基于GIS的城市生態(tài)景觀格局分析與優(yōu)化研究

胡曉婉 田翠翠 萬(wàn)郜方

摘 要：景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展為城市景觀格局規(guī)劃提供了新的理論依據(jù)，本研究利用ArcGIS的空間分析模塊，運(yùn)用最小阻力表面模型把地表地貌對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響通過(guò)“耗費(fèi)”這樣一種概念來(lái)反映它的大小關(guān)系。以深圳市龍崗區(qū)為例，基于“基質(zhì)-斑塊-廊道”這種模式，分析出景觀生態(tài)保護(hù)的 “源地”之間的最小耗費(fèi)路徑；再結(jié)合龍崗區(qū)實(shí)際生態(tài)資源的分布，提出了龍崗區(qū)景觀格局優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：生態(tài)景觀格局；景觀阻力；最小耗費(fèi)路徑

1.引言

2014年3月14日，習(xí)近平總書記提出了堅(jiān)持山水林田湖草是一個(gè)生命共同體，強(qiáng)調(diào)要用系統(tǒng)思維統(tǒng)籌山水林田湖草治理。山水林田湖草是生命共同體，也是景觀共同體，在城市發(fā)展進(jìn)程中，這個(gè)共同體隨著人類的開(kāi)發(fā)活動(dòng)或割裂或消亡，或搬離或重組，演變而成現(xiàn)在的城市生態(tài)景觀。

深圳市從一個(gè)小漁村發(fā)展至如今的國(guó)際化大都市，40年來(lái)生態(tài)景觀發(fā)生了天翻地覆的變化，龍崗區(qū)作為深圳的工業(yè)大區(qū)，早期粗放式的發(fā)展建設(shè)打斷了原有的生態(tài)廊道，留下了許多歷史欠賬，特別是建成區(qū)內(nèi)生態(tài)景觀破碎較為嚴(yán)重。在此背景下，開(kāi)展龍崗區(qū)城市生態(tài)景觀格局優(yōu)化分析，為龍崗區(qū)未來(lái)生態(tài)文明建設(shè)提供依據(jù)。

2.生態(tài)景觀格局分析方法

生態(tài)景觀是城市綠化的窗口，包括郊野公園、城市公園、社區(qū)公園、道路綠化等，從宏觀層面分析評(píng)價(jià)區(qū)域的生態(tài)景觀格局，是對(duì)城市整體生態(tài)景觀的一次客觀打分，更有助于發(fā)現(xiàn)片區(qū)生態(tài)連接度的問(wèn)題，為以后生態(tài)廊道建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2.1景觀格局分析概述

景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)的是空間的差異性和變化規(guī)律，強(qiáng)調(diào)水平過(guò)程與景觀格局之間的相互關(guān)系。它把"斑塊-廊道-基質(zhì)"作為分析任何一種景觀的模式。景觀生態(tài)學(xué)應(yīng)用于城市及景觀規(guī)劃中特別強(qiáng)調(diào)維持和恢復(fù)景觀生態(tài)過(guò)程及格局的連續(xù)性和完整性。隨著上世紀(jì)90年代3S技術(shù)的普及，可將地理信息直觀展現(xiàn)在遙感影像上，對(duì)分析城市生態(tài)景觀提供了大力支持。

2.2模型選擇

我國(guó)俞孔堅(jiān)以Forman的不可替代的景觀格局思想為指導(dǎo)，提出了最小阻力表面（MCR）模型，也稱為“安全格局的表面模型”。該方法是把物種對(duì)景觀的利用看作是對(duì)空間的競(jìng)爭(zhēng)性控制和覆被過(guò)程，而這種控制和覆被必須通過(guò)克服阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)，阻力是指景觀對(duì)生態(tài)流速率的影響，所以阻力面反映了物種空間運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。這種方法可充分利用ArcGIS的空間分析模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算分析的可操作性很強(qiáng)，它把地表地貌對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響通過(guò)“耗費(fèi)”這樣一種概念來(lái)反映它的大小關(guān)系，是研究景觀水平生態(tài)過(guò)程的一種較好的方法。

累積阻力模型強(qiáng)調(diào)景觀阻力在一定空間距離上的累積效應(yīng)，是反映物種運(yùn)動(dòng)的時(shí)空連續(xù)體，類似地形表面。阻力面可以用等阻力線表示為一種矢量圖。根據(jù)阻力面，進(jìn)行空間分析可以判斷緩沖區(qū)、源間聯(lián)結(jié)、輻射道和戰(zhàn)略點(diǎn)。

景觀阻力表面模型建立的步驟如下：

（1）“源”的確定

在景觀生態(tài)學(xué)中，“源地”是指功能的匯聚中心，可能包含一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，也可能是相連或不相連的區(qū)域。

（2）景觀阻力的確定

本文考慮的景觀阻力主要是不同景觀類型和坡度對(duì)物種和景觀流遷移和擴(kuò)散的影響，將土地覆蓋類型、地形坡度等作為阻力因子來(lái)建立阻力表面。土地覆被類型和坡度會(huì)影響生物的遷移和擴(kuò)散速度，他們需要客服的阻力不同。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，一般林地和草地阻力較小，居民點(diǎn)和工礦用地以及交通用地的阻力較大，耕地是人類干擾活動(dòng)下的景觀類型，景觀阻力也比較大。坡度對(duì)爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物的活動(dòng)影響也比較明顯，一般坡度越大，阻力越大。

（3）景觀“耗費(fèi)”表面模型

景觀“耗費(fèi)”表面模型反映了物種和生態(tài)流從源地向外遷移和擴(kuò)散的一個(gè)態(tài)勢(shì)，這里“耗費(fèi)”的意義：一是指從保護(hù)區(qū)核心（低值區(qū)）到人類活動(dòng)的集中區(qū)（高值區(qū)），為發(fā)展自然植被所需付出的“代價(jià)”；二是指從生物擴(kuò)散的“源地”到人類干擾的高值區(qū)，發(fā)展自然棲息地所需克服的景觀阻力；三是指防止水土流失的有效性由耗費(fèi)表面的低值區(qū)區(qū)向高值區(qū)逐漸減小。

3深圳市龍崗區(qū)城市生態(tài)景觀格局分析

選用2017年龍崗區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)前面的景觀“耗費(fèi)”表面模型的算法，在ArcGIS中調(diào)用柵格分析模塊功能建立景觀“耗費(fèi)”表面。

3.1源地的確定

龍崗區(qū)的“源地”主要分布在清林徑森林公園、松子坑森林公園、銀湖山郊野公園、雷公頂郊野公園、牛坳水庫(kù)等。這些“核心區(qū)”或“源地”是地下地表水的發(fā)源地，是水源涵養(yǎng)和防止水土流失的“核心區(qū)”。而且受認(rèn)為干擾影響較小，擁有豐富的本地物種和稀有物種。這些“源地”的保護(hù)將會(huì)對(duì)景觀整體的水循環(huán)和其他物質(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)生關(guān)鍵作用。

3.2景觀阻力賦值和分布圖的生成

本文考慮的景觀阻力主要是景觀類型和坡度對(duì)物種和景觀流產(chǎn)生的影響大小。景觀類型圖采用遙感數(shù)據(jù)提取的景觀類型分布圖，坡度數(shù)據(jù)由高程數(shù)據(jù)在ArcGIS中表面分析命令提取坡度，然后按照上表的要求，對(duì)相應(yīng)的圖層進(jìn)行賦值，然后將賦值的景觀類型圖和坡度圖進(jìn)行疊加運(yùn)算，計(jì)算出景觀阻力分布。

3.3“耗費(fèi)”表面模型的生成

“耗費(fèi)”表面模型不但考慮了各景觀單元景觀阻力的大小，還要考慮物種或景觀流從源地向外遷移或擴(kuò)散過(guò)程中隨距離增加累積阻力的大小和方向的變化情況。具體做法是用Spatial Analyst工具下的cost distance命令，在生成累積阻力表面模型時(shí)，同時(shí)生成累積阻力的方向圖，具體如下圖所示。累積阻力表面模型表示了每一個(gè)計(jì)算單元到它最近源的最小累積阻力，累積阻力的方向圖表示了從每一單元出發(fā)，沿著最低累積阻力到達(dá)最近源的具體路線。

3.4最小耗費(fèi)路徑

最小耗費(fèi)路徑代表了生物或現(xiàn)象由源地到最近源地遷移和擴(kuò)散的最小阻力路徑，同時(shí)也是最短路徑。本專題基于McRae等開(kāi)發(fā)的GIS工具Linkage Mapper 1.1來(lái)模擬最小成本路徑（leaset-cost paths，LCP）和提取生態(tài)廊道，該工具最早用于野生動(dòng)物棲息地連接度分析。該工具通過(guò)計(jì)算每個(gè)像元距離最近“源”的成本加權(quán)距離（cost weighted distance，CWD），創(chuàng)建成本加權(quán)距離表面，計(jì)算最小成本加權(quán)距離，模擬最小成本路徑。

4.生態(tài)景觀格局優(yōu)化

景觀安全格局理論則認(rèn)為生物對(duì)整體景觀都具有利用和控制的潛能，而景觀中存在著某些潛在的格局，它們對(duì)生態(tài)的運(yùn)動(dòng)和維持過(guò)程有關(guān)鍵的影響，如果生物能占據(jù)這些格局并形成勢(shì)力圈，生物便能最有效地利用景觀，使景觀具有功能上的整體性和連續(xù)性，最有效地維護(hù)生物和生態(tài)過(guò)程。因此，識(shí)別、設(shè)計(jì)和保護(hù)景觀生態(tài)安全格局是現(xiàn)代生態(tài)保護(hù)的重要戰(zhàn)略。

生態(tài)景觀格局優(yōu)化以城市現(xiàn)有景觀水平分析為基礎(chǔ)，根據(jù)前面建立的景觀阻力表面模型，對(duì)生態(tài)安全格局的各個(gè)部分進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)區(qū)域中現(xiàn)有廊道對(duì)維持整個(gè)景觀格局的連通性也具有重要作用，生態(tài)安全格局構(gòu)建除了在水平景觀格局分析的基礎(chǔ)上，識(shí)別各個(gè)關(guān)鍵性的部位和空間聯(lián)系通道之外，還要將現(xiàn)有的廊道的等級(jí)性和功能進(jìn)行規(guī)劃控制，結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一的整體。

基于龍崗區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀、生態(tài)控制線劃定情況以及已建成、在建、規(guī)劃公園的分布和最小阻力模型分析結(jié)果，充分考慮廊道建設(shè)的可行性和可操作性，以城市公園、水庫(kù)、森林公園、自然保護(hù)區(qū)為生態(tài)斑塊基質(zhì)，以坂田-平湖區(qū)域綠地、平湖-橫崗-龍城、橫崗-龍崗、坪山-龍崗、坪地-坑梓等大型城市綠地為廊道，構(gòu)建“四帶三廊”的生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)。

加強(qiáng)孤立生態(tài)斑塊之間的聯(lián)系；在各生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間，利用河流水系、組團(tuán)分隔帶、山地風(fēng)景林帶和道路綠化，形成相互聯(lián)系的次級(jí)生態(tài)廊道，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性。

4.1構(gòu)建城市大型綠廊

為了保持生態(tài)系統(tǒng)的整體連續(xù)性，根據(jù)確定的“四帶三廊”生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)建設(shè)7條大型生態(tài)綠廊和生物通道，這些廊道一般控制寬度1000米以上，這些生態(tài)廊道與大型區(qū)域綠地一起，共同構(gòu)成了龍崗區(qū)的綠色生態(tài)屏障主體。

4.2構(gòu)建河流水系綠廊

結(jié)合河道保護(hù)控制線的劃定，在龍崗河等城市主要河流兩側(cè)各控制50米、支流兩側(cè)各控制30米，綠化建設(shè)城市的河流水系廊道。河流經(jīng)過(guò)建成區(qū)地區(qū)應(yīng)盡量結(jié)合自然的河岸線，規(guī)劃設(shè)計(jì)沿河帶狀公園，采用非硬地化改造方式，并盡量維持自然原型駁岸，建設(shè)生態(tài)護(hù)坡，種植大量喜水特性的植物，河流水系廊道內(nèi)的土地，不再建設(shè)新的建筑物，原有的建筑應(yīng)逐步遷出。

4.3構(gòu)建道路綠廊

鐵路、高速公路以及一、二級(jí)城市干線穿越城市建成區(qū)時(shí)，兩側(cè)各控制不得少于30米綠化帶寬度。加強(qiáng)道路、橋梁的生態(tài)涵洞和生物通道設(shè)置，建立野生動(dòng)物、生物物種交換的通道，以解決交通工程可能給野生動(dòng)物造成的負(fù)面影響。

5 小結(jié)

景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展為景觀格局規(guī)劃提供了新的理論依據(jù)，本研究基于“基質(zhì)-斑塊-廊道”這種模式，利用GIS模塊工具分析出景觀生態(tài)保護(hù)的“核心區(qū)”，即“源地”之間的最小耗費(fèi)路徑，通過(guò)他們之間空間構(gòu)成、結(jié)構(gòu)以及與生物信息關(guān)系的研究，結(jié)合龍崗區(qū)生態(tài)控制線劃定情況以及已建成、在建、規(guī)劃公園的分布，提出了龍崗區(qū)景觀格局優(yōu)化方案，確定的“四帶三廊”生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)建設(shè)7條大型生態(tài)綠廊和生物通道。

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