成都市中心城區綠色空間格局演變與道路網絡耦合分析

王倩娜

魏琪力

謝于松*

羅言云

1 研究背景

道路網絡和城市綠色空間是城市格局重要的組成部分，道路不僅在經濟發展和城鎮建設中起著重要的推動作用[1-2]，也肩負著聯系城鄉體系的重任。在交通強國的背景下，截至2019年，中國公路總里程達501.25萬km，鐵路營業里程達13.9萬km[3]。城市綠色空間(Urban Green Space，UGS)是構成城市生態系統的主體，起著調節城市氣候、改善公共服務等生態服務功能[4-5]。隨著道路系統的逐漸完善，UGS不可避免地受到切割和侵占[6-7]。

道路網絡作為重要的灰色基礎設施，具有呈條帶狀、寬度不一、類型多樣、構建復雜等特點。既往研究表明[1-2，6-7]，道路建設是導致景觀破碎化的主因之一。20世紀70年代，Forman[1]指出道路建設與生態系統面積的減小存在直接關系；Hawbaker[8]等指出不同土地利用類型區域的道路建設對景觀破碎化的影響存在差異；黃夢娜等[2]分析了道路引起的陸表景觀破碎化格局特征，指出道路網絡延伸對自然保護區存在干擾；劉佳妮等[7]的研究表明浙江省干線公路網絡對森林景觀破碎化具有影響；富偉等[9]分析云南典型地區道路網絡對景觀格局與功能的影響，明確了道路網絡是加劇景觀破碎化的要因。

UGS是綠色基礎設施中最核心且研究需求最迫切的區域，隨著研究的深入與拓展，UGS不再局限于城市綠地、林地、立體綠化等綠地范疇，還包括各種綠化覆蓋的城市空間[10]。目前針對綠色空間格局開展的研究主要集中于綠色空間規模和功能[10]、結構與指標[11]和動態演化[12]。國內外綠色空間的相關研究具有方法成熟、研究面廣和科學性強的特點，將如疊加分析、空間分析、基于圖論、重力模型的分析方法和形態學空間格局分析方法 (Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)等[13]運用到構建UGS網絡、生態廊道，以及研究綠色空間的動態變化和綠地斑塊評價等領域已非常多見。

國內外研究雖已證實道路對景觀破碎化的影響，但目前道路建設的工程性探討、技術改良創新和路網合理性布局等仍是主要的研究方向[14]，較少將綠色空間與灰色基礎設施的變化聯系起來，探討道路工程對綠色空間的切割作用。道路作為灰色基礎設施中導致景觀破碎化的要因之一[2]，圍繞其延伸與綠色空間格局變化的耦合研究是必不可少的，而不同道路類型對綠地斑塊的影響程度，影響原因、過程和機制，實踐中應如何應對等應是重要的研究課題。此外，既往研究中暴露出如普遍將所有道路類型混為一體或僅研究主要道路類型影響的現象，忽略了道路類型對兩側綠色空間的影響差異，以及道路網絡延伸與綠色空間演變間耦合關系的探討。因此，圍繞以上2個問題，研究提出了分析不同類型道路對兩側綠色空間的影響程度及其與綠色空間演變間的耦合關系的研究目的。

基于以上背景，本研究選取成都市中心城區為研究對象。基于遙感影像，運用監督分類提取綠色空間數據，采用MSPA等方法，首先對綠地斑塊進行重要性分級及動態性級別變化研究，明確研究區綠地斑塊的重要區域。然后結合道路交通數據，建立道路緩沖區，分析道路兩側綠地斑塊的級別、面積和景觀破碎化指數的變化情況，明確不同道路類型對綠地斑塊重要性級別變化的影響，綠色空間變化中的影響范圍和程度差異，與UGS格局變化的關系和影響機制等問題，從而提出了基于耦合關系的綠地斑塊破碎化圖譜類型和措施建議，以期為道路網絡規劃與生態空間保護提供依據。

2 研究對象及數據

2.1 研究區概況

2021年成渝地區雙城經濟圈被定位為國際性綜合交通樞紐，戰略地位不斷提升。成都市中心城區作為成渝地區雙城經濟圈的核心區域，是西部地區發展最快速、經濟最發達的城市建成區之一。隨著道路網絡日趨完善，其已形成環形放射結構，路網密度高，2020年末已達8.30km/km2[15]。成都市中心城區屬亞熱帶季風氣候，地理范圍為東經103°40′～104°30′、北緯30°13′～30°58′，下轄錦江區、金牛區等11個區，總面積約3 669.54km2，2019年末常住人口1 090.70萬人(圖1)。

圖1 成都市中心城區區位及行政區劃

2.2 數據來源及預處理

基于云量少、無遮擋的原則，選取研究區1995、2005和2015年4月的Landsat衛星遙感影像數據[16]，并在ENVI 5.3中完成輻射定標、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預處理。基于監督分類將土地利用類型劃分為建設用地、未利用地、綠色空間和水體4類。結合高精度衛星影像圖及實地調研對監督分類結果進行修正后，采用Kappa指數檢驗精度，3期土地利用解譯后的Kappa指數分別為92.1%、91.5%和85.3%，精度值達到要求[12]，由此獲得研究區各年份30m×30m土地利用類型數據。同時，將各年份道路數據[17]導入ArcGIS完成數據統計，3期的道路總長度分別為748.43、1 388.39、2 103.08km。

3 研究方法

3.1 綠色空間形態學空間格局分析及破碎化

MSPA是Soille等[18]提出的一種度量、識別與分割的圖像處理方法，能識別研究區內重要的生境斑塊。基于土地利用類型數據，在ArcGIS內將綠色空間作為MSPA分析的前景(賦值為1)，其余土地利用類型作為背景(賦值為0)，得到研究區30m×30m綠色空間的二值柵格圖。再運用Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域規則，邊緣寬度取值30m，進行MSPA分析，計算得到核心區、孤島、穿孔、邊緣、分支、連接橋、環共7類綠色網絡結構要素圖及數據。

3.2 綠地斑塊分級與時空演變分析

3.2.1 綠地斑塊分級

本研究選取斑塊面積和dPC指數2個指標[19]對研究區內綠地斑塊進行評價及重要性分級。處理過程為：在ArcGIS中運用Conefor生成各年份綠地斑塊的中心及中心間的連接數。將生成的數據導入Conefor中進行dPC指數運算。其中，因研究區為中心城區尺度，連接距離閾值在分別設置為3 500、4 000、4 500、5 000m等數值后，通過參考相同尺度的研究成果，綜合比對不同距離下dPC等指數大小，最終將連接距離確定為3 500m[19]，斑塊間連通的可能性設為0.5[20]。依據斑塊面積和dPC指數結果，在ArcGIS中將斑塊分級并做數據統計。

3.2.2 核心綠地斑塊識別

依據綠地斑塊面積和dPC指數選取研究區1995年中具有重要生態價值的核心斑塊作為后續基礎范圍，并以此基礎范圍作為掩膜，提取2005、2015年的斑塊數據。

3.3 道路網絡與綠地斑塊耦合關系的圖譜化研究

3.3.1 不同道路類型與綠地斑塊的耦合關系識別

選取研究區高速公路、國道、省道、鐵路、縣道共5種道路類型，因各道路類型的不同區段存在寬度不一致的現象，在綜合考慮道路設計規范[21-22]、道橋專家建議和研究區內各類道路實際寬度均值后，將5種道路寬度分別設置為30、24、16、12、8m。道路的空間影響范圍往往超過其本身所侵占的土地，采用建立緩沖區的方法量化道路的外部影響范圍[2]。結合既往研究及道路兩側綠色空間現狀，共設定100、500、1 000、2 000m共4種緩沖區寬度。在ArcGIS中基于各類道路矢量數據分別建立4種緩沖區，使用clip工具進行裁剪，統計后得到各類型道路4種緩沖區范圍內各級斑塊的面積、數量及分布圖，以識別不同道路類型與綠地斑塊的耦合關系。

3.3.2 不同道路類型與綠地斑塊的相關性研究

基于以上結果，首先運用ArcGIS統計緩沖區內斑塊級別和面積變化，基于變化結果分析道路對綠地斑塊重要性和面積大小的影響。同時，為探究道路對綠地斑塊破碎化的影響，進一步將5類道路不同緩沖區內的綠地斑塊統一賦值為1，緩沖區范圍內非斑塊區域統一賦值為0，導入Fragstats軟件，選取反映景觀結構特征的景觀百分比(PLAND)、周長-面積分維數(PAFRAC)和邊緣長度(TE)；反映景觀異質性的斑塊密度(PD)、聚集度指數(AI)、蔓延度(CONTAG)和香農多樣性指數(SHDI)[23]共7項景觀格局指數。基于緩沖區內綠地斑塊的景觀格局指數統計與變化分析，總結道路對綠地斑塊的破碎化影響特征。

3.3.3 綠地斑塊破碎化類型圖譜構建

圖譜是通過對研究對象進行識別、分析、歸類、提煉后，以圖示化的語言進行時空上的分類與重構[24]。道路影響下綠地斑塊破碎化的圖譜構建，首先通過分類、識別不同年份綠地斑塊的演變特征，再篩選、提取出綠地斑塊演變規律，最后通過組合、重構的方法提煉出綠地斑塊破碎化演變類型，完成對道路與綠地斑塊耦合關系的定性評價及可視化表達。

4 結果分析

4.1 綠色空間形態學空間格局分析

1995—2015年土地利用變化集中體現在綠色空間和建設用地之間，其中綠色空間的面積減少了1 078.23km2，建設用地增加986.01km2；水體和未利用地在城市總面積中占比較小，存在不規則波動。綠色空間網絡結構要素以核心區為主，各年份占比均高于70%(表1)。核心區、孤島、穿孔和邊緣總面積整體呈下降趨勢，環、連接橋及分支呈緩慢增加的趨勢。

表1 研究區1995、2010、2015年綠色空間網絡結構要素統計

4.2 綠地斑塊分級與時空演變分析

4.2.1 核心綠地斑塊識別

基于斑塊面積和dPC指數結果，結合研究區實際情況和多次對比驗證，確定了斑塊分級標準(表2)。1995—2005年一級斑塊被侵占的面積較小，破碎化程度不明顯；2010—2015年出現大量二級、三級斑塊，一級斑塊被顯著侵占，破碎化加劇。2005—2015年一級斑塊總面積下降近2/3(表3)，一級斑塊轉化為其他級別斑塊和建設用地的現象最為明顯。二級、三級斑塊在2005—2015年增幅顯著，四五六級斑塊整體數量呈增多趨勢，其中七級斑塊增幅最為明顯。

表2 研究區1995、2010、2015年斑塊分級標準

4.2.2 核心綠地斑塊識別與時空演變分析

1995年以一級斑塊為主且面積達98%以上，后續斑塊破碎化現象主要出現在1995年的一級斑塊上，且破碎化明顯。為便于后期分析，選取1995年一級斑塊范圍作為后續基礎范圍(圖2A)，進一步提取、統計得到2005、2015年綠地斑塊數據(圖2B、2C)。結果表明，20年間基礎范圍內的一級斑塊面積共減少1 249.06km2，斑塊數量由1個增加至12 167個。1995—2005年屬于緩慢破碎化時期，破碎化主要集中在城市中心及溫江、新都等副中心周圍，一級斑塊面積減少498.38km2，其他各級斑塊面積均增加。2005—2015年屬于快速破碎化時期，一級斑塊面積減少1 802.49km2，綠地斑塊受到建設用地擴張的影響明顯，破碎化加劇，東北和西南尤為明顯。

圖2 1995年一級綠地斑塊范圍內2005、2015年斑塊分布

4.3 綠色空間消減與道路網絡關聯性分析

4.3.1 不同道路類型與綠地斑塊的耦合關系識別

不同道路類型在4種寬度緩沖區內的侵占特征及類型存在差異(圖3)。1995—2005年內選取具有一定形態特征的區域，同時在2005—2015年選取同區域進行對比。整體而言，1995—2005年道路兩側的綠地斑塊雖受到道路的影響，但影響程度差異明顯。其中，高速公路兩側的綠地斑塊受到影響而產生出的斑塊類型較多、較復雜，其次為鐵路、國道和省道。2005—2015年影響程度進一步加深，道路在緩沖區范圍內的面積明顯增多，如高速公路兩側的緩沖區，受道路影響后的綠地形式類型復雜程度進一步加劇，其中稀疏影響進一步變化為零散影響，其他影響類型范圍全部擴大到2km范圍內。

圖3 2005年(A)、2015年(B)各種道路類型不同寬度緩沖區內的斑塊分布

4.3.2 不同道路類型與綠地斑塊的相關性研究

1)綠地斑塊級別及面積變化。

研究結果表明(表4)：各道路類型不同緩沖區范圍內的斑塊數量均有增加，變化強度為高速公路＞鐵路＞國道＞省道。級別上呈低級別斑塊數量增長，整體面積占比小；高級別斑塊數量增加，面積下降明顯的特點。具體表現為：一級斑塊數量保持穩定，2015年一級斑塊數量增多，面積卻減少；高速公路和鐵路的降幅最大，其次為國道和省道；二三級斑塊的數量均增加，而面積除國道在0.5～1.5km范圍內減小外，其余道路類型的斑塊面積均增加；四級斑塊數量變化明顯，面積均增加，說明其多由高級別斑塊破碎而來。五六七級斑塊在數量和面積上均增多。以上結果表明，道路導致綠地斑塊破碎化和低級別化。

綠地斑塊面積表現出減少的趨勢，1995—2005年4種緩沖區內不同道路類型對斑塊減少面積的影響程度為：高速公路＞鐵路＞國道＞省道(表4)。其中高速公路影響面積最大，隨著緩沖區的增加，變化率緩慢減小。變化率結果顯示：各道路類型均呈現緩沖區寬度越大，對斑塊影響越弱的規律。2005—2015年100m緩沖區范圍內，影響程度為：縣道＞高速公路＞鐵路＞省道＞國道；500、1 000m緩沖區范圍內，影響程度為：高速公路＞鐵路＞縣道＞國道＞省道；2 000m緩沖區范圍內，影響程度為：高速公路＞鐵路＞國道＞縣道＞省道。整體而言，高速公路和鐵路對綠地斑塊的影響最明顯，隨著兩側緩沖區寬度增加，受影響的斑塊數量和面積隨之增加，而影響程度呈遞減趨勢。

表4 2005、2015年各種道路類型不同寬度緩沖區內斑塊數量、面積統計

2)景觀格局指數變化。

結果表明，緩沖區內的綠地斑塊總體景觀結構多樣化，各道路類型對綠地斑塊的干擾逐步增加，破碎化現象明顯加劇，斑塊形狀逐步單一化，不同道路類型兩側的綠地斑塊形狀復雜程度趨于相同。其次，研究發現不同道路類型的破碎化現象不同，其中省道周邊的斑塊破碎化現象較輕，斑塊較聚集，而高速公路隨著時間推移，兩側破碎化現象明顯加深，斑塊異質性顯著。具體分析如下。

同年內不同道路類型的各緩沖區寬度下，景觀指數反映各道路類型對綠地斑塊的干擾程度進一步加大，斑塊進一步分散。其中，PLAND指數：縣道(2015)＞高速公路＞鐵路＞國道＞省道，縣道和高速公路兩側的綠地斑塊占比最大。TE指數一定程度反映斑塊的聚散程度，其在不同道路類型下數值波動大，1995年國道和鐵路兩側的斑塊較為分散，高速公路聚集度較高，2005和2015年，高速公路＞縣道(2015)＞鐵路＞國道＞省道的排序相對穩定，這一時期高速公路和鐵路破碎嚴重，分散明顯。PAFRAC反映斑塊形狀的復雜性，不同道路類型在1995、2005年內，指數差距較小，復雜程度均較強，其中高速公路兩側緩沖區內的綠地斑塊形狀最為復雜。2015年后各道路類型兩側的綠地斑塊形狀復雜程度趨同，相較1995年均有所下降，說明斑塊形狀呈現單一化的趨勢。景觀異質性方面，PD指數在1995和2005年，國道兩側斑塊密度最大，而省道最低，表明此時國道兩側斑塊破碎化程度較高，高速公路和鐵路存在波動。2015年，高速公路的斑塊密度上升，隨著高速公路的進一步延伸，對斑塊的影響程度加大，斑塊進一步破碎化。AI指數1995年在1 000m以下鐵路兩側斑塊的聚集程度最高，國道較低，在2005和2015年，省道保持穩定的聚集度，相較而言，高速公路的聚集程度較差。CONTAG指數反映出同樣的現象，2015年各緩沖區范圍內均為：省道＞國道＞縣道＞鐵路＞高速公路的排序。SHDI指數方面，1995年省道的破碎化程度最高，到2015年相對穩定，高速公路破碎化最為嚴重，相較而言省道破碎化現象較輕微。

同一道路類型，在不同年份同一緩沖區距離下，景觀結構特征方面，表現為PLAND指數隨著年份增加數值均減小，TE數值增加，PAFRAC值減小，說明綠地斑塊減小明顯，斑塊的破碎化現象增加，形狀的復雜程度減小，其中高速公路的變化幅度最大，其次為鐵路、國道和省道。景觀異質性特征方面，PD指數大多呈上升趨勢，AI和CONTAG指數減小，SHDI指數大多增加，反映了斑塊數量增加，斑塊密度上升，而景觀斑塊破碎化加劇，聚集程度減小。

4.3.3 不同道路類型與綠地斑塊耦合關系的原因及機制

從時間上看，2005年后，道路類型影響程度的排序發生變化，縣道成為100m緩沖區內對綠色斑塊影響最為顯著的道路類型。究其原因，成都2005年頒布《成都城市交通發展白皮書》并提出擴大路網規模，其后，城市化進程加快，政策推動及城市化進程促進了縣道的建設。而高速公路和鐵路的影響程度隨著時間的推移呈上升趨勢，破碎化現象加劇，因其功能特點、開發形式和社會需求等是促使周邊綠色空間變化的重要驅動力，亦決定了周邊綠地斑塊變化的差異。

從緩沖區距離上看，縣道在100m緩沖區范圍內影響更大的原因在于其寬度較小，但建設需求量大，路網密度更高，對綠地斑塊的切割在較小寬度范圍內影響顯著；而在500m范圍外均是高速公路影響程度最大，其主因或為高速公路本身寬度較大，且建設工程量較大，對斑塊的侵占和切割顯著，加之運行期間車流持續、車速快、干擾強，使其影響最為顯著。

整體而言，政策與規劃的引導、城市化加速，以及道路特征，如不同功能、規模、建設工程量、封閉形式、周邊建設用地規劃的差異等或是道路影響下綠色空間發生改變的主因。

4.3.4 綠地破碎化與道路網絡耦合圖譜分析

研究將綠地斑塊與道路網絡的耦合圖譜分為4種類型(圖4)。零散有單側、無序和中心零散3類，斑塊被切割成較小斑塊，無序分布。中空有組團和線性，緩沖區內斑塊被道路侵蝕，從中心開始破碎，出現團狀、線性中空。切割表現為中心線性切割，斑塊被分割為多塊，進一步演變為無序零散和線性中空。分散表現為無序分散，多塊較大斑塊無序分散在緩沖區內，繼續演變為無序分散，無序零散。

圖4 綠地斑塊破碎化與道路網絡耦合圖譜分析

研究發現高速公路沿線斑塊受高強度、持續干擾，主要表現為零散、切割和分散，較多大型斑塊被切割成更破碎的斑塊；鐵路受地形限制，易從斑塊中心穿過，主要表現為零散、中空和分散，導致斑塊中心孔洞化；國道主要表現為零散，省道、縣道均表現為中空，這3種道路雖工程量較小，對沿線斑塊影響有限，但因分布范圍廣，亦可導致沿線斑塊的進一步破碎。

5 道路網絡規劃與綠地斑塊優化建議

基于提出的4種圖譜類型，對5種道路類型分別提出整合斑塊、建立綠化隔離帶等措施及建議(表5)。

表5 基于耦合圖譜類型的綠地斑塊優化措施及建議

6 總結與討論

基于MSPA、緩沖區分析和景觀格局指數等方法，以成都市中心城區為研究對象，驗證了道路和綠地斑塊級別動態變化存在耦合關系，明確了不同道路類型、不同緩沖區寬度下，道路網絡對綠地斑塊影響程度的差異和影響機制，歸納總結了基于耦合關系的綠地斑塊破碎化圖譜和措施建議，能為道路網絡規劃和生態空間保護提供依據。雖然提供了道路與綠地斑塊動態變化耦合關系的研究思路，但仍需與國土空間規劃充分銜接，協調道路網絡與“三生空間”的關系。采用的30m精度遙感影像圖存在對小型斑塊識別不充分的情況，后續宜選用高分辨率遙感影像圖，實現道路與綠地關系的精確識別和探討，也將著眼于道路網絡布局及類型，構建綜合考慮使用頻率、對綠色空間網絡的影響等因子的評價體系，精確評價道路的生態影響，以期達到道路建設及使用影響最小化的目的。

注：文中圖片均由作者繪制。