多元目標(biāo)導(dǎo)向下的成都中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

周 媛

（西南民族大學(xué) 城市規(guī)劃與建筑學(xué)院，四川 成都 610041）

城市化進(jìn)程和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌建設(shè)的加速推進(jìn)，在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)一系列的城市環(huán)境問(wèn)題。如綠地面積不斷減少、景觀破碎化嚴(yán)重、生物多樣性降低、景觀功能連通性差等，嚴(yán)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(duì)日益嚴(yán)重的城市環(huán)境問(wèn)題，城市綠地生態(tài)規(guī)劃應(yīng)考慮如何盡可能利用現(xiàn)有生態(tài)空間、綜合運(yùn)用各種空間分析方法/技術(shù)構(gòu)建具有最優(yōu)生態(tài)效能的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并使之成為規(guī)劃層面上解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(luò)的構(gòu)建工作主要根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)原理，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和景觀格局指數(shù)等進(jìn)行［2-3］。一般認(rèn)為，城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的關(guān)鍵問(wèn)題是核心綠地斑塊以及生態(tài)廊道［4］的識(shí)別。近年來(lái)，由VOGT等［5］提出的基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理的形態(tài)學(xué)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(dú)立的7種類型，在識(shí)別網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(huì)環(huán)境、人為干擾等多影響因素后，構(gòu)建綜合阻力面，科學(xué)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(duì)生態(tài)重要性與相對(duì)城鎮(zhèn)發(fā)展脅迫賦值加權(quán)方法［8］等，則能更科學(xué)合理地判斷生態(tài)廊道的相對(duì)重要程度。當(dāng)前大部分研究是將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好或面積相對(duì)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(duì)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(duì)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(duì)核心區(qū)和連接橋區(qū)景觀連接度的評(píng)價(jià)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(shí)別中介作用較好的斑塊作為踏腳石，以此構(gòu)建優(yōu)化的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

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(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨水充沛，四季分明；常年最多風(fēng)向?yàn)殪o風(fēng)；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(shì)差異顯著，西北高，東南低，地形地貌復(fù)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(shè)現(xiàn)代田園城市的發(fā)展理念指導(dǎo)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(biāo)，成都市將建成一個(gè)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(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)成都市綠化建設(shè)具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)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(dǎo)，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(diǎn)，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(guò)地形圖和實(shí)地采點(diǎn)驗(yàn)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(shù)將城市用地類型中的綠地和水體屬性值設(shè)為2，其他用地類型設(shè)為1，空白區(qū)域?qū)傩灾翟O(shè)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(zhǔn)確識(shí)別不同面積大小斑塊對(duì)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(chǔ)上，選擇8領(lǐng)域連通性原則，設(shè)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(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2.2 景觀連通性評(píng)價(jià) 景觀連通性水平能夠量化表征該景觀類型對(duì)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(gè)景觀指數(shù)［6，11］，對(duì)核心區(qū)和連接橋區(qū)進(jìn)行景觀連接度評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，將生態(tài)源地斑塊間的連通距離閾值設(shè)置為500 m，連通概率設(shè)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(luò)構(gòu)建 利用最小累積阻力（RMC）模型［式（4）］計(jì)算生物在不同生境間遷移、 擴(kuò)散的最佳路徑［11-12］。

式（4）中：Dij表示從源點(diǎn)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(píng)價(jià)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(gè)阻力等級(jí)分值，分值越高則代表生物擴(kuò)散阻力越大，各因子的阻力分值及權(quán)重主要參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)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(guò)加權(quán)疊加計(jì)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(jì)算生態(tài)源地到目標(biāo)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(luò)。利用重力模型［式（5）］［6,12］，計(jì)算生態(tài)源地間的相互作用矩陣，評(píng)價(jià)不同生態(tài)源地間的相互作用強(qiáng)度，量化分析研究區(qū)內(nèi)潛在生態(tài)廊道的相對(duì)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(qiáng)度；Ni與Nj為斑塊i與斑塊j的權(quán)重；Dij為斑塊i與斑塊j之間潛在廊道的標(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(shí)別生態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)。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(jì)算生態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；njk為節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)k間最短路徑的條數(shù)；njk（i）為節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)k之間的最短路徑經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)i的條數(shù)。

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)分析 根據(jù)景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度理論，采用α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)［13］對(duì)優(yōu)化后的成都市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(diǎn)數(shù)目；p代表網(wǎng)絡(luò)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(luò)閉合性的指標(biāo)，數(shù)值范圍為0～1，值越接近于1則網(wǎng)絡(luò)閉合性越好；β指數(shù)是衡量網(wǎng)絡(luò)連通度的指標(biāo)，數(shù)值范圍為0～3，數(shù)越大則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完善度越高；γ指數(shù)用來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的連通程度，數(shù)值范圍為0～1，值越接近1則表示網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)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(duì)較少，斑塊間相互獨(dú)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(gòu)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(guò)渡地帶，具有邊緣效應(yīng)和保護(hù)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(guò)渡地帶，也具有邊緣效應(yīng)，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(yīng)的緩沖區(qū)域以適應(yīng)邊緣效應(yīng)。作為 “踏腳石”斑塊的孤島，在空間格局中分布相對(duì)孤立，面積相對(duì)較小，景觀連通性低。分支在綠地空間格局中所占比例相對(duì)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(jì)算（圖2，表3）將DPC值大于4的12個(gè)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(gè)等級(jí)：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(duì)較好，利于物種在斑塊間的遷移與物質(zhì)能量的流動(dòng)。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(duì)較為分散，不利于生物物種的遷移與擴(kuò)散。研究區(qū)東部核心斑塊數(shù)量最少，景觀連通性相對(duì)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(duì)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(duì)較差，僅南北區(qū)域的連通性相對(duì)較好，東西區(qū)域的核心斑塊間相互獨(dú)立，尤其是東部的核心綠地斑塊面積相對(duì)較小且DPC值相對(duì)較低，這將不利于綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。因此，在綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，需要在研究區(qū)東部、東北部區(qū)域建設(shè)踏腳石綠地斑塊，以維持景觀連通性。

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

3.3 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果分析

根據(jù)重力模型計(jì)算結(jié)果，提取相互作用強(qiáng)度大于5的廊道作為構(gòu)建研究區(qū)優(yōu)化綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要結(jié)構(gòu)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(qiáng)，表明斑塊間的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，相互間的景觀阻力較小，斑塊間的物質(zhì)和能量流動(dòng)更緊密，物種遷移與能量流動(dòng)的可能性較大。因此，斑塊6和斑塊9之間的連接廊道對(duì)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(qiáng)度最小，其空間距離相對(duì)較遠(yuǎn)，也沒(méi)有相關(guān)的結(jié)構(gòu)廊道將其連通，相互間交流的可能性相對(duì)較低，能量流動(dòng)的景觀阻力相對(duì)較大，不利于物種在斑塊間的遷移與擴(kuò)散。同時(shí)，由于研究區(qū)東部和西部區(qū)域整體連通性差，重新構(gòu)建斑塊11與斑塊12間的連通廊道對(duì)東、西部區(qū)域間物種遷移與擴(kuò)散以及綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(duì)較低，不能有效地滿足物質(zhì)能量的流動(dòng)。同時(shí)，研究區(qū)東部、西部連接的廊道較少，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的完善度有待提高。因此，在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)構(gòu)建新的生態(tài)源地和生態(tài)廊道，提高生態(tài)廊道密度對(duì)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

3.4 綠地系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(gè)斑塊進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)與建設(shè)，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(jì)算結(jié)果選出分值較高的13個(gè)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(duì)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(qiáng)東、西部區(qū)域的連接，增大生態(tài)網(wǎng)絡(luò)密度以增強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間連通的有效性（圖4）。統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析規(guī)劃前后綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jì)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(shí)別對(duì)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(luò)的源地與結(jié)構(gòu)性廊道以及它們的相對(duì)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(duì)重要的潛在生態(tài)廊道。最后利用中介中心度選擇對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接具有重要意義的踏腳石斑塊，以構(gòu)建優(yōu)化的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。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(luò)構(gòu)建過(guò)程的有機(jī)結(jié)合，打破了傳統(tǒng)生態(tài)源地選擇的單一模式，通過(guò)量化分析能夠更科學(xué)合理地確定核心斑塊對(duì)綠地景觀連通性的重要程度。該方法體系對(duì)城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)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(luò)規(guī)劃Figure 4 Greenspace ecological network planning map

本研究中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)踏腳石斑塊對(duì)物種遷移擴(kuò)散、增強(qiáng)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)”的綠地生態(tài)游憩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。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(duì)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(duì)MSPA綠地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。本研究利用MCR模型構(gòu)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(xí)性對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的影響。在利用景觀連通指數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，連通距離閾值設(shè)定主要通過(guò)反復(fù)的對(duì)比計(jì)算及研究區(qū)的范圍來(lái)設(shè)定，未考慮物種的擴(kuò)散距離，在后續(xù)研究中將對(duì)連通距離閾值的設(shè)定做更為詳細(xì)的研究。