成都市中心城区绿色空间格局演变与道路网络耦合分析

王倩娜

魏琪力

谢于松*

罗言云

1 研究背景

道路网络和城市绿色空间是城市格局重要的组成部分，道路不仅在经济发展和城镇建设中起着重要的推动作用[1-2]，也肩负着联系城乡体系的重任。在交通强国的背景下，截至2019年，中国公路总里程达501.25万km，铁路营业里程达13.9万km[3]。城市绿色空间(Urban Green Space，UGS)是构成城市生态系统的主体，起着调节城市气候、改善公共服务等生态服务功能[4-5]。随着道路系统的逐渐完善，UGS不可避免地受到切割和侵占[6-7]。

道路网络作为重要的灰色基础设施，具有呈条带状、宽度不一、类型多样、构建复杂等特点。既往研究表明[1-2，6-7]，道路建设是导致景观破碎化的主因之一。20世纪70年代，Forman[1]指出道路建设与生态系统面积的减小存在直接关系；Hawbaker[8]等指出不同土地利用类型区域的道路建设对景观破碎化的影响存在差异；黄梦娜等[2]分析了道路引起的陆表景观破碎化格局特征，指出道路网络延伸对自然保护区存在干扰；刘佳妮等[7]的研究表明浙江省干线公路网络对森林景观破碎化具有影响；富伟等[9]分析云南典型地区道路网络对景观格局与功能的影响，明确了道路网络是加剧景观破碎化的要因。

UGS是绿色基础设施中最核心且研究需求最迫切的区域，随着研究的深入与拓展，UGS不再局限于城市绿地、林地、立体绿化等绿地范畴，还包括各种绿化覆盖的城市空间[10]。目前针对绿色空间格局开展的研究主要集中于绿色空间规模和功能[10]、结构与指标[11]和动态演化[12]。国内外绿色空间的相关研究具有方法成熟、研究面广和科学性强的特点，将如叠加分析、空间分析、基于图论、重力模型的分析方法和形态学空间格局分析方法 (Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)等[13]运用到构建UGS网络、生态廊道，以及研究绿色空间的动态变化和绿地斑块评价等领域已非常多见。

国内外研究虽已证实道路对景观破碎化的影响，但目前道路建设的工程性探讨、技术改良创新和路网合理性布局等仍是主要的研究方向[14]，较少将绿色空间与灰色基础设施的变化联系起来，探讨道路工程对绿色空间的切割作用。道路作为灰色基础设施中导致景观破碎化的要因之一[2]，围绕其延伸与绿色空间格局变化的耦合研究是必不可少的，而不同道路类型对绿地斑块的影响程度，影响原因、过程和机制，实践中应如何应对等应是重要的研究课题。此外，既往研究中暴露出如普遍将所有道路类型混为一体或仅研究主要道路类型影响的现象，忽略了道路类型对两侧绿色空间的影响差异，以及道路网络延伸与绿色空间演变间耦合关系的探讨。因此，围绕以上2个问题，研究提出了分析不同类型道路对两侧绿色空间的影响程度及其与绿色空间演变间的耦合关系的研究目的。

基于以上背景，本研究选取成都市中心城区为研究对象。基于遥感影像，运用监督分类提取绿色空间数据，采用MSPA等方法，首先对绿地斑块进行重要性分级及动态性级别变化研究，明确研究区绿地斑块的重要区域。然后结合道路交通数据，建立道路缓冲区，分析道路两侧绿地斑块的级别、面积和景观破碎化指数的变化情况，明确不同道路类型对绿地斑块重要性级别变化的影响，绿色空间变化中的影响范围和程度差异，与UGS格局变化的关系和影响机制等问题，从而提出了基于耦合关系的绿地斑块破碎化图谱类型和措施建议，以期为道路网络规划与生态空间保护提供依据。

2 研究对象及数据

2.1 研究区概况

2021年成渝地区双城经济圈被定位为国际性综合交通枢纽，战略地位不断提升。成都市中心城区作为成渝地区双城经济圈的核心区域，是西部地区发展最快速、经济最发达的城市建成区之一。随着道路网络日趋完善，其已形成环形放射结构，路网密度高，2020年末已达8.30km/km2[15]。成都市中心城区属亚热带季风气候，地理范围为东经103°40′～104°30′、北纬30°13′～30°58′，下辖锦江区、金牛区等11个区，总面积约3 669.54km2，2019年末常住人口1 090.70万人(图1)。

图1 成都市中心城区区位及行政区划

2.2 数据来源及预处理

基于云量少、无遮挡的原则，选取研究区1995、2005和2015年4月的Landsat卫星遥感影像数据[16]，并在ENVI 5.3中完成辐射定标、大气校正、镶嵌、裁剪等预处理。基于监督分类将土地利用类型划分为建设用地、未利用地、绿色空间和水体4类。结合高精度卫星影像图及实地调研对监督分类结果进行修正后，采用Kappa指数检验精度，3期土地利用解译后的Kappa指数分别为92.1%、91.5%和85.3%，精度值达到要求[12]，由此获得研究区各年份30m×30m土地利用类型数据。同时，将各年份道路数据[17]导入ArcGIS完成数据统计，3期的道路总长度分别为748.43、1 388.39、2 103.08km。

3 研究方法

3.1 绿色空间形态学空间格局分析及破碎化

MSPA是Soille等[18]提出的一种度量、识别与分割的图像处理方法，能识别研究区内重要的生境斑块。基于土地利用类型数据，在ArcGIS内将绿色空间作为MSPA分析的前景(赋值为1)，其余土地利用类型作为背景(赋值为0)，得到研究区30m×30m绿色空间的二值栅格图。再运用Guidos Toolbox软件，采用八邻域规则，边缘宽度取值30m，进行MSPA分析，计算得到核心区、孤岛、穿孔、边缘、分支、连接桥、环共7类绿色网络结构要素图及数据。

3.2 绿地斑块分级与时空演变分析

3.2.1 绿地斑块分级

本研究选取斑块面积和dPC指数2个指标[19]对研究区内绿地斑块进行评价及重要性分级。处理过程为：在ArcGIS中运用Conefor生成各年份绿地斑块的中心及中心间的连接数。将生成的数据导入Conefor中进行dPC指数运算。其中，因研究区为中心城区尺度，连接距离阈值在分别设置为3 500、4 000、4 500、5 000m等数值后，通过参考相同尺度的研究成果，综合比对不同距离下dPC等指数大小，最终将连接距离确定为3 500m[19]，斑块间连通的可能性设为0.5[20]。依据斑块面积和dPC指数结果，在ArcGIS中将斑块分级并做数据统计。

3.2.2 核心绿地斑块识别

依据绿地斑块面积和dPC指数选取研究区1995年中具有重要生态价值的核心斑块作为后续基础范围，并以此基础范围作为掩膜，提取2005、2015年的斑块数据。

3.3 道路网络与绿地斑块耦合关系的图谱化研究

3.3.1 不同道路类型与绿地斑块的耦合关系识别

选取研究区高速公路、国道、省道、铁路、县道共5种道路类型，因各道路类型的不同区段存在宽度不一致的现象，在综合考虑道路设计规范[21-22]、道桥专家建议和研究区内各类道路实际宽度均值后，将5种道路宽度分别设置为30、24、16、12、8m。道路的空间影响范围往往超过其本身所侵占的土地，采用建立缓冲区的方法量化道路的外部影响范围[2]。结合既往研究及道路两侧绿色空间现状，共设定100、500、1 000、2 000m共4种缓冲区宽度。在ArcGIS中基于各类道路矢量数据分别建立4种缓冲区，使用clip工具进行裁剪，统计后得到各类型道路4种缓冲区范围内各级斑块的面积、数量及分布图，以识别不同道路类型与绿地斑块的耦合关系。

3.3.2 不同道路类型与绿地斑块的相关性研究

基于以上结果，首先运用ArcGIS统计缓冲区内斑块级别和面积变化，基于变化结果分析道路对绿地斑块重要性和面积大小的影响。同时，为探究道路对绿地斑块破碎化的影响，进一步将5类道路不同缓冲区内的绿地斑块统一赋值为1，缓冲区范围内非斑块区域统一赋值为0，导入Fragstats软件，选取反映景观结构特征的景观百分比(PLAND)、周长-面积分维数(PAFRAC)和边缘长度(TE)；反映景观异质性的斑块密度(PD)、聚集度指数(AI)、蔓延度(CONTAG)和香农多样性指数(SHDI)[23]共7项景观格局指数。基于缓冲区内绿地斑块的景观格局指数统计与变化分析，总结道路对绿地斑块的破碎化影响特征。

3.3.3 绿地斑块破碎化类型图谱构建

图谱是通过对研究对象进行识别、分析、归类、提炼后，以图示化的语言进行时空上的分类与重构[24]。道路影响下绿地斑块破碎化的图谱构建，首先通过分类、识别不同年份绿地斑块的演变特征，再筛选、提取出绿地斑块演变规律，最后通过组合、重构的方法提炼出绿地斑块破碎化演变类型，完成对道路与绿地斑块耦合关系的定性评价及可视化表达。

4 结果分析

4.1 绿色空间形态学空间格局分析

1995—2015年土地利用变化集中体现在绿色空间和建设用地之间，其中绿色空间的面积减少了1 078.23km2，建设用地增加986.01km2；水体和未利用地在城市总面积中占比较小，存在不规则波动。绿色空间网络结构要素以核心区为主，各年份占比均高于70%(表1)。核心区、孤岛、穿孔和边缘总面积整体呈下降趋势，环、连接桥及分支呈缓慢增加的趋势。

表1 研究区1995、2010、2015年绿色空间网络结构要素统计

4.2 绿地斑块分级与时空演变分析

4.2.1 核心绿地斑块识别

基于斑块面积和dPC指数结果，结合研究区实际情况和多次对比验证，确定了斑块分级标准(表2)。1995—2005年一级斑块被侵占的面积较小，破碎化程度不明显；2010—2015年出现大量二级、三级斑块，一级斑块被显著侵占，破碎化加剧。2005—2015年一级斑块总面积下降近2/3(表3)，一级斑块转化为其他级别斑块和建设用地的现象最为明显。二级、三级斑块在2005—2015年增幅显著，四五六级斑块整体数量呈增多趋势，其中七级斑块增幅最为明显。

表2 研究区1995、2010、2015年斑块分级标准

4.2.2 核心绿地斑块识别与时空演变分析

1995年以一级斑块为主且面积达98%以上，后续斑块破碎化现象主要出现在1995年的一级斑块上，且破碎化明显。为便于后期分析，选取1995年一级斑块范围作为后续基础范围(图2A)，进一步提取、统计得到2005、2015年绿地斑块数据(图2B、2C)。结果表明，20年间基础范围内的一级斑块面积共减少1 249.06km2，斑块数量由1个增加至12 167个。1995—2005年属于缓慢破碎化时期，破碎化主要集中在城市中心及温江、新都等副中心周围，一级斑块面积减少498.38km2，其他各级斑块面积均增加。2005—2015年属于快速破碎化时期，一级斑块面积减少1 802.49km2，绿地斑块受到建设用地扩张的影响明显，破碎化加剧，东北和西南尤为明显。

图2 1995年一级绿地斑块范围内2005、2015年斑块分布

4.3 绿色空间消减与道路网络关联性分析

4.3.1 不同道路类型与绿地斑块的耦合关系识别

不同道路类型在4种宽度缓冲区内的侵占特征及类型存在差异(图3)。1995—2005年内选取具有一定形态特征的区域，同时在2005—2015年选取同区域进行对比。整体而言，1995—2005年道路两侧的绿地斑块虽受到道路的影响，但影响程度差异明显。其中，高速公路两侧的绿地斑块受到影响而产生出的斑块类型较多、较复杂，其次为铁路、国道和省道。2005—2015年影响程度进一步加深，道路在缓冲区范围内的面积明显增多，如高速公路两侧的缓冲区，受道路影响后的绿地形式类型复杂程度进一步加剧，其中稀疏影响进一步变化为零散影响，其他影响类型范围全部扩大到2km范围内。

图3 2005年(A)、2015年(B)各种道路类型不同宽度缓冲区内的斑块分布

4.3.2 不同道路类型与绿地斑块的相关性研究

1)绿地斑块级别及面积变化。

研究结果表明(表4)：各道路类型不同缓冲区范围内的斑块数量均有增加，变化强度为高速公路＞铁路＞国道＞省道。级别上呈低级别斑块数量增长，整体面积占比小；高级别斑块数量增加，面积下降明显的特点。具体表现为：一级斑块数量保持稳定，2015年一级斑块数量增多，面积却减少；高速公路和铁路的降幅最大，其次为国道和省道；二三级斑块的数量均增加，而面积除国道在0.5～1.5km范围内减小外，其余道路类型的斑块面积均增加；四级斑块数量变化明显，面积均增加，说明其多由高级别斑块破碎而来。五六七级斑块在数量和面积上均增多。以上结果表明，道路导致绿地斑块破碎化和低级别化。

绿地斑块面积表现出减少的趋势，1995—2005年4种缓冲区内不同道路类型对斑块减少面积的影响程度为：高速公路＞铁路＞国道＞省道(表4)。其中高速公路影响面积最大，随着缓冲区的增加，变化率缓慢减小。变化率结果显示：各道路类型均呈现缓冲区宽度越大，对斑块影响越弱的规律。2005—2015年100m缓冲区范围内，影响程度为：县道＞高速公路＞铁路＞省道＞国道；500、1 000m缓冲区范围内，影响程度为：高速公路＞铁路＞县道＞国道＞省道；2 000m缓冲区范围内，影响程度为：高速公路＞铁路＞国道＞县道＞省道。整体而言，高速公路和铁路对绿地斑块的影响最明显，随着两侧缓冲区宽度增加，受影响的斑块数量和面积随之增加，而影响程度呈递减趋势。

表4 2005、2015年各种道路类型不同宽度缓冲区内斑块数量、面积统计

2)景观格局指数变化。

结果表明，缓冲区内的绿地斑块总体景观结构多样化，各道路类型对绿地斑块的干扰逐步增加，破碎化现象明显加剧，斑块形状逐步单一化，不同道路类型两侧的绿地斑块形状复杂程度趋于相同。其次，研究发现不同道路类型的破碎化现象不同，其中省道周边的斑块破碎化现象较轻，斑块较聚集，而高速公路随着时间推移，两侧破碎化现象明显加深，斑块异质性显著。具体分析如下。

同年内不同道路类型的各缓冲区宽度下，景观指数反映各道路类型对绿地斑块的干扰程度进一步加大，斑块进一步分散。其中，PLAND指数：县道(2015)＞高速公路＞铁路＞国道＞省道，县道和高速公路两侧的绿地斑块占比最大。TE指数一定程度反映斑块的聚散程度，其在不同道路类型下数值波动大，1995年国道和铁路两侧的斑块较为分散，高速公路聚集度较高，2005和2015年，高速公路＞县道(2015)＞铁路＞国道＞省道的排序相对稳定，这一时期高速公路和铁路破碎严重，分散明显。PAFRAC反映斑块形状的复杂性，不同道路类型在1995、2005年内，指数差距较小，复杂程度均较强，其中高速公路两侧缓冲区内的绿地斑块形状最为复杂。2015年后各道路类型两侧的绿地斑块形状复杂程度趋同，相较1995年均有所下降，说明斑块形状呈现单一化的趋势。景观异质性方面，PD指数在1995和2005年，国道两侧斑块密度最大，而省道最低，表明此时国道两侧斑块破碎化程度较高，高速公路和铁路存在波动。2015年，高速公路的斑块密度上升，随着高速公路的进一步延伸，对斑块的影响程度加大，斑块进一步破碎化。AI指数1995年在1 000m以下铁路两侧斑块的聚集程度最高，国道较低，在2005和2015年，省道保持稳定的聚集度，相较而言，高速公路的聚集程度较差。CONTAG指数反映出同样的现象，2015年各缓冲区范围内均为：省道＞国道＞县道＞铁路＞高速公路的排序。SHDI指数方面，1995年省道的破碎化程度最高，到2015年相对稳定，高速公路破碎化最为严重，相较而言省道破碎化现象较轻微。

同一道路类型，在不同年份同一缓冲区距离下，景观结构特征方面，表现为PLAND指数随着年份增加数值均减小，TE数值增加，PAFRAC值减小，说明绿地斑块减小明显，斑块的破碎化现象增加，形状的复杂程度减小，其中高速公路的变化幅度最大，其次为铁路、国道和省道。景观异质性特征方面，PD指数大多呈上升趋势，AI和CONTAG指数减小，SHDI指数大多增加，反映了斑块数量增加，斑块密度上升，而景观斑块破碎化加剧，聚集程度减小。

4.3.3 不同道路类型与绿地斑块耦合关系的原因及机制

从时间上看，2005年后，道路类型影响程度的排序发生变化，县道成为100m缓冲区内对绿色斑块影响最为显著的道路类型。究其原因，成都2005年颁布《成都城市交通发展白皮书》并提出扩大路网规模，其后，城市化进程加快，政策推动及城市化进程促进了县道的建设。而高速公路和铁路的影响程度随着时间的推移呈上升趋势，破碎化现象加剧，因其功能特点、开发形式和社会需求等是促使周边绿色空间变化的重要驱动力，亦决定了周边绿地斑块变化的差异。

从缓冲区距离上看，县道在100m缓冲区范围内影响更大的原因在于其宽度较小，但建设需求量大，路网密度更高，对绿地斑块的切割在较小宽度范围内影响显著；而在500m范围外均是高速公路影响程度最大，其主因或为高速公路本身宽度较大，且建设工程量较大，对斑块的侵占和切割显著，加之运行期间车流持续、车速快、干扰强，使其影响最为显著。

整体而言，政策与规划的引导、城市化加速，以及道路特征，如不同功能、规模、建设工程量、封闭形式、周边建设用地规划的差异等或是道路影响下绿色空间发生改变的主因。

4.3.4 绿地破碎化与道路网络耦合图谱分析

研究将绿地斑块与道路网络的耦合图谱分为4种类型(图4)。零散有单侧、无序和中心零散3类，斑块被切割成较小斑块，无序分布。中空有组团和线性，缓冲区内斑块被道路侵蚀，从中心开始破碎，出现团状、线性中空。切割表现为中心线性切割，斑块被分割为多块，进一步演变为无序零散和线性中空。分散表现为无序分散，多块较大斑块无序分散在缓冲区内，继续演变为无序分散，无序零散。

图4 绿地斑块破碎化与道路网络耦合图谱分析

研究发现高速公路沿线斑块受高强度、持续干扰，主要表现为零散、切割和分散，较多大型斑块被切割成更破碎的斑块；铁路受地形限制，易从斑块中心穿过，主要表现为零散、中空和分散，导致斑块中心孔洞化；国道主要表现为零散，省道、县道均表现为中空，这3种道路虽工程量较小，对沿线斑块影响有限，但因分布范围广，亦可导致沿线斑块的进一步破碎。

5 道路网络规划与绿地斑块优化建议

基于提出的4种图谱类型，对5种道路类型分别提出整合斑块、建立绿化隔离带等措施及建议(表5)。

表5 基于耦合图谱类型的绿地斑块优化措施及建议

6 总结与讨论

基于MSPA、缓冲区分析和景观格局指数等方法，以成都市中心城区为研究对象，验证了道路和绿地斑块级别动态变化存在耦合关系，明确了不同道路类型、不同缓冲区宽度下，道路网络对绿地斑块影响程度的差异和影响机制，归纳总结了基于耦合关系的绿地斑块破碎化图谱和措施建议，能为道路网络规划和生态空间保护提供依据。虽然提供了道路与绿地斑块动态变化耦合关系的研究思路，但仍需与国土空间规划充分衔接，协调道路网络与“三生空间”的关系。采用的30m精度遥感影像图存在对小型斑块识别不充分的情况，后续宜选用高分辨率遥感影像图，实现道路与绿地关系的精确识别和探讨，也将着眼于道路网络布局及类型，构建综合考虑使用频率、对绿色空间网络的影响等因子的评价体系，精确评价道路的生态影响，以期达到道路建设及使用影响最小化的目的。

注：文中图片均由作者绘制。