景观格局分析是解析城市景观时空变化和理解城市地区格局与过程相互作用的经典方法^[1]。过去几十年, 随着遥感技术的兴起, 以二维景观发展起来的景观格局分析日臻完善^[2-3]。城市作为人工景观的综合体, 在快速城市化进程中, 城市空间形态结构与组织关系迅速地朝着三维立体化发展, 建筑景观显著高过绿地景观, 对城市景观的格局与功能特性产生显著影响^[4]。景观格局特征的三维立体化和景观功能联系的三维网络化, 改变了三维城市景观生态特征^[5]。城市景观结构与功能联系的认识, 需要突破传统二维景观空间平面镶嵌格局, 增加垂直立面的景观格局解析, 才能有效地理解三维城市景观生态特征^[6]。随着三维空间信息获取技术的提升, 城市三维景观生态特征受到重视, 三维景观格局及其变化特征分析成为当前景观格局研究的热点问题, 是深化测度城市景观格局的热点方向^[7]。

三维城市景观格局研究得益于数据获取与技术方法进步, 越来越受到研究者重视^[8]。地面数据调查及三维地籍数据^[9-11]、航空摄影测量^[12]、高分辨率卫星遥感影像^[13-15]及机载激光扫描(LiDAR)^[16-18]等数据源广泛应用于三维景观格局建模及变化分析。数据源对三维景观格局分析有影响, 地面调查和三维地籍数据获取费时费力^[19]；航空摄影测量在建筑物稠密区会出现三维信息缺失问题^[20]；高分辨率卫星遥感影像数据可以为地表三维信息提供动态性和实时性等特征, 但大规模处理高分辨率遥感数据尚待突破^[21]；LiDAR能获取目前最为先进的三维信息, 但变化时段内的数据不容易获取^[22]。因此, 综合多源数据集成获取城市景观三维信息是目前较为可行的技术。

城市景观以建成景观和绿地景观为主, 已有研究针对建成景观和绿地景观分别构建多种景观格局指数, 但两者相互作用的分析较少^[23-26]。三维景观格局是研究景观格局演变与生态环境效应之间关系的有效途径^[27], 目前在生物多样性^[28]、大气污染^[29]、热岛效应^[30-32]、动植物的栖息和迁移^[33]等方面都有长足进展。本文选取福田区为研究区域, 选用景观格局指数、景观类型转移矩阵和景观连通性等方法研究2003年与2016年建筑景观和绿地景观的空间格局及变化, 以及建成景观与绿地景观相互作用的时空分异特征, 以期为城市建成区城市更新及合理规划提供景观生态管理的定量依据。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

深圳市自1979年建市以来, 已快速发展为超大城市^[34], 城市中心不断由东向西迁移, 福田区自21世纪以来成为深圳市的新中心, 近18年来经历了快速发展过程。福田区位于深圳市中南部(22°30′—22°36′N, 113°59′—114°06′E), 面积约为78.66 km²。地势北高南低, 北到白尾石、黄竹园等山脊与龙华区毗邻, 南临深圳河、深圳湾, 东与罗湖区相连, 西与南山区相接。截止到2017年, 全区常住人口156.12万人, 地区生产总值高达3820.56亿元。受空间面积制约, 福田区城市立体化发展趋势明显, 是典型的快速三维立体城市化地区之一。

1.2 数据源

研究采用的数据包含两期高分辨率遥感数据、建筑物普查数据、道路网数据和行政边界数据集, 主要数据来源见表 1。高分辨率遥感数据经过正射校正、影像融合等预处理后, 采用面向对象分类和目视解译的方法提取遥感影像信息, 获取景观分类数据^[35-37]。建立两级分类体系, 第一级为建成景观、绿地景观、水体三大类, 建成景观二级分类包括建筑景观、不透水景观(包含道路, 广场等)和推平未建景观, 绿地景观二级分类包括林地和草地景观。

2015年深圳建筑物普查数据包含了高度信息, 根据2003年和2016年高分辨率遥感影像, 在已获取的数据基础上进行建筑目视解译, 增减建筑数量, 利用高分辨遥感影像中建筑阴影和实际建筑高度之间的数学关系, 经实地测量数据的验证, 得到2003年和2016年建筑分布数据。参考《民用建筑设计通则》^[38], 将建筑按高度划分为5种类型：低层建筑(≤9 m)、多层建筑(10—18 m)、中高层建筑(19—27 m)、高层建筑(28—99 m)和超高层建筑(>99 m)。基于全区8个街道, 使用支路级城市道路网数据划分城市街区斑块, 2003年共划分758个斑块, 2016年共划分766个斑块。

1.3 研究方法 1.3.1 三维景观变化分析方法

三维景观格局指数。为了分析建筑景观在三维空间上的结构性和异质性, 探讨三维城市景观格局时空分异特征, 本文参考相关研究选取能够表征建筑高度变化情况的建筑平均高度、高度标准差指数以及可以反映建筑在水平和垂直立面扩展情况的建筑密度、建筑体积和容积率指数^{[11, 39-40]}。

1.3.2 二维景观变化分析方法

(1) 景观格局指数。景观格局指数是景观生态学常用的一种定量研究方法^[41]。本文选取斑块水平的景观格局指数分析景观类型斑块的变化特征, 包括斑块总面积、斑块数、面积周长比、平均斑块面积和斑块密度。

(2) 景观类型转移矩阵。景观类型转移矩阵可以清楚地表达不同景观类型之间的转移情况, 显示区域内景观类型变化的细节结构特征, 对景观类型面积变化进行定量分析^[42-43]。

1.3.3 景观连通性分析方法

景观连通性是衡量景观格局与功能的重要指标^[44], 本文选用整体连通性指数和可能连通性指数来衡量景观格局对生态流的便利或阻碍程度^[45-46], 选取斑块重要值表征每个斑块对景观连通性的重要程度。

2 结果分析 2.1 建筑景观格局变化 2.1.1 三维景观格局指数

运用三维景观格局指数分析福田区2003年和2016年建筑景观的变化情况(表 2)。从全区尺度看, 2003—2016年间, 建筑占地面积由8.53 km²增长到10.24 km², 只增加1.71 km²。建筑平均高度增加6.53 m, 高度标准差增加5.81 m, 建筑体积增加135.58×10⁶ m³, 增长50.28%, 容积率增长0.53, 建筑密度仅增加2.42%, 表明福田区建筑景观高度差异逐渐增大, 三维空间异质性明显, 扩展以垂直空间上的延伸为主, 空间容纳能力大幅提升。

从街道尺度看, 各街道建筑景观增长都以垂向为主, 最典型为莲花街道、福田街道和香蜜湖街道。莲花街道建筑平均高度在2003年和2016年均是全区最高, 分别为25.82 m、28.10 m。香蜜湖街道变化最明显, 除建筑密度增长53.29%外, 其余各指数增长100%左右, 其建筑景观经历13年重点建设, 已由中低层为主转为以中高层为主。福田街道建筑体积增长59.79%, 达40.81×10⁶ m³, 增长的体积还略高于香蜜湖街道和园岭街道2016年的体积, 是区域CBD的核心区。园岭街道和南园街道的建筑密度明显高于其他街道, 13年间变化不明显, 建筑基本维持原状, 是区内城中村集聚区域。

从福田区建筑密度分布看(图 1), 建筑密度在15%—30%之间的街区占比最大, 2003年和2016年分别占比35.22%、37.47%, 主要分布在城市绿地及水体周边。建筑密度在45%—60%之间的街区主要分布在东部、中部和南部, 以商业用地为主。建筑密度大于60%的街区主要是大型单体建筑或建筑密集区, 如深圳会展中心和城中村。13年间, 建筑密度变化主要集中在福田区的中部和南部的福田保税区。建筑密度小于15%的街区占比减少13.99%, 其余各等级占比均有所增长, 增长最明显的是建筑密度大于45%的街区, 其占比增加5.22%。

从容积率分布图看(图 2), 2003年, 福田区容积率以第三等级(1.5—3)为主, 2016年, 福田区的容积率以第四等级为主(3—6)。容积率呈现西北低、中部和南部高的分布状态。容积率变化明显的街区主要集中在深南大道和深南中路两侧, 该区域以商业为主。容积率大于3的街区主要分布于新洲路、福荣路以及深南大道、深南中路两侧。容积率大于6的街区以单体超高层建筑为主。13年间, 容积率小于1.5的街区占比减少15.15%, 容积率大于6的街区占比增至9.53%。

2.1.2 建筑景观分布特征

运用斑块指数统计分析2003年和2016年建筑景观变化特征。建筑斑块数量分布表明中高层建筑是福田区主要建筑类型, 分别占建筑总量41.54%和41.12%(表 3)。新增建筑主要为高层和超高层建筑, 13年间分别增加354栋和173栋。低层建筑、多层建筑和中高层建筑有所减少, 分别减少488、193和265栋。13年间, 建筑斑块面积周长比和平均斑块面积都有小幅增加。斑块密度显著降低, 低层和多层建筑减少明显, 只有高层建筑斑块密度有所增加。建筑斑块变化表明区域高层化、垂直化发展趋势。

建筑高度变化主要集中在福田区中部和西北部(图 3), 建筑高度变化量介于-45—339 m之间。福田区南北轴从莲花山至深圳湾和东西轴的深南大道是高层建筑密布区。2003年, 福田区建筑高度在0—238 m之间，建筑景观呈现由西向东建筑数量、建筑高度均增加的“阶梯式”格局。建筑高度密集区出现在华富街道和园岭街道, 即深南中路两侧, 以商业用地为主, 梅林街道和沙头街道多以居住为主的中高层建筑密集区。2016年福田区建筑高度在0—345 m之间，建筑景观呈现中部高, 并沿南北方向建筑高度逐渐减缓的“金字塔”格局。高层和超高层建筑沿深南大道、深南中路和福荣路等交通轴线呈集聚分布, 三维城市景观空间格局特征显著。

2.2 绿地景观格局变化

13年间, 绿地景观斑块数有所增加, 平均斑块面积降低, 斑块密度略增。2003年绿地景观面积为32.78 km², 占比42.46%, 2016年为35.58 km², 占比46.10%, 增长3.64%。13年间林地景观面积增加15.88 km², 草地面积减少13.07 km²(表 4)。

草地景观的斑块数和斑块密度显著增加, 平均斑块面积降低, 面积周长比降低, 表明草地斑块越来越破碎化。林地景观斑块数增加, 斑块密度变小, 平均斑块面积增加, 面积周长比小幅增加, 表明林地斑块越来越大块化, 林地景观13年间有向好的趋势。

2.3 景观类型格局变化

为进一步研究绿地景观与建成景观之间的相互作用, 运用转移矩阵对景观类型间的变化进行了分析(表 5)。2003—2016年间, 1.38 km²的林地和4.59 km²的草地景观转变为建成景观, 主要转出类型为不透水景观。同时, 有6.99 km²和1.28 km²的不透水景观转为林地和草地。建成景观与绿地景观比例由1.20 : 1调整为0.99 : 1, 建成景观优化减少4.03 km², 绿地景观增加2.80 km², 建筑景观的垂向增长减少了建成景观占地需求, 释放了绿地景观空间。从景观类型的空间分布上看, 主要表现为草地景观转变为林地景观、城市行道树生长冠幅的扩大和居住区内部花园草坪的培育(图 4)。

2.4 景观连通性变化

由表 6可以看出, 绿地景观整体连通性和可能连通性均有小幅上升, 研究区生境斑块之间的连通性有所增加。与前人研究相比福田区景观连通性低于深圳市整体水平^[47], 表明处于都市核心区的福田区绿地景观经过多年建设有孤立斑块化趋势。

为了便于分析2003年和2016年福田区景观斑块重要性变化情况, 将2003年和2016年各级斑块用1至5级表征斑块重要程度, 数值越大表明斑块的重要程度越高(图 5), 各级斑块重要值划分为 < 0.5、0.5—1、1—5、5—15和>15。2003—2016年, 5级重要斑块数量不变, 面积增加3.18 km², 占比升高5.86%。4级重要斑块数量小幅增加, 面积增加3.62 km², 斑块占比由7.64%上升至17.61%。3级重要斑块显著减少, 占比减少8.84%。其余等级斑块数量和占比均有所降低。2003—2016年, 福田区景观连通性重要斑块空间分布呈现北重南轻的特征, 围绕梅林水库水源保护区的斑块是区内最为重要的绿色基础设施斑块, 南部福田红树林国家级自然保护区斑块重要性虽然有所上升, 但受其北部城市垂向扩张影响, 与外部绿色基础设施斑块连通性受限。整体上重要性高的斑块内部连通性有提升, 但受建成景观的影响越来越孤立, 特别是建筑景观垂向增长后相当于建立了隔离护栏, 在绿色重要性斑块间建立隔离, 例如笔架山公园、莲花山公园和福田红树林生态公园都已是孤立绿地景观斑块。绿地景观连通性提升有利于区域绿色基础设施的优化, 但绿地景观尚未形成有效的空间连通。

3 结论与讨论

研究综合高分辨率遥感数据、建筑物普查数据和路网等数据, 以深圳市中心城区福田区为研究区, 分析了福田区三维城市景观格局变化特征。研究结论如下：(1)研究期内, 福田区建筑占地面积减少, 建筑平均高度、建筑体积和容积率等三维景观指数显著增长, 街道间异质性明显, 变化主要集中在莲花街道、香蜜湖街道和福田街道。新增建筑以高层和超高层建筑为主, 城市建筑景观格局由“阶梯式”转变为“金字塔”形。(2)2003—2016年, 绿地景观斑块数轻微提升, 平均斑块面积降低, 斑块密度略增, 生态质量有所恢复。城市绿地景观面积比例超过建成景观, 占比增加, 变化主要表现为城市大型绿地斑块内部树木及道路沿线行道树的生长。(3)福田区绿地景观连通性虽有小幅上升, 但景观连通性依然较低, 重要性绿地景观斑块呈现孤岛化。区域绿色基础设施有所优化, 但绿地景观尚未形成有效的空间连通。

研究表明三维城市空间格局的研究更能反映城市景观格局变化和提升对城市景观复杂性的认识^[23]。城市建筑的高层化降低建筑占地面积, 有助于存量土地优化开发和空间资源优化配置, 促进城市内部更新、控制城市蔓延, 为城市布局的合理调整和城市功能的完善提供参考。现有的三维景观研究多以建筑景观为主, 忽略了景观的整体格局和景观类型的相互影响。本研究通过运用多源数据, 构建从二维到三维的城市景观格局变化研究, 是一类过渡型的景观格局变化研究。今后, 三维景观研究通过更新算法和数据源, 例如运用LiDAR数据做出精确的三维景观分类, 将极大推动三维城市景观研究^[48]。此外, 还应充分利用各类景观的高度信息, 探寻能衡量建成景观和绿地景观在垂直立面相互作用的方法, 如天空视域因子^[49], 提升三维城市景观格局变化特征研究的深度。