由于四百多年来东西方文化交融及中葡多元文化背景, 澳门特别行政区形成了以西方中世纪模式为主体, 兼备中国传统“里坊”思想的城市肌理^[1]。城市格局由集中走向分散, 逐渐演变为以澳门半岛和离岛为核心的双城格局, 是世界交通史、贸易史和文化史重叠交错的历史名城^[2], 被联合国教科文组织列为世界遗产^[3]。作为我国“一国两制”方针范本和世界旅游休闲中心, 澳门城市化率达到100%, 是全球人口密度最高的城市之一。澳门半岛这类“紧缩城市”的人口密度更是居世界之首, 其建筑密度高、生态资源数量稀缺、分布零散、破碎化程度高^[4], 城市发展与挑战并存。人口集聚及社会经济发展使填海造地工程加速推进^[5], 从而改变城市规模、景观组分和空间构型^[6-7], 国际机场、港珠澳大桥及不断外移的海岸线, 有效改善城市交通状况、形成发达的海陆空运输体系^[8]。在即将迎来澳门回归祖国20年之际, 系统梳理、精细调研澳门城市生态系统的格局变化, 具有回顾过去建设经验和教训、展望未来发展方向的重大现实意义。

城市景观格局的空间结构及其演变机制一直以来都是城市土地利用和城市发展的关键问题^[9], 其中, 尺度效应研究是土地利用/覆被变化分析的基础^[10]。合理的城市内部结构, 既有利于土地资源的高效配置, 又有利于其社会经济的健康有序发展^[11-12]。国内外众多学者对景观分析的最佳粒度^[13-14]进行探索, 利用遥感、GIS技术, 结合土地利用转移矩阵、景观格局指数及重心转移状况、数学统计分析等来进行景观格局的变化研究^[15-17], 并在城市景观结构变化及其内外驱动机制^[18]、趋势模拟^[19]及土地利用结构的合理性^[9]等方面取得了丰硕成果。然而, 对于澳门而言, 仅有李金平等人^[20-22]关注全市尺度上景观格局的变化情况, 成果集中在2010年以前、缺乏近期研究及外文参考文献。且研究基于遥感影像原始分辨率, 未考虑粒度效应对景观格局分析结果的影响及澳门半岛和离岛之间的发展差异。

鉴于此, 本研究以两期高分辨率遥感影像数据为基础, 通过遥感解译对澳门城市生态系统进行分类, 绘制完成迄今最新最细致的澳门城市生态系统类型图, 并通过尺度分析确定最佳分析粒度, 利用土地利用转移矩阵、景观指数等进行澳门城市景观结构、生态系统格局及其演变的空间分异研究。同时, 比较澳门不同区域的发展差异, 并针对不同区域特点提出差异化的优化方法。

1 研究区概况

澳门特别行政区(22°06′39″—22°13′06″N, 113°31′33″—113°35′43″E)位于我国大陆东南部沿海, 北与广东省珠海市相连, 西跨莲花大桥与珠海市横琴岛、湾仔隔水相对, 东隔珠江口与香港相望。属海洋性季风气候, 年平均气温为22.4℃, 地貌类型简单, 主要由平地、台地和丘陵构成。特殊的区位条件、人口增长和社会经济发展需求, 以及丰富的浅海和滩涂资源, 使得近一百多年来澳门不断采用填海造地工程来进行土地扩张, 从1912年的11.60 km²逐步扩展到2017年的33.60 km²。其陆域区域主要由澳门半岛、凼仔岛、路环岛以及路凼填海区组成, 其中三座大桥(嘉乐庇总督大桥、友谊大桥、西湾大桥)及路凼填海区分别把澳门半岛及凼仔岛、路环及凼仔两个离岛连为一体(图 1)。

2 研究方法 2.1 遥感影像数据来源及处理

本文研究以澳门城市范围为研究对象, 由于该研究区内早期遥感影像数据获取条件有限, 并有云层遮挡情况, 本研究以2001年IKONOS数据为基础的同时, 辅以部分2003年QuickBird数据(澳门半岛北部), 解译出2001年土地利用分类数据; 以2017年GF2遥感影像数据为基础, 解译出2017年土地利用分类数据。

根据澳门土地利用景观类型结构特点及研究目的, 参考《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)分类标准和生态用地相关分类体系^[23], 对澳门进行景观类型的划分。首先, 采用ENVI5.3对影像进行坐标转换、几何精校正、图像镶嵌、裁剪以及图像融合等预处理, 并将IKONOS和QuickBird两景影像镶嵌后数据重采样为1 m空间分辨率; 其次, 利用eCognition对影像进行面向对象的监督分类, 并结合野外采样得到的479个样本点进行分类后处理, 经验证, 分类结果满足精度要求; 最后, 运用ArGIS 10.4制作两期景观类型专题图并进行分析。

2.2 景观结构及其变化分析 2.2.1 景观结构的数量变化规律

景观结构的数量变化规律可以用土地利用类型动态度和土地利用转移矩阵来表示, 前者能够展现研究区某一时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况^[24], 而后者可以有效反映研究区该时间范围内各土地利用类型来源、结构特征及转移变化情况^[25]。因此, 本文采用ArGIS10.4分别统计两期分类图中不同类型景观的面积、比例及土地动态度, 详见公式(1)。并运用ArGIS10.4空间分析模块中的Tabulate Area工具来计算研究区各景观类型的马尔科夫转移矩阵, 分析研究期内澳门不同景观类型之间的转化情况。

(1)

式中, K为研究时段某一土地利用类型动态度; U_a和U_b分别为研究初期和末期某一土地利用类型的数量(单位：km²); T为研究时长(单位：年)。

2.2.2 景观结构的空间变化趋势

本文利用重心迁移定量模型^[26]来研究澳门景观结构的空间变化情况, 通过研究初期和末期景观分布重心的转移方向, 来分析研究时段内景观结构空间变化情况, 详见公式(2)。主要通过ArGIS10.4数据管理模块中的Feature to Point工具进行重心计算来获得其转移规律的研究。

(2)

式中, X_t和Y_t分别表示第t年景观类型分布重心的经纬度坐标; C_ti表示第i个斑块该种景观类型的面积; X_i和Y_i分别表示该种景观类型第i个斑块的几何重心的经纬度坐标。

同时, 利用重心转移距离模型模型定量测度各景观类型重心转移距离^[27], 详见公式(3)。

(3)

式中, D_it2t1为第i种类型景观由起始年t₁到终止年t₂重心转移距离; X_it1Y_it1和X_it2Y_it2分别为起始年t₁和终止年t₂的经纬度坐标。

2.3 关键景观格局指数变化

景观格局指数是指在空间尺度上, 量化景观格局和结构、定量监测生态现象的一种简单定量指标^[28], 可以研究不同景观之间的差异、描述和监测景观结构动态变化情况、辨识生态学特征空间梯度^[29], 对于研究城市景观生态过程和生态功能变化具有重要意义。景观指数数目繁多、相关性很高, 且具有明显的尺度依赖性, 根据景观指数内涵和研究区特点, 分别从简单统计学指标类型、面积与周长比类型、信息论类型和分维类型4方面选取斑块数量、景观形状指数及最大斑块指数、蔓延度指数及香农多样性指数、分维数6个指标(表 1)。

首先, 以2017年土地利用分类图为基础, 按照5 m步长合并栅格单元, 并选取对尺度效应较为明显的LPI、PAFRAC和Moran I指数进行最佳粒度分析。在此基础上, 运用Fragstats4.2软件对上述六个指标进行分析; 同时, 利用移动窗口法, 选取CONTAG、FRAC和LSI, 进行城市空间格局异质性的梯度分析, 并与时间序列上景观指数特征相结合, 从而实现景观格局变化与过程的精确衔接^[33-34]。

3 结果 3.1 2001至2017年澳门景观组成和结构变化

针对澳门城市特点, 对其陆域生态系统进行基于生态过程的城市景观类型划分, 其中, 一级分类2类, 二级分类5类, 三级分类12类(图 2, 表 2)。在此基础上, 针对二级分类上澳门城市生态系统类型的变化情况及土地利用转移状况进行详细说明(图 3, 表 3)。

3.1.1 澳门全市域景观组成及变化

2001至2017年期间, 澳门全域总面积由26.19 km²增加到32.77 km², 增加幅度为6.58 km²。其中, 建设用地和有林地是澳门优势景观类型, 构成城市景观基质(75%左右); 除草地和湿地外, 其余3种景观类型面积都呈现增加趋势, 其中裸地和建设用地变化最未剧烈, 动态度分别为4.08%和2.61%。由于城市建设的发展需要, 各类景观主要向建设用地转化, 其中裸地转化率最高, 为44.44%;同时, 随着人们对城市生态环境质量需求的提高, 也存在建设用地向有林地转化的情况, 转化率为14.12%。2001至2017年期间, 新填海造陆区域土地主要是转化为建设用地及裸地, 二者占新填海区域的72.34%。

3.1.2 澳门半岛和离岛景观组成及变化

为研究不同区域景观结构变化情况, 将新城A区纳入澳门半岛区域, 并和由凼仔岛、路环岛、路凼填海区和新城E1区组成的离岛区域(图 1)进行对比分析(表 2)。在2001至2017年期间, 澳门半岛面积增加2.01 km², 建设用地和有林地面积增加趋势明显, 优势景观类型为建设用地。由于新城E1区和路凼填海区范围不断扩张, 导致离岛总面积增加达4.57 km², 优势景观类型为有林地。

此外, 澳门半岛和离岛填海方式也有显著区别。2001至2017年期间, 澳门半岛区域的填海方式以离岛围填为主(新城A区, 1.21 km²), 海滨围填为辅(大堂区东部和南部、花地玛堂区西部及风顺堂区西南部), 而离岛区域则完全采用海滨围填(新城E1区、路凼填海区, 0.92 km²)。

但二者不透水地表(东南方向)和透水地表(东北方向)的重心转移方向表现出明显一致性, 前者重心转移距离明显大于后者(图 3)。由于城市东北方向进行大面积填海造陆, 且存在大量裸地, 导致城市整体重心向东扩展。其中, 澳门半岛区域透水地表重心转移距离最大, 高达0.80 km; 离岛区域不透水地表重心转移距离最小, 仅为0.09 km。填海造地区域多是不透水地表和裸地, 其城市扩张压力和生态压力远大于其他地区。

3.2 景观格局变化分析 3.2.1 景观指数对粒度效应变化的响应

不同粒度下Moran′ I、PAFRAC和LPI对尺度变化表现出明显的依赖性(图 4)。在各个粒度水平下, Moran I值远大于0, 表明研究区内景观格局存在明显空间正相关, 在0—55 m粒度范围内, 景观类型存在空间聚集现象, 且呈下降趋势; 当粒度较大时(60—100 m), 景观类型分布的空间依赖性降低、波动明显且无规律。PAFRAC和LPI随粒度变化分别呈增加和下降趋势, 且都在25 m前后表现出明显的变速差异性。由此得出, 25 m可能比较接近本征尺度, 在后续景观指数和空间格局的分析过程中应选取25 m作为最佳分析粒度。

3.2.2 澳门景观格局指数变化分析

在景观水平上(表 4), NP由1668增加到2257, 增加趋势显著; CONTAG由2001年的35.21变为2017年的36.08, 但SHDI呈现微弱降低趋势, 表明研究区景观破碎化程度显著增加, 景观多样性降低, 各斑块类型在景观中趋于均衡分布。LSI、LPI和PAFRAC能够在一定程度上反应研究区景观水平上土地利用受人类活动的影响程度, 在2001至2017年期间, 三者分别由26.67变为33.55、21.29变为20.44、1.50变为1.54, 说明研究区受到的人为干扰作用越来越明显, 景观形状趋于复杂和不规则。建设用地和有林地是澳门的优势景观类型, 二者NP、LSI增大, LPI值减少, 则表明景观斑块破碎度程度加剧, 形状趋于复杂和不规则, 建设用地和有林地斑块在景观中趋于均衡分布; PAFRAC值增加, 且愈加偏离布朗随机运动状态值1.5, 表明其稳定性增加。

3.2.3 澳门景观格局变化分析

以景观形状指数和分维数表征澳门城市景观的破碎化及人为扰动情况, 澳门城市景观空间变化特征明显(图 5)。2001至2017年期间, 分维数和景观形状指数高值区域明显增加, 离岛区域变化程度明显高于澳门半岛, 中部路凼填海区及南部路环岛东北部区域尤为明显, 说明该区域存在主导景观类型, 受人为干扰严重, 斑块形状较为复杂; 而半岛区域中历史城区由于特殊的历史地位, 受人为干扰程度较低, 分维数和景观形状指数明显低于其他地区。

4 讨论

(1) 填海造地推动澳门城市面积快速增长, 生境质量存在下降风险

澳门本地生产总值年均增长率为10.72%, 高于全国平均水平9.50%, 且山多平地少, 现有土地状况难以满足社会经济的发展需要。因此, 澳门以城市发展需求为导向, 通过填海造地来平衡土地供需关系, 陆域面积由26.19 km²增加到32.77 km²。人工建筑干扰强度大幅度提高, 景观组分破碎化程度和斑块形状规则化程度增加, 景观组分趋于均衡分布, 区域景观生态压力增大, 存在生境质量下降风险^[35]。

(2) 景观破碎化程度加剧, 澳门生态空间与社会经济空间融合程度增加

为延续原有城市机理、保护城市历史文脉, 针对建筑密度高的特点, 城市建设采用大量小型生态空间, 见缝插针地增加城市绿地, 由此导致城市景观破碎化程度加深。澳门半岛属于人类活动较频繁的居民地、交通、商业等建设用地区域, 功能较为单纯^[36], 采用小而分散的绿地布局模式来满足居民日常休憩需求; 而离岛区域开发相对较晚, 主要发展有利促进经济多元进程的相关产业^[37], 有高尔夫球场和保护区等中大型绿地, 辅以街区公园等小型绿地, 使生态空间与经济空间融合程度更高。

(3) 澳门半岛发育已经成熟, 离岛仍在加速发展期

澳门半岛和离岛发展历程不同, 其空间形态的生长机制与演变存在一定差异性。澳门半岛优势景观为建设用地, 其建筑物及相邻的八块前地属于澳门历史城区, 2005年被列入世界文化遗产名录, 澳门政府致力于历史遗产的保护和利用^[38], 半岛发展趋于饱和状态; 而离岛优势景观为有林地, 研究期内路凼填海区和新城E1区快速建设, 存在大潭山、小潭山、九澳水库、黑沙水库等大面积自然生境及主要交通枢纽(澳门国际机场), 其景观格局组分优于澳门半岛区域, 具有较好的发展前景。

(4) 澳门半岛主要填海方式为离岛围填, 离岛区域则为海滨围填

香港填海造地使城市商业区过度聚集、城市发展不均衡^[39], 而澳门则以分散市中心人口、发展城市产业为目标, 进行分区规划及城市空间扩展。半岛北与珠海相连、西与横琴对望, 缺乏自主开发空间, 因此, 主要采用离岛围填的填海方式(新城A区)来缓解澳门半岛住房和交通费压力; 而离岛区域采用海滨围填进行土地扩张, 与城市服务业协同发展, 与深圳城市发展极为类似^[40], 在机场附近的滨海区域, 逐渐形成以旅游博彩业为主的都市功能核心区。

(5) 对澳门陆域生态系统景观格局优化的建议

未来澳门城市发展建设中, 在控制不透水地表比例的同时, 提高其绿地覆盖率, 改善区域生境质量, 注重新旧城区协调发展, 并针对不同特征区域实施差异化策略。在难以提高绿地供给面积的情况下, 只有通过改善绿地质量、优化绿地网络结构等来提升城市生态系统服务供给水平。就澳门半岛而言, 应注重通风廊道的构建, 采用立体绿化、口袋公园和绿道网络等绿化设施相结合的方法改善生态环境质量。而离岛区域, 在严格控制不透水地表对透水地表的侵占的同时, 应加强滨海空间生态斑块和生态廊道的保护, 并注重与内陆之间的联系, 加强内外渗透、外围连通, 形成有机绿色网络。例如可以将贮水塘的岸线步道和渔人码头进行串联, 同时也能延伸到宋玉生公园的最南端。此外, 还应加强填海造地区域中裸地的生态建设, 力求寻找城市发展和生态保护之间的平衡点, 提升澳门城市生境质量。

5 结论

本文以澳门2001年和2017年遥感影像为基础数据, 利用遥感解译手段对两年的城市生态系统构成进行了精确解译, 并通过景观格局分析研究澳门城市生态系统格局的变化特征, 为澳门提升生态环境质量、优化生态系统格局提出建议。主要结论如下：

2001至2017年期间, 澳门全市总面积由26.19 km²增加到32.77 km², 建设用地和裸地急剧扩张、草地和湿地快速减少, 生态空间萎缩, 各景观类型空间演变差异性显著; 澳门生态系统格局分析的最佳粒度为25 m, 其城市景观破碎度增加, 景观斑块形状趋于复杂、不规则。半岛属于澳门历史城区, 发育较为成熟, 基于小型绿地斑块来丰富城市空间、满足居民日常休憩需求, 主要通过离岛围填的填海方式来缓解澳门半岛住房和交通压力; 而离岛发展迅速, 土地面积不断扩张, 主要填海方式为海滨围填。

澳门城市建设因具有文化路径依赖性和土地利用制约性, 使绿地面积难以大幅度增加, 但可以通过提升绿地质量、改善绿地网络结构来提升城市整体生态系统服务水平。针对不同区域特点, 采用地表绿化和立体绿化相结合方式, 注重通风廊道的构建, 充分挖掘绿色空间建设潜力。加强滨海空间生态斑块和生态廊道的保护, 并注重与内陆之间的联系, 加强内外渗透、外围联通, 形成有机绿色网络。