福州沙灘公園植被遮蔭面可達(dá)性分析?

戴忠煒 聶曉嘉 蘭雪靜 蘭思仁,2

1 福建農(nóng)林大學(xué) 福州 350002 2 國(guó)家林業(yè)與草原局森林公園工程技術(shù)研究中心 福州 350002

近年來(lái),城市化進(jìn)程所帶來(lái)的城市建設(shè)與環(huán)境、氣候之間的問(wèn)題日益凸顯[1]。城市公園綠地作為城市綠地系統(tǒng)中與市民聯(lián)系最為緊密的綠地,其發(fā)揮著重要的生態(tài)效益和社會(huì)服務(wù)功能[2-4]。遮蔭植被是城市公園綠化的主力軍,它不僅能夠在夏季為人們提供遮蔭效果,而且可以給予人以心理上的庇護(hù),創(chuàng)造林下豐富的活動(dòng)空間[5],并可以吸收熱輻射[6],提高人體舒適度[7-8]。植被遮蔭面是可以為游人提供遮蔭效果所形成的垂直地面的陰影面積。植被遮蔭面的可達(dá)性是衡量城市公園服務(wù)能力的重要指標(biāo)。

本研究基于GIS的費(fèi)用加權(quán)距離法將空間可達(dá)性的概念從定性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎坑?jì)算,已被應(yīng)用于許多領(lǐng)域,如城市規(guī)劃[9]、自然保護(hù)區(qū)[10]和野生動(dòng)植物遷徙[11],但目前應(yīng)用在公園內(nèi)部服務(wù)設(shè)施的可達(dá)性分析還鮮有發(fā)現(xiàn)。費(fèi)用加權(quán)距離法可以準(zhǔn)確識(shí)別公園內(nèi)的土地利用情況,并為不同的土地類型設(shè)定相對(duì)應(yīng)的時(shí)間成本,模擬游客正常步行到達(dá)植被遮蔭面的過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)福州沙灘公園進(jìn)行實(shí)地調(diào)研與GIS可達(dá)性分析,并對(duì)公園內(nèi)部植被遮蔭面的可達(dá)性進(jìn)行分析,以期為城市公園內(nèi)部遮蔭植被的設(shè)計(jì)與管理提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

本研究是首次對(duì)城市公園植被遮蔭面的可達(dá)性進(jìn)行分析。本研究選取福州沙灘公園為例,主要是由于福州沙灘公園具有大面積的沙灘暴曬區(qū)域,在炎熱的夏季更需要考慮植被遮蔭面可達(dá)性的服務(wù)情況。福州沙灘公園位于福州市倉(cāng)山區(qū),公園面積為10.60萬(wàn)m2,長(zhǎng)度為933 m,寬度為30～200 m。公園南北區(qū)域的現(xiàn)狀條件不同,形成的風(fēng)格也不同:北區(qū)域空間狹長(zhǎng),被營(yíng)建成植被豐富的生態(tài)區(qū)；南區(qū)域較為空曠,由沙灘區(qū)、戲水區(qū)、休憩區(qū)組成,重點(diǎn)突出熱帶海灘的特色[12]。因此,福州沙灘公園集特色性、生態(tài)性、文化性為一體,成為聯(lián)系烏龍江畔各分散地塊的活力紐帶。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究的數(shù)據(jù)來(lái)自無(wú)人機(jī)遙感圖像。在Arc GIS分析之前要對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理,以減少圖像誤差。首先,使用ERDASIMAGINE 9.0對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正；其次,將校正后的遙感圖像導(dǎo)入AutoCAD 2014,并結(jié)合戶外調(diào)查提取可以為游人提供遮蔭效果的植被遮蔭面,繪制福州沙灘公園的土地利用類型圖；最后,將福州沙灘公園(dwg格式)的土地利用類型地圖導(dǎo)入Arc GIS 10.2,繪制矢量地圖(shp格式)并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)包括福州沙灘公園的土地類型和土地面積。福州沙灘公園有12種下墊面類型,如植被遮蔭面、喬灌草群落、平整鋪裝、草坪、沙灘細(xì)沙、避雨設(shè)施構(gòu)筑物等。喬灌草群落主要由樹(shù)木和灌木組成,游客無(wú)法通行；在植被遮蔭面下,游人可以在此自由通行,遮蔭面的下墊面類型可為草坪、鋪裝路面、沙灘細(xì)沙等。本研究對(duì)整個(gè)公園的土地利用類型進(jìn)行精確識(shí)別與量化,以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.3 花費(fèi)時(shí)間的確定

根據(jù)聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織的劃定,把研究對(duì)象確定為青年人、中年人、老年人3個(gè)群體。由于兒童和少年(17周歲以下)的活動(dòng)較缺乏獨(dú)立性,所以不作為本次的研究對(duì)象。每個(gè)群體選取24位志愿者(男女各半,男身高1.7 m左右,女身高1.6 m左右),用秒表分別統(tǒng)計(jì)他們?cè)谏碁┕珗@內(nèi)8種路面材質(zhì)上正常速度行走10 m(直線路徑且較為平整)所花費(fèi)的時(shí)間。最后統(tǒng)一取平均值,從而獲得3個(gè)不同群體在沙灘公園不同路面材質(zhì)上正常速度行走10 m所花費(fèi)的時(shí)間(表1)。在后期的GIS柵格網(wǎng)分析中,由于每個(gè)柵格的精度為1 m×1 m,所以統(tǒng)一折算為行進(jìn)1 m所需的時(shí)間。

表1 青、中、老年人行進(jìn)10 m時(shí)間平均值s

1.4 可達(dá)性分析方法及過(guò)程

本次城市公園植被遮蔭面可達(dá)性研究采用的分析方法為費(fèi)用加權(quán)距離法。費(fèi)用加權(quán)距離法是用于計(jì)算每個(gè)單元到最近和成本最低源的最小累積成本,它不是計(jì)算一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的直線距離,而是根據(jù)每個(gè)柵格單元到“源”柵格單元的距離以及沿路徑傳遞的成本計(jì)算每個(gè)柵格單元到最近“源”柵格單元的累積通行成本[13]。

對(duì)于游客來(lái)說(shuō),城市公園不同的土地類型對(duì)步行速度有著不同的阻抗力。通過(guò)設(shè)定青年人、中年人、老年人在福州沙灘公園不同土地利用類型相對(duì)應(yīng)的時(shí)間,我們可以模擬游人在炎熱的夏季到達(dá)植被遮蔭面的真實(shí)路徑,進(jìn)而分析福州沙灘公園植被遮蔭的服務(wù)效果。根據(jù)實(shí)際情況,福州海濱公園的土地類型包括植被遮蔭面、碎石路面、防腐木板、植被群落、沙灘細(xì)沙路面等。費(fèi)用加權(quán)距離法通過(guò)把研究區(qū)域柵格化,計(jì)算每個(gè)柵格單元到“源”的最小累計(jì)成本,公式如下[14]:

式(1)中,Ci表示第i個(gè)單元的成本值,Ci+1是指沿運(yùn)動(dòng)方向上的第i+1個(gè)單元的成本值,n為柵格單元的總數(shù)；上分式表示通過(guò)成本柵格表面垂直或平行的方向上的費(fèi)用加權(quán)計(jì)算；下分式表示通過(guò)成本柵格對(duì)角線方向的費(fèi)用加權(quán)計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 福州沙灘公園植被夏季遮蔭面可達(dá)性

根據(jù)上述方法計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格的可達(dá)性指數(shù),將結(jié)果分為15個(gè)等級(jí),最后得出福州沙灘公園夏季植被遮蔭面的可達(dá)性空間分布情況。

福州沙灘公園植被遮蔭面可達(dá)性較好,公園大部分區(qū)域的植被遮蔭面可達(dá)性指數(shù)在30 s之內(nèi),最快的區(qū)域在10 s內(nèi)就能到達(dá)。沙灘公園南區(qū)域有大面積的沙灘路面和硬質(zhì)鋪裝路面,交通較為通暢,遮蔭植被在此區(qū)域均勻散點(diǎn)分布,因此,這一區(qū)域的植被遮蔭面可達(dá)性指數(shù)較高,一般在30 s以內(nèi)。沙灘公園北區(qū)域植被群落密集,路網(wǎng)密度雖然大,但是由于無(wú)法為游人提供遮蔭的綠化植被占據(jù)了大部分(如很多遮蔭植被的下墊面為灌木),游人無(wú)法直接進(jìn)入,同樣無(wú)法為其提供遮蔭功能,所以可達(dá)性相對(duì)南面區(qū)域要低,一般在60 s以內(nèi),其中最弱的地方達(dá)到150 s。

進(jìn)一步分析獲得福州沙灘公園植被遮蔭面的可達(dá)性分布區(qū)域和頻率(表2)。青年人、中年人、老年人在0～30 s能到達(dá)植被遮蔭面的面積占公園可行走面積比例分別為93.64%、86.26%、75.89%。青年人、中年人、老年人在0～60 s能到達(dá)植被遮蔭面的面積占公園可行走面積比例分別為99.18%、98.79%、97.70%,占據(jù)了公園可行走面積的絕大部分。游人在30 s內(nèi)能到達(dá)就近的植被遮蔭面,可以緩解炎熱的氣溫和UVB紫外輻射,達(dá)到良好的遮蔭效果。游人到達(dá)就近植被遮蔭面的時(shí)間若大于60 s,則在太陽(yáng)光下暴嗮的時(shí)間較長(zhǎng),體驗(yàn)不佳。

2.2 青、中、老年人的植被遮蔭面可達(dá)性比較

通過(guò)圖1、表2可以看出,青年人總體可達(dá)性最好,中年人次之,老年人的可達(dá)性較差。在時(shí)間分布上,青年人在0～30 s到達(dá)植被遮蔭面的區(qū)域占總面積的44.59%,略高于中年人的41.07%和老年人的36.15%。在其時(shí)間段的分布頻率中,在0～10 s可以達(dá)到植被遮蔭面的區(qū)域,青年人對(duì)應(yīng)的比例為23.47%,高于中年人和老年人；沙灘公園內(nèi)各個(gè)點(diǎn)到達(dá)植被遮蔭面的時(shí)間需要60s以上的區(qū)域,青年人、中年人、老年人分別占總面積的比例為0.38%、0.57%、1.07%。這說(shuō)明青年人的可達(dá)性指數(shù)最佳,究其原因,青年人在沙灘公園不同路面上行走的速度高于中年人和老年人,所以到達(dá)就近植被遮蔭面的時(shí)間較少。

圖1 福州沙灘公園夏季遮蔭植被可達(dá)性分析趨勢(shì)圖

在青年人、中年人、老年人的可達(dá)性時(shí)間等級(jí)空間分布頻率中,時(shí)間等級(jí)0～20s的分布頻率最大,其次是20～30 s。青年人的可達(dá)性時(shí)間等級(jí)在110～120 s的分布頻率最小,中年人和老年人的可達(dá)性時(shí)間等級(jí)在140～150 s的分布頻率最小。青年人、中年人、老年人具有相同的分布頻率趨勢(shì):青年人從時(shí)間等級(jí)1到時(shí)間等級(jí)4呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì),從時(shí)間等級(jí)4到時(shí)間等級(jí)12呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；中年人從時(shí)間等級(jí)1到時(shí)間等級(jí)6呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì),從時(shí)間等級(jí)6到時(shí)間等級(jí)15呈現(xiàn)緩慢地下降趨勢(shì)；老年人從時(shí)間等級(jí)1到時(shí)間等級(jí)7呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì),從時(shí)間等級(jí)7到時(shí)間等級(jí)15呈現(xiàn)緩慢地下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

遮蔭植被作為城市公園內(nèi)部重要的綠色基礎(chǔ)設(shè)施,在炎熱的夏季可以改善熱舒適度,營(yíng)造健康舒適的夏季游憩體驗(yàn),對(duì)于城市公園內(nèi)部服務(wù)體系的建設(shè)和完善具有重要意義。本次研究分析了福州沙灘公園植被遮蔭面的可達(dá)性,結(jié)果表明:1)基于費(fèi)用加權(quán)距離法,對(duì)公園不同路面賦予時(shí)間成本,從而模擬游人到達(dá)就近植被遮蔭面的真實(shí)路徑,此方法能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)城市公園植被遮蔭面的可達(dá)性與服務(wù)情況；2)福州沙灘公園植被遮蔭面的可達(dá)性較好,青年人、中年人、老年人在0～30 s內(nèi)能到達(dá)植被遮蔭面的的區(qū)域分別占公園可行走面積的93.64%、86.26%、75.89%,占據(jù)了大部分服務(wù)區(qū)域。

植被遮蔭面的可達(dá)性是衡量城市公園服務(wù)能力的重要指標(biāo)。因此,在城市公園植被綠化設(shè)計(jì)與種植中應(yīng)考慮以下3個(gè)方面:1)要合理營(yíng)造可為游人提供林下遮蔭的植被,在游人較為密集的區(qū)域可以種植冠幅較大的遮蔭喬木,并且游人能夠方便進(jìn)入植被遮蔭面；2)在公園的一級(jí)園路線上,注重行道樹(shù)的種植設(shè)計(jì),并且保證行道樹(shù)可以為行走的游人提供植被遮蔭面；3)要保證游人在30 s內(nèi)步行到達(dá)就近植被遮蔭面的面積占公園可行走面積的70%以上,要保證植被遮蔭面占綠化總面積的10%以上,進(jìn)而滿足游人的遮蔭需求,以改善城市公園的公共服務(wù)能力。