武漢市景觀格局演變及綠道優(yōu)化策略研究?

戴 菲 岳 峰 賈行飛 郭曉華，2

1 華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院 武漢 430074 2 長江大學園藝園林學院 湖北荊州 434025

武漢市景觀格局演變及綠道優(yōu)化策略研究?

戴 菲1岳 峰1賈行飛1郭曉華1，2

1 華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院 武漢 430074 2 長江大學園藝園林學院 湖北荊州 434025

文章以武漢市為研究對象，獲取1990—2015年25年間的遙感影像數(shù)據(jù)，基于Erdas以每5年為一個時間段進行遙感影像解譯；然后基于Fragstats對武漢市類型水平景觀格局指數(shù)進行研究，從景觀規(guī)劃設(shè)計角度進行綠道網(wǎng)縫補的景觀格局優(yōu)化策略探討，并基于ArcGIS以野生動物遷徙的費用距離值對優(yōu)化后的景觀格局進行定量化的驗證，為規(guī)劃設(shè)計角度的景觀格局演變研究及城鎮(zhèn)化空間布局研究提供參考。

景觀格局，優(yōu)化策略，綠道，景觀指數(shù)

2011年我國城鎮(zhèn)化率已與世界城鎮(zhèn)化率持平，2016年我國常住人口城鎮(zhèn)化率達到57.35%，戶籍人口城鎮(zhèn)化率為41.2%，超過世界城鎮(zhèn)化率平均水平，快速城鎮(zhèn)化對景觀格局帶來了巨大的沖擊，景觀格局的變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大影響，因此對景觀格局的演變解析以及提出優(yōu)化策略對保護生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化城鎮(zhèn)化格局具有重要意義。

國內(nèi)針對快速城鎮(zhèn)化的大都市區(qū)景觀格局研究，主要集中在土地利用格局演變[1]、城市生態(tài)空間數(shù)量變化[2]、城市景觀格局梯度分析[3]、城市景觀指數(shù)[4－5]及驅(qū)動力分析[6－7]，從規(guī)劃設(shè)計角度進行優(yōu)化策略的探討較少。陳剛[8]等分析了武漢市1991年以及2009年的土地利用及景觀格局的變化，熊宏濤[9]從武漢城市圈層面出發(fā)，探討分析了土地利用和景觀格局變化情況；劉艷芳[10]、王捍衛(wèi)[11]等也對武漢市做了類似的研究。從綜述中發(fā)現(xiàn)，研究國內(nèi)大城市景觀格局的文獻大多數(shù)只是對現(xiàn)狀時空格局演變的解譯分析，很少從景觀規(guī)劃設(shè)計角度進行優(yōu)化策略的探討，運用定量化手段進行野生動物遷徙模擬驗證景觀格局優(yōu)化的研究更少。因此本文以我國武漢市為研究對象，從景觀規(guī)劃設(shè)計角度進行景觀格局演變及其定量化的優(yōu)化策略研究，為規(guī)劃設(shè)計角度的景觀格局演變研究及城鎮(zhèn)化空間布局研究提供參考。

1 武漢景觀格局現(xiàn)狀

1.1 研究區(qū)域概況

武漢是國家中心城市、湖北省會，位于江漢平原東部，地形以平原為主，兼有少量低山丘陵以及崗地，全市低山、丘陵、壟崗平原與平坦平原的面積分別占5.8%，12.3%，42.6%和39.3%；長江、漢江穿城而過，市域湖泊166個；濕地資源豐富，截止2014年，濕地保護面積約37 224.21 km2[12]；自然植被以常綠闊葉、落葉闊葉混交林為主，馬尾松、杉木、櫟樹分布普遍；氣候冬冷夏熱，屬典型的亞熱帶季風氣候，1月平均氣溫最低為4.1℃，冬季長110 d，7月平均氣溫最高為29.2℃，夏季長達135 d，春秋兩季各約60 d；年降水量為1 050～1 200 mm，空氣濕度大，年無霜期240 d；生物資源豐富，其中糧食作物、經(jīng)濟作物、魚類資源和水生動物，分別達240，50，88和45種[9]。國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年武漢市GDP邁入中國城市“萬億GDP俱樂部”，居華中地區(qū)首位，15個副省級城市中位列第3；2015年武漢市GDP達11 000億元，連續(xù)兩年位列全國城市第8。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與分類

研究選取武漢行政區(qū)市域范圍 (8 594.6 km2)作為研究對象。根據(jù)景觀生態(tài)學的原理及國內(nèi)類似研究中景觀要素用地分類辦法，將用地類型分為農(nóng)田、森林、疏林草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、裸地6類。遙感數(shù)據(jù)來源于1990年9月、1995年6月、2000年9月、2005年9月、2010年5月和2015年4月共6期分辨率為30 m的Landsat遙感影像，時間跨度25年。然后在Erdas Imagine 2010軟件中對影像進行監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結(jié)合的方式進行解譯，并對解譯結(jié)果進行修正與校驗，kappa系數(shù)介于85.3%～91.5%，影像解譯達到研究要求，從而得到研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在ArcGIS中統(tǒng)計各景觀要素的面積 (圖1，表1)。

表1 武漢市域不同歷史時期景觀要素面積 km2

3 武漢景觀格局指數(shù)研究

3.1 類型水平的景觀格局指數(shù)選取

對用地類型特別是森林、濕地和草地等生態(tài)類用地進行景觀類型尺度的格局分析，可以更好把握區(qū)域景觀格局變化的總特點。本文景觀類型的研究共選取了14項景觀指數(shù)[13]，重點分析可以全面反映景觀格局演變的其中8項景觀指數(shù)[14]，基于世界各地的學者都在廣泛應(yīng)用的專門計算景觀格局指數(shù)的軟件Fragstats 4.0，對上述解譯的遙感影像數(shù)據(jù)進行進一步分析。

3.2 類型水平景觀格局演變分析

研究期內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增長703.2%，農(nóng)田面積減少8.3%，水域面積減少29.5%，森林面積增加24.2%，疏林草地減少31.1%，裸地面積減少55.5% (表1)，研究期內(nèi)農(nóng)田、水域、疏林草地、裸地主要向城鄉(xiāng)建設(shè)用地和森林轉(zhuǎn)化。

通過對類型水平景觀格局指數(shù)的解讀發(fā)現(xiàn)，研究期內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地類型斑塊面積和斑塊核心面積增加，斑塊的分散程度在降低，聚集程度不斷增加，城鄉(xiāng)建設(shè)用地形狀不規(guī)則程度和景觀形狀復雜度增加。

農(nóng)田演變方面，類型斑塊面積連續(xù)下降33.7%，下降幅度較大；核心面積連續(xù)減少，大斑塊破碎化，且離散分布程度持續(xù)增加，斑塊密度連續(xù)下降；景觀形狀不規(guī)則程度降低，斑塊之間聚集程度減弱，景觀破碎性增加。

圖1 武漢市域不同時期遙感影像解譯圖

水域類型斑塊面積整體下降，斑塊密度降低；斑塊核心總面積減少40%，斑塊核心面積占景觀面積比例減少44.6%，表明核心區(qū)域面積減少量較大；水域持續(xù)破碎化，且相互分散程度增大；水域形狀復雜程度降低，水域斑塊緊湊度下降。雖然水域面積在減少，但下降速度趨于緩慢，這有利于水域系統(tǒng)生態(tài)功能的自我恢復。

森林類型斑塊面積略有增加，斑塊密度增大，核心總面積及占比整體小幅上升，斑塊離散與分割情況都是先升后降，整體微升，離散程度整體降低，形狀復雜程度在增加，這對生物豐富度有重要意義，有利于生物多樣性的提高。

疏林草地類型斑塊面積和斑塊數(shù)量在減少，核心區(qū)域面積減少了6 201.75 hm2，減少率為18.1%，核心面積占景觀面積比減少率為6.5%，聚集程度與形狀復雜程度先升后降，總體在降低。

裸地類型斑塊面積變化波動較大，總體呈減少趨勢，裸地核心區(qū)域面積先減后增，整體呈下降趨勢；斑塊分散程度先降后升，斑塊數(shù)量先減后增，形狀復雜程度降低，斑塊聚集程度先降后升，但整體聚集緊湊程度高。

4 基于綠道網(wǎng)的景觀格局分析與優(yōu)化策略

綠道作為生態(tài)綠色廊道，有助于提高斑塊之間的連接度，可為野生動物遷徙提供活動通道，也是行人和非機動車的生態(tài)載體，具有生態(tài)、社會、經(jīng)濟等效能。目前國內(nèi)外綠道建設(shè)如火如荼，美國作為綠道理論的發(fā)源地，已經(jīng)規(guī)劃建設(shè)美國大陸和東海岸的綠道網(wǎng)；新加坡環(huán)島公園連接道將不同區(qū)域的休閑公園、開放綠色空間、濕地連接起來，形成環(huán)島健康綠色走廊；目前國內(nèi)很多城市已經(jīng)規(guī)劃建設(shè)了綠道，如珠三角地區(qū)在國內(nèi)較早開展了綠道規(guī)劃建設(shè)，將200多處公園、歷史文化風景區(qū)、濕地、郊野公園等串聯(lián)起來，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善具有重要作用。根據(jù) 《武漢市都市發(fā)展區(qū)綠地系統(tǒng)規(guī)劃 (2011—2020年)》 《武漢市主城區(qū)綠地系統(tǒng)規(guī)劃 (2011—2020年)》，規(guī)劃期末武漢市主城區(qū)人均城市公園綠地面積達16.8 m2/人，高于國家生態(tài)園林城市人均10 m2/人的標準。狹義綠道建設(shè)方面，目前已建設(shè)東沙綠道、墨水湖綠道等城市綠道和獅子山綠道等社區(qū)綠道，但城區(qū)、社區(qū)綠道仍不完善，區(qū)域綠道建設(shè)仍滯后，綠道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有待建設(shè)完善。

4.1 基于綠道規(guī)劃的優(yōu)化策略

4.1.1 根據(jù)綠道類型的優(yōu)化策略

綠道寬度的大小決定了其生態(tài)效能的大小[15]，一般綠道寬度越大，其生態(tài)效能越好，但現(xiàn)實綠道寬度往往受多種因素制約。本文綠道類型及寬度基于2016年住建部頒布的 《綠道規(guī)劃設(shè)計導則》，并結(jié)合武漢市實際來確定。從而將武漢市綠道分為:市域綠道、城市綠道和社區(qū)綠道，其中市域綠道布置在主城區(qū)外圍，綠廊控制寬度不小于110 m，主線慢行道寬度不小于4.2 m，支線不小于2.5 m；城市綠道布置在主城區(qū)，綠廊控制寬度不小于35 m，以環(huán)城及濱江綠道為骨架，慢行道寬度不小于6.5 m，可作為自行車賽道，其他慢行道寬度不小于3 m；社區(qū)綠道綠廊控制寬度為18m，慢行道寬度不低于2.5 m。

4.1.2 根據(jù)綠道密度的優(yōu)化策略

目前武漢綠道生態(tài)評價等級為Ⅱ級，綠道密度較低是其評級較低的原因之一[16]。近年武漢市景觀格局發(fā)生了巨大變化，生態(tài)斑塊連接性降低?！段錆h市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃 (2003—2020年)》規(guī)劃主城區(qū)綠化覆蓋率到2020年達45%，綠地率達35%以上，規(guī)劃建設(shè)全市性公園32個，區(qū)域性公園50個，按照規(guī)劃，武漢綠道密度可達0.81 km/km2，但是綠道密度還是偏低，需要提高綠道密度以增加連接度，優(yōu)化景觀格局。

4.1.3 提高交通可達性

步行到附近最近的綠道花費時間10 min內(nèi)，為合理的綠道可達性[17]。研究表明綠道可達性程度對綠道的使用頻率和停留時間呈正相關(guān)。根據(jù)美國巴爾的摩市 “TCB”綠道可達性研究結(jié)果， “活動種類”“使用時間”“使用頻率”與綠道可達性有密切關(guān)系，在合理的綠道可達性范圍內(nèi)，活動種類中的慢跑者所占比例較高，單次使用時間30 min左右，60%以上的人每周使用綠道頻次1次之上[18]。當前武漢市綠道的可達性仍有待提高，可達性的提高也會促進連接度的增加，有利于景觀格局優(yōu)化，改善生態(tài)環(huán)境。

4.2 綠道網(wǎng)縫補的景觀格局優(yōu)化分析

4.2.1 典型斑塊的選取

根據(jù)遙感影像解譯，武漢市林地資源主要分布在北部和東部，水資源主要分布在中部和南部 (圖1)。選取方法主要是將解譯后的遙感影像，在ArcGIS中矢量化處理并導出CAD文件，然后以單位柵格中疏林草地、森林、水體等因子面積頻率最小為原則，同時考慮研究區(qū)的面積、地形數(shù)據(jù)的精度、地貌組合環(huán)境等因素[19]，最終選擇3 000 m×3 000 m柵格網(wǎng)，得到46×53個網(wǎng)格，然后根據(jù)網(wǎng)格覆蓋面積的不同來選取斑塊，如果斑塊面積超過了柵格網(wǎng)的覆蓋范圍，就將該區(qū)域的斑塊作為典型斑塊 (圖2)。

圖2 疏林草地、森林和水體斑塊面積分類

4.2.2 綠道網(wǎng)縫補的景觀格局優(yōu)化策略

根據(jù)影像解譯分析及典型斑塊的選取，筆者將綠道規(guī)劃結(jié)構(gòu)定為 “一心、六楔、十帶”(圖3)。 “一心”指主城區(qū)綠道核心區(qū)域，主要將主城區(qū)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施要素連接起來；“六楔”主要位于主城區(qū)向其他新城區(qū)的過渡區(qū)域，以武漢市六大生態(tài)綠楔為基底，將生態(tài)綠楔涵蓋的自然資源串聯(lián)起來； “十帶”主要連接武漢新城、郊野公園及城市周邊風景區(qū)。規(guī)劃綠道全長2 200 km，其中城市綠道465 km；郊野綠道1 735 km，其中主線430 km，支線1 305 km。

然后將規(guī)劃的綠道網(wǎng)絡(luò)疊加到整體景觀用地類型，在ArcGIS中轉(zhuǎn)成柵格格式后，導入Fragstats4.0中計算景觀指數(shù) (表2)，選取可完整解析格局變化的8項指標與綠道網(wǎng)絡(luò)縫補前的景觀指數(shù)進行對比，首先，形狀指數(shù)、形狀指數(shù)加權(quán)平均分布指數(shù)是對單個或者多個斑塊數(shù)量、形狀的計算，有無疊加綠道網(wǎng)絡(luò)，對斑塊位置和形狀沒有太大影響，因此不做分析。對比分析發(fā)現(xiàn)，景觀分割指數(shù)減少了0.08，臨近指數(shù)加權(quán)分布CONTIG_AM增加了0.05，聚集度指數(shù)增加了7.38%，香濃多樣性SHDI與香濃均勻性SHEI增加了0.01，景觀連接度CONNECT增加了0.03，這說明疊加了綠道網(wǎng)絡(luò)后，斑塊連接度提高。

表2 有無綠道網(wǎng)絡(luò)景觀格局指數(shù)對比

圖3 武漢市綠道規(guī)劃圖 (2012—2021年)

4.2.3 綠道縫補后野生動物遷徙模擬研究

野生動物遷徙的難易程度可以反映斑塊連接度高低。本次研究運用ArcGIS的Spatial analyst工具中的成本距離分析，對比綠道網(wǎng)疊加前后的野生鳥類飛行的費用距離值作為評估標準。沒有疊加綠道網(wǎng)絡(luò)的成本費用距離公式為 C1＋2＝ aC1＋bC2，C1＋2表示所需的總費用，C1表示野生鳥類飛行需克服不同用地類型的費用；C2表示野生鳥類飛行需要克服人類干擾的費用，這里用距離建設(shè)用地緩沖區(qū)的長度來表示 (表3)；a，b是阻力系數(shù)，表示物種個體穿過特殊景觀單元的意愿或?qū)坝^單元的適宜度，分別取0.4、0.6[20]。疊加綠道網(wǎng)絡(luò)成本費用距離公式也為 C1＋2＝aC1＋bC2(表 4)， C1＋2表示克服不同因子所需的總成本，C1表示克服不同用地類型所需要的成本；C2表示通過不同長度的綠道及緩沖區(qū)所產(chǎn)生的成本，a，b分別取值0.35、0.65[20]。

表3 未疊加綠道克服不同因子所需成本取值

表4 疊加綠道網(wǎng)絡(luò)后克服不同因子所需成本取值

綠道縫補后，隨著連接度增加，雖然費用面較低的區(qū)域仍然集中在森林和疏林草地，但在中心城區(qū)的區(qū)域出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)狀的低費用面 (圖4)，并且野生鳥類飛行需克服不同因子的最大成本值降低了42.71%，平均值降低了21.94%，可見綠道網(wǎng)絡(luò)能明顯改善景觀格局的連通度。

圖4 是否疊加綠道所需成本對比圖

5 結(jié)論與討論

研究期內(nèi)類型水平上建設(shè)用地、森林類型斑塊面積和斑塊核心面積增加，斑塊的分散程度降低，聚集程度和形狀不規(guī)則程度增加，離散程度整體降低；農(nóng)田、水域、疏林草地、裸地類型斑塊面積及占比減少，核心面積減少，斑塊破碎化，且離散分布程度增加，斑塊密度下降，景觀形狀不規(guī)則程度降低。主要是因為城鄉(xiāng)建設(shè)用地等的增加，侵蝕分割了其他用地類型，導致用地斑塊更加分散，連接廊道的距離增加，可見城鎮(zhèn)化對景觀格局演變影響巨大。

通過從景觀規(guī)劃設(shè)計角度對武漢市進行綠道網(wǎng)縫補的景觀格局優(yōu)化策略探討，并基于ArcGIS以野生動物遷徙的費用距離值對優(yōu)化后的景觀格局進行定量化的驗證，希望可以為規(guī)劃設(shè)計角度的景觀格局演變研究及城鎮(zhèn)化空間布局研究提供一些參考價值。

隨著科技的進步，高精度的遙感影像的獲取將更便捷，分析軟件將更智能、合理，3S技術(shù)在景觀格局演變研究中的應(yīng)用將更加廣泛，未來對景觀格局的長期時空演變的研究將更加深入、全面，同時結(jié)合多維度、跨學科 (更準確來講應(yīng)該是跟學科)，構(gòu)建較優(yōu)景觀格局也是熱點研究方向。

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A Study of Landscape Pattern Evolution and Greenway Optimization Strategy in Wuhan City

Dai Fei1Yue Feng1Jia Xingfei Guo Xiaohua1，2
(1.College of Architecture and Urban Planning， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China；2.College of Horticulture and Gardening， Yangtze University， Jingzhou 434025， Hubei， China)

China is now in the rapid process of urbanization and unavoidably faces the huge pressure on environmental protection.With Wuhan City as the study object， the paper obtains the remote sensing image data from 1990 to 2015，and interpret remote sensing images every five years using Erda.Then，it made a study of the landscape pattern metrics of type-level based on Fragstats，and discussed the landscape pattern optimization strategy for greenway network integration from the perspective of landscape planning and design.And the optimized landscape pattern was quantitatively verified using ArcGIS based on the distance value of the wildlife migration.This paper provides a reference for the study of landscape pattern evolution from the perspective of planning and design as well as for the research on spatial layout of urbanization.

landscape pattern， optimization strategy， greenway， landscape metric

10.3969/j.issn.1672－4925.2017.06.004

2017－07－02

國家自然科學基金面上項目 “消減顆粒物空氣污染的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施多尺度模擬與實測研究”(51778254)；國家自然科學基金重點項目 “城市形態(tài)與城市微氣候耦合機理與控制”(50908092)；國家社會科學基金藝術(shù)學項目 “城鎮(zhèn)化進程中的新疆綠洲型歷史文化村鎮(zhèn)景觀風貌保護與發(fā)展研究”(14CG126)

戴菲 (1974－)，女，教授、博士、副系主任，研究方向為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃、規(guī)劃設(shè)計學研究方法，E－mail:58801365＠qq.com

岳峰 (1988－)，男，博士，研究方向為風景園林規(guī)劃理論與技術(shù)應(yīng)用，E－mail:yuefengcn＠163.com