楊 健 戚智勇 彭舒妍

1 中南大學建筑與藝術學院 長沙 410000 2 中國農(nóng)業(yè)科學院都市農(nóng)業(yè)研究所 成都 610000 3 東南大學建筑學院 南京 210000

在快速城市化進程中， 綠色空間逐漸受到侵蝕和分割， 生態(tài)系統(tǒng)承受巨大壓力[1]。 西方學者將綠地、 水體、 公園、 森林等具有自然生態(tài)價值、內(nèi)部相互連接的綠色開放空間網(wǎng)絡統(tǒng)稱為綠色基礎設施(Green Infrastructure， GI)[2]。 GI 為人類和野生動物提供自然場所， 保護自然生態(tài)系統(tǒng)，促進人類社會和諧統(tǒng)一、 社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[3]?？臻g 上， GI 是 由 網(wǎng) 絡 中 心 ( hubs)、 廊 道(links)、 節(jié)點(sites) 構成的跨尺度、 多層次的綠色空間網(wǎng)絡[4]。 綠色基礎設施網(wǎng)絡對于保護區(qū)域物種多樣性、 維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體性具有重要作用[5]。

近年來， 人居環(huán)境日益受到重視， 國內(nèi)外學者從多方面對GI 展開廣泛研究， 主要集中在GI的概念內(nèi)涵[6]、 規(guī)劃建設及技術方法[7-8]、 實踐案例研究[9-10]等。 基于RS 與GIS 技術平臺的定量研究方法逐漸應用于GI 網(wǎng)絡分析中， 如形態(tài)學空間格局分析(Morphological spatial pattern analysis，MSPA) 把不同尺度、 多種類型的二值圖像通過數(shù)學運算分為不同類型的景觀要素， 能夠準確地對研究區(qū)的幾何連接性做出評估[4]， 因此逐漸被應用到GI 網(wǎng)絡研究中。 邱瑤等[11]基于MSPA 識別城市GI 網(wǎng)絡要素， 確定GI 網(wǎng)絡要素的功能與等級， 以景觀功能導向分級規(guī)劃GI 網(wǎng)絡； 于亞平等[5]基于1988、 2000、 2013 年的遙感影像數(shù)據(jù)，通過MSPA 識別研究區(qū)內(nèi)3 個時期GI 景觀類型，定量分析GI 網(wǎng)絡時空格局變化； 謝于松等[12]以四川省主要城市為例， 運用MSPA 法識別城市GI的網(wǎng)絡要素， 構建市域尺度的GI 評價指標體系。還有學者將MSPA 與最小累積阻力模型(MCR)相結合， 既可科學地確定生態(tài)廊道的位置和格局，也可避免網(wǎng)絡中心選取的主觀性[13]， 如黃河等[14]基于MSPA 法識別福州市GI 網(wǎng)絡要素， 通過MCR 模型構建連接廊道， 但尚未進一步構建“生態(tài)節(jié)點”； 何侃等[15]在此基礎上， 優(yōu)化了景觀連通性的計算參數(shù)。

上述研究構建連接廊道與生態(tài)節(jié)點時， 未考慮不同斑塊景觀格局與生態(tài)服務價值的影響， 而景觀格局可反映GI 景觀要素間相互影響的規(guī)律[16]， 生態(tài)服務價值體現(xiàn)對生態(tài)過程和功能的支持能力[17]。 因此， 本研究以長沙市為研究對象，基于MSPA 識別研究區(qū)GI 景觀要素， 提取GI 網(wǎng)絡中心， 依據(jù)連通性對網(wǎng)絡中心分級； 構建生態(tài)阻力面時， 綜合不同斑塊景觀類型與生態(tài)服務價值； 通過MCR 模型與重力模型構建多級連接廊道， 提取生態(tài)節(jié)點， 并依據(jù)空間屬性進行分級，從而優(yōu)化GI 網(wǎng)絡， 以期為我國綠色基礎設施、 綠地系統(tǒng)的建設提供參考。

1 研究區(qū)概況

湖 南 省 省 會 長 沙 (111° 53′—114° 15′ E，27°51′—28°41′N) 位于長江以南， 湖南東部偏北， 地勢起伏較大， 地貌形態(tài)以低山、 丘陵為主。長沙降水充沛， 雨熱同期， 熱島效應明顯， 屬亞熱帶季風氣候。 市內(nèi)湘江穿城而過， 瀏陽河、 撈刀河、 靳江河和溈水河匯入湘江， 形成完整的河網(wǎng)水系； 黑麋峰、 岳麓山、 九峰山等群山環(huán)抱。本研究所選定的研究范圍是長沙市的六區(qū)一縣(芙蓉區(qū)、 天心區(qū)、 岳麓區(qū)、 開福區(qū)、 雨花區(qū)、望城區(qū)、 長沙縣)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

研究數(shù)據(jù)包括長沙市2020 年4 月29 日Landsat 8 OLI 影像數(shù)據(jù)， 30 M 分辨率高程數(shù)據(jù)(來源: 地理空間數(shù)據(jù)云)， 鐵路、 高速、 國道等路 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) (來 源: OpenStreetMap)。 基 于ENVI 5.3 平臺， 首先對Landsat 8 影像數(shù)據(jù)進行大氣校正、 輻射定標、 裁剪、 融合處理； 然后采用最大似然法對處理后的遙感影像進行監(jiān)督分類； 最后結合高分辨率衛(wèi)星影像及實地調(diào)研修正分類錯誤區(qū)域， 得到分類為林地、 草地、農(nóng)田、 建設用地、 水域的土地利用分類圖(15 m×15 m 分辨率， 圖1)。

圖1 土地利用類型

2.2 基于MSPA 的綠色基礎設施網(wǎng)絡要素識別

將土地利用分類數(shù)據(jù)導入ArcGIS， 將林地、草地、 水域重分類為前景， 其余為背景， 重分類為二值Tif 柵格數(shù)據(jù)， 在Guidos Toolbox 軟件中將邊緣寬度設置為1； 采用八領域分析法進行MSPA分析， 識別出互相不相交的核心區(qū)、 橋接區(qū)、 環(huán)島區(qū)、 支線、 島狀斑塊、 邊緣區(qū)、 孔隙7 種景觀類型。

2.3 基于Fragstats 的GI 格局評價

景觀格局指數(shù)法作為研究GI 網(wǎng)絡空間格局的重要方法之一， 可定量描述研究區(qū)各地類景觀結構特征。 本文主要選取斑塊類型水平相關指數(shù)，通過平均斑塊面積(AREA-MN) 與斑塊密度指數(shù)(PD) 反映GI 景觀格局破碎化程度， 景觀形狀指數(shù)(LSI) 反映景觀形狀的復雜程度， 散布與并列指數(shù)(IJI) 顯示斑塊排列狀況， 斑塊結合度指數(shù)(COHESION) 反映斑塊的物理連通度， 聚集指數(shù)(AI) 體現(xiàn)GI 斑塊離散度。

2.4 基于MCR 的GI 網(wǎng)絡結構優(yōu)化

2.4.1 網(wǎng)絡中心識別

“網(wǎng)絡中心” 即生態(tài)源地的選擇， 是構建GI網(wǎng)絡的關鍵， 具有斑塊面積大， 資源充足， 生態(tài)、物質、 能量充分流動交換的特點。 為避免主觀地將面積較大的自然保護區(qū)或森林公園作為綠色網(wǎng)絡中心[18]， 本研究網(wǎng)絡中心的選擇綜合考慮斑塊大小及其在GI 格局中的連通性， 選取整體連通性指數(shù)(dIIC) 和斑塊重要性指數(shù)(dPC)， 篩選GI網(wǎng)絡中心， 并按斑塊重要性指數(shù)分級。

距離閾值的選擇是連通性計算的關鍵， 選取連接總數(shù)NL、 景觀組分數(shù)NC、 最大組分斑塊數(shù)、可能性連接度指數(shù)PC、 整體連接度指數(shù)IIC[19]，以200 m 梯度， 通過Conefor 2.6 計算從200 ～4 000 m 多組閾值的指數(shù)結果(圖2)， 對比研究后確定將連接距離閾值設置為2500 m， 連通概率設置為0.5。 選取MSPA 結果中核心區(qū)面積大于20 hm2的388 個斑塊， 通過Conefor 2.6 軟件計算dIIC 和dPC 值， 計算公式如式(1) 至式(3):

圖2 網(wǎng)絡中心的PC、 IIC、 NL、 NC、 最大組分斑塊數(shù)值隨距離閾值變化趨勢

式 (1) 至式 (3) 中:n表示斑塊總數(shù)量；ai和aj指斑塊i和斑塊j的面積；nLij指i和j間路徑數(shù)量；pij指物種在斑塊i與j間的最大擴散概率；pcremove指該斑塊移除后的景觀連接度數(shù)值。

2.4.2 生態(tài)廊道構建

1) 生態(tài)阻力面。 GI 網(wǎng)絡中心之間物種的遷移與能量交流需要克服一定阻力， 不同用地類型、人類建設活動、 地形等對物種遷移與能量流動的阻力大小不同， 通過構建生態(tài)阻力面， 可量化研究區(qū)內(nèi)物種遷移與能量流動的難易程度[20]。 選取土地利用類型、 MSPA 景觀類型、 坡度、 高程、與鐵路和高速距離、 與國道和省道距離6 個因子。結合景觀格局指數(shù)的評價結果， 參考劉永強等[21]修訂的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)， 采用熵值法計算不同土地利用類型因子的生態(tài)阻力值。 對其他各類因子的阻力從5～100 重分類賦值(表1)。 依據(jù)現(xiàn)有研究結合專家意見賦予各類因子權重， 構建生態(tài)阻力面。

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表1 各阻力因子及所占權重

2) 構建連接廊道。 將一級網(wǎng)絡中心斑塊的幾何中心作為源點， 通過MCR 模型計算每個源點通過生態(tài)阻力面到達其他源點間的最小成本路徑，進而構建連接廊道。 MCR 模型公式如式(4):

式(4) 中:Dij表示從源點i與j之間的的空間距離；Ri表示空間i表面的阻力值。

3) 廊道重要性分級。 基于重力模型， 計算GI網(wǎng)絡中心間的相互作用強度， 構建一級網(wǎng)絡中心間的相互作用矩陣， 對各網(wǎng)絡中心間的生態(tài)廊道進行重要程度分級。

2.4.3 生態(tài)節(jié)點

生態(tài)節(jié)點作為GI 網(wǎng)絡間相互連接的“停靠站” 或“踏腳石”， 一是提取最小成本路徑之間的交點； 二是通過GIS 中的水文分析模塊提取生態(tài)阻力面上的“山脊線” 與最小成本路徑的交點。 將生態(tài)節(jié)點匹配空間位置的阻力屬性， 按其空間阻力值分級。

3 結果與分析

3.1 MSPA 的GI 景觀要素識別

MSPA 分析結果(圖3、 表2) 顯示， 核心區(qū)面積為76 937.74 hm2， 占GI 要素總面積的61.90%， 景觀類型主要為林地。 空間上， 核心區(qū)集中分布于長沙市東北部、 西部望城區(qū)與岳麓區(qū)的交界處、 東南角的烏川水庫水源保護地， 湘江及兩岸風光帶作為帶狀核心區(qū)貫穿南北。 東北部、北部核心區(qū)連片分布， 面積較大， 穩(wěn)定性強； 西部呈東西向帶狀分布， 連接度高； 東南部分布稀少， 呈破碎化； 中部為城市建成區(qū)， 點狀核心區(qū)零散分布， 東西部整體連接性不高。 橋接區(qū)主要分布于林地間、 河流及沿岸綠化如瀏陽河、 撈刀河， 是生態(tài)要素流動的重要媒介。 島狀斑塊是孤立的景觀斑塊， 呈點狀區(qū)散布。 邊緣區(qū)與孔隙分別是核心區(qū)的外邊邊緣、 內(nèi)部邊緣， 均為產(chǎn)生邊緣效應、 減少外界干擾的區(qū)域。 環(huán)島區(qū)是核心區(qū)內(nèi)部生態(tài)流動的捷徑， 支線具有一定的連接作用。

表2 MSPA 分析結果統(tǒng)計

圖3 長沙市MSPA 分析結果

3.2 景觀格局指數(shù)評價

由表3 可知: 林地的AREA-MN 最高， 農(nóng)田次之， 說明林地和農(nóng)田景觀斑塊整合度較高； 草地和建設用地PD 最大， 表明草地和建設用地破碎化程度與景觀異質性較高； 水體的PD 值最小，AI 最高， 表明水體連通性、 集聚度較高， 反映河道具有高連通性； 草地AI 值為66.83%， 表明該類用地分布零散， 呈破碎化； 其他用地類型的AI值均在80%以上， 整體集聚程度較好； 水域LSI最小， 林地次之， 表明水域、 林地用地不規(guī)則程度小， 斑塊保持良好的自然面貌； 建設用地與林地IJI 指數(shù)相對較小， 表明這兩類用地斑塊在空間上與其他類型用地接觸較少， 連通性低； 林地COHESION 最高， 建設用地次之， 表明林地分布集中， 景觀分離度小。 水域的生態(tài)服務價值最高，林地、 農(nóng)田、 草地較高， 建設用地相對較小， 表明水域、 林地、 草地、 農(nóng)田在區(qū)域中能夠提供良好的生態(tài)服務。

表3 景觀格局指數(shù)與生態(tài)服務價值

綜上所述， 林地、 水域各項景觀指數(shù)評價結果較好， 對長沙市綠色基礎設施格局的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。 各類用地的生態(tài)景觀阻力值從小到大依次為林地、 水域、 農(nóng)田、 草地、 建設用地。

3.3 綠色基礎設施網(wǎng)絡優(yōu)化

3.3.1 網(wǎng)絡中心

按照斑塊面積篩選GI 網(wǎng)絡中心， 依據(jù)斑塊重要性(dPC) 值對網(wǎng)絡中心分級。 將dPC＞4 的17個斑塊作為一級網(wǎng)絡中心(表4)， 1＜dPC＜4 的斑塊作為二級網(wǎng)絡中心， dPC＜1 的作為三級網(wǎng)絡中心。 由篩選結果發(fā)現(xiàn): 研究區(qū)以湘江及兩岸風光帶為界， 東部網(wǎng)絡中心面積較大， 集中分布于東北部、 北部； 西部的網(wǎng)絡中心面積較小， 集中分布于岳麓區(qū)與望城區(qū)的交界處； 中南部與西北部網(wǎng)絡中心分布較少且零散。 整體而言， GI 網(wǎng)絡中心呈集中式分布， 連通性不高。 如表3 所示: 大山?jīng)_森林公園的dPC 值最大， 為26.16， 斑塊面積為4 055.15 hm2， 位于長沙縣與瀏陽市北部交界處； 湘江上、 中、 下游及其兩側風光帶的dPC值分別16.01、 22.64、 12.99； 興云山風景名勝區(qū)的dPC 值為19.06， 位于長沙市東北角； 毛栗沖森林公園dPC 值為14.16， 位于長沙市西南部，其周邊分布多處一級網(wǎng)絡中心， 包括象鼻窩、 桃花嶺、 岳麓山、 大石壩、 泉水沖等森林公園。

表4 一級網(wǎng)絡中心連通性指數(shù)與面積

3.3.2 連接廊道

根據(jù)各單因子阻力面， 通過GIS 中的柵格計算器構建得到綜合阻力面(圖4)， 阻力值最高的位于湘江兩岸的城市建成區(qū)， 集中在中南部， 呈現(xiàn)中間高周圍低的阻力分布特征， 阻礙長沙市各個方向的生態(tài)流。 通過最小累積阻力模型(MCR) 構建17 個一級網(wǎng)絡中心間的136 條連接廊道， 廊道網(wǎng)基本覆蓋所有網(wǎng)絡中心。 通過重力模型構建各個一級網(wǎng)絡中心間的作用力矩陣(表5)，將相互作用力＞10 的作為一級連接廊道， 2＜作用力＜10 的作為二級連接廊道， 作用力＜2 的作為三級連接廊道。 一級連接廊道連接研究區(qū)內(nèi)面積較大、 連通性較好的網(wǎng)絡中心， 其間關聯(lián)性強， 物種、 物質、 能量流動所克服的阻力最小， 規(guī)劃應當重點加強建設與保護； 二、 三級連接廊道可為部分面積較小且相對分散的網(wǎng)絡中心提供物質、能量交流的通道(圖5)。

圖4 長沙市綜合生態(tài)阻力面

圖5 長沙市綠色基礎設施網(wǎng)絡構建與優(yōu)化

表5 一級網(wǎng)絡中心相互作用矩陣

3.3.3 生態(tài)節(jié)點

本研究共提取122 個生態(tài)節(jié)點， 匹配其空間位置的生態(tài)阻力值， 將阻力值＜11 的作為一級生態(tài)節(jié)點， 11＜阻力值＜37 的作為二級生態(tài)節(jié)點， 阻力值＞37 的作為三級生態(tài)節(jié)點。 一級節(jié)點空間上的生態(tài)阻力值低， 有利于物種克服阻力到達， 適合作為生態(tài)流的“?？空尽?， 在規(guī)劃時應該優(yōu)先建設發(fā)展。 逐步保護開發(fā)二、 三級節(jié)點。

4 結論與討論

長沙市現(xiàn)狀GI 網(wǎng)絡要素中核心區(qū)面積占比最大， 但空間上分布不均； 中南部與西北部核心區(qū)斑塊分布較少， 且相互獨立、 連通性較差。 同一斑塊內(nèi)部的連通性較低； 林地各項指數(shù)評價結果最好， 可為長沙市物種生存提供良好的環(huán)境， 對城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起重要作用。 17 個一級網(wǎng)絡中心集中位于西南部、 北部； 根據(jù)綜合生態(tài)阻力面， 阻力大小呈中間高四周低的趨勢， 湘江風光帶作為介質， 貫穿南北， 但東西連通性不高； 136條連接廊道覆蓋了全部網(wǎng)絡中心， 122 個生態(tài)節(jié)點可為過長的連接廊道補充“?？空尽保?對于提高GI 網(wǎng)絡連通性有重要作用。 網(wǎng)絡中心、 連接廊道、 生態(tài)節(jié)點分級可為GI 要素的優(yōu)先保護順序與開發(fā)時序提供依據(jù)。

本研究將遙感影像中的全色波段與多光譜波段融合得到15 m×15 m 的柵格， 可以更好地區(qū)分較小邊緣區(qū)和橋接區(qū)， 保留面積較小的斑塊。 綜合生態(tài)服務價值和景觀格局評價結果， 采用熵值法計算得到土地利用類型的生態(tài)阻力， 再結合自然環(huán)境、 人類活動因素， 構建綜合生態(tài)阻力面，使連接廊道的構建與生態(tài)節(jié)點的分級更為合理。

通過MCR 模型構建的連接廊道， 注重網(wǎng)絡空間上的連通性和網(wǎng)絡結構的合理性， 但對各級網(wǎng)絡要素的景觀、 游憩、 文化等功能屬性尚需進一步探討。