基于GIS 的天津市主城区公园绿地景观格局

蔡春雨 冯 潇

北京林业大学园林学院 北京 100083

公园绿地作为城市绿地系统的核心组成部分,是城市绿色基础设施中社会、 生态、 经济等综合服务功能最全面的绿地类型[1]。 在对公园绿地评价的过程中, 常选取绿化覆盖率、 绿地率、 城市人均公园绿地面积等静态指标作为标准, 而忽略了公园绿地的空间分布及其功能特征。 对于城市公园格局的研究, 以及如何科学合理地布局, 发挥城市公园最大限度的生态意义, 推动城市发展建设, 为居民提供更好的服务具有重要的现实意义。 目前, 国内应用景观格局指数研究绿地景观格局的方法主要是通过ArcGIS 对绿地信息进行分析处理, 建立矢量信息数据库, 再利用Fragstats等软件计算相应的评价指标, 进而分析景观格局[2-4]。

目前, 针对天津市主城区公园绿地景观格局方面的研究较为缺乏。 为了更加准确地对天津主城区公园绿地进行研究, 本文基于景观生态学原理及方法, 利用ArcGIS10.6 等软件, 按照斑块大小对主城区公园绿地进行分类统计, 从单元特征以及景观异质性两个方面对天津市主城区城市公园绿地进行计算和分析, 并针对分析结果提出天津市公园布局优化的建议, 以期为未来天津市公园绿地规划建设提供参考。

1 数据来源及研究方法

天津市地处华北平原北部, 面积11 916.85 km2,属暖温带半湿润季风性气候, 年均降水量360 ～970 mm。 本研究区域为天津市主城区, 即河北区、 红桥区、 南开区、 和平区、 河东区、 河西区,总 面 积 约 4 334.72 km2。 绿 地 面 积 约66 033.47 hm2, 绿地率21.29%, 绿化覆盖率29.67%, 人均公园绿地3.83 m2。

1.1 数据来源及处理

本文以2017 年高分一号卫星影像为基础数据源(空间分辨率为8 m)。 运用ArcGIS10.6 对天津市主城区公园绿地斑块进行目视解译及矢量化处理, 并根据《天津市城市总体规划 (2005—2020 年) 》 《天津市土地利用总体规划(2006—2020 年) 》、 天津市公园景区等资料, 结合实地调研, 针对天津市公园绿地特点, 以公园为单位进行公园信息提取, 建立天津市主城区公园绿地数据库。

1.2 公园绿地分类

在现实景观中, 各种大小的斑块往往同时存在, 具有不同的生态学功能[5]。 可以将公园绿地视为不同类型的斑块, 依据面积大小对公园绿地进行分类[2]。 根据天津市公园绿地斑块的面积大小及特点, 将天津市公园绿地划分为5 种类型:面积为1 hm2以下的划为小型斑块, 1 ～5 hm2的为中小型斑块, 5 ～10 hm2以上的为中型斑块,10～20 hm2以上的为大中型斑块, 20 hm2以上的为大型斑块。

1.3 公园绿地景观格局指数

利用GIS 进行图像处理与数据统计, 将斑块的矢量数据转换为栅格数据, 利用FRAGSTATS和ArcView GIS 的拓展模块Patch Analyst 对选取的景观格局指数进行计算。 选取斑块类型的总面积(CA) 、 斑块数量(NP) 、 景观类型比例(PLAND)、 平均斑块面积(AREA-MN) 等指标从斑块类型水平方面对公园绿地进行景观单元特征分析, 选取多样性、 破碎化、 聚集度等指数从景观水平方面对景观异质性进行分析[6-7]。 最后在以上基础分析天津主城区公园绿地的景观格局。

2 结果与分析

2.1 景观单元特征分析

景观单元特征分析指数主要包含斑块面积(AREA)、 斑块数量 ( NP ) 和斑块周长(PERIM)、 核心面积(core area) 等指标[8]。 本研究在斑块类型水平上选取斑块类型总面积、 斑块数、 景观类型比例、 平均斑块面积等指标, 通过对卫星影像进行目视解译, 并结合天津市主城区公园绿地统计资料进行计算, 最后得到研究区内公园绿地斑块数量78 个, 总面积634.41 hm2。

各类型公园绿地斑块数量、 面积等信息如表1所示。 从绿地斑块类型角度分析, 研究区绿地斑块数量依次为: 中小型斑块＞小型斑块＞大型斑块＞大中型斑块＞中型斑块： 研究区绿地斑块面积依次为: 大型斑块＞大中型斑块＞中小型斑块＞中型斑块＞小型斑块： 研究区绿地平均斑块面积依次为: 大型斑块＞大中型斑块＞中型斑块＞中小型斑块＞小型斑块。 可以看出, 小型和中小型斑块的数量占研究区内绿地斑块总数的75.64%, 但面积只占绿地斑块总面积的16.25%。 大型斑块数量占研究区内绿地斑块总数的10.26%, 面积却占63.77%, 两极分化现象较为严重, 绿地斑块的数量没有随着斑块面积的增加而增加, 说明小型和中小型斑块较为破碎： 研究区是以大型绿地斑块为主, 大中型为辅, 中型、 中小型、 小型斑块为补充的绿地景观格局。 大型绿地斑块具有较高的生态效应, 在城市生态环境方面发挥主要作用：小型斑块在城市中多为社区公园、 街旁绿地等与居民生活密切相关的公园类型, 能够提高城市景观的异质性, 在绿地系统规划时应注重公园合理布局, 发挥最大的生态效益。

从各行政区的绿地斑块角度分析, 研究区绿地斑块数量依次为: 河西区＞河北区＞南开区＞河东区＞和平区＞红桥区： 研究区斑块面积依次为:南开区＞河西区＞河北区＞河东区＞红桥区＞和平区：研究区绿地平均斑块面积依次为: 南开区＞红桥区＞河西区＞河东区＞河北区＞和平区。 可以看出,在公园规模上, 南开区公园绿地面积最大, 和平区最小, 这是由于水上公园、 天津市动物园等大型公园位于南开区, 因此该区公园绿地斑块面积较大。 从公园平均斑块面积看, 南开区最大, 和平区最小, 由于和平区相比其他行政区, 其面积较小, 城镇化水平更高, 人口、 建筑相对集中,公园绿地面积最小。 因此, 应适当增加该区的公园建设, 以满足当地居民日常休憩娱乐的需求。

2.2 景观异质性分析

2.2.1 景观多样性指数

景观多样性是指由不同类型景观要素或生态系统构成的空间结构、 功能机制和时间动态方面的多样化或变异性[9]。 本文选取斑块丰富度密度指数 (PRD)、 Shannon 多样性指数 (SHDI)、Shannon 均匀度指数(SHEI) 3 个常用的景观格局指数进行计算, 结果如表2 所示。

表2 天津市主城区公园绿地多样性

1) 多样性指数。 景观多样性指数的大小反映景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化,当景观由单一要素构成, 景观是均质的, 其多样性指数为0[10]。 从表2 中可以看出多样性指数依次为: 和平区＞红桥区＞河东区＞河北区＞河西区＞南开区, 说明和平区的公园绿地景观面积分布较为均匀, 因此, 多样性指数最高。 南开区公园数量较少, 面积差别较大, 因此多样性指数很低。在公园绿地规划建设中, 应尽量提高景观多样性,避免各类型公园绿地斑块的面积差异过大。

2) 丰富度密度指数。 斑块丰富度密度指数反映了景观中单位面积所包含的不同斑块类型的总数[11]。 景观丰富度指数依次为: 河西区＞南开区＞河北区＞河东区＞和平区＞红桥区,。 说明河西区与南开区的单位面积中景观斑块数量比较多, 与这两个行政区内公园绿地数量多有关。

3) 均匀度指数。 均匀度是描述景观中不同景观类型的分配均匀程度[12], 景观均匀度指数最高是和平区为0.927, 这是由于和平区的公园绿地数量较少, 缺少大型绿地, 且分布较为均匀。 均匀度指数最低的是河北区为0.637, 因为河北区的各个类型的公园绿地面积差别较大。

2.2.2 景观破碎化指数

公园绿地景观破碎度的研究不仅有利于城市自然生态的保护, 还可为城市规划设计和公园改造提供一定的理论依据。 本文选取斑块密度(PD) 来反映景观的破碎程度。 如表3 所示, 从绿地斑块类型的角度看, 小型斑块的破碎度均≥144.861 个/km2, 说明小型斑块的破碎化程度最严重： 大型斑块的破碎度均≤4.556 个/km2, 说明大型斑块的破碎化程度最低。 斑块破碎度指数大小是随着斑块面积的增长而降低的。 从各行政区的绿地斑块看, 和平区和红桥区的破碎化程度较高, 分别为286.224 个/km2和267.056 个/km2,说明平均斑块面积较小, 这与和平区只有小型和小中型公园绿地有关, 也与红桥区有较多小面积带状公园绿地相关。 南开区的破碎度最低, 说明斑块平均面积较大, 分布较为集中, 与水上公园、天津市动物园、 南翠屏公园、 长虹公园等大型公园绿地位于该区有关。 可以考虑在和平区和红桥区适当修建规模较大的综合性公园, 满足市民多种需求。

表3 天津市主城区公园绿地斑块破碎度 个/km2

2.2.3 景观分离度指数

本文选取聚合指数(AI) 反映天津市主城区公园绿地的聚集程度。 聚集度值为0 时, 斑块破碎度达到最大, 一定程度上反映复杂度的同时可揭示人类对景观的干扰程度[13]。 当景观中的某类型斑块被聚合成一个单独的斑块时, 聚集度为100。 如表4 所示, 从绿地斑块类型的角度看, 大型斑块的聚集度最高为99.861, 说明斑块的结构最为紧凑： 小型斑块的聚集度最低为89.654, 其离散程度较高, 多为面积较小的社区公园。 从各行政区的绿地斑块角度看, 南开区、 红桥区聚集度较高, 反应了这两个区的公园绿地斑块分布较为集中： 河西区区域面积较大, 公园分布较为分散, 因此聚集度最低为88.675。

表4 天津市主城区公园绿地斑块聚集度

3 结论与建议

3.1 结论

本文基于景观生态学原理及GIS 等软件的支持, 通过建立公园数据库, 以及对选取的相关指数进行计算的方法, 对天津市主城区公园绿地景观格局进行定量分析, 研究结果表明:

从斑块类型水平上看, 研究区公园绿地面积与分布情况不均衡, 斑块是以大型绿地斑块为主, 大中型为辅, 中型、 中小型、 小型斑块为补充的绿地景观格局。 小型和小中型绿地斑块的数量占研究区内绿地斑块总数的75.64%, 面积占绿地斑块总面积的16.25%。 大型斑块数量占研究区内绿地斑块总数的10.26%, 面积占63.77%。 公园规模上, 南开区公园绿地斑块面积最大为260.11 hm2, 和平区最小为8.55 hm2。在公园平均斑块面积上, 南开区最大为21.68 hm2,和平区最低为1.07 hm2。

从景观水平上看, 研究区公园类型不丰富,公园绿地斑块总体破碎度高。 各个公园绿地斑块类型之间多样性指数差别较大, 丰富度和均匀度指数较低。 大型公园绿地斑块数量小, 面积大,生态隔离度比较大, 不利于斑块之间的相互联系[11], 小型公园绿地斑块数量多, 面积小, 公园绿地破碎度高, 聚集度指数低。

3.2 建议

通过景观单元特征分析, 反映出天津市公园绿地数量、 规模、 分布等空间格局信息： 通过景观异质性分析, 揭示公园在破碎度, 多样性指数,聚集度等方面的景观格局特征。 两种方法结合较为细致地展现了天津市公园绿地景观格局, 为天津市公园绿地的优化和建设提供可行性思路。 根据以上研究结果, 对天津市主城区公园绿地景观格局优化提出4 点建议:

1) 针对绿地布局不均衡的问题, 进一步对公园绿地的空间结构进行优化, 适当增加小型斑块的面积, 小型绿地斑块是对大型绿地斑块的有益补充, 能够提高城市景观的异质性, 改善城市景观的视觉效果[14]。 天津市主城区的中型斑块比较缺乏, 应根据各区的土地使用情况, 加强中型、中大型公园绿地的建设, 促进各公园绿地斑块面积构成比例合理分布： 加强中部地区公园绿地建设, 改善公园绿地空间分布不合理的现状： 充分提高现有公园的游憩承载力, 完善公园设施及服务, 改善市民的休闲游憩环境。

2) 提升景观丰富度和多样性, 注重斑块间的合理布局, 将各类型的绿地斑块进行有机串联,构建起覆盖全区的生态网络体系, 减弱斑块间的破碎度, 增加景观空间连通性。

3) 大力发展沿河带状公园绿地, 构建城市滨水绿地景观体系, 严格保护城市森林、 湿地等重要生态斑块, 提高景观生态系统质量, 恢复生态系统自然演替。

4) 在公园的规划设计中, 注重挖掘和融入社会文化价值, 使自然景观整治与人文景观保护相结合, 创建具有地方特色的公园景观, 展现天津的独特魅力。