測度城市屋頂景觀空間格局的新指數研究

（西南交通大學建筑與設計學院，四川成都610031）

（西南交通大學建筑與設計學院，四川成都610031）

為研究城市景觀格局與生態過程之間的關系，需對城市屋頂景觀格局進行定量描述.基于島嶼生物學理論，考慮屋頂面積和隔離度因素，構建了3個測度指數：最小離地高度（minimum height，MIH）衡量建筑屋頂斑塊與地面的聯系或隔離程度；可達性指數（accessibility index，ACI）反映生物從地面到達屋頂斑塊停留甚至棲息的可能性；阻力指數（resistance index，RI）測度生物及其他生態要素在地面和屋頂區域內流動及棲息的難易程度.實證研究和相關性分析結果表明：3個指數值結果均在界定范圍內；MIH和ACI之間存在很強的負相關關系；MIH與RI、ACI與RI相對獨立.運用景觀指數規劃生態網絡，可有效增加景觀連接度.

屋頂；景觀格局；指數模型；生態學途徑；景觀連接度

全球城市區域面積不斷增加，2008年城市人口首次超過鄉村人口數量，占到全球人口總數的50%以上，并且預計這一比例將在2030年達到70%［1］.城市發展形成了無數生物難以逾越的非棲息地區域.綠地缺失、人口多及建筑密度高的城市景觀格局現狀嚴重影響生物棲息、水量調節、碳氧平衡等生態過程［2］.屋頂綠化以其特有的節地、節水及節能模式，為城市尤其中心城區生態綠地的空間拓展提供了新思路［3］.城市屋頂，特別是一些不上人的屋頂生態斑塊能成為鳥類、昆蟲及其他物種的棲息地及遷徙途中的休息地［4-6］.城市屋頂生態空間能增加整個城市景觀的功能連接度，城市景觀空間格局對鳥類、昆蟲、植物（種子）等物種及生態過程的物質能量交換影響顯著.

分析景觀格局與生態過程之間的相互聯系是景觀生態學研究的核心內容之一.景觀指數能夠濃縮景觀格局信息，是反映景觀結構組成和空間配置某些特征的簡單定量指標［7］.近年來景觀指數不斷增加［8-10］，目前形成了百余種指數，并且仍在不斷推陳出新［11-13］.盡管景觀格局指數本身存在一定的局限性［14-15］，但其仍然是描述景觀格局的重要工具.

作為生態空間的載體，全球城市屋頂綠化呈現出從零星分布向成片成系統發展的趨勢.在此背景下，利用景觀指數對城市屋頂景觀格局進行量化研究尤為重要.然而，現有的景觀格局指數多是基于自然或半自然景觀構建的，往往無法有針對性地描述人工城市屋頂景觀，目前尚未檢索到描述包括屋頂的城市立體空間定量景觀指數的文獻，因此，有必要構建描述城市屋頂景觀格局的指數.作為生態空間的載體，城市屋頂景觀格局的定量研究能為科學規劃屋頂綠化生態斑塊網絡提供基礎，為進一步緩解熱島效應、大氣污染、生物棲息地不足等生態環境危機提供研究方法和手段.

1 材料與方法

1.1 指數構建

新景觀指數來源于對原有描述能力不強的指數的改進，以及新理論在景觀生態學中的應用［16］.新景觀指數的構建過程包括提出理論論據、構建指數、評估和分析，模型及實證檢驗步驟參見文獻［16］.根據城市屋頂景觀格局的特點，基于島嶼生物地理學理論，本文提出3種景觀指數.

1.2 實證數據獲取

鑒于城市建筑屋頂面積小、數量多的特點，不適宜利用自動或半自動方式獲取數據，故采用人工判讀法，并利用ArcGIS 10.3進行矢量化.基礎數據來源為Google map提供的在線遙感第19層圖，空間分辨率為0.597 m，能夠滿足屋頂基礎信息的分辨率要求.數據處理及數字化過程的主要步驟包括遙感影像空間參照系的確定、屋頂空間數據庫的建立、數字化及屬性編輯以及坐標系轉換等［17］.

1.3 相關性檢驗

2 結果與分析

2.1 城市屋頂景觀格局特點

與自然景觀格局相比，城市建筑屋頂景觀格局具有特殊性：斑塊面積小且多呈規則的幾何形狀，邊界清楚、與地面隔離、結構簡單.除覆土、退臺、天橋等特殊建筑物及構筑物外，屋頂之間沒有廊道相連，連通性指數為0.廊道的缺乏不利于屋頂斑塊之間物種的遷移和信息交流，且由于位置高等特點，屋頂斑塊與地面綠地斑塊之間形成隔離，類似于島嶼.除鳥類、部分昆蟲、部分植物孢子或種子等一些能“飛行”的生物外，其余物種往往存在明顯的物種交流障礙.

2.2 描述屋頂景觀格局的3個新指數

文獻［18］提出的島嶼生物學理論認為，島嶼物種的豐富度取決于物種的遷入率和遷出率.前者是關于面積的函數，后者則與隔離程度密切相關.

2.2.1 斑塊最小離地高度

高度是影響物種棲息和活動的關鍵因素.在現有景觀格局指數中，僅歐氏最鄰近距離（Euclidean

nearest-neighbor distance）與高度相關.然而，生態斑塊中除了屋頂之間、屋頂與地面之間的直線距離即歐氏距離外，由于建筑露臺、陽臺、窗臺等區域的緩沖和聯系作用，以及人為有意或無意的搬運作用，屋頂生態斑塊的物種分布在垂直方向上表現出更顯著的差異性.

在斑塊水平上，

式中：hMIH為（屋頂）斑塊最小離地高度；

hi為（屋頂）斑塊i離地面距離最近處的離地高度.

圖1表示不同屋頂類型下hMIH的測量方式，

類型a代表了城市建筑及其屋頂立面的一般形狀，hMIH即為屋頂離地垂直高度；類型b為屋頂立面離地高度隨屋頂造型呈現變化的建筑類型，與類型c（階梯狀立面建筑圖1（c））相似，此時的hMIH為屋頂離地最近處的離地垂直高度；類型d覆土建筑或建筑屋頂與地面有構筑物相連（圖1（d））時，

hMIH=0 m.

hMIH衡量建筑屋頂斑塊與地面的聯系或隔離程度.hMIH越大，屋頂斑塊與地面聯系越小，隔離程度越高；hMIH=0 m，則表示屋頂斑塊與地面相連.目前，世界范圍內建成或在建建筑高度均在千米以內，即

0 m≤hMIH＜1 000 m.

圖1 不同屋頂類型下hMIH測量方式示意圖Fig.1 Sketch map of hMIHmeasurement for different types of roofs

用hMIHmean表示屋頂斑塊最小離地平均高度. hMIHmean越小，表示屋頂斑塊群體與地面的聯系越緊密.對城市整體而言，hMIHmean值與城市平均屋頂界面高度密切相關，其顯著影響著城市人居環境的空氣質量、光照、天空可視率等.

2.2.2 可達性指數

可達性指數可表示為

式中：IACI為可達性指數；

ai為（屋頂）斑塊i的面積，m2；

hi為（屋頂）斑塊i離地面最近處的高度，m.

當ai≥1 m2時，則有IACI≥0.當屋頂面積極小（這里設定ai=1 m2）時，屋頂斑塊的可達性指數為0.結合國內城市建筑屋頂的現狀，探討在不同屋頂高度及斑塊面積下IACI的數值范圍.不同hi下可達性指數隨屋頂斑塊面積的變化如圖2所示.

圖2 不同hi下可達性指數隨屋頂斑塊面積的變化Fig.2 Variations of IACIwith the roof patch area for different himeasurements

結合我國城市建筑分類及現有建筑屋頂綠化的實際情況，分別取覆土建筑、首層屋頂高度、多層建筑臨界高度、小高層建筑臨界高度、高層建筑臨界高度、目前以及未來可預計建筑最高高度，即0、3、20、40、100、400和1 000 m作為典型建筑類型高度，探討IACI隨屋頂斑塊面積的變化情況及數值范圍.由圖2可見，高度范圍為10～1 000 m2建筑屋頂的IACI在0.0～8.3之間變化.

IACI反映了生物從地面到達屋頂斑塊，并停留甚至棲息的可能性大小.隨著屋頂面積增加和屋頂高度降低，屋頂斑塊的可達性增加；反之則降低.

2.2.3 阻力指數

式中：IRI為阻力指數；

z為矯正系數，取值城市平均屋頂界面高度倒數；

Di為（屋頂）斑塊i到最鄰近斑塊距離，計算時取兩斑塊中心之間的距離；

ah為與（屋頂）斑塊i距離最近的斑塊面積.

當地面上某范圍內所有同類型斑塊（包括覆土建筑屋頂）邊緣均兩兩相連（可視為一個大斑塊）時，IRI=0.一般情況下，屋頂

IRI＞0.

IRI測度在城市某范圍內生物、水分及養分在地面綠地與各屋頂生態斑塊之間運動的難易程度.屋頂最小離地高度數值越小、屋頂及其相鄰屋頂斑塊的面積越大、距離越近，則IRI越小，生物、水分及養分運動等景觀生態過程越暢通；反之則阻滯.IRI從垂直及水平兩個方向上表達了屋頂生態斑塊格局對各景觀生態過程的影響及作為生物活動及棲息地的潛力.IRI表達的是景觀格局固有的結構特征.

對于斑塊個體，當生物將其作為棲息地或主要活動場所時，理論上存在著一個活動范圍［19］，在此范圍（即緩沖區Buffer）內計算IRI更具現實意義.式（3）中鄰近斑塊距離Di表達了在此緩沖區范圍內，每個屋頂斑塊的隔離狀況.運用Gustafson等的分析方法［19］，結合城市建筑的格局特點，對某屋頂斑塊（斑塊1）進行緩沖區內景觀格局分析及IRI計算，如圖3～5及其對應的表1～3所示.

圖3～5中反映了3種典型城市建筑屋頂類型A、B和C分別對應的兩種不同景觀格局狀況；表1～3給出了相應的IRI計算數據和結果.

圖3 城市建筑屋頂類型A在兩種不同景觀格局下單一屋頂斑塊（斑塊1）阻力指數計算表達示意圖Fig.3 Schematic diagram of RI calculation for a single roof patch（patch 1）on two hypothetical landscapes of typical urban roof type A

圖4 城市建筑屋頂類型B在兩種不同景觀格局下單一屋頂斑塊（斑塊1）阻力指數計算表達示意圖Fig.4 Schematic diagram of RI calculation for a single roof patch（patch 1）on two hypothetical landscapes of typical urban roof type B

圖5 城市建筑屋頂類型C在兩種不同景觀格局下單一屋頂斑塊（斑塊1）阻力指數計算表達示意圖Fig.5 Schematic diagram of RI calculation for a single roof patch（patch 1）on two hypothetical landscapes of typical urban roof type C

在屋頂斑塊周圍有同類大型斑塊、或者兩斑塊 之間的距離較近的情況下，IRI值較小；而隨著周圍斑塊面積的減小，以及整個景觀格局斑塊趨于松散，IRI值增大.IRI計算出的結果無法反映緩沖區外斑塊的狀況（如斑塊8）.高度是影響城市屋頂IRI值的關鍵，這不僅表現在式（3）中，在現實中IRI還會受到樓間距和屋頂面積的影響.考慮到采光、通風等因素，建筑高度值越大樓間距也會越大.而隨著建筑增高，屋頂的風速也會增大.正常情況下，對建筑高度超過100 m即超高層建筑而言，設計師往往需要考慮風對建筑的影響而選擇減小屋頂面積.特別是風速大的地區，這種設計更為必要.

表1 A類城市屋頂建筑的阻力指數Tab.1 RI of a single roof of type A

表2 B類城市屋頂建筑的阻力指數Tab.1 RI of a single roof of type B

表3 C類城市屋頂建筑的阻力指數Tab.1 RI of a single roof of type C

2.3 實證及相關性分析

選取成都市二環路內47個園林式居住小區建筑屋頂的基礎數據，進行3個指數的實證研究和相關性分析.屋頂總數為659個，總面積為15 631 m2，其中最小面積為96 m2，最大面積為980 m2，平均面積為333 m2，55.32%為多層建筑，31.91%為小高層建筑，其余為高層建筑.由于數量龐大，限于篇幅，本文只列出hMIH、IACI、IRI的最大值、最小值和平均值，如表4所示.

運用Person相關系數對表4數據進行相關性分析，再利用R軟件分別計算3個指標兩兩之間的相關系數，結果見表5.

由表5可見，hMIH和IACI之間存在很強的負相關關系（R=-0.826），而hMIH與IRI、IACI與IRI之間的相關性不強，原因是直接采用離地高度計算IACI.計算IRI時，除考慮高度外，還考慮了距離作為變量，且增加了高度矯正系數.

表4 景觀格局指數數據Tab.4 Statistics of landscape pattern indexes

表5 3個景觀格局指數之間的相關系數Tab.5 Correlation coefficients of the three new landscape pattern indexes

3 結論與討論

（1）從城市建筑及其屋頂景觀格局的特點出發，構建了3個景觀格局指數：最小離地高度hMIH衡量了建筑屋頂斑塊與地面的聯系或隔離程度；可達性指數IACI反映了生物從地面到達屋頂斑塊，并停留甚至棲息的可能性大小；阻力指數IRI測度了某范圍內生物及其他生態要素，在包括地面和屋頂在內的所有區域中交流及棲息的難易程度.

（2）由實證及相關性分析結果可見，3個指數數值均在界定范圍內.由于hMIH與IACI之間相關性強，為避免指數多、重復評價的問題，當高度、面積等數據獲取完整時，可舍棄hMIH，只用IACI表達與地面聯系或隔離的程度.但當數據不完整，僅有高度值時，hMIH仍可作為描述屋頂與地面隔離程度的指標.IACI與IRI彼此相互獨立，均為定量描述城市屋頂景觀格局的重要指標.

（3）關于指數的進一步檢驗.在3個指數的構建過程中，界定了其含義、數值范圍，并進行了實證研究，但在今后的研究工作中仍需通過大量的實驗和實際數據加以驗證和完善.例如通過跟蹤性實驗，掌握以鳥類為主的城市野生生物及昆蟲等生物在屋頂上的種類、運動及分布狀況.結合屋頂圖形及屬性數據，驗證新指數的測度能力，并根據大量的實驗數據對指數模型進行必要的調整和完善.當城市屋頂綠化達到一定規模時，則有必要利用實際數據做適合性檢驗.

（4）3個景觀格局指數可用于定量描述屋頂景觀格局固有的結構特點，還可與景觀生態學數量模型相結合，用于研究生物棲息與遷徙、各物質與能量在斑塊網絡之間的移動與轉化（例如空氣污染物的移動和降解）等景觀生態過程.同時，這些過程研究的數據能進一步對景觀指數進行修正和完善.運用景觀指數科學地規劃生態網絡，可有效增加景觀功能連接度.

致謝：衷心感謝西南交通大學地球與環境工程學院徐柱老師和吳林梅、李木梓同學的技術支持！

［1］ UNFP A.State of the world population 2011：people and possibilities in a world of 7 billion［EB/OL］.［2011-01-01］.http：//foweb.unfpa.org/SWP2011/ reports/EN-SWOP2011-FINAL.pdf.

［2］ GETTER K L，ROWE D B，ANDRESEN J A. Quantifying the effect of slope on extensive green roof stormwater retention［J］. Ecological Engineering，2007，31（4）：225-231.

［3］ CARTER T，FOWLER L.Establishing green roof infrastructure through environmental policy instruments［J］.EnvironmentalManagement，2008，42（1）：151-164.

［4］ MADRE F，VERGNES A，MACHON N，et al.A comparison of 3 types of green roof as habitats for arthropods［J］. EcologicalEngineering，2013，57：109-117.

［5］ MADRE F，VERGNES A，MACHON N，et al.Green roofs ashabitatsforwild plantspeciesin urban landscapes： first insights from a large-scale sampling［J］.Landscape and Urban Planning，2014，122：100-107.

［6］ BAUMANN N.Ground-nesting birds on green roofs in Switzerland： preliminary observations［J］. Urban Habitats，2006，4（1）：37-50.

［7］ 鄔建國.景觀生態學：格局，過程，尺度與等級［M］.北京：高等教育出版社，2000：89.

［8］ O'NEIL R V，KRUMMEL J R，GARDNER R H，et al. Indices of landscape pattern［J］.Landscape Ecology，1988，1（3）：153-162.

［9］ RIITTERS K H，O'NEIL R V，HUNSAKER C T，et al. A factor analysis of landscape pattern and structure metrics［J］.Landscape Ecology，1995，10（1）：23-29.

［10］ CAIN D H，RIITTERS K，ORVIS K.A multi-scale analysis of landscape statistics［J］. Landscape Ecology，1997，12：199-212.

［11］ SAURA S，PASCUAL-HORTAL L.A new habitat availability index to integrate connectivity in landscape conservation planning：comparison with existing indices and application to a case study［J］.Landscape and Urban Planning，2007，83：91-103.

［12］ PASCUAL-HORTAL L，SAURA S.Comparison and development of new graph-based landscape connectivity indices：towards the priorization of habitat patches and corridors for conservation［J］.Landscape Ecology，2006，21（7）：959-967.

［13］ 謝正峰.—種測度景觀相鄰關系的新方法：邊界鄰接指數［J］.地理與地理信息科學，2013，29（1）：60-63.

XIE Zhengfeng. A new method to measure the neighboring relations of landscapes： boundary adjacency index［J］.Geography and Geo-information Science，2013，29（1）：60-63.

［14］ TISCHENDORF L.Can landscape indices predict ecological processes consistently［J］. Landscape Ecology，2001，16：235-254.

［15］ 布仁倉，胡遠滿，常禹，等.景觀指數之間的相關分析［J］.生態學報，2005，25（10）：2764-2775.

BU Rencang，HU Yuanman，CHANG Yu，et al.A correlation analysis on landscape metrics［J］.Acta Ecologica Sinica，2005，25（10）：2764-2775.

［16］ 陳文波，肖篤寧，李秀珍.景觀指數分類、應用及構建研究［J］.應用生態學報，2002，13（1）：121-125.

CHEN Wenbo， XIAO Duning， LI Xiuzhen. Classification，application，and creation of landscape indices［J］.The Journal of Applied Ecology，2002，13（1）：121-125.

［17］ 黃瑞，董靚，吳林梅.基于地理信息技術的成都市屋頂綠化現狀調查與分析［J］.中國園林，2015，31（1）：79-82.

HUANG Rui，DONG Liang，WU Linmei.Status analysis of Chengdu city green roof based on GIS［J］. Chinese Landscape Architecture，2015，31（1）：79-82.

［18］ 傅伯杰，陳利頂，馬克明，等.景觀生態學原理及應用［M］.北京：科學出版社，2001：28.

［19］ GUSTAFSON E J，PARKER G R.Using an index of habitat patch proximity forlandscape design［J］. Landscape and Urban Planning，1994，29：117-130.

測度城市屋頂景觀空間格局的新指數研究

黃 瑞， 沈中偉

New Landscape Indexes to Quantify Spatial Patterns of Urban Roofs

HUANG Rui， SHEN Zhongwei
（School of Architecture，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A prerequisite to establish the interrelation between the urban landscape pattern and ecological process is to make a quantitative description of roof landscape patterns.Taking roof area and isolation factor into account，three measuring indexes are constructed by the theory of island biography. Of them，the minimum height（MIH）measures the contact or segregation between the building roof plaque and the ground；the accessibility index（ACI）reflects the possibility for living creatures to reach the roof from the ground，stay and even inhabit here；and the resistance index（RI）measures the difficulty of biological and other ecological factors in flowing and inhabiting on the ground and within the roof area.Empirical studies and correlation analysis results show that the three index values are within the defined range；there is a strong negative correlation between MI and ACI；MIH and RI，as well as ACI and RI，are relatively independent.The use of landscape indices in scientific planning of ecological networks can effectively increase landscape connectivity.

roofs；landscape pattern；index models；ecological approach；connectivity

黃瑞，沈中偉.測度城市屋頂景觀空間格局的新指數研究［J］.西南交通大學學報，2016，51（5）：951-957.

0258-2724（2016）05-0951-07

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.019

Q149

A

2015-07-11

國家自然科學基金資助項目（51108381）；中央高校基本科研業務專項資金資助項目（2682014CX111）

黃瑞（1976—），女，講師，博士，研究方向為生態與可持續景觀，電話：18981849920，E-mail：rain@home.swjtu.edu.cn

（中文編輯：秦萍玲 英文編輯：蘭俊思）