基于遙感和圖論的綠地空間演變和連通性研究
——以鄭州為例

穆 博,李華威,Audrey L. Mayer, 何瑞珍,田國(guó)行,*

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,鄭州 4500022 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 4500023 密歇根理工大學(xué)森林資源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院,霍頓,密歇根州,49931,美國(guó)

基于遙感和圖論的綠地空間演變和連通性研究
——以鄭州為例

穆 博1,2,李華威1,Audrey L. Mayer3, 何瑞珍1,田國(guó)行1,*

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,鄭州 4500022 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 4500023 密歇根理工大學(xué)森林資源和環(huán)境科學(xué)學(xué)院,霍頓,密歇根州,49931,美國(guó)

綠地空間是人類(lèi)和自然生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,其連通性是綠地有效發(fā)揮生態(tài)和社會(huì)服務(wù)功能的重點(diǎn),對(duì)促進(jìn)生物多樣性保護(hù)、人類(lèi)戶外空間游憩和城鄉(xiāng)空間的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以鄭州為例,基于圖論的原理和算法,以4個(gè)時(shí)期30m分辨率的Landsat 5和Landsat 8影像為基本數(shù)據(jù)源,在ArcGIS 10.2、ENVI 5.0和Graphab 1.2.1軟件中,提取鄭州市域范圍內(nèi)的綠地空間信息,分析了綠地斑塊規(guī)模、數(shù)量和空間分布特征的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,揭示了綠地空間連通性動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律和原因,探討了圖論指數(shù)在診斷和優(yōu)化綠地空間連通性上的應(yīng)用。結(jié)果表明：2000年到2013年間,隨鄭州市域綠地空間總量和斑塊規(guī)模的增加,綠地空間整體連通性指數(shù)增加了4.7倍,且在2009年到2013年間增加幅度最大；綠地斑塊規(guī)模與綠地空間整體連通性指數(shù)、最大連通單元體規(guī)模和綠地斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；綠地空間連通性的區(qū)域差異特征與綠地空間分布特征一致,均呈現(xiàn)西高東低的分布規(guī)律,且隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出由西向東擴(kuò)展的趨勢(shì)；圖論指數(shù)可以用來(lái)反映各種尺度上綠地空間的連通性,其中綠地斑塊的節(jié)點(diǎn)度指數(shù)和中間度核心性指數(shù)可以用來(lái)診斷和篩選對(duì)整體綠地空間連通性起關(guān)鍵性和腳踏石作用的綠地斑塊,在今后城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃和綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上具有重要的應(yīng)用前景。

綠地空間；連通性；圖論；遙感；鄭州

綠地空間不僅是大自然中動(dòng)植物賴(lài)以生存的基礎(chǔ),也是城市環(huán)境與自然環(huán)境之間物質(zhì)和能量流通的重要載體,更是人們戶外休閑游憩的重要場(chǎng)所。同時(shí),綠地也是一個(gè)城市健康可持續(xù)發(fā)展必須具備的綠色基礎(chǔ)設(shè)施,在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[1,2]、緩解人們的精神壓力[3]和提高人們生活質(zhì)量等方面均有著不可替代的作用[4- 6]。

綠地空間規(guī)模、分布特征及其連通性不僅是綠地空間結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn),也是城鄉(xiāng)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和綠地系統(tǒng)規(guī)劃考慮的重要內(nèi)容。綠地斑塊規(guī)模是衡量其生態(tài)服務(wù)價(jià)值的重要指標(biāo)[7],綠地分布特征往往反映其存在的重要性和變化的原因,而綠地斑塊間的連通性則對(duì)城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)物質(zhì)和能量的流通具有重要的意義[8]。尤其是在快速城市化建設(shè)引起的景觀破碎化加劇[9],生物多樣性急劇減少的背景下,景觀連通性逐漸引起景觀生態(tài)學(xué)家和景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)師的重視,并對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。Park[10]基于7種物種分布和行為特征對(duì)美國(guó)菲尼克斯都市區(qū)不同城市梯度的景觀生態(tài)連接度進(jìn)行評(píng)估,并繪制出連接路徑,為生態(tài)保護(hù)規(guī)劃提供了重要依據(jù)；Rabinowitz[11]基于最短路徑連接模型對(duì)美洲豹的遷徙廊道進(jìn)行研究,找出了182條潛在的需要優(yōu)化的生態(tài)廊道。在這些研究中,整體連通性指數(shù)(IIC)是最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo),圖論算法被認(rèn)為是一種能夠研究較大區(qū)域范圍內(nèi)生境網(wǎng)絡(luò)連接度的簡(jiǎn)便有效方法[12-14],其圖形分析能夠?yàn)榫坝^管理和土地利用規(guī)劃等提供直觀的決策支持[14]。

圖論最早起源于17世紀(jì)歐拉關(guān)于哥尼斯堡七橋問(wèn)題的研究,后來(lái)演變成數(shù)學(xué)的一個(gè)分支,中國(guó)的“河圖洛書(shū)”被認(rèn)為是圖論起源的重要思想[15]。圖的理論及其應(yīng)用是構(gòu)成圖論的主要內(nèi)容[16]。一個(gè)圖是由若干節(jié)點(diǎn)和連接線共同組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[17-18],每條線連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn),而在一定閾值范圍內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接構(gòu)成的連通體被稱(chēng)為一個(gè)連接單元[19]。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系中,節(jié)點(diǎn)可以代表空間位置、物體、群體、生境或他們的屬性；連接線(Links)則可以代表因果關(guān)系、統(tǒng)計(jì)信息、邏輯推理、空間關(guān)系或過(guò)程,如物質(zhì)和能量的流通等[18]。目前,圖論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在地理科學(xué)、信息技術(shù)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等問(wèn)題分析中[17]。地理學(xué)家將圖論用來(lái)研究水文過(guò)程、交通運(yùn)輸和路徑優(yōu)化等地貌的內(nèi)在特征與外在聯(lián)系[18]；生態(tài)學(xué)家將其引入景觀格局和過(guò)程的研究中,尤其是生境連接度的分析和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化[17, 20]。王銘子[8]認(rèn)為城市綠地系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為由節(jié)點(diǎn)和連接線組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此,圖論指數(shù)也可以用來(lái)研究綠地系統(tǒng)的連通性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

鑒于圖論在綠地系統(tǒng)規(guī)劃和綠道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建上具有重要的應(yīng)用價(jià)值,本文基于圖論原理和算法,借助遙感技術(shù)對(duì)過(guò)去13年間鄭州市域極速城鎮(zhèn)化過(guò)程中城鄉(xiāng)綠地空間連通性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行研究,并根據(jù)所得結(jié)果與綠地自身形態(tài)特征的關(guān)聯(lián)性分析,揭示其發(fā)生變化的內(nèi)因(綠地空間總量、板塊規(guī)模和分布特征的變化)和外因(政府決策對(duì)綠地空間擴(kuò)展的影響),論證和探討圖論指數(shù)在診斷和優(yōu)化綠地空間連通性上的應(yīng)用價(jià)值,希望能夠?yàn)槲磥?lái)城鄉(xiāng)綠地空間發(fā)展與規(guī)劃提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

鄭州坐擁嵩山,緊臨黃河,地理位置優(yōu)勢(shì)顯著,既是河南省的省會(huì)城市,中國(guó)八大古都之一,又是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)(CPER)的核心增長(zhǎng)城市和國(guó)家中心城市,南北京廣通道和東西新歐亞大陸橋中段隴海-蘭新通道在此交匯(圖1)。在《全國(guó)流通節(jié)點(diǎn)城市布局規(guī)劃(2015—2020年)》中還被定位為國(guó)家級(jí)流通節(jié)點(diǎn)城市,是我國(guó)的綜合交通樞紐。市域總面積為7446.2km2,包括鄭州市、新鄭市、滎陽(yáng)市、鞏義市、登封市、新密市和中牟縣,其中鄭州市主城區(qū)總面積1010.3km2,包括二七區(qū)、金水區(qū)、管城區(qū)、中原區(qū)和惠濟(jì)區(qū),隸屬于鄭州市的上街區(qū)位于滎陽(yáng)市西側(cè),故不在鄭州市主城區(qū)內(nèi)(圖1)。2000年到2013年,鄭州市域總?cè)丝趶?65.9萬(wàn)人增加至919.1萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化率從55.1%增加至67.1%,處于城鎮(zhèn)化水平快速上升階段。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

本文所用遙感影像,包括2000年、2004年、2009年的Landsat 5和2013年的Landsat 8(path124, row 36, level 1T 產(chǎn)品),均從美國(guó)USGS網(wǎng)站和中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)信息中心獲取,影像精度為30m,無(wú)云,圖像質(zhì)量較好。為了避免季節(jié)差異,所有影像均選自植被覆蓋良好的夏季(5月和6月)。其它輔助影像解譯的數(shù)據(jù),包括同時(shí)期Google Earth中的歷史影像、2010年鄭州市總體規(guī)劃圖和鄭州行政區(qū)劃圖等均為實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期留存。

遙感影像的解譯步驟主要為：在ArcGIS10.2中采用世界1984_UTM_49N坐標(biāo)系,分別對(duì)四期的遙感影像進(jìn)行幾何校正(誤差小于0.5個(gè)像元)、輻射校正和大氣校正后,借助ENVI 5.0,利用最大似然監(jiān)督分類(lèi)法對(duì)四個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行分類(lèi),并參照同時(shí)期Google Earth Pro中高分辨率歷史影像,采用目視解譯的方法對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)糾錯(cuò),然后在ENVI classic中通過(guò)混淆矩陣對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,直至分類(lèi)精度高于95%后生成最終分類(lèi)結(jié)果[21]。最后,提取研究范圍內(nèi)的城鄉(xiāng)綠地空間圖像和數(shù)字化信息,包括所有植被覆蓋良好的自然林草地和人工城市綠地,并在ArcGIS 10.2中按照面積大小,將所有的綠地斑塊重分類(lèi)為5個(gè)規(guī)模等級(jí)：<1.0 hm2,=1.0—5.0 hm2,=5.0—10.0 hm2,=10.0—100.0 hm2,>100.0 hm2。

2.2 景觀分布指數(shù)的計(jì)算

景觀分布指數(shù)能夠定量化分析特定研究區(qū)域內(nèi)各類(lèi)景觀空間在不同地域范圍的分布特征,且不受空間范圍和景觀面積的影響[22]。景觀分布指數(shù)越大,說(shuō)明該景觀類(lèi)型的分布權(quán)重越高[23]。景觀分布指數(shù)(D)的計(jì)算公式為：

式中,Ai為某一空間范圍內(nèi)景觀i的面積,Ti為研究區(qū)域景觀i的總面積,A為該空間總面積,T為研究區(qū)域總面積。本文將其用來(lái)研究綠地空間在鄭州市域不同行政區(qū)域內(nèi)的分布特征。

2.3 圖論指數(shù)的計(jì)算

圖論指數(shù)主要是從拓?fù)鋵W(xué)的角度來(lái)反映綠地空間網(wǎng)絡(luò)的連通性,適用于各種空間尺度,對(duì)城鄉(xiāng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有重要作用[14]。本文在Graphab 1.2.1軟件中,以500m服務(wù)半徑為綠地斑塊之間相互連通的距離閾值,選取五個(gè)圖論指數(shù)(表1),來(lái)量化和可視化綠地空間連通性的變化過(guò)程和綠地斑塊位置的重要性,并將其與綠地斑塊規(guī)模和分布特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析,揭示綠地空間連通性變化的內(nèi)在原因和圖論指數(shù)在診斷和優(yōu)化綠地系統(tǒng)連通性上的應(yīng)用。

表1 圖論指數(shù)的含義與計(jì)算公式

3 結(jié)果與分析

3.1 綠地空間規(guī)模的動(dòng)態(tài)變化

由圖2和表2可知,近年來(lái)，鄭州市域綠地空間總面積顯著增加,且綠地空間的增長(zhǎng)主要出現(xiàn)在北部的邙山、鞏義市東南的青龍山、環(huán)翠裕景區(qū)和鄭州市西南的賈魯河發(fā)源地。2000年至2013年間,在一系列國(guó)家和當(dāng)?shù)鼐G化政策的推動(dòng)下(如退耕還林、園林城市建設(shè)和森林生態(tài)城建設(shè)等),綠地面積以年均98km2的速度從963.96km2增加至2236.57km2,且在2009年到2013年間增速最快,5年間增加了806.92km2,年均增加161.38km2。隨著綠地斑塊規(guī)模的增加,其面積所占比例逐漸增加,斑塊數(shù)量所占比例也逐漸減少。其中大型綠地斑塊(>100.0hm2)面積增長(zhǎng)趨勢(shì)與總綠地面積增長(zhǎng)趨勢(shì)一致,且以2009年到2013年間增速最快,五年間增加了84.72%；中型綠地斑塊(5.0—100.0hm2)面積和數(shù)量所占比例均呈先增加后減少的變化趨勢(shì),但面積所占比例的峰值出現(xiàn)在2004年,而數(shù)量所占比例的峰值出現(xiàn)在2009年；小型綠地斑塊(<5.0hm2)面積和數(shù)量及其所占比例變化不大。

圖2 鄭州綠地空間等級(jí)分布圖Fig.2 Green space size and distribution maps of Zhengzhou, China

表2 不同規(guī)模綠地空間總面積和斑塊數(shù)量

3.2 綠地空間分布特征的動(dòng)態(tài)變化

由圖2可以看出,大型綠地斑塊多集中在距離市區(qū)較遠(yuǎn)的西部山區(qū),小型綠地斑塊則較多分布在東部城市化水平較高的鄭州市區(qū)及其相鄰市區(qū)內(nèi)部。由景觀分布指數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出(表3),面積>100.0hm2的綠地斑塊主要分布在西部的登封市和鞏義市境內(nèi),這是因?yàn)榈欠馐泻挽柫x市境內(nèi)大多為山地和丘陵,風(fēng)景名勝云集,但隨著時(shí)間的變化,其分布指數(shù)有所下降,分別從2000年的2.34和2.40下降到2013年的1.77和1.77；而中部的新密市、滎陽(yáng)市和鄭州市境內(nèi)綠地空間分布指數(shù)逐漸增加,分別從2000年的1.27、0.55和0.02增加到2013年的1.79、0.90和0.40；東南部的中牟縣和新鄭市境內(nèi)綠地空間分布指數(shù)也有所增加,但增加幅度不大。說(shuō)明鄭州市域大型綠地斑塊分布指數(shù)自西向東依次遞減,大型綠地斑塊逐漸從西部的登封市和鞏義市向中東部的鄭州市、新鄭市和中某縣蔓延。面積<100.0hm2的中小型綠地斑塊在2000年主要分布在中西部的鄭州市和新密市境內(nèi),2004年逐漸向中南部的新鄭市拓展,2009年和2013年主要分布在東南部的中牟縣和新鄭市境內(nèi),隨時(shí)間的推移由中西部向東南部轉(zhuǎn)移,且與城市空間的主要發(fā)展方向一致,說(shuō)明在鄭汴新城、航空新城的建設(shè)過(guò)程中,對(duì)綠地空間的重視程度有所增加,綠地空間在隨城市空間同步增長(zhǎng)。

表3 不同規(guī)模綠地空間分布指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

3.3 全局水平上綠地空間連通性的動(dòng)態(tài)變化

3.3.1 圖論指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

由綠地空間全局水平上的圖論指數(shù)變化(表4)可知,2000年到2013年,綠地空間連通單元體數(shù)量(NC)隨時(shí)間的推移呈逐漸減少的變化趨勢(shì),13年間共減少了673個(gè)；除2009年之外,最大連通單元體面積(SLC)和整體連通性指數(shù)(IIC)均隨時(shí)間的推移逐漸增加,其中最大連通單元體面積擴(kuò)大了3.7倍,整體連通性指數(shù)從2000年的1.52×10-3增加到2013年的7.22×10-3,增加了4.7倍；說(shuō)明相互連通的綠地斑塊越來(lái)越多,綠地空間的連通性在增加。而且2009年至2013年間最大連通單元體面積(SLC)和整體連通性指數(shù)(IIC)增加幅度最大,與綠地空間總量的變化趨勢(shì)一致。說(shuō)明鄭州市域整體綠地空間連通性隨著綠地空間總量和斑塊規(guī)模的擴(kuò)大在逐漸增加。但是其整體連通性指數(shù)仍然處于較低水平,在今后城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中,還應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)綠地空間的整合與連接。

表4 鄭州市域綠地空間全局水平上的圖論指數(shù)變化趨勢(shì)

NC: Number of Components; IIC: Integral Index of Connectivity; SLC: Size of the Largest Component

3.3.2 圖論指數(shù)動(dòng)態(tài)變化的行政區(qū)域差異性分析

不同行政區(qū)域內(nèi)全局水平上綠地空間圖論指數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明(表5),鞏義市境內(nèi)綠地空間的整體連通性指數(shù)最大,2013年達(dá)到32.18×10-3,其次為登封市、新密市、滎陽(yáng)市、鄭州市、新鄭市和中牟縣,呈由西向東逐漸遞減的變化趨勢(shì)；2000年到2013年,隨著時(shí)間的推移,每個(gè)行政區(qū)內(nèi)的整體連通性指數(shù)和最大連通單元體面積都在增加,其中鄭州市境內(nèi)增加幅度最大,其整體連通性指數(shù)和最大連通單元體面積分別是原來(lái)的78.95和7.64倍；綠地空間連通單元體數(shù)量除中牟縣增加8個(gè)以外,均呈逐漸減少的變化趨勢(shì),其中登封市境內(nèi)綠地空間連通單元體數(shù)量減少最多,13年間共減少了185個(gè)；新鄭市在2004年之后取代中牟縣成為最大連通單元體面積最小的區(qū)域,這主要是因?yàn)?009年之后城市空間快速大規(guī)模的向東南方向擴(kuò)張,侵蝕了大量農(nóng)田和綠地,降低了東部地區(qū)綠地空間的連通性。

表5 不同行政區(qū)域內(nèi)綠地空間全局水平上的圖論指數(shù)變化趨勢(shì)

3.3.3 圖論指數(shù)與斑塊規(guī)模相關(guān)性分析

全局水平上綠地空間的圖論指數(shù)與不同等級(jí)綠地斑塊面積的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表6),整體連通性指數(shù)和最大連通單元體面積分別與綠地空間總量和大型綠地斑塊(>100.0hm2)總面積呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系；而連通單元體數(shù)量與綠地空間總量和大型綠地斑塊(>100.0hm2)總面積呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；且綠地斑塊規(guī)模越大,與圖論指數(shù)相關(guān)性越高。說(shuō)明綠地空間總量越大,連通性越強(qiáng),大型綠地斑塊不僅決定了綠地空間的總體變化趨勢(shì),也對(duì)整體綠地空間連接度起到?jīng)Q定性的作用。因此,在今后城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中,一方面要重視對(duì)大型綠地斑塊的拓展與保護(hù),另一方面要加強(qiáng)中小型綠地斑塊之間、中小型綠地斑塊與大型綠地斑塊之間的連通性,從而提高全局水平上綠地空間物質(zhì)能量的流通能力,增強(qiáng)綠地空間的生態(tài)功能。

表6 綠地空間連通性指數(shù)與綠地空間規(guī)模的相關(guān)性分析

** 在.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3.4 個(gè)體斑塊水平上(Local level)綠地斑塊連通性的動(dòng)態(tài)變化

個(gè)體斑塊水平上,綠地斑塊的節(jié)點(diǎn)度指數(shù)和中間度核心性指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化(圖3—5)不僅反映了每一個(gè)綠地斑塊連通性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,還能夠表明每個(gè)斑塊對(duì)整體綠地空間連通性的重要性和媒介作用的強(qiáng)度,對(duì)未來(lái)城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃具有重要意義。

3.4.1 綠地斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)(Dg)動(dòng)態(tài)變化

由圖3可知,2000年至2013年，高節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的綠地斑塊顯著增多,并呈由西向東逐漸擴(kuò)散的趨勢(shì)；節(jié)點(diǎn)度指數(shù)大于25的綠地斑塊數(shù)量增加了2倍,由2000年的6個(gè)增加到2013年的12個(gè)；2003年鄭州市森林生態(tài)城規(guī)劃中的西北森林組團(tuán)(圖3中A處)和西南森林組團(tuán)(圖3中B處)的綠地斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)逐漸增加,并成為對(duì)整體綠地空間連通性非常重要的關(guān)鍵區(qū)域；西部的嵩山風(fēng)景名勝區(qū)和南部的具茨山森林公園一直是鄭州市域節(jié)點(diǎn)度指數(shù)較高的綠地斑塊,其斑塊規(guī)模的穩(wěn)定性對(duì)整體綠地空間連通性至關(guān)重要,其中嵩山風(fēng)景名勝區(qū)是鄭州市域內(nèi)節(jié)點(diǎn)度指數(shù)最大的斑塊,且從2000年到2013年,其節(jié)點(diǎn)度指數(shù)由135增加到280,增加了1.07倍；通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),綠地斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)與綠地斑塊面積呈正相關(guān)關(guān)系(圖4),說(shuō)明綠地斑塊規(guī)模越大,其節(jié)點(diǎn)度指數(shù)越高,與周邊其它斑塊的連通性越強(qiáng),對(duì)整體綠地空間連通性貢獻(xiàn)越大。

圖4 綠地斑塊面積與其節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的相關(guān)性分析Fig.4 The linear regression analysis between patch area and node degree

3.4.2 綠地斑塊中間度核心性指數(shù)(BC)動(dòng)態(tài)變化

由圖3和5可知,具有最大中間度核心性指數(shù)的綠地斑塊均出現(xiàn)在具有高節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的綠地斑塊周邊,是維持兩個(gè)斑塊之間連通的關(guān)鍵,且隨著其自身和相鄰斑塊規(guī)模和數(shù)量的變化而出現(xiàn)或消失。如圖5中A處的綠地斑塊在2000年和2004年中間度核心性指數(shù)最大,但是2004年之后,隨著A斑塊及其周邊斑塊規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)量的增多,到2009年其核心性消失,并與相鄰斑塊融為一體,說(shuō)明A斑塊在2000年到2004年是維持相鄰兩個(gè)斑塊相互連通的關(guān)鍵性斑塊,也稱(chēng)為“腳踏石”斑塊。B和C處則是由于其相鄰斑塊規(guī)模的縮小而成為2009年中間度核心性指數(shù)最大的綠地斑塊,2009年到2013年間又隨著其相鄰斑塊規(guī)模和數(shù)量的擴(kuò)大而消失。D和E斑塊則由于其相鄰斑塊規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和高節(jié)點(diǎn)度斑塊數(shù)量的增多,而成為2013年中間度核心性指數(shù)最大的斑塊,也是今后綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮保護(hù)和拓展的綠地斑塊。

圖5 2000年—2013年市域綠地斑塊的中間度核心性指數(shù)(BC)動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of Betweenness Centrality of green patches in Zhengzhou, China

圖6 新舊核心性斑塊產(chǎn)生與消失過(guò)程示意圖 Fig.6 Process of new key-stone green patch produce (left to right) and old key-stone green patch disappear (right to left)

4 討論

4.1 鄭州市域綠地空間連通性動(dòng)態(tài)變化及原因

2000年至2013年為鄭州快速城鎮(zhèn)化的中期階段,雖然城市空間急速擴(kuò)張和人口數(shù)量的急劇增加給綠地空間的發(fā)展帶來(lái)了極大的威脅,但是根據(jù)本文量化結(jié)果顯示,鄭州市域范圍內(nèi)的綠地空間總量在逐漸增加,綠地空間的連通性也逐漸增強(qiáng)。究其原因,國(guó)家和當(dāng)?shù)卣C布和實(shí)施的綠化政策和相關(guān)規(guī)劃是重要的外界推力[21],例如：1999年國(guó)家頒布的“退耕還林”政策和2000年創(chuàng)建國(guó)家園林城市的綠化政策遏制了綠地空間的大規(guī)模衰減,并出現(xiàn)恢復(fù)性增加,這些措施的實(shí)施對(duì)促進(jìn)鄭州市域綠地空間總量的增長(zhǎng)具有重要的影響；2003年鄭州市政府實(shí)施的綠地系統(tǒng)規(guī)劃和森林生態(tài)城規(guī)劃則決定了綠地空間增長(zhǎng)的主要位置,如嵩山賈魯河綠脈、沿黃河綠帶和西北、西南、東北和東南森林組團(tuán)等；2009年中國(guó)第二屆綠化博覽會(huì)在鄭州舉行,更是進(jìn)一步推動(dòng)了鄭州市域綠地空間的快速發(fā)展。另外,早期綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中“重指標(biāo)、輕結(jié)構(gòu)”的做法,致使綠地空間破碎化嚴(yán)重,連通性較低,直至2011年鄭州都市區(qū)郊野森林公園體系規(guī)劃中引入綠道網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和2012年鄭州市“兩環(huán)三十一放射”綠色生態(tài)廊道的建設(shè),才逐步改善和提高了綠地空間的連通性。因此,政府決策的支持與推動(dòng)對(duì)未來(lái)綠地空間的健康可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

綠地空間總面積和大型綠地斑塊總面積與全局水平上綠地空間的整體連通性呈正相關(guān)關(guān)系,且綠地斑塊規(guī)模越大,相關(guān)性越強(qiáng)(表6)；綠地斑塊規(guī)模還與個(gè)體斑塊水平上綠地斑塊的節(jié)點(diǎn)度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(圖4)；綠地空間連通性的區(qū)域差異特征與綠地空間分布特征一致,均呈現(xiàn)西高東低的分布規(guī)律,且隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出由西向東擴(kuò)展的趨勢(shì)(表3和表5)。個(gè)體斑塊水平上具有最大中間度核心性指數(shù)的綠地斑塊隨綠地斑塊規(guī)模和節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的變化而變化,且往往分布在具有最大節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的綠地斑塊周邊,是維護(hù)斑塊之間連通的關(guān)鍵性斑塊,也是未來(lái)綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化的位置(圖3和圖5)。因此,綠地空間總量、綠地斑塊規(guī)模和和具有高中間度核心性指數(shù)的斑塊優(yōu)化決定了綠地空間的整體連通性,是影響綠地空間連通性動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)在要素。

4.2 基于圖論的綠地空間連通性診斷

綠地空間連通性的診斷對(duì)綠地生態(tài)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)、生物多樣性保護(hù)和綠地系統(tǒng)的科學(xué)合理規(guī)劃均有重要的意義。以往對(duì)綠地空間連通性的診斷大多是基于景觀生態(tài)學(xué)理論和GIS空間分析法,側(cè)重于從整體上計(jì)算和評(píng)價(jià)一定范圍內(nèi)的景觀連接度或一定距離內(nèi)的景觀連通性,研究尺度較宏觀,缺乏整體景觀結(jié)構(gòu)與局部斑塊特征之間的關(guān)聯(lián)性研究和變化過(guò)程的研究,難以更精確的指導(dǎo)綠地系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)和綠地空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。本研究則引入圖論算法,分別從全局與斑塊兩個(gè)水平上來(lái)分析綠地空間連通性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,及其與斑塊自身形態(tài)分布特征的關(guān)系,并根據(jù)圖論指數(shù)的變化診斷了綠地空間連通性發(fā)生變化的具體位置和原因,對(duì)指導(dǎo)未來(lái)科學(xué)合理的城鄉(xiāng)綠地資源建設(shè)與管控具有重要意義。而且基于圖論和Graphab軟件的計(jì)算方法具有快速、便捷、準(zhǔn)確定位和可視化強(qiáng)等特點(diǎn),能夠簡(jiǎn)化多種尺度上的景觀結(jié)構(gòu),在未來(lái)景觀連通性的診斷與優(yōu)化上具有重要的實(shí)踐價(jià)值。如通過(guò)對(duì)綠地斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的診斷,能夠識(shí)別對(duì)整體綠地空間連通性具有重要作用的斑塊(圖3)；通過(guò)對(duì)綠地斑塊中間度核心性指數(shù)的診斷,能夠發(fā)現(xiàn)綠地空間連通性易受影響和降低的部位,以及對(duì)整體綠地空間連通性起關(guān)鍵和腳踏石作用的斑塊(圖5),預(yù)測(cè)下一步綠地系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中需重點(diǎn)優(yōu)化的地方。

4.3 基于圖論的綠地空間連通性優(yōu)化措施

4.3.1 高節(jié)點(diǎn)度斑塊的保護(hù)和發(fā)展

高節(jié)點(diǎn)度斑塊就是與其它斑塊連通性最好的斑塊,對(duì)一定范圍內(nèi)整體綠地空間連通性具有重要的統(tǒng)籌作用,假如該類(lèi)斑塊遭到破壞,該區(qū)域范圍內(nèi)綠地空間的整體連通性必然遭到重大破壞。由圖4可知,綠地斑塊的節(jié)點(diǎn)度指數(shù)與綠地斑塊的規(guī)模呈正相關(guān)關(guān)系。因此,在今后綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中,應(yīng)該重點(diǎn)保護(hù)和發(fā)展該類(lèi)具有高節(jié)點(diǎn)度指數(shù)的大型綠地斑塊,進(jìn)一步加強(qiáng)其連通強(qiáng)度和輻射范圍。

4.3.2 高中間度核心性斑塊規(guī)模的拓展

具有高中間度核心性指數(shù)的斑塊規(guī)模較小,但位置卻極其重要,是相鄰高節(jié)點(diǎn)度斑塊相連通的唯一媒介,亦稱(chēng)“腳踏石”斑塊。中間度核心性指數(shù)越大,說(shuō)明該綠地斑塊在整個(gè)綠地空間網(wǎng)絡(luò)中的踏腳石和媒介作用越重要,所承載的流通效率越強(qiáng),對(duì)維持整體綠地空間連通性的作用越重要[28]。其出現(xiàn)和消失過(guò)程如圖6所示,從連通體a到b：隨著連通單元體a中E、F和A斑塊規(guī)模的擴(kuò)大,A斑塊和E、F斑塊逐漸融為一體,A斑塊的“腳踏石”作用消失,進(jìn)而由于連通單元體a和G斑塊規(guī)模的擴(kuò)大,B斑塊成為連接連通單元體a和G斑塊的核心性斑塊；從連通體b到a：由于綠地斑塊規(guī)模減小,B斑塊的“腳踏石”作用消失,A斑塊的“腳踏石”作用再現(xiàn)。因此,在未來(lái)綠地系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中,應(yīng)該優(yōu)先找出該類(lèi)關(guān)鍵性斑塊,拓展其規(guī)模,進(jìn)而有效提高綠地空間的整體連通性。

5 結(jié)論

本文基于多時(shí)相的Landsat遙感影像數(shù)據(jù),利用遙感軟件和技術(shù)提取了四個(gè)時(shí)期的鄭州市域綠地空間數(shù)量化信息,分析了過(guò)去13年間快速城鎮(zhèn)化過(guò)程中,綠地空間總量和斑塊規(guī)模逐漸增加并由西向東蔓延的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；結(jié)合圖論原理和Graphab 1.2.1軟件,計(jì)算和分析了鄭州市域綠地空間連通性隨綠地空間總量和斑塊規(guī)模的變化而變化的過(guò)程。結(jié)果表明：綠地空間連通性的區(qū)域差異特征與綠地空間的分布特征具有一致性；綠地斑塊規(guī)模與綠地空間的整體連通性指數(shù)、最大連通單元體規(guī)模和綠地斑塊的節(jié)點(diǎn)度指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；綠地斑塊節(jié)點(diǎn)度指數(shù)和中間度核心性指數(shù)的大小反映了該斑塊對(duì)整體綠地空間連通性的重要程度。揭示了政府決策和規(guī)劃是綠地空間連通性發(fā)生變化的外在動(dòng)力；綠地空間總量、斑塊規(guī)模和位置的重要性是影響綠地空間連通性發(fā)生變化的內(nèi)在要素。

通過(guò)對(duì)圖論算法和Graphab軟件的應(yīng)用,本研究診斷和展示了對(duì)鄭州市域整體綠地空間連通性具有重要作用的穩(wěn)定型斑塊和核心性斑塊的變化過(guò)程,并提出在未來(lái)綠地系統(tǒng)規(guī)劃中保護(hù)和拓展高節(jié)點(diǎn)度、高核心性斑塊是下一步綠地空間結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化的重點(diǎn)。

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Dynamic changes of green-space connectivity based on remote sensing and graph theory: a case study in Zhengzhou, China

MU Bo1,2, LI Huawei1, Audrey L. Mayer3, HE Ruizhen1,TIAN Guohang1,*

1CollegeofForestry,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China2CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China3SchoolofForestResourcesandEnvironmentalScience,MichiganTechnologicalUniversity,Houghton,Michigan, 49931,UnitedStatesofAmerica

Green space is the main part of human and natural ecological environmental systems. The connectivity of green space is fundamental for the survival of flora and fauna, human outdoor recreation, and urban sustainability. The objective of this study was to quantify the dynamic changes of green-space connectivity of Zhengzhou, including the rapid urbanization processes, determination of external and internal causes, and analysis of the graph theory applied to the study of green-space connectivity diagnosis and optimization bu using remote sensing data and graph metrics. The results indicated that green-space connectivity in Zhengzhou increased by 4.7-fold with the growth of the green-space area and patch size from 2000 to 2013, with the largest increment in 2009—2013. The green patch size was positively correlated with the integral index of connectivity, size of the largest component, and node degree. The characteristics of green-space connectivity in different urban districts were consistent with the distribution of green space. Graph metrics were calculated using Graphab software and to reflect the green-space connectivity in different scales. Node degree and betweenness centrality can be used to reflect the location and changes of the keystone green patches, which need more consideration in the next step of green-space planning. Therefore, the application of graph theory combined with remote sensing is important for the future green-system planning and optimization.

green space; connectivity; graph theory; remote sensing; Zhengzhou, China

國(guó)家自然科學(xué)基金(31470029)；河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研基金項(xiàng)目(14107000101)；河南省國(guó)際人才合作項(xiàng)目(2015GH19)

2016- 04- 08; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604080644

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tgh0810@163.com

穆博,李華威,Audrey L. Mayer, 何瑞珍,田國(guó)行.基于遙感和圖論的綠地空間演變和連通性研究——以鄭州為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(14):4883- 4895.

Mu B, Li H W, Audrey L. Mayer, He R Z,Tian G H.Dynamic changes of green-space connectivity based on remote sensing and graph theory: a case study in Zhengzhou, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4883- 4895.