基于GIS的城市生態景觀格局分析與優化研究

胡曉婉 田翠翠 萬郜方

摘 要：景觀生態學的發展為城市景觀格局規劃提供了新的理論依據，本研究利用ArcGIS的空間分析模塊，運用最小阻力表面模型把地表地貌對生態過程的影響通過“耗費”這樣一種概念來反映它的大小關系。以深圳市龍崗區為例，基于“基質-斑塊-廊道”這種模式，分析出景觀生態保護的 “源地”之間的最小耗費路徑；再結合龍崗區實際生態資源的分布，提出了龍崗區景觀格局優化方案。

關鍵詞：生態景觀格局；景觀阻力；最小耗費路徑

1.引言

2014年3月14日，習近平總書記提出了堅持山水林田湖草是一個生命共同體，強調要用系統思維統籌山水林田湖草治理。山水林田湖草是生命共同體，也是景觀共同體，在城市發展進程中，這個共同體隨著人類的開發活動或割裂或消亡，或搬離或重組，演變而成現在的城市生態景觀。

深圳市從一個小漁村發展至如今的國際化大都市，40年來生態景觀發生了天翻地覆的變化，龍崗區作為深圳的工業大區，早期粗放式的發展建設打斷了原有的生態廊道，留下了許多歷史欠賬，特別是建成區內生態景觀破碎較為嚴重。在此背景下，開展龍崗區城市生態景觀格局優化分析，為龍崗區未來生態文明建設提供依據。

2.生態景觀格局分析方法

生態景觀是城市綠化的窗口，包括郊野公園、城市公園、社區公園、道路綠化等，從宏觀層面分析評價區域的生態景觀格局，是對城市整體生態景觀的一次客觀打分，更有助于發現片區生態連接度的問題，為以后生態廊道建設提供科學依據。

2.1景觀格局分析概述

景觀生態學強調的是空間的差異性和變化規律，強調水平過程與景觀格局之間的相互關系。它把"斑塊-廊道-基質"作為分析任何一種景觀的模式。景觀生態學應用于城市及景觀規劃中特別強調維持和恢復景觀生態過程及格局的連續性和完整性。隨著上世紀90年代3S技術的普及，可將地理信息直觀展現在遙感影像上，對分析城市生態景觀提供了大力支持。

2.2模型選擇

我國俞孔堅以Forman的不可替代的景觀格局思想為指導，提出了最小阻力表面（MCR）模型，也稱為“安全格局的表面模型”。該方法是把物種對景觀的利用看作是對空間的競爭性控制和覆被過程，而這種控制和覆被必須通過克服阻力來實現，阻力是指景觀對生態流速率的影響，所以阻力面反映了物種空間運動的趨勢。這種方法可充分利用ArcGIS的空間分析模塊來實現，計算分析的可操作性很強，它把地表地貌對生態過程的影響通過“耗費”這樣一種概念來反映它的大小關系，是研究景觀水平生態過程的一種較好的方法。

累積阻力模型強調景觀阻力在一定空間距離上的累積效應，是反映物種運動的時空連續體，類似地形表面。阻力面可以用等阻力線表示為一種矢量圖。根據阻力面，進行空間分析可以判斷緩沖區、源間聯結、輻射道和戰略點。

景觀阻力表面模型建立的步驟如下：

（1）“源”的確定

在景觀生態學中，“源地”是指功能的匯聚中心，可能包含一個或多個區域，也可能是相連或不相連的區域。

（2）景觀阻力的確定

本文考慮的景觀阻力主要是不同景觀類型和坡度對物種和景觀流遷移和擴散的影響，將土地覆蓋類型、地形坡度等作為阻力因子來建立阻力表面。土地覆被類型和坡度會影響生物的遷移和擴散速度，他們需要客服的阻力不同。根據相關文獻，一般林地和草地阻力較小，居民點和工礦用地以及交通用地的阻力較大，耕地是人類干擾活動下的景觀類型，景觀阻力也比較大。坡度對爬行動物和哺乳動物的活動影響也比較明顯，一般坡度越大，阻力越大。

（3）景觀“耗費”表面模型

景觀“耗費”表面模型反映了物種和生態流從源地向外遷移和擴散的一個態勢，這里“耗費”的意義：一是指從保護區核心（低值區）到人類活動的集中區（高值區），為發展自然植被所需付出的“代價”；二是指從生物擴散的“源地”到人類干擾的高值區，發展自然棲息地所需克服的景觀阻力；三是指防止水土流失的有效性由耗費表面的低值區區向高值區逐漸減小。

3深圳市龍崗區城市生態景觀格局分析

選用2017年龍崗區遙感影像數據進行分析，根據前面的景觀“耗費”表面模型的算法，在ArcGIS中調用柵格分析模塊功能建立景觀“耗費”表面。

3.1源地的確定

龍崗區的“源地”主要分布在清林徑森林公園、松子坑森林公園、銀湖山郊野公園、雷公頂郊野公園、牛坳水庫等。這些“核心區”或“源地”是地下地表水的發源地，是水源涵養和防止水土流失的“核心區”。而且受認為干擾影響較小，擁有豐富的本地物種和稀有物種。這些“源地”的保護將會對景觀整體的水循環和其他物質的流動產生關鍵作用。

3.2景觀阻力賦值和分布圖的生成

本文考慮的景觀阻力主要是景觀類型和坡度對物種和景觀流產生的影響大小。景觀類型圖采用遙感數據提取的景觀類型分布圖，坡度數據由高程數據在ArcGIS中表面分析命令提取坡度，然后按照上表的要求，對相應的圖層進行賦值，然后將賦值的景觀類型圖和坡度圖進行疊加運算，計算出景觀阻力分布。

3.3“耗費”表面模型的生成

“耗費”表面模型不但考慮了各景觀單元景觀阻力的大小，還要考慮物種或景觀流從源地向外遷移或擴散過程中隨距離增加累積阻力的大小和方向的變化情況。具體做法是用Spatial Analyst工具下的cost distance命令，在生成累積阻力表面模型時，同時生成累積阻力的方向圖，具體如下圖所示。累積阻力表面模型表示了每一個計算單元到它最近源的最小累積阻力，累積阻力的方向圖表示了從每一單元出發，沿著最低累積阻力到達最近源的具體路線。

3.4最小耗費路徑

最小耗費路徑代表了生物或現象由源地到最近源地遷移和擴散的最小阻力路徑，同時也是最短路徑。本專題基于McRae等開發的GIS工具Linkage Mapper 1.1來模擬最小成本路徑（leaset-cost paths，LCP）和提取生態廊道，該工具最早用于野生動物棲息地連接度分析。該工具通過計算每個像元距離最近“源”的成本加權距離（cost weighted distance，CWD），創建成本加權距離表面，計算最小成本加權距離，模擬最小成本路徑。

4.生態景觀格局優化

景觀安全格局理論則認為生物對整體景觀都具有利用和控制的潛能，而景觀中存在著某些潛在的格局，它們對生態的運動和維持過程有關鍵的影響，如果生物能占據這些格局并形成勢力圈，生物便能最有效地利用景觀，使景觀具有功能上的整體性和連續性，最有效地維護生物和生態過程。因此，識別、設計和保護景觀生態安全格局是現代生態保護的重要戰略。

生態景觀格局優化以城市現有景觀水平分析為基礎，根據前面建立的景觀阻力表面模型，對生態安全格局的各個部分進行識別。同時區域中現有廊道對維持整個景觀格局的連通性也具有重要作用，生態安全格局構建除了在水平景觀格局分析的基礎上，識別各個關鍵性的部位和空間聯系通道之外，還要將現有的廊道的等級性和功能進行規劃控制，結合成一個統一的整體。

基于龍崗區建設現狀、生態控制線劃定情況以及已建成、在建、規劃公園的分布和最小阻力模型分析結果，充分考慮廊道建設的可行性和可操作性，以城市公園、水庫、森林公園、自然保護區為生態斑塊基質，以坂田-平湖區域綠地、平湖-橫崗-龍城、橫崗-龍崗、坪山-龍崗、坪地-坑梓等大型城市綠地為廊道，構建“四帶三廊”的生態安全網絡。

加強孤立生態斑塊之間的聯系；在各生態節點之間，利用河流水系、組團分隔帶、山地風景林帶和道路綠化，形成相互聯系的次級生態廊道，增強生態系統結構與功能的完整性。

4.1構建城市大型綠廊

為了保持生態系統的整體連續性，根據確定的“四帶三廊”生態安全網絡建設7條大型生態綠廊和生物通道，這些廊道一般控制寬度1000米以上，這些生態廊道與大型區域綠地一起，共同構成了龍崗區的綠色生態屏障主體。

4.2構建河流水系綠廊

結合河道保護控制線的劃定，在龍崗河等城市主要河流兩側各控制50米、支流兩側各控制30米，綠化建設城市的河流水系廊道。河流經過建成區地區應盡量結合自然的河岸線，規劃設計沿河帶狀公園，采用非硬地化改造方式，并盡量維持自然原型駁岸，建設生態護坡，種植大量喜水特性的植物，河流水系廊道內的土地，不再建設新的建筑物，原有的建筑應逐步遷出。

4.3構建道路綠廊

鐵路、高速公路以及一、二級城市干線穿越城市建成區時，兩側各控制不得少于30米綠化帶寬度。加強道路、橋梁的生態涵洞和生物通道設置，建立野生動物、生物物種交換的通道，以解決交通工程可能給野生動物造成的負面影響。

5 小結

景觀生態學的發展為景觀格局規劃提供了新的理論依據，本研究基于“基質-斑塊-廊道”這種模式，利用GIS模塊工具分析出景觀生態保護的“核心區”，即“源地”之間的最小耗費路徑，通過他們之間空間構成、結構以及與生物信息關系的研究，結合龍崗區生態控制線劃定情況以及已建成、在建、規劃公園的分布，提出了龍崗區景觀格局優化方案，確定的“四帶三廊”生態安全網絡建設7條大型生態綠廊和生物通道。

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