1.3 加强资源型城市景观结构变化研究

1.3.1 资源型城市景观结构变化的研究背景与意义

20世纪90年代以来，伴随着工业化进程的加快，中国的城市规模增长迅速，城市和区域演化进入了一个活跃时期，并迅速向农村地区蔓延。这势必造成耕地和生态用地减少、城市空间、社会、经济以及人口规模不断膨胀。同时，在城市内部，由于经历了一定的历史发展周期之后，产业升级转型，工业布局调整，旧城改造，推动着城市空间范围不断向外扩展，随着城市空间范围逐渐扩大，城市景观也频繁更替，带来很多城市环境和城市生态问题。城市发展、城市空间扩展所带来的如交通拥挤、土地资源紧张、城市环境问题等诸多城市病，很大程度上是由于不合理的城市景观结构布局。

城市景观结构是当前全球变化及可持续性科学领域关注的热点问题，城市景观结构研究主要是通过分析城市土地利用的类别及数量变化和土地利用类型的演变来监测城市扩展的动态信息。西方的城市景观结构的研究重点是城市形态、城市土地利用（也称功能分区）、城市内部市场空间和社会空间等。我国关于城市景观结构的研究则主要从宏观层面来描述城市规模的分布特征，而对于特殊类型城市空间发展变化的探讨则略显缺乏；对城市景观结构的微观层面即城市内部空间及景观结构演变过程研究也相对薄弱。

资源型城市是在开发利用一定数量的自然资源基础上发展起来的，具有特殊的城市景观结构特征。然而，在自然因素与人类高强度干扰的双重胁迫下，资源型城市正面临着资源枯竭、经济发展萎缩、生态环境恶化等问题，严重威胁着城市可持续发展。随着人们对资源、环境的深入认识，对资源型城市发展的综合研究逐渐得到重视。针对当前我国资源型城市现状，众多学者在景观生态学与城市地理学理论的指导下，结合原有的研究基础，借助地理信息系统（GIS）与遥感成像等先进技术手段，开展资源型城市景观结构与过程的研究。

大庆市是我国一个典型的资源型城市，城市景观结构具有独特性，因此通过对大庆市城市景观结构演变过程图谱的研究可以全面客观的反映城市空间结构的演变机理，有利于深入研究城市用地空间结构，提高城市规划的有效性和对建设效果的分析和评价，为国土资源的可持续利用提供决策支持。

城市内部用地结构信息是城市在特定社会背景下的各种经济、文化因素在城市地域空间上的反映，是城市地理学研究所需要的重要空间信息。大庆市近三十年来城市发展经历了多重政治、经济背景，城市用地结构演变表现为住宅、工业用地的外延式增长以及工矿业用地不断外迁，大面积绿地被住宅建设用地侵占等老工业城市比较典型的特征。城市景观结构要素在空间上运动和重组，从而使城市空间结构发生改变。

现代信息科学技术的进步，特别是人造卫星从太空获取遥感图像数据，提供了最逼真的、初始的地学景观图谱[1]。而地图代数运算技术和地理信息系统，则提供出一种经过智能化、深加工之后产生的地学信息图谱，表述地学规律的升华。陈述彭院士认为“地学信息图谱是一种动态的电子数字地图，用于描述人与自然和谐相处的规律，反演它的过去，评估它的现状乃至预测它的未来，是科学的艺术，也是艺术的科学”。地学信息图谱作为一个新的科学命题，其定义、内涵和实质已经被不少学者论述过，同时其理论基础和标准化的形式也在一些学术著作中得到讨论[2-6]。

伴随我国工业化进程和城市化进程的不断加快，中国已进入快速城市化发展时期，以城市景观结构变化为先导的城市化研究是当前国内外学术界研究的核心领域[7]。城市是人类经济活动的中心，城市景观结构是人地关系相互作用的最直接体现。从一定意义上说，现代人类社会的发展历史就是城市景观结构变化的历史。主要由人类的土地利用活动所造成的城市景观结构的改变必然对地球系统的气候、生物地球化学循环水文及生物多样性等产生重要影响，同时景观结构变化必然也是地球表层物理的、化学的、生物的过程和相互作用的表现。因此，景观结构研究是全球环境变化研究的核心领域。选题“资源型城市景观结构演变的过程图谱”立足于研究国民经济与社会发展中的重大实际问题，意义重大。其一，大庆作为典型的资源型城市是我国重要的石油生产及加工基地，大庆在东北老工业基地中是重点改造的对象，另外本区还位于黑龙江省的哈-大-齐工业走廊的中心位置，是黑龙江省西部的一个经济中心。因此选择大庆市区作为研究区域，具有重要的经济和社会意义。其二，本研究以大庆市区为例，基于地理学、景观生态学和地学信息图谱的综合思想，以遥感数据为主要信息源，结合相关历史资料、专题地图、城市规划图、城市土地利用现状图、统计资料，以地理信息系统为数据支持平台，揭示大庆市城市内部景观结构形态、景观要素分布的时空演化规律及其驱动因子，并构建了城市景观结构演变信息图谱序列，为城市规划和城市景观设计提供科学依据[8]。

全书运用图谱的分析方法来研究大庆市景观结构演变规律，并根据研究结果分析大庆市景观结构的驱动因素，为大庆市制定可持续发展的战略规划提供科学参考。并希望研究能为地学信息图谱在知识发现、数据挖掘及景观结构研究中的应用做一些新的尝试。本研究揭示了资源城市发展与资源城市景观结构演化关系的规律，并深入到地理过程与发生机理的研究，弥补了目前学术界对这一领域进行系统研究的空白，本研究对于丰富和发展地学信息图谱理论和应用方法具有学术价值，对于城市规划和城市的可持续发展具有实践指导意义。

1.3.2 城市景观结构研究进展

1．景观结构国外研究进展

城市景观是由组成城市各个异质的景观单元所组成，这些景观单元在城市内的镶嵌组合及内在相互作用关系之中，构成城市景观的空间结构。城市景观结构研究是景观生态学研究的主要内容之一，在国内外一直受到重视。

国外城市景观结构研究始于20世纪50年代，当时主要是从定性的角度论述城市景观结构的时空演化，形成了城市形态学派和空间学派，著名的理论有中心地理论和土地竞争理论，建立了同心圆模式、扇形模式、多核心模式等传统的城市内部地域结构模式[9]。数量化研究在20世纪70年代才逐渐发展起来[10]，这一时期主要利用分形、混沌等后现代数学方法，结合地理计算技术，利用定量模型从城市外部探索城市景观结构演变规律[11]。P. M. Allen和M. Sanglier分别于1979年、1981年提出了城市空间演化的系统动力学模型[12-13]。

在70～80年代中期形成了行为主义、人文主义、结构主义和新韦伯主义，在80年代中期以后又形成了景观学派、社会生态学派、区位论学派、行为学派、结构主义学派、时间地理学派。城市空间结构研究重点逐渐转入信息化对人类聚居行为、生态环境的影响等方面。在文化价值、生态耦合以及人类体验等深层次上，关注城市历史文化的连续，其中著名的有凯文·林奇的城市意象感知、雅各布的城市交织功能、亚历山大的半网络城市、杜克塞亚迪斯的动态城市、麦克哈格的自然生态城市、罗尔的拼接城市、列波帕特的多元文化城市等，这些研究反映了他们对后现代社会、高科技发展对城市空间冲击可能造成的诸如情感真空、环境破坏、文化断层等后果的关注和忧虑[14]。

20世纪80年代末期，随着计算机及地理信息技术发展的日趋成熟，主要是利用结胞自动机，人工神经网络、遗传算法等复杂性工具，结合RS、GIS技术模拟城市演化，并开始运用土地利用现状图、遥感影像对城市景观结构进行研究。这些研究主要集中在城市景观结构特征及动态变化及驱动力，城市景观结构变化的生态环境影响、城市景观生态调控和建设等方面。近年来景观格局数量研究有了重大进展，出现了大量的数量化方法。结合景观指数软件（如Fragstats）和地理信息系统技术分析景观结构是现在较为常用的研究手段。城市景观结构研究已成为城市景观生态学研究的热点[15]。比较有代表性的学术研究有：1997年，Batty M在介绍细胞自动机模型的原理的基础上，详细探讨了细胞自动机模型与城市格局的形成的机理[16]。2002年，Matthew Luck和Jianguo Wu以美国亚利桑那州凤凰城为例，以遥感影像为信息源，分析了城市景观结构与空间幅度大小的关系，定量描述和监测景观结构特征随时间和空间的变化[17]。2003年，景观生态学的方法开始被普遍用于城市研究，Paul C. Sutton利用夜间遥感影像对美国200多个城市的扩展进行了分析[18];2004年，Rual Romero-Calcerrada以三期遥感影像为数据源，研究了西班牙Encinares城市景观格局变化并解释了变化的原因[19]。2008年，Susannah E. Gill分析了英国大曼彻斯特地区的城市形态及城市景观结构特征[20];2011年，Francisco Aguilera以细胞自动机模型分析了西班牙大都市区中等尺度城市的住宅和工业用地景观的增长模式[21]。

2．景观结构国内研究进展

我国学者研究城市景观结构的历史并不久远。20世纪80年代之前，还主要是对西方理论与方法的引进和介绍[22]。自80年代以来，我国城市景观结构的研究主要包括景观结构演变研究和城市景观要素研究两方面的内容。城市景观（包括城郊景观）格局演变的研究近年来逐渐受到广泛的关注。城市景观的演变包括两个方面：时间序列的演变和空间梯度的演变，这项研究是揭示城市（城郊）景观演变规律及进行深入研究的基础。对于时间序列的演变研究，大多学者应用不同时期的遥感影像资料进行分析，以揭示城市化进程中不同时期城市景观结构特征。空间梯度分析的常用方法则是选取几个城市中不同城市化水平的地区作为样地，一般包括城市中心、近郊、远郊、农村几个梯度带，借此分析不同城市化水平地区各自景观特征以及城市化对城市景观的影响。张利权对上海景观结构的梯度分析中，在这方面做出了有益的探索[23]。

对城市景观要素的研究主要侧重于城市廊道对城市景观的生态影响。城市廊道是城市景观中线状或带状的要素，道路是其主要的廊道类型。道路廊道既是各种流（人口流、物资流、能量流、信息流、资金流等）的通道，又是分割景观的要素，在城市景观结构的发展过程中，起着重要的作用，甚至有学者认为，道路廊道的发展引导整个城市景观结构的发展[24-25]。城市廊道的合理布局是城市景观是否健康发展的一个重要因素。宗跃光对城市自然廊道以及人工廊道所产生的效应做出了较为深入的研究，指出自然廊道与人工廊道相互依存的合理性原则，并以此指出北京城市建设中廊道建设的不合理性，同时，对北京廊道规划提出了相应建议[26]。

比较有代表性的学术研究有：1990年，肖笃宁在国内最早开展了城市景观生态方面的研究，运用景观结构指数和马尔柯夫模型对沈阳西郊景观结构进行了分析和预测，他首次将景观分析的方法引入我国，取得了较好的效果[27]。高峻、宋永昌以上海西南城乡交错带3个时相的航空遥感图像为主要信息源，在ARCINFO软件的支持下，建立景观数据库，运用景观结构指数对1984—1994年上海西南城乡交错带的景观特征及其动态进行研究，分析表明，1984—1989年和1989—1994年两个时期各种景观的结构特征有明显的差异，景观结构常常受到经济政策的影响，不合理的景观结构是城市生态问题产生的症结所在[28]。谢志霄、肖笃宁以沈阳市东陵区为例，对城郊景观动态模型进行了研究，基于渗透理论、马尔柯夫过程理论，采用中性模型方法，建立了3个不同的城郊景观动态模型，模型中分别介入了不同自然因子和决策因子，利用模型对研究区景观进行了动态变化模拟，并对模拟结果进行了评价，该研究对模型合理的选取进行了有意义的探讨[29]。1996年，陈顶利和傅伯杰利用土地现状图分析了山东省东营市景观结构[30];1999年，曾辉对经济快速增长区小城镇景观动态变化进行研究[31];2002年，田光进利用三期TM影像对海口市的景观结构变化进行了研究[32];2003年，袁艺、史培军利用1980年、1988年、1994年和2000年TM影像对深圳市城镇用地和农地景观结构变化特征进行了研究[33]。2005年，杨宝英、江南等利用1986年、1994年、2000年的TM图像和2000年的土地利用现状图，运用GIS和核心景观指数研究南京市自1986年以来景观格局的动态演变规律[34]。2013年，云继英在RS和GIS技术的支持下，以呼和浩特市建成区的主城区为研究范围，运用景观生态学的理论与方法，以Fragstats 3.3为工具，计算了景观面积指数、景观形状指数、分维度、香农多样性指数、香农均匀度指数、聚集度等10个指数，对呼和浩特市景观空间格局进行定量评价[35]。

2008年，艾伟、庄大方等利用数字化地形图、陆地卫星MSS、TM影像，对民国时期至2005年北京市城市用地的而积变化、扩展过程进行了监测分析并对北京市中心建成区及周边典型卫星城的动态变化做了重点分析[36];2009年梅琳、龚胜生、颜俊在概括武汉城市景观演变历程的基础上，从城市景观系统的层面分析城市景观系统演变特征[37];2010年，尹芳、冯敏等以吉林省四平市为例，选取1976年、1979年、1991年、2001年和2013年MSS、TM、ETM +的5个时相遥感图像对该市31年来城市扩展及其特点进行了分析[38]。

3．资源型城市景观结构变化的主要研究目标

（1）以大庆市区为研究区，以TM遥感影像及城市土地利用现状图、城市土地利用规划图为基本数据源，研究城市景观在不同空间单元上的空间扩展特征、城市景观要素分布的时空特征，以此建立大庆市区各种城市景观类型的图谱序列，并运用图谱序列揭示城市景观结构的演变规律。

（2）研究大庆市城市景观的格局与过程，揭示景观结构变化的影响因子，建立大庆市城市景观结构演变的驱动力模型；为城市规划和城市景观设计提供科学依据。

（3）正确认识当前资源型城市景观结构中存在的问题，提出资源型城市可持续发展的空间途径。