王洋洋,黃錦樓

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從城市生態(tài)系統(tǒng)中獲取的利益[1- 2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一般分為支持服務(wù)、供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)四類。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,支持服務(wù)仍是其他服務(wù)的基礎(chǔ),供給服務(wù)相對較弱,調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)突出[3]。人是城市的主體,居民福祉是城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的目的,城市綠色空間是提供城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要載體。調(diào)節(jié)服務(wù)的主要作用在于改善城市環(huán)境質(zhì)量和居民生理健康,如凈化空氣,減緩熱島效應(yīng),吸收噪音等。文化服務(wù)則是居民心理健康的重要保障。城市綠色空間為生活在高密度城市中的居民提供了重要的緩沖地帶,使其放松身心,緩解壓力,減少負面情緒。已有研究證實城市綠色空間與居民健康水平和生活質(zhì)量密切相關(guān)[4]。

伴隨城市化進程的加快,城市建設(shè)與生態(tài)系統(tǒng)保護之間的矛盾日益突出[5]。城市人口密度激增,為滿足其生產(chǎn)生活需求,城市工程建設(shè)不斷擴張,導(dǎo)致可用的城市綠色空間存量不斷減少[6]。在此前提下,如何提高城市綠色空間的質(zhì)量,提供更多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),成為亟待解決的問題[7]。

城市生態(tài)系統(tǒng)高度人工化,完善的評價指標(biāo)體系是指導(dǎo)其規(guī)劃和管理的核心和基礎(chǔ)[8]。城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要評價方法有指標(biāo)評價法、價值評估法及模型模擬法,其中指標(biāo)評價法的應(yīng)用最為廣泛,也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的重要前提與基礎(chǔ)[9]。目前我國在指導(dǎo)城市綠色空間規(guī)劃時常用的評價指標(biāo)主要是城市綠地面積占比和人均綠地面積這兩類,關(guān)注數(shù)量而忽視了質(zhì)量[10]。

基于以上背景,本文提出了一個城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價指標(biāo)——城市生態(tài)舒適度,通過人體的主觀感受對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能做出質(zhì)量反饋。城市生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)直接影響人體感受,所以人在某處感受到的生態(tài)舒適程度可以反映此處生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的良好程度。在目前的評價指標(biāo)體系偏向宏觀性和整體性的前提下,更加關(guān)注需求方,即人類個體的感受。以人為本,從需求出發(fā),明確什么樣的城市生態(tài)系統(tǒng)能為居民更好地提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),有利于改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡[11- 12]。完善城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價指標(biāo)體系,從全新的角度出發(fā),為城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

結(jié)合Google Earth pro軟件在北京市城區(qū)內(nèi)選取不同綠化水平的7塊樣地,在每塊樣地內(nèi)分不同時間批次隨機采集樣本,樣本數(shù)據(jù)作為構(gòu)建數(shù)學(xué)評價模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),表1為各樣地的基本信息。

2 研究方法

2.1 城市生態(tài)舒適度評價指標(biāo)體系構(gòu)建

城市生態(tài)舒適度旨在通過一個局部小環(huán)境內(nèi)各生態(tài)因子綜合作用達到的舒適程度衡量此處的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。評價指標(biāo)體系的選擇應(yīng)滿足指標(biāo)的作用效果對人的主觀舒適程度有明顯影響,并可以反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效果這兩個標(biāo)準(zhǔn)。

(1)綠視率

當(dāng)處在一個環(huán)境中時,視覺是觀察和感受事物最主要的通道,一般可以獲得80%以上的周圍環(huán)境信息,生態(tài)質(zhì)量好壞會在第一時間反映在視覺感受上,視覺舒適度在很大程度上影響整體的生態(tài)舒適程度[13]。綠色植被不僅可以調(diào)節(jié)城市小氣候,吸收有害氣體,還可以緩解居民的心理壓力,改善情緒,對居民的生理和心理健康起積極作用[14]。綠視率具有時間和空間上的異質(zhì)性,適用于局部小環(huán)境間的生態(tài)質(zhì)量評價和比較[15]。同時綠視率的使用也能彌補傳統(tǒng)二維評價指標(biāo)的不足,更加精細化、人性化,有利于在高密度城區(qū)的用地幾乎已經(jīng)飽和的情況下,發(fā)展二次綠化[16- 17]。故選取綠視率作為城市生態(tài)舒適度評價的首要指標(biāo),從視覺角度反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。

傳統(tǒng)的綠視率定義為人眼視野范圍內(nèi)綠色植被所占比例[18],單指某一方向。在城市生態(tài)舒適度研究中,單一方向的綠視率過于片面,不能反映綜合效應(yīng)。故采用的綠視率指標(biāo)為觀測者一周四個方向的綠視率平均值,反映所處環(huán)境的整體視覺舒適程度。

在視覺舒適度的基礎(chǔ)上,還補充了4個指標(biāo)反映體感舒適度,綜合作用做出城市生態(tài)舒適度評價。

(2)氣候因素

研究表明,對體感舒適程度影響最為突出的是熱環(huán)境[19]。目前國內(nèi)通用的人居環(huán)境氣候舒適度評價國家標(biāo)準(zhǔn)采用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)衡量氣候的適宜程度。其中夏半年使用溫濕指數(shù),指數(shù)的計算采用溫度和濕度兩個指標(biāo)；冬半年使用風(fēng)速指數(shù),指數(shù)的計算采用溫度、風(fēng)速和日照對數(shù)3個指標(biāo)。本文借鑒此標(biāo)準(zhǔn),選取溫度、濕度、風(fēng)力等級3個指標(biāo)加入城市生態(tài)舒適度的評價指標(biāo)體系,從體感角度衡量環(huán)境的舒適程度。城市生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具備良好的調(diào)節(jié)微氣候,降溫增濕等作用,這3個指標(biāo)的表現(xiàn)水平也是反映此處生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的有效指標(biāo)[20]。

(3)空氣質(zhì)量

近年來,工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,給全球帶來了巨大的環(huán)境負荷,特別是PM2.5污染,對人體健康造成了極大的負面影響[21]。有研究指出,PM2.5平均增大10μg/m3時,死亡率將增加0.98%,其引起的呼吸系統(tǒng)疾病死亡率將增加1.68%[22]。城市居民暴露在PM2.5濃度高的環(huán)境中,對身體健康造成損害的同時也直接影響到人體的舒適程度[23]。城市生態(tài)系統(tǒng)具有殺滅空氣中的細菌,吸收毒害氣體,凈化空氣等作用,所以空氣質(zhì)量也是衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的一個標(biāo)準(zhǔn)。故本文選取空氣PM2.5濃度衡量空氣質(zhì)量,作為城市生態(tài)舒適度評價指標(biāo)體系中的一個指標(biāo)。

2.2 樣本采集

7塊樣地上空衛(wèi)星圖及各樣地內(nèi)的樣本分布情況如圖1。在不同綠化水平的7塊樣地內(nèi)共采集56個樣本,記錄樣本點經(jīng)緯度、樣本采集時間、綠視率、溫度、濕度、空氣PM2.5濃度、風(fēng)力等級等信息。同時收集觀測者對樣本點處的生態(tài)舒適程度的主觀打分,10分為滿分,同一塊樣地內(nèi)的樣本舒適度打分來自同一名觀測者,打分將用于在各綠化水平下各指標(biāo)對生態(tài)舒適度的影響作用的定性分析。

圖1 樣地衛(wèi)星圖及樣本分布Fig.1 Satellite image of sample plots and distribution of samples

綠視率數(shù)據(jù)采集方式為：使用照相機在觀測點處朝向前、后、左、右4個方向分別平視拍攝一張照片作為綠視率觀測圖像[24- 25],如圖2。使用本文自主開發(fā)的綠視率計算算法計算每張觀測圖像的綠視率值,再將每個觀測點處四張觀測圖像的綠視率值求平均,即為此處的綠視率[26- 27]。本文開發(fā)的綠視率自動算法原理為：遍歷像素矩陣,對每個像素點進行基于HSV色彩模式的閾值判斷,符合條件視為綠色像素點,再計算綠色像素點數(shù)量占像素點總數(shù)的比例,即為此圖像的綠視率值。經(jīng)驗證此算法基本可靠,可以準(zhǔn)確反映觀測圖像的綠視率水平,且節(jié)省人力,大幅提高工作效率。

圖2 綠視率觀測圖像示例Fig.2 Example of green view index observation images

每張觀測圖像的綠視率值計算公式為：

(1)

式中,GVIi為第i個方向下的綠視率值；ng為此觀測圖像內(nèi)綠色像素點數(shù)量；nt為此觀測圖像的像素點總量。

每個觀測點處的綠視率計算方式為：

(2)

樣本均采集于2019年8月8日至8月31日,各樣地內(nèi)樣本的采集日期及樣本編號見表2。8月份正值盛夏,植物茂盛,長勢處于全年最佳時期,有利于綠視率研究的開展。且夏季植物的蒸騰作用強,降溫增濕效果也較其他時節(jié)更為顯著,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量更高。

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的綜合評價模型構(gòu)建

灰色關(guān)聯(lián)分析法是灰色系統(tǒng)分析法中的一種,是依據(jù)各因素數(shù)列曲線形狀的接近程度做發(fā)展態(tài)勢的分析[28]?；疑P(guān)聯(lián)分析法對于數(shù)據(jù)的數(shù)量和樣本規(guī)律性沒有太多要求,僅僅把主觀表象的數(shù)據(jù)模型化、抽象化、簡便化,使所灰色系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、因素及運行方式等方面由黑變白,逐漸明確,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域[29]。

表2 采樣信息表

城市生態(tài)舒適度受多個指標(biāo)影響,這些不確定因素的相互作用,相互牽制,綜合影響,使得城市生態(tài)舒適度系統(tǒng)成為一個灰色系統(tǒng)。以56個樣本為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)灰色系統(tǒng)的行為特征數(shù)據(jù),充分利用數(shù)據(jù)和信息尋找各指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,即城市生態(tài)舒適度綜合評價模型。

灰色關(guān)聯(lián)分析模型求解的過程如下[30]：

(1)收集關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),選擇參考序列R0=(r01,r02,…,r0n),比較序列Ri=(ri1,ri2,…,rin),并得到評價矩陣R。

R=[rij]m×n(i=1,2,...,m;j=1,2,...,n)

(3)

式中,rij為第i個評價對象的第j個指標(biāo)數(shù)據(jù)；m為評價對象個數(shù)；n為指標(biāo)個數(shù)。

(2)對數(shù)據(jù)化處理后的矩陣進行數(shù)據(jù)變換,標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)得到無量綱標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X=[xij]m×n,xij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評價矩陣指標(biāo)數(shù)據(jù)。本文采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方式,其公式為：

(4)

式中,σ為標(biāo)準(zhǔn)差

(3)求差序列Δ0j(j)、兩級最大差Δmax和最小差Δmin：

Δ0i(j)=|x0j-xij|

(5)

(6)

(7)

式中,x0j為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的參考序列數(shù)據(jù)。

(4)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ0i(j)：

(8)

式中,ρ為取值在 0—1 之間的相關(guān)系數(shù),一般取值為0.5。

(5)計算關(guān)聯(lián)度φ0i：

(9)

2.4 綜合評價模型中的指標(biāo)賦權(quán)與調(diào)整

通過灰色關(guān)聯(lián)模型計算得到的各樣本相對于參考序列的關(guān)聯(lián)度即為綜合評價結(jié)果,也就是該樣本的城市生態(tài)舒適度。但按照公式(9)計算關(guān)聯(lián)度時,各個指標(biāo)不涉及權(quán)重影響,導(dǎo)致各影響因素的個性被平均化而掩蓋,故在做綜合評價時應(yīng)對各指標(biāo)加權(quán)。

首先對模型中的各個指標(biāo)進行初步賦權(quán),將權(quán)重代入模型再次計算各樣本的關(guān)聯(lián)度。將所有樣本得到的關(guān)聯(lián)度與最初觀測者的舒適程度主觀打分做線性回歸擬合,查看擬合優(yōu)度,以驗證此權(quán)重的合理性。再不斷調(diào)整各指標(biāo)的權(quán)重,重復(fù)這個過程,直到擬合優(yōu)度達到最優(yōu),選取此時的權(quán)重為最終權(quán)重。代入權(quán)重后的關(guān)聯(lián)度計算公式為：

(8)

式中,Wj為各指標(biāo)權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同綠化水平下各指標(biāo)對舒適程度主觀打分的影響作用

使用比較歸納法對每塊樣地內(nèi)的樣本進行對比分析,比較在不同綠化水平下各指標(biāo)對觀測者的舒適程度打分的影響作用。

首先以5號樣地中午時段樣本為例,樣本信息見表3。23、24、28號樣本采集于8月9日和16日的中午時段,其中23號和24號樣本除綠視率外其他指標(biāo)水平相近。相較于其他兩個樣本,28號樣本的溫度和濕度更低,空氣質(zhì)量更好,且有風(fēng),但在觀測者的主觀打分上并未呈現(xiàn)優(yōu)勢。而23號樣本即使其他指標(biāo)表現(xiàn)一般,但綠視率最高,舒適程度打分也最高?？沙醪秸f明,在此綠化水平下,綠視率對舒適程度主觀打分的影響作用較其他指標(biāo)更為突出。

表3 5號樣地中午時段樣本對比

再以7號樣本中午時段樣本為例,樣本信息見表4。41、45、54號樣本采集于8月9日、12日、17日中午時段,3個樣本溫度相同。其中54號樣本的濕度最低,空氣質(zhì)量最好,且有風(fēng),盡管綠視率水平不高,依舊獲得最高的舒適程度主觀打分。而45號樣本的濕度較54號明顯更高,即使綠視率水平最高,舒適程度主觀打分也并不高?？沙醪秸f明,在此綠化水平下,綠視率不再是影響舒適程度主觀打分的最主要的指標(biāo),此時濕度的影響作用更為突出,同時PM2.5濃度和風(fēng)力等級也較強的影響作用。

表4 7號樣地中午時段樣本對比

按上述方法對7塊樣地內(nèi)所有時段的樣本一一進行對比分析和歸納,得到在每個綠化水平下對觀測者的舒適程度打分的影響作用較強的一個或幾個指標(biāo),結(jié)果如表5所示。

由表5當(dāng)綠化水平在40%以下時,主要影響指標(biāo)以綠視率為主；當(dāng)綠化水平高于40%時,綠視率的影響作用減弱,濕度成為主要的影響因子,同時PM2.5濃度和風(fēng)力等級的影響作用也較為突出。根據(jù)綠化覆蓋率與綠視率水平對應(yīng)關(guān)系規(guī)律可以知道,綠化覆蓋率為40%時對應(yīng)的綠視率水平一般為30%左右。也就是說,當(dāng)綠視率水平較低時,綠視率對觀測者舒適程度主觀打分的影響作用最大；當(dāng)綠視率水平達到30%左右時,綠視率影響強度減弱,濕度、風(fēng)力等級和PM2.5濃度的影響作用增強,成為主要影響因子。

表5 各綠化水平下觀測者舒適程度主觀打分的主要影響指標(biāo)

3.2 灰色關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建

由表5,將7塊樣地的56個樣本分為兩組進行數(shù)學(xué)模型計算。1—5號樣地綠化水平低于40%,平均綠視率水平低于30%,為第一組,共34個樣本,此時的主要影響指標(biāo)為綠視率。第一組模型選定參考序列為R0a=(47.21,21,15,21,3),其中47.21為樣本中綠視率最高值,21和15為溫度和濕度的最適值,21為樣本中PM2.5濃度最低值,3為風(fēng)力等級最大值。6號和7號樣地綠化水平高于40%,平均綠視率水平高于30%,為第二組,共22個樣本,此時的主要影響指標(biāo)為濕度、空氣質(zhì)量和風(fēng)力等級。第二組模型選定參考序列為R0b=(62.76,21,15,17,3),選取標(biāo)準(zhǔn)同第一組。

3.3 各指標(biāo)的賦權(quán)與調(diào)整

首先根據(jù)表5的定性分析結(jié)果分別對兩組模型中的各個指標(biāo)初步賦權(quán),再不斷對權(quán)重進行調(diào)整與驗證,各賦權(quán)方式與對應(yīng)的擬合優(yōu)度見表6和表7。

表6 第一組模型中各指標(biāo)權(quán)重與對應(yīng)的擬合優(yōu)度

表7 第二組模型中各指標(biāo)權(quán)重與對應(yīng)的擬合優(yōu)度

由表6和表7可得,經(jīng)過多次調(diào)整和檢驗,第一組的最終權(quán)重確定為10∶1∶1∶1∶2,第二組的權(quán)重確定為1∶1∶5∶10∶5,此時模型計算出的城市生態(tài)舒適度與舒適程度主觀打分?jǐn)M合程度最高,可以互相解釋。也就是說,此時通過模型做出的城市生態(tài)舒適度綜合評價水平與觀測者的主觀感受最為相近。

3.4 模型評價結(jié)果的驗證

將通過灰色關(guān)聯(lián)模型結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重計算得到的評價結(jié)果與采樣時記錄的舒適程度主觀打分做對比,以驗證評價模型的準(zhǔn)確性。

由表5,綠視率水平低于30%的第一組模型中,各指標(biāo)權(quán)重確定為10∶1∶1∶1∶2,此時模型的評價結(jié)果與舒適程度主觀打分間的線性擬合優(yōu)度為R2=0.672,共34個樣本的城市生態(tài)舒適度模型評價結(jié)果與舒適程度主觀打分的對比圖如圖3。由表6,綠視率水平高于30%的第二組模型中各指標(biāo)權(quán)重確定為1∶1∶5∶10∶5,此時模型的評價結(jié)果與舒適程度主觀打分間的線性擬合優(yōu)度為R2=0.595,共22個樣本的城市生態(tài)舒適度模型評價結(jié)果與舒適程度主觀打分的對比圖如圖4。

圖3 第一組模型評價結(jié)果與舒適程度主觀打分對比Fig.3 Comparison between the evaluation results and the subjective scoring of comfort of the first model

圖4 第二組模型評價結(jié)果與舒適程度主觀打分對比Fig.4 Comparison between the evaluation results and the subjective scoring of comfort of the second model

由圖3和圖4可以看出,除少數(shù)樣本的模擬值與實測值間有較大誤差外,城市生態(tài)舒適度模型評價結(jié)果與舒適程度主觀打分的變化趨勢基本相同,吻合程度較理想。表明模型可以對人體的生態(tài)舒適程度做出有效模擬,評價結(jié)果基本可靠。

4 討論

本文提出了一個城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量評價指標(biāo)——城市生態(tài)舒適度,并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法構(gòu)建了綜合評價模型。在模型構(gòu)建過程中,通過對樣本的條件對比分析和總結(jié)歸納得出,當(dāng)綠視率水平低于30%時,綠視率是影響城市生態(tài)舒適度的主要因子；當(dāng)綠視率水平高于30%時,濕度、空氣質(zhì)量和風(fēng)力等級成為突出的影響因子。這可能說明當(dāng)人們對周圍環(huán)境的生態(tài)舒適程度做出判斷時,綠色植被的數(shù)量和密度是首要的考慮因素,綠視率水平首先影響人們的主觀感受。當(dāng)整體綠化水平較低時,綠視率是唯一的決定性因素。當(dāng)綠化水平升高到一定程度后,綠視率的影響作用不再突出,此時人們對綠量已經(jīng)達到滿意,關(guān)注點轉(zhuǎn)移到濕度、空氣質(zhì)量和風(fēng)力等級等其他影響因子上。所以,在城市綠色空間規(guī)劃時,不需要一味地提高綠化水平,提升綠視率至30%左右即可使居民達到滿意程度。

在模型的驗證中,兩組樣本的驗證結(jié)果相比,第一組的線性擬合效果優(yōu)于第二組。因為在綠視率水平較低時,綠視率是唯一的主要影響因子,生態(tài)舒適度的變化趨勢相對容易預(yù)測。而當(dāng)綠視率水平高于30%時,濕度、PM2.5濃度和風(fēng)力等級都對評價結(jié)果有著突出的影響作用,幾個主要影響指標(biāo)間相互作用關(guān)系的不明確使模擬增加了難度。兩組樣本中均有個別樣本的模型評價結(jié)果與舒適程度主觀打分相差較大。首先,評價指標(biāo)體系的完善可使模型的準(zhǔn)確度更高,比如在道路附近,噪音也是一個重要的影響指標(biāo)。同時,作為實測值的舒適程度打分是主觀判斷,個人偏好對打分結(jié)果有一定影響,但模型計算僅考慮各指標(biāo)的客觀水平,可能導(dǎo)致在某些情況下二者的差異較大。

整體來看,驗證結(jié)果可以表明此模型做出的城市生態(tài)舒適度評價基本可以反映樣本點處的生態(tài)舒適程度,也就是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。此模型的構(gòu)建過程中主觀與客觀相結(jié)合,計算模型科學(xué)合理且具有實際意義。城市生態(tài)舒適度評價指標(biāo)的提出和評價模型的構(gòu)建可為城市生態(tài)系統(tǒng)管理和規(guī)劃提供新的角度和方法,進而提高居民福祉。