CN115062897A - 一种城市生态空间均衡测度与城市生态格局综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种城市空间均衡测度方法，包括：S1，数据收集，收集所述城市的地理空间数据；S2，构建基于结构(S)和功能(F)的监测指标体系；S3，提取所述城市的主城区范围，并且根据主城区构建覆盖主城区范围的多尺度空间分区；S4，计算每个分区内的结构指标和功能指标；S5，从地理空间上计算分区各指标间平均相似度，以分区中指标相似度的最大差异表征生态空间的均衡度。本发明提出了城市生态空间的“结构‑功能‑尺度”分析框架，构建了城市地区生态格局监测指标体系，建立了城市生态格局的分析评价标准与生态空间均衡测度方法，从空间上实现了城市地区现有生态格局的衡量基准。

Description

一种城市生态空间均衡测度与城市生态格局综合评价方法

技术领域

本发明涉及城市国土空间格局定量分析，尤其涉及一种城市生态空间均衡测度方法和城市生态格局综合评价方法。

背景技术

当前，我国正在处于高速的城镇化进程中，城乡建设用地无序扩张和区域交通设施的快速增加，一方面城市生态用地锐减，城市生态系统服务功能降低，另一方面部分城市核心区密度高，人口膨胀，导致交通拥堵、热岛效应、大气污染等“大城市病”现象频现。

在2016年第三届联合国住房与城市可持续发展会议所采纳的《新城市议程》提出推动制定城市空间框架，支持自然资源与土地的可持续管理和使用，在城市扩展时兼顾适当的密度和紧凑度，防止和控制城市无序扩张，防止重要的生态系统的损失，促进安全、包容、便利、绿色和优质的生态空间。城市生态空间是城市人居品质和可持续发展的重要支撑，在高密度城市核心区尤为稀缺又极为重要，城市土地的有效使用和自然生态系统的管理将让城市里及其周边的居民和生态系统同时受益。当前，我国发达城市人口密度越来越高，建设用地急剧扩张，高度密集特征与可持续人居发展目标的实现往往更难匹配，且发达城市的高密度核心区已经陆续进入更新期，新时期的发展要求使城市生态空间的合理布局与均衡发展成为当下国土空间规划所面临的重要课题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种城市生态空间均衡测度方法，包括：S1，数据收集，收集所述城市的地理空间数据；S2，构建基于结构和功能的监测指标体系；S3，提取所述城市的主城区范围，并且根据主城区构建覆盖主城区范围的多尺度空间分区；S4，计算每个分区内的结构指标和功能指标；S5，从地理空间上计算分区各指标间平均相似度，以分区中指标相似度的最大差异表征生态空间的均衡度。

本发明还提出一种城市生态格局综合评价方法，包括S1，数据收集，收集所述城市的地理空间数据；S2，构建基于结构和功能的监测指标体系；S3，提取所述城市的主城区范围，并且根据主城区构建覆盖主城区范围的多尺度空间分区； S4，计算每个分区内的结构指标和功能指标；S5，从地理空间上计算分区各指标间平均相似度，以分区中指标相似度的最大差异表征生态空间的均衡度；S6，计算各分区指标的相对相似度；S7，根据S6中计算的相对相似度，计算各指标在分区的综合权重；S8，根据计算的综合权重和各分区指标值，计算城市各项指标的加权和以进行城市综合评价。本发明的优点是采用多尺度分区方式对城市内部的生态格局开展空间分析，从生态格局的结构和功能两个方面对城市内部生态格局的均衡状况开展空间分布上的均衡分析；在采用相同距离间隔构建环状空间分区的条件下，可应用于不同建设规模的城市间的对比评价。相较于行政区划，本发明所提出的多尺度空间分区和指标体系可更客观、直接体现城市内部生态格局的结构和功能状况，而不受到行政区划范围的限制，具有更好的普适性。

本发明的有益效果包括：有效整合自然生态空间的结构和功能等因子，基于多尺度空间分区开展城市生态格局均衡分析，实现城市生态格局综合分析与评价，可为城市更新和国土空间规划提供技术支撑和信息服务。

本发明所提出城市生态空间均衡测度方法对集中型城市的空间规划实践的指导意义如下：采用基于主城区多尺度空间分区策略，对城市中心到城郊区间内生态空间分布均衡状况开展评价，为城市更新中各类新建生态用地选址提供参考依据；构建了城市生态格局监测指标体系，可对不同建设规模的城市生态格局开展分析评价，并对比城市间生态格局失序状况，为国土空间规划实施开展监督预警。

城市生态格局优化应从检讨和确认基准开始，再进行经常性的监督，本发明提出了城市生态空间的“结构-功能-尺度”分析框架，构建了城市地区生态格局监测指标体系，建立了城市生态空间均衡测度方法与生态格局的分析评价标准，从空间上实现了城市地区现有生态格局的衡量基准，可随着时间推移进行监测与评价。

附图说明

为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的方法的一个实施例的流程图。

图2为本发明方法的另一个实施例的技术路线图。

图3显示了本发明实施例中基于高精度遥感影像所建立的北京、天津、石家庄多环空间分区。

图4显示了本发明实施例中2021年北京市基于5环状分区所计算的生态格局指标。

图5显示了本发明实施例中2021年天津市基于5环状分区所计算的生态格局指标。

图6显示了为本发明实施例中2021年石家庄市基于5环状分区所计算的生态格局指标；

图7显示了为北京、天津、石家庄监测指标的空间分区差异和生态空间综合差异。

图8显示了本发明实施例中北京、天津和石家庄市考虑专家权重与空间相似度所计算的各指标的加权统计结果和整体生态空间的综合指标。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所列举的实施例不作为本发明的限定，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

在一个实施方式中，本发明在充分考虑不同城市建设用地规模与空间形态条件下，基于高精度地理空间数据，针对城市自然生态空间的结构和生态系统服务功能提出适用于城市生态格局监测与评价的指标体系，以及多尺度生态空间均衡测度与综合评价方法，包括：步骤1：将高精度遥感影像作为底图，以城市市政府为中心，按照5公里间隔做连续多次等距离缓冲，形成环状多尺度空间分区，覆盖城市主要建设用地范围；步骤2：用城市行政边界裁剪环状分区，确保缓冲后的空间分区边界不超出行政区边界；步骤3：在各分区识别生态空间相关地表覆盖和地理要素类别，分别计算各分区内的生态格局结构和功能指标；步骤4：依次计算各环状分区中每个指标与其他分区的相似度，并计算分区中指标的平均相似度；步骤5：统计所有环状分区中各指标平均相似度的最大值和最小值，基于平均相似度最大、最小值分析各指标空间分布差异性；步骤6：对所有指标的空间分区最大、最小差异求和，表征生态空间的综合均衡度；步骤7：计算分区中各指标平均相似度在所有分区中的相对相似度，结合分区中各指标的专家权重与相对相似度对各指标进行加权求和，得到各指标在所有分区上的综合值；步骤 8：按照表2中各项指标的评价标准，对城市各项指标综合计算结果开展评价，将所有指标进行求和，可得城市生态格局的综合指数，结合城市生态空间的综合均衡度，开展城市间生态格局的比对评价。

在另一个实施方式中。在我国平原地区城市多呈现集中型形态，即以同心圆形式向四周扩延，基于此，本发明提出一种城市空间均衡测度方法，包括以下步骤(参考图1)：

S1、数据收集：收集待分析城市的地理空间数据，包括遥感影像、地理国情监测成果中的地表覆盖数据、第三次国土调查成果中的公园绿地、居民地等数据，以及各类自然保护区等地理要素数据，作为城市生态格局分析评价的输入数据。

S2、构建监测指标体系：结合自然生态空间分类体系(表1)，以及我国城市规划的发展要求，本发明提出了“结构-功能-尺度”分析框架，构建城市地区生态格局监测指标体系及评价标准(表2)。

本发明的测度方法中包括三个评价方向：结构S，功能F，尺度D。评价体系中的结构类指标包括：第一结构类型指标S1(自然生态空间占比)，第二结构类型指标S2(受保护区域面积占比)，第三结构类型指标S3(公园入园率)。生态格局功能类指标包括：第一功能类型指标F1(水量管理指标)，第二功能类型指标F2(植被气候调节指标)。

表1自然生态空间分类体系

表2城市生态格局监测指标体系

*多尺度统计单元：以各市市政府所在地为中心，分别做5千米、10千米、15千米、20千米和25千米等的相同距离间隔的环状缓冲区，记做1环、2环、3环、4环、5环等，统计市行政区内各环状空间分区的监测指标。

S3、提取所述城市的主城区范围，并且根据主城区构建覆盖主城区范围的多尺度空间分区。

提取城市主城区范围：利用高精度的遥感影像，采用遥感影像分类软件，提取城市行政区范围内连续分布的大面积的建设用地范围，以此作为城市的主城区范围。具体地，先基于遥感影像提取主城区范围，再以市行政中心为原点构建多尺度分区(例如环状)，分区的范围应当覆盖主城区范围，并在城市行政边界内，超出的部分需裁剪掉。

对城市进行分区：采用市政府所在地作为城市中心点，利用ArcGIS软件中的buffer工具，基于等距间隔(例如5千米)建立覆盖主城区范围的某形状分区。在一个实施例中，建立覆盖主城区范围的多环状分区，采用城市行政边界裁剪缓冲后的环状分区，以此环状分区作为城市生态格局指标的统计单元。

S4、监测指标计算：在各个分区识别生态空间相关地表覆盖和地理要素类别，分别计算各分区内的生态格局结构和功能指标。具体地，根据S2中所建立的监测指标体系，提取指标计算所需要的自然生态空间地表覆盖和相关地理要素空间数据，采用S4中所建立的城市分区作为统计单元，分别计算表2中的结构和功能指标。

S5、生态空间均衡度分析：从地理空间上计算分区各指标间平均相似度，并以分区中指标相似度的最大差异表征生态空间的均衡度。在一个实施方式中，计算单个指标在各分区的平均相似度的公式如下：

其中，AS_Index_Ring_k为所计算指标在第k个分区的平均相似度；K为生成的分区的个数；Index_Ring_k为第k个分区内指标的计算结果；Index_Ring_i为第 i个分区内指标的计算结果。

基于指标在各分区的平均相似度，计算指标的空间分布差异性，计算公式如下：

Diff_Index＝Max(AS_Index_Ring_k)-Min(AS_Index_Ring_k)

其中，Diff_Index表示指标的空间分布差异；k表示第k个分区，取值范围为 [1，2，……K]，K为生成的分区的个数；AS_Index_Ring_k为所计算指标在第k个分区的平均相似度；Max()，Min()分别表示取最大和最小值函数。

对所有指标的空间分布差异进行加和，表示城市整体生态空间的均衡性，其值越大，表示差异性越大，均衡性越低。计算公式如下：

其中，Diff表示城市整体生态空间的均衡度；N为指标的个数；Diff_Index_n表示第n个指标的空间分布差异。

S6、指标相对相似度计算：基于指标在各分区的平均相似度，计算相对于所有分区，各分区指标的相对相似度，公式如下：

其中，RS_Index_Ring_k为所计算指标在k分区的相对相似度；AS_Index_Ring_k为所计算指标在k分区的平均相似度；K为生成的分区的个数。

S7、城市生态格局综合评价：根据表3所建立各指标在分区的权重，结合各指标在分区中的相对相似度，计算指标在分区的综合权重，计算公式如下：

W_Index_n_Ring_k＝a×EW_Index_n_Ring_k+(1-a)×RS_Index_n_Ring_k

其中，W_Index_n_Ring_k为第n个指标在k分区的综合权重； EW_Index_n_Ring_k为第n个指标在k分区的专家权重(见表3)；RS_Index_n_Ring_k为第n个指标在k分区的相对相似度；a为权重系数，取值范围[0,1]，a越大，表明最终评价更倾向于专家的权威，a越小，表明最终评价更倾向于生态空间整体的均衡性。

表3生态格局监测指标在各分区的专家权重

S8，根据计算的综合权重和各分区指标值，计算城市各项指标的加权和，计算公式如下：

其中，Final_Index_n表示第n个指标的综合评价值；(W_Index_n_Ring_k为第 n个指标在k分区的综合权重；Index_n_Ring_k第n个指标在k分区的值；K为分区总数。

根据表2所建立指标评价标准，对城市生态格局的结构和功能指标开展分级评价；此外，对所有生态格局指标求和，可进一步评估城市的综合生态状况，计算公式如下：

其中，Final_Index为城市生态格局综合评价指数；Final_Index_n表示第n个指标的综合评价值；N为生态格局监测的指标总数。

综上所述，本发明中生态空间分类体系包括绿色、灰色和蓝色生态空间及其所包含的地表覆盖子类(见表1)，利用高精细的遥感影像、地理国情监测和第三次国土资源调查成果等数据，以城市政府所在地作为原点，按照一定距离范围 (例如5公里)做多环状分区，根据建立的生态格局监测指标体系(见表2)计算各分区的生态格局结构和功能指标，并在此基础上计算各环状分区指标相较于其他分区的相似度，一方面对城市生态空间开展均衡度分析，反映城市生态格局的空间失序特征；另一方面对城市生态格局的各项指标及其整体进行评价。

本发明的方法进行了实验。以北京、天津、石家庄三座城市作为实验区测试本发明所提出的城市生态空间均衡测度与综合评价方法，以5公里间隔构建多环分区，计算城市生态格局监测指标，对比分析北京、天津、石家庄城市生态空间均衡度，并对其生态格局开展综合评价。

试验数据主要有北京、天津、石家庄2021年Landsat遥感影像(30米分辨率)、高精度地理国情监测成果数据(地表覆盖包括林地、草地、水域、荒漠裸露地、种植土地及其子类，地理要素包括自然文化保护区、自然文化遗产、风景名胜区和旅游区、森林公园、湿地保护区、地质公园六种类型)、国土调查成果数据(包括居民地和公园绿地等土地利用类型)等。测试结果如下所示。

图3展示了利用遥感影像提取的北京、天津和石家庄市主城区范围，以及构建了以市政府为中心点，基本覆盖主城区范围的以5公里为间隔的环状分区。图 4、图5、图6分别展示了2021年北京、天津、石家庄市基于5环状分区所计算的生态格局指标。从北京市生态格局功能来看，水量管理、植被气候调节指标呈现1环至5环均逐步提升；从生态格局结构来看，受保护区面积占比和公园入园率指标呈现中心城区比外环地区略高的趋势，自然生态空间面积占比指标则逐步增加趋势，表明北京市生态格局呈显著的同心圆分布。从天津市生态格局功能来看，水量管理、植被气候调节指标在1环至5环分别呈逐步提升和降低的相反趋势；从生态格局结构来看，自然生态空间占比指标从1环至5环呈逐步提升趋势，公园入园率指标呈现逐步降低趋势，受保护区域面积占比则是4、5环比前三环明显高出。从石家庄市生态格局功能来看，水量管理指标在1环较低，其他四环均为25％左右；植被气候调节指标在1环至5环差异不大，均为7％-8％；从生态格局结构来看，自然生态空间占比指标从1环至5环呈显著的逐步提升趋势；公园入园率从1环至5环呈显著的逐步下降趋势；受保护区域面积占比指标在5环达到最大值5.85％，前四环则较低。

表4为北京、天津、石家庄各环分区指标与其他分区的平均相似度。图 7为基于平均相似度的最大、最小值差异计算各指标的空间差异度和生态空间的综合差异度。

表4北京、天津、石家庄各环分区指标的平均相似度

从各指标来看，公园入园率是所有指标中在空间分区中差异最大的，其次为自然生态空间占比和水量管理指标，受保护区面积占比和植被气候调节指标的空间差异度相对较低。对所有指标的差异性按照等权重求和得到生态空间的综合差异度，石家庄市的综合差异度最大，表明其生态空间的均衡性较差，天津的综合差异度最小，表明天津市的生态空间结构和功能相较于北京和石家庄市更为均衡。

表5为北京、天津、石家庄各环分区指标与其他分区的相对相似度。

表5北京、天津、石家庄各环分区指标的相对相似度

结合专家权重(表3)，假设专家的权威和生态空间整体的均衡性同等重要(a＝0.5)，对北京、天津、石家庄市各生态空间监测指标进行综合(图8)，结果表明：除了水量管理指标天津为最优，北京市在其余各项指标中均优于天津和石家庄，石家庄市在各项指标评价上均落后于北京和天津；对5项指标进行等权重加和得到综合指标，表明示例中生态格局排序为北京、天津、石家庄。参考表2所建立评价标准对各项指标进行评价，自然生态空间面积占比方面，北京为“好”，天津和石家庄为“较好”；受保护区面积占比方面，北京为“中等”，天津和石家庄为“较差”；从公园入园率来看，北京和天津为“较好”，石家庄为“较差”；从水量管理指标来看，天津为“中等”，北京为“较差”，石家庄为“差”；从植被气候调节指标来看，北京和天津为“较差”，石家庄为“差”。

实验结果表明，本发明所提出的基于高精度地理空间数据的城市生态空间均衡测度与综合评价方法可从多角度和多空间尺度对不同建设规模的城市开展对比分析与评价，一方面从生态格局的结构和功能出发，评价城市生态格局的现状；另一方面从多尺度空间分区出发，分析城市内部各分区生态格局指标的相对偏差，评估生态格局空间均衡程度，为城市更新和空间规划中生态用地的建设选址提供决策支持，为国土空间规划实施监督提供技术手段。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，在城市生态格局分析评价与空间均衡测度中可根据业务需求，从生态格局的结构和功能两个方面增加或替换相关指标。除了本发明实施例中所采用的常见环状城市分区，可根据城市的自然地理条件和建设规模，例如针对位于河谷的条带状城区(如兰州)、组团状城区(如重庆)，选择适当的(多)城市中心点、缓冲半径和缓冲形态建立城市多尺度空间分区，应用本发明所提出的城市生态格局分析评价与空间均衡测度方法开展城市生态格局分析、评估，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种城市空间均衡测度方法，其特征在于，包括：

S1，数据收集，收集所述城市的地理空间数据；

S2，构建基于结构(S)和功能(F)的监测指标体系；

S3，提取所述城市的主城区范围，并且根据主城区构建覆盖主城区范围的多尺度空间分区；

S4，计算每个分区内的结构指标和功能指标；

S5，从地理空间上计算分区各指标间平均相似度，以分区中指标相似度的最大差异表征生态空间的均衡度。

2.根据权利要求1所述的城市空间均衡测度方法，其特征在于，

在所述监测指标体系中，结构型指标(S)包括：自然生态空间占比、受保护区域面积占比功能和公园入园率；功能型指标(F)包括：水量管理指标和植被气候调节指标。

3.根据权利要求1所述的城市空间均衡测度方法，其特征在于，在步骤S5中，通过如下公式计算各指标间平均相似度：

其中，AS_Index_Ring_k为所计算指标在第k个分区的平均相似度；K为生成的分区的个数；Index_Ring_k为第k个分区内指标的计算结果；Index_Ring_i为第i个分区内指标的计算结果。

4.根据权利要求3所述的城市空间均衡测度方法，其特征在于，步骤S5包括：

1)基于指标在各分区的平均相似度，计算指标的空间分布差异性，计算公式如下：

Diff_Index＝Max(AS_Index_Ring_k)-Min(AS_Index_Ring_k)

其中，Diff_Index表示指标的空间分布差异；k表示第k个分区，取值范围为[1，2，……K]，K为生成的分区的个数；AS_Index_Ring_k为所计算指标在第k个分区的平均相似度；Max()，Min()分别表示取最大和最小值函数；

2)对所有指标的空间分布差异进行加和，表示城市整体生态空间的均衡性，计算公式如下：

其中，Diff表示城市整体生态空间的均衡度；N为指标的个数；Diff_Index_n表示第n个指标的空间分布差异。

5.一种城市生态格局综合评价方法，其特征在于，包括：

S1，数据收集，收集所述城市的地理空间数据；

S2，构建基于结构(S)和功能(F)的监测指标体系；

S3，提取所述城市的主城区范围，并且根据主城区构建覆盖主城区范围的多尺度空间分区；

S4，计算每个分区内的结构指标和功能指标；

S5，从地理空间上计算分区各指标间平均相似度，以分区中指标相似度的最大差异表征生态空间的均衡度；

S6，计算各分区指标的相对相似度；

S7，根据S6中计算的相对相似度，计算各指标在分区的综合权重；

S8，根据计算的综合权重和各分区指标值，计算城市各项指标的加权和以进行城市综合评价。

6.根据权利要求5所述的城市生态格局综合评价方法，其特征在于，在步骤S5中，通过如下公式计算各指标间平均相似度：

其中，AS_Index_Ring_k为所计算指标在第k个分区的平均相似度；K为生成的分区的个数；Index_Ring_k为第k个分区内指标的计算结果；Index_Ring_i为第i个分区内指标的计算结果。

7.根据权利要求6所述的城市生态格局综合评价方法，其特征在于，在步骤S6中，通过如下公式计算分区指标的相对相似度：

其中，RS_Index_Ring_k为所计算指标在k分区的相对相似度；AS_Index_Ring_k为所计算指标在k分区的平均相似度；K为生成的分区的个数。

8.根据权利要求7所述的城市生态格局综合综合评价方法，其特征在于，在步骤S7中，通过如下公式计算所述综合权重：

W_Index_n_Ring_k＝a×EW_Index_n_Ring_k+(1-a)×RS_Index_n_Ring_k

其中，W_Index_n_Ring_k为第n个指标在k分区的综合权重；EW_Index_n_Ring_k为第n个指标在k分区的专家权重；RS_Index_n_Ring_k为第n个指标在k分区的相对相似度。

9.根据权利要求8所述的城市生态格局综合评价方法，其特征在于，在步骤S8中，通过如下公式计算计算城市各项指标的加权和：

其中，Final_Index_n表示第n个指标的综合评价值；(W_Index_{n_}Ring_k为第n个指标在k分区的综合权重；Index_n_Ring_k第n个指标在k分区的值；K为分区总数。

10.根据权利要求9所述的城市生态格局综合评价方法，其特征在于，还包括：

通过如下公式计算所有生态格局指标以进一步评估城市的整体生态格局：

其中，Final_Index为城市生态格局综合评价指数；Final_Index_n表示第n个指标的综合评价值；N为生态格局监测的指标总数。

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