福州沙滩公园植被遮荫面可达性分析∗

戴忠炜 聂晓嘉 兰雪静 兰思仁,2

1 福建农林大学 福州 350002 2 国家林业与草原局森林公园工程技术研究中心 福州 350002

近年来,城市化进程所带来的城市建设与环境、气候之间的问题日益凸显[1]。城市公园绿地作为城市绿地系统中与市民联系最为紧密的绿地,其发挥着重要的生态效益和社会服务功能[2-4]。遮荫植被是城市公园绿化的主力军,它不仅能够在夏季为人们提供遮荫效果,而且可以给予人以心理上的庇护,创造林下丰富的活动空间[5],并可以吸收热辐射[6],提高人体舒适度[7-8]。植被遮荫面是可以为游人提供遮荫效果所形成的垂直地面的阴影面积。植被遮荫面的可达性是衡量城市公园服务能力的重要指标。

本研究基于GIS的费用加权距离法将空间可达性的概念从定性描述转变为定量计算,已被应用于许多领域,如城市规划[9]、自然保护区[10]和野生动植物迁徙[11],但目前应用在公园内部服务设施的可达性分析还鲜有发现。费用加权距离法可以准确识别公园内的土地利用情况,并为不同的土地类型设定相对应的时间成本,模拟游客正常步行到达植被遮荫面的过程。本文通过对福州沙滩公园进行实地调研与GIS可达性分析,并对公园内部植被遮荫面的可达性进行分析,以期为城市公园内部遮荫植被的设计与管理提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

本研究是首次对城市公园植被遮荫面的可达性进行分析。本研究选取福州沙滩公园为例,主要是由于福州沙滩公园具有大面积的沙滩暴晒区域,在炎热的夏季更需要考虑植被遮荫面可达性的服务情况。福州沙滩公园位于福州市仓山区,公园面积为10.60万m2,长度为933 m,宽度为30～200 m。公园南北区域的现状条件不同,形成的风格也不同:北区域空间狭长,被营建成植被丰富的生态区；南区域较为空旷,由沙滩区、戏水区、休憩区组成,重点突出热带海滩的特色[12]。因此,福州沙滩公园集特色性、生态性、文化性为一体,成为联系乌龙江畔各分散地块的活力纽带。

1.2 数据来源

本次研究的数据来自无人机遥感图像。在Arc GIS分析之前要对遥感图像进行处理,以减少图像误差。首先,使用ERDASIMAGINE 9.0对遥感图像进行几何校正；其次,将校正后的遥感图像导入AutoCAD 2014,并结合户外调查提取可以为游人提供遮荫效果的植被遮荫面,绘制福州沙滩公园的土地利用类型图；最后,将福州沙滩公园(dwg格式)的土地利用类型地图导入Arc GIS 10.2,绘制矢量地图(shp格式)并构建数据库,该数据库包括福州沙滩公园的土地类型和土地面积。福州沙滩公园有12种下垫面类型,如植被遮荫面、乔灌草群落、平整铺装、草坪、沙滩细沙、避雨设施构筑物等。乔灌草群落主要由树木和灌木组成,游客无法通行；在植被遮荫面下,游人可以在此自由通行,遮荫面的下垫面类型可为草坪、铺装路面、沙滩细沙等。本研究对整个公园的土地利用类型进行精确识别与量化,以确保实验的准确性。

1.3 花费时间的确定

根据联合国世界卫生组织的划定,把研究对象确定为青年人、中年人、老年人3个群体。由于儿童和少年(17周岁以下)的活动较缺乏独立性,所以不作为本次的研究对象。每个群体选取24位志愿者(男女各半,男身高1.7 m左右,女身高1.6 m左右),用秒表分别统计他们在沙滩公园内8种路面材质上正常速度行走10 m(直线路径且较为平整)所花费的时间。最后统一取平均值,从而获得3个不同群体在沙滩公园不同路面材质上正常速度行走10 m所花费的时间(表1)。在后期的GIS栅格网分析中,由于每个栅格的精度为1 m×1 m,所以统一折算为行进1 m所需的时间。

表1 青、中、老年人行进10 m时间平均值s

1.4 可达性分析方法及过程

本次城市公园植被遮荫面可达性研究采用的分析方法为费用加权距离法。费用加权距离法是用于计算每个单元到最近和成本最低源的最小累积成本,它不是计算一个点到另一个点的直线距离,而是根据每个栅格单元到“源”栅格单元的距离以及沿路径传递的成本计算每个栅格单元到最近“源”栅格单元的累积通行成本[13]。

对于游客来说,城市公园不同的土地类型对步行速度有着不同的阻抗力。通过设定青年人、中年人、老年人在福州沙滩公园不同土地利用类型相对应的时间,我们可以模拟游人在炎热的夏季到达植被遮荫面的真实路径,进而分析福州沙滩公园植被遮荫的服务效果。根据实际情况,福州海滨公园的土地类型包括植被遮荫面、碎石路面、防腐木板、植被群落、沙滩细沙路面等。费用加权距离法通过把研究区域栅格化,计算每个栅格单元到“源”的最小累计成本,公式如下[14]:

式(1)中,Ci表示第i个单元的成本值,Ci+1是指沿运动方向上的第i+1个单元的成本值,n为栅格单元的总数；上分式表示通过成本栅格表面垂直或平行的方向上的费用加权计算；下分式表示通过成本栅格对角线方向的费用加权计算。

2 结果与分析

2.1 福州沙滩公园植被夏季遮荫面可达性

根据上述方法计算出每个网格的可达性指数,将结果分为15个等级,最后得出福州沙滩公园夏季植被遮荫面的可达性空间分布情况。

福州沙滩公园植被遮荫面可达性较好,公园大部分区域的植被遮荫面可达性指数在30 s之内,最快的区域在10 s内就能到达。沙滩公园南区域有大面积的沙滩路面和硬质铺装路面,交通较为通畅,遮荫植被在此区域均匀散点分布,因此,这一区域的植被遮荫面可达性指数较高,一般在30 s以内。沙滩公园北区域植被群落密集,路网密度虽然大,但是由于无法为游人提供遮荫的绿化植被占据了大部分(如很多遮荫植被的下垫面为灌木),游人无法直接进入,同样无法为其提供遮荫功能,所以可达性相对南面区域要低,一般在60 s以内,其中最弱的地方达到150 s。

进一步分析获得福州沙滩公园植被遮荫面的可达性分布区域和频率(表2)。青年人、中年人、老年人在0～30 s能到达植被遮荫面的面积占公园可行走面积比例分别为93.64%、86.26%、75.89%。青年人、中年人、老年人在0～60 s能到达植被遮荫面的面积占公园可行走面积比例分别为99.18%、98.79%、97.70%,占据了公园可行走面积的绝大部分。游人在30 s内能到达就近的植被遮荫面,可以缓解炎热的气温和UVB紫外辐射,达到良好的遮荫效果。游人到达就近植被遮荫面的时间若大于60 s,则在太阳光下暴嗮的时间较长,体验不佳。

2.2 青、中、老年人的植被遮荫面可达性比较

通过图1、表2可以看出,青年人总体可达性最好,中年人次之,老年人的可达性较差。在时间分布上,青年人在0～30 s到达植被遮荫面的区域占总面积的44.59%,略高于中年人的41.07%和老年人的36.15%。在其时间段的分布频率中,在0～10 s可以达到植被遮荫面的区域,青年人对应的比例为23.47%,高于中年人和老年人；沙滩公园内各个点到达植被遮荫面的时间需要60s以上的区域,青年人、中年人、老年人分别占总面积的比例为0.38%、0.57%、1.07%。这说明青年人的可达性指数最佳,究其原因,青年人在沙滩公园不同路面上行走的速度高于中年人和老年人,所以到达就近植被遮荫面的时间较少。

图1 福州沙滩公园夏季遮荫植被可达性分析趋势图

在青年人、中年人、老年人的可达性时间等级空间分布频率中,时间等级0～20s的分布频率最大,其次是20～30 s。青年人的可达性时间等级在110～120 s的分布频率最小,中年人和老年人的可达性时间等级在140～150 s的分布频率最小。青年人、中年人、老年人具有相同的分布频率趋势:青年人从时间等级1到时间等级4呈现急剧下降的趋势,从时间等级4到时间等级12呈现缓慢下降趋势；中年人从时间等级1到时间等级6呈现急剧下降的趋势,从时间等级6到时间等级15呈现缓慢地下降趋势；老年人从时间等级1到时间等级7呈现急剧下降的趋势,从时间等级7到时间等级15呈现缓慢地下降趋势。

3 结论与讨论

遮荫植被作为城市公园内部重要的绿色基础设施,在炎热的夏季可以改善热舒适度,营造健康舒适的夏季游憩体验,对于城市公园内部服务体系的建设和完善具有重要意义。本次研究分析了福州沙滩公园植被遮荫面的可达性,结果表明:1)基于费用加权距离法,对公园不同路面赋予时间成本,从而模拟游人到达就近植被遮荫面的真实路径,此方法能准确地评价城市公园植被遮荫面的可达性与服务情况；2)福州沙滩公园植被遮荫面的可达性较好,青年人、中年人、老年人在0～30 s内能到达植被遮荫面的的区域分别占公园可行走面积的93.64%、86.26%、75.89%,占据了大部分服务区域。

植被遮荫面的可达性是衡量城市公园服务能力的重要指标。因此,在城市公园植被绿化设计与种植中应考虑以下3个方面:1)要合理营造可为游人提供林下遮荫的植被,在游人较为密集的区域可以种植冠幅较大的遮荫乔木,并且游人能够方便进入植被遮荫面；2)在公园的一级园路线上,注重行道树的种植设计,并且保证行道树可以为行走的游人提供植被遮荫面；3)要保证游人在30 s内步行到达就近植被遮荫面的面积占公园可行走面积的70%以上,要保证植被遮荫面占绿化总面积的10%以上,进而满足游人的遮荫需求,以改善城市公园的公共服务能力。