基于快鳥(niǎo)信息源的城市綠地信息系統(tǒng)構(gòu)建城市綠地景觀格局研究以徐州市為例

基于快鳥(niǎo)信息源的城市綠地信息系統(tǒng)構(gòu)建城市綠地景觀格局研究以徐州市為例

景觀生態(tài)學(xué)作為一門(mén)交叉的綜合學(xué)科，吸收現(xiàn)代地理學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)研究景觀及其空間因素了解景觀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、進(jìn)化規(guī)律以及與人類(lèi)系統(tǒng)的互動(dòng)，為景觀優(yōu)化使用、管理和保護(hù)提供有效的方法。隨著景觀生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向城市，從景觀生態(tài)學(xué)的角度對(duì)城市這一人類(lèi)活動(dòng)中心進(jìn)行研究，為城市景觀生態(tài)研究提供了新的思想和方法，而遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也為綜合地、多層次地進(jìn)行城市景觀空間結(jié)構(gòu)和格局的研究奠定了基礎(chǔ)。城市綠地景觀作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市景觀的自然要素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)基礎(chǔ)，在城市景觀的結(jié)構(gòu)、功能及其變化中起著重要作用。其結(jié)構(gòu)和布局，對(duì)城市景觀總體結(jié)構(gòu)及城市環(huán)境、經(jīng)濟(jì)文化等產(chǎn)生著深刻影響。通過(guò)分析城市綠地景觀結(jié)構(gòu)和布局是否合理，是否能充分發(fā)揮其生態(tài)效益和社會(huì)效益，可為建設(shè)結(jié)構(gòu)合理、布局科學(xué)、功能高效的城市綠地景觀系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到城市景觀高效、協(xié)調(diào)、舒適的目的。1城市綠地景觀結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的研究1.1景觀結(jié)構(gòu)和格局研究景觀格局分析是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要方面，其研究方法從最初的定性描述逐漸發(fā)展到定量分析乃至模型預(yù)測(cè)。80年代以后，對(duì)景觀格局的定量分析成為研究熱點(diǎn)，許多定量分析方法應(yīng)運(yùn)而生，如景觀生態(tài)學(xué)指標(biāo)法、轉(zhuǎn)換矩陣、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等。通過(guò)景觀生態(tài)學(xué)指標(biāo)描述景觀格局具有使數(shù)據(jù)獲得一定統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和能夠比較分析不同尺度上的格局等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)一直倍受關(guān)注，并相繼出現(xiàn)了許多景觀格局指標(biāo)，如優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)（Dominance）、蔓延度指標(biāo)（Contagion）、分維指標(biāo)（FractalDimension）等，同時(shí)一些各具特色計(jì)算景觀指數(shù)的軟件包，如SPANS、LSPA和FRAGSTATS等也開(kāi)始應(yīng)用于相關(guān)研究中。景觀結(jié)構(gòu)和格局研究由定性描述向定量分析的轉(zhuǎn)化，大大促進(jìn)了人們對(duì)景觀結(jié)構(gòu)和格局的理解，同時(shí)也促進(jìn)了景觀生態(tài)學(xué)的研究和發(fā)展。城市綠地景觀主要由各種類(lèi)型的綠地斑塊和廊道組成，其中斑塊是指具有不同功能和屬性的、相對(duì)同質(zhì)的地段或空間實(shí)體，主要包括公園綠地、防護(hù)綠地、各類(lèi)附屬綠地等，它們是城市景觀中的“自然”組分，起著制造氧氣、凈化空氣、美化城市的作用。這類(lèi)景觀要素的數(shù)量、大小和分布狀況對(duì)城市景觀整體的功能、質(zhì)量和生態(tài)承載力有很大的影響，增加各種大小、形狀和內(nèi)在結(jié)構(gòu)的綠地斑塊，調(diào)整和優(yōu)化它們的空間分布格局，將會(huì)極大地改善城市景觀的生態(tài)功能。廊道是城市景觀中線(xiàn)狀或帶狀的景觀要素，宗躍光將城市景觀廊道分為人工廊道和自然廊道兩大類(lèi)，人工廊道以交通干線(xiàn)為主，自然廊道以河流、植被帶（包括人造自然景觀）為主。城市中綠色廊道的首要功能是它的生態(tài)學(xué)功能，它常常是城市野生動(dòng)植物遷移的主要通道和城市景觀中物質(zhì)、能量、信息和生物多樣性集中或匯集的地方，對(duì)維護(hù)城市生物多樣性和城市景觀功能具有特殊的作用。合理布局綠色廊道，增加廊道之間的連通性和連接度，可使城市內(nèi)廊道與廊道、廊道與斑塊、斑塊與斑塊之間相互聯(lián)系成為一個(gè)整體，促進(jìn)城市生物多樣性保護(hù)和城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，提高城市環(huán)境質(zhì)量。斑塊和廊道的空間格局，正是城市綠地結(jié)構(gòu)和格局研究的主要內(nèi)容，是研究城市綠地生態(tài)效益及規(guī)劃管理的基礎(chǔ)。對(duì)于城市，特別是建筑密度極高的城市中心區(qū)而言，利用有限的土地面積，選擇合理的綠化結(jié)構(gòu)和格局，可以有效地提高綠化的生態(tài)環(huán)境效益。傳統(tǒng)的研究方法以定性分析為主，缺少定量的科學(xué)研究和分析，不能為城市綠地結(jié)構(gòu)和格局的優(yōu)化提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。在景觀生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)下，借鑒景觀生態(tài)學(xué)研究方法，運(yùn)用相關(guān)指標(biāo)對(duì)城市綠地景觀結(jié)構(gòu)和格局進(jìn)行分析，可促進(jìn)該類(lèi)研究由定性描述向定量分析的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化無(wú)疑有助于人們對(duì)綠地景觀結(jié)構(gòu)和格局的理解，更為重要的是，這種量化分析可將景觀結(jié)構(gòu)和格局與景觀過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，為了解景觀結(jié)構(gòu)和格局的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，揭示各種復(fù)雜景觀現(xiàn)象奠定基礎(chǔ)。1.2遙感解決方案城市綠地景觀分布范圍廣，涉及到的自然和人為過(guò)程復(fù)雜，景觀組分?jǐn)?shù)量多，故在研究中需要采集和處理的數(shù)據(jù)量比較龐大，傳統(tǒng)的研究方法以人工調(diào)查為主，不僅需要大量的人力、物力，而且采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響大，具有數(shù)據(jù)不全、準(zhǔn)確度相對(duì)較低等缺陷，給景觀結(jié)構(gòu)和格局的研究造成一定困難。自八十年代以來(lái)，遙感和GIS技術(shù)的引入解決了這一難題。遙感強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取能力為城市綠地景觀數(shù)據(jù)的采集提供了新的技術(shù)手段，極大促進(jìn)了景觀定量研究的發(fā)展。景觀格局分析的基本過(guò)程是定量描述景觀格局，建立景觀格局與功能間的相互關(guān)系，由于在分析過(guò)程中，需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)全面描述景觀組分的特征，因而成為遙感技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，遙感技術(shù)迅猛發(fā)展，提供了更多分辨率、多光譜、多波段、多時(shí)相和多平臺(tái)的各種影像數(shù)據(jù)，推動(dòng)了景觀格局研究中數(shù)量分析方法的進(jìn)一步發(fā)展。地理信息系統(tǒng)（GIS）具有圖形數(shù)字化、輸入、查找、更新數(shù)據(jù)、分析、輸出信息等功能，可以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析、模擬和顯示，其快速、準(zhǔn)確地處理大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)能力的特性與遙感密切結(jié)合，為城市綠地景觀的格局和動(dòng)態(tài)變化研究提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。通過(guò)遙感信息的處理和解譯，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，建立起既有圖形，又有相應(yīng)數(shù)據(jù)的城市綠地信息系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)景觀格局指標(biāo)對(duì)城市綠地景觀和格局進(jìn)行分析，為城市綠地景觀的研究提供了新的方法和途徑，促進(jìn)了城市綠地景觀研究由定性向定量的轉(zhuǎn)變。2徐州概況與研究方法2.1研究區(qū)域及區(qū)域徐州市位于江蘇省西北部，地理位置為116o22`—118o40`E,33o43`—34o58`N，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，植被類(lèi)型以暖溫帶落葉闊葉林為主。徐州市主城區(qū)面積150Km2，轄泉山區(qū)、云龍區(qū)、鼓樓區(qū)和九里區(qū)四個(gè)區(qū)，其中建成區(qū)面積96.20km2。本文研究范圍為徐州市建成區(qū)，綠地景觀面積3606.07ha，綠地率37.49%。本研究信息源為美國(guó)的“快鳥(niǎo)”（QuickBird—2）衛(wèi)星圖像，該圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，空間分辨率高達(dá)0.61米，有利于城市綠化信息的提取。2.2遙感解譯標(biāo)志的確定在景觀分類(lèi)原則指導(dǎo)下，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將徐州市城市綠地分為公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護(hù)綠地、居住綠地、單位附屬綠地、道路綠地和風(fēng)景林地七類(lèi)綠地，根據(jù)各類(lèi)綠地在遙感圖像上所表現(xiàn)的特征，包括色彩、色調(diào)、形狀、位置、大小、紋理等，結(jié)合徐州具體情況綜合分析，確定解譯標(biāo)志。根據(jù)解譯標(biāo)志，對(duì)遙感圖像進(jìn)行初步解譯。初步解譯后采取兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證：一是取樣進(jìn)行核對(duì)，重點(diǎn)是核對(duì)圖斑的類(lèi)型；二是進(jìn)行野外驗(yàn)證，主要是對(duì)那些室內(nèi)解譯尚無(wú)法確定類(lèi)型的圖斑，到現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，并用GPS測(cè)定位置，與圖像核對(duì)形狀、大小，然后根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果修改解譯標(biāo)志和錯(cuò)判圖斑，做出解譯圖。根據(jù)解譯圖，借助GIS軟件功能，建立起既有圖形（1/2000精度），又有相應(yīng)數(shù)據(jù)的徐州市建成區(qū)綠地現(xiàn)狀解譯圖及其相應(yīng)的綠化信息數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)研究需要選擇相應(yīng)景觀格局指數(shù)，利用景觀數(shù)據(jù)分析軟件FRAGSTATS對(duì)城市綠地景觀格局進(jìn)行分析。3各綠地中景區(qū)林地和公園綠地、單位綠地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀城市綠地景觀構(gòu)成是指城市各類(lèi)綠地景觀的組成情況，它是衡量一個(gè)城市綠化水平的重要指標(biāo)，徐州市建成區(qū)綠地景觀構(gòu)成見(jiàn)表1。由表1可以看出，各類(lèi)綠地中，風(fēng)景林地、公園綠地和單位綠地3類(lèi)之和占了總面積的3/4強(qiáng)（75.25%）,另外4類(lèi)綠地不到1/4(24.75%）。尤其是風(fēng)景林地占了各類(lèi)綠地面積總和的1/4以上（27.60%）。這得益于徐州市區(qū)一些侵蝕殘丘延伸至建成區(qū)內(nèi)，這些山丘經(jīng)過(guò)多年植樹(shù)造林，成為風(fēng)景林地，如九里山、拉犁山等，這些高度在海拔150m以下的小山丘呈NE-SW走向，較集中地分布在市區(qū)NW和SE兩側(cè)。4徐州城市綠地景觀分析4.1．景觀類(lèi)型分配(1）景觀多樣性指數(shù)H(Diversity)景觀多樣性指數(shù)采用Shannon-Weaver公式計(jì)算：式中，H為景觀多樣性指數(shù)，Pi為第i種景觀類(lèi)型占總面積的比，n是景觀類(lèi)型總數(shù)。(2）景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D(Dominance)景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)表示景觀多樣性對(duì)最大景觀多樣性指數(shù)的偏離程度。其值越大，表明偏離程度越大，其值為0時(shí)，表示景觀完全均質(zhì)。式中，Hmax=log2m，意為各類(lèi)綠地景觀所占比例相等時(shí)，景觀擁有的最大多樣性指數(shù)。(3）均勻度指數(shù)E(Evenness)均勻度指數(shù)描述景觀中各景觀類(lèi)型分配的均勻程度，它與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。其計(jì)算公式為：式中，H為Shannon多樣性指數(shù)，Hmax、Pi、n的含義同前。(4）斑塊密度指數(shù)（Ci)斑塊密度指數(shù)即單位面積上的斑塊個(gè)數(shù)，其計(jì)算公式為：式中，Ni為景觀i的斑塊數(shù)，Ai為景觀i的總面積。斑塊景觀破碎化程度用斑塊數(shù)破碎化指數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式為：FN—斑塊數(shù)破碎化指數(shù)；Np—研究區(qū)斑塊總數(shù)目；Nc—研究區(qū)總面積除以最小斑塊面積FN取值在0—1之間，0表示景觀完全整合，1表示完全破碎。(6）最小距離指數(shù)NNI(NearestNeighborIndex）式中，MNND是斑塊與其最相鄰斑塊間的平均最小距離，ENND是在假定隨機(jī)分布前提條件下MNND的期望值，兩者計(jì)算公式如下：式中，NND(i)是斑塊i與最近相鄰斑塊間的最小距離，d=N/A，是景觀中給定斑塊類(lèi)型的密度，這里A是景觀總面積，N是給定斑塊類(lèi)型的斑塊數(shù)。(7）景觀連通度（COHESION,單位：%）COHESION的計(jì)算原理是用面積加權(quán)的平均周長(zhǎng)面積比除以面積加權(quán)的平均形狀因子。COHESION是衡量景觀連通性的指標(biāo)，它與同類(lèi)斑塊之間的距離、廊道存在與否、不同類(lèi)型廊道相交的頻率和構(gòu)成的網(wǎng)格大小相關(guān)。(8）景觀廊道密度指數(shù)（Ti)景觀廊道密度指數(shù)Ti的計(jì)算公式為：其中，Li為某一類(lèi)型景觀的總廊道長(zhǎng)度，Ai為景觀的總面積，在本研究中，Li為研究區(qū)內(nèi)綠地廊道長(zhǎng)度，Ai為研究區(qū)面積。相關(guān)指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表34.2徐州城市綠地景觀分析4.2.1綠地景觀類(lèi)型構(gòu)成計(jì)算結(jié)果表明，徐州市建成區(qū)綠地景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)分別為1.7218、0.8848，說(shuō)明各類(lèi)綠地景觀類(lèi)型齊全，但面積分布不均勻，差異較大。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為1.0856，說(shuō)明綠地景觀中某一種或少數(shù)景觀類(lèi)型占優(yōu)勢(shì)，根據(jù)建成區(qū)綠地景觀構(gòu)成分析可知，主要表現(xiàn)為風(fēng)景林地、公園綠地、單位附屬綠地占優(yōu)勢(shì)。建成區(qū)各區(qū)中，泉山區(qū)、云龍區(qū)、鼓樓區(qū)上述三個(gè)指數(shù)小差異不明顯，說(shuō)明這三個(gè)區(qū)的綠地景觀多樣性構(gòu)成特征相似，表現(xiàn)為七類(lèi)綠地均有分布，綠地景觀類(lèi)型齊全，但各類(lèi)綠地面積差異較大。九里區(qū)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別為1.3318和0.6884，明顯低于前三個(gè)區(qū)，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)則為1.4756，高于前三個(gè)區(qū)，這說(shuō)明該區(qū)各類(lèi)綠地面積差異最大，綠地景觀面積分布最不均勻。4.2.2各立地條件下綠地破碎度在城市生態(tài)系統(tǒng)中，景觀的破碎化與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，與景觀格局、功能及過(guò)程等密切聯(lián)系，同時(shí)與生物多樣性的分布互為依存。分析徐州市建成區(qū)綠地景觀的斑塊密度和斑塊數(shù)破碎化指數(shù)可以看出，徐州城市綠地破碎化程度較高。七類(lèi)綠地的破碎化程度從大到小依次為：居住綠地、道路綠地、單位附屬綠地、防護(hù)綠地、公園綠地、生產(chǎn)綠地和風(fēng)景林地，其中居住綠地景觀破碎度最大，斑塊密度和斑塊數(shù)破碎化指數(shù)高達(dá)41.28和0.6192。就各區(qū)而言，除防護(hù)綠地外，區(qū)間綠地景觀斑塊數(shù)破碎度差異不明顯，說(shuō)明各區(qū)間斑塊破碎化程度大體相似。徐州市城市綠地景觀斑塊破碎度較高，主要是由于隨著城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，綠地景觀不斷遭到蠶食和分割，導(dǎo)致綠地斑塊面積不斷縮小及綠地建設(shè)中多以“見(jiàn)縫插綠”為主等原因，其結(jié)果使適合城市生物生活的環(huán)境日益減少，不僅影響城市綠化景觀效果，而且不利于城市生物多樣性保護(hù)。4.2.3景觀連通度分布從最小距離指數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在各類(lèi)綠地中，居住綠地、道路綠地、單位綠地、風(fēng)景林地這四類(lèi)綠地基本呈隨機(jī)分布；公園綠地、生產(chǎn)地、防護(hù)綠地的最小距離指數(shù)較小，說(shuō)明這三類(lèi)綠地基本呈團(tuán)聚狀分布，其中公園綠地團(tuán)聚狀分布特征最明顯。究其原因，主要是受自然條件等影響，徐州市的公園綠地集中分布于市區(qū)南部；生產(chǎn)綠地?cái)?shù)量少，為收到規(guī)模效益，客觀上要求集中連片分布；防護(hù)綠地因害設(shè)防，相對(duì)集中分布利于防護(hù)功能的發(fā)揮。景觀連通度計(jì)算結(jié)果表明，生產(chǎn)綠地、公園綠地景觀連通度分別為95.4117%和90.0808%，說(shuō)明這兩類(lèi)綠地斑塊間空間聯(lián)系較為緊密，景觀連通度大；道路綠地、居住綠地景觀連通度則分別只有32.3931%和41.1930%，景觀連通度小。究其原因，主要是這兩類(lèi)綠地斑塊破碎度大，斑塊散布所致。4.2.4綠色景觀廊道的景觀生態(tài)組成廊道是具有通道或屏障功能的線(xiàn)狀或帶狀的景觀要素，是聯(lián)系斑塊的重要橋梁和紐帶，它在很大程度上影響著斑塊間的連通性，進(jìn)而影響著斑塊間物種、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量的交流。徐州市的綠色景觀廊道主要由道路綠地廊道和河流綠地廊道組成，平均廊道密度為1.12km/km2，說(shuō)明綠地景觀之間聯(lián)系較少，總體連接度較低。各區(qū)之間綠色景觀廊道密度指數(shù)相差不大，說(shuō)明各區(qū)之間的景觀連接度水平大體相似。5加強(qiáng)城市綠地建設(shè)，重塑景觀格局，提供景觀更優(yōu)的設(shè)計(jì)綜上所述，徐州城市綠地景觀存在著景觀結(jié)構(gòu)不合理、破碎度高、景觀類(lèi)型分布不平衡、斑塊連通度較低等問(wèn)題，為改變這種現(xiàn)狀，更好地發(fā)揮城市綠地的生態(tài)功能，在今后的綠地景觀建設(shè)中應(yīng)采取以下對(duì)策：(1）積極創(chuàng)造條件，將部分風(fēng)景林地改建為公園綠地，這樣既可降低風(fēng)景林地比重，改變目前景觀構(gòu)成不合理的現(xiàn)狀，又可增加公園綠地面積，緩解城市綠地建設(shè)與其他建設(shè)用地爭(zhēng)地的矛盾；同時(shí)加強(qiáng)防護(hù)綠地和居住綠地建設(shè)，提高其在城市綠地景觀中的比重，增加各類(lèi)綠地類(lèi)型面積分布