首都中小型高校景觀格局研究

辛鐘齡，謝苗苗

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

1 引言

隨著城市化的快速推進(jìn)，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的壓力不斷增大，生態(tài)問題日益突出，城市生態(tài)環(huán)境成為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素?；诖耍鷳B(tài)學(xué)從研究森林、農(nóng)村走向研究城市，城市生態(tài)系統(tǒng)研究已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)研究的主流領(lǐng)域之一[1]。北京市作為首都，是全國的行政、文化和教育中心，具有很高的人口聚集度。因此，如何發(fā)揮行政、文化和教育用地的多功能性，有效地維護(hù)和恢復(fù)城市的生態(tài)系統(tǒng)功能，成為解決城市生態(tài)問題的關(guān)鍵所在。

從景觀生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，城市生態(tài)系統(tǒng)是高密度的人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾下形成的各種景觀類型斑塊的混合鑲嵌體[2]。高校建設(shè)是一項(xiàng)重要的人類活動(dòng)，建成后的校園和城市存在密不可分的關(guān)系。由于教育自身發(fā)展要求，校園逐漸從封閉走向開放，同時(shí)，高校內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)、科研、教育和旅游具有強(qiáng)大的滲透到城市中的能力，使校園和城市不斷融合。相關(guān)文獻(xiàn)提出:大學(xué)校園作為一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)，具有保護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)多樣性的功能，可提高生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性，有利于城市可持續(xù)發(fā)展[3]。

景觀格局是對(duì)景觀的空間結(jié)構(gòu)和特征的高度概括[4]，直接影響其發(fā)揮的生態(tài)效益和提供的生態(tài)服務(wù)，景觀格局與生態(tài)過程的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)的關(guān)鍵論題[5]。大學(xué)校園作為一個(gè)相對(duì)隔離的特殊生態(tài)系統(tǒng)，景觀元素較為豐富，因此，景觀生態(tài)學(xué)完全可以在校園水平上作進(jìn)一步的拓展，用其理論評(píng)價(jià)校園生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量。

校園景觀格局對(duì)于城市生態(tài)系統(tǒng)有重要影響，其中大型綜合類院校(如北京大學(xué)、清華大學(xué))具有較大面積，歷史悠久，校園綠化用地充足，而中小型高校存在校園建設(shè)與校園綠化之間的矛盾，因此研究小尺度下的高校景觀對(duì)于改善首都生態(tài)狀況具有一定意義。本文以三所首都中小型高校：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)(以下簡稱地大)、北京語言大學(xué)(以下簡稱北語)、北京林業(yè)大學(xué)(以下簡稱北林)為研究對(duì)象，旨在通過對(duì)校園內(nèi)景觀格局分析，評(píng)價(jià)校園景觀布局的合理性，通過調(diào)整校園景觀格局達(dá)到改善城市生態(tài)環(huán)境的目的，為首都中小型高校生態(tài)建設(shè)提供借鑒。

2 研究方法

數(shù)據(jù)來自2017年度比例尺為1：3458的百度地圖衛(wèi)星影像，分辨率達(dá)到0.91 m。將獲取的原始地圖導(dǎo)入ArcMap10.3中，轉(zhuǎn)換為Shape文件，然后設(shè)定坐標(biāo)系和投影，本文采用WGS84坐標(biāo)系，選取WGS 1984 UTM Zone49N投影坐標(biāo)系。

在對(duì)地大、北林、北語三所學(xué)校進(jìn)行實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，確定實(shí)地景觀類型，按照景觀分類進(jìn)行圖層矢量化和圖形編輯，分別得到校區(qū)景觀空間格局分布情況(圖 1、圖 2、圖 3)。在景觀格局指數(shù)分析軟件Fragstats3.3軟件的支持下,從破碎化程度、景觀異質(zhì)性和景觀本身外形三個(gè)角度，選擇斑塊層面和景觀層面的景觀指數(shù)：景觀形狀指數(shù)、景觀破碎度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、最小距離指數(shù)、斑塊密度、斑塊分維數(shù)和斑塊形狀指數(shù)，定量分析景觀生態(tài)格局現(xiàn)狀。

3 景觀類型

根據(jù)三所大學(xué)的用地特點(diǎn)以及遙感影像圖的分辨率限制，將斑塊劃分為四種類型：綠地、體育場(chǎng)地、建筑物、其他用地。其中綠地包括休閑綠地、附屬綠地、公園式綠地等所有植被覆蓋的區(qū)域，體育場(chǎng)地包括操場(chǎng)、看臺(tái)、體育館、室外網(wǎng)球場(chǎng)和乒乓球場(chǎng)，建筑物包括學(xué)生宿舍、教職工宿舍、家屬區(qū)、教學(xué)樓、科研樓、實(shí)驗(yàn)樓等，其他用地包括占主體部分的廊道和空閑用地。

直接在ArcMap中統(tǒng)計(jì)三所學(xué)校的各斑塊相對(duì)面積。圖 4顯示，地大的建筑斑塊相對(duì)面積大于其它斑塊，在整個(gè)景觀中分布最廣，且連接度遠(yuǎn)大于其它斑塊，

圖1 北京林業(yè)大學(xué)景觀類型

圖2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)景觀類型

圖3北京語言大學(xué)景觀類型

因此判定建筑為基質(zhì)；同理，北林和北語校區(qū)內(nèi)判定綠地為基質(zhì)。由此初步得出北語和北林校區(qū)范圍內(nèi)的綠地分布較為集中，連通性和聚集度較地大優(yōu)良。

4 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是指在空間尺度上,量化景觀格局和結(jié)構(gòu)、定量監(jiān)測(cè)生態(tài)現(xiàn)象的一種簡單定量指標(biāo)[6]，能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面的特征[7]，目前在研究景觀格局變化領(lǐng)域運(yùn)

圖4各斑塊相對(duì)面積

用十分廣泛[8～11]。為了從不同景觀類型和整體景觀特征來反映校園景觀格局狀況，本研究從景觀和斑塊類型2個(gè)水平上進(jìn)行景觀格局變化分析，通過形狀特征、破碎化特征、異質(zhì)性特征選取景觀格局指標(biāo)。

4.1 斑塊層次

(1)形狀指數(shù)(PSI)

(1)

式(1)中，E為斑塊邊界長度，A為斑塊面積。

(2)斑塊分維指數(shù)(D)

(2)

式(2)D為分維數(shù)，P為斑塊周長，A為斑塊面積。

4.2 景觀層次

4.2.1 破碎化

(1)斑塊密度(PD)

(3)

式(3)中，ni第i類景觀要素的總面積，A所有景觀的總面積。單位為斑塊數(shù)/100 hm2。

(2)破碎化指數(shù)(FN)

FN=(NP-1)/NC

(4)

式(4)中，F(xiàn)N是斑塊破碎化指數(shù)；NC是景觀數(shù)據(jù)陣的方格網(wǎng)中格子總數(shù)，在計(jì)算中，采用研究區(qū)內(nèi)最小的斑塊面積去除總面積作為NC值，也就是以最小斑塊面積作為每一個(gè)網(wǎng)格的大小；NP為景觀里各類斑塊的總數(shù)[12]。

4.2.2 景觀異質(zhì)性

(1)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)：

(5)

各斑塊類型的面積乘以其值的自然對(duì)數(shù)之后的和的負(fù)值。

(2)香農(nóng)均勻度(SHEI)：

(6)

SHEI等于香農(nóng)多樣性指數(shù)除以給定景觀豐度下的最大可能多樣性。

(3)最小距離指數(shù)(NNI)

NNI=MNND/ENND

(7)

式(7)中，MNND是斑塊與其最相鄰斑塊間的平均最小距離;ENND是在假定隨機(jī)分布前提條件下MNND的期望值。MNND和ENND的計(jì)算式如下：

(8)

式(8)中，NND(i)是斑塊i與其同類相鄰斑塊間的最小距離，D是景觀里給定斑塊類型的密度，N是給定斑塊類型的斑塊數(shù)，A是景觀總面積。

4.2.3 斑塊形狀特征——景觀形狀指數(shù)(LSI)

(9)

式(9)中，E為景觀中所有斑塊邊界的總長度，A為景觀總面積。

5 景觀格局指標(biāo)分析

5.1 斑塊層次

5.1.1 斑塊分維指數(shù)分析

斑塊分維指數(shù)反映斑塊類型的復(fù)雜程度、受干擾的程度等，其值越接近1表明斑塊形狀越規(guī)整、有規(guī)律，間接地說明了景觀受干擾程度越大；反之則表示等面積下邊緣較復(fù)雜的斑塊(圖 5)。

首先,比較同一學(xué)校內(nèi)不同類型斑塊間的分維數(shù)，三所學(xué)校的綠地分維數(shù)最高，因?yàn)榫G化景觀作為校園內(nèi)美化環(huán)境，營造休憩空間的主要景觀類型、斑塊形狀不能過于統(tǒng)一[13]。在校園的不同位置的綠地具有形態(tài)差異大的特征，便于提供不同的功能，例如建筑附屬綠地的形狀會(huì)較為規(guī)則，適應(yīng)建筑物棱角分明的特征，發(fā)揮調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、凈化空氣等作用。至于建筑用地和操場(chǎng)等運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的形狀都分別趨向一致，相似性較高，因此運(yùn)動(dòng)和建筑用地的分維指數(shù)不相上下且接近于1。

其次,比較不同學(xué)校間的綠地斑塊分維指數(shù)，北語>地大>北林，說明北語綠地斑塊的幾何形狀最復(fù)雜，受干擾程度最??；北林綠地斑塊形狀最簡單，受干擾程度最大。

圖5校園景觀分維數(shù)分析比較

5.1.2 斑塊形狀指數(shù)分析

斑塊形狀指數(shù)反應(yīng)斑塊的形狀規(guī)則程度，或者是斑塊形狀和參照物正方形的形狀差異程度。當(dāng)斑塊呈線性分布或邊緣不規(guī)則時(shí)，形狀指數(shù)的值偏離1的程度越大。

如圖 6所示，綠化用地形狀指數(shù)最高，第二是建筑用地，第三是體育用地，與斑塊分維數(shù)的排序一致。與斑塊分維數(shù)分析相同，綠化用地斑塊形狀指數(shù)最大,表明綠化用地斑塊形狀偏離程度最高,用多樣化形狀的設(shè)計(jì)來柔化校園景觀邊界。體育用地?cái)?shù)值最小,說明校園內(nèi)體育用地，如籃球場(chǎng)、足球場(chǎng)、游泳池形狀最為規(guī)則，近似為長方形。

縱向比較綠地形狀指數(shù)的結(jié)果是北語>地大>北林，與分維指數(shù)比較結(jié)果一致，得出的結(jié)論也是一致的。

圖6校園景觀形狀指數(shù)比較

5.2 景觀層次

在景觀層面，從3個(gè)角度分別對(duì)3所高校的景觀狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別是景觀破碎度、景觀異質(zhì)性和景觀形狀特征，其計(jì)算結(jié)果見表 1。

5.2.1 景觀破碎度分析

斑塊密度和破碎化指數(shù)在一定程度上可以反映校園景觀的破碎度[14]。斑塊密度越大、破碎化指數(shù)越高，說明景觀破碎度越高。

(1)斑塊密度(FD)。斑塊密度是單位面積上的斑塊數(shù)量，3所高校的斑塊密度情況如下：北林為697.2380，地大為620.6285，北語為568.4932。斑塊密度與景觀破碎度存在一定的相關(guān)性，景觀越破碎其斑塊面積占地越小，在單位面積上的斑塊數(shù)量就越多。北林由于具有三所高校中最高的建筑密度而具有最高的斑塊密度；北語的綠地景觀較為完整斑塊密度最低。

(2)破碎化指數(shù)(PN)。三所高校的綠地景觀破碎度指數(shù)FN為地大0.0324，北語0.0225，北林0.0213。這說明地大的校園綠地破碎化程度最高，與建筑密度較高具有相關(guān)性，并且校區(qū)內(nèi)的綠地常常依附于宿舍樓、主樓等建筑旁邊；而北語有較多的成片的運(yùn)動(dòng)休閑綠地，面積較大數(shù)量較少，且不同類型斑塊之間的連通性較好，故有最低的破碎化指數(shù)。根據(jù)破碎化指數(shù)分析所得出的結(jié)果與斑塊密度顯示的結(jié)果相似。

表1 景觀層面相關(guān)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

5.2.2 景觀異質(zhì)性

景觀異質(zhì)性是景觀所自發(fā)具有的特性，可以根據(jù)這一特性，建立起描述其異質(zhì)性方面性質(zhì)的指標(biāo)體系對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)[15]。選取景觀多樣性、均勻度和最小距離指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)多樣性。景觀類型包括綠地、建筑、體育運(yùn)動(dòng)用地和其他四種，景觀多樣性指數(shù)越大反應(yīng)出校園內(nèi)斑塊類型的豐富程度，組合的特征復(fù)雜多樣，其包含的信息量也就越大[16]。香農(nóng)多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1，北林>北語>地大，由于林業(yè)大學(xué)在三所學(xué)校中建校時(shí)間最晚且占地面積最大，所以景觀復(fù)雜程度較高，各用地之間的組合模式也較為復(fù)雜；在地大校區(qū)內(nèi)部，教學(xué)區(qū)、生活區(qū)等功能去劃分界限較為明顯，布置形式單一重復(fù)，造成景觀多樣性低的局面。

(2)均勻度。描述景觀中各組分分配的均勻程度，均勻度指數(shù)越大說明各類型塊在校區(qū)內(nèi)分布越均勻，就更利于師生的生活與通行。均勻度指數(shù)的大小排序?yàn)楸绷?北語>地大。

地大的教學(xué)樓大致都分布在校園東側(cè)，而宿舍區(qū)大多在西側(cè)，教學(xué)樓與宿舍樓雖排布集中,但兩者距離較遠(yuǎn)，給學(xué)生上課帶來不便；學(xué)生食堂和教工食堂集中布局于中部；操場(chǎng)和體育館集中分布于校園南側(cè)；總體來說，各功能區(qū)較為集中，均勻度較差。

北林的校區(qū)被東西向的林業(yè)大學(xué)北路分為南北兩個(gè)區(qū)域，教學(xué)樓均勻分布在南部校區(qū)，實(shí)習(xí)中心、苗圃大棚等科研類建筑分布在北部校區(qū)；學(xué)生宿舍樓分布在距離操場(chǎng)和教學(xué)區(qū)很近的地方。食堂、校醫(yī)院、師生超市、打印店等服務(wù)型站點(diǎn)分散在宿舍樓之間，為師生的生活提供方便。

通過兩個(gè)校區(qū)的對(duì)比，可明顯看到北林校園內(nèi)部的不同功能區(qū)的分布是較為分散的，生活區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)、教學(xué)區(qū)間隔分布，相互間的距離都不遠(yuǎn)，故北林的景觀布局是優(yōu)于地大的。

(3)最小距離。最小距離越趨近于0則布局越接近團(tuán)聚分布，反之則是隨機(jī)分布。三所學(xué)校的結(jié)果如表所示，北語是0.5324，北林是0.1200，地大是0.0733，說明北語校區(qū)內(nèi)景觀分布較為隨機(jī)，地大則呈團(tuán)聚分布，北林分布聚集程度適中。結(jié)果與均勻度分析相適應(yīng)。

5.2.3 斑塊形狀特征

景觀形狀指數(shù)是通過計(jì)算斑塊形狀與相同面積的正方形之間的偏離程度來衡量形狀差異狀況的，LSI值越大說明斑塊形狀越不規(guī)則，斑塊內(nèi)部與外界接觸的邊界越長，與外界進(jìn)行交換越頻繁。

數(shù)據(jù)成果顯示景觀形狀指數(shù)北林>北語>地大，且都偏離于1的程度較大，反映了三所校園的景觀斑塊邊界都較為復(fù)雜。北林的建筑附屬綠地斑塊和廊道斑塊較多，故形狀不規(guī)則或呈線性形態(tài)的斑塊占多數(shù)；而北語東門附近有大面積的花園式綠地，即內(nèi)部有石子小路穿行的集中綠地，地大在中部分布有草坪，可提供休憩休閑和娛樂的功能，破碎化形狀復(fù)雜的斑塊不占主導(dǎo)地位。

6 三所學(xué)校景觀整體狀況分析

Forman教授基于生態(tài)空間理論提出了集中與分散相結(jié)合的景觀布局，被認(rèn)為是生態(tài)學(xué)上最優(yōu)的景觀格局[17]。該理論強(qiáng)調(diào)集中使用土地，保持大型自然植被斑塊的完整性，充分發(fā)揮其生態(tài)功能；引導(dǎo)和設(shè)計(jì)自然斑塊以廊道或小型斑塊形式分散滲入人為活動(dòng)控制的建筑地段。

以Forman 教授提出的“集中與分散相結(jié)合”的最優(yōu)格局為衡量標(biāo)準(zhǔn)，借助景觀格局指數(shù)量化了景觀的多樣性、異質(zhì)性、破碎化程度等特征，并綜合這些特征對(duì)三所學(xué)校的景觀格局狀況進(jìn)行比較，得到了如下結(jié)論。

地大的各功能區(qū)分布不均勻，生活區(qū)和教學(xué)區(qū)分割開，校園內(nèi)斑塊、廊道和基質(zhì)分布不夠合理，建筑周圍景觀設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)較薄弱，建筑和景觀缺乏最大程度的有機(jī)融合；景觀多樣性稍差，斑塊破碎狀況屬于中等水平，另外地大的綠化用地面積在三所學(xué)校中最少，綠地斑塊的形狀特征屬于比較規(guī)則、齊整的類型。

從總體上來說，北語校園景觀布局狀況在三校中最為合理，均勻度較好，具有多樣的景觀類型，校區(qū)內(nèi)部常有大面積的連通性好的開放式綠地，具有最低的破碎度，綠地面積所占比例最大，是一個(gè)富有生機(jī)活力的綠色校園。

由于特殊的外部條件導(dǎo)致北林校區(qū)被道路所隔，但是排除這條道路的影響，北林校區(qū)的均勻度和連通性也是非常好的，破碎化指數(shù)三所學(xué)校中最低，景觀內(nèi)部受到外界干擾的頻率會(huì)因此而降低，但是北林景觀的斑塊形狀最復(fù)雜，會(huì)影響斑塊的邊緣狀況，影響系統(tǒng)內(nèi)外的物質(zhì)能量交換。

7 建議

7.1 增加校園綠化覆蓋度

綠地生態(tài)系統(tǒng)提供的主要功能：調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、水源涵養(yǎng)等對(duì)人類的生存式至關(guān)重要的，尤其是在大學(xué)這樣人口密集的區(qū)域，對(duì)于環(huán)境和生態(tài)的壓力會(huì)更大，豐富的植被和林木可為校園生態(tài)系統(tǒng)起到緩沖和保護(hù)的作用。

7.2 優(yōu)化景觀空間結(jié)構(gòu)，提高景觀異質(zhì)性

從最小距離指數(shù)的分析中表明，同一類型斑塊在景觀內(nèi)分布得越均勻，各斑塊所占的比例便相差不大，則該景觀的異質(zhì)性越高。通過景觀空間結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使各類斑塊大集中、小分散，提高景觀的異質(zhì)性來實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)，以達(dá)到保持生物多樣性的目的。據(jù)此應(yīng)當(dāng)均衡布局各景觀類型，在建筑密度大的教學(xué)樓、宿舍樓附近分散均勻地布置一些小面積的綠地斑塊。

7.3 注重校園人文環(huán)境建設(shè)，增加特色景觀

每所高校都有各自獨(dú)特的歷史文化底蘊(yùn)，如何將有溫度的情懷融入冰冷的建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃，如何通過校園建設(shè)建立師生同校園的連接關(guān)系，都是形成獨(dú)具特色的校園環(huán)境與氛圍的關(guān)鍵因素。