多元目標導向下的成都中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡構建

周 媛

（西南民族大學 城市規(guī)劃與建筑學院，四川 成都 610041）

城市化進程和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌建設的加速推進，在推動社會經(jīng)濟發(fā)展的同時也帶來一系列的城市環(huán)境問題。如綠地面積不斷減少、景觀破碎化嚴重、生物多樣性降低、景觀功能連通性差等，嚴重削弱了城市綠地的生態(tài)調(diào)控能力和城市的可持續(xù)發(fā)展。面對日益嚴重的城市環(huán)境問題，城市綠地生態(tài)規(guī)劃應考慮如何盡可能利用現(xiàn)有生態(tài)空間、綜合運用各種空間分析方法/技術構建具有最優(yōu)生態(tài)效能的綠地生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構，并使之成為規(guī)劃層面上解決生態(tài)環(huán)境問題的重要手段［1］。目前，城市綠地空間特征及綠地生態(tài)網(wǎng)絡的構建工作主要根據(jù)景觀生態(tài)學原理，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和景觀格局指數(shù)等進行［2-3］。一般認為，城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡構建的關鍵問題是核心綠地斑塊以及生態(tài)廊道［4］的識別。近年來，由VOGT等［5］提出的基于數(shù)學形態(tài)學原理的形態(tài)學空間格局方法（morphological spatial pattern analysis，MSPA）將土地利用覆蓋圖的景觀分為核心、連接橋、孤島等相互獨立的7種類型，在識別網(wǎng)絡結(jié)構中的大型綠地斑塊并確定相互之間的重要程度上作用明顯［6-7］。而最小累積阻力模型（minimal cumulative resistance model，MCR）在綜合考慮區(qū)域內(nèi)的自然社會環(huán)境、人為干擾等多影響因素后，構建綜合阻力面，科學模擬生成區(qū)域內(nèi)的潛在生態(tài)廊道；利用重力模型、圖譜理論［8-9］、相對生態(tài)重要性與相對城鎮(zhèn)發(fā)展脅迫賦值加權方法［8］等，則能更科學合理地判斷生態(tài)廊道的相對重要程度。當前大部分研究是將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好或面積相對較大的綠地作為核心斑塊，并未考慮斑塊間的景觀連通性及相對重要程度［10］。本研究利用MSPA方法分析2016年成都市三環(huán)區(qū)域內(nèi)的綠地景觀空間形態(tài)格局，提取對綠地生態(tài)網(wǎng)絡構建具有重要生態(tài)意義的核心區(qū)和連接橋區(qū)；根據(jù)整體連通性（CII），可能連通性（CP）和斑塊重要性（DI）等連通性景觀指數(shù)對核心區(qū)和連接橋區(qū)景觀連接度的評價結(jié)果篩選重要生態(tài)源地；耦合MCR模型、最小路徑方法、重力模型提取重要生態(tài)廊道，經(jīng)中介中心度識別中介作用較好的斑塊作為踏腳石，以此構建優(yōu)化的綠地生態(tài)網(wǎng)絡。

1 研究區(qū)概況

成都市位于四川省中部（30°05′～31°26′N， 102°54′～104°53′E）， 海拔為 450～750 m， 屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，雨水充沛，四季分明；常年最多風向為靜風；年平均氣溫為15.2～16.6℃，年平均降水量為873.0～1 265.0 mm；地勢差異顯著，西北高，東南低，地形地貌復雜，自然生態(tài)環(huán)境多樣，生物資源十分豐富。成都市三環(huán)包括武侯區(qū)、錦江區(qū)、金牛區(qū)、成華區(qū)、青羊區(qū)以及青白江區(qū)的部分區(qū)域。在以全面建設現(xiàn)代田園城市的發(fā)展理念指導下，按照《成都市城市總體規(guī)劃（2016-2035年）（草案）》和《成都市綠地系統(tǒng)規(guī)劃（2003-2020）》目標，成都市將建成一個綠量充沛、布局合理、功能完善、生物多樣、景觀優(yōu)美、特色鮮明的城市綠地系統(tǒng)。因此，研究綠地生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構對成都市綠化建設具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

以《成都市綠地系統(tǒng)規(guī)劃（2003-2020）》和《成都市城市總體規(guī)劃（2016-2035年）（草案）》為指導，采用2016年成都三環(huán)內(nèi)的QuickBird高分辨率遙感影像，空間分辨率為0.61 m；根據(jù)高分辨率遙感影像的特點，采用分類精度較高的目視解譯方法獲取綠地、水體、道路等城市土地利用數(shù)據(jù)；通過地形圖和實地采點驗證，解譯精度88.5%，滿足研究區(qū)景觀分析的精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA的綠地空間形態(tài)格局分析 利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術將城市用地類型中的綠地和水體屬性值設為2，其他用地類型設為1，空白區(qū)域?qū)傩灾翟O為0，并將其轉(zhuǎn)化為TIFF格式的二值柵格數(shù)據(jù)。本研究區(qū)面積較小，綠地景觀較為破碎，為了準確識別不同面積大小斑塊對景觀連通性的重要作用并增加核心區(qū)域之間的連通性，本研究在MSPA尺度敏感性分析的基礎上，選擇8領域連通性原則，設定邊緣寬度為1，柵格大小為3 m×3 m的研究尺度分析城市綠地景觀空間形態(tài)格局。利用Guidos軟件對柵格數(shù)據(jù)進行MSPA分析，得到包括核心、孤島、連接橋、環(huán)、分支、邊緣、穿孔7種不同的景觀類型［5］。在對結(jié)果進行統(tǒng)計分析的基礎上提取出具有重要意義的核心區(qū)和連接橋區(qū)作為景觀連通性分析的基礎數(shù)據(jù)。

2.2.2 景觀連通性評價 景觀連通性水平能夠量化表征該景觀類型對生態(tài)源地斑塊內(nèi)物種遷移的有利程度。本研究利用Conefor軟件，選用整體連通性［CII，式（1）］，可能連通性［CP，式（2）］和斑塊重要性［DI，式（3）］3個景觀指數(shù)［6，11］，對核心區(qū)和連接橋區(qū)進行景觀連接度評價。經(jīng)過反復計算，將生態(tài)源地斑塊間的連通距離閾值設置為500 m，連通概率設置為0.5。

式（1）～（3）中：n表示研究區(qū)內(nèi)總斑塊；ai和aj分別為斑塊i和斑塊j的面積；nlij為斑塊i和斑塊j之間的連接；pij＊為斑塊i與斑塊j之間全部路徑概率的最大乘積值；AL為研究區(qū)景觀總面積；I為某一景觀的連接度指數(shù)，本研究中為整體連通性指數(shù)（CII）和可能連通性指數(shù)（CP）；Iremove為去除該斑塊后的景觀連接度指數(shù)。

2.2.3 基于MCR模型的生態(tài)網(wǎng)絡構建 利用最小累積阻力（RMC）模型［式（4）］計算生物在不同生境間遷移、 擴散的最佳路徑［11-12］。

式（4）中：Dij表示從源點j到空間單元i的空間距離；Ri表示空間單元i的阻力系數(shù)。首先根據(jù)景觀連通性評價中核心斑塊重要性DPC值大小選取生態(tài)源地，選取高程、土地利用類型、與城市道路的距離、與河流水系的距離等阻力因子。各景觀阻力因子分4個阻力等級分值，分值越高則代表生物擴散阻力越大，各因子的阻力分值及權重主要參考國內(nèi)外相關研究成果以及專家打分法確定（表1）。各因子轉(zhuǎn)化為30 m×30 m柵格單元大小的數(shù)據(jù)，通過加權疊加計算獲得綜合阻力面，作為MCR模型的成本數(shù)據(jù)。然后，利用GIS的Spatial Analyst工具計算生態(tài)源地到目標斑塊的最小成本路徑［6］，并生成由潛在廊道組成的綠地生態(tài)網(wǎng)絡。利用重力模型［式（5）］［6,12］，計算生態(tài)源地間的相互作用矩陣，評價不同生態(tài)源地間的相互作用強度，量化分析研究區(qū)內(nèi)潛在生態(tài)廊道的相對重要性。

表1 不同景觀類型的阻力值Table 1 Impedance values of each landscape type

式（5）中：Gij是斑塊與斑塊間的相互作用強度；Ni與Nj為斑塊i與斑塊j的權重；Dij為斑塊i與斑塊j之間潛在廊道的標準化阻力值大?。籔i為斑塊i的整體阻力值；Si為斑塊i的面積；Lij為斑塊i與斑塊j之間潛在廊道的累積阻力值；Lmax為研究區(qū)內(nèi)所有廊道的最大阻力值。

2.2.4 生態(tài)網(wǎng)絡踏腳石選擇分析 中介中心度（betweeness centrality）是從連通性角度出發(fā)識別生態(tài)網(wǎng)絡中占據(jù)中心位置斑塊的有效方法，也是判別景觀斑塊是否為重要踏腳石的量化標準。中介中心度的分值大小為0～1，分值越高，踏腳石斑塊的重要程度越大。本研究利用GIS中Matrix Green空間分析模塊的中介中心度計算生態(tài)網(wǎng)絡中綠地斑塊的中介作用大小，并根據(jù)其分值大小選定生態(tài)網(wǎng)絡中具有重要樞紐作用的踏腳石斑塊。中介中心度公式為：

式（6）中：N為網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)；njk為節(jié)點j與節(jié)點k間最短路徑的條數(shù)；njk（i）為節(jié)點j與節(jié)點k之間的最短路徑經(jīng)過節(jié)點i的條數(shù)。

2.2.5 網(wǎng)絡連接度指數(shù)分析 根據(jù)景觀生態(tài)網(wǎng)絡連接度理論，采用α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)［13］對優(yōu)化后的成都市綠地生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構進行評價。α＝（e-v＋p）/（2v-5p），β＝e/v，γ＝e/3（v-2p）。其中：e代表連線數(shù)目；v代表節(jié)點數(shù)目；p代表網(wǎng)絡中互不連接的亞圖數(shù)目，一般取值為1。α指數(shù)是衡量網(wǎng)絡閉合性的指標，數(shù)值范圍為0～1，值越接近于1則網(wǎng)絡閉合性越好；β指數(shù)是衡量網(wǎng)絡連通度的指標，數(shù)值范圍為0～3，數(shù)越大則網(wǎng)絡結(jié)構完善度越高；γ指數(shù)用來衡量網(wǎng)絡的連通程度，數(shù)值范圍為0～1，值越接近1則表示網(wǎng)絡中每個節(jié)點間都存在連線。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA的城市綠地空間形態(tài)格局分析

根據(jù)MSPA各景觀類型統(tǒng)計分析結(jié)果（圖1，表 2）可見：研究區(qū)核心區(qū)面積約為12.972 km2，占總面積的85.85%，主要分布在成都市三環(huán)內(nèi)的清水河、沙河、府南河沿線，空間連通性較好；研究區(qū)東北部和西南部核心斑塊相對較少，斑塊間相互獨立，景觀連通性較差。連接橋區(qū)面積約為0.048 km2，占總面積的0.32%；受綠地斑塊較分散、破碎化程度高的影響，作為結(jié)構性廊道的連橋接需連接不同的核心斑塊，因此分布也較為分散。邊緣區(qū)是核心區(qū)與外部非綠色空間的過渡地帶，具有邊緣效應和保護核心區(qū)不被外界因素干擾的功能，占總面積的11.98%。與邊緣區(qū)相似的是穿孔區(qū)，是核心區(qū)與內(nèi)部非綠色空間的過渡地帶，也具有邊緣效應，占總面積的0.06%。邊緣區(qū)與穿孔區(qū)作為景觀空間格局中的組成要素，可根據(jù)其范圍大小劃定相應的緩沖區(qū)域以適應邊緣效應。作為 “踏腳石”斑塊的孤島，在空間格局中分布相對孤立，面積相對較小，景觀連通性低。分支在綠地空間格局中所占比例相對較小，約為總面積的0.86%，它與連接橋、環(huán)、穿孔等具有一定的連通性。環(huán)是聯(lián)系同一核心區(qū)的內(nèi)部環(huán)狀廊道，也是生物遷移的重要通道，約占面積的0.02%。

圖1 基于MSPA的景觀類型分析圖Figure 1 Landscape types map based on MSPA

3.2 研究區(qū)景觀連通性分析

景觀連通性指數(shù)計算（圖2，表3）將DPC值大于4的12個核心斑塊作為生態(tài)源地，剩余的核心區(qū)根據(jù)DPC值大小劃分為3個等級：極重要核心區(qū)（1.0＜DPC≤4.0），重要核心區(qū)（0.1＜DPC≤1.0），一般核心區(qū)（DPC≤0.1）。連接橋區(qū)根據(jù)DPC值大小分為極重要連接橋區(qū)（DPC＞0.8）， 重要連接橋區(qū)（0.2＜DPC≤0.8）， 一般連接橋區(qū)（DPC≤0.2）。由圖2可看出：連通性較大的核心斑塊和連接橋大多分布在研究區(qū)的西部，表明該區(qū)域內(nèi)的斑塊生境質(zhì)量高，景觀連通性相對較好，利于物種在斑塊間的遷移與物質(zhì)能量的流動。研究區(qū)的北部和南部雖然也有一定數(shù)量的核心斑塊，但數(shù)量較少，空間上相對較為分散，不利于生物物種的遷移與擴散。研究區(qū)東部核心斑塊數(shù)量最少，景觀連通性相對較差。極重要和重要的連接橋主要分布在研究區(qū)的西部、北部、南部，它們對增加核心斑塊的景觀連通性具有重要作用。然而，研究區(qū)的整體連通性相對較差，僅南北區(qū)域的連通性相對較好，東西區(qū)域的核心斑塊間相互獨立，尤其是東部的核心綠地斑塊面積相對較小且DPC值相對較低，這將不利于綠地生態(tài)網(wǎng)絡的構建。因此，在綠地生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化中，需要在研究區(qū)東部、東北部區(qū)域建設踏腳石綠地斑塊，以維持景觀連通性。

表2 MSPA分類統(tǒng)計表Table 2 Classification statistics table of MSPA

3.3 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)果分析

根據(jù)重力模型計算結(jié)果，提取相互作用強度大于5的廊道作為構建研究區(qū)優(yōu)化綠地生態(tài)網(wǎng)絡的重要結(jié)構性廊道。由表4和圖3可見：斑塊6和斑塊9之間相互作用最強，表明斑塊間的關聯(lián)性最強，相互間的景觀阻力較小，斑塊間的物質(zhì)和能量流動更緊密，物種遷移與能量流動的可能性較大。因此，斑塊6和斑塊9之間的連接廊道對維持斑塊間的連通性具有重要意義。斑塊11和斑塊12的相互作用強度最小，其空間距離相對較遠，也沒有相關的結(jié)構廊道將其連通，相互間交流的可能性相對較低，能量流動的景觀阻力相對較大，不利于物種在斑塊間的遷移與擴散。同時，由于研究區(qū)東部和西部區(qū)域整體連通性差，重新構建斑塊11與斑塊12間的連通廊道對東、西部區(qū)域間物種遷移與擴散以及綠地生態(tài)網(wǎng)絡連通性的提高具有重要作用。由圖3可以看出：研究區(qū)南部、北部以及西南部有一定的生態(tài)廊道連通，利于物種在研究區(qū)南北部斑塊之間的遷移，但廊道的密集程度相對較低，不能有效地滿足物質(zhì)能量的流動。同時，研究區(qū)東部、西部連接的廊道較少，生態(tài)網(wǎng)絡的完善度有待提高。因此，在整個研究區(qū)內(nèi)構建新的生態(tài)源地和生態(tài)廊道，提高生態(tài)廊道密度對綠地生態(tài)網(wǎng)絡的優(yōu)化建設具有重要的指導意義。

3.4 綠地系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡構建優(yōu)化策略

綜合考慮MSPA提取的核心斑塊以及DPC值，選擇重要程度最大的3個斑塊進行重點保護與建設，使之成為研究區(qū)內(nèi)重要的生態(tài)源地；根據(jù)中介中心度計算結(jié)果選出分值較高的13個綠地斑塊作為踏腳石斑塊（圖4），包括沙河公園、望江樓公園、文殊院、東湖公園等，它們對綠地生態(tài)功能的提升具有重要意義；根據(jù)斑塊間的阻力值以及核心區(qū)和連接橋區(qū)的空間分布規(guī)劃18條廊道以加強東、西部區(qū)域的連接，增大生態(tài)網(wǎng)絡密度以增強整個網(wǎng)絡空間連通的有效性（圖4）。統(tǒng)計對比分析規(guī)劃前后綠地生態(tài)網(wǎng)絡連接度表明：規(guī)劃前α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)分別為0.13，2.20，0.46，規(guī)劃后為0.51，2.70，0.68，規(guī)劃后生態(tài)網(wǎng)絡的空間連通性及有效性較規(guī)劃前都有較大的提高。

表3 基于景觀連通性的核心區(qū)重要度排序Table 3 Ranking of the importance of core area based on landscape connectivity

圖2 源地、核心和連接橋分類圖Figure 2 Classification map of source,core,bridge

表4 基于重力模型計算的斑塊間的相互作用矩陣Table 4 Node interaction （G）based on the gravity model

4 結(jié)論與討論

本研究基于MSPA分析成都市三環(huán)內(nèi)綠地景觀空間形態(tài)格局，識別對綠地景觀連通性具有重要意義的核心區(qū)和連接橋區(qū)，利用景觀連通性指數(shù)確定研究區(qū)內(nèi)綠地生態(tài)網(wǎng)絡的源地與結(jié)構性廊道以及它們的相對重要程度。耦合MCR模型、最小路徑方法、重力模型篩選出研究區(qū)內(nèi)相對重要的潛在生態(tài)廊道。最后利用中介中心度選擇對生態(tài)網(wǎng)絡連接具有重要意義的踏腳石斑塊，以構建優(yōu)化的綠地生態(tài)網(wǎng)絡。研究結(jié)果表明：MSPA方法、MCR模型、最小路徑方法、重力模型以及中介中心度在城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡構建過程的有機結(jié)合，打破了傳統(tǒng)生態(tài)源地選擇的單一模式，通過量化分析能夠更科學合理地確定核心斑塊對綠地景觀連通性的重要程度。該方法體系對城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡的構建具有一定的借鑒意義。

圖3 研究區(qū)潛在生態(tài)廊道Figure 3 Potential ecological corridor map

圖4 綠地生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃Figure 4 Greenspace ecological network planning map

本研究中，重點強調(diào)踏腳石斑塊對物種遷移擴散、增強綠地生態(tài)網(wǎng)絡連通性的重要作用，在后續(xù)研究中，可將踏腳石斑塊與城市居民的游憩需求相結(jié)合，利用中介中心度，構建城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡中的踏腳石群鏈接系統(tǒng)，形成 “大型綠地斑塊+踏腳石斑塊+生態(tài)綠道+游憩節(jié)點”的綠地生態(tài)游憩網(wǎng)絡結(jié)構。城市綠地景觀空間形態(tài)格局的研究尺度只考慮邊緣寬度與柵格像素大小對尺度敏感性的影響，并未考慮研究區(qū)的形狀、適宜性等因素，在后期研究中將深入探討和分析不同研究尺度對MSPA綠地網(wǎng)絡結(jié)構的影響。本研究利用MCR模型構建綜合阻力面主要從綠地景觀的連通性以及景觀格局的穩(wěn)定性方面入手，并未具體考慮生物物種的遷徙及生活習性對生態(tài)網(wǎng)絡構建的影響。在利用景觀連通指數(shù)進行分析時，連通距離閾值設定主要通過反復的對比計算及研究區(qū)的范圍來設定，未考慮物種的擴散距離，在后續(xù)研究中將對連通距離閾值的設定做更為詳細的研究。