CN115409673A - 基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，获取对象城市区域现状绿地斑块的空间分布数据，提取备选城市生态源地，再筛选获得重要城市生态源地；将现状土地利用类型与其他阻力因子结合，构建综合阻力面；基于重要生态源地和综合阻力面，采用最小累积阻力模型模拟潜在生态廊道的最小累积阻力路径及适宜路径空间范围；基于电路理论完成最小累积阻力路径分级，并按照级别确定有效廊道，并提取其适宜路径空间范围；确定补充生态节点；将重要生态源地、有效廊道的适宜路径空间范围及补充生态节点叠加形成城市绿地生态网络。本发明为相关规划的编制和实施提供依据，可有效提升绿地生态服务效能，维持城市生态平衡、改善城市人居环境。
Description
技术领域
本发明涉及城市生态规划和建设技术领域，具体涉及一种基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法。
背景技术
城市绿地是城市生态系统的重要组成部分，是唯一执行“纳污吐新”功能的负反馈子系统，在解决城市生态环境突出问题、改善人居生活环境、满足游憩休闲需求、重塑人地和谐关系等方面发挥着关键性作用。随着我国经济逐渐步入高质量发展阶段，传统以面积规模和空间布局为主的绿地系统规划已经不能满足生态宜居城市建设的需求。构建由“源地+廊道+节点”系统化关联所形成的连续、完整和高效的城市绿地生态网络，对于制约城市空间无序发展、改善城市生态环境、提高人居生活水平以及保护生物多样性具有重要意义。
城市绿地生态网络主要是指城市及市域绿地、林地、湿地等自然生态保护地，通过生态廊道、绿地、生物踏脚石等具有一定连接度的带状廊道联结而成的网络系统，它是一个多层次、多功能、多尺度、多景观、多效益复合生态系统。构建目的是保护生态环境自然属性、提高生物多样性、提升景观品质，以满足人居环境健康高效及人与自然和谐可持续发展的需求。
目前我国基于生态安全格局的生态网络构建多针对省级、市级或者流域尺度，通过生态重要性分析或敏感性分析筛选源地，并利用累积阻力模型识别潜在廊道。在源地识别中，较大尺度生态网络构建研究和实践更多面向物种保护，较少考虑城市绿地所承载的以人为本的社会-生态复合功能。在廊道路径提取中，现有方法仍以传统的保护生物学或者景观生态学理论为依据，更多考虑对既有生态空间保护，对于城市生态修复必要性和适宜性缺乏考虑；此外，目前对于除源地外，城市中必要的补充生态保护或者修复节点的识别还缺乏量化方法。因此，亟需一种基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，为城市开发边界内绿地生态网络的规划编制及其落地实施提供科技支撑。
发明内容
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，通过重要源地筛选、综合阻力面构建、廊道最优路径及适宜范围提取、廊道中心度计算和路径优选、补充节点识别等，最终形成由“源地+廊道+节点”形成的可有效维持对象城市生态安全格局的绿地生态网络。
本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取对象城市现状绿地斑块的空间分布数据；
步骤2、在GIS软件中对获取的对象城市现状绿地斑块进行裁剪、聚合，筛选得到备选生态源地；
步骤3、构建生态源地筛选指标体系，对备选生态源地进行重要性等级划分，筛选出重要生态源地；
步骤4、将对象城市现状土地利用类型与其他阻力因子结合构建阻力因子表，对阻力因子表中的阻力因子进行赋值；基于GIS软件将各阻力因子的栅格图层进行空间叠加获取综合阻力面；
步骤5、基于重要生态源地和综合阻力面，根据最小累积阻力模型模拟和提取任意两个重要生态源地之间的最小累积阻力路径及适宜路径空间范围；
步骤6、基于重要生态源地和综合阻力面，根据电路理论模拟每条最小累积路径的电流邻近中心度；在GIS软件中根据每条最小累积阻力路径的中心度值的大小对最小累积阻力路径进行分级，按照级别确定有效廊道，并提取其适宜路径空间范围；
步骤7、以最小累积阻力路径的所有交点为对象，提取出连接路径数量超过2个的交点，以提取的交点为圆心绘制圆形区域，计算圆形区域中可实施生态保护与修复的空间占比R，
其中，Areaeco是生态空间总面积，Areare是可更新空间总面积，Areatotal是圆形区域总面积；
根据预设的R的阈值，筛选出阈值范围内连接路径数量超过2个的最小累积阻力路径的交点，将其作为补充生态节点；
步骤8、将重要生态源地、有效廊道的适宜路径空间范围及补充生态节点在GIS软件中进行空间叠加，采用对象城市区域行政边界矢量数据将其边界范围内的源地、廊道和节点进行提取，完成目标城市绿地生态网络构建。
进一步地，在步骤1中，对象城市现状绿地斑块的空间分布包括公园绿地、防护绿地、附属绿地、区域绿地和广场用地。
进一步地，在步骤1中还包括将对象城市周边范围内的现状绿地斑块纳入对象城市现状绿地斑块进行裁剪、聚合及筛选。
进一步地，在步骤4中，阻力因子至少包括土地利用类型。
进一步地，阻力因子还包括距生态源地距离、距骨干道路距离、距骨干河流距离、人口密度、植被质量、高程、坡度中的至少一项。
进一步地，最小累积阻力模型为MCR，
其中，i为第i个景观单元，j表示第j个生态源地，m表示景观单元的总数目，n表示生态源地的总数目，Dij表示第j个生态源地与第i个景观单元之间的空间距离，Ri表示第i个景观单元对应的阻力值，f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。
进一步地，适宜路径空间范围为两个目标生态源地之间所有与最小累积阻力路径上的像元相比不高于成本加权距离剪切阈值CWDcut的像元构成的空间。
进一步地，CWDcut＝Wmin×Rmean，其中Wmin为预设廊道最小宽度，Rmean是综合阻力面中的阻力平均值。
进一步地，在确定适宜路径空间范围时还包括通过预设CWDmax筛除路径长度超出设定值的路径，CWDmax＝Lmax×Rmean,其中Lmax为预设廊道最大长度，Rmean是综合阻力面中的阻力平均值。
相比与现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明适用于城市开发边界内绿地生态网络的系统构建，最终形成由“源地+廊道+节点”形成的城市生态安全格局，对于制约城市空间无序发展、改善城市生态环境、提高人居生活水平以及保护物种多样性具有重要作用。
2、将对象城市的周边区域纳入绿地生态网络的系统构建过程中，可充分体现区域内部与外部之间的联系，反映了城市与区域生态之间的耦合关系，提升了网络构建的系统性、整体性和有效性。
3、在源地选择过程中，统筹考虑城市绿地的社会-生态复合功能，以满足人类生态宜居需求为主，同时考虑对焦点物种栖息生境的保护。
4、在阻力面构建和路径提取时，以人类慢行游憩需求为主，兼顾焦点物种迁徙移动，将现状土地利用与其他阻力因子相结合。对于土地利用类型的阻力赋值，以生态阻碍性为主，兼顾廊道建设的用地适宜性，体现了科学过程与实践过程的衔接。
5、模拟和提取了具有相近的通行作用的适宜路径空间范围，而非通过在最小累积阻力路径两侧设定均一的宽度来确定空间范围。上述空间范围也为后续进一步完善和划示城市生态廊道的管控边界，并使其最终得以落地实施提供了空间数据底板。
6、通过引入电流邻近中心度，计算每一条最小累积阻力路径对于保持整个网络连接度的重要性，有助于精准掌握优先级更高的生态廊道的空间分布，可进一步降低MCR模型模拟结果的冗余性，削减建设成本。
7、基于有效廊道的最小累积阻力路径的交点，提取一定半径的圆形区域，并分析圆形区域内可实施生态保护与修复的空间占比，据此提取的生态节点不仅对于提升系统的整体连接度具有重要作用，还具有较高的建设可行性。
附图说明
图1是本发明的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建流程图。
图2是本发明实施例中的重要生态源地分布图。
图3是本发明实施例中的最小累积路径分布图。
图4是本发明实施例中的适宜路径空间范围图。
图5是本发明实施例中的最小累积路径等级图。
图6是本发明实施例中的廊道路径优先级分布图。
图7是本发明实施例中的补充生态节点分布图。
图8是本发明实施例中的城市绿地生态网络成果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：
基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，本实施例以上海市闵行区为例，闵行区位于上海市中部，北纬31°5′，东经121°25′；总面积372.56平方千米。闵行区地势平坦，地面标高3.3～4.8米；黄浦江贯穿闵行区，吴淞江、淀浦河、大治河等骨干水系与区内200多条河道组成河网；截至2017年底，闵行区下辖9个镇、4个街道。2019年末，全区常住人口为254.93万人，其中外来常住人口为125.14万人。
如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取对象城市现状绿地斑块的空间分布数据，现状绿地斑块的空间分布数据包括：公园绿地、防护绿地、附属绿地、区域绿地和广场用地；
技术人员收集和准备上海市闵行区及其周边城区的绿地分布数据、土地利用数据、可更新用地数据城市开发边界矢量数据、数字高程数据(Digital Elevation Model,DEM数据)、交通站点数据、夏季NDVI指数、夏季白天地表温度、节假日人口热力图等矢量或者栅格空间数据，其中栅格数据的分辨率不低于30m，建立城市地理信息数据库。
步骤2、在GIS(Geographic Information System，地理信息系统)软件中对获取的对象城市现状绿地斑块进行裁剪、聚合，筛选得到备选生态源地；
在GIS软件中将闵行区行政边界及其周边5千米缓冲区内的现状绿地斑块进行裁剪，采用聚合面工具，将欧式距离在10米以内的现状绿地斑块进行聚合，按照行政边界以内0.05平方千米缓冲区范围内0.3平方千米面积阈值对聚合后的绿地斑块进行筛选，作为备选生态源地。通过将闵行区周边5千米缓冲范围内的现状绿地斑块纳入对象城市现状绿地斑块进行裁剪、聚合及筛选，使构建的绿地生态网络更好的沟通城市内部和外部的重要生态空间，进一步增强网络的系统性和整体性。
步骤3、构建生态源地筛选指标体系，对备选生态源地进行重要性等级划分，筛选出重要生态源地，如图2所示；
以满足人类生态宜居需求为主要目标，兼顾小型哺乳类(黄鼠狼、刺猬)及两栖爬行类(蛙类、蜥脚类等)栖息生存需求，构建闵行区生态源地筛选的指标体系，如表1所示。指标包括：绿地服务覆盖半径、绿地服务潜力、绿地实际使用水平、绿地空间可达性、绿地生境质量、绿地植被质量、绿地连接度重要性、绿地缓解热岛效应等。并采用表1中的方法进行指标计算和赋值。
采用AHP层次分析法，分别为以上指标设定相应权重(表1)。基于GIS平台，采用上述设置好的指标权重，将各指标得分的栅格图层进行加权叠加运算，并将运算结果进行重分类，得到每块备选生态源地的社会-生态复合功能重要性等级(1-10级)。将综合得分位于前30％的备选源地筛选出来，共计92个。
除绿色源地外，将流经闵行区的重要河流：黄浦江、苏州河、淀浦河和其他面积大于5ha的坑塘水面和滩涂湿地作为蓝色源地纳入源地体系，并在GIS软件中与上述步骤提取的绿色源地完成空间叠加，最终共同构成了城市绿地生态网络构建所需的重要生态源地，共计103个源地。
步骤4、对于绿地生态网络的构建，阻力面的设定不仅仅需要考虑不同土地利用类型对人类慢行和动物迁徙的阻碍效果，还要关注城市植被覆盖、社会经济条件和人工干扰强度等对上述生态流的阻力差异。将对象城市现状土地利用类型这一阻力因子与其他阻力因子结合构建阻力因子表，对阻力因子表中的阻力因子进行赋值；基于GIS软件将各阻力因子的栅格图层进行空间叠加获取综合阻力面；
以人类慢行游憩需求为主，兼顾小型哺乳类及两栖爬行类迁徙移动需求，将闵行区现状土地利用类型与其他阻力因子相结合构建阻力因子表(表2)，必选阻力因子为土地利用类型，除了土地利用类型外还包括距生态源地距离、距骨干道路距离、距骨干河流距离、人口密度、植被质量、高程、坡度中的至少一项(高程和坡度则通过获取数字高程模型数据(Digital Elevation Model，DEM)，在GIS软件中计算获得)，本实施例中阻力因子包括土地利用类型、距生态源地距离、距骨干道路距离、距骨干河流距离、人口密度、植被质量6个阻力因子。
对于土地利用阻力因子，以现状土地利用矢量图为地图，叠加如高速公路、铁路、城市更新用地等，根据相关研究成果，并结合闵行区实际情况，以生态阻碍性为主，兼顾廊道建设的用地适宜性，进行阻力赋值。其中：在生态空间中，林地、绿地、湿地、草地、园地的生态阻碍性较小，助力赋值在1-30之间；河流、湖泊、水库通常难以逾越，阻力赋值为500；在非生态空间中，居住用地、道路用地、工矿用地、仓储用地等的生态阻碍性相对较高，赋值在50-100之间；具有高度生态阻碍性的非生态空间，如高速公路、高速铁路，赋值为1000；工矿用地中的城市可更新用地，如上海市闵行区的195块地和198块地，由于其可转化为绿地或林地的可能性较高，阻力赋值低于一般工矿用地，分别为30和50。
对于距生态源地距离、距骨干道路距离和距河流距离，分别利用GIS软件计算每个像元到源地、骨干道路和骨干河流边界的欧氏距离，再对其进行分级和阻力赋值。考虑到城市生态廊道建设需要连接重要生态源地，同时在走向上通常依托骨干河流、骨干道路来建设实施，因此，像元距离上述源地、道路或河流的距离越近，阻力赋值越低。
人口密度、植被质量分别采用对象城市的人口热力图和NDVI指数图，对其进行分级和阻力赋值(表2)。城市生态廊道建设要避开人口过于密集的城市区域，因此，人口密度越高，阻力赋值越高。同时，城市生态廊道建设还要充分利用现有的城市植被，因此NDVI指数越高，阻力赋值越低。
采用AHP层次分析法，分别为以上指标设定权重，形成阻力因子表(图2)。基于GIS软件，采用设定的指标的权重，将各阻力因子栅格图层进行空间加权叠加，从而确定分别针对人类和焦点物种的综合阻力栅格图(综合阻力面)，综合阻力面栅格图的分辨率应不高于30m，本实施例中综合阻力栅格图的分辨率为10m。
注：表2中，在上海市工业用地减量化背景下，198地块、195地块均为闵行区工矿用地中的减量化地块，其中198地块主要用于土地复垦，195地块主要终于城市更新和转型升级，本实施例中二者均为可更新用地。
步骤5、基于重要生态源地和综合阻力面，根据最小累积阻力(MinimumCumulative Resistance，MCR)模型，模拟和提取任意两个目标生态源地之间的最小累积阻力路径及适宜路径空间范围，如图3和图4所示；MCR模型能够模拟在两个源地之间成本加权距离(Cost Weighted Distance,CWD)最短的最小累积阻力路径：
其中，i为第i个景观单元，j表示第j个生态源地，m表示景观单元的总数目，n表示生态源地的总数目，Dij表示第j个生态源地与第i个景观单元之间的空间距离，Ri表示第i个景观单元对应的阻力值，f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。
适宜路径空间范围为两个生态源地之间所有与最小累积阻力路径上的像元相比不高于CWD剪切阈值的像元构成的空间，在此空间范围内，两个生态源地之间的CWD不一定最短但均适宜供目标对象使用，从而实现通行迁徙功能。该空间范围也为后续划示城市生态廊道的管控边界，并使其最终得以落地实施提供了空间数据底板。不同物种对象对于廊道宽度的要求不一，由于城市用地资源紧缺，城市生态廊道必须是集约和高效的，需以满足不同物种对象需要的最小宽度为依据，综合考虑确定对象城市生态廊道所应达到的最小宽度。
在廊道最大长度和最小宽度参数的设置中，根据技术标准和文献资料，人类、小型哺乳类和两栖爬行类通行或迁徙需求廊道的最小宽度值分别为15m、60m和30m。将30m宽度对应的CWD作为本实施例中城市生态廊道构建的CWD剪切阈值(CWDcut)，同时将3km长度对应的CWD作为廊道的最大CWD(CWDmax)，CWD剪切阈值＝Wmin×Rmean，其中Wmin为预设廊道最小宽度，Rmean是综合阻力面中的阻力平均值；CWDmax＝Lmax×Rmean,其中Lmax为预设廊道最大长度，Rmean是综合阻力面中的阻力平均值；通过计算，综合阻力面中所有像元的阻力值的平均值为50，因此，CWDcut和CWDmax分别为1500和150000，并基于此进行闵行区不超过预设最大长度的廊道及其适宜路径空间范围的提取。
剔除欧式距离不超过一个栅格长度的廊道路径，共获得闵行区及其周边5千米缓冲区内的廊道路径211条，适宜路径空间范围总面积66.34平方千米，约占闵行区总面积14.94％。
步骤6、基于重要生态源地和综合阻力面，根据电路理论(Circuit theory)模拟每条最小累积路径的电流邻近中心度(Current flow betweenness centrality，CFBC)，电路理论将景观面看做一个导电面，用电子在电路中随机流动的特性来模拟物种个体或基因在景观中迁移扩散过程，CFBC可用来衡量某条路径对保持整个网络连接度的重要性，可用于确定依托该路径所构建廊道的优先级；在GIS软件中根据每条最小累积阻力路径的中心度值的大小对最小累积阻力路径进行分级；
在GIS软件中，根据每条最小累积阻力路径的中心度的高低对其进行分级，得到所有累积阻力路径基于CFBC的分级图，本实施例中根据每条最小累积阻力路径的电流邻近中心度(CFBC)的值的大小将其分为3级优先级，如图5和图6所示，其中：一级优先级廊道路径的CFBC范围为256.6-2029.1，共计68条；二级优先级廊道路径的CFBC范围为146.9-256.6，共计71条；三级优先级廊道路径的CFBC范围为1.2-146.9，共计72条。保留前两级优先级的廊道路径作为有效廊道路径，并提取其适宜路径空间范围。
步骤7、以有效廊道的最小累积阻力路径的所有交点为对象，在GIS软件中提取出连接路径数量超过2个的交点，排除所有源地周围500米半径以内的交点，以提取的交点为圆心绘制半径为50m的圆形区域。在GIS软件中，将所产生的圆形区域与闵行区土地利用现状图进行叠加，提取圆形区域中的现状土地利用，并计算每个圆形区域中可实施生态保护与修复的空间占比R，
其中，Areaeco是生态空间总面积，Areare是非生态空间中的可更新空间总面积，Areatotal是圆形区域总面积；
R的阈值预设为50％，筛选出阈值范围内所有的最小累积阻力路径的交点，将其作为补充的生态节点纳入绿地生态网络的系统构建中。另外，根据成本有效性原则，对于距离不超过500米的2个或多个相邻节点，根据空间位置和用地组成择优仅保留其中一个节点，共计得到21个节点，如图7所示。
步骤8、将重要生态源地、有效廊道的适宜路径空间范围及补充生态节点在GIS软件中进行空间叠加，采用对象城市区域行政边界矢量数据将其边界范围内的源地、廊道和节点进行提取，完成目标城市绿地生态网络构建。如图8所示，该网络共包含绿色源地59个，蓝色源地11个；有效廊道路径169条，其中一级优先级56条，二级优先级64条；有效廊道的适宜廊道路径范围总面积为41.14㎞2，约占闵行区总面积的11.02％，另有补充节点数量12个。
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取对象城市现状绿地斑块的空间分布数据；
步骤2、在GIS软件中对获取的对象城市现状绿地斑块进行裁剪、聚合，筛选得到备选生态源地；
步骤3、构建生态源地筛选指标体系，对备选生态源地进行重要性等级划分，筛选出重要生态源地；
步骤4、将对象城市现状土地利用与其他阻力因子结合构建阻力因子表，对阻力因子表中的阻力因子进行赋值；基于GIS软件将各阻力因子的栅格图层进行空间叠加获取综合阻力面；
步骤5、基于重要生态源地和综合阻力面，根据最小累积阻力模型模拟和提取任意两个重要生态源地之间的最小累积阻力路径及适宜路径空间范围；
步骤6、基于重要生态源地和综合阻力面，根据电路理论模拟每条最小累积路径的电流邻近中心度；在GIS软件中根据每条最小累积阻力路径的中心度值的大小对最小累积阻力路径进行分级，按照级别确定有效廊道，并提取其适宜路径空间范围；
步骤7、以最小累积阻力路径的所有交点为对象，提取出连接路径数量超过2个的交点，以提取的交点为圆心绘制圆形区域，计算圆形区域中可实施生态保护与修复的空间占比R，
其中，Areaeco是生态空间总面积，Areare是可更新空间总面积，Areatotal是圆形区域总面积；
根据预设的R的阈值，筛选出阈值范围内连接路径数量超过2个的最小累积阻力路径的交点，将其作为补充生态节点；
步骤8、将重要生态源地、有效廊道的适宜路径空间范围及补充生态节点在GIS软件中进行空间叠加，采用对象城市区域行政边界矢量数据将其边界范围内的源地、廊道和节点进行提取，完成目标城市绿地生态网络构建。
2.根据权利要求1所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，在所述步骤1中，对象城市现状绿地斑块的空间分布包括公园绿地、防护绿地、附属绿地、区域绿地和广场用地。
3.根据权利要求2所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，在所述步骤1中还包括将对象城市周边范围内的现状绿地斑块纳入对象城市现状绿地斑块进行裁剪、聚合及筛选。
4.根据权利要求1所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，在所述步骤4中，阻力因子至少包括土地利用类型。
5.根据权利要求4所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，所述阻力因子还包括距生态源地距离、距骨干道路距离、距骨干河流距离、人口密度、植被质量、高程、坡度中的至少一项。
6.根据权利要求1所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，所述最小累积阻力模型为MCR，
其中，i为第i个景观单元，j表示第j个生态源地，m表示景观单元的总数目，n表示生态源地的总数目，Dij表示第j个生态源地与第i个景观单元之间的空间距离，Ri表示第i个景观单元对应的阻力值，f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。
7.根据权利要求1所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，所述适宜路径空间范围为两个目标生态源地之间所有与最小累积阻力路径上的像元相比不高于成本加权距离剪切阈值CWDcut的像元构成的空间。
8.根据权利要求7所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，CWDcut＝Wmin×Rmean，其中Wmin为预设廊道最小宽度，Rmean是综合阻力面中的阻力平均值。
9.根据权利要求1所述的基于生态安全格局的城市绿地生态网络构建方法，其特征在于，在确定适宜路径空间范围时还包括通过预设CWDmax筛除路径长度超出设定值的路径，CWDmax＝Lmax×Rmean,其中Lmax为预设廊道最大长度，Rmean是综合阻力面中的阻力平均值。
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2022
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