基于SEDMs 模型的?？谑谐鞘泄珗@綠地景觀格局演變及空間配置評價

吳庚鴻，王一茹，劉鐵冬，龔文峰，林世平，陳 翀

（1.海南大學(xué) 林學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南科技職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?571126）

公園綠地景觀作為城市景觀的重要組成部分[1]，不僅在空間維度上反映城市的綠化水平和狀態(tài)信息，同時，在一定程度上還反映了人們的城市景觀審美認(rèn)知[2]和生態(tài)功能的供需水平[3]。然而在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動下，城市人口數(shù)量急劇膨脹，城市不斷向外擴(kuò)張，導(dǎo)致綠地生態(tài)系統(tǒng)被破壞和城市環(huán)境及形態(tài)結(jié)構(gòu)改變[4]。公園綠地作為人們心理壓力與現(xiàn)實負(fù)擔(dān)的緩沖區(qū)[5-6]，不僅能夠調(diào)節(jié)城市微氣候、緩解溫室效應(yīng)，而且對城市生態(tài)改善、居民健康有積極的促進(jìn)作用[6-8]。同時，城市里大面積的灰色基礎(chǔ)設(shè)施中營造結(jié)構(gòu)各異功能互補(bǔ)的城市公園綠地體系，可弱化過度城市化帶來的負(fù)面影響，對綠地空間格局配置、城市景觀生態(tài)規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9-10]。

目前，?？谑芯G地景觀的研究區(qū)域集中于中心城區(qū)[11]、城市公園[12]和海岸帶[13]等，研究內(nèi)容側(cè)重于綠地空間公平性評價[14-15]、適應(yīng)性評價[16]、基于景觀格局指數(shù)[17]的綠地景觀質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)價值評估等，但公園綠地時空演變的研究較少，城市綠地空間配置與綠地格局演變機(jī)制研究更少。因此，本研究在?？诔鞘泄珗@演變過程和狀態(tài)的基礎(chǔ)上，基于狀態(tài)與演變監(jiān)測模型(State-and-Evolution Detection Models，SEDMs）探究?？诔鞘芯G地空間配置，分析城市綠地景觀格局時空演變特征，為?？谑泄珗@景觀的合理規(guī)劃和建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

海口市(19°31′～20°04′N，110°07′～110°42′E）地處海南島最北端，南接定安，北鄰瓊州海峽，包含秀英區(qū)、龍華區(qū)、瓊山區(qū)和美蘭區(qū)4 個區(qū)，面積為3 126.82 km2。年均降水量為1 669 mm，年均日照時數(shù)為2 000 h 以上，年均氣溫為23.8 ℃，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候。地形較為平緩，以濱海平原和臺地為主。

海口市城市總體范圍為椰海大道以北，粵海大道以東和南渡江以西連接北邊海岸線，形成閉環(huán)式的建成區(qū)邊界(圖1），包含綜合公園、專題公園、游園等266 個公園綠地，城市公園綠地面積為3 233.63 hm2，其中，建成區(qū)的公園綠地總面積為645.90 hm2。北部以世紀(jì)公園、白沙門公園、萬綠園、五源河濕地公園等與南渡江沿岸周邊綠地主體，南部以美舍河鳳翔濕地公園、紅城湖公園等構(gòu)成建成區(qū)南部綠地景觀空間。

圖1 ?？谑薪ǔ蓞^(qū)市轄區(qū)邊界范圍示意圖Figure 1 Boundary range of municipal district in the built-up area of Haikou

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)包括QuickBird 影像(2008 年11 月、2013 年11 月）、Worldview 影像(2013 年12 月、2017年12 月）和Landsat 8 OLI_影像(2020 年1 月）。在ENVI 處理平臺完成遙感數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)和大氣校正，并提取公園綠地。同時收集了?？谑惺噶柯肪W(wǎng)、小區(qū)、公園和路口及2020 年的興趣點(point of interest，POI）數(shù)據(jù)。

2.2 指數(shù)選取

在相關(guān)研究[18]的基礎(chǔ)上，引入斑塊密度(PD）、景觀破碎度(SPLIT）、景觀蔓延度(CONTAG）、景觀分離度(DIVISION）等景觀格局指數(shù)，定量描述2008—2020 年?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地景觀格局時空演變特征。

2.3 研究方法

2.3.1 可達(dá)性空間分析 基于ArcGIS 網(wǎng)絡(luò)分析模塊，對建成區(qū)居民到達(dá)最鄰近目的地的最小距離以及公園服務(wù)范圍進(jìn)行定量測算，從而進(jìn)行可達(dá)性配置評價[19-20]。利用?？谑蠵OI 矢量數(shù)據(jù)模擬?？谑薪ǔ蓞^(qū)環(huán)境，綜合考慮研究區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施、交通、環(huán)境和阻力因素等，評估海口市民到達(dá)城市公園的便捷程度，探究演變過程中各城市公園之間的空間連通性。

2.3.2 歸一化植被指數(shù)(NDVI） 由于?？谑懈邷囟嘤甑臍夂驐l件和錯綜復(fù)雜的熱帶植被狀況，本研究選取11 月至翌年3 月數(shù)據(jù)計算NDVI[21]，以此時計算的NDVI[22]均值作為全年的NDVI 均值，以此評估市民在一定范圍內(nèi)綠地數(shù)量的供給水平。利用NDVI 對植被區(qū)域敏感的特征來反映市民的綠地可獲得性水平。

2.3.3 SEDMs SEDMs 是用于監(jiān)測景觀格局變化的土地利用模型[23-24]。該模型綜合了景觀模式時空動態(tài)分析模型(Spatiotemporal Dynamic Analysis of Landscape Patterns）的特點和景觀模式變化類型，可以更準(zhǔn)確地評估景觀格局過程變化結(jié)果和土地利用變化過程。

斑塊數(shù)(L1）、斑塊周長(L2）、斑塊面積(L3）和平均斑塊分形維度(L4）是描述景觀格局時空變化的量化指標(biāo)，通過識別斑塊空間形態(tài)差異能有效獲取景觀破碎化、景觀聚合等景觀格局演變特征的反饋信息[24]。因此本研究選取以上4 個景觀指數(shù)作為評判指標(biāo)模擬?？谑谐鞘泄珗@綠地的景觀格局變化。

景觀狀態(tài)變化類型分為景觀破碎、景觀擴(kuò)張和景觀聚合3 種形式。SEDMs 模型將這3 種形式分為6 種景觀狀態(tài)作為景觀結(jié)構(gòu)演變的評判依據(jù)。其中，景觀破碎化包括分離型(D）、收縮型(S）和穿孔型(P） 3 種景觀狀態(tài)，表示在自然或人工驅(qū)動下斑塊被分割成更小的、獨立的斑塊；景觀擴(kuò)張包括創(chuàng)建型(C）和擴(kuò)張型(E） 2 種景觀狀態(tài)，表示景觀格局中不同斑塊類型斑塊面積的增加；景觀聚合僅有聚合型(A） 1 種景觀狀態(tài)，表示同種類型斑塊團(tuán)聚，斑塊連通性和面積增加。將統(tǒng)計的評判指標(biāo)生成數(shù)據(jù)集，根據(jù)相鄰調(diào)查時間段4 個景觀格局指數(shù)的差值(?Li）評判斑塊類型。

式(1）～(3）中：a、b表示所選取的任意調(diào)查時間段，i表示第i個評判指標(biāo)，ai、bi表示在a或b調(diào)查時間段第i個指標(biāo)，Lai、Lbi表示在a或b時間段對應(yīng)的指標(biāo)值，Xa、Xb則表示從Xa到Xb隨機(jī)2 個時間段斑塊數(shù)、斑塊周長、斑塊面積和平均斑塊分形維度4 個景觀格局指數(shù)的集合，TS為相鄰的調(diào)查時間段，S、P、D、E、A、C 分別表示6 種景觀破碎化狀態(tài)，N 表示調(diào)查時間段內(nèi)沒有產(chǎn)生格局演變。

3 結(jié)果與分析

3.1 ?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地景觀格局變化特征

3.1.1 ?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地斑塊結(jié)構(gòu)變化分析 從表1 可見：2008—2020 年，7 種公園綠地類型的斑塊數(shù)、斑塊面積、斑塊周長、平均斑塊分形維度的最佳像元為52 m×52 m。根據(jù)評判指標(biāo)的變化表明：①城市綜合公園斑塊周長在研究期間增長了19.99 m，但平均面積下降了3.73 hm2，其格局呈現(xiàn)破碎化趨勢。②社區(qū)公園斑塊周長從801.59 m 驟降至576.93 m，其他評判指標(biāo)無明顯變化，說明其格局逐漸簡單規(guī)則化，且至少發(fā)生過1 次景觀格局演變。③歷史名園斑塊平均面積從1.81 hm2降至1.49 hm2，再增長到1.91 hm2；分維數(shù)和斑塊周長在2013 年達(dá)到峰值，隨后有所降低，斑塊形狀趨于規(guī)則化。④其他專類公園斑塊數(shù)年均增加8.33 個，斑塊分形維數(shù)數(shù)值則從1.06 降至1.04，表明?？谑薪ǔ蓞^(qū)專類公園類型趨于單一、簡單化。⑤遺址公園斑塊面積由3.05 hm2降至1.64 hm2，周長增長1.25 倍，表明景觀破碎化現(xiàn)象明顯。⑥游樂公園與遺址公園相似，呈現(xiàn)景觀破碎化趨勢。⑦游園的斑塊數(shù)從35 個增加到130 個，但斑塊面積從1.71 hm2降至0.84 hm2，景觀破碎化程度逐漸加深。

表1 2008—2020 年海口市公園綠地斑塊結(jié)構(gòu)變化指數(shù)Table 1 Change index of green patch structure in Haikou Park from 2008 to 2020

3.1.2 ?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地景觀格局演變特征分析 2008—2020 年海口市建成區(qū)各類型城市公園的景觀格局總體上呈破碎化趨勢，大部分城市公園處于穿孔型(圖2），部分城市公園呈現(xiàn)空間聚集化或景觀擴(kuò)張趨勢。城市綜合公園的景觀格局處于分離型(?L1＞0，?L2＜0，?L4=0），其格局演變過程可能受城市交通或者園林道路建設(shè)的影響；社區(qū)公園格局發(fā)生了多次演變，由分離型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張型(?L1=0，?L2＞0，?L4＜0），最后演變?yōu)榇┛仔??L1=0，?L2＜0，?L3＞0，?L4≥0），很大程度上歸因于外界的人為干擾因素，演變過程較為復(fù)雜，致使其他性質(zhì)的用地類型逐漸轉(zhuǎn)變成社會公園建設(shè)；歷史名園景觀格局由原來的穿孔型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)張型，表明?？谑袌@林建設(shè)一定程度上促進(jìn)了歷史名園綠地面積的增長；其他專類公園空間格局連通性良好，綠地面積持續(xù)增長，景觀格局出現(xiàn)了明顯的景觀聚合現(xiàn)象，處于聚合型(?L1＜0，?L2≥0，?L4＜0）；遺址公園、游樂公園、游園3 種公園類型12 a 間均未發(fā)生明顯的景觀格局變化，屬于穿孔型的景觀格局。

圖2 2008—2020 年?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀格局演變特征示意圖Figure 2 Evolution characteristics of landscape pattern in the built-up area of Haikou from 2008 to 2020

3.1.3 海口市建成區(qū)公園綠地斑塊空間結(jié)構(gòu)分析 由表2 可知：?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地景觀破碎度指數(shù)和景觀蔓延度指數(shù)都呈增長趨勢，2008—2020 年分別增長了1.990 和2.143，其中2013 年蔓延度最低，而2020 年蔓延度最高。表明公園綠地景觀異質(zhì)性在一定程度上增加，但優(yōu)勢斑塊(其他專類公園、綜合公園）之間具有良好的空間連接度，總體趨勢向高集聚方向發(fā)展。

表2 2008—2020 年?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地總體空間破碎度和蔓延度分析Table 2 Analysis of the overall spatial fragmentation degree and spread degree of park greenspace in Haikou built-up area from 2008 to 2020

從表3 可見：綜合公園的景觀分離度指數(shù)呈先升后降的趨勢，2017 年為0.991，而2020 年下降為0.988。同時，其他專類公園在2013 年達(dá)0.947，隨后有所降低?？傮w來看，各類型公園的整體集成度較低，空間聯(lián)系差。由于設(shè)計規(guī)劃策略和政策的影響，在2013 年前后，根據(jù)《海口市城市綠線管理辦法》《?？谑谐鞘芯G地綠線控制規(guī)劃(第一批）》等相關(guān)規(guī)定和園林綠地建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，?？谑泄珗@綠地建設(shè)獲得“井噴式”發(fā)展，但整體空間分布規(guī)律分散程度較高，綠地空間結(jié)構(gòu)單元復(fù)雜化，各類型綠地斑塊碎片化。2017 年，為響應(yīng)“創(chuàng)建全國文明城市和國家衛(wèi)生城市”攻堅戰(zhàn)，提出了“城市更新”“生態(tài)城市”等工作戰(zhàn)略部署，園林空間景觀品質(zhì)獲得顯著成效，綠地空間整體分布由離散式向連續(xù)集中式布局發(fā)展。2020 年綜合公園的規(guī)范化管理，有效保證了各綜合公園之間的空間連續(xù)性，但部分專類公園景觀分離度仍較高，需進(jìn)一步加強(qiáng)公園管理措施。

表3 2008—2020 年?？谑薪ǔ蓞^(qū)各類型公園綠地空間分離度分析Table 3 Spatial separation degree analysis of different types of parks greenspace in the built-up areas of Haikou from 2008 to 2020

3.2 公園綠地可獲得性評價

將2008—2020 年NDVI 平均值、園林綠地面積、綠化覆蓋率、公園數(shù)、公園面積與人均公園綠地面積等進(jìn)行縱向比較，量化?？谑泄珗@綠地的可獲得性水平。從表4 和表5 可見：2020 年，建成區(qū)的綠化覆蓋率和人均公園綠地均高于園林城市標(biāo)準(zhǔn)值(綠化覆蓋率≥36.0%，人均公園綠地面積≥7.5 m2·人-1），城市園林綠地面積從3 558 hm2增加到8 008 hm2，呈線性增長趨勢，近幾年海口市建成區(qū)人均公園綠地面積為12.3～12.5 m2·人-1，但綠化覆蓋率在2015 年達(dá)到峰值(42.9%）后下降趨勢明顯。7 種類型公園的面積占比發(fā)生變化，綜合公園、專類公園和游園3 種類型公園面積占所有公園面積的比例從2008 年的96.55%增加到2020 年的97.04%，?？诮ǔ蓞^(qū)公園建設(shè)的重心正在朝這3 類公園偏移。同時，?？谑薪ǔ蓞^(qū)NDVI 在12 a 間發(fā)生了劇烈變化。雖然建成區(qū)公園面積由628 hm2增加到了1 062 hm2，但?？谑薪ǔ蓞^(qū)綠地植被面積在2013 年綠化程度仍處于較低水平，在2017—2020 年回升并保持穩(wěn)步增長，總體趨勢逐漸向高綠化水平發(fā)展。其中，NDVI 高的區(qū)域主要分布在萬綠園、世紀(jì)公園、白沙門公園等處于近郊或者綠地面積較廣的區(qū)域，NDVI 低的區(qū)域分布在人民公園、海瑞墓等處于市中心或者城市下墊面硬質(zhì)面積較多的區(qū)域。

表4 2008—2020 年?？谑袌@林綠化指標(biāo)Table 4 Landscaping indicators of Haikou City from 2008 to 2020

表5 2008—2020 年?？谑泄珗@綠地類型面積與占比Table 5 Area and proportion of park green space types in Haikou City from 2008 to 2020

3.3 公園綠地可達(dá)性評價

圖3 為Bigemap 全能版地圖提供的海口市POI 位置。

圖3 2020 年?？谑薪ǔ蓞^(qū)POI 位置模擬的城市概況Figure 3 City profile simulated by POI location in the built-up area of Haikou in 2020

如圖4 所示：以距離為阻抗屬性構(gòu)建服務(wù)區(qū)，分析居民生活圈與公園設(shè)施點之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，對服務(wù)區(qū)分析求解后獲取公園所覆蓋的服務(wù)范圍，并探究小區(qū)居民到達(dá)附近公園設(shè)施點的便捷程度。建成區(qū)的公園服務(wù)范圍主要覆蓋了海口市秀英區(qū)西海岸、美蘭區(qū)海甸區(qū)域、龍華區(qū)北部區(qū)域、瓊山區(qū)東部區(qū)域。對于位于其他區(qū)域小區(qū)位置的居民來說，至少需要行駛1 km 以上或步行時長超過15 min 才能到達(dá)附近的公園。

圖4 2020 年?？谑谐鞘泄珗@綠地服務(wù)區(qū)分析Figure 4 Analysis of green space service area of Haikou City Park in 2020

運(yùn)用ArcGIS 以距離為阻抗屬性構(gòu)建最近設(shè)施點分析POI 數(shù)據(jù)(圖5），綜合考慮學(xué)校區(qū)域、路口、單行道等不利因素的影響，分析公園(事件點）與小區(qū)(設(shè)施點）之間的拓?fù)潢P(guān)系，對設(shè)施點分析求解后獲取小區(qū)到公園的最佳路徑。建成區(qū)東部尤其是東北部的小區(qū)到公園的最佳路徑較短，且公園類型多、數(shù)量多，代表公園有世紀(jì)公園、萬綠園、金牛嶺公園等。因此它們的輻射范圍更廣，景觀與人居環(huán)境空間連通性強(qiáng)，便捷程度較高。建成區(qū)西部的小區(qū)到公園的最佳路徑較長，且公園數(shù)量少，主要位于近城區(qū)或者處于濕地保護(hù)區(qū)，景觀空間布局簡單分散，便捷程度較低。

圖5 2020 年海口市城市公園綠地最近設(shè)施點分析Figure 5 Analysis of the closest facility in the green space of Haikou City Park in 2020

4 討論

?？谑薪ǔ蓞^(qū)城市公園形成景觀破碎化整體空間格局，在局部區(qū)域產(chǎn)生集聚式、組團(tuán)式格局演變，這一結(jié)果與李楊[25]、雷金睿等[26]的研究結(jié)果一致。本研究推測，道路建設(shè)和區(qū)域規(guī)劃的進(jìn)一步推進(jìn)是導(dǎo)致?？谑薪ǔ蓞^(qū)景觀破碎化的主要原因之一。2017 年，《海口市總體規(guī)劃(空間類2015—2030）》的編制和公園建設(shè)，在推進(jìn)劃定生態(tài)保護(hù)紅線和城市開發(fā)邊界基礎(chǔ)上，完善中心城區(qū)空間布局的調(diào)整，使建成區(qū)局部區(qū)域保持一定的空間連續(xù)性?！肮聧u式”的公園體系被逐步淘汰，“空間整體性連續(xù)性”是未來城市公園綠地發(fā)展的重要目標(biāo)。因此，要在建設(shè)綠地生態(tài)體系的同時確保各類型公園綠地均衡發(fā)展，平衡好景觀價值、服務(wù)價值和歷史價值之間的關(guān)系。

受研究區(qū)域尺度制約，本研究用網(wǎng)格劃分景觀單元分析海口市建成區(qū)整體區(qū)域，更有利把控整體環(huán)境，也避免小型綠地對整體趨勢的干擾。然而從宏觀角度分析，僅使用4 個年份的遙感數(shù)據(jù)對小尺度景觀格局的趨勢分析會存在一定誤差，使用長時間多時相高精度的遙感圖像，景觀格局的演變趨勢會更具科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。此外，研究過程中只發(fā)現(xiàn)了4 種景觀狀態(tài)類型(分離、擴(kuò)張、聚合、穿孔）和2 種演變(分離→擴(kuò)張→穿孔、穿孔→擴(kuò)張），可能是其他景觀狀態(tài)在研究區(qū)域內(nèi)極少發(fā)生，也可能是其他景觀狀態(tài)類型對公園綠地演變特征不敏感。

基于此，?？谑谐鞘芯G地規(guī)劃應(yīng)有效針對城市公園綠地景觀單元分散和空間連接度差等問題尋求空間布局最優(yōu)解。首先，對于龍華區(qū)和美蘭區(qū)可達(dá)性好的區(qū)域，園林建設(shè)應(yīng)突破傳統(tǒng)的公園設(shè)計范式，保證在城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃和國土空間規(guī)劃下充分利用好土地資源和公園的景觀價值，進(jìn)行景觀提升和空間優(yōu)化吸引周邊居民，豐富居民的人居環(huán)境和綠地供給水平；對于瓊山區(qū)和秀英區(qū)中公園可達(dá)性較差的區(qū)域，應(yīng)在充分考慮游客和市民短途旅行或漫步休憩需求的基礎(chǔ)上，在建成區(qū)轄區(qū)范圍內(nèi)的適宜區(qū)位增設(shè)新的城市公園，以保證公園可獲得性水平和建成區(qū)綠地空間公平。

5 結(jié)論

基于SEDMs 模型和遙感影像研究分析，2008—2020 年海口市各類園林綠化指標(biāo)雖然總體保持線性增長，但各類型綠地之間發(fā)展不平衡，總體上呈現(xiàn)景觀破碎化的趨勢。?？谑薪ǔ蓞^(qū)公園綠地景觀異質(zhì)性明顯增加，整體空間布局由全局離散復(fù)雜化趨于景觀破碎化和局部斑塊規(guī)則化，綠地景觀空間結(jié)構(gòu)由離散非連續(xù)布局向局部中心集聚式布局發(fā)展，總體趨勢向高集聚空間模式發(fā)展，綠地植被總體趨勢向高質(zhì)量綠化模式發(fā)展。