基于ArcGIS Engine的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)智能規(guī)劃系統(tǒng)研發(fā)與實證

張 浪 仲啟鋮 張桂蓮 鄭諧維 張 瑞 李曉策 余浩然 王雨潔 屈子雅

（1.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，城市困難立地生態(tài)園林國家林業(yè)和草原局重點實驗室，國家林業(yè)和草原局城市困難立地綠化造林國家創(chuàng)新聯(lián)盟，上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232；2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，南京 211199；3.南京林業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，南京 210037）

針對現(xiàn)有城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法復(fù)雜多樣、常用軟件功能單一、規(guī)劃支撐效果有限等問題，研發(fā)了城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)智能規(guī)劃系統(tǒng)。將保護生物多樣性、提升功能連接度作為城市尺度綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的核心目標(biāo)，統(tǒng)籌其他生態(tài)與社會服務(wù)功能，梳理和綜合圖論、生境質(zhì)量評價、最小累積阻力模型和電路理論等生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬和分析方法，基于NET平臺，采用ArcGIS Engine、C#、Python等技術(shù)，通過GIS二次開發(fā)方式實現(xiàn)系統(tǒng)各項功能，并以上海市閔行區(qū)為對象進行了實證分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)可自動執(zhí)行生態(tài)源地篩選、綜合阻力面構(gòu)建、生態(tài)廊道路徑提取、生態(tài)廊道寬度確定、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)效能評價等技術(shù)環(huán)節(jié)，一鍵生成城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)不同情景的對比分析，為規(guī)劃實踐提供多情景、可視化的輔助決策。

城市綠地；生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；ArcGIS Engine；系統(tǒng)研發(fā)；智能規(guī)劃

城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，是指通過生態(tài)廊道、綠道、生物踏腳石等，將城市內(nèi)分散的綠地、林地、濕地、自然保護地等有機聯(lián)系而成的具有一定連接度的復(fù)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[1-2]。這一概念起源于歐洲和北美的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與綠道網(wǎng)絡(luò)等，國內(nèi)相關(guān)研究從20世紀(jì)90年代開始興起[3]。為應(yīng)對快速城市化帶來的諸多生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)，實現(xiàn)山水林田湖草一體化保護和修復(fù)，在城市及其影響范圍內(nèi)構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理、功能復(fù)合的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，對于恢復(fù)和維持景觀連通性，保護城市生物多樣性，改善城市生態(tài)環(huán)境狀況，重塑人與自然和諧關(guān)系具有重要意義[4-5]。

目前，基于景觀生態(tài)學(xué)原理的“生態(tài)源地識別-綜合阻力面構(gòu)建-生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生成”模式是國內(nèi)外開展生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的主流模式。現(xiàn)有國內(nèi)外城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究?；谶@一基本模式，選用和組合不同模型和方法依次實現(xiàn)各個技術(shù)環(huán)節(jié)。這些方法包括景觀格局分析、形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價、圖論（Graph Theory）、最小成本路徑分析（Least Cost Path，LCP）或最小累積阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）、重力模型（Gravity Model）、電路理論（Circuit Theory）等[6-7]。如王越和林菁等[8]探討了如何基于MSPA選擇生態(tài)源地，并利用LCP法開展城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的模擬。Kong等[9]基于MCR模型和重力模型，對濟南市的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行了模擬和評價。劉曉陽等[10]綜合運用AHP、GIS技術(shù)和LCP法，構(gòu)建了廈門市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。Zhang等[11]基于MSPA、圖論等方法對上海市閔行區(qū)的現(xiàn)狀綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行了提取和評價。Manon等[12]采用MCR模型模擬了法國兩個城市的綠道網(wǎng)絡(luò)，并用實測的動物移動數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行了驗證。由此可見，不同研究的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法存在一定差異，目前并無一套適用于人口稠密、用地緊缺的城市化區(qū)域的通用方法。同時，上述研究采用了多種多樣的軟件工具，如Linkage Mapper、Graphhab、Conefor、Invest等，但不同軟件工具的功能相對單一，受使用者主觀影響大，難以為規(guī)劃實踐提供多情景、可視化的輔助決策。

ArcGIS Engine是美國ESRI公司推出一套基于組件技術(shù)的GIS開發(fā)工具，可用于建立自定義獨立地理信息系統(tǒng)（GIS）應(yīng)用程序，同時支持多種應(yīng)用程序接口（Application Program Interfaces，APIs）?；贏rcGIS Engine研發(fā)一套具有標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、情景比對和可視化展示等功能的定制GIS系統(tǒng)，對于城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實踐具有重要價值。目前，類似的GIS系統(tǒng)多見于自然資源管理、土地變更調(diào)查、農(nóng)林生產(chǎn)管理等領(lǐng)域[13-15]，在城市生態(tài)規(guī)劃與風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域較為少見。

因此，文章擬以輔助城市尺度綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為目標(biāo)，梳理建立一套標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程，采用ArcGIS Engine等技術(shù)，集成相關(guān)模型和軟件功能，研發(fā)一套能獨立運行、可輔助決策的定制化GIS系統(tǒng)，實現(xiàn)城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)的自動生成、分析評價和情景對比。

1 技術(shù)路線與研究方法

1.1 技術(shù)路線

圖1是本系統(tǒng)所采用的技術(shù)路線圖。在“生態(tài)源地識別-綜合阻力面構(gòu)建-生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生成”基本模式基礎(chǔ)上，本文聚焦在人口稠密、用地緊缺的城市及其影響范圍內(nèi)構(gòu)建城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)旨在應(yīng)對高強度人類活動和氣候變化所帶來的生境破碎化、熱島效應(yīng)等環(huán)境壓力，以綠地、林地、濕地為主要用地要素，以提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能連接度作為核心目標(biāo)，兼具多種其他生態(tài)與社會服務(wù)功能。在此基礎(chǔ)上，本文基于國內(nèi)外最新研究成果，組織和梳理了生態(tài)源地篩選、綜合阻力面構(gòu)建、生態(tài)廊道路徑提取、生態(tài)廊道寬度劃定、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生成和空間效能評價等技術(shù)環(huán)節(jié)及其相應(yīng)的支撐方法。并基于ArcGIS Engine將上述環(huán)節(jié)和方法固化，研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的GIS軟件系統(tǒng)，從而為科學(xué)、客觀規(guī)劃城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)提供實用軟件工具。

圖1 本系統(tǒng)所采用的技術(shù)路線圖Fig.1 The technology roadmap used in the system

1.2 采用的主要模型和方法

1.2.1 圖論理論模型

圖論廣泛應(yīng)用在信息科學(xué)、社會科學(xué)以及生態(tài)學(xué)的食物鏈與食物網(wǎng)分析，是量化網(wǎng)絡(luò)連接度和流量的重要方法[16]。圖是由一系列的節(jié)點和連接它們的線段所組成的，能較好地反映景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)連接度和功能連接度[17]。在本系統(tǒng)中，基于圖論理論的模型一方面被用來計算城市綠地斑塊的連接度重要性，以作為生態(tài)源地篩選的重要指標(biāo)之一；另一方面，系統(tǒng)還可基于圖論計算綜合連接度指數(shù)（Integral Index of Connectivity，IIC）和連接度概率指數(shù)（Probability of Connectivity，PC），評價城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果的整體連接度。

1.2.2 生境質(zhì)量評價模型

參考生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡綜合評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，InVEST）中的生境質(zhì)量（habitat quality）模塊，采用土地利用數(shù)據(jù)判斷威脅源，對每個潛在生態(tài)源地的生境質(zhì)量指數(shù)進行計算。威脅程度越低，生境質(zhì)量越高[18]。選取道路用地、工礦用地和物流用地三大用地作為威脅源，選擇指數(shù)距離衰減函數(shù)來描述威脅的空間衰減。在本系統(tǒng)中，生境質(zhì)量模型被用于評價城市綠地斑塊的生境質(zhì)量，以作為生態(tài)源地篩選的重要指標(biāo)之一。

1.2.3 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型以阻力距離度量景觀連通性，通過計算物種由生態(tài)源地擴散至空間某點的最小累積阻力實現(xiàn)最小成本路徑的提取[19-20]。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和景觀連通性分析研究中，MCR模型普遍被用于提取生態(tài)源地之間符合最小成本路徑特征的生態(tài)廊道路徑。在本系統(tǒng)中，同樣基于MCR模型提取城市生態(tài)廊道的潛在路徑。

1.2.4 電路理論模型

電路理論基于電流隨機漫步的特性，將景觀面看作一個導(dǎo)電面，用電子在電路中隨機流動的特性來模擬物種個體或基因在景觀中遷徙擴散過程，景觀中的電流密度越高，物種穿過此處的概率就越大[21]。在本系統(tǒng)中，一方面，基于電路理論模型衡量由MCR模型所提取的潛在廊道路徑的電流鄰近中心度，以反映其對維持整個網(wǎng)絡(luò)功能連接度的重要性，從而確定優(yōu)先級較高的廊道；另一方面，基于電路理論模型生成整個景觀面的電流密度分布圖，并以此表征功能連接度。

1.2.5 最小理想寬度確定模型

廊道寬度是城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的難點和重點，已有的廊道寬度確定方法多以文獻資料為依據(jù)，輔以主觀判斷，缺乏客觀性，不能定量反映廊道寬度與連接度之間的關(guān)系[22-23]。針對這一問題，研究團隊自主研發(fā)了基于功能連接度的城市生態(tài)廊道最小理想寬度確定方法。該方法整合MCR、電路理論和分段線型回歸模型[24]，可自動提取對象區(qū)域每條廊道路徑“寬度-連接度效益成本比”散點圖的唯一未知折點，將對應(yīng)寬度確定為該條廊道的最小理想寬度。在本系統(tǒng)中，采用該模型來自動確定每條城市生態(tài)廊道的適宜寬度。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用主流的文件地理數(shù)據(jù)庫（FileGDB），可以通過ArcGIS Engine軟件進行讀取，并通過FileGDB SDK API的SQL引擎進行數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計。系統(tǒng)運行所需數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)為主，包含矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩大類。以城市綠地矢量數(shù)據(jù)為例，關(guān)鍵屬性字段包括綠地編號GREEN_ID（長整型）、綠地類型LHTYPE（字符型）和綠地面積Shape_Area（雙精度）。柵格數(shù)據(jù)如NDVI指數(shù)、地表溫度等，為自帶空間坐標(biāo)的Geotiff格式數(shù)據(jù)，最低分辨率要求為30 m。CSV數(shù)據(jù)文件則用來存儲一系列模型參數(shù)和統(tǒng)計分析結(jié)果。

1.3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

在進行系統(tǒng)功能設(shè)計時，充分考慮了城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬和分析的主要技術(shù)環(huán)節(jié)和所需的各類數(shù)據(jù)，同時滿足可分步驟或一鍵自動執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的功能需求，設(shè)計了項目和情景二級工程管理方式，確定了城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)智能規(guī)劃系統(tǒng)的各功能模塊。包括常規(guī)GIS功能、項目管理、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和分析評價4大專業(yè)功能模塊（圖2）。系統(tǒng)可以實現(xiàn)項目管理→情景管理→源地篩選→阻力面構(gòu)建→廊道路徑提取→電流密度計算→廊道寬度確定→綜合圖生成→情景對比→情景權(quán)衡→效能評價→結(jié)果導(dǎo)出的整個城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程。

圖2 系統(tǒng)主要功能模塊Fig.2 Major function modules of the system

1.3.3 系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)（C/S架構(gòu)），以Microsoft Visual Studio 2015作為開發(fā)平臺，采用C#語言，基于ArcGIS Engine的組件式GIS二次開發(fā)方式，可在個人計算機或者服務(wù)器上安裝和使用。ArcGIS Engine是美國ESRI公司推出的一套功能完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫，用戶可以基于ArcGIS Engine和業(yè)務(wù)工作實際，開發(fā)出滿足業(yè)務(wù)需求的GIS軟件，并可以脫離ArcGIS桌面端而獨立運行。C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言。除了GIS的基本功能外，本系統(tǒng)通過python語言，采用命令行形式調(diào)用一系列生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬和分析模型，實現(xiàn)包括但不限于Conefor、Linkage mapper、Circuitscape、以及Invest等軟件工具所具備的相關(guān)功能。

2 系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果

2.1 系統(tǒng)主界面

主界面包括菜單欄、工具條、內(nèi)容列表欄、地圖窗口和地圖狀態(tài)欄（圖3）。上方的一級菜單欄為系統(tǒng)的三大專業(yè)功能模塊。二級菜單為具體功能鍵。中間的工具條包含一系列GIS基本功能命令，包括數(shù)據(jù)選擇、加載、編輯、保存、平移、全圖、放大、縮小等。右側(cè)的地圖窗口用于顯示和表達系統(tǒng)運行過程中所使用的空間數(shù)據(jù)。左側(cè)的內(nèi)容列表欄，顯示了地圖中所包含的內(nèi)容、數(shù)據(jù)顯示順序、數(shù)據(jù)表達方式等。下方的地圖狀態(tài)欄則可顯示命令或者操作的提示信息，以及坐標(biāo)信息等內(nèi)容。

圖3 系統(tǒng)主界面圖Fig.3 Main interface of the system

2.2 項目管理模塊

該模塊支持項目的創(chuàng)建和打開，每個項目可包括多個情景，方便對同一對象區(qū)域執(zhí)行不同情景的模型運行和成果對比。具體功能模塊包括：新建項目、打開項目、系統(tǒng)簡介等。

（1）新建項目。創(chuàng)建新項目，填寫項目名稱、選擇統(tǒng)一坐標(biāo)系、設(shè)置項目存儲路徑。每個項目下設(shè)不同情景的配置文件、初始數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、最終成果等均會存入該存儲路徑下。

（2）打開項目。瀏覽、查看和選擇已創(chuàng)建項目，打開相應(yīng)已創(chuàng)建的項目，用戶可繼續(xù)完成該項目下任一尚未完成的情景。

（3）系統(tǒng)簡介。對系統(tǒng)的主要原理、開發(fā)環(huán)境和適用條件等進行介紹。同時還提供系統(tǒng)的簡明操作手冊，供用戶瀏覽、查詢和使用。

2.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模塊

該模塊支持情景創(chuàng)建和管理，在每個情景下，用戶可基于本系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)加載、參數(shù)設(shè)置和整套生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬和分析流程，實現(xiàn)城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)的智能生成。具體功能模塊包括：新建情景、情景管理、源地篩選、阻力面構(gòu)建、路徑提取、電流計算、廊道劃定、綜合圖生成以及上述所有步驟的一鍵執(zhí)行等。

（1）新建情景。創(chuàng)建新情景，填寫情景名稱，點擊保存后生成情景配置文件，后續(xù)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建各功能模塊下設(shè)定的數(shù)據(jù)路徑和各項參數(shù)均存儲在對應(yīng)的配置文件中。

（2）情景管理。列表顯示當(dāng)前項目下所有的情景，以及每個情景下網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建各技術(shù)環(huán)節(jié)的情景配置和運算完成情況。點擊未完成的環(huán)節(jié)，可以跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)環(huán)節(jié)的對話框。

（3）源地篩選。選擇某一情景，用戶依次完成源地初始化、評價指標(biāo)設(shè)定、評價權(quán)重設(shè)定和補充源地選擇4個選項卡的情景配置，點擊保存后，情景配置數(shù)據(jù)存入配置文件?？蛇x的生態(tài)源地篩選指標(biāo)包括服務(wù)覆蓋半徑、公交可達性、植被質(zhì)量、連接度重要性、生境質(zhì)量、緩解熱島效應(yīng)作用等。系統(tǒng)可基于內(nèi)置的城市生態(tài)源地綜合評價模型，自動完成對象區(qū)域重要生態(tài)源地的篩選。

（4）阻力面構(gòu)建。選擇某一情景，系統(tǒng)自動進行同步，根據(jù)目標(biāo)物種對生境的要求和移動能力，用戶依次完成阻力因子設(shè)定、因子權(quán)重設(shè)定和補充阻力面選擇三個選項卡的情景配置，點擊保存后情景配置數(shù)據(jù)存入配置文件?？蛇x的阻力因子包括土地利用、地表高程、距生態(tài)源地距離、植被質(zhì)量、人口密度、距骨干河流距離和距骨干道路距離等。系統(tǒng)可基于內(nèi)置的綜合阻力面構(gòu)建模型，自動生成對象區(qū)域的綜合阻力面。

（5）路徑提取。選擇某一情景，系統(tǒng)自動進行同步，選擇網(wǎng)絡(luò)鄰接算法，完成參數(shù)設(shè)置，點擊保存后情景配置數(shù)據(jù)存入配置文件。系統(tǒng)基于（3）和（4）分別生成的生態(tài)源地和綜合阻力面，自動調(diào)用MCR模型，確定目標(biāo)物種經(jīng)由阻力面在源地間移動時耗費最小的廊道路徑。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可進一步調(diào)用電路理論模型，計算每條廊道路徑的電流鄰近中心度，并根據(jù)預(yù)設(shè)閾值自動篩選優(yōu)先級高的廊道路徑（即有效廊道）。

（6）電流計算。選擇某一情景，系統(tǒng)將自動進行同步，選擇電流計算模式（“一對多”或“多對多”），完成參數(shù)設(shè)置，點擊保存后情景配置數(shù)據(jù)存入配置文件。系統(tǒng)同樣基于（3）和（4）分別生成的生態(tài)源地和綜合阻力面，自動調(diào)用電路理論模型，計算目標(biāo)物種在經(jīng)由阻力面在源地之間隨機遷移而生成的電流密度，并根據(jù)預(yù)設(shè)閾值將電流密度圖剪切至一定適宜的空間范圍內(nèi)。

（7）廊道劃定。選擇某一情景，系統(tǒng)將自動進行同步，完成參數(shù)設(shè)置，點擊保存后情景配置數(shù)據(jù)存入配置文件。系統(tǒng)可基于（5）和（6）兩個技術(shù)環(huán)節(jié)的結(jié)果，調(diào)用團隊自主研發(fā)的最小理想寬度確定模型，自動批量進行對象區(qū)域每條有效廊道“寬度-連接度效益成本比”分段線型回歸曲線的擬合，并提取唯一未知折點，將對應(yīng)寬度作為最小理想寬度賦予特定的廊道路徑，從而完成廊道寬度的自動確定。

（8）綜合圖生成。選擇某一情景，系統(tǒng)將自動進行同步。用戶選擇所關(guān)心的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)（默認選擇研究區(qū)邊界、源地篩選結(jié)果、廊道劃定結(jié)果三個矢量數(shù)據(jù)），點擊保存后情景配置數(shù)據(jù)存入配置文件。系統(tǒng)將自動對這些矢量數(shù)據(jù)進行空間疊加和自動渲染，完成綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果的綜合制圖。

（9）一鍵自動執(zhí)行。選擇某一情景，用戶查看各功能模塊的數(shù)據(jù)加載和參數(shù)配置情況，確認無誤后點擊提交。系統(tǒng)將調(diào)用該情景下各功能模塊的配置文件，根據(jù)數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系，依次執(zhí)行所有模型的運行，一鍵自動完成（3） - （8）所有步驟，從而一鍵智能生成對象區(qū)域城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的布局結(jié)構(gòu)。

2.4 分析評價模塊

該模塊基于不同城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建情景，實現(xiàn)情景空間對比、情景權(quán)衡分析與網(wǎng)絡(luò)效能評價等功能，并支持用戶對于各類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和分析成果的瀏覽、查看和下載。

（1）情景比對。選擇兩個已完成計算的情景，及擬進行空間對比的過程或者結(jié)果數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可自動對所選矢量或柵格數(shù)據(jù)進行同屏展示，方便用戶直觀了解不同情景配置下的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果在空間上的差異。

（2）情景權(quán)衡。將不同情景的過程或者結(jié)果數(shù)據(jù)進行空間合并，方便用戶直觀了解不同情景網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果的相同和不同之處。可支持多個情景網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果的空間整合與權(quán)衡分析，為相關(guān)規(guī)劃提供決策依據(jù)。

（3）效能評價?；谀骋磺榫埃x擇用于評價城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間效能的指標(biāo)[25]，包括源地、廊道、結(jié)構(gòu)連接度和功能連接度等方面。系統(tǒng)可基于內(nèi)置的評價方法，自動實現(xiàn)對城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果空間效能的評價，并生成相應(yīng)的效能評價表。

（4）成果導(dǎo)出。選擇需要導(dǎo)出的過程或者結(jié)果數(shù)據(jù)，導(dǎo)出矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)Excel表格或者成果圖片。

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

閔行區(qū)，隸屬于上海市，位于上海市中心城區(qū)西南部（北緯31°5′，東經(jīng)121°25′）。全區(qū)行政總面積373.3 km2，其中城市開發(fā)邊界內(nèi)面積276.9 km2。閔行區(qū)地勢平坦，地面標(biāo)高3.3 ～4.8 m；黃浦江貫穿其間，吳淞江、淀浦河、大治河等骨干水系與區(qū)內(nèi)200多條河道組成河網(wǎng)。截至2017年底，閔行區(qū)下轄9個鎮(zhèn)、4個街道（其中浦西片區(qū)11個街鎮(zhèn)，浦東片區(qū)2個街鎮(zhèn)）。2019年末，全區(qū)常住人口為254.93萬人，其中外來常住人口為125.14萬人。根據(jù)閔行2035規(guī)劃，至2035年，閔行區(qū)將建設(shè)成為上海卓越的全球城市、具有世界影響力的社會主義現(xiàn)代化國際大都市的重要戰(zhàn)略支撐區(qū)，品質(zhì)卓越、生態(tài)宜居的現(xiàn)代化新城區(qū)。

3.2 數(shù)據(jù)收集與準(zhǔn)備

本研究采用的數(shù)據(jù)包含上海市閔行區(qū)城市綠地矢量數(shù)據(jù)（2020年）、土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)（2019年）、可更新用地矢量數(shù)據(jù)（2019年）、城市開發(fā)邊界矢量數(shù)據(jù)（2020年）（相關(guān)數(shù)據(jù)源自閔行區(qū)綠化和市容局、區(qū)規(guī)劃和自然資源局、區(qū)統(tǒng)計局等），公交與軌道交通站點數(shù)據(jù)（2019年，上海市測繪院提供）、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model，DEM）（分辨率30 m，上海市測繪院提供）、夏季歸一化植被指數(shù)柵格數(shù)據(jù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）（分辨率10 m，原始數(shù)據(jù)來源為2019年夏季高分2號數(shù)據(jù)）、夏季白天地表溫度柵格數(shù)據(jù)（分辨率10 m，原始數(shù)據(jù)來源為2019年夏季高分2號）、2019年夏季某周末下午3點全區(qū)人口密度點數(shù)據(jù)（手機信令數(shù)據(jù)，自中國聯(lián)通上海公司處購買）等數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)運行結(jié)果

按照系統(tǒng)操作流程，將小型哺乳類野生動物作為閔行區(qū)生物多樣性保護的目標(biāo)物種，建立項目和情景二級工程，將上述空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，并完成必要的參數(shù)配置，確認無誤后點擊一鍵執(zhí)行，系統(tǒng)開始自動運行。

系統(tǒng)首先執(zhí)行城市生態(tài)源地自動篩選，共從閔行區(qū)現(xiàn)有大型城市綠地斑塊中篩選出重要生態(tài)源地28個，總面積為19.32 km2，平均面積為0.69 km2（圖4）；隨后，系統(tǒng)自動執(zhí)行綜合阻力面構(gòu)建，生成了包含閔行區(qū)及其周邊2 km緩沖區(qū)的綜合阻力面（圖5）；緊接著，系統(tǒng)自動執(zhí)行城市生態(tài)廊道路徑提取，共提取出有效廊道69條，總長度為23.2 km，平均廊道長度為3.4 km（圖6）；接下來系統(tǒng)自動執(zhí)行城市生態(tài)廊道空間劃定，共劃定了廊道總面積為17.4 km2，平均面積為2.53 km2，平均寬度為45.4 m。最終，依托該系統(tǒng)，一鍵智能生成了閔行區(qū)城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的總體布局結(jié)構(gòu)（圖7）。本案例中閔行區(qū)城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果部分空間效能指標(biāo)的評價結(jié)果如表1所示。

表1 閔行區(qū)城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成果連接度評價結(jié)果Tab.1 Evaluation result of connectivity of urban green space ecological network construction in Minhang District

圖4 城市生態(tài)源地自動篩選Fig.4 Automatic screening of urban ecological source

圖5 綜合阻力面自動構(gòu)建Fig.5 Automatic construction of comprehensive resistance surface

圖6 城市生態(tài)廊道路徑自動提取Fig.6 Automatic extraction of urban ecological corridor path

圖7 城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)自動構(gòu)建成果Fig.7 Automatic construction results of urban green space ecological network

從實證結(jié)果看，該系統(tǒng)能提取重要城市生態(tài)源地，劃定城市生態(tài)廊道最優(yōu)路徑及其適宜寬度，從而增強整個城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的功能連接度。為進一步分析該系統(tǒng)應(yīng)用于實際規(guī)劃實踐的可行性，本文將基于該系統(tǒng)自動生成的閔行區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖（簡稱機器規(guī)劃）與《閔行區(qū)總體規(guī)劃（2017 - 2035）》中人為主觀劃定的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃圖（簡稱人為規(guī)劃）進行了對比（圖8）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：盡管兩種方法的技術(shù)路線存在較大差別，但在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的總體布局結(jié)構(gòu)上比較相似，在大型生態(tài)源地篩選和主要生態(tài)廊道提取結(jié)果方面也存在一定共性。相比之下，人為規(guī)劃主要沿城市河道、道路布局廊道空間，依據(jù)河道、道路等級劃定了相對統(tǒng)一的廊道寬度，但是在復(fù)雜的城市環(huán)境中，難以保障規(guī)劃的生態(tài)廊道空間有效實施落地；而機器規(guī)劃則能科學(xué)、自動識別對于增強生物多樣性保護水平，提升城市生態(tài)宜居水平較為重要的廊道區(qū)段，并給出其適宜寬度，為實際規(guī)劃建設(shè)提供更加節(jié)約、更加高效的廊道選線和劃定策略。

圖8 系統(tǒng)自動生成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（左）與人為規(guī)劃生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（右）對比Fig.8 Comparison between the ecological network automatically generated by the ecological system (left) and the network planned manually (right)

4 結(jié)論與討論

《中共中央國務(wù)院關(guān)于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施的若干意見》（國務(wù)院公報2019年第16號）提出要“構(gòu)建生態(tài)廊道和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，推進生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)”。在人口稠密、用地緊缺的城市中，特別是中心城及其周邊區(qū)域，城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及其他同類規(guī)劃，已突破了傳統(tǒng)城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的范疇，成為國土空間規(guī)劃的重要專項內(nèi)容之一。當(dāng)前，一系列生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬和分析軟件工具可用于輔助城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[26-29]。然而，這些軟件工具適用范圍不同、功能相對單一，效果受使用者主觀影響較大，無法為城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供多情景、可視化的智能輔助和決策支持。

本文將“生態(tài)源地識別-綜合阻力面構(gòu)建-生態(tài)網(wǎng)絡(luò)生成”的基本模式進行邏輯推演，以保護城市生物多樣性、提升功能連接度作為核心目標(biāo)，統(tǒng)籌其他生態(tài)與社會服務(wù)功能，提出了一套在城市及其影響范圍內(nèi)構(gòu)建綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程。在此基礎(chǔ)上，甄選和綜合圖論、生境質(zhì)量評價、最小累積阻力模型和電路理論等方法，基于NET平臺，采用ArcGIS Engine、C#、Python等技術(shù)，通過GIS二次開發(fā)方式，研制了一套理論依據(jù)充分、技術(shù)流程明確的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)智能規(guī)劃系統(tǒng)。實證結(jié)果表明，該系統(tǒng)可自動執(zhí)行生態(tài)源地篩選、綜合阻力面構(gòu)建、生態(tài)廊道路徑提取、生態(tài)廊道寬度確定、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)效能評價等技術(shù)環(huán)節(jié)，一鍵智能生成城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)不同情景的空間對比與權(quán)衡分析等功能。需要指出的是，該系統(tǒng)目前主要適用于在國內(nèi)東部城市化區(qū)域構(gòu)建以保護生物多樣性為主要目標(biāo)的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)。但實際規(guī)劃工作除了考量生物多樣性保護，還需要與功能分區(qū)、交通系統(tǒng)、城市形態(tài)等影響因素相協(xié)調(diào)，因此本系統(tǒng)無法直接替代人為主導(dǎo)的規(guī)劃工作。

注：文中圖表均由作者繪制。