武漢市道路網(wǎng)絡結構及變化特征的景觀格局效應

摘要：以武漢市為例，將GIS技術、網(wǎng)絡結構分析、景觀格局效應和相關性分析方法相結合，研究道路網(wǎng)絡結構及變化特征景觀效應。在隨機選取80個研究單元的基礎上，對比分析2006、2012年武漢市道路網(wǎng)絡結構特征以及2006 — 2012年道路網(wǎng)絡結構變化特征的相關關系、道路網(wǎng)絡結構特征的整體及類型層次的景觀格局效應。結果表明，2006 — 2012年武漢市道路建設導致道路網(wǎng)絡節(jié)點、廊道數(shù)量增加，道路網(wǎng)絡結構復雜，α指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù)相互之間的相關性較高，均可用來描述道路網(wǎng)絡結構特征和發(fā)展水平；2006年武漢市道路網(wǎng)絡格局特征對景觀整體格局約束性影響不顯著，但2012年武漢市道路密度與斑塊密度（PD）、多樣性指數(shù)（SHDI）等指數(shù)顯著相關；同時在類型層面上，道路對建設用地顯示出空間集聚吸引，對耕地、草地、水系地類邊緣景觀格局碎裂特征作用明顯。

關鍵詞：道路網(wǎng)絡；網(wǎng)絡結構分析；景觀格局特征；武漢市

中圖分類號：F293.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）03-0678-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.033

Abstract： Wuhan city was chosen to study the road network structures and the landscape ecological effects with GIS technology， network structure analysis， landscape ecological pattern analysis， and the correlation analysis. By randomly selecting eighty study units， the road network structures in 2006 and 2012， the correlation of the road network features between 2006 and 2012 were discussed. The result showed that， the road network has become more complex with the increasing number of the nodes and corridors， and the network structure indices can describe the proper characteristics of the road network. Instead of not significant correlation at land scale in 2006， the road density performed significantly related with landscape metrics such as PD，SHDI. Whereas it indicated significant correlation between the road network of Wuhan and the landscape pattern at class scale. For example road network had a spatial agglomeration attract to construction land and led to the distinct landscape fragmentation patterns of the cultivated land， grassland and water.

Key words：road network；network structure analysis；landscape pattern feature；Wuhan city

道路生態(tài)影響研究是景觀生態(tài)學研究的重要范疇，起初集中于生態(tài)環(huán)境干擾等方面，包括道路周圍植被、野生動物遷徙行為以及道路對周圍環(huán)境外部性影響[1-4]。隨著GIS技術的發(fā)展，遙感技術的應用以及土地利用、土地覆蓋變化（LUCC）等研究的深入，區(qū)域以及道路景觀生態(tài)成為20世紀80年代的研究熱點[5，6]。20世紀90年代以來，道路生態(tài)研究逐漸側重于道路景觀格局與土地利用效應，即道路景觀效應分析[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)道路生態(tài)影響過程分為直接影響和間接影響[10]，表現(xiàn)為道路修建直接引起景觀破碎化，改變景觀格局，增加邊緣比例等影響生態(tài)系統(tǒng)[11]；同時道路可能誘導人口等產(chǎn)生集聚效應，形成新的城市形態(tài)，間接改變土地利用格局，對生態(tài)網(wǎng)絡產(chǎn)生較大影響[12]。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，道路作為干擾體，影響范圍大，因素較多且預測存在困難[10]，道路具有明顯的網(wǎng)絡結構特征[13，14]，目前已有研究考慮運用網(wǎng)絡分析手段[15，16]，結合景觀生態(tài)研究道路網(wǎng)絡特征景觀生態(tài)效應[17-19]。

總結國內(nèi)外道路網(wǎng)絡生態(tài)研究成果發(fā)現(xiàn)，相關研究多注重于景觀生態(tài)性研究，側重于自然、半自然景觀效應[20，21]，而城市化地區(qū)的相關研究多從道路密度等特征出發(fā)分析道路的景觀效應[22-24]，較少從多時期、長時間段定量探討景觀指數(shù)與道路網(wǎng)絡兩者之間的相關關系及變化特征。為此，以武漢市為例，結合GIS技術、遙感技術、網(wǎng)絡結構分析及相關性分析方法，在合理選取空間研究單元的基礎上，利用2006年、2012年道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，研究道路網(wǎng)絡結構及變化特征的景觀格局效應，對道路生態(tài)研究提供案例研究積累，對于合理規(guī)劃道路網(wǎng)絡、新城鎮(zhèn)化建設、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要意義[16，25，26]。

1 研究區(qū)概況

武漢市（113°41′E-115°05′E，29°58′N-31°22′N）地處長江中下游，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛、日照充足、四季分明，市轄13個行政區(qū)，總面積8 494.41 km2，占湖北省總面積的4.6%。

武漢地處中國腹地中心，江漢平原東部，是承東啟西、接南轉北的國家經(jīng)濟地理中心，歷來被稱為九省通衢之地。武漢市作為中部六省的政治、經(jīng)濟、科技、商業(yè)、貿(mào)易、金融和文化中心，被國家交通部定位為國際航運中心，是國家綜合交通樞紐城市。21世紀以來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程的加快，武漢市作為長江中游城市群中心城市，其道路交通網(wǎng)絡與土地利用景觀變化在長江中游地區(qū)具有一定的代表性。

自武漢三鎮(zhèn)合并以來，武漢市以13個行政單元作為社會經(jīng)濟發(fā)展的基本構架。2006年以來，隨著軌道交通線路的建設、繞城高速及高架橋的落成，武漢市形成了高速發(fā)展且相對完善的交通系統(tǒng)，引發(fā)了景觀生態(tài)格局的改變?？紤]后續(xù)將通過相關性分析方法研究武漢市交通網(wǎng)絡變化的景觀生態(tài)效應，本次研究選擇武漢市1∶1萬3期空間矢量數(shù)據(jù)為基礎，以武漢市2期道路矢量數(shù)據(jù)為參考，在Arcgis10.1環(huán)境中，將研究區(qū)域劃分為5 km×5 km的網(wǎng)格，隨機選取80個網(wǎng)格作為研究單元。對照道路變化情況，將研究單元分為2類，第一類（24個）：該研究單元2006 — 2012年時間段內(nèi)道路未改變；第二類（56個）：該研究單元2006 — 2012年時間段內(nèi)道路改變。具體見圖1。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來源于SPOT5、SPOT6遙感數(shù)據(jù)，圖像質(zhì)量良好。經(jīng)過Envi 4.8對遙感影像進行幾何精校正、圖像配準等預處理之后，目視解譯出2006年和2012年2個時期武漢市交通道路數(shù)據(jù)。在ArcGIS環(huán)境中，將2期道路數(shù)據(jù)疊置分析，分別標示出2006 — 2012年研究區(qū)域道路變化情況。對比2006、2012年武漢市道路網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)，7年內(nèi)武漢市道路網(wǎng)絡變化明顯，道路增長較快，多沿南北方向、東北-西南方向延伸，由武漢市主城區(qū)向江夏、漢南、蔡甸、新洲等行政區(qū)新增道路明顯。其他空間數(shù)據(jù)包括研究區(qū)域同時間段（2006年和2012年）的1∶1萬矢量數(shù)據(jù)。參照中國土地利用分類的方法，結合實際，將武漢市景觀類型分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、水系、其他7大地類。

2.2 研究方法

2.2.1 道路網(wǎng)絡結構特征分析 考慮地鐵網(wǎng)絡、鐵路網(wǎng)絡受復雜、大尺度因素影響，僅針對武漢市公路交通網(wǎng)絡，分析道路網(wǎng)絡數(shù)量特征和格局特征。

1）道路網(wǎng)絡數(shù)量特征。道路網(wǎng)絡數(shù)量特征指標采用節(jié)點數(shù)量e和廊道數(shù)量v兩個指標，依據(jù)武漢市研究單元土地利用數(shù)據(jù)，通過ArcGIS統(tǒng)計直接得出結果。

2）道路網(wǎng)絡結構特征。道路格局特征指標選擇網(wǎng)絡閉合度（α指數(shù)，用來描述網(wǎng)絡中回路出現(xiàn)的程度）、線點率（β指數(shù)，指網(wǎng)絡中每個節(jié)點的平均連線數(shù)）、網(wǎng)絡連接度（γ指數(shù)，用來描述網(wǎng)絡中所有節(jié)點被連接的程度）3種格局指數(shù)進行道路網(wǎng)絡結構特征描述[2，3]。

α指數(shù)：網(wǎng)絡中實際回路數(shù)與可能存在的最大回路比率，反映網(wǎng)絡回路性，介于[0，1]之間。α=0，意味著網(wǎng)絡不存在回路；α=1，說明網(wǎng)絡回路已達上限。

式中，e為連線（邊或弧）數(shù)目；v為節(jié)點（頂點）數(shù)目；p為網(wǎng)絡中互不連接的子圖數(shù)目。

β指數(shù)：度量網(wǎng)絡復雜程度，即網(wǎng)絡內(nèi)結點平均連線數(shù)目。β數(shù)值范圍為[0，3]，β值越大網(wǎng)絡越復雜。

γ指數(shù)：測度網(wǎng)絡連通性，實際即網(wǎng)絡內(nèi)連線實際數(shù)目與可能最大數(shù)目比率，衡量網(wǎng)絡的發(fā)育水平。γ數(shù)值范圍為[0，1]，γ值越大連通性越好；γ=1表示網(wǎng)絡最大連接狀態(tài)；γ=0表示網(wǎng)絡無連線。

2.2.2 景觀指數(shù)選取及格局效應分析 隨著城市化進程的加快，道路建設變化導致空間集聚，推進建設用地擴張，影響景觀結構根本性變化；同時道路可能吸引特定地類沿道路分布，從而引起土地利用和景觀格局變化。許多學者都曾在不同研究區(qū)域、尺度上，選擇常用景觀指數(shù)統(tǒng)計方法探索景觀格局特征[27-29]，對比景觀格局特征與道路網(wǎng)絡的內(nèi)在聯(lián)系。

本研究在土地利用柵格數(shù)據(jù)基礎上，利用ArcGIS10.1、Fragstats 4.2將研究單元矢量數(shù)據(jù)轉為Raster，計算研究單元的景觀指數(shù)，參考道路變化數(shù)據(jù)，考慮斑塊類型水平、景觀水平，選擇常用景觀格局指數(shù)，從不同方面描述區(qū)域景觀格局特征。即度量景觀斑塊面積、形狀復雜度指數(shù)PD、LSI；度量景觀優(yōu)勢度的指數(shù)LPI；度量景觀結構的聚集、散布指數(shù)AI、IJI、DIVISION；度量景觀多樣性的指數(shù)SHDI；度量景觀連通性的指數(shù)COHESION等，選擇的具體景觀指數(shù)見表1。計算研究單元景觀指數(shù)結果，Y=log（X+1）標準化[30]處理后，與同標準化的道路網(wǎng)絡格局指數(shù)在SPSS2 1.0里進行統(tǒng)計分析和相關性分析，從景觀層面（L）和類型層面（C）兩方面研究道路網(wǎng)對景觀格局影響效應。

3 結果與分析

3.1 道路網(wǎng)絡結構特征的相關關系

3.1.1 2006、2012年道路網(wǎng)絡結構特征分析 2006、2012年武漢市道路網(wǎng)絡特征的相關性分析結果如表2、表3。結果表明，道路網(wǎng)絡因子之間顯著相關，其中數(shù)量特征的3個指標：即道路密度、節(jié)點數(shù)目和廊道數(shù)目顯著正相關；格局特征的3個指數(shù)之間也顯著正相關，意味著在隨機選擇的研究單元中，隨著武漢市道路網(wǎng)絡發(fā)展，道路密度增長，節(jié)點、廊道數(shù)目隨之增加；而α指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù)相互之間的相關性較高，表示3個網(wǎng)絡格局指數(shù)都可代表研究單元的道路網(wǎng)絡結構特征，描述道路網(wǎng)絡的發(fā)展水平。對比2006、2012年道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2012年道路網(wǎng)絡β指數(shù)與道路密度、節(jié)點數(shù)目均呈顯著正相關，說明隨著道路的發(fā)展，武漢道路網(wǎng)絡節(jié)點、廊道數(shù)量增加，道路密度增大，導致道路網(wǎng)絡更加復雜，β指數(shù)增加。

3.1.2 2006 — 2012年道路網(wǎng)絡變化景觀特征 監(jiān)測2006 ～ 2012年武漢市道路網(wǎng)絡特征，分析56個道路變化的研究區(qū)發(fā)現(xiàn)（表4），2006 — 2012年道路網(wǎng)絡各項指標的變化顯著正相關，且相關性指數(shù)值較大，可能是隨著城市的發(fā)展，武漢市道路變化劇烈，道路網(wǎng)絡更加復雜，節(jié)點、廊道等數(shù)量指標增大，道路密度增加，網(wǎng)絡指標（α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)）也隨之正相關變化。

3.2 道路網(wǎng)絡結構特征景觀格局效應

3.2.1 道路網(wǎng)絡結構特征的整體景觀格局效應分析 對比2006、2012年道路網(wǎng)絡結構指數(shù)與景觀整體格局指數(shù)關系，分析道路網(wǎng)絡的景觀整體結構特征，結果如表5、表6所示。結果顯示，2006年道路網(wǎng)絡結構特征（α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)）與篩選的景觀指數(shù)無顯著相關性，表明道路網(wǎng)絡發(fā)育程度與景觀斑塊密度、形狀變化、聚集程度、斑塊間散布特征等特征未表現(xiàn)出相關關系，可能由于武漢市道路核心部分主要分布于主城區(qū)，主城區(qū)建設用地密集，而耕地、林地、園地等大部分位于主城區(qū)外，多位于生態(tài)控制區(qū)域，且武漢市位于長江下游，湖泊散布，導致武漢市整個景觀格局存在“二元性”，而整體景觀格局效應計算了不同地類景觀格局指數(shù)，因此2006年武漢道路網(wǎng)絡結構特征的整體景觀格局并未顯現(xiàn)出顯著相關性。但2012年武漢市道路密度表現(xiàn)出與PD、SHDI、AI顯著相關，可能由于武漢市2006 — 2012年高等級城市道路增長明顯，導致道路密度增大，分割周圍景觀斑塊，景觀多樣性指數(shù)增加，整體景觀斑塊密度增大。

2006 — 2012年武漢市道路網(wǎng)絡變化對景觀格局變化影響結果如圖2。增加道路網(wǎng)絡特征指數(shù)（α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)），2006 — 2012年道路變化與景觀指數(shù)變化的相關性檢驗結果見表7。結果顯示，道路密度變化與景觀指數(shù)變化均存在相關性，與PD、LSI變化呈顯著負相關，與AI變化呈顯著正相關，且擬合曲線均為直線，因此判斷道路密度變化與景觀指數(shù)變化之間可以表征為一元線性相關，即隨著武漢市道路的發(fā)展，研究區(qū)道路密度增大，整體景觀斑塊密度變化速度對比道路密度增長而言較緩、景觀形狀指數(shù)變化對比道路密度增長不明顯，鄰近景觀聚集度變化較為劇烈。

α指數(shù)、γ指數(shù)的變化也與景觀斑塊密度呈正相關（表7），即各研究區(qū)隨著道路網(wǎng)絡的趨復雜化，網(wǎng)絡回路率、連通性增大，整體景觀PD增長迅速。由此可見，2006 — 2012年武漢市道路網(wǎng)絡發(fā)展較快，道路密度增長迅速，道路網(wǎng)絡結構特征的變化與部分景觀格局指數(shù)變化顯著相關。

3.2.2 道路網(wǎng)絡結構特征的類型景觀格局效應分析 類型層面上，道路網(wǎng)絡格局指數(shù)與林地、園地、草地、水系的所有格局指數(shù)之間均未表現(xiàn)出顯著相關（表8），說明2006年林地、園地、草地、水系的數(shù)量和空間配置與道路網(wǎng)絡格局無顯著相關性特征。2006年耕地的景觀斑塊凝聚度（COHESION）與道路網(wǎng)絡格局α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)均呈顯著負相關，最大斑塊指數(shù)（LPI）與α指數(shù)、γ指數(shù)呈顯著負相關，意味著道路網(wǎng)絡發(fā)育水平顯著影響耕地，隨著道路網(wǎng)絡發(fā)展，網(wǎng)絡回路和連通度逐漸增加，耕地景觀受道路影響，表現(xiàn)為景觀特征更破碎、最大斑塊顯著變小。

2012年耕地、草地的總邊緣對比度（TECI）與道路網(wǎng)絡格局特征顯著正相關（表9），可能原因是隨著道路網(wǎng)絡建設導致景觀碎裂化效應顯著，特別是在自然區(qū)域耕地、草地上，道路建設導致土地開發(fā)活動，人為干擾劇烈，地類邊緣景觀格局碎裂化。2012年水系用地的斑塊占景觀比例指數(shù)（PLAND）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、有效粒度尺度指數(shù)（MESH）與道路網(wǎng)絡網(wǎng)絡格局α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)均呈顯著負相關，可能由于道路網(wǎng)絡發(fā)展改變了徑流格局和集水區(qū)域，導致水域景觀破碎化程度更劇烈。

對比表8、表9發(fā)現(xiàn)，2006、2012年建設用地道路網(wǎng)絡格局特征呈現(xiàn)出與斑塊占景觀比例指數(shù)（PLAND）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊凝聚度指數(shù)（COHESION）、有效粒度尺度指數(shù)（MESH）等景觀格局指數(shù)顯著正相關，甚至2012年建設用地景觀分裂指數(shù)（DIVISION）也與道路網(wǎng)絡格局β指數(shù)呈顯著正相關，可能原因是道路網(wǎng)絡隨著時間推移，復雜度增加，道路網(wǎng)絡對建設用地產(chǎn)生空間吸引，影響景觀分布；同時隨著城市的發(fā)展，建設用地的擴張也受到道路景觀環(huán)境條件約束。

對比2006 — 2012年武漢市景觀指數(shù)變化與道路網(wǎng)絡指標變化進行相關性分析（表10），發(fā)現(xiàn)園地景觀的散布并列指數(shù)（IJI）與道路網(wǎng)絡格局呈顯著正相關，表明隨著道路的網(wǎng)絡發(fā)展，道路連通性、復雜度增大，園地的散布并列指數(shù)也增大，可能由于園地變化受道路發(fā)展的分割、干擾所致。

4 小結

武漢市城市交通的發(fā)展對中國中部地區(qū)城市擴張、土地利用空間布局、土地開發(fā)和評價有重要影響，研究其影響規(guī)律，對國內(nèi)同類城市有重要借鑒。本文運用了GIS技術，將道路網(wǎng)絡與景觀指數(shù)相結合，針對武漢特定城市，選用道路網(wǎng)絡密度、道路結構指數(shù)、景觀指數(shù)等指標，揭示了2006 — 2012年武漢市道路網(wǎng)絡變化與景觀生態(tài)效應關系，為城市空間形態(tài)參考提供研究新方法，為城市規(guī)劃提供決策參考。

1）武漢市道路密度、節(jié)點數(shù)目和廊道數(shù)目顯著正相關；道路網(wǎng)絡結構特征：α指數(shù)、β指數(shù)和γ指數(shù)相互之間的相關性較高，表示3個網(wǎng)絡格局指數(shù)可用來描述道路網(wǎng)絡結構特征和發(fā)展水平。

2）武漢市2006、2012年道路網(wǎng)絡β指數(shù)與道路密度、節(jié)點數(shù)目均呈顯著正相關，說明隨著道路建設的發(fā)展，武漢道路網(wǎng)絡節(jié)點、廊道數(shù)量增加，道路密度增大，導致道路網(wǎng)絡格局β指數(shù)也隨之變化明顯。2006 — 2012年，道路網(wǎng)絡各項指標的變化顯著正相關，且相關性指數(shù)值較大，可能由于隨著武漢市2006 — 2012年的發(fā)展，武漢市道路變化劇烈，道路網(wǎng)絡更加復雜，節(jié)點、廊道等數(shù)量指標增大，道路密度增加，網(wǎng)絡指標（α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)）也隨之正相關變化。

3）2012年武漢市建設用地密度與節(jié)點密度、廊道密度、道路密度相關性較顯著說明隨著城市化水平加快，武漢市道路網(wǎng)絡結構也受到影響；隨著建設用地開發(fā)強度增加，建設用地密度增大，α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)也略有增加，道路網(wǎng)絡結構趨于復雜。

4）武漢市的道路網(wǎng)絡格局特征對景觀整體格局沒有顯著的約束性，但在類型層面上，對建設用地顯示出空間集聚吸引，對耕地、草地、水系地類邊緣景觀格局碎裂特征明顯。

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