CLUE-S模型在生態(tài)景觀空間規(guī)劃仿真中的應用

付 蒙,余 亮

(蘇州大學,江蘇 蘇州 215000)

1 引言

如今人們對生活質量的要求越來越高,城市對景觀建設的要求也越來越高,多數(shù)城市將生態(tài)景觀空間規(guī)劃作為建設重要目標[1]。景觀空間規(guī)劃通常指在固定土地面積下對形狀以及屬性均不相同的景觀空間單元進行一定規(guī)律的分布和組合[2,3],在規(guī)劃過程中不僅要有效控制成本[4],也要保證空間規(guī)劃的多樣化?，F(xiàn)如今生態(tài)破壞以及環(huán)境污染已經(jīng)成為必須解決的一項社會公害[5],對現(xiàn)有的景觀資源以及環(huán)境進行合理規(guī)劃[6],以實現(xiàn)城市景觀和環(huán)境的協(xié)調以及可持續(xù)發(fā)展。

為此本文提出一種基于CLUE-S模型的生態(tài)景觀空間規(guī)劃優(yōu)化方法,生態(tài)景觀規(guī)劃是以景觀學為基礎[7-9],在實踐過程中不斷解決景觀中的生態(tài)問題,這是景觀科學管理的關鍵點,在景觀規(guī)劃過程中需要將景觀視為一整個單元進行規(guī)劃,充分考慮各個生物與非生物之間的生態(tài)關系,經(jīng)過不斷發(fā)展和技術上的完善,實現(xiàn)景觀從局部到整體不斷的優(yōu)化。

2 城市土地分析

2.1 土地利用轉移網(wǎng)絡分析

土地利用轉移網(wǎng)絡表述每種景觀土地的自身轉移活躍度[10,11],從而得出每種景觀土地轉移的方向,預測出土地后續(xù)所要轉移的空間演變?；谵D移矩陣引入社會網(wǎng)絡分析[12],得出每種土地利用的轉入流以及轉出流的值,生成每種景觀用地的轉移方向以及數(shù)量模型,計算公式為

(1)

式中,Lf代表可使用的景觀土地轉移流,Lin代表景觀土地的轉入流,Lout代表景觀土地的轉出流,Lnf代表景觀土地的凈入流值。

2.2 景觀土地動態(tài)度與生態(tài)景觀指數(shù)分析

景觀動態(tài)度可直接描述景觀土地在規(guī)劃過程中的變化速度[13],變化速度也泛指某一塊景觀區(qū)域土地的變化情況K以及全部景觀土地種類的變化速度P,P的作用是求解出整塊景觀土地利用率的變化情況。

單一土地利用率變化速度的計算公式為

(2)

式中,ua代表景觀初始規(guī)劃階段土地的可使用的面積,ub代表景觀末期規(guī)劃階段土地的可使用的面積,t代表景觀規(guī)劃所需時間。

全部景觀土地利用動態(tài)度的計算表達式為

(3)

式中,Ui代表景觀規(guī)劃初期第i類土地的實際可使用面積,ΔUi-j代表景觀規(guī)劃期間第i類土地類型的全部土地面積。

生態(tài)景觀指數(shù)[14]是景觀空間格局的主要評價指標,該指標可直接描述出生態(tài)景觀空間的具體作用以及動態(tài)變化,景觀指數(shù)包含斑塊、景觀以及土地類別,這三種指數(shù)通常在Fragstats軟件平臺中進行批量處理。

2.3 空間分析模型

空間自相關是在統(tǒng)計學的基礎上[15],表示出空間內(nèi)某個要素對應的屬性值與相鄰要素屬性值之間關系的指標,可直接反映出各個屬性的空間相關特征。

1)全局自相關

通過全局自相關Moranx’sI指數(shù),可得出景觀規(guī)劃要素對應的屬性,現(xiàn)有景觀規(guī)劃情況下的空間相關性,其表達式為

(4)

2)局部自相關

局部自相關Moran’sI指數(shù)的計算表達式如下所示

(5)

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),Local Moran’sI共分為三種情況,分別是大于0,等于0以及小于0三種,這三種情況分別對應著景觀區(qū)域規(guī)劃屬性值呈現(xiàn)趨同集聚、不存在空間相關性以及呈現(xiàn)離散分布狀態(tài)。

為了得出相鄰景觀空間屬性的聯(lián)系,需要利用Getis-Ord Gi指數(shù)詳細分析景觀空間內(nèi)的相關信息,從而識別出“熱冷點區(qū)域”的景觀空間分布情況,完成景觀空間規(guī)劃數(shù)據(jù)的異質檢驗[16],其表達式為

(6)

式中,w′ij代表空間權重矩陣的因子,E(Gi)代表異質檢驗結果的期望值,Var(Gi)代表異質檢驗結果的方差值,Z(Gi)代表數(shù)據(jù)的異質檢驗結果,Gi(d)代表空間屬性值。

根據(jù)式(6)的計算結果即可得出空間的屬性狀態(tài)。

3 生態(tài)景觀空間規(guī)劃研究

3.1 斑塊識別與廊道規(guī)劃

在土地利用轉移網(wǎng)絡分析、生態(tài)景觀指數(shù)分析以及根據(jù)空間分析模型得出的實際數(shù)據(jù)的基礎上,根據(jù)生境斑塊識別與廊道規(guī)劃即可規(guī)劃出土地景觀規(guī)劃結構。

1)生境斑塊識別

生境斑塊在選取過程中,通常將景觀土地的種類視為斷定生態(tài)系統(tǒng)的主要指標,每種植物對應的生態(tài)系統(tǒng)均有不同的要求,但每種植物的土地都可直接使用生境斑塊。根據(jù)景觀土地種類以及生境斑塊,將生境斑塊分為潛在斑塊與實際斑塊兩種,潛在斑塊自身帶有與生物生境相同的景觀生態(tài)系統(tǒng),而斑塊的實際面積會遠遠大于實際需求閾值,因此面積較小的斑塊即使是可使用的土地種類也需要將其排除。在實際規(guī)劃過程中,可將其視為踏腳石,在應用過程中發(fā)現(xiàn),這些面積較小的斑塊對整體規(guī)劃也是有一定影響力的,所以在重視土地使用方式的前提下,也要充分考慮生境斑塊面積規(guī)劃的合理性。

2)廊道規(guī)劃

廊道是生物擴散的主要途徑,廊道可有效隔離生境,生物擴散包含短距離以及長距離擴散,長距離擴散自身帶有目的性與方向性,在此基礎上進行長期生物擴散;短距離僅僅是生物每日移動的長度,一旦大于最大移動距離,生物會被歸納到長距離擴散中并生成全新的生境斑塊,從而總結出多個短距離擴散可構成長距離擴散。這兩種擴散中只有長距離需要確保生物之間的連通性被隔離,因此可以用短距離擴散指標評價廊道建設的優(yōu)劣。短距離擴散范圍結合到一起即為復合生境,在該生境下,生物本身的活動距離可視為日常擴散,所以生境斑塊實際上自身不帶有功能上的隔離,此時不再需要廊道構建,若生物脫離復合生境向長距離擴散前進時,生物本身的擴散能力已不滿足現(xiàn)有需求,因此需要構建廊道。

3.2 生態(tài)景觀空間規(guī)劃優(yōu)化

生態(tài)景觀空間規(guī)劃不僅起到美化城市環(huán)境的作用[17],在有限的土地資源中也起到生態(tài)保護的作用,所以空間優(yōu)化也是規(guī)劃中十分關鍵的環(huán)節(jié)。CLUE-S模型可用于空間土地的布局模擬,能解決因土地面積帶來的部分規(guī)劃限制問題。

CLUE-S模型的特性是不受土地類型的限制[18],在多樣化土地的情況下仍可以進行空間規(guī)劃,CLUE-S模型可以計算出每個柵格和相應位置土地類別的適宜度,進而提高柵格屬性適宜度,同時求解出空間規(guī)劃時的土地面積,若面積達到空間規(guī)劃極限時,則說明空間規(guī)劃完成,開始為下一種類別的土地進行空間規(guī)劃。

CLUE-S模型空間規(guī)劃的重點是量化出整體適宜度,其計算公式為

TPROPu,i=Pu,i+ELAUi+ITERi

(7)

式中,TPROPu,i代表空間規(guī)劃柵格u對應的i類土地的整體適宜度,Pu,i代表u對i類土地的吸引程度,ELAU代表i類土地的轉移參數(shù),ITERi代表i類土地的競爭因子。

Pu,i可以表述目前生態(tài)景觀的空間分布規(guī)則,因此將Z(Gi)代入CLUE-S模型可預測出后續(xù)的土地規(guī)劃情況,即Pu,i為生態(tài)景觀空間規(guī)劃的優(yōu)化結果。

4 實驗結果與分析

為了驗證基于CLUE-S模型的生態(tài)景觀空間規(guī)劃優(yōu)化方法的整體有效性,在MATLAB軟件環(huán)境下進行仿真分析。

CLUE-S模型的本質是在施工過程中根據(jù)實際情況預測出后續(xù)規(guī)劃的空間布局情況,進而實現(xiàn)空間規(guī)劃優(yōu)化,因此CLUE-S模型得出的結果與實際規(guī)劃結果十分吻合。為了驗證本文方法的有效性,針對同一城市空間規(guī)劃,得出其預測結果與實際結果,將兩種結果的土地類型圖進行空間重合,生成其轉移矩陣。

Kappa指數(shù)是一種景觀評價指標,可用來評價規(guī)劃結果和實際景觀之間的一致性,Kappa指數(shù)的計算公式為

(8)

式中,Po代表規(guī)劃結果與實際景觀結果之間正確比例的觀測值,Pc代表結果理想的正確比例,Pp代表實際景觀規(guī)劃結果的正確比例,J代表生態(tài)景觀規(guī)劃過程中土地類別的總數(shù)量,S代表景觀規(guī)劃時實際利用的土地類別總和,R代表每種土地類別下的轉移矩陣匯總。

因為Kappa指數(shù)公式中沒有添加規(guī)劃過程中產(chǎn)生的誤差,為了更加貼近實際結果,基于上述公式量化出實際規(guī)劃時出現(xiàn)的土地使用數(shù)量以及位置誤差,這兩種指數(shù)的計算公式分別為:

(9)

式中,Kquanluty代表土地使用數(shù)量Kappa指數(shù),Klocation代表位置Kappa指數(shù),NQ代表土地類別必須被改變,NL代表土地位置的生態(tài)能力為無,MQ代表土地利用數(shù)量的能力是中等,PL代表保證原始土地位置不受轉移的能力。

Kquanluty指數(shù)可以表達規(guī)劃施工時使用土地數(shù)量的變化,Klocation指數(shù)可描述出土地位置的變化情況,但僅使用這兩種指數(shù)不能完整地描述出規(guī)劃過程中土地的類別使用情況,因此引入隨機與標準Kappa指數(shù),其表達式分別為:

(10)

式中,Kstandard代表標準Kappa指數(shù),Kno代表隨機Kappa指數(shù)。

上述兩種Kappa指數(shù)可以綜合衡量規(guī)劃時土地在數(shù)量上以及位置上的變化情況。

利用式(9)和式(10)計算出CLUE-S模型下規(guī)劃結果的四種Kappa指數(shù),Kappa指數(shù)通常在0-1之間,當Kappa指數(shù)大于等于0.75,說明預測結果與實際結果相一致,即最終的規(guī)劃優(yōu)化結果最佳,若Kappa指數(shù)在0.4-0.75之間說明吻合程度一般,當Kappa指數(shù)在0.4以下說明空間規(guī)劃結果較差。

使用本文方法對某座城市進行生態(tài)景觀的規(guī)劃優(yōu)化,規(guī)劃結果和實際呈現(xiàn)結果如圖1、2所示。

圖1 本文規(guī)劃優(yōu)化結果

將圖1和圖2進行對比后發(fā)現(xiàn),本文方法的規(guī)劃優(yōu)化方法是真實有效的。

圖2 實際生態(tài)景觀情況示意圖

在圖1和圖2內(nèi)隨機標注同一位置的樣本1～樣本10,計算出每個樣本下的Kappa指數(shù),實驗結果如表1所示。

表1 本文方法的Kappa指數(shù)結果

根據(jù)實驗結果可知,經(jīng)過本文方法優(yōu)化后的空間規(guī)劃結果的Kappa指數(shù)均遠遠大于0.75,說明本文方法的規(guī)劃優(yōu)化方法十分有效。

5 結束語

在城市化的強烈沖擊下,各地開始越來越重視生態(tài)景觀建設,將景觀規(guī)劃加入到城市化建設的關鍵一環(huán)中。本文從多個尺度對生態(tài)景觀空間進行詳細分析,得出城市景觀規(guī)劃的主要指標,進行規(guī)劃優(yōu)化,使得城市生態(tài)景觀規(guī)劃符合當?shù)匦枨?在固有的面積上發(fā)揮出生態(tài)景觀的最大作用。