基于MSPA的城市绿地生态网络规划思路的转变与规划方法探究

2017-06-30 04:33:15

王 越 / WANG Yue 林 箐* / LIN Qing

摘 要:从绿地生态网络的研究现状入手,梳理近年来生态源地识别,生态网络构建、评价及优化的常用方法,发现现状生态网络规划方法存在源地提取主观性较强、忽略结构性景观要素、连通性的分析方法存在局限性、阻力面构建依据不够科学等问题。而基于形态空间格局分析(MSPA)和最小路径法的生态网络构建框架综合了现有结构性景观要素识别、连通性分析以及潜在廊道网络构建等方法,以连通性水平作为网络构建的主要依据,为景观格局分析、生态源地的识别与结构性廊道的提取、斑块廊道重要性的定量分析及阻力面构建等方面存在的问题提供了科学的解决方法。在此基础上提出基于MSPA的生态规划的研究方向,包括MSPA对于尺度敏感性问题的研究、边缘宽度值的设定对于不同物种生态规划的意义、基于MSPA和连通性分析的景观格局时空变化特征评估及基于MSPA的生态网络规划对于不同绿地类型生态建设的差异性指导及可操作性探讨,为基于MSPA的生态网络规划的完善和发展提供新思路。

关键词:风景园林;生态网络规划;生态源地识别;生态网络评价与优化;形态空间格局分析法;研究方向

文章编号:1000-6664(2017)05-0068-06

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2016-05-24;

修回日期:2016-08-21

基金项目:北京林业大学青年教师科学研究中长期项目“城乡生态网络构建”(编号2016GJ-03-02)和北京市共建项目专项资助“城乡生态环境北京实验室”共同资助

Abstract: This article starts with recent research on ecological network, summarizing ways to identify ecological sources, establish ecological network, evaluate and optimize ecological network in recent years, realizing that the status quo of ecological network planning has the problem of strong subjectivity in extracting the ecological sources, ignorance of structural landscape elements, limitations existed in landscape connectivity analysis and the establishment of surface resistance based on unscientific basis. The ecological network planning based on MSPA and minimum path is a combination of the methods of identifying the structural landscape elements, connectivity analysis and potential corridor network building, taking the level of connectivity as the main basis, and providing scientific solutions to problems on landscape pattern analysis, identification of ecological source, extraction of structural corridor, the analysis of importance level of plaques and corridors and the construction of resistance surface. This article puts forward the research direction of ecological network planning based on MSPA, including the study of MSPA sensitivity for scale issue, significance of edge width setting to ecological network planning of different species, spatial-temporal changes of landscape structure pattern based on MSPA and connectivity analysis, guidance for ecological construction and operability study of different kinds of greenspace ecological network planning based on MSPA, in order to provide new ideas for consummating and improving ecological network construction based on MSPA in the future.

Key words: landscape architecture; ecological network planning; ecological source identification; ecological network evaluation and optimization; Morphological Spatial Pattern Analysis (MSPA); research direction

* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: lindyla@126.com

生态网络的格局分析和网络构建是近年来相关领域的研究热点,现状对于城市绿地生态网络构建的研究在生态源地和结构性生态廊道的提取、景观格局分析及潜在生态网络构建方面存在一定问题,本文就现状网络规划方法及基于形态空间格局分析(MSPA)的生态网络规划进行对比研究,总结2种规划的方法框架,提出现状生态网络存在的问题及基于MSPA的生态规划方法的思路转变,为生态网络规划提出新的研究方向。

1 城市绿地生态网络规划方法研究现状1.1 生态源地的识别

生态源地的识别和生态廊道的提取是生态网络构建的基础。现状生态网络研究中对于生态源地的识别方法见表1。

1.2 生态网络的构建

生态廊道分为显性和隐性2类,显性生态廊道包括在地表景观中常见的河流、水系、道路绿带、林带等生态用地;隐性生态廊道不能直接识别,是信息交流、物种迁徙的潜在生态廊道,可通过GIS最小路径法为构建生态网络提供依据[5]。结合适宜性分析[6-7]或连通性分析[3]和最小路径法进行的廊道构建中往往选取最小阻力路径,但是生态过程的复杂性与生物迁徙的不确定性让生态网络具有冗余性,加之城市化进程的干扰,许多最短路径都无法实现。所以有学者建立从源地到目的地的2个累计阻力栅格,提取出小于某一阻抗值的栅格[8],根据实际研究选择不同阈值,然后提取模拟生境中一定阈值范围的所有廊道,最终的廊道网络可能是最优路径与次优路径的结合。1.3 生态网络的评价

1.3.1 生态网络结构的评价

通常包含生态网络结构要素的自身评价和各要素连通性评价2个方面。结构要素的评价以景观格局指数为依据,根据需要选取形状指标、分维数等指数分析要素、与周边环境的连接性或受干扰程度等指标进行评价。各要素间结构关系评价以景观连通性为主要依据,网络分析法α、β和γ指数与图论结合是生态网络连通性评价的常用方法[9],揭示生态斑块与廊道连接的难易程度,反映其生态效能。也有学者从生态源地的形状指数、生态源度数与节点度数及生态廊道综合指数3个方面分析网络要素间的联系程度[10]。王云才等人[11]在网络分析法基础上进行网络连通性评价体系的构建,从节点度数与廊道密度,α、β和γ指数及C指数3个方面进行连接度的评价。此外廊道曲度可以定量分析斑块间廊道结构、物种移动速度和廊道合理性,曲度值越大,生物流动耗能越大[12];也可通过重力模型进行要素间连接程度的评价。

1.3.2 生态网络功能的评价

生态网络的功能评价包括斑块与廊道相互作用关系及生态重要性的评价,为生态网络的功能提供定量的研究依据(表2)。

1.4 生态网络的格局优化

1.4.1 生态网络保护级别的划定

根据生态网络结构、功能评价进行保护级别的划定。通过网络分析法和图论法建立不同情景分析,结合生态源地、节点及廊道的重要性等级,划分保护级别并优化。通过生态源地和生态节点的景观指数分析及生态服务功能评价体系的构建,得出不同重要性等级的斑块。通过重力模型得出斑块间作用强度的大小,将相互作用强度较强的廊道作为重要保护对象,对作用力较弱的廊道要进行改善,以增强生态网络整体连接度。

1.4.2 生态网络结构的优化

生态网络格局的优化主要基于网络连接度的完善,包括廊道和节点的优化。对廊道的优化包括根据连接度评价增加廊道数量、修复廊道上的生态断裂点及廊道瓶颈区的优化。在网络连接程度低的地区增加廊道连接,由于在道路交通对生态网络阻隔的地方易导致生态廊道断裂,所以此处应设置动物迁徙专门通道、隧道或天桥。潜在生态网络会出现宽度较窄的区段,是易受干扰的生态敏感区,需要根据实际情况进行廊道改线或设置动物迁徙通道。在生态源地距离较远的廊道上规划生物暂息地,增加物种迁徙的成功率。

2 生态网络构建方法的理论框架现状及存在问题2.1 生态网络构建方法的理论框架现状

基于上述生态网络规划方法的梳理,从生态源地的提取,生态网络的构建、评价及优化4个步骤总结出现状生态网络规划的框架(图1)。图1 传统生态网络构建框架(作者绘)

图2 基于MSPA的生态网络规划步骤(作者绘)2.2 生态网络构建方法的局限性

1)生态源地提取方法的主观性,忽略斑块的连通性特征。

现状生态网络构建中生态源地提取以斑块面积、类型、分布格局、生态服务功能等为依据,或根据生态指标进行选择,忽略斑块连通性因素,提取的源地斑块无论大小均以相同的重要性出发进行网络构建,主观性较强。

2)以潜在生态廊道为主构建生态网络,较少将结构性生态廊道纳入考虑,生态廊道提取不全面。

现状对于生态廊道网络的构建以基于最小路径方法提取的潜在廊道为主,而既有的结构性廊道,如林带、绿廊等易被忽略,使得生态廊道提取不足,影响景观格局分析的准确性和生态网络构建的合理性。

3)连通性是评价生态网络结构合理性的重要依据,而现状生态网络构建中以景观格局指数法、图论法或模型法等作为连通性评价的方法存在一定的局限性。

利用景观指数法进行景观格局分析存在生态意义较为局限,不合理的指数选择易产生错误的评价结果及缺乏空间分布信息等多方面问题,且有些景观指数的表征结果含义重复。图论法不能同时提取源地和廊道,且结果数据冗杂,需要反复模拟验证。此外,现有研究方法的研究对象以斑块为主,斑块水平的分析结论在大尺度研究中容易导致小型斑块的丢失,导致结果精度欠佳。

4)根据经验值或理论方法进行各土地利用类型阻力面的构建,忽略了土地利用类型连通性水平及斑块异质性对阻力值的影响,不能充分表现生态网络不同景观类型的阻力状况。

在构建潜在生态廊道时,不同用地性质、植被类型、覆盖率、建立时间、人为干扰程度是景观阻力面确定的主要依据,或者也可以通过专家打分法等理论方法进行确定。该方法忽略了同种土地利用类型连通性水平的差异性和斑块的异质性,缺乏科学性。将连通性水平纳入阻力面的确定中,力求得到更为严谨的潜在廊道网络构建结论。

2.3 生态网络规划中仍需要解决的4个问题

生态网络规划仍需要探讨如何科学地提取生态源地,取代传统方法中以绿地规模、性质等自身属性为依据的较为主观的源地识别方法;如何提取结构性生态廊道,将结构性廊道与潜在廊道结合起来形成廊道网络,避免生态网络结构的遗漏;如何采用更简便直观的方法进行连通性分析,且可以表达其连通性的空间分布特征;如何科学地构建潜在生态网络阻力面这4个方面。

图3 MSPA景观类型分类(作者根据参考文献[16]绘制)

3 基于MSPA的绿地生态网络规划方法研究3.1 MSPA概述

Vogt在Riitters的理论基础上,结合Soille提出的数学形态学制图算法,提出了对景观连通性分析的新方法——形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,简称MSPA)法。MSPA是基于腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学形态学原理,对栅格图像的空间格局进行度量、识别和分割的图像处理方法。是针对几何图形描述和斑块间联系而自定义的形态学分析方法,可应用于任何规模的数字图像分析。它从像元层面提取7种景观类型,从空间形态的连通性角度开创了生态网络构建的新方法。

3.2 MSPA在生态网络规划中的应用框架及解决的主要问题

基于MSPA和最小路径方法的生态网络分析框架综合了现有结构性景观要素识别、连通性分析及潜在廊道网络构建等方法,将生态源地和生态廊道的连通性水平作为生态网络研究的重要依据[15],使生态网络的构建更加科学。该方法解决了主观性提取生态源地、忽略结构性生态廊道、连通性分析方法不科学及阻力面构建不科学这4个问题,为生态网络构建提供了更科学的研究方法。

基于MSPA和最小路径法的生态网络构建共需要4个步骤:首先确定目标像元,通过Guidos软件对数据进行MSPA分析,提取出7个景观类型;然后对重要景观类型进行连通性分析,提取出生态源地和结构性生态廊道并划分连通性等级[16];第三步是基于最小路径法提取潜在生态廊道网络,并进行廊道重要性等级划分;最后将生态源地、结构性生态廊道和潜在生态廊道相结合来构建生态廊道网络并优化[17],其具体实施步骤如图2所示。

3.3 基于MSPA的生态网络规划的思路转变

基于MSPA的生态网络构建方法思路的转变及优势所在主要体现在以下几个方面。

1)生态源地提取方式的转变,并同时提取结构性生态廊道——从像元层面根据连通性规则识别核心区桥接区,进而提取生态源地,并全面地提取结构性景观要素。

①MSPA从像元层面识别研究区内部的生境斑块和廊道等对景观连通性起重要作用的区域[18],更加精确地分辨景观的类型与结构。现状生态斑块提取方法忽略斑块的景观连通性,强调斑块自身属性,具有一定的主观性。Vogt将图论的方法和数学形态学算法在实证区进行比较,发现形态学方法能够更加精确地分辨出景观类型。MSPA通过空间拓扑关系,把前景分为核心、孤岛、孔隙、边缘区、环道区、桥接区和分支7类(图3,表3)。7种类型各不重复,刚好拼合为前景像元集,不会发生信息的丢失。对核心区和桥接区斑块进行连通性分析并划分重要性等级,从核心区中提取连通性较高的斑块作为源地。

②同时识别多种具有连通性意义的空间类型,能够提取区域既有的结构性廊道,增加源地和廊道选取的科学性。MSPA的景观分类方法能很好地反映各生境斑块的连通性功能,且不受类别影响,可同时提取多个景观类型,其中桥接区作为结构性廊道被提取出来,解决了廊道网络的不全面问题。

2)景观格局分析方法的转变——不再以斑块为研究对象,避免繁复的指数选择和冗杂的结论数据处理,而是从空间形态上说明连通性功能,并从景观类型的分布格局上进行连通性强弱判断。

①MSPA突出图像像元的几何和拓扑空间特点,不再以斑块为研究对象,不需要进行指数选择和冗杂的结论数据处理,而是同时从像元层面提取连通性较强的区域,并从空间上说明连通性关系,体现其在物质流通中的作用,提取具有不同连通功能的景观类型,同时量化结构连通性和功能连通性。

②根据景观类型的分布格局可以进行区域连通性强弱判断。桥接区在核心区周边分布越密集,其连通程度越高,越容易进行生物迁徙;核心区分布集中的区域连通性较好,分布分散的区域连通性较弱,需要增加廊道连接或在暂息地增强网络连通性。

3)生态网络构建及优化方法的转变——将连通性作为生态网络结构类型重要性等级划分和阻力面构建的依据。

①通过连通性分析划分核心区、桥接区的重要性等级,为生态网络分级规划提供依据[16]。对核心区和桥接区进行景观连通性评价,将核心区中连接度较高的定义为源地,其余的核心区和桥接区按照连通程度划分为不同等级;再基于重力模型计算斑块间的相互作用矩阵,对源地斑块间的联系强度进行划分,得到潜在生态廊道的重要性分级,为生态网络优化提供依据。

②通过最小路径方法构建潜在生态廊道网络时,将景观连通性纳入消费面。不同消费面的构建对于生态网络潜在廊道的选取具有重要影响。基于最小路径的生态网络的构建是通过计算源点与目标之间的最小累计阻力来获取的,因而景观阻力赋值对廊道的形成有重要影响。有学者通过不同消费面情景的设置对比发现不同的阻力赋值生成的廊道网络差别较大[6],因此阻力值需要科学确定。基于MSPA的亚类分类规则与传统的方法不同,将核心区和桥接区等生态网络中的结构性要素作为研究区的核心景观,并根据不同景观类型及不同连通性等级确定对物种迁徙的阻力大小,分别赋以不同的阻力值[17]。传统的亚类根据面积、性质或景观类型的保护级别进行分类,忽略了斑块的异质性和连通性水平。

4 基于MSPA的生态网络规划的研究方向4.1 MSPA对于研究尺度敏感性问题的研究

MSPA对于景观的研究尺度十分敏感[18],输入数据的像元大小与边缘宽度可能会导致不同的识别结果。对尺度有了准确把握,才能理解如何合理选择MSPA的像元大小与边缘宽度值以得到对生态过程的正确解释。像元大小的增加会导致空间细节尤其是小斑块的丢失,边缘宽度的增加不会导致信息的丢失但会消耗核心区面积、增加非核心区面积[19]。MSPA对尺度的敏感性有助于更好地理解同一景观在多样尺度空间表达方式上的改变,因此针对研究目的和区域生态过程特征进行多尺度对比研究,合理选择地图精度和MSPA的参数值是未来研究中需要注意的问题。

4.2 结合MSPA边缘宽度的设置针对不同保护对象的生态网络规划的研究

MSPA首先基于四邻域法或八邻域法的连通性规则和边缘宽度值的设置识别出核心区,边缘宽度的设置影响核心区的最小面积及被定义为核心区的像元数量。随着边缘宽度的增加,原先核心区较小的会变为孤岛,原先核心区较窄的会变为桥接区。边缘宽度值的增加让MSPA提取的景观要素的数量发生变化,且呈现非线性的特征。边缘宽度的设定代表斑块产生的边缘效应的大小,边缘效应是重要的生态过程,与物种生境保护、群落动态、生态恢复等密切相关[20]。在大尺度或无法获取详细物种信息的区域生态网络构建中,由于物种的高丰富度让边缘效应具有复杂性,边缘宽度可以设置为默认值1,满足区域所有物种的需求;如果研究的是某种需要保护的对象,生态廊道就对于特定物种的保护具有重要意义,边缘宽度的设置需要具有针对性,要考虑研究区大小、形态及对保护对象的适宜性等多个方面。所以对于MSPA边缘宽度的不同设置可以进行不同保护对象的特定生态网络的构建研究。

4.3 基于MSPA和连通性分析进行功能类型景观格局的时空变化特征评估,为生态环境的保护和修复提供有效信息,也可以进行未来网络结构变化的动态预测

基于MSPA进行不同景观类型的提取,并进行多年的类型及面积、分布特征的对比,可以得到研究区域景观格局的基本特征和变化情况,为生态环境的修复提供依据。Wickham J D在进行美国生态网络研究的过程中[21],将多年来基于MSPA提取的景观类型格局进行对比,发现美国多处生态网络呈现桥接区减小的特征,说明这些地区的连通性正在降低,这为指导生态保护区及修复区的建设提供了依据。景观类型的时空变化带来景观格局的转化,也为生态网络规划提供了依据。除了MSPA的景观类型对比,也可以将MSPA与景观连通性分析结合共同进行生态网络的时空动态分析。通过GIS叠加多年景观类型图生成绿地变化图统计各类型的面积从而获得7个景观类型的多年时序转移矩阵[22],研究其内部空间的变化特征,也可以结合马尔科夫模型[23]对未来的绿地景观动态变化进行预测。通过时序转移矩阵,可以看出多年来景观类型的相互转化情况,7个类型中各自的连通性有高低差异,根据转化情况可以看出区域连通性的变化。相比景观格局指数的类型冗杂、表达含义的重复性高等缺陷,MSPA的方法简化了景观格局的判断过程,并让格局的变化情景更为直观,为景观格局的分析提供了新的思路,为网络的完善和修复的提供依据。

4.4 MSPA的斑块与廊道建设综合考虑发挥不同生态功能城市绿地类型差异及可操作性的研究

基于MSPA的生态源地和廊道的提取方法充分考虑了形态上的连通性,但在识别过程中基于二值图的分析,将前景像元集视为同样的性质,但是前景像元集根据研究需求可能包含多样的绿地类型。在生态网络的建设优化中不仅要分析MSPA的7个景观类型,还应将不同生态功能类型的绿地建设考虑其中,在不同重要性等级的保护前提下提出分类规划的建议,以求对城市绿地生态建设提供更可靠的依据。

5 结论

基于MSPA与最小路径法的结合开创了生态网络基于数学形态分析的规划新思路,改变了传统生态网络构建框架,从空间聚集形态层面以连通性为主要依据进行生态网络构建的探讨。它解决了现状生态网络存在的4个问题,为生态源地识别、结构性生态廊道的提取、景观连通性的科学分析及阻力面的合理构建提供了科学的研究方法。基于MSPA有着广阔的发展前景,在MSPA参数设置方面,MSPA对尺度变化的敏感性程度、边缘宽度值对研究结果的影响及利用边缘宽度设置进行不同物种廊道网络的建设都是有待继续研究的课题;而基于MSPA的生态规划中,也需要对发挥不同生态功能的绿地类型进行合理优化;通过构建时序转移矩阵可以得到多年来景观类型结构的转换及景观格局的变化,可以成为景观格局时空变化及对未来格局预测的新方法。相比传统的生态规划方法,基于MSPA的生态网络规划更注重各要素的空间连通性,在结构层面分析生态网络的构建和优化,为未来的生态规划提供新的研究方向。

参考文献:

[1] 尹海伟,孔繁花,祈毅,等.湖南省城市群生态网络构建与优化[J].生态学报,2011,31(10):2863-2874.

[2] 孔繁花,尹海伟.济南城市绿地生态网络构建[J].生态学报,2008,28(4):1711-1719.

[3] 卜晓丹.基于GIA的深圳市绿地生态网络构建研究[D].上海:华东师范大学,2013.

[4] 吴健生,张理卿,彭建,等.深圳市景观生态安全格局源地综合识别[J].生态学报,2013,33(13):4125-4133.

[5] 孙逊,张晓佳,雷芸,等.基于城镇绿地生态网络构建的自然景观保护恢复技术与网络规划[J].中国园林,2013(10):34-39.

[6] 孔阳.基于适宜性分析的城市绿地生态网络规划研究[D].北京:北京林业大学,2010.

[7] 过萍艳.基于网络分析法的城镇绿地生态网络规划:以慈溪市宗汉街道为例[D].杭州:浙江农林大学,2013.

[8] 蔡青,曾光明,石林,等.基于栅格数据和图论算法的生态廊道识别[J].地理研究,2012,31(8):1523-1534.

[9] 郭纪光.生态网络规划方法及实证研究:以崇明岛为例[D].上海:华东师范大学,2009.

[10] 张远景,俞滨洋.城市生态网络空间评价及其格局优化[J].生态学报,2016(11):1-16.

[11] 王云才.上海市城市景观生态网络连接度评价[J].地理研究,2009,28(2):284-292.

[12] 吴榛,王浩.扬州市绿地生态网络构建与优化[J].生态学杂志,2015,34(7):1976-1985.

[13] 滕明君,周志翔,王鹏程,等.景观中心度及其在生态网络规划与管理中的应用[J].应用生态学报,2010,21(4):863-872.

[14] Weber T, Sloan A, Wolf J. Maryland's Green Infrastructure Assessment:Development of a comprehensive approach to land conservation[J]. Landscape and Urban Planning, 2006, 77(1/2): 94-110.

[15] 邬建国.景观生态学:格局,过程尺度与等级[M].北京:高等教育出版社,2007:55-56.

[16] 邱瑶,常青,王静.基于MSPA的城市绿色基础设施网络规划:以深圳市为例[J].中国园林,2013(5):104-108.

[17] 许峰,尹海伟,孔繁花,等.基于MSPA与最小路径方法的巴中西部新城生态网络构建[J].生态学报,2015(19):6425-6434.

[18] 曹翊坤,付梅臣,谢苗苗,等.基于LSMM与MSPA的深圳市绿色景观连通性研究[J].生态学报,2015,35(2):526-535.

[19] Katarzyna O, Peter V, Kurt H, et al. Impact of scale on morphological spatial pattern of forest[J]. Landscape Ecology, 2008, 23(9): 1107-1117.

[20] 周婷,彭少麟.边缘效应的空间尺度与测度[J].生态学报,2008,28(7):3322-3333.

[21] James D, Wickham K, Timothy G, et al. A national assessment of green infrastructure and change for the conterminous United States using morphological image processing[J]. Landscape and Urban Planning, 2010: 186-195.

[22] 乌日汗,温小荣,赵海霞,等.基于RS和GIS的深圳特区绿地景观动态分析及预测[J].北京林业大学学报,2010,32(6):42-47.

[23] 王学雷,吴宜进.马尔柯夫模型在四湖地区湿地景观变化研究中的应用[J].华中农业大学学报,2002,21(3):288-292.

(编辑/李旻)

作者简介:

王 越/1991年生/女/山东泰安人/北京林业大学园林学院在读博士研究生/研究方向为风景园林规划设计与理论(北京 100083)

林 箐/1971年生/女/浙江杭州人/博士/北京林业大学园林学院教授,博士生导师/研究方向为风景园林规划设计与理论(北京 100083)

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