基于GIS 的天津市主城區公園綠地景觀格局

蔡春雨 馮 瀟

北京林業大學園林學院 北京 100083

公園綠地作為城市綠地系統的核心組成部分,是城市綠色基礎設施中社會、 生態、 經濟等綜合服務功能最全面的綠地類型[1]。 在對公園綠地評價的過程中, 常選取綠化覆蓋率、 綠地率、 城市人均公園綠地面積等靜態指標作為標準, 而忽略了公園綠地的空間分布及其功能特征。 對于城市公園格局的研究, 以及如何科學合理地布局, 發揮城市公園最大限度的生態意義, 推動城市發展建設, 為居民提供更好的服務具有重要的現實意義。 目前, 國內應用景觀格局指數研究綠地景觀格局的方法主要是通過ArcGIS 對綠地信息進行分析處理, 建立矢量信息數據庫, 再利用Fragstats等軟件計算相應的評價指標, 進而分析景觀格局[2-4]。

目前, 針對天津市主城區公園綠地景觀格局方面的研究較為缺乏。 為了更加準確地對天津主城區公園綠地進行研究, 本文基于景觀生態學原理及方法, 利用ArcGIS10.6 等軟件, 按照斑塊大小對主城區公園綠地進行分類統計, 從單元特征以及景觀異質性兩個方面對天津市主城區城市公園綠地進行計算和分析, 并針對分析結果提出天津市公園布局優化的建議, 以期為未來天津市公園綠地規劃建設提供參考。

1 數據來源及研究方法

天津市地處華北平原北部, 面積11 916.85 km2,屬暖溫帶半濕潤季風性氣候, 年均降水量360 ～970 mm。 本研究區域為天津市主城區, 即河北區、 紅橋區、 南開區、 和平區、 河東區、 河西區,總 面 積 約 4 334.72 km2。 綠 地 面 積 約66 033.47 hm2, 綠地率21.29%, 綠化覆蓋率29.67%, 人均公園綠地3.83 m2。

1.1 數據來源及處理

本文以2017 年高分一號衛星影像為基礎數據源(空間分辨率為8 m)。 運用ArcGIS10.6 對天津市主城區公園綠地斑塊進行目視解譯及矢量化處理, 并根據《天津市城市總體規劃 (2005—2020 年) 》 《天津市土地利用總體規劃(2006—2020 年) 》、 天津市公園景區等資料, 結合實地調研, 針對天津市公園綠地特點, 以公園為單位進行公園信息提取, 建立天津市主城區公園綠地數據庫。

1.2 公園綠地分類

在現實景觀中, 各種大小的斑塊往往同時存在, 具有不同的生態學功能[5]。 可以將公園綠地視為不同類型的斑塊, 依據面積大小對公園綠地進行分類[2]。 根據天津市公園綠地斑塊的面積大小及特點, 將天津市公園綠地劃分為5 種類型:面積為1 hm2以下的劃為小型斑塊, 1 ～5 hm2的為中小型斑塊, 5 ～10 hm2以上的為中型斑塊,10～20 hm2以上的為大中型斑塊, 20 hm2以上的為大型斑塊。

1.3 公園綠地景觀格局指數

利用GIS 進行圖像處理與數據統計, 將斑塊的矢量數據轉換為柵格數據, 利用FRAGSTATS和ArcView GIS 的拓展模塊Patch Analyst 對選取的景觀格局指數進行計算。 選取斑塊類型的總面積(CA) 、 斑塊數量(NP) 、 景觀類型比例(PLAND)、 平均斑塊面積(AREA-MN) 等指標從斑塊類型水平方面對公園綠地進行景觀單元特征分析, 選取多樣性、 破碎化、 聚集度等指數從景觀水平方面對景觀異質性進行分析[6-7]。 最后在以上基礎分析天津主城區公園綠地的景觀格局。

2 結果與分析

2.1 景觀單元特征分析

景觀單元特征分析指數主要包含斑塊面積(AREA)、 斑塊數量 ( NP ) 和斑塊周長(PERIM)、 核心面積(core area) 等指標[8]。 本研究在斑塊類型水平上選取斑塊類型總面積、 斑塊數、 景觀類型比例、 平均斑塊面積等指標, 通過對衛星影像進行目視解譯, 并結合天津市主城區公園綠地統計資料進行計算, 最后得到研究區內公園綠地斑塊數量78 個, 總面積634.41 hm2。

各類型公園綠地斑塊數量、 面積等信息如表1所示。 從綠地斑塊類型角度分析, 研究區綠地斑塊數量依次為: 中小型斑塊＞小型斑塊＞大型斑塊＞大中型斑塊＞中型斑塊： 研究區綠地斑塊面積依次為: 大型斑塊＞大中型斑塊＞中小型斑塊＞中型斑塊＞小型斑塊： 研究區綠地平均斑塊面積依次為: 大型斑塊＞大中型斑塊＞中型斑塊＞中小型斑塊＞小型斑塊。 可以看出, 小型和中小型斑塊的數量占研究區內綠地斑塊總數的75.64%, 但面積只占綠地斑塊總面積的16.25%。 大型斑塊數量占研究區內綠地斑塊總數的10.26%, 面積卻占63.77%, 兩極分化現象較為嚴重, 綠地斑塊的數量沒有隨著斑塊面積的增加而增加, 說明小型和中小型斑塊較為破碎： 研究區是以大型綠地斑塊為主, 大中型為輔, 中型、 中小型、 小型斑塊為補充的綠地景觀格局。 大型綠地斑塊具有較高的生態效應, 在城市生態環境方面發揮主要作用：小型斑塊在城市中多為社區公園、 街旁綠地等與居民生活密切相關的公園類型, 能夠提高城市景觀的異質性, 在綠地系統規劃時應注重公園合理布局, 發揮最大的生態效益。

從各行政區的綠地斑塊角度分析, 研究區綠地斑塊數量依次為: 河西區＞河北區＞南開區＞河東區＞和平區＞紅橋區： 研究區斑塊面積依次為:南開區＞河西區＞河北區＞河東區＞紅橋區＞和平區：研究區綠地平均斑塊面積依次為: 南開區＞紅橋區＞河西區＞河東區＞河北區＞和平區。 可以看出,在公園規模上, 南開區公園綠地面積最大, 和平區最小, 這是由于水上公園、 天津市動物園等大型公園位于南開區, 因此該區公園綠地斑塊面積較大。 從公園平均斑塊面積看, 南開區最大, 和平區最小, 由于和平區相比其他行政區, 其面積較小, 城鎮化水平更高, 人口、 建筑相對集中,公園綠地面積最小。 因此, 應適當增加該區的公園建設, 以滿足當地居民日常休憩娛樂的需求。

2.2 景觀異質性分析

2.2.1 景觀多樣性指數

景觀多樣性是指由不同類型景觀要素或生態系統構成的空間結構、 功能機制和時間動態方面的多樣化或變異性[9]。 本文選取斑塊豐富度密度指數 (PRD)、 Shannon 多樣性指數 (SHDI)、Shannon 均勻度指數(SHEI) 3 個常用的景觀格局指數進行計算, 結果如表2 所示。

表2 天津市主城區公園綠地多樣性

1) 多樣性指數。 景觀多樣性指數的大小反映景觀要素的多少和各景觀要素所占比例的變化,當景觀由單一要素構成, 景觀是均質的, 其多樣性指數為0[10]。 從表2 中可以看出多樣性指數依次為: 和平區＞紅橋區＞河東區＞河北區＞河西區＞南開區, 說明和平區的公園綠地景觀面積分布較為均勻, 因此, 多樣性指數最高。 南開區公園數量較少, 面積差別較大, 因此多樣性指數很低。在公園綠地規劃建設中, 應盡量提高景觀多樣性,避免各類型公園綠地斑塊的面積差異過大。

2) 豐富度密度指數。 斑塊豐富度密度指數反映了景觀中單位面積所包含的不同斑塊類型的總數[11]。 景觀豐富度指數依次為: 河西區＞南開區＞河北區＞河東區＞和平區＞紅橋區,。 說明河西區與南開區的單位面積中景觀斑塊數量比較多, 與這兩個行政區內公園綠地數量多有關。

3) 均勻度指數。 均勻度是描述景觀中不同景觀類型的分配均勻程度[12], 景觀均勻度指數最高是和平區為0.927, 這是由于和平區的公園綠地數量較少, 缺少大型綠地, 且分布較為均勻。 均勻度指數最低的是河北區為0.637, 因為河北區的各個類型的公園綠地面積差別較大。

2.2.2 景觀破碎化指數

公園綠地景觀破碎度的研究不僅有利于城市自然生態的保護, 還可為城市規劃設計和公園改造提供一定的理論依據。 本文選取斑塊密度(PD) 來反映景觀的破碎程度。 如表3 所示, 從綠地斑塊類型的角度看, 小型斑塊的破碎度均≥144.861 個/km2, 說明小型斑塊的破碎化程度最嚴重： 大型斑塊的破碎度均≤4.556 個/km2, 說明大型斑塊的破碎化程度最低。 斑塊破碎度指數大小是隨著斑塊面積的增長而降低的。 從各行政區的綠地斑塊看, 和平區和紅橋區的破碎化程度較高, 分別為286.224 個/km2和267.056 個/km2,說明平均斑塊面積較小, 這與和平區只有小型和小中型公園綠地有關, 也與紅橋區有較多小面積帶狀公園綠地相關。 南開區的破碎度最低, 說明斑塊平均面積較大, 分布較為集中, 與水上公園、天津市動物園、 南翠屏公園、 長虹公園等大型公園綠地位于該區有關。 可以考慮在和平區和紅橋區適當修建規模較大的綜合性公園, 滿足市民多種需求。

表3 天津市主城區公園綠地斑塊破碎度 個/km2

2.2.3 景觀分離度指數

本文選取聚合指數(AI) 反映天津市主城區公園綠地的聚集程度。 聚集度值為0 時, 斑塊破碎度達到最大, 一定程度上反映復雜度的同時可揭示人類對景觀的干擾程度[13]。 當景觀中的某類型斑塊被聚合成一個單獨的斑塊時, 聚集度為100。 如表4 所示, 從綠地斑塊類型的角度看, 大型斑塊的聚集度最高為99.861, 說明斑塊的結構最為緊湊： 小型斑塊的聚集度最低為89.654, 其離散程度較高, 多為面積較小的社區公園。 從各行政區的綠地斑塊角度看, 南開區、 紅橋區聚集度較高, 反應了這兩個區的公園綠地斑塊分布較為集中： 河西區區域面積較大, 公園分布較為分散, 因此聚集度最低為88.675。

表4 天津市主城區公園綠地斑塊聚集度

3 結論與建議

3.1 結論

本文基于景觀生態學原理及GIS 等軟件的支持, 通過建立公園數據庫, 以及對選取的相關指數進行計算的方法, 對天津市主城區公園綠地景觀格局進行定量分析, 研究結果表明:

從斑塊類型水平上看, 研究區公園綠地面積與分布情況不均衡, 斑塊是以大型綠地斑塊為主, 大中型為輔, 中型、 中小型、 小型斑塊為補充的綠地景觀格局。 小型和小中型綠地斑塊的數量占研究區內綠地斑塊總數的75.64%, 面積占綠地斑塊總面積的16.25%。 大型斑塊數量占研究區內綠地斑塊總數的10.26%, 面積占63.77%。 公園規模上, 南開區公園綠地斑塊面積最大為260.11 hm2, 和平區最小為8.55 hm2。在公園平均斑塊面積上, 南開區最大為21.68 hm2,和平區最低為1.07 hm2。

從景觀水平上看, 研究區公園類型不豐富,公園綠地斑塊總體破碎度高。 各個公園綠地斑塊類型之間多樣性指數差別較大, 豐富度和均勻度指數較低。 大型公園綠地斑塊數量小, 面積大,生態隔離度比較大, 不利于斑塊之間的相互聯系[11], 小型公園綠地斑塊數量多, 面積小, 公園綠地破碎度高, 聚集度指數低。

3.2 建議

通過景觀單元特征分析, 反映出天津市公園綠地數量、 規模、 分布等空間格局信息： 通過景觀異質性分析, 揭示公園在破碎度, 多樣性指數,聚集度等方面的景觀格局特征。 兩種方法結合較為細致地展現了天津市公園綠地景觀格局, 為天津市公園綠地的優化和建設提供可行性思路。 根據以上研究結果, 對天津市主城區公園綠地景觀格局優化提出4 點建議:

1) 針對綠地布局不均衡的問題, 進一步對公園綠地的空間結構進行優化, 適當增加小型斑塊的面積, 小型綠地斑塊是對大型綠地斑塊的有益補充, 能夠提高城市景觀的異質性, 改善城市景觀的視覺效果[14]。 天津市主城區的中型斑塊比較缺乏, 應根據各區的土地使用情況, 加強中型、中大型公園綠地的建設, 促進各公園綠地斑塊面積構成比例合理分布： 加強中部地區公園綠地建設, 改善公園綠地空間分布不合理的現狀： 充分提高現有公園的游憩承載力, 完善公園設施及服務, 改善市民的休閑游憩環境。

2) 提升景觀豐富度和多樣性, 注重斑塊間的合理布局, 將各類型的綠地斑塊進行有機串聯,構建起覆蓋全區的生態網絡體系, 減弱斑塊間的破碎度, 增加景觀空間連通性。

3) 大力發展沿河帶狀公園綠地, 構建城市濱水綠地景觀體系, 嚴格保護城市森林、 濕地等重要生態斑塊, 提高景觀生態系統質量, 恢復生態系統自然演替。

4) 在公園的規劃設計中, 注重挖掘和融入社會文化價值, 使自然景觀整治與人文景觀保護相結合, 創建具有地方特色的公園景觀, 展現天津的獨特魅力。