城市綠色空間格局的定量化方法研究進(jìn)展

陶 宇，李 鋒，王如松，趙 丹

(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

城市綠色空間不同于傳統(tǒng)的園林綠地的概念，它是包括城市園林、城市森林、都市農(nóng)業(yè)、綠色廊道、濱水綠地以及立體空間綠化等在內(nèi)的綠色空間網(wǎng)絡(luò)，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能［1］。盡管城市用地通常只占區(qū)域土地覆被的很小一部分，城市化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)卻遠(yuǎn)超出城市本身的覆蓋范圍［2］。城市土地利用的快速轉(zhuǎn)變顯著改變了城市綠色空間的分布格局，從而深刻影響了城市景觀的結(jié)構(gòu)和生態(tài)服務(wù)功能［3-4］。隨著城市化進(jìn)程的加速和城市環(huán)境問(wèn)題的加劇，人們已越來(lái)越認(rèn)識(shí)到城市綠色空間對(duì)城市生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的重要性。許多國(guó)家已將城市綠化制定為城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要內(nèi)容。然而在多數(shù)情況下，現(xiàn)階段城市綠色空間建設(shè)的主觀性更強(qiáng)，缺少科學(xué)的系統(tǒng)分析［5-6］。因此，研究城市綠色空間格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)對(duì)于保護(hù)和規(guī)劃城市綠地的結(jié)構(gòu)與功能，改善城市和人居環(huán)境具有重要的應(yīng)用價(jià)值。城市綠色空間格局的研究?jī)?nèi)容十分廣泛，針對(duì)不同的研究?jī)?nèi)容，主要形成了以下五類相對(duì)獨(dú)立的定量化方法。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 城市綠色空間格局的時(shí)間變化檢測(cè)方法

城市化過(guò)程影響下城市綠地?cái)?shù)量和結(jié)構(gòu)的時(shí)空動(dòng)態(tài)分析是綠色空間格局定量化研究的基礎(chǔ)。其中，分類后比較的變化檢測(cè)方法被廣泛應(yīng)用于城市化地區(qū)綠色空間的動(dòng)態(tài)研究，揭示了綠色空間向城市用地的轉(zhuǎn)變過(guò)程，尤其是城郊耕地面積的急劇下降［7-9］。Gluch M R和Ridd K M綜述了城市地表覆被組成的植被-硬化地表-裸地(V-I-S)模型及其在城市環(huán)境研究中的應(yīng)用，認(rèn)為V-I-S模型及其結(jié)果的三元圖解可用于揭示綠地或裸地景觀在城市化背景下的轉(zhuǎn)變過(guò)程，因此也被應(yīng)用于城市綠色空間的變化檢測(cè)研究［10］。而考慮到分類后的變化檢測(cè)方法在檢測(cè)異質(zhì)景觀和細(xì)微變化方面的不足，通過(guò)采用線性光譜分離法反演得到中心城區(qū)的植被覆蓋度，經(jīng)圖像差分處理，同樣能夠揭示植被分布的時(shí)空變化［11］。類似地，Rafiee R等［12］人利用不同時(shí)相的NDVI圖層差分得到Mashad城市綠色空間的時(shí)空變化分布，結(jié)合分類后的變化檢測(cè)方法，不僅揭示了城市化過(guò)程中綠色空間向城市用地的直接轉(zhuǎn)變，也揭示了綠色空間轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕卦俚匠鞘杏玫氐拈g接過(guò)程。此外，基于變化檢測(cè)的空間分析也能夠揭示綠色空間格局的時(shí)空變化［13］，Monteiro A T等［14］人、Williams N S G等［15］人在城市化山區(qū)草甸時(shí)空分布變化檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)定義空間環(huán)境變量，利用邏輯斯蒂回歸模型模擬了草甸消失與退化的區(qū)域分異格局和轉(zhuǎn)變機(jī)制，為草甸的保護(hù)和規(guī)劃提供了依據(jù)。

1.2 城市綠色空間格局的景觀指數(shù)分析方法

城市和郊區(qū)的發(fā)展在造成綠地面積急劇減少的同時(shí)，也伴隨著綠色空間的破碎化。事實(shí)上，Boentje J P和Blinnikov M S就研究了郊區(qū)城市化背景下Moscow市郊10km范圍內(nèi)城市綠帶和城市森林的時(shí)空變化與破碎化，結(jié)果表明，市郊居住用地的發(fā)展不僅蠶食了城市綠帶，居住區(qū)周邊林叢的消失也加劇了城市森林的破碎化［4］。城市綠色空間破碎化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于指標(biāo)的選取和構(gòu)建。景觀面積比(PLAND)可看作是最基礎(chǔ)的破碎化指數(shù)，其評(píng)價(jià)得到的破碎化程度可分成4個(gè)等級(jí)，依次為荒蕪、破碎、斑駁和完整［16］。除了傳統(tǒng)的破碎化指數(shù)，改進(jìn)的指數(shù)加權(quán)方法更豐富了破碎化評(píng)價(jià)的內(nèi)容和結(jié)果。通過(guò)對(duì)斑塊面積指數(shù)和500 m范圍內(nèi)的斑塊數(shù)進(jìn)行線性加和，Greca P L等［17］人評(píng)價(jià)得到非城市化用地斑塊(包括城市農(nóng)業(yè)用地和綠色基礎(chǔ)設(shè)施)破碎化程度的空間分布，認(rèn)為居住用地是導(dǎo)致城市綠地斑塊破碎化的主要因素。Tian Y H等［18］人選取8個(gè)景觀指數(shù)，分別表征綠地斑塊的面積和形狀特征以及斑塊之間的空間關(guān)系和隔離度，采用主成分分析法模擬了香港不同地區(qū)綠色空間的破碎化程度，結(jié)果表明，非城市化地區(qū)和城市邊緣的綠地覆被較高，綠地斑塊的連通性較好，破碎化程度相對(duì)較低。

城市綠色空間的連通性對(duì)于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要意義。綠色空間連通性的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)從純粹的指標(biāo)選取過(guò)渡到模型與指標(biāo)的耦合。例如，通過(guò)采用Conefor Sensinode 2.2軟件包［19-20］提供的連通性指數(shù)，Mitsova D等［21］人重點(diǎn)評(píng)價(jià)并比較了快速城市化和綠色空間保護(hù)情景下城市邊緣地區(qū)開(kāi)敞空間連通性的變化，證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建對(duì)保護(hù)開(kāi)敞空間(主要指林地)連通性的重要意義。Su W Z等［22］人則充分考慮干擾斑塊與目標(biāo)斑塊之間的距離和面積因素，構(gòu)建了隔離度指數(shù)，在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)了西太湖流域的城市擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)用地(除耕地以外的藍(lán)綠景觀)連通性的影響，研究結(jié)果可為流域的主體功能區(qū)劃提供指導(dǎo)。在模型與指標(biāo)的耦合方面，常青等［23］人通過(guò)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)確定即墨市綠色空間基質(zhì)的保護(hù)范圍，采用生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)確定主要的生態(tài)功能斑塊，在此基礎(chǔ)上采用最小累計(jì)耗費(fèi)距離模型，以生態(tài)連通度指數(shù)(ECI)表征空間單元間的生態(tài)連通度，其結(jié)果可作為城市綠色空間格局優(yōu)化的依據(jù)。而通過(guò)給不同的城市建成區(qū)類型分別賦以權(quán)重，Levin N等［24］人模擬了研究區(qū)柵格單元到達(dá)各類城市建成區(qū)的有效距離，并基于最小值原理，以Ramot Menashe地區(qū)為例，評(píng)價(jià)了高速公路建設(shè)對(duì)開(kāi)敞空間景觀連接度的影響。Freeman R C和Bell K P［25］、Lookingbill T R等［26］人試驗(yàn)得到目標(biāo)物種遷移運(yùn)動(dòng)的閾值距離，在此基礎(chǔ)上分別運(yùn)用圖論和景觀滲透模型計(jì)算了反映連通性水平的距離與面積指數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，與生境斑塊的面積相比，開(kāi)敞空間(主要指濕地和林地)的空間布局及其功能連接對(duì)不同城市化梯度下的物種保護(hù)具有同等重要的意義。

1.3 城市綠色空間格局的網(wǎng)絡(luò)分析方法

城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建包括保護(hù)已經(jīng)存在的城市綠地單元，重建新的綠地斑塊和不斷完善綠地斑塊間的連接［5］。通常情況下，林地和耕地是組成生態(tài)廊道的優(yōu)勢(shì)景觀要素類型，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)在于加快生態(tài)斷裂點(diǎn)的修復(fù)，以及暫息地(也稱踏腳石)的規(guī)劃建設(shè)［27］。近年來(lái)，綠色空間的網(wǎng)絡(luò)分析方法已經(jīng)形成了較為完整的框架，包括“復(fù)合斑塊”概念的引入，確定重要的綠地斑塊作為“源”或“匯”;評(píng)價(jià)綠地斑塊的生境適宜性與景觀阻力(植被覆蓋率、類型、建立時(shí)間和人為干擾強(qiáng)度等);基于最小費(fèi)用路徑方法的潛在廊道模擬;使用中介中心指數(shù)辨識(shí)重要的踏腳石結(jié)構(gòu);以及基于圖論的網(wǎng)絡(luò)情景分析［5，28-29］。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析框架的各步驟，不同學(xué)者提出了各自的觀點(diǎn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

為評(píng)價(jià)綠地斑塊的重要性，Kong F H等［5］人給出了兩項(xiàng)遴選依據(jù)，包括對(duì)斑塊面積的要求，以及連接城市外圍綠地的重要性，這就要求“源”、“匯”斑塊的分布必須覆蓋八個(gè)方向并延伸至研究區(qū)的邊界。Pereira M等［30］人認(rèn)為，斑塊的重要性集中體現(xiàn)在各斑塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通性的貢獻(xiàn)，通過(guò)計(jì)算移除斑塊后網(wǎng)絡(luò)連通性指數(shù)(PCindex)的變化，可確定各斑塊的相對(duì)重要程度。此外，考慮到綠地斑塊的生境適宜性，Pereira M等人通過(guò)采樣調(diào)查，記錄采樣點(diǎn)目標(biāo)物種的有無(wú)作為生境適宜性的直接測(cè)度指標(biāo)，并基于GIS獲取斑塊的各環(huán)境變量(例如斑塊面積和道路距離等)，采用邏輯斯蒂回歸模型模擬了生境適宜性與斑塊各環(huán)境變量間的關(guān)系，進(jìn)而將所有斑塊的各環(huán)境變量代入模型，估算目標(biāo)物種有無(wú)的概率水平，作為生境適宜性的評(píng)價(jià)結(jié)果，最終得到各斑塊重要性的空間分異和分級(jí)。

生成消費(fèi)面是模擬潛在廊道的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵在于阻力賦值方案的確定。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)不同土地利用類型分別賦以景觀阻力值，并兼顧人為干擾和建設(shè)成本的影響，是生成消費(fèi)面的通常做法［27，31］。另一方面，Nichol J E等［32］人基于高分辨率的IKONOS影像，采用線性光譜分離法獲取柵格水平上的植被覆蓋度，由此設(shè)置3種不同的阻力賦值方案生成消費(fèi)面，通過(guò)與傳統(tǒng)的賦值方法比較發(fā)現(xiàn)，新方法更適用于小尺度上樹(shù)冠生境的空間表征和更為精細(xì)的城市生態(tài)研究。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)情景分析要求識(shí)別綠地斑塊之間可行(道路綠化廊道、空地、小的綠地斑塊等)或不可行(城市建設(shè)用地、商業(yè)區(qū)、公路等)的連接［33-34］。在評(píng)價(jià)廊道連接的可行性方面，Kong F H等［5］人基于重力模型給出了斑塊之間交互作用強(qiáng)弱的判斷閾值，并剔除經(jīng)過(guò)同一綠地斑塊而造成冗余的廊道。然而，結(jié)合在Stockholm展開(kāi)的工作，Zetterberg A等［29］人提出了不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為增加網(wǎng)絡(luò)的空間冗余度有助于系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)斑塊或廊道移除時(shí)彈性的增強(qiáng)。從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度看，增加斑塊或廊道的冗余度有助于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的彈性;從斑塊個(gè)體的角度看，冗余度的提高能夠降低斑塊破碎化的風(fēng)險(xiǎn)。此外，冗余度較高的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以給城市建設(shè)留有更多的權(quán)衡余地?；镜脑瓌t是，在具有重要生態(tài)功能的區(qū)域增加冗余度，在其他地區(qū)減少冗余度，以滿足城市發(fā)展的需要(例如居住區(qū)建設(shè))。

1.4 城市綠色空間格局的可達(dá)性分析方法

一塊小的城市綠地與較大的郊野綠地相比，哪個(gè)對(duì)城市居民的生態(tài)服務(wù)效益更高?考慮到生態(tài)服務(wù)功能的空間分異，Kozak J等［35］人研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)服務(wù)效益的評(píng)估具有空間衰減的特征，空間衰減的速率越大，城市綠地對(duì)城市居民的生態(tài)服務(wù)效益就越有可能超過(guò)郊野綠地對(duì)城市居民的生態(tài)服務(wù)效益，盡管城市綠地的面積要遠(yuǎn)小于郊野綠地。因此，城市綠地的面積、綠地斑塊的分布格局以及與居住區(qū)的空間交互作用是實(shí)現(xiàn)城市綠色空間社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)功能的重要因素［36］。

綠色空間與居住用地的空間關(guān)系研究分別涉及居住小區(qū)和城區(qū)尺度。居住區(qū)綠地斑塊(主要指庭院種植)分布格局的定量分析有賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ê蜆O高分辨率的遙感影像(例如IKONOS和航拍照片等)在這一領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［37］。城區(qū)尺度上綠色空間與居住用地的空間交互作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是居住用地的發(fā)展對(duì)綠色空間的蠶食，尤其是城市-森林交錯(cuò)地帶的土地利用轉(zhuǎn)變，深刻影響了城郊森林景觀的結(jié)構(gòu)和功能［38］。事實(shí)上，通過(guò)分析居住用地密度和格局的梯度變化［39-40］，能夠揭示居住用地發(fā)展的向內(nèi)填補(bǔ)和向外擴(kuò)張過(guò)程，結(jié)合城區(qū)范圍內(nèi)綠色空間的分布特征［5，41］，可為綠色空間的保護(hù)和規(guī)劃提供政策建議。另一方面，城市綠色空間作為環(huán)境產(chǎn)品和服務(wù)的重要組成部分，存在區(qū)域之間的互補(bǔ)和替代效應(yīng)，因此，城市綠地分布格局的合理與否直接決定了其資源配置效率的高低。Choumert J和Cormier L采用空間計(jì)量模型和Moran's I指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，Angers地區(qū)城市公園空間正相關(guān)的分布特征不利于生態(tài)效益的充分發(fā)揮［42］。而綠道網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果則表明，行道綠化能夠有效增強(qiáng)人口密集地區(qū)到達(dá)藍(lán)綠空間的連接水平，進(jìn)而優(yōu)化綠地休閑服務(wù)功能的空間配置［31］。類似地，Zhou Y等［6］人重點(diǎn)考慮綠色空間的造氧功能，采用計(jì)算流體力學(xué)模型模擬了研究區(qū)氧氣濃度的擴(kuò)散格局，結(jié)合對(duì)市區(qū)內(nèi)建筑密度和人口分布的空間表征，評(píng)價(jià)了綠地斑塊與城區(qū)人口分布的空間關(guān)系，為新增綠地結(jié)構(gòu)的規(guī)劃提供了科學(xué)指導(dǎo)。

我正在吃飯，聽(tīng)到鄰桌一個(gè)女生對(duì)同伴說(shuō)：“什么男孩要窮養(yǎng)、女孩要富養(yǎng)都是胡說(shuō)，我說(shuō)啊，女人最重要的是保養(yǎng)?！?/p>

城市綠地的可達(dá)性分析也是綠色空間與居住用地空間關(guān)系研究的重要內(nèi)容。影響綠色空間可達(dá)性的因素主要有二，一是綠地面積;二是城市居民的需求。通常情況下，綠色空間的分布格局與居住區(qū)并不匹配，從而造成綠地服務(wù)水平的失衡。城市綠色空間的可達(dá)性分析有助于辨識(shí)綠地服務(wù)水平不足的區(qū)域，為城市綠地的合理布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)［43］。

綠色空間可達(dá)性的計(jì)算方法較多，主要包括簡(jiǎn)單緩沖法［44-48］、最小鄰近距離法［49-50］、網(wǎng)絡(luò)距離法［36，55］和費(fèi)用加權(quán)距離方法［43，51-54，56-57］。早期的可達(dá)性分析多采用簡(jiǎn)單緩沖法計(jì)算居住區(qū)周邊的綠地面積，也就是給所有綠地斑塊賦以相同的緩沖半徑，通過(guò)改變緩沖半徑的大小，分析不同緩沖半徑下綠地斑塊的可達(dá)性水平(例如，緩沖區(qū)人口占總?cè)丝诒戎?;或考慮綠地斑塊的面積因素，分別給不同大小的綠地斑塊賦以不同的緩沖半徑，在此基礎(chǔ)上分析綠地斑塊的可達(dá)性。與基于服務(wù)距離的網(wǎng)絡(luò)分析相比，基于服務(wù)半徑的簡(jiǎn)單緩沖方法在更大程度上增加了城市綠地的可達(dá)性［55-56］。Kong F H等［57］人計(jì)算了從居住區(qū)步行或乘坐公共交通工具到達(dá)公共綠色空間的累計(jì)時(shí)間耗費(fèi)作為可達(dá)性的度量，并將可達(dá)性變量納入享樂(lè)價(jià)格模型，實(shí)證了濟(jì)南城市綠地的宜人性對(duì)房?jī)r(jià)的影響。朱耀軍等［55］人基于城市步行道路網(wǎng)絡(luò)，用“質(zhì)心”和“可達(dá)性點(diǎn)”分別代表街區(qū)單元和大型城市森林斑塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性分析，得到廣州市中心城區(qū)不同服務(wù)距離的街區(qū)可達(dá)性分布。Barbosa O等［36］人研究了Sheffield城區(qū)公共綠色空間可達(dá)性的空間分異格局，通過(guò)計(jì)算每戶家庭分別到達(dá)鄰近綠色空間和市政公園的最短道路距離，研究給出了城市公共綠地可達(dá)性水平的參考范圍。此外，考慮到城市邊緣地區(qū)距離公共綠地的可達(dá)性分析，計(jì)算同樣包括了城市周邊1 km范圍內(nèi)的公共綠地。Dai D J［43］把綠色空間的可達(dá)性分析分為實(shí)際可達(dá)性分析和潛在可達(dá)性分析兩類，前者強(qiáng)調(diào)居民對(duì)綠色空間的實(shí)際利用，后者旨在量化區(qū)域內(nèi)有效綠色空間的格局特征。通過(guò)把空間單元和綠地斑塊抽象成質(zhì)心，Dai D J采用基于高斯函數(shù)的2步移動(dòng)搜索法(Gaussian-based 2SFCA)評(píng)價(jià)了Atlanta中心地區(qū)綠色空間可達(dá)性的空間分布，計(jì)算得到的可達(dá)性水平表征了居民能夠潛在到達(dá)的綠地面積。通過(guò)改變搜索半徑的閾值大小，也驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)健性。

現(xiàn)有的綠色空間可達(dá)性分析的一點(diǎn)不足是只考慮居住用地到達(dá)大型公共綠地的距離或時(shí)間耗費(fèi)，而不考慮都市農(nóng)業(yè)［58］、其他綠地類型，甚至于室內(nèi)綠化的互補(bǔ)和替代作用。事實(shí)上，中心城區(qū)的綠化既可以通過(guò)增加大型公共綠地面積，也可以通過(guò)提高街區(qū)單元的樹(shù)冠覆蓋率來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如單位和居住區(qū)的附屬綠地規(guī)劃［55］。Barbosa O等［36］人在城區(qū)綠色空間的可達(dá)性分析中發(fā)現(xiàn)，庭院種植與公共綠地在空間分布上具有負(fù)相關(guān)性，證實(shí)了庭院種植對(duì)公共綠地的互補(bǔ)和替代作用。Tian Y H和Jim C Y研究了香港市區(qū)屋頂綠化的空間分布格局，認(rèn)為高度城市化地區(qū)的屋頂綠化是對(duì)地面綠色覆被的重要補(bǔ)償，屋頂綠化的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃能夠有效提高城市綠色空間的連通性和可達(dá)性［59］。此外，現(xiàn)有的城市綠地可達(dá)性只計(jì)算居住區(qū)到最鄰近綠地的距離或時(shí)間耗費(fèi)，而沒(méi)有考慮次鄰近綠地乃至k階鄰近綠地的作用，且少有研究綠地特征(如大小、類型及質(zhì)量)對(duì)可達(dá)性的影響。Dai D J［43］、朱耀軍等［55］人基于不同服務(wù)距離的街區(qū)可達(dá)性分析可看作是這方面的有益探索。

1.5 城市綠色空間格局的梯度分析方法

將局部區(qū)域上綠色空間格局的變化與城市化過(guò)程相連接仍然面臨著很多挑戰(zhàn)，考慮梯度變化的空間分析提供了一種行之有效的方法［34，41］。城市綠色空間格局的梯度分析方法主要包括區(qū)分方向變化的樣帶分析法;具有各向同性的緩沖區(qū)梯度分析;以及基于城鄉(xiāng)空間區(qū)劃的比較研究。

傳統(tǒng)的樣帶分析法基于非重疊的采樣單元，通過(guò)沿城市發(fā)展軸向設(shè)置樣帶，可辨識(shí)綠色開(kāi)敞空間(包括城市森林和農(nóng)田)從中心城區(qū)到城市邊緣的分布與轉(zhuǎn)變規(guī)律［10，12，34，60-63］。然而樣帶寬度(或采樣單元大小)的設(shè)定主觀性較強(qiáng)，缺少必要的解釋。此外，考慮到城市核心區(qū)的輪廓或面積一般遠(yuǎn)大于柵格或采樣單元，可通過(guò)設(shè)置3條平行的樣帶，以確保對(duì)城市核心區(qū)的有效采樣［64］。另一方面，基于移動(dòng)窗口的輻射樣帶分析實(shí)現(xiàn)了柵格水平上的密集采樣［40-41，65］，盡管這種輻射樣帶分析會(huì)造成城市中心的過(guò)采樣和城市邊緣的欠采樣，但考慮到一些城市發(fā)展的單中心結(jié)構(gòu)以及輻射狀的擴(kuò)張格局，基于移動(dòng)窗口的輻射樣帶分析能夠更為準(zhǔn)確地揭示城市綠色空間格局的梯度變化［34］。

緩沖區(qū)梯度分析又稱梯次環(huán)分析或等間距區(qū)域分析，通常沿城市中心或主要交通干線設(shè)置不同寬度的緩沖帶，同樣用以比較綠色空間沿城市擴(kuò)張方向上的數(shù)量和結(jié)構(gòu)變化［9，66-69］。緩沖區(qū)的設(shè)置一般為同心圓結(jié)構(gòu)，也就是把城市中心抽象為圓心。但也有例外，Clarkson B D等［70］人就基于鄰域算法將面積大于300 hm2的城市用地定義為核心城區(qū)，并剔除較小的城市斑塊，在此基礎(chǔ)上，分別設(shè)立逐級(jí)嵌套的緩沖區(qū)(5、10和20 km)，分析了新西蘭20個(gè)城市原生植被覆蓋的梯度動(dòng)態(tài)。類似地，Li X W等［71］人在上海市城市擴(kuò)張格局的梯度分析中分別采用了兩種不同的緩沖區(qū)設(shè)置形式，通過(guò)從早期遙感影像中提取舊城中心的輪廓，主城區(qū)的緩沖區(qū)沿著舊城中心向外擴(kuò)展［66］;而考慮到主要衛(wèi)星城的城市化面積較小，同心圓結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)設(shè)置方案得以采納，兩套緩沖區(qū)共同構(gòu)成了適應(yīng)城市多中心發(fā)展格局的梯度分析方法。此外，通過(guò)將研究區(qū)等分為8個(gè)方位，研究同樣實(shí)現(xiàn)了緩沖區(qū)梯度分析的各向異性。

綠色空間沿城鄉(xiāng)梯度變化的空間分異格局同樣涉及在不同空間范圍上的比較研究，但由于無(wú)休止的城市擴(kuò)張，城市與農(nóng)村的邊界已變得難以界定［42］。因此，城鄉(xiāng)土地利用的空間區(qū)劃，特別是城郊空間范圍的劃定，對(duì)綠色空間格局沿城鄉(xiāng)梯度變化的深入分析和比較十分必要。

城鄉(xiāng)土地利用的空間區(qū)劃方法主要有兩類。參照政府的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)［18］或依據(jù)行政區(qū)劃［72］將土地利用劃分為建成區(qū)、城市邊緣和農(nóng)村地區(qū)的做法最為簡(jiǎn)單，但由于受到行政區(qū)劃的限制，此類空間區(qū)劃方法的主觀性較強(qiáng)，分類結(jié)果的準(zhǔn)確度不高，僅適用于不同城鄉(xiāng)梯度下綠地格局變化的初步比較。相反，指標(biāo)分類法通過(guò)量化和區(qū)分不同城市化水平下地表覆被的優(yōu)勢(shì)景觀類型，例如硬化地表面積比例［73］，以及其他環(huán)境變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)城鄉(xiāng)土地利用的空間區(qū)劃［10，36，64，74-76］。不過(guò)，現(xiàn)有的指標(biāo)分類方法在指標(biāo)選取上仍較為隨意，各指標(biāo)均具有一定的代表性，但又不夠全面，并未構(gòu)成多層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，且劃分閾值的確定缺少夯實(shí)的依據(jù)，導(dǎo)致分類結(jié)果的合理性降低。事實(shí)上，考慮到土地利用及其環(huán)境變量沿城鄉(xiāng)梯度變化的連續(xù)特征，基于模糊數(shù)學(xué)的“軟分類”策略在城鄉(xiāng)土地利用的空間區(qū)劃中具有很大的應(yīng)用潛力。特別地，Wade G T等［2］人依據(jù)土地覆被特征，采用移動(dòng)窗口和聚類算法，多尺度地表征了城市化的影響范圍，在此基礎(chǔ)上將區(qū)域土地利用劃分為城市核心區(qū)、城郊區(qū)、過(guò)渡區(qū)、農(nóng)村道路網(wǎng)以及農(nóng)村地區(qū)，提供了城鄉(xiāng)土地利用空間區(qū)劃方法的新思路。

2 研究熱點(diǎn)

2.1 城市綠色空間格局的空間顯式表征

城市綠色空間格局的空間顯式表征主要指基于景觀指數(shù)或可達(dá)性變量的局部分析，局部分析的空間尺度包括柵格［77-80］、斑塊［17，22，29，81］和區(qū)域水平［82-86］，不同水平上的空間分析各有特點(diǎn)，適用于不同的研究目的。其中，柵格水平上的移動(dòng)窗口分析具有很強(qiáng)的尺度依賴性，需要小心選用適宜大小的移動(dòng)窗口，方法之一是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)不同的窗口大小對(duì)景觀指數(shù)取值范圍的影響，選用平滑效果較好的窗口尺寸［39，41，57］;或者采用距離衰減分析確定指標(biāo)或變量的局部影響范圍，并依此選用對(duì)應(yīng)大小的移動(dòng)窗口，用以真實(shí)反映城市綠地梯度變化的波動(dòng)特征［87］。當(dāng)然，并非所有的景觀指數(shù)都適宜采用移動(dòng)窗口的分析方法，Tian Y H等［18］人在香港城市綠地的破碎化評(píng)價(jià)中就實(shí)施了較為嚴(yán)格的尺度界定，認(rèn)為格網(wǎng)單元的大小必須足以表征某一景觀類型，并能夠體現(xiàn)景觀水平上的破碎化特征。通過(guò)考察景觀指數(shù)隨格網(wǎng)大小的變動(dòng)趨勢(shì)，最終選用160 hm2的六邊形格網(wǎng)單元，合理表征了破碎化水平的空間分異格局。

2.2 城市綠色空間格局的多尺度分析

城市化過(guò)程的多尺度特征決定了不同水平上綠色空間格局響應(yīng)機(jī)制的差異。然而如上所述，綠色空間格局的研究主要集中在中心城區(qū)，部分研究擴(kuò)展到市域范圍，只有少數(shù)研究采用了多尺度的分析方法。尤其是不同粒度水平上的多尺度分析，十分不受重視。尹海偉等［49］人分別在房屋、居住區(qū)和街道水平上分析了市區(qū)公園綠地可達(dá)性與公平性的空間格局，認(rèn)為可達(dá)性和公平性指標(biāo)在使用時(shí)需要界定研究區(qū)范圍、研究尺度，特別是數(shù)據(jù)精度，以利于研究區(qū)的縱向比較和城市間的橫向比較。相較而言，不同空間范圍下的多尺度分析涵蓋了從區(qū)域、市域、城區(qū)到局部區(qū)域［21］乃至居住小區(qū)的水平，研究?jī)?nèi)容多為城市綠地結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)和規(guī)劃。例如，趙丹等［88-89］人基于生態(tài)綠當(dāng)量的概念，探討了城市生態(tài)用地合理性的生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，以寧國(guó)市為例對(duì)研究區(qū)不同空間范圍下(市域、城區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部)生態(tài)用地的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化方法進(jìn)行了實(shí)例分析。Jim C Y和Chen S S則運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的原理，分別在都市區(qū)、主城區(qū)和住宅區(qū)的尺度上分析了城市綠楔、綠道網(wǎng)絡(luò)以及綠地延伸結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)和分布，提出了南京市綠地格局的多尺度規(guī)劃方案［90］。李鋒和王如松［1］運(yùn)用社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論［91］，結(jié)合在北京［92］、濟(jì)寧［93］、揚(yáng)州［94-96］和珠海［97］等地的案例研究，分別從區(qū)域、城區(qū)和居住區(qū)等水平上系統(tǒng)評(píng)價(jià)和規(guī)劃了城市綠色空間的結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)了綠色空間格局的多尺度分析。此外，考慮到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)放性，Kong F H等［5］人提倡網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的多尺度性(如市區(qū)、市域、區(qū)域甚至更大尺度［98］)，強(qiáng)調(diào)連接城市外圍綠地斑塊的重要性。類似地，Zetterberg A等［29］人也認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)分析的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是能夠在不同尺度之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并分別在區(qū)域景觀、城市生態(tài)系統(tǒng)以及城市公園的水平上系統(tǒng)分析、優(yōu)化和設(shè)計(jì)了Stockholm地區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，為重要生境斑塊的修復(fù)和保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

2.3 城市綠色空間格局的定量研究與規(guī)劃的結(jié)合

綠色空間格局的定量研究不僅要揭示城市化過(guò)程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，還應(yīng)當(dāng)與規(guī)劃或政策相結(jié)合。首先，綠色空間的結(jié)構(gòu)與功能分析能夠?yàn)槌鞘芯G地系統(tǒng)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)［90，92，99］。例如，通過(guò)識(shí)別綠地斑塊分布的空間互補(bǔ)結(jié)構(gòu)(ELC-structures)［100］，或構(gòu)建立體空間綠化的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)［101-102］，能夠?yàn)槌鞘猩锒鄻有员Ｗo(hù)規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供參考。而綠色空間分布的土地適宜性評(píng)價(jià)則被廣泛應(yīng)用于城郊農(nóng)田保護(hù)規(guī)劃［23，103］、城市森林布局規(guī)劃［104-106］乃至城市土地利用的總體規(guī)劃［107-108］。其次，格局的定量研究也能夠評(píng)價(jià)規(guī)劃及政策實(shí)施的生態(tài)效益。規(guī)劃實(shí)施的潛在生態(tài)效益的評(píng)價(jià)策略可以是基于城市增長(zhǎng)模型的多情景分析，此類方法最大的優(yōu)勢(shì)是能夠模擬不同發(fā)展政策的綜合生態(tài)影響，用以輔助科學(xué)決策。多數(shù)情況下，開(kāi)敞空間(特別是耕地)的保護(hù)是評(píng)價(jià)綜合生態(tài)影響的重要指標(biāo)，而多情景分析的結(jié)果也都表明，雖然城市集約發(fā)展模式仍會(huì)導(dǎo)致耕地面積的減少，但城鄉(xiāng)擴(kuò)張的范圍以及景觀破碎化的程度均相對(duì)較低，從而肯定了各研究區(qū)在城市化過(guò)程中采取集約發(fā)展模式［109-111］。不過(guò)也有例外，Yang W R等［112］人使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬并比較了北京東部地區(qū)的城市發(fā)展格局，研究發(fā)現(xiàn)，雖然土地總量和結(jié)構(gòu)嚴(yán)格控制的剛性管理模式能夠最大限度的減少對(duì)城郊耕地的侵占，卻也極大限制了城市發(fā)展的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)福利。相反，基于土地生態(tài)功能的柔性管理模式卻產(chǎn)生了最大的復(fù)合生態(tài)效益。另一方面，通過(guò)直接比較規(guī)劃前后綠地空間分布的變化，結(jié)合規(guī)劃圖件，則能夠評(píng)價(jià)規(guī)劃實(shí)施之后的實(shí)際生態(tài)效益。此類研究結(jié)果大多肯定了諸如城市綠化運(yùn)動(dòng)、綠化政策以及綠地系統(tǒng)規(guī)劃對(duì)城郊耕地保護(hù)和城區(qū)草地面積恢復(fù)等多項(xiàng)生態(tài)效益［69，113-114］。例如，Zhang L Q和Wang H Z［33］、Kong F H等［5］人使用景觀指數(shù)分別比較了廈門島和濟(jì)南市區(qū)綠色空間格局的變化，發(fā)現(xiàn)盡管早期規(guī)劃中的綠地斑塊在一定程度上起到了“踏腳石”的作用，但是增加的廣場(chǎng)和道路綠化并沒(méi)有很好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而基于網(wǎng)絡(luò)情景分析的綠色空間規(guī)劃則顯著降低了綠地斑塊的破碎化程度，提高了網(wǎng)絡(luò)整體的連通性水平。

2.4 從城市綠色空間格局分析到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)(或景觀)特性、潛力與服務(wù)的概念框架(The EPPS conceptual framework)［115］，以及從景觀生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，辨識(shí)綠色空間的格局和過(guò)程是研究城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)。將格局分析應(yīng)用于功能評(píng)價(jià)的方法主要有兩類:基于多元統(tǒng)計(jì)分析的綠地功能評(píng)價(jià)通過(guò)在回歸模型中納入表征綠地格局的自變量以及其他控制變量，重點(diǎn)考察綠地格局變量偏回歸系數(shù)的符號(hào)和顯著性，雖然系數(shù)的大小也可用于估計(jì)綠地格局的變化對(duì)功能強(qiáng)弱的影響，但并不準(zhǔn)確。通常情況下，綠地格局的變化對(duì)功能作用方向(抑制、促進(jìn)或無(wú)顯著關(guān)系)的影響更具統(tǒng)計(jì)效力，也是此類方法力求得出的核心結(jié)論［52，57，81，83，116-127］。其中，納入模型的綠地格局指標(biāo)可以有多種形式，例如，Dadvand P等［128］人構(gòu)建的綠地分布指數(shù)包括了以住所附近100 m范圍內(nèi)NDVI指數(shù)的平均值表征的綠度水平，以及以500 m范圍內(nèi)大型綠地斑塊的有無(wú)作為測(cè)度的可達(dá)性水平。而用以表征社區(qū)水平上公園綠地空間可達(dá)性的指標(biāo)既可以是公園綠地的面積比或服務(wù)面積比，也可以是人均綠地?cái)?shù)量，以及到公園綠地的平均距離［84］。在模型選取上，邏輯斯蒂回歸模型和地理加權(quán)回歸模型較為常用，主要用于評(píng)價(jià)城市綠色空間格局的變化和規(guī)劃對(duì)改善水環(huán)境質(zhì)量［129］、控制城市用地?zé)o序擴(kuò)張［87，130］以及人群健康功能［131］的影響。

上述基于回歸模型的功能評(píng)價(jià)方法通常只考察城市綠色空間的某一項(xiàng)功能，且很少能夠揭示功能的空間分布特征。相反，綠地格局的空間顯示表征則有助于模擬綠地功能的空間分異和分級(jí)。一般說(shuō)來(lái)，綠地格局的空間顯示表征涉及空間指標(biāo)的量化，包括疊置分析、緩沖區(qū)分析以及格網(wǎng)分析等，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合采用泰森多邊形、網(wǎng)絡(luò)分析、回歸分析、模糊數(shù)學(xué)、整數(shù)規(guī)劃以及核密度分析和多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)等方法，既可以估算城市森林的生態(tài)效益［85］，或評(píng)價(jià)綠色空間的休閑與社會(huì)融合功能［99，132］，也能夠模擬研究區(qū)的潛在景觀質(zhì)量和景觀服務(wù)功能［133-136］，并確定景觀修復(fù)熱點(diǎn)區(qū)域的空間分布［16］，劃分不同地區(qū)的生態(tài)保護(hù)等級(jí)［3］，以及提出城市生態(tài)安全格局的空間優(yōu)化策略［137-138］。

3 結(jié)論和展望

城市綠色空間格局的定量研究以綠色空間數(shù)量和分布的時(shí)空動(dòng)態(tài)分析為基礎(chǔ)，重點(diǎn)考察城市化過(guò)程影響下綠色空間的破碎化或斑塊之間連通性的降低。城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分析主要應(yīng)用于城市生物多樣性的保護(hù)以及提供休閑服務(wù)功能的綠道網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。城市居住用地的發(fā)展不僅侵占了大量的城市綠地，居住用地與城市綠地的空間配置關(guān)系也成為綠色空間可達(dá)性分析的核心內(nèi)容。為深入探討城市化過(guò)程對(duì)局部區(qū)域上綠色空間數(shù)量和分布的影響機(jī)制，梯度分析方法已被廣泛應(yīng)用于城市綠地的格局和過(guò)程研究，并不斷完善城鄉(xiāng)土地利用的空間區(qū)劃方法，用以比較綠色空間沿城市化梯度的空間分異格局。近年來(lái)，城市綠色空間格局的定量研究在豐富和發(fā)展上述內(nèi)容與方法的同時(shí)，更加側(cè)重研究結(jié)果的空間顯式表征，同時(shí)考慮格局研究的尺度效應(yīng)，以及格局的定量研究與規(guī)劃的結(jié)合，并應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)。

城市綠色空間格局的變化是影響城市生態(tài)系統(tǒng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)功能的重要因素。城市化過(guò)程影響下城市綠色空間格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究為城市綠地網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與修復(fù)，以及城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)價(jià)和規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。因此，城市綠色空間格局的定量研究及其服務(wù)功能始終是城市生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

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