武漢市道路網絡結構及變化特征的景觀格局效應

摘要：以武漢市為例，將GIS技術、網絡結構分析、景觀格局效應和相關性分析方法相結合，研究道路網絡結構及變化特征景觀效應。在隨機選取80個研究單元的基礎上，對比分析2006、2012年武漢市道路網絡結構特征以及2006 — 2012年道路網絡結構變化特征的相關關系、道路網絡結構特征的整體及類型層次的景觀格局效應。結果表明，2006 — 2012年武漢市道路建設導致道路網絡節點、廊道數量增加，道路網絡結構復雜，α指數、β指數和γ指數相互之間的相關性較高，均可用來描述道路網絡結構特征和發展水平；2006年武漢市道路網絡格局特征對景觀整體格局約束性影響不顯著，但2012年武漢市道路密度與斑塊密度（PD）、多樣性指數（SHDI）等指數顯著相關；同時在類型層面上，道路對建設用地顯示出空間集聚吸引，對耕地、草地、水系地類邊緣景觀格局碎裂特征作用明顯。

關鍵詞：道路網絡；網絡結構分析；景觀格局特征；武漢市

中圖分類號：F293.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0678-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.033

Abstract： Wuhan city was chosen to study the road network structures and the landscape ecological effects with GIS technology， network structure analysis， landscape ecological pattern analysis， and the correlation analysis. By randomly selecting eighty study units， the road network structures in 2006 and 2012， the correlation of the road network features between 2006 and 2012 were discussed. The result showed that， the road network has become more complex with the increasing number of the nodes and corridors， and the network structure indices can describe the proper characteristics of the road network. Instead of not significant correlation at land scale in 2006， the road density performed significantly related with landscape metrics such as PD，SHDI. Whereas it indicated significant correlation between the road network of Wuhan and the landscape pattern at class scale. For example road network had a spatial agglomeration attract to construction land and led to the distinct landscape fragmentation patterns of the cultivated land， grassland and water.

Key words：road network；network structure analysis；landscape pattern feature；Wuhan city

道路生態影響研究是景觀生態學研究的重要范疇，起初集中于生態環境干擾等方面，包括道路周圍植被、野生動物遷徙行為以及道路對周圍環境外部性影響[1-4]。隨著GIS技術的發展，遙感技術的應用以及土地利用、土地覆蓋變化（LUCC）等研究的深入，區域以及道路景觀生態成為20世紀80年代的研究熱點[5，6]。20世紀90年代以來，道路生態研究逐漸側重于道路景觀格局與土地利用效應，即道路景觀效應分析[7-9]。研究發現道路生態影響過程分為直接影響和間接影響[10]，表現為道路修建直接引起景觀破碎化，改變景觀格局，增加邊緣比例等影響生態系統[11]；同時道路可能誘導人口等產生集聚效應，形成新的城市形態，間接改變土地利用格局，對生態網絡產生較大影響[12]。隨著研究的深入發現，道路作為干擾體，影響范圍大，因素較多且預測存在困難[10]，道路具有明顯的網絡結構特征[13，14]，目前已有研究考慮運用網絡分析手段[15，16]，結合景觀生態研究道路網絡特征景觀生態效應[17-19]。

總結國內外道路網絡生態研究成果發現，相關研究多注重于景觀生態性研究，側重于自然、半自然景觀效應[20，21]，而城市化地區的相關研究多從道路密度等特征出發分析道路的景觀效應[22-24]，較少從多時期、長時間段定量探討景觀指數與道路網絡兩者之間的相關關系及變化特征。為此，以武漢市為例，結合GIS技術、遙感技術、網絡結構分析及相關性分析方法，在合理選取空間研究單元的基礎上，利用2006年、2012年道路網絡數據和土地利用數據，研究道路網絡結構及變化特征的景觀格局效應，對道路生態研究提供案例研究積累，對于合理規劃道路網絡、新城鎮化建設、城鄉統籌發展，區域可持續發展有重要意義[16，25，26]。

1 研究區概況

武漢市（113°41′E-115°05′E，29°58′N-31°22′N）地處長江中下游，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛、日照充足、四季分明，市轄13個行政區，總面積8 494.41 km2，占湖北省總面積的4.6%。

武漢地處中國腹地中心，江漢平原東部，是承東啟西、接南轉北的國家經濟地理中心，歷來被稱為九省通衢之地。武漢市作為中部六省的政治、經濟、科技、商業、貿易、金融和文化中心，被國家交通部定位為國際航運中心，是國家綜合交通樞紐城市。21世紀以來，隨著經濟的高速發展，城市化進程的加快，武漢市作為長江中游城市群中心城市，其道路交通網絡與土地利用景觀變化在長江中游地區具有一定的代表性。

自武漢三鎮合并以來，武漢市以13個行政單元作為社會經濟發展的基本構架。2006年以來，隨著軌道交通線路的建設、繞城高速及高架橋的落成，武漢市形成了高速發展且相對完善的交通系統，引發了景觀生態格局的改變。考慮后續將通過相關性分析方法研究武漢市交通網絡變化的景觀生態效應，本次研究選擇武漢市1∶1萬3期空間矢量數據為基礎，以武漢市2期道路矢量數據為參考，在Arcgis10.1環境中，將研究區域劃分為5 km×5 km的網格，隨機選取80個網格作為研究單元。對照道路變化情況，將研究單元分為2類，第一類（24個）：該研究單元2006 — 2012年時間段內道路未改變；第二類（56個）：該研究單元2006 — 2012年時間段內道路改變。具體見圖1。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究采用的遙感衛星影像數據來源于SPOT5、SPOT6遙感數據，圖像質量良好。經過Envi 4.8對遙感影像進行幾何精校正、圖像配準等預處理之后，目視解譯出2006年和2012年2個時期武漢市交通道路數據。在ArcGIS環境中，將2期道路數據疊置分析，分別標示出2006 — 2012年研究區域道路變化情況。對比2006、2012年武漢市道路網絡發現，7年內武漢市道路網絡變化明顯，道路增長較快，多沿南北方向、東北-西南方向延伸，由武漢市主城區向江夏、漢南、蔡甸、新洲等行政區新增道路明顯。其他空間數據包括研究區域同時間段（2006年和2012年）的1∶1萬矢量數據。參照中國土地利用分類的方法，結合實際，將武漢市景觀類型分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、水系、其他7大地類。

2.2 研究方法

2.2.1 道路網絡結構特征分析 考慮地鐵網絡、鐵路網絡受復雜、大尺度因素影響，僅針對武漢市公路交通網絡，分析道路網絡數量特征和格局特征。

1）道路網絡數量特征。道路網絡數量特征指標采用節點數量e和廊道數量v兩個指標，依據武漢市研究單元土地利用數據，通過ArcGIS統計直接得出結果。

2）道路網絡結構特征。道路格局特征指標選擇網絡閉合度（α指數，用來描述網絡中回路出現的程度）、線點率（β指數，指網絡中每個節點的平均連線數）、網絡連接度（γ指數，用來描述網絡中所有節點被連接的程度）3種格局指數進行道路網絡結構特征描述[2，3]。

α指數：網絡中實際回路數與可能存在的最大回路比率，反映網絡回路性，介于[0，1]之間。α=0，意味著網絡不存在回路；α=1，說明網絡回路已達上限。

式中，e為連線（邊或弧）數目；v為節點（頂點）數目；p為網絡中互不連接的子圖數目。

β指數：度量網絡復雜程度，即網絡內結點平均連線數目。β數值范圍為[0，3]，β值越大網絡越復雜。

γ指數：測度網絡連通性，實際即網絡內連線實際數目與可能最大數目比率，衡量網絡的發育水平。γ數值范圍為[0，1]，γ值越大連通性越好；γ=1表示網絡最大連接狀態；γ=0表示網絡無連線。

2.2.2 景觀指數選取及格局效應分析 隨著城市化進程的加快，道路建設變化導致空間集聚，推進建設用地擴張，影響景觀結構根本性變化；同時道路可能吸引特定地類沿道路分布，從而引起土地利用和景觀格局變化。許多學者都曾在不同研究區域、尺度上，選擇常用景觀指數統計方法探索景觀格局特征[27-29]，對比景觀格局特征與道路網絡的內在聯系。

本研究在土地利用柵格數據基礎上，利用ArcGIS10.1、Fragstats 4.2將研究單元矢量數據轉為Raster，計算研究單元的景觀指數，參考道路變化數據，考慮斑塊類型水平、景觀水平，選擇常用景觀格局指數，從不同方面描述區域景觀格局特征。即度量景觀斑塊面積、形狀復雜度指數PD、LSI；度量景觀優勢度的指數LPI；度量景觀結構的聚集、散布指數AI、IJI、DIVISION；度量景觀多樣性的指數SHDI；度量景觀連通性的指數COHESION等，選擇的具體景觀指數見表1。計算研究單元景觀指數結果，Y=log（X+1）標準化[30]處理后，與同標準化的道路網絡格局指數在SPSS2 1.0里進行統計分析和相關性分析，從景觀層面（L）和類型層面（C）兩方面研究道路網對景觀格局影響效應。

3 結果與分析

3.1 道路網絡結構特征的相關關系

3.1.1 2006、2012年道路網絡結構特征分析 2006、2012年武漢市道路網絡特征的相關性分析結果如表2、表3。結果表明，道路網絡因子之間顯著相關，其中數量特征的3個指標：即道路密度、節點數目和廊道數目顯著正相關；格局特征的3個指數之間也顯著正相關，意味著在隨機選擇的研究單元中，隨著武漢市道路網絡發展，道路密度增長，節點、廊道數目隨之增加；而α指數、β指數和γ指數相互之間的相關性較高，表示3個網絡格局指數都可代表研究單元的道路網絡結構特征，描述道路網絡的發展水平。對比2006、2012年道路網絡數據發現，2012年道路網絡β指數與道路密度、節點數目均呈顯著正相關，說明隨著道路的發展，武漢道路網絡節點、廊道數量增加，道路密度增大，導致道路網絡更加復雜，β指數增加。

3.1.2 2006 — 2012年道路網絡變化景觀特征 監測2006 ～ 2012年武漢市道路網絡特征，分析56個道路變化的研究區發現（表4），2006 — 2012年道路網絡各項指標的變化顯著正相關，且相關性指數值較大，可能是隨著城市的發展，武漢市道路變化劇烈，道路網絡更加復雜，節點、廊道等數量指標增大，道路密度增加，網絡指標（α指數、β指數、γ指數）也隨之正相關變化。

3.2 道路網絡結構特征景觀格局效應

3.2.1 道路網絡結構特征的整體景觀格局效應分析 對比2006、2012年道路網絡結構指數與景觀整體格局指數關系，分析道路網絡的景觀整體結構特征，結果如表5、表6所示。結果顯示，2006年道路網絡結構特征（α指數、β指數、γ指數）與篩選的景觀指數無顯著相關性，表明道路網絡發育程度與景觀斑塊密度、形狀變化、聚集程度、斑塊間散布特征等特征未表現出相關關系，可能由于武漢市道路核心部分主要分布于主城區，主城區建設用地密集，而耕地、林地、園地等大部分位于主城區外，多位于生態控制區域，且武漢市位于長江下游，湖泊散布，導致武漢市整個景觀格局存在“二元性”，而整體景觀格局效應計算了不同地類景觀格局指數，因此2006年武漢道路網絡結構特征的整體景觀格局并未顯現出顯著相關性。但2012年武漢市道路密度表現出與PD、SHDI、AI顯著相關，可能由于武漢市2006 — 2012年高等級城市道路增長明顯，導致道路密度增大，分割周圍景觀斑塊，景觀多樣性指數增加，整體景觀斑塊密度增大。

2006 — 2012年武漢市道路網絡變化對景觀格局變化影響結果如圖2。增加道路網絡特征指數（α指數、β指數、γ指數），2006 — 2012年道路變化與景觀指數變化的相關性檢驗結果見表7。結果顯示，道路密度變化與景觀指數變化均存在相關性，與PD、LSI變化呈顯著負相關，與AI變化呈顯著正相關，且擬合曲線均為直線，因此判斷道路密度變化與景觀指數變化之間可以表征為一元線性相關，即隨著武漢市道路的發展，研究區道路密度增大，整體景觀斑塊密度變化速度對比道路密度增長而言較緩、景觀形狀指數變化對比道路密度增長不明顯，鄰近景觀聚集度變化較為劇烈。

α指數、γ指數的變化也與景觀斑塊密度呈正相關（表7），即各研究區隨著道路網絡的趨復雜化，網絡回路率、連通性增大，整體景觀PD增長迅速。由此可見，2006 — 2012年武漢市道路網絡發展較快，道路密度增長迅速，道路網絡結構特征的變化與部分景觀格局指數變化顯著相關。

3.2.2 道路網絡結構特征的類型景觀格局效應分析 類型層面上，道路網絡格局指數與林地、園地、草地、水系的所有格局指數之間均未表現出顯著相關（表8），說明2006年林地、園地、草地、水系的數量和空間配置與道路網絡格局無顯著相關性特征。2006年耕地的景觀斑塊凝聚度（COHESION）與道路網絡格局α指數、β指數、γ指數均呈顯著負相關，最大斑塊指數（LPI）與α指數、γ指數呈顯著負相關，意味著道路網絡發育水平顯著影響耕地，隨著道路網絡發展，網絡回路和連通度逐漸增加，耕地景觀受道路影響，表現為景觀特征更破碎、最大斑塊顯著變小。

2012年耕地、草地的總邊緣對比度（TECI）與道路網絡格局特征顯著正相關（表9），可能原因是隨著道路網絡建設導致景觀碎裂化效應顯著，特別是在自然區域耕地、草地上，道路建設導致土地開發活動，人為干擾劇烈，地類邊緣景觀格局碎裂化。2012年水系用地的斑塊占景觀比例指數（PLAND）、最大斑塊指數（LPI）、有效粒度尺度指數（MESH）與道路網絡網絡格局α指數、β指數、γ指數均呈顯著負相關，可能由于道路網絡發展改變了徑流格局和集水區域，導致水域景觀破碎化程度更劇烈。

對比表8、表9發現，2006、2012年建設用地道路網絡格局特征呈現出與斑塊占景觀比例指數（PLAND）、最大斑塊指數（LPI）、斑塊凝聚度指數（COHESION）、有效粒度尺度指數（MESH）等景觀格局指數顯著正相關，甚至2012年建設用地景觀分裂指數（DIVISION）也與道路網絡格局β指數呈顯著正相關，可能原因是道路網絡隨著時間推移，復雜度增加，道路網絡對建設用地產生空間吸引，影響景觀分布；同時隨著城市的發展，建設用地的擴張也受到道路景觀環境條件約束。

對比2006 — 2012年武漢市景觀指數變化與道路網絡指標變化進行相關性分析（表10），發現園地景觀的散布并列指數（IJI）與道路網絡格局呈顯著正相關，表明隨著道路的網絡發展，道路連通性、復雜度增大，園地的散布并列指數也增大，可能由于園地變化受道路發展的分割、干擾所致。

4 小結

武漢市城市交通的發展對中國中部地區城市擴張、土地利用空間布局、土地開發和評價有重要影響，研究其影響規律，對國內同類城市有重要借鑒。本文運用了GIS技術，將道路網絡與景觀指數相結合，針對武漢特定城市，選用道路網絡密度、道路結構指數、景觀指數等指標，揭示了2006 — 2012年武漢市道路網絡變化與景觀生態效應關系，為城市空間形態參考提供研究新方法，為城市規劃提供決策參考。

1）武漢市道路密度、節點數目和廊道數目顯著正相關；道路網絡結構特征：α指數、β指數和γ指數相互之間的相關性較高，表示3個網絡格局指數可用來描述道路網絡結構特征和發展水平。

2）武漢市2006、2012年道路網絡β指數與道路密度、節點數目均呈顯著正相關，說明隨著道路建設的發展，武漢道路網絡節點、廊道數量增加，道路密度增大，導致道路網絡格局β指數也隨之變化明顯。2006 — 2012年，道路網絡各項指標的變化顯著正相關，且相關性指數值較大，可能由于隨著武漢市2006 — 2012年的發展，武漢市道路變化劇烈，道路網絡更加復雜，節點、廊道等數量指標增大，道路密度增加，網絡指標（α指數、β指數、γ指數）也隨之正相關變化。

3）2012年武漢市建設用地密度與節點密度、廊道密度、道路密度相關性較顯著說明隨著城市化水平加快，武漢市道路網絡結構也受到影響；隨著建設用地開發強度增加，建設用地密度增大，α指數、β指數、γ指數也略有增加，道路網絡結構趨于復雜。

4）武漢市的道路網絡格局特征對景觀整體格局沒有顯著的約束性，但在類型層面上，對建設用地顯示出空間集聚吸引，對耕地、草地、水系地類邊緣景觀格局碎裂特征明顯。

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