斑块数，A为景观总面积；F为破碎度。F越大，表示景观斑块越破碎。

④分离度，可以反映城市景观镶嵌体中同一景观类型的不同斑块个体的分布情况，其计算公式为：

式中：I_k为第k种景观类型的分离度，n_k和A的意义与（3）式中相同，Ak为第k种景观类型的面积。

研究表明，景观斑块是自然界中最典型的分形几何体。对于各种景观斑块的形态，可以运用分形理论进行定量化的研究。

Mandelbrot（1982）研究分形几何体的形态结构，建立了如下模型：

式中：S（r）为表面积，V（r）为体积，r为度量尺度；D为分形维数，即分维值。

董连科（1991）应用（5）式推导出了适合于n维欧氏空间中的分形结构模型：

式中：令n＝2，便得到二维欧氏空间中的分形结构模型：

式中：P（r）为周长，A（r）为面积，k为常数，D1为二维欧氏空间中的分形维数。

如果考虑一个景观斑块，它的面积和周长是否也满足（7）式呢？即景观形态是否也具有分形结构？有关研究已经证明，对于任何一种景观类型，其形态结构都具有分形性质。

对（7）式做对数变换，就得到：

可见，对于某一种景观，只要根据各个斑块的面积与周长数据，建立形如（8）式的回归模型就可以得到回归系数2/D₁，这样就求出了该景观类型的分维数D₁。

二、20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构的时空演变

根据城市景观的异质性，结合城市景观镶嵌体的基本功能，通过遥感影像解译、GIS综合分析，笔者将上海城市景观划分为如下几种类型（见表1）。

表1　上海城市景观类型划分

为了揭示和研究20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变，笔者运用RS与GIS相结合的方法建立时空数据库，在此基础上可以分别做出描述不同时期（1947、1958、1964、1979、1984、1988、1993、1996年）景观镶嵌结构的电子地图。这些图形直观地反映了20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构的时空演变过程。限于篇幅，本文无法逐一展示这些地图。图1仅描述的是不同时期上海城市景观的边界。

20世纪下半叶上海城市景观的空间扩展模式，不同于其他城市的“摊大饼”模式。城市景观的扩展，不仅在时间上不均匀，而且在空间上也不均匀。在上海，工矿和住宅是两种重要的城市景观类型，半个世纪以来，它们一直对整个城市景观格局起着决定性的作用。

1947年时，工矿景观主要分布于城市边缘，似乎一个“花边”，分散地分布在住宅景观的外围。杨浦工业区、普陀工业区和南市工业区，在空间上互不连续，整个中心城区以住宅景观为主。1964年时，由于新中国成立初期的工业大发展，在今内环线以内兴建了1 800余家工厂，使原来互不连续的工矿区延绵成环带。1979年时，这个工业带完全包围了市中心区，而且工矿景观和住宅景观相互穿插，呈镶嵌式分布格局。此后，随着城市化区域的扩展，工矿景观沿着几个主要的发展轴伸出“触角”，向外扩展并且成片分布，在各个触角之间形成了一些居民区，它们与轴向延伸的工矿景观呈“相间”分布的格局，而伸展较远的“触角”之间还有部分农田（菜地）分布，从而形成了“楔形”绿地景观与城市景观相间分布的空间格局。

图1　不同时期上海城市景观的边界

三、20世纪下半叶上海城市景观镶嵌结构演变的数量特征

1.景观镶嵌结构的综合数量特征

为了揭示上海市中心城区景观镶嵌结构的演变规律，笔者运用公式（1）～（3）分别计算了1947、1958、1964、1979、1984、1988、1993、1996年的景观多样性指数、优势度及破碎度（结果见表2）。

由表2可以看出，从总体上来说，随着时间的推移和城市的发展，上海城市景观的多样性和破碎度变大，优势度变小。新中国成立前，1947年时，上海的景观多样性指数为1.628 1，优势度指数为0.451 4，破碎度为5.566 1，即每1km²的景观斑块数目为5.5561；当时，在本文所谓的中心城区范围内，农田为单一的优势景观类型，它占景观总面积的48.11%，住宅和其他城市景观占景观总面积的比例分别为14.14%和9.50%。新中国成立以后，上海城市建设的步伐明显加快，到1958年，虽然农田仍为优势景观，但它占景观总面积的比重已经下降为39.75%，住宅和其他城市景观占景观总面积的比重分别上升到20.16%和12.32%；当时，景观多样性、优势度和破碎度分别为1.691 3、0.388 1和5.238 0。到20世纪六七十年代，上海城市景观多样性和破碎度进一步增大、优势度进一步减小，1964年和1979年，景观多样性指数分别增大到1.799 8和1.822 9，景观破碎度分别增大到5.747 9和5.911 9，景观优势度分别减小到0.2797和0.256 6；到1979年时，已经不存在明显的优势景观类型了，住宅、工矿、其他城市景观和农田占景观总面积的比重分别为23.64%、16.50%、16.80%、24.41%。到了20世纪80年代，随着改革开放政策的实施，上海城市建设的步伐再次加快，到1984和1988年时，中心城区的景观多样性指数分别进一步增加到1.838 0和1.851 8，景观破碎度分别进一步增大到5.965 4和5.976 1，景观优势度分别进一步减小到0.241 4和0.227 7；到1988年时，住宅、工矿、道路、其他城市景观和农田占景观总面积的比重分别为27.84%、18.70%、6.64%、18.58%、15.03%。到了20世纪90年代，随着城市规划调控力度的增大和城市功能调整，以及浦东新区的开发建设，致使上海中心城区的景观多样性指数略有所下降、优势度有所增加，然而，景观破碎度仍在增大；到1993和1996年，景观多样性指数分别变为1.803 9和1.804 5，景观优势度分别变为0.275 5和0.274 9，而景观破碎度进一步分别增大到6.525 2块/km²和6.532 4块/km²：到1996年时，住宅、工矿、道路、其他城市景观和农田占景观总面积的比重分别为34.50%、18.58%、6.70%、17.97%、6.83%，从数量上看，显然住宅是此时的优势城市景观类型。特别是，20世纪90年代是上海城市建设力度最大、城市发展最快的时期。1993和1996年，在中心城区，在建景观的斑块数目分别达到247块和248块，在建景观面积占总面积的比例分别达到4.98%和5.65%。

表2　不同时期的景观多样性指数、优势度及破碎度

2.景观分离度（Isolation）变化

对于一种景观类型而言，其分离度表示该景观类型被其他景观类型或廊道（Corridor）切断和分离的程度。也就是说，如果某种景观类型的分离度越大，就表示该种景观类型的斑块分布越分散。

笔者运用公式（4）计算了上海市中心城区1947、1958、1964、1979、1984、1988、1993、1996各年份各种景观类型的分离度（结果见表3）。

从表3可以看出：（1）在各类景观演变的时间序列中，住宅、工矿、其他城市景观的分离度明显地呈减小趋势；而农田和村镇的分离度则呈增大趋势；道路和河流水域的景观分离度，变化幅度都不大。（2）在建景观的景观分离度，1958年最大（45.139 3），1979年次之（28.623 6），1988年以后开始减小，1988、1993和1996年分别为12.177 2、9.418 7、8.321 5，从表面上看，其变化似乎无规律性，但事实上这正好记录和反映了上海城市建设的节奏性。因为，“大跃进”使1958年的城市建设力度大大减小，在建景观斑块数目大为减少，各斑块之间的平均距离增大，所以其分离度很大；而20世纪80年代后期到90年代正是上海城市建设的高峰时期，所以在这一时期，在建景观斑块数目增多，而且各斑块之间的平均距离减小，所以分离度大。（3）就各种景观类型的平均状况而言，河流水域的分离度最小，这是由于上海地区自然水系格局所决定的，尽管在50年来的城市建设过程中，自然河道在一定程度得到了治理和改造，但基本上没有改变水系的自然格局。另外，住宅、工矿、其他城市景观、农田的分离度都较小，这是因为，上海人口密度大，工矿、商业贸易发达，农田景观被各种城市景观分割的支离破碎。

表3　上海市中心城区各种景观的分离度

（续表）

四、20世纪下半叶上海城市景观形态演变的分形特征

对于一种景观，其分维数（D1）的大小表示了该景观斑块形态的复杂性与稳定性。D1的理论值范围在1～2之间，它越大，就表示该景观斑块形态越复杂；D1＝1，则表示景观斑块的形状为正方形；D1＝2，则表示景观斑块的形状最复杂；D1＝1.50，则表示该景观斑块形态的镶嵌结构处于一种类似于布朗运动的随机状态，即最不稳定状态；D1越接近1.5，表示越不稳定。有关研究表明，自然景观的斑块形态是比较复杂的，相对而言，人工景观的斑块形态是比较规则、比较简单的。

为了揭示20世纪下半叶上海各种景观形态的演变规律，笔者根据上述思路，建立了各种景观类型分布形态的分形结构模型，并计算出了1947、1958、1964、1979、1984、1988、1993和1996年各种景观形态格局的分维数，结果详见表4。

表4　不同时期各种景现形态的分维数

根据表4，并结合上海实际进行分析，可以得出如下结论：

（1）各种景观形态分维数的平均值，依次分别为：道路（1.750 7）＞河流水域（1.492 5）＞农田（1.347 0）＞住宅（1.253 1）＞村镇（1.244 9）＞工矿（1.196 0）＞在建景观（1.194 5）＞其他城市景观（1.180 3）。这个排序，可以理解为各种景观形态格局的复杂性程度的排序。这说明，在诸景观类型中，道路的形态格局是最复杂的；河流水域的形态格局也比较复杂，这是由于上海所处的地理环境背景和自然水系格局所决定的；工矿、其他城市景观和在建景观的分布格局都比较简单，它们形态格局接近于规则的正方形。

（2）从景观格局的演变过程来看：①住宅景观的斑块形态的分维数呈缓慢地增大趋势，1947年时为1.239 2，1964年时为1.251 9，1988年时为1.257 5，1996年时为1.262 3，这说明住宅景观的斑块形态逐渐趋于复杂化。这是因为，上海是一个人口密度很大的城市，为了缓解人地矛盾，解决日益增长的城市人口的居住问题，住宅建设不断地见缝插针，从而造成了住宅景观的形态格局不断复杂化。②工矿、道路、其他城市景观、农田和村镇，其斑块形态的分维数，在1947—1988年期间呈增大趋势，1947年时最小，分别为1.163 1、1.659 6、1.156 2、1.298 5和1.153 9；1988年时增至最大，分别为1.212 7、1.786 4、1.208 9、1.402 8和1.296 1，随后开始逐渐减小；1993年时分别为1.207 8、1.739 8、1.198 6、1.369 3和1.293 4；1996年时分别减至1.206 6、1.739 0、1.187 4、1.367 9和1.285 0。这说明，这5种景观斑块形态格局的变化，经历了由简单到复杂，再到简单的变化过程。这也从一个侧面说明，1988年以前，城市规划的调控并不是十分到位，从而使这些景观的形态格局变得日趋复杂。而1988年以后，随着城市规划调控力度的加大，从而使景观的形态格局开始逐渐变得规则、简单。③在城市中，由于在建景观是一种过渡性的景观，其斑块形态的分布格局没有什么规律，因而其分维数呈现出无规律地变化。④对于河流水域，由于其景观斑块的形态格局变化不大，因而其分维数变化幅度不大。

五、影响上海城市景观格局及其演变的因素

基于GIS的空间分析功能（Overlay、Buffer等），笔者研究发现，影响上海城市景观格局及其演变的因素主要包括河流廊道、原有基础、交通廊道、经济发展、规划控制等几个方面。

1.河流廊道

上海城市的兴起得益于其优越的地理位置和自然条件。其中，河流廊道对于上海城市景观格局起着非常重要的作用。在河流廊道中，对城市格局影响最大的是黄浦江。在1990年以前，上海城市的发展都是以浦西为主，浦东仅限于黄浦江的沿岸。在黄浦江两岸，城市形态呈明显的不对称形状，这主要是黄浦江起到了阻隔作用。1990年以后，跨江大桥和过江隧道的建成通车才开始使上海的城市景观格局发生改变。尽管近10年以来，浦东发展很快，但是目前还未彻底改变这种不对程的格局。新中国成立以来，沿黄浦江、吴淞江是上海城市景观形态扩展的主要方向。

2.原有基础

尽管上海城市的发展变化主要发生在新中国成立以后，但是新中国成立以前的城市景观形态和格局是50多年来上海发展的基础。1947年时，上海的城市形态好像“σ”形，黄浦江和吴淞江交汇处以南、以西是其主体部分，其尾端指向东北黄浦江的下游，除了杨浦区东北部以外，其余均在今内环线以内（今内环线以内面积115.22km²，其中浦西84.36km²，浦东30.86km²），这一区域至今仍是上海市的核心部分。另外，新中国成立以前的三片工业区也为新中国成立后工业带的形成奠定了基础。

3.交通廊道

便捷的交通，是城市发展的基础。上海城市的兴起得益于便捷的水上交通。从地理区位来看，上海位于我国海岸线的中段和长江的入海口，又通过黄浦江和吴淞江连接着水网稠密的太湖流域，水上交通廊道是上海城市景观格局形成的基础。陆路交通的发展，促进了城市与周边地区的交流，城市景观的扩展首先沿着对外交通的路陆上通道向外辐射，在城市景观扩展过程中，几个突出的“触角”就是以主要交通廊道为轴心向外展开的。而市内的各种交通廊道，则担负着各种城市景观斑块之间的物质、能量和信息交流任务。

4.经济发展

上海城市景观格局的演变，在时间上呈现出不均匀性，具有明显的节奏性。在新中国成立以来至1964年以前的这一时期，城市景观面积迅速扩展；1964—1979年期间，与前一个时期相比较，城市景观面积的扩展速度有所下降；在1979—1988年期间，城市景观面积扩展的速度又开始加快；1988—1993年期间，与前一个时期相比较，城市景观面积扩展的速度又有所减缓；1993以后又是一个快速发展的时期。这种明显的节奏性变化，与国家及上海市经济发展的节律十分吻合，这充分说明，经济发展对于上海城市景观格局的演变起着关键性的作用。

5.规划控制

城市规划对于城市景观格局及其演变起着决定性的控制和影响作用。一般说来，在城市规划严格控制下所形成的城市景观，其功能分区明显，形态相对规则、简单。如果缺乏城市规划或规划控制不力，则会导致城市景观功能分区混乱，景观形态复杂。在上海城市发展过程中，浦西执行的是“辐射式”和“填充式”的城市规划政策，而浦东新区则执行了注重“功能区开发”的城市规划政策，所以，现在的浦东新区，各种城市景观的功能分区明显，而在浦西却面临着城市功能区调整的艰巨任务。当然，由于受国家和地方社会经济发展政策的影响，在不同的时期，城市规划的指导思想不同，规划控制的政策不同，所以城市规划方案并不是一成不变的。

六、基本结论

综合上述研究，可以得到如下基本结论：

（1）20世纪下半叶上海城市景观的空间扩展模式，不同于其他城市的“摊大饼”模式，其扩展过程，不仅在空间上不均匀，而且在时间也不均匀。

（2）从总体上来说，随着时间的推移和城市的发展，上海城市景观的多样性和破碎度变大，优势度变小。

（3）在各类景观演变的时间序列中，住宅、工矿、其他城市景观的分离度明显地呈减小趋势；而农田和村镇的分离度则呈增大趋势；道路和河流水域的景观分离度，变化幅度都不大。

（4）各种景观形态分维数的平均值排序为：道路＞河流水域＞农田＞住宅＞村镇＞工矿＞在建景观＞其他城市景观，这个排序可以理解为各种景观形态格局的复杂性程度的排序。

（5）从景观格局的演变过程来看，住宅景观的斑块形态的分维数呈缓慢地增大趋势，这说明住宅景观的斑块形态逐渐趋于复杂化。工矿、道路、其他城市景观、农田和村镇，其斑块形态的分维数，在1947—1988年期间呈增大趋势，1988年时增至最大，随后开始逐渐减小，这说明，这5种景观斑块形态格局的变化，经历了由简单到复杂，再到简单的变化过程。

（6）影响上海城市景观格局及其演变的因素主要包括河流廊道、原有基础、交通廊道、经济发展、规划控制等几个方面。

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【注释】

[1]基金项目：国家自然科学基金项目（40171069）及上海市教委学术发展基金资助项目。

[2]徐建华，男，教授、博士生导师，研究方向为生态经济模拟与GIS分析，发表有关学术论文80余篇，出版专著、教材8部。