基于GIS的城市生态景观格局分析与优化研究

胡晓婉 田翠翠 万郜方

摘 要：景观生态学的发展为城市景观格局规划提供了新的理论依据，本研究利用ArcGIS的空间分析模块，运用最小阻力表面模型把地表地貌对生态过程的影响通过“耗费”这样一种概念来反映它的大小关系。以深圳市龙岗区为例，基于“基质-斑块-廊道”这种模式，分析出景观生态保护的 “源地”之间的最小耗费路径；再结合龙岗区实际生态资源的分布，提出了龙岗区景观格局优化方案。

关键词：生态景观格局；景观阻力；最小耗费路径

1.引言

2014年3月14日，习近平总书记提出了坚持山水林田湖草是一个生命共同体，强调要用系统思维统筹山水林田湖草治理。山水林田湖草是生命共同体，也是景观共同体，在城市发展进程中，这个共同体随着人类的开发活动或割裂或消亡，或搬离或重组，演变而成现在的城市生态景观。

深圳市从一个小渔村发展至如今的国际化大都市，40年来生态景观发生了天翻地覆的变化，龙岗区作为深圳的工业大区，早期粗放式的发展建设打断了原有的生态廊道，留下了许多历史欠账，特别是建成区内生态景观破碎较为严重。在此背景下，开展龙岗区城市生态景观格局优化分析，为龙岗区未来生态文明建设提供依据。

2.生态景观格局分析方法

生态景观是城市绿化的窗口，包括郊野公园、城市公园、社区公园、道路绿化等，从宏观层面分析评价区域的生态景观格局，是对城市整体生态景观的一次客观打分，更有助于发现片区生态连接度的问题，为以后生态廊道建设提供科学依据。

2.1景观格局分析概述

景观生态学强调的是空间的差异性和变化规律，强调水平过程与景观格局之间的相互关系。它把"斑块-廊道-基质"作为分析任何一种景观的模式。景观生态学应用于城市及景观规划中特别强调维持和恢复景观生态过程及格局的连续性和完整性。随着上世纪90年代3S技术的普及，可将地理信息直观展现在遥感影像上，对分析城市生态景观提供了大力支持。

2.2模型选择

我国俞孔坚以Forman的不可替代的景观格局思想为指导，提出了最小阻力表面（MCR）模型，也称为“安全格局的表面模型”。该方法是把物种对景观的利用看作是对空间的竞争性控制和覆被过程，而这种控制和覆被必须通过克服阻力来实现，阻力是指景观对生态流速率的影响，所以阻力面反映了物种空间运动的趋势。这种方法可充分利用ArcGIS的空间分析模块来实现，计算分析的可操作性很强，它把地表地貌对生态过程的影响通过“耗费”这样一种概念来反映它的大小关系，是研究景观水平生态过程的一种较好的方法。

累积阻力模型强调景观阻力在一定空间距离上的累积效应，是反映物种运动的时空连续体，类似地形表面。阻力面可以用等阻力线表示为一种矢量图。根据阻力面，进行空间分析可以判断缓冲区、源间联结、辐射道和战略点。

景观阻力表面模型建立的步骤如下：

（1）“源”的确定

在景观生态学中，“源地”是指功能的汇聚中心，可能包含一个或多个区域，也可能是相连或不相连的区域。

（2）景观阻力的确定

本文考虑的景观阻力主要是不同景观类型和坡度对物种和景观流迁移和扩散的影响，将土地覆盖类型、地形坡度等作为阻力因子来建立阻力表面。土地覆被类型和坡度会影响生物的迁移和扩散速度，他们需要客服的阻力不同。根据相关文献，一般林地和草地阻力较小，居民点和工矿用地以及交通用地的阻力较大，耕地是人类干扰活动下的景观类型，景观阻力也比较大。坡度对爬行动物和哺乳动物的活动影响也比较明显，一般坡度越大，阻力越大。

（3）景观“耗费”表面模型

景观“耗费”表面模型反映了物种和生态流从源地向外迁移和扩散的一个态势，这里“耗费”的意义：一是指从保护区核心（低值区）到人类活动的集中区（高值区），为发展自然植被所需付出的“代价”；二是指从生物扩散的“源地”到人类干扰的高值区，发展自然栖息地所需克服的景观阻力；三是指防止水土流失的有效性由耗费表面的低值区区向高值区逐渐减小。

3深圳市龙岗区城市生态景观格局分析

选用2017年龙岗区遥感影像数据进行分析，根据前面的景观“耗费”表面模型的算法，在ArcGIS中调用栅格分析模块功能建立景观“耗费”表面。

3.1源地的确定

龙岗区的“源地”主要分布在清林径森林公园、松子坑森林公园、银湖山郊野公园、雷公顶郊野公园、牛坳水库等。这些“核心区”或“源地”是地下地表水的发源地，是水源涵养和防止水土流失的“核心区”。而且受认为干扰影响较小，拥有丰富的本地物种和稀有物种。这些“源地”的保护将会对景观整体的水循环和其他物质的流动产生关键作用。

3.2景观阻力赋值和分布图的生成

本文考虑的景观阻力主要是景观类型和坡度对物种和景观流产生的影响大小。景观类型图采用遥感数据提取的景观类型分布图，坡度数據由高程数据在ArcGIS中表面分析命令提取坡度，然后按照上表的要求，对相应的图层进行赋值，然后将赋值的景观类型图和坡度图进行叠加运算，计算出景观阻力分布。

3.3“耗费”表面模型的生成

“耗费”表面模型不但考虑了各景观单元景观阻力的大小，还要考虑物种或景观流从源地向外迁移或扩散过程中随距离增加累积阻力的大小和方向的变化情况。具体做法是用Spatial Analyst工具下的cost distance命令，在生成累积阻力表面模型时，同时生成累积阻力的方向图，具体如下图所示。累积阻力表面模型表示了每一个计算单元到它最近源的最小累积阻力，累积阻力的方向图表示了从每一单元出发，沿着最低累积阻力到达最近源的具体路线。

3.4最小耗费路径

最小耗费路径代表了生物或现象由源地到最近源地迁移和扩散的最小阻力路径，同时也是最短路径。本专题基于McRae等开发的GIS工具Linkage Mapper 1.1来模拟最小成本路径（leaset-cost paths，LCP）和提取生态廊道，该工具最早用于野生动物栖息地连接度分析。该工具通过计算每个像元距离最近“源”的成本加权距离（cost weighted distance，CWD），创建成本加权距离表面，计算最小成本加权距离，模拟最小成本路径。

4.生态景观格局优化

景观安全格局理论则认为生物对整体景观都具有利用和控制的潜能，而景观中存在着某些潜在的格局，它们对生态的运动和维持过程有关键的影响，如果生物能占据这些格局并形成势力圈，生物便能最有效地利用景观，使景观具有功能上的整体性和连续性，最有效地维护生物和生态过程。因此，识别、设计和保护景观生态安全格局是现代生态保护的重要战略。

生态景观格局优化以城市现有景观水平分析为基础，根據前面建立的景观阻力表面模型，对生态安全格局的各个部分进行识别。同时区域中现有廊道对维持整个景观格局的连通性也具有重要作用，生态安全格局构建除了在水平景观格局分析的基础上，识别各个关键性的部位和空间联系通道之外，还要将现有的廊道的等级性和功能进行规划控制，结合成一个统一的整体。

基于龙岗区建设现状、生态控制线划定情况以及已建成、在建、规划公园的分布和最小阻力模型分析结果，充分考虑廊道建设的可行性和可操作性，以城市公园、水库、森林公园、自然保护区为生态斑块基质，以坂田-平湖区域绿地、平湖-横岗-龙城、横岗-龙岗、坪山-龙岗、坪地-坑梓等大型城市绿地为廊道，构建“四带三廊”的生态安全网络。

加强孤立生态斑块之间的联系；在各生态节点之间，利用河流水系、组团分隔带、山地风景林带和道路绿化，形成相互联系的次级生态廊道，增强生态系统结构与功能的完整性。

4.1构建城市大型绿廊

为了保持生态系统的整体连续性，根据确定的“四带三廊”生态安全网络建设7条大型生态绿廊和生物通道，这些廊道一般控制宽度1000米以上，这些生态廊道与大型区域绿地一起，共同构成了龙岗区的绿色生态屏障主体。

4.2构建河流水系绿廊

结合河道保护控制线的划定，在龙岗河等城市主要河流两侧各控制50米、支流两侧各控制30米，绿化建设城市的河流水系廊道。河流经过建成区地区应尽量结合自然的河岸线，规划设计沿河带状公园，采用非硬地化改造方式，并尽量维持自然原型驳岸，建设生态护坡，种植大量喜水特性的植物，河流水系廊道内的土地，不再建设新的建筑物，原有的建筑应逐步迁出。

4.3构建道路绿廊

铁路、高速公路以及一、二级城市干线穿越城市建成区时，两侧各控制不得少于30米绿化带宽度。加强道路、桥梁的生态涵洞和生物通道设置，建立野生动物、生物物种交换的通道，以解决交通工程可能给野生动物造成的负面影响。

5 小结

景观生态学的发展为景观格局规划提供了新的理论依据，本研究基于“基质-斑块-廊道”这种模式，利用GIS模块工具分析出景观生态保护的“核心区”，即“源地”之间的最小耗费路径，通过他们之间空间构成、结构以及与生物信息关系的研究，结合龙岗区生态控制线划定情况以及已建成、在建、规划公园的分布，提出了龙岗区景观格局优化方案，确定的“四带三廊”生态安全网络建设7条大型生态绿廊和生物通道。

参考文献：

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