上海市生態網絡體系評價方法研究*

閻 凱 王寶強 沈清基

上海市生態網絡體系評價方法研究*

閻 凱 王寶強 沈清基

閻 凱

同濟大學建筑與城市規劃學院

博士研究生

王寶強

華中科技大學建筑與城市規劃學院

講師，博士

沈清基（通訊作者）

同濟大學建筑與城市規劃學院

高密度區域智能城鎮化協同創新中心

教授，博士生導師

1 研究背景

生態網絡（Ecological network）源于北美景觀建筑和規劃術語，北美較多稱為綠道網絡（Greenway network）[1]，歐洲則多稱為綠地生態網絡（Ecological network）[2]，并認為生態網絡由核心區域（Core area）、緩沖帶（Buffer）和生態廊道（Ecological corridor）組成[3]，但這種構成具有一定地域性，主要適應歐洲發達國家的自然保護區及農業景觀地區，強調解決景觀破碎化的問題[4]。國內學者大多認為生態網絡是由諸如森林、城市公園、山脊線之間形成互利共生的網絡，即由斑塊—廊道—基質組成的網絡系統[5-6]。城市生態網絡的建設對于城市生態環境改善具有不可替代的作用，主要體現在4個方面：生態服務功能、保護生物多樣性功能、景觀游憩功能和引導城市空間發展的功能[7]。當前，人類活動和快速城市化進程導致景觀破碎化和生境面積減小成為威脅生物生存的普遍性問題，例如城市建設用地無序擴張、農村居民點布局分散、生態景觀破碎度大、重要生態廊道被阻斷等，造成生態環境可持續發展受到威脅[8-9]，因此構建合理有效的生態安全空間格局對特大城市來說顯得尤為重要。

2011年上海市建設用地總面積已達2 961 km2，占全市陸域總面積的47%，遠遠超過了《上海市城市總體規劃（1999-2020）》預測的2020年1 500 km2的總量。為促進資源緊約束條件下的城市發展轉型，維護城市生態安全，上海市城市規劃設計研究院于2009—2010年開展了《上海市基本生態網絡規劃》（以下簡稱《規劃》）研究，在建設總量倒逼用地轉型的新形勢下，該規劃旨在通過對非建設區域的優先控制應對城市存量擴容。本文借《規劃》研究的契機，利用遙感信息和GIS技術，以景觀格局指數分析上海市2009—2013年生態空間（集中于綠地）的景觀水平，以景觀連接度對上海市道路系統和綠地系統進行拓撲分析，指明網絡構建過程中存在的不足和缺陷，以期通過對上海市主要生態空間的景觀格局和網絡性能的分析，為構建健康合理的上海市生態安全空間格局提供技術支撐和規劃建議。

2 研究區域生態現狀與生態網絡分析方法

2.1 研究區域生態建設現狀

至2008年底，上海市建成區外圍現狀生態用地（包括耕地、園林地和內陸濕地等）面積約3 895 km2（同期現狀建設用地總面積約2 860 km2），約占陸域總面積的57%（如加上現狀建成區內綠地約162 km2，生態用地總面積約4 057 km2）（圖1）。同時，隨著上海城市建設和社會經濟的快速發展，生態用地保護壓力逐漸加大。主要體現在：一是生態用地總量減少趨勢比較明顯；二是生態連通性不夠，整體效益較差；三是生態用地分布不均衡；四是生態空間建設難度比較大①上海市城市規劃設計研究院，上海市基本生態網絡結構規劃，2008。。

2.2 研究數據來源

2.2.1 景觀格局分析數據來源

本研究以2009年和2013年上海市TM影像為遙感數據源，進行波段組合、鑲嵌、投影變換、圖像增強、裁剪等處理；采用監督分類方法提取不同土地利用類型（圖2）。數據預處理過程在ArcGIS 10.0和ERDAS Imagine 9.2支持下完成。原始遙感圖像和分類后的土地利用見圖3。

2.2.2 生態網絡分析數據來源

圖1 上海市域生態用地現狀圖資料來源：上海市城市規劃設計研究院，上海市基本生態網絡結構規劃，2008。

圖2 數據預處理流程圖資料來源：作者自繪。

圖3 2009年、2013年原始遙感圖像和分類后土地利用圖資料來源：作者自繪。

圖4 最短路徑示意圖資料來源：作者自繪。

考慮到數據的可獲取性，現狀生態網絡數據來源于對2010年上海市現狀道路和2009年綠道網絡的矢量化。現狀道路主要分為快速路、主干路和次干路。現狀綠道網絡數據主要來源于上海市生態用地現狀。數字化過程在ArcGIS10.0平臺下完成。

2.2.3 生態網絡構建數據來源

通過遙感解譯方法獲取土地利用數據，包括生態斑塊的識別、農田、水域、建設用地的提取，結合遙感反演獲取林地數據，現狀道路數據主要通過對地圖的矢量化獲取。

2.3 研究方法

2.3.1 景觀格局分析

本研究中，為更好分析上海市生態網絡現狀，同時為未來構建安全有效的生態網絡提供鋪墊，將采用景觀指數分析上海市現狀景觀格局。根據景觀指標的生態意義，結合研究需要，本研究選擇4個非空間的組分指數(Non spatial component index, NSCI) 和4個空間的配置指數(Spatial configure index, SCI)。4個非空間的組分指數分別為斑塊密度（Patch density， PD）、邊界密度（Edge density， ED）、平均斑塊面積（Mean patch size， MPS）和Shannon多樣性指數（Shannon’s Diversity Index， SHDI），4個空間配置指數分別為景觀形狀指數（Landscape shape index， LSI）、平均斑塊分 維 數（Mean patch fractal dimension，MPFD）、歐式最近鄰近距離（Euclidean Nearest Neighbor Distance， ENN）和連接度（Connectance index，CONNECT）②王海珍. 城市生態網絡研究.華東師范大學，2005。。

2.3.2 生態網絡評價

圖5 生態廊道提取流程圖資料來源：作者自繪。

景觀連接度和景觀連通性都是衡定景觀生態過程的重要指標[10]。本研究利用拓撲指數對上海景觀生態網絡連接度和連通性進行描述，通過指數計算，描述城市景觀生態網絡在空間上的耦合關系及其生態效能，強調網絡之間的生態耦合途徑及其生態功能的整體性和有機性，通過上述分析指明上海市道路網絡系統和綠地網絡系統現狀發展的概況和不足。

（1）γ、α、β指數

γ、α、β指數是以拓撲空間為基礎產生的，主要揭示節點和連接數的關系，反映網絡的復雜程度，但并不能反映實際距離、線性程度、連接線的方向及節點的確切位置。

γ是網絡中連線的數目與該網絡最大可能的連線數之比。以L表示網絡中實際存在的連線數，V表示網絡中實際的節點數，通過V可以確定最大可能的連線數Lmax。γ取值在0到1之間，0表示節點間沒有連線，1表示每個節點間都相互連通。γ指數為：γ=L/ Lmax=L/3（V-2）。

α指數為網絡環通路的量度，又稱環度，是連接網絡中現有節點的環路存在的程度。網絡連接度的α指數的變化范圍在0（網絡無環路）和1（網絡具有最大環路數）之間。α指數為：α=（L-V+1）/（2V-5）。

β指數是度量一個節點與其他節點聯系難易程度的指標。以L表示網絡中實際存在的連線數；V表示網中實際的節點數，則β指數為：β=L/V。

（2）成本比

成本比指數用來量化網絡的平均消費成本，主要反映網絡的有效性。具體計算公式如下：

其中式中Cost ration為成本比指數，l為網絡廊道數，d為整個廊道長度。

2.3.3 生態網絡構建

本研究擬采用最小路徑方法（Least-Cost Path method， LCP）對現有上海生態源地進行識別，判定影響生態網絡構建的阻力因素，在上述基礎上構建安全合理的生態網絡系統。最短路徑是用來計算并顯示從源點到目標點的最短路徑或最小成本路徑，該路徑是生物物種遷移與擴散的最佳路徑（圖4），可以有效避免外界的各種干擾，利用這一分析方法可以找到可通達性考慮得到的最好的路線。基于最小消費路徑的生態網絡構建過程大致可以分為生態源地辨識、景觀阻力評價、消費面制作、生態網絡構建4個步驟[11]。在構建潛在生態網絡基礎上，結合重力模型提取重要生態廊道，最后在上述網絡構建基礎上，提出規劃建議生態廊道（圖5）。

（1）生態源地辨識

圖6 選取的上海地區生態源地資料來源：作者自繪。

大型生境斑塊為區域生物多樣性提供了重要的空間保障，是區域生物多樣性的重要源地。根據上海市區域的自然生態特點，將自然保護區、森林公園、風景林、大型林地等生境較好的斑塊確認為源（Source）或目標（Targets）。以盡量選擇野生動物棲息地為原則，同時結合面積大小和空間分布格局，選取21個斑塊作為區域生物多樣性的“源地（Sources）”（圖6），總面積為307.21 km2。

（2）景觀阻力評價

生境適宜性是指在某一生境斑塊對物種生存、繁衍、遷移等活動的適宜性程度。景觀阻力是指物種在不同景觀單元之間進行遷移的難易程度，它與生境適宜性的程度呈反比，斑塊生境適宜性越高，物種遷移的景觀阻力就越小。根據上海的土地利用現狀，結合數據的可獲取性，確定了不同土地利用類型或生境斑塊的景觀阻力大小（表1）。

（3）重要生態網絡的提取

源與目標之間的相互作用強度能夠用來表征潛在生態廊道的有效性和連接斑塊的重要性。大型斑塊和較寬廊道生境質量均較好，會大大減少物種遷移和擴散的景觀阻力，增加物種遷移過程中的幸存率。基于重力模型（Gravity model），構建生境斑塊（源與目標）間的相互作用矩陣。然后，根據矩陣結果，將相互作用力大于一定閾值的潛在重要生態廊道提取出來，并剔除經過同一綠地斑塊而造成冗余的廊道，得到規劃研究區最終的重要生態廊道。重力模型的計算公式如下：

表1 不同土地利用類型的景觀阻力值

表2 2009年、2013年上海市域和中心城區綠地在斑塊類型水平上的景觀指數

式中Gab是生境斑塊a和b之間的相互作用力，Na和Nb分別是兩斑塊的權重值，Dab是a和b兩斑塊間潛在廊道阻力的標準化值，Pa為斑塊a的阻力值，Sa是斑塊a的面積，Lab是斑塊a到b之間廊道的累積阻力值，Lmax是研究區中所有廊道積累最大阻力值。

3 結果分析

3.1 景觀格局結果分析

3.1.1 斑塊類型水平上的景觀格局分析

對上海市2009年、2013年市域和中心城區綠地進行景觀格局分析，得到一系列在斑塊類型水平上的景觀指數（表2）。2013年市域范圍綠地系統斑塊密度從12.52個/km2增加到16.72個/km2、平均斑塊面積從3.18 hm2下降到1.09 hm2，這兩個指數的變化直接反映出綠地系統的破碎化程度呈現明顯的上升趨勢，主要和城市化進程中人類活動對綠地的作用加強有關，由此引起斑塊破碎化現象突出。反映斑塊邊界特征的邊界密度由147.65 m/hm2下降到83.44 m/hm2，平均斑塊分維數有所下降，表明綠地系統斑塊形狀的復雜性程度有所下降。景觀斑塊形狀對斑塊內部生態過程有一定的影響，如動物遷移、物質交流等。在景觀面積相同的情況下，景觀有較長的邊界和形狀較復雜的斑塊，意味著擁有更多物質和能量交換的機會。2013年市域范圍內綠地系統平均斑塊分維數下降說明景觀和景觀要素之間較難進行能量、物質等的流動。2009年到2013年中心城區的斑塊類型的景觀指數變化情況和市域范圍類似。值得說明的是，無論是2009年還是2013年，中心城區斑塊密度比市域范圍要大、平均斑塊面積比市域范圍要小，說明中心城區的綠地系統破碎化程度高于市域范圍，城市化對中心城區的綠地系統影響更大。而中心城區的邊界密度、平均斑塊分維數和市域類似，說明中心城區和市域相比，綠地斑塊的復雜程度類似。

表3 2009年、2013年上海市域和中心城區綠地在景觀類型水平上的景觀指數

3.1.2 景觀類型水平上的景觀格局分析

對2009年和2013年綠地系統景觀格局進行分析，得到一系列景觀水平上的景觀指數（表3）。從市域范圍來看，2013年景觀形狀指數由425.97降低到299.32。景觀形狀指數是反映景觀形狀復雜性的指標，景觀形狀復雜性降低說明景觀為物質、能量計物種提供遷移和流動的機會下降。景觀多樣性是生物多樣性的重要研究內容和組成部分，是對景觀水平上生物組成多樣性的反映，景觀多樣性指數從1.16下降到1.08，反映了景觀多樣性下降，具體表現為各景觀要素所占比例有所上升。景觀格局多樣性下降，說明提供多樣化生境機會降低，生物多樣性有所下降。景觀均勻性指數由0.83下降到0.78，表明景觀中每種類型斑塊分布的均勻程度有所惡化，即景觀均質性下降。歐氏最近鄰體距離是測量同一類型斑塊之間的相對距離的指數，可以作為景觀連接度的替代指數。歐氏最近鄰體距離由74.98 m增加到83.42 m，以及連接度指數也有所上升，反映了景觀在連接度方面的改善。景觀連接度反映景觀中各元素有利或不利于生物群體在不同斑塊之間遷移、覓食的程度，反映同類或異類斑塊之間的景觀元素、能量的交換和遷移過程。景觀連接度的提高對于破碎景觀中動植物棲息地、生物多樣性保護與生物資源管理方面具有重要意義。從中心城區與市域比較來看，2009年和2013年中心城區景觀形狀指數小于市域、景觀多樣性指數低于市域、景觀均勻性指數低于市域，說明中心城區景觀要素更加單一，景觀多樣性和均勻性較低。且中心城區歐氏最近鄰體距離低于市域、連接度高于市域，說明中心城區景觀連接度優于市域范圍，有利于保護生物多樣性和生物資源。

3.2 生態網絡評價結果

3.2.1 上海市城市景觀生態網絡γ指數分析

通過對上海市景觀生態網絡連接度計算，道路網絡（γ=0.61）和綠地網絡（γ=0.64）均達到0.6以上，說明綠地網絡和道路網絡的網絡連接度均較好，連接數量較多，節點間的連接性也較強。

3.2.2 上海市城市景觀生態網絡α指數分析

由城市景觀生態網絡連接度計算分析出，上海市道路網絡和綠地網絡的α指數都較低，分別為0.41和0.45，說明這兩個網絡的環路數量中等偏少，與γ指數形成較大反差，使網絡呈現出較高線性連接和較低環狀連接的網絡特征。路網的網狀連接度較低，呈現出輻射狀延伸特征。綠地網絡由于受到道路綠化和自然綠廊（河流）以及人工廊道的綜合作用呈現出綜合的環狀連接特征。

3.2.3 上海市城市景觀生態網絡β指數分析

從指數分布來看，上海市城市景觀生態網絡中道路網絡和綠地網絡的β指數分別為1.81和1.88，基本上每個節點平均都具有1.8個連接線。道路網絡和綠地網絡的β指數均大于1，處于適中水平，二者均具有適中的節點間連線途徑和適中的節點間連接性，網絡連接水平一般。

3.2.4 上海市城市景觀生態網絡成本比指數分析

成本比是一個經濟學概念，反映投入和產出的關系，成本比越低，表明在經濟上越有效，具體到生態網絡，成本比指數較低對于生態網絡的建設和利用都是非常有效的。從成本比指數來看，道路網絡和綠地網絡均高于0.7，表明上海市現狀道路網絡和綠地網絡整體有效程度都較低（表4）。

3.2.5 小結

通過γ、α、β和成本比指數分析可以發現，道路網絡和綠地網絡均有相似的網絡特征，兩者網絡連接度均較好、環路數量均較少、形成的節點間連接途徑水平一般，且兩者成本比都較高。形成這樣的特征，可能是因為道路網絡和綠地網絡在建設過程中，注意所有節點的連接度，但是對于環路建設和節點間的相互連接有所欠缺。這些特征一方面反映出道路和綠地節點的廊道建設程度較低，另一方面節點建設存在節點孤立化、點狀化和平面化的問題。未來在上海市生態網絡建設過程中，要加強節點間的連接程度，注意環路的建設，增加綠地斑塊和廊道建設，改善連接的生境質量，降低生態網絡建設成本比。

圖7 成本柵格圖資料來源：作者自繪。

3.3 上海市生態網絡構建

3.3.1 消費面制作結果

根據上表不同土地類型的景觀阻力賦值，分別制作成本柵格文件（圖7）。

3.3.2 潛在生態網絡構建

基于GIS軟件平臺，采用最小路徑方法可以確定源和目標之間的最小消費路徑，該路徑是生物物種遷移和擴散的最佳路徑，可以有效避免外界的各種干擾。最終通過連接21個綠地斑塊的210條潛在廊道，組成了規劃研究區的潛在生態網絡（圖8）。

3.3.3 重要生態網絡的提取

根據公式（1）計算兩兩生態斑塊之間的相互作用矩陣，結果如圖9所示。根據相互作用矩陣中得分值的大小，結合規劃研究區具體情況，將相互作用大于10的21條潛在重要生態廊道提取出來（圖10）。

3.3.4 生態網絡構建結果

為了減少破碎生境的孤立，保持生物多樣性，通過生態網絡的構建發展生態廊道來維持和增加生境的連接，在景觀尺度上構建和發展生態廊道以增加生境斑塊的連接性。根據上述提取的重要生態網絡，結合所有生態斑塊之間的生態網絡，考慮最后創建綠廊的完整性、環路性以及全覆蓋性，構建上海市的生態保護型綠廊并與上海市城市總體規劃進行疊加，形成上海市城市生態網絡（圖11）。

表4 上海市城市生態網絡基本特征度量表

圖8 上海市潛在生態廊道圖資料來源：作者自繪。

圖9 相互作用矩陣結果資料來源：作者自繪。

圖10 上海市重要生態網絡提取資料來源：作者自繪。

圖11 上海市城市生態網絡規劃示意圖資料來源：作者自繪。

4 結論與展望

通過對2009年和2013年上海市的綠地系統景觀格局進行分析，構建一系列表征景觀格局和生態網絡的指數，該指數反映出2009年—2013年上海市在城市景觀形狀、多樣性、均勻性以及景觀連接度等方面發生了明顯變化，其直觀效果是加大了斑塊的破碎化程度，降低了景觀多樣性和均勻性，但增強了景觀連接度，一定程度上改善了綠地系統的質量。此外，表征景觀生態網絡的γ、α、β及成本比指數反映了路網的網狀連接度較低，呈現出輻射狀延伸特征以及節點建設的孤立化、點狀化和平面化。值得注意的是，通過對以上指標的分析可以清楚地判斷中心城區和市域范圍內景觀格局和生態網絡存在較大的差別，例如，中心城區的景觀破碎度和景觀多樣性更低，景觀要素更加單一。

綜合以上研究，未來在上海市生態網絡建設過程中，應注意以下兩個方面：

（1）市域范圍內，結合上海市城鄉建設用地增減掛鉤、上海市新一輪總體規劃等重大戰略機遇，從全域角度構建生態網絡的整體性。具體來說，加強節點間的連接程度，注意環路的建設，增加綠地斑塊和廊道建設以改善連接的生境質量，降低生態網絡建設成本比；

（2）一方面，中心城區景觀連接性高于市域是由于其路網密度較高，但路網密度并不能直接反映生態廊道密度。另一方面，針對中心城區景觀破碎度低和要素單一的問題，未來以期結合工業改造和“退二進三”的實施得以提升，因此中心城區應該著力于結合產業升級、用地置換和舊城更新來增加綠地斑塊，構建生態綠化廊道。

然而，生態安全的提升并不是一蹴而就的，網絡構建也不是點線面的簡單圖示化理解，需要全局性的戰略和政策指導，以及用地性質和功能轉變、更新改造及道路建設等諸多環節的合作。最后本研究基于指標分析結果，通過景觀生態方法對生境斑塊進行串聯，形成自然與人工結合的珠帶式開放空間，對提升城市空間品質具有一定意義，也旨在對上海市未來生態網絡構建提供借鑒。

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Research on Evaluation and Construction of Ecological Network System in Shanghai

利用GIS技術，以2009年和2013年上海市TM影像、矢量化道路和綠道網絡，以及現狀土地利用作為數據源，通過4個非空間組分指數和4個空間配置指數進行景觀格局分析，利用反映景觀連接度和景觀連通性的γ、α、β及成本比指數進行生態網絡評價，以及最小成本路徑方法進行生態網絡構建。結論認為，研究時間段內，上海市景觀斑塊的破碎化程度和景觀多樣性、景觀均勻性有所降低，景觀連接度略為提升，其中中心城區相較于市域在上述指標的變化上更為明顯。最后從斑塊和廊道建設兩個方面、市域和中心城區兩個維度提出關于優化上海市綠地系統景觀格局的建議。

Taking the TM image, vector road and green gallery, and the land use of Shanghai as the data source, this paper attempts to analyze the landscape pattern by Spatial Configure Index(SCI) and Non Spatial Component Index(NSCI), to evaluate the ecological network viaγ,α,βand cost ration that reflect landscape connectivity properly, and to establish ecological network through the least-cost path method with GIS technology. From what has been discussed above, we draw a conclusion that the fragmentation of landscape patch and the landscape diversity and uniformity have been reduced, while the landscape connectivity has been promoted. Compared to city region, urban center shows an obvious variation in the above indices. Finally from the perspective of both urban center and city region, we offer proposals about how to optimize the green system and landscape pattern by patches and corridors construction.

生態網絡 | 評價與構建 | 上海市

Ecological network | Evaluation and construction | Shanghai

1673-8985（2017）02-0082-08

TU981

A

*國家自然科學基金項目“基于洪澇脆弱性評估的城市適災彈性空間研究”（編號：51608213）、中央高校基本科研業務費資助項目“基于大數據-空間分析技術的城市生態空間信息圖譜研究”（HUST：2016YXMS054）資助。同濟大學高密度區域智能城鎮化協同創新中心、上海同濟城市規劃設計研究院課題（KY-2013-C02）：基于SSM-ES-GIS的城市生態安全空間格局分析及構建研究部分成果。