基于GIS的生物遷徙廊道構(gòu)建方法探索及應(yīng)用

孫道成　楊立焜

摘要 隨著城市化步伐的加快，持續(xù)擴(kuò)張的城市建設(shè)用地導(dǎo)致物種棲息地不斷流失，生態(tài)廊道作用有限或受到擠占，生境破碎化程度日益嚴(yán)重。利用圖論中最短路徑算法和ArcGIS的空間分析功能，對(duì)生境中動(dòng)物遷徙廊道的識(shí)別與構(gòu)建進(jìn)行研究;在此基礎(chǔ)上提出通過生物遷徙廊道構(gòu)建生物棲息地的概念，對(duì)區(qū)域的生物棲息地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)與重建，保持區(qū)域物種多樣性起到關(guān)鍵作用。該方法為區(qū)域土地管理以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 生態(tài)阻力面模型;生物遷徙廊道;最短路徑算法;空間分析

中圖分類號(hào) TU 984文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2020）16-0078-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.021

Exploration and Application of GIS-based Biological Migration Corridor Construction Method

SUN Dao-cheng，YANG Li-kun

（CAUPD （Beijing） Planning and Design Company， Beijing 100044）

Abstract With the acceleration of urbanization， the continuous expansion of urban construction land has led to the continuous loss of species habitats， the role of ecological corridors has been limited or occupied， and the degree of habitat fragmentation has become increasingly serious. Using the shortest path algorithm in graph theory and the spatial analysis function of ArcGIS to study the identification and construction of animal migration corridors in habitats. On this basis， the concept of constructing biological habitats through biological migration corridors is proposed， and ecological restoration and reconstruction of biological habitats in the region are played to maintain the key role of regional species diversity. This method provides a certain scientific basis for regional land management and ecological environmental protection planning.

Key words Ecological resistance surface model;Biological migration corridor;Shortest path algorithm;Space analysis

作者簡介 孫道成（1985—），男，寧夏石嘴山人，工程師，碩士，從事生態(tài)規(guī)劃、系統(tǒng)修復(fù)研究。*通信作者，工程師，博士，從事生態(tài)規(guī)劃、系統(tǒng)修復(fù)研究。

收稿日期 2020-01-20;修回日期 2020-02-28

生態(tài)安全格局是支持城市生態(tài)安全的關(guān)鍵性格局，對(duì)保護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能、保障城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要的作用[1-2]。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市無序擴(kuò)張導(dǎo)致植被、綠地被侵占或者破碎化，對(duì)自然資源的大量開采，引發(fā)了許多環(huán)境污染問題[3]，生態(tài)安全格局也遭受了不同程度的破壞，由此帶來的直接后果就是物種棲息地的喪失，生物多樣性程度降低[4]。但僅僅對(duì)棲息地的保護(hù)是不夠的，雖然保存了部分生境，但客觀上人為劃定的保護(hù)區(qū)容易形成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的生態(tài)孤島，不同棲息地之間物種群落難以維持正常的物質(zhì)和能量流通，物種多樣性保持的效果有限[5]，所以生態(tài)廊道在物種保持中的作用不能忽視[6]。盡管越來越多的研究人員認(rèn)識(shí)到了生態(tài)廊道的重要性，但目前對(duì)生態(tài)廊道識(shí)別與提取的方法研究還較少[7-8]。筆者利用GIS構(gòu)建生態(tài)阻力面和最短路算法思想，以長治雙休為實(shí)例，對(duì)生態(tài)廊道識(shí)別與提取方法進(jìn)行了初步探討。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于山西省的東南部、長治市的中部（圖1）。研究區(qū)由長治市的潞州區(qū)、屯留區(qū)、上黨區(qū)和潞城區(qū)組成，總土地面積約2 630 km2。研究區(qū)域形態(tài)為南北向的“T”形，東部毗鄰為太行山區(qū)，西部接近太岳山區(qū)，中部區(qū)域?yàn)樯宵h盆地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用現(xiàn)狀圖、基本農(nóng)田分布圖、濕地和森林公園邊界、地貌和路網(wǎng)等由地方政府部門提供。

DEM數(shù)據(jù)（30 m分辨率）由地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）下載得到，利用ArcGIS提取得到坡度數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

根據(jù)現(xiàn)有研究，可以使用阻力的概念來表述生態(tài)過程對(duì)地面覆蓋類型的響應(yīng)和反饋[9]。具體體現(xiàn)為動(dòng)物穿越不同地面覆蓋類型時(shí)，其生態(tài)過程帶有克服空間阻力的特性，并可用費(fèi)用距離、最小累積阻力等加以度量，所有這些阻力的度量實(shí)際上均可視為空間距離和地面覆蓋類型概念的擴(kuò)展。根據(jù)動(dòng)物趨利避害的本能，往往會(huì)自發(fā)選擇阻抗小的路徑遷徙，例如動(dòng)物在遷徙過程中通過城鎮(zhèn)和交通線時(shí)，比通過森林和農(nóng)田時(shí)面臨更大的危險(xiǎn)[7]?；谶@一思想，建立生態(tài)廊道識(shí)別規(guī)則，具體過程如下。

1.3.1 生態(tài)阻力面的構(gòu)建方法。

1.3.1.1 生態(tài)廊道“源”的確定。

“源”（source）是構(gòu)建廊道向外擴(kuò)散的起點(diǎn)和基地，具有向四周擴(kuò)張或吸引的能力，擴(kuò)張能力或吸引能力的大小與“源”的性質(zhì)和四周傳播媒體的性質(zhì)有關(guān)[10]。該研究所構(gòu)建的生態(tài)阻力面模型中的源是現(xiàn)狀山脈、水系、保護(hù)區(qū)等生態(tài)條件較好區(qū)域，一般而言，區(qū)位越遠(yuǎn)離市中心、人口密度越小、開發(fā)程度越低、生態(tài)條件越好的區(qū)域其遷徙擴(kuò)展能力越好。

1.3.1.2 生態(tài)阻力面的構(gòu)建。

由于基面特性差異，動(dòng)物遷徙過程中所受到的阻力是不同的，反映了動(dòng)物遷徙的難易程度[11]。該研究將基面阻力分為生態(tài)障礙和生態(tài)阻力2類。生態(tài)障礙可以包括城市建設(shè)區(qū)、村鎮(zhèn)等各級(jí)各類阻礙動(dòng)物遷徙區(qū)域，也可以根據(jù)政策調(diào)控的需要進(jìn)行調(diào)整，一旦確定則構(gòu)成動(dòng)物遷徙的剛性約束，阻力系數(shù)最大，實(shí)際賦值過程中可將其設(shè)為足夠大。生態(tài)阻力可以從相對(duì)高差、植被覆蓋、土地覆蓋、生態(tài)重要性以及與水系的關(guān)系5個(gè)方面建立評(píng)價(jià)體系。一般情況下，土地的相對(duì)高差越陡峻、植被覆蓋度越低、生態(tài)重要性越低、離水系越遠(yuǎn)，越不利于動(dòng)物遷徙，其阻力系數(shù)也越大。除此之外，不同土地覆蓋類型的生態(tài)阻力也不相同。

1.3.2 最短路算法。

生態(tài)廊道的關(guān)鍵在于確定動(dòng)物遷移的最小累計(jì)阻力路徑，其中確定最小累計(jì)阻力路徑的方法最常見使用的是圖論中的最短路算法[12]。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中圖論得到廣泛應(yīng)用，尤其最短路算法作為重要的最優(yōu)化算法之一得到較多關(guān)注，常用的算法包括Dijkstra算法、Warshall-Floyd算法等[13]。這類算法都需要建立所有節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣，當(dāng)需要計(jì)算較多節(jié)點(diǎn)時(shí)，鄰接矩陣會(huì)非常大，占用大量的內(nèi)存空間，計(jì)算效率下降[14]。該研究選用ArcGIS軟件Spatial Analyst模塊功能中計(jì)算基于柵格數(shù)據(jù)的最小累積阻力路徑，該計(jì)算模塊以圖論為理論核心，處理數(shù)據(jù)類型為柵格。

1.3.3 生態(tài)廊道的識(shí)別。

在ArcGIS軟件空間分析模塊計(jì)算最小累積阻力路徑中，生態(tài)廊道通常理解為各“源”間的低累積阻力谷線，是兩“源”間最容易聯(lián)系的低阻力生態(tài)通道和“源”間生態(tài)流的高效通道與聯(lián)系路徑[15]。在最小累積阻力模型中，廊道設(shè)定在“源”間低阻力最低的“谷線”附近，每一個(gè)“源”都有一條或多條穿過“谷線”的廊道與其他“源”相連接[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)廊道構(gòu)建實(shí)例應(yīng)用

2.1.1 構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)阻力面。

影響廊道分布和位置的因素較多，其中最主要的影響因素是土地利用和植被覆蓋的空間格局。林地、農(nóng)田、草地等綠色空間均可為物種遷徙提供場所，河流、干渠等藍(lán)色空間也可為物種遷徙提供場所，城市建成區(qū)則難以成為物種遷移運(yùn)動(dòng)的廊道;并且植被覆蓋度越高、植被質(zhì)量越好的區(qū)域越適宜物種的遷徙。根據(jù)這些原則，研究選取區(qū)域土地利用現(xiàn)狀來建立區(qū)域景觀阻抗表面，其中土地利用數(shù)據(jù)來自國土利用第二次調(diào)查數(shù)據(jù)。生態(tài)阻力面的具體計(jì)算步驟如下：①依據(jù)不同土地利用對(duì)物種遷徙的作用，將土地利用現(xiàn)狀賦值因子，其中城市建設(shè)用地賦低值，草地、農(nóng)田和林地則依次賦高值（表1）;②利用地理空間數(shù)據(jù)云下載DEM數(shù)據(jù)，用柵格計(jì)算工具計(jì)算區(qū)域相對(duì)高差數(shù)據(jù)，根據(jù)相對(duì)高差值越大，則坡度變化越大，阻抗值越大的原則，將研究區(qū)域分別賦值得到相對(duì)高差因子;③根據(jù)土地利用現(xiàn)狀對(duì)建設(shè)用地和河流進(jìn)行緩沖區(qū)分析，距離建設(shè)用地越遠(yuǎn)、河流越近則有利于生物遷徙，反之則不利于生物遷徙;④將①～③中得到的4個(gè)因子數(shù)據(jù)重采樣到30 m空間分辨率之后進(jìn)行柵格求和，然后將求和結(jié)果歸一化，得到最終的生態(tài)阻力面（圖2）。

2.1.2 廊道的識(shí)別與提取。

根據(jù)研究區(qū)中劃定的禁止開發(fā)區(qū)，結(jié)合研究區(qū)域的生態(tài)資源現(xiàn)狀，確定11處源地與目的地。將空間位置相鄰、存在物種遷徙需求的棲息地配對(duì)，分別作為源地與目的地，運(yùn)用“2.1.1”方法，計(jì)算提取配對(duì)棲息地之間的廊道（圖3）。

在計(jì)算中，綜合考慮廊道長度和區(qū)域保護(hù)目標(biāo)物種對(duì)廊道寬度的需求，提取兩棲息地之間最小累積阻力路徑（single path）面積8倍區(qū)域（按柵格數(shù)計(jì)）作為廊道，即廊道柵格數(shù)為最小累積阻力路徑柵格數(shù)的8倍，當(dāng)最小累積阻力路徑上所有柵格均滿足四鄰規(guī)則時(shí)，生態(tài)廊道平均寬度為800 m;考慮景觀基質(zhì)的不均勻性，這一條件難以滿足，因此廊道平均寬度小于800 m，但基本滿足200～600 m的廊道寬度要求;并且根據(jù)路徑計(jì)算結(jié)果中的廊道生物遷徙成本數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。除此之外考慮廊道冗余性，對(duì)冗余廊道的生物遷徙成本數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加（圖4），顏色越重表示生物遷徙通道重要性越高，具有較高的生態(tài)價(jià)值。

2.2 生態(tài)破碎度分析

我國正處在城鎮(zhèn)化加速發(fā)展時(shí)期，土地利用變化所引發(fā)的景觀格局變化強(qiáng)烈，景觀空間異質(zhì)性顯著[17]。特別是在城市邊緣區(qū)，隨著城鎮(zhèn)建設(shè)不斷擴(kuò)張和現(xiàn)代化交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與發(fā)展，景觀破碎化態(tài)勢非常明顯[18]。研究區(qū)域內(nèi)近30年的城鎮(zhèn)化，建設(shè)用地?zé)o序侵占生態(tài)用地，破壞生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理。使用生態(tài)形狀破碎指數(shù)方法（FN）對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)破損度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，面積越大、連續(xù)成片的生態(tài)斑塊對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，也越穩(wěn)定，更加應(yīng)在城鄉(xiāng)建設(shè)中得到保護(hù);建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張，導(dǎo)致生態(tài)斑塊破碎加劇，生態(tài)空間交流不暢，各個(gè)生態(tài)斑塊之間的有效聯(lián)系大大降低，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。

2.3 生態(tài)斑塊提取

由于區(qū)域內(nèi)生態(tài)破碎度較高，并且生物遷徙廊道應(yīng)具有一定的不確定性和空間冗余性，遷徙廊道的寬度隨著物種、廊道結(jié)構(gòu)、連接度、廊道所處基質(zhì)的不同而不同。為了保證生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、生態(tài)宜居性提高和提升生態(tài)價(jià)值，需要對(duì)重要生態(tài)斑塊進(jìn)行識(shí)別。重要生態(tài)斑塊的識(shí)別主要通過生物遷徙廊道空間位置和生物遷徙成本數(shù)據(jù)（計(jì)算方法和結(jié)果見“2.1.2”）進(jìn)行插值，獲得重要生態(tài)斑塊（圖6）。依托城市山水資源，結(jié)合生態(tài)斑塊，分別建設(shè)山地郊野公園和水系郊野公園，為市民提供綠色空間。

通過生物遷徙廊道和重要生態(tài)斑塊的構(gòu)建，形成生物廊道系統(tǒng)需要對(duì)植物合理進(jìn)行配置。植物是系統(tǒng)的直接體現(xiàn)，研究區(qū)的植物搭配在選取、種植等方面需要根據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，從而完善其生態(tài)結(jié)構(gòu)，以達(dá)成最終目的。①適地適樹的綜合搭配。適地適樹原則是所有植物配置中的首要原則，配置過程中，考慮主要種植耐旱植物，使各個(gè)時(shí)間段內(nèi)同樣的地區(qū)均有植物存活，不至于使土壤大面積突然暴露而為水土流失埋下隱患。成年林會(huì)在一定程度上避免由于植物自身的缺陷導(dǎo)致林木大面積死亡或發(fā)生水土流失，但在新增林中則建議多增加不同種類的植物混交，從而避免出現(xiàn)類似問題[19]。②適當(dāng)增加地被植物選用量。地被植物覆蓋于整個(gè)需要構(gòu)建的地區(qū)范圍，養(yǎng)護(hù)成本低，其綠化效果弱于大面積的林木[20]。在河堤水岸部分，可采用地被大面積覆蓋，減少地被灌溉成本同時(shí)對(duì)河堤起到固定作用，以此方式來配置依托河流存在的綠地廊道。

3 結(jié)論與討論

生物遷徙廊道核心是對(duì)于自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及生物多樣性的保護(hù)，充分表明了研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的需要，并且在廊道構(gòu)建需要多學(xué)科和多內(nèi)容的共同協(xié)作，需要觀念上的重視、政策上的扶植以及技術(shù)上的支持。

生態(tài)廊道為物種在不同生境間遷移提供了場所，是生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分。在為保護(hù)物種多樣性而劃定自然保護(hù)區(qū)時(shí)，保護(hù)棲息地和覓食地，以及保護(hù)物種遷徙走廊，往往會(huì)事半功倍。

生態(tài)走廊不是起點(diǎn)和終點(diǎn)累積遷移阻抗最小的最優(yōu)路徑，而是最優(yōu)路徑和一些次優(yōu)路徑的組合，且生態(tài)廊道應(yīng)具有一定的冗余性和復(fù)雜性。

通過生物遷徙廊道和重要生態(tài)斑塊的構(gòu)建，形成的生物廊道系統(tǒng)對(duì)降低生態(tài)破碎度、提高生態(tài)宜居性和提升生態(tài)價(jià)值有極重要的意義。

由于篇幅限制，該研究僅對(duì)城市空間發(fā)展規(guī)劃中如何保持各重要生態(tài)源地的連通性進(jìn)行了分析，并沒針對(duì)某一具體物種進(jìn)行分析。在后續(xù)研究中將進(jìn)一步分析針對(duì)區(qū)域關(guān)鍵物種保護(hù)的生態(tài)廊道特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 林堅(jiān)，喬治洋，葉子君.城市開發(fā)邊界的“劃”與“用”——我國14個(gè)大城市開發(fā)邊界劃定試點(diǎn)進(jìn)展分析與思考[J].城市規(guī)劃學(xué)刊，2017（2）：37-43.

[2] 劉博敏，侯逸康，趙書，等.從“水城分離”到“水城融合”的城市生態(tài)設(shè)計(jì)思考[C]//中國城市規(guī)劃學(xué)會(huì).共享與品質(zhì)——2018中國城市規(guī)劃年會(huì)論文集（08城市生態(tài)規(guī)劃）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[3] 劉孝富，舒儉民，張林波.最小累積阻力模型在城市土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用：以廈門為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（2）：421-428.

[4] 趙清，鄭國強(qiáng)，黃巧華.南京城市森林景觀格局特征與空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].地理學(xué)報(bào)，2007，62（8）：870-878.

[5] 李素英，王計(jì)平，任慧君.城市綠地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能研究綜述[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29（3）：377-385.

[6] 王云才.上海市城市景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度評(píng)價(jià)[J].地理研究，2009，28（2）：284-292.

[7] 彭建，賈靖雷，胡熠娜，等.基于地表濕潤指數(shù)的農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建：以內(nèi)蒙古自治區(qū)杭錦旗為例[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，29（6）：1990-1998.

[8] 余亦奇，胡民鋒，鄭玥，等.基于MCR模型的土地利用適宜性評(píng)價(jià)創(chuàng)新研究[C]//中國城市規(guī)劃學(xué)會(huì).共享與品質(zhì)——2018中國城市規(guī)劃年會(huì)論文集（05城市規(guī)劃新技術(shù)應(yīng)用）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[9] 俞孔堅(jiān).景觀生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)識(shí)別方法與理論地理學(xué)的表面模型[J].地理學(xué)報(bào)，1998，53（S1）：11-20.

[10] 李露露，曹玉紅，劉崇，等.基于MCR模型的皖江城市帶建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，41（3）：280-286.

[11] 陳利頂，傅伯杰，趙文武.“源”“匯”景觀理論及其生態(tài)學(xué)意義[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（5）：1444-1449.

[12] 馬林兵，曹小曙.一種啟發(fā)式A*算法和網(wǎng)格劃分的空間可達(dá)性計(jì)算方法[J].地理研究，2008，27（1）：93-99，243.

[13] 王海英，黃強(qiáng)，李傳濤，等.圖論算法及其matlab實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：12-36.

[14] 郭金來，胡鵬.網(wǎng)絡(luò)最短路徑的地圖代數(shù)柵格算法[J].測繪科學(xué)，2007，32（1）：109-111，164.

[15] 侍昊，鮮明睿，徐雁南，等.城市潛在綠色廊道構(gòu)建方法：以常州市為例[J].林業(yè)科學(xué)，2013，49（5）：92-100.

[16] 余鳳生，戴菲，孫姝，等 武漢市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的分析與構(gòu)建[J].園林，2019（6）：2-7.

[17] WU B，CI L J.Temporal and spatial patterns of landscape in the Mu Us Sandland，Northern China[J].Acta ecologica sinica，2001，21（2）：191-196.

[18] 藺琛，龔明昊，劉洋，等.基于優(yōu)勢種的生物多樣性保護(hù)價(jià)值空間異質(zhì)性研究：以長白山生態(tài)功能區(qū)為例[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38（13）：4677-4683.

[19] 張璐.固原市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究[D].蘇州：蘇州科技大學(xué)，2016.

[20] 李曉捷.六盤山林區(qū)主要森林群落物種多樣性研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2007.