首都中小型高校景观格局研究

2019-06-17辛钟龄谢苗苗

绿色科技 2019年9期

辛钟龄，谢苗苗

(中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083)

1 引言

随着城市化的快速推进，人类活动对生态环境造成的压力不断增大，生态问题日益突出，城市生态环境成为地区可持续发展的重要制约因素。基于此，生态学从研究森林、农村走向研究城市，城市生态系统研究已经成为生态学研究的主流领域之一[1]。北京市作为首都，是全国的行政、文化和教育中心，具有很高的人口聚集度。因此，如何发挥行政、文化和教育用地的多功能性，有效地维护和恢复城市的生态系统功能，成为解决城市生态问题的关键所在。

从景观生态学的观点出发，城市生态系统是高密度的人类活动强烈干扰下形成的各种景观类型斑块的混合镶嵌体[2]。高校建设是一项重要的人类活动，建成后的校园和城市存在密不可分的关系。由于教育自身发展要求，校园逐渐从封闭走向开放，同时，高校内部的产业、科研、教育和旅游具有强大的渗透到城市中的能力，使校园和城市不断融合。相关文献提出:大学校园作为一个独立的生态系统，具有保护城市生态系统多样性的功能，可提高生态系统的异质性，有利于城市可持续发展[3]。

景观格局是对景观的空间结构和特征的高度概括[4]，直接影响其发挥的生态效益和提供的生态服务，景观格局与生态过程的研究一直是景观生态学的关键论题[5]。大学校园作为一个相对隔离的特殊生态系统，景观元素较为丰富，因此，景观生态学完全可以在校园水平上作进一步的拓展，用其理论评价校园生态系统的质量。

校园景观格局对于城市生态系统有重要影响，其中大型综合类院校(如北京大学、清华大学)具有较大面积，历史悠久，校园绿化用地充足，而中小型高校存在校园建设与校园绿化之间的矛盾，因此研究小尺度下的高校景观对于改善首都生态状况具有一定意义。本文以三所首都中小型高校：中国地质大学(北京)(以下简称地大)、北京语言大学(以下简称北语)、北京林业大学(以下简称北林)为研究对象，旨在通过对校园内景观格局分析，评价校园景观布局的合理性，通过调整校园景观格局达到改善城市生态环境的目的，为首都中小型高校生态建设提供借鉴。

2 研究方法

数据来自2017年度比例尺为1：3458的百度地图卫星影像，分辨率达到0.91 m。将获取的原始地图导入ArcMap10.3中，转换为Shape文件，然后设定坐标系和投影，本文采用WGS84坐标系，选取WGS 1984 UTM Zone49N投影坐标系。

在对地大、北林、北语三所学校进行实地考察的基础上，确定实地景观类型，按照景观分类进行图层矢量化和图形编辑，分别得到校区景观空间格局分布情况(图 1、图 2、图 3)。在景观格局指数分析软件Fragstats3.3软件的支持下,从破碎化程度、景观异质性和景观本身外形三个角度，选择斑块层面和景观层面的景观指数：景观形状指数、景观破碎度、多样性指数、均匀度指数、最小距离指数、斑块密度、斑块分维数和斑块形状指数，定量分析景观生态格局现状。

3 景观类型

根据三所大学的用地特点以及遥感影像图的分辨率限制，将斑块划分为四种类型：绿地、体育场地、建筑物、其他用地。其中绿地包括休闲绿地、附属绿地、公园式绿地等所有植被覆盖的区域，体育场地包括操场、看台、体育馆、室外网球场和乒乓球场，建筑物包括学生宿舍、教职工宿舍、家属区、教学楼、科研楼、实验楼等，其他用地包括占主体部分的廊道和空闲用地。

直接在ArcMap中统计三所学校的各斑块相对面积。图 4显示，地大的建筑斑块相对面积大于其它斑块，在整个景观中分布最广，且连接度远大于其它斑块，

图1 北京林业大学景观类型

图2 中国地质大学(北京)景观类型

图3北京语言大学景观类型

因此判定建筑为基质；同理，北林和北语校区内判定绿地为基质。由此初步得出北语和北林校区范围内的绿地分布较为集中，连通性和聚集度较地大优良。

4 景观格局指数

景观格局指数是指在空间尺度上,量化景观格局和结构、定量监测生态现象的一种简单定量指标[6]，能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面的特征[7]，目前在研究景观格局变化领域运

图4各斑块相对面积

用十分广泛[8～11]。为了从不同景观类型和整体景观特征来反映校园景观格局状况，本研究从景观和斑块类型2个水平上进行景观格局变化分析，通过形状特征、破碎化特征、异质性特征选取景观格局指标。

4.1 斑块层次

(1)形状指数(PSI)

(1)

式(1)中，E为斑块边界长度，A为斑块面积。

(2)斑块分维指数(D)

(2)

式(2)D为分维数，P为斑块周长，A为斑块面积。

4.2 景观层次

4.2.1 破碎化

(1)斑块密度(PD)

(3)

式(3)中，ni第i类景观要素的总面积，A所有景观的总面积。单位为斑块数/100 hm2。

(2)破碎化指数(FN)

FN=(NP-1)/NC

(4)

式(4)中，FN是斑块破碎化指数；NC是景观数据阵的方格网中格子总数，在计算中，采用研究区内最小的斑块面积去除总面积作为NC值，也就是以最小斑块面积作为每一个网格的大小；NP为景观里各类斑块的总数[12]。

4.2.2 景观异质性

(1)香农多样性指数(SHDI)：

(5)

各斑块类型的面积乘以其值的自然对数之后的和的负值。

(2)香农均匀度(SHEI)：

(6)

SHEI等于香农多样性指数除以给定景观丰度下的最大可能多样性。

(3)最小距离指数(NNI)

NNI=MNND/ENND

(7)

式(7)中，MNND是斑块与其最相邻斑块间的平均最小距离;ENND是在假定随机分布前提条件下MNND的期望值。MNND和ENND的计算式如下：

(8)

式(8)中，NND(i)是斑块i与其同类相邻斑块间的最小距离，D是景观里给定斑块类型的密度，N是给定斑块类型的斑块数，A是景观总面积。

4.2.3 斑块形状特征——景观形状指数(LSI)

(9)

式(9)中，E为景观中所有斑块边界的总长度，A为景观总面积。

5 景观格局指标分析

5.1 斑块层次

5.1.1 斑块分维指数分析

斑块分维指数反映斑块类型的复杂程度、受干扰的程度等，其值越接近1表明斑块形状越规整、有规律，间接地说明了景观受干扰程度越大；反之则表示等面积下边缘较复杂的斑块(图 5)。

首先,比较同一学校内不同类型斑块间的分维数，三所学校的绿地分维数最高，因为绿化景观作为校园内美化环境，营造休憩空间的主要景观类型、斑块形状不能过于统一[13]。在校园的不同位置的绿地具有形态差异大的特征，便于提供不同的功能，例如建筑附属绿地的形状会较为规则，适应建筑物棱角分明的特征，发挥调节区域小气候、净化空气等作用。至于建筑用地和操场等运动场地的形状都分别趋向一致，相似性较高，因此运动和建筑用地的分维指数不相上下且接近于1。

其次,比较不同学校间的绿地斑块分维指数，北语>地大>北林，说明北语绿地斑块的几何形状最复杂，受干扰程度最小；北林绿地斑块形状最简单，受干扰程度最大。

图5校园景观分维数分析比较

5.1.2 斑块形状指数分析

斑块形状指数反应斑块的形状规则程度，或者是斑块形状和参照物正方形的形状差异程度。当斑块呈线性分布或边缘不规则时，形状指数的值偏离1的程度越大。

如图 6所示，绿化用地形状指数最高，第二是建筑用地，第三是体育用地，与斑块分维数的排序一致。与斑块分维数分析相同，绿化用地斑块形状指数最大,表明绿化用地斑块形状偏离程度最高,用多样化形状的设计来柔化校园景观边界。体育用地数值最小,说明校园内体育用地，如篮球场、足球场、游泳池形状最为规则，近似为长方形。

纵向比较绿地形状指数的结果是北语>地大>北林，与分维指数比较结果一致，得出的结论也是一致的。

图6校园景观形状指数比较

5.2 景观层次

在景观层面，从3个角度分别对3所高校的景观状况进行评价，分别是景观破碎度、景观异质性和景观形状特征，其计算结果见表 1。

5.2.1 景观破碎度分析

斑块密度和破碎化指数在一定程度上可以反映校园景观的破碎度[14]。斑块密度越大、破碎化指数越高，说明景观破碎度越高。

(1)斑块密度(FD)。斑块密度是单位面积上的斑块数量，3所高校的斑块密度情况如下：北林为697.2380，地大为620.6285，北语为568.4932。斑块密度与景观破碎度存在一定的相关性，景观越破碎其斑块面积占地越小，在单位面积上的斑块数量就越多。北林由于具有三所高校中最高的建筑密度而具有最高的斑块密度；北语的绿地景观较为完整斑块密度最低。

(2)破碎化指数(PN)。三所高校的绿地景观破碎度指数FN为地大0.0324，北语0.0225，北林0.0213。这说明地大的校园绿地破碎化程度最高，与建筑密度较高具有相关性，并且校区内的绿地常常依附于宿舍楼、主楼等建筑旁边；而北语有较多的成片的运动休闲绿地，面积较大数量较少，且不同类型斑块之间的连通性较好，故有最低的破碎化指数。根据破碎化指数分析所得出的结果与斑块密度显示的结果相似。

表1 景观层面相关指标计算结果

5.2.2 景观异质性

景观异质性是景观所自发具有的特性，可以根据这一特性，建立起描述其异质性方面性质的指标体系对其质量进行科学评价[15]。选取景观多样性、均匀度和最小距离指数进行评价。

(1)多样性。景观类型包括绿地、建筑、体育运动用地和其他四种，景观多样性指数越大反应出校园内斑块类型的丰富程度，组合的特征复杂多样，其包含的信息量也就越大[16]。香农多样性指数计算结果见表1，北林>北语>地大，由于林业大学在三所学校中建校时间最晚且占地面积最大，所以景观复杂程度较高，各用地之间的组合模式也较为复杂；在地大校区内部，教学区、生活区等功能去划分界限较为明显，布置形式单一重复，造成景观多样性低的局面。

(2)均匀度。描述景观中各组分分配的均匀程度，均匀度指数越大说明各类型块在校区内分布越均匀，就更利于师生的生活与通行。均匀度指数的大小排序为北林>北语>地大。

地大的教学楼大致都分布在校园东侧，而宿舍区大多在西侧，教学楼与宿舍楼虽排布集中,但两者距离较远，给学生上课带来不便；学生食堂和教工食堂集中布局于中部；操场和体育馆集中分布于校园南侧；总体来说，各功能区较为集中，均匀度较差。

北林的校区被东西向的林业大学北路分为南北两个区域，教学楼均匀分布在南部校区，实习中心、苗圃大棚等科研类建筑分布在北部校区；学生宿舍楼分布在距离操场和教学区很近的地方。食堂、校医院、师生超市、打印店等服务型站点分散在宿舍楼之间，为师生的生活提供方便。

通过两个校区的对比，可明显看到北林校园内部的不同功能区的分布是较为分散的，生活区、运动区、教学区间隔分布，相互间的距离都不远，故北林的景观布局是优于地大的。

(3)最小距离。最小距离越趋近于0则布局越接近团聚分布，反之则是随机分布。三所学校的结果如表所示，北语是0.5324，北林是0.1200，地大是0.0733，说明北语校区内景观分布较为随机，地大则呈团聚分布，北林分布聚集程度适中。结果与均匀度分析相适应。

5.2.3 斑块形状特征

景观形状指数是通过计算斑块形状与相同面积的正方形之间的偏离程度来衡量形状差异状况的，LSI值越大说明斑块形状越不规则，斑块内部与外界接触的边界越长，与外界进行交换越频繁。

数据成果显示景观形状指数北林>北语>地大，且都偏离于1的程度较大，反映了三所校园的景观斑块边界都较为复杂。北林的建筑附属绿地斑块和廊道斑块较多，故形状不规则或呈线性形态的斑块占多数；而北语东门附近有大面积的花园式绿地，即内部有石子小路穿行的集中绿地，地大在中部分布有草坪，可提供休憩休闲和娱乐的功能，破碎化形状复杂的斑块不占主导地位。

6 三所学校景观整体状况分析

Forman教授基于生态空间理论提出了集中与分散相结合的景观布局，被认为是生态学上最优的景观格局[17]。该理论强调集中使用土地，保持大型自然植被斑块的完整性，充分发挥其生态功能；引导和设计自然斑块以廊道或小型斑块形式分散渗入人为活动控制的建筑地段。

以Forman 教授提出的“集中与分散相结合”的最优格局为衡量标准，借助景观格局指数量化了景观的多样性、异质性、破碎化程度等特征，并综合这些特征对三所学校的景观格局状况进行比较，得到了如下结论。

地大的各功能区分布不均匀，生活区和教学区分割开，校园内斑块、廊道和基质分布不够合理，建筑周围景观设计环节较薄弱，建筑和景观缺乏最大程度的有机融合；景观多样性稍差，斑块破碎状况属于中等水平，另外地大的绿化用地面积在三所学校中最少，绿地斑块的形状特征属于比较规则、齐整的类型。

从总体上来说，北语校园景观布局状况在三校中最为合理，均匀度较好，具有多样的景观类型，校区内部常有大面积的连通性好的开放式绿地，具有最低的破碎度，绿地面积所占比例最大，是一个富有生机活力的绿色校园。

由于特殊的外部条件导致北林校区被道路所隔，但是排除这条道路的影响，北林校区的均匀度和连通性也是非常好的，破碎化指数三所学校中最低，景观内部受到外界干扰的频率会因此而降低，但是北林景观的斑块形状最复杂，会影响斑块的边缘状况，影响系统内外的物质能量交换。

7 建议

7.1 增加校园绿化覆盖度

绿地生态系统提供的主要功能：调节气候、净化空气、水源涵养等对人类的生存式至关重要的，尤其是在大学这样人口密集的区域，对于环境和生态的压力会更大，丰富的植被和林木可为校园生态系统起到缓冲和保护的作用。

7.2 优化景观空间结构，提高景观异质性

从最小距离指数的分析中表明，同一类型斑块在景观内分布得越均匀，各斑块所占的比例便相差不大，则该景观的异质性越高。通过景观空间结构的调整，使各类斑块大集中、小分散，提高景观的异质性来实现生态保护，以达到保持生物多样性的目的。据此应当均衡布局各景观类型，在建筑密度大的教学楼、宿舍楼附近分散均匀地布置一些小面积的绿地斑块。