基于熱島效應的福州市綠色廊道優化

楊務發，余坤勇，趙各進，耿建偉，趙秋月，楊柳青，劉 健,3

（1.福建農林大學 園林學院, 福建 福州 350002；2.福建農林大學 “3S”技術與資源優化利用福建省高等學校重點實驗室, 福建 福州 350002；3.福建農林大學 林學院, 福建 福州 350002）

城市熱島效應成為困擾城市發展的主要障礙和難點，如何通過生態途徑協調城市發展與環境問題之間的關系，成為當前研究的熱點。自然山水架構在調和城市中的人工—自然矛盾體之間發揮了重要的生態效能，為解決城鎮化進程中出現的“城市病”提供了最基本的生態解決途徑之一。綠色廊道將城市公園、街頭綠地、自然保護地、農田、濱水濕地和山地等串聯構成具有自我維持能力的動態綠色景觀結構體系[1]。作為城市最重要的生態載體之一，綠色廊道的空間分布和結構特征對改善城市熱環境具有重要的生態效益。不同的綠地類型、形態、結構和植物群落等構成的綠色廊道對降低城市熱島強度的生態調節功能和效益各不相同。綠色廊道按空間結構特征分為：線狀綠色廊道、帶狀綠色廊道和河流型綠色廊道等[2]。按功能類型分為：生態型綠色廊道、文化與歷史遺產型綠色廊道、休閑游憩型綠色廊道等[3]。

綠色廊道的路徑選線直接影響其空間屬性特征，因此，通過優化綠色廊道的景觀格局來降低城市的熱島強度是行之有效的生態途徑和方法。根據不同的研究目標，研究人員基于興趣點( point of interest，POI)、選線適宜性評價、生態適宜性分析、多源數據與深度學習、層次分析法、重力模型、最小累積阻力模型(minimum cumulative model，MCR)、環境公平視角等方法對綠色廊道的選線和評價進行了深入探討[4-9]。有研究表明：當城鎮綠化覆蓋率達到50%時，地表溫度下降約13 ℃，城市熱島效應可基本消除[10]。本研究以改善城市熱環境為目標，基于MCR模型與水文流域模型，對福建省福州市綠色廊道的景觀格局進行優化分析，為城市規劃和建設提供參考。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

福州市位于中國東南沿海 (25°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E)，屬于中、南亞熱帶海洋性季風氣候區，常年雨量充沛，夏季高溫濕熱，逆溫頻率高，持續時間長，城市熱島效應明顯。福州市位于河口盆地中心，主城區被海拔600～1 000 m的蓮花山、鼓山、五虎山和旗山等群山環繞，形成“枕山、襟江、面海”的自然地理環境特征。為更全面地分析熱島效應與綠色廊道的空間關系，研究范圍選取鼓樓區、臺江區、晉安區、倉山區、馬尾區、長樂新區及閩侯縣等區域，總面積約1 759.95 km2。

根據《福州市中心城區綠地系統總體規劃(2011—2020年)》《福建省綠道網總體規劃綱要(2012—2020)》和《福州市綠道網總體規劃》，福州市共規劃省級綠道3 119.0 km，其中，6條省級綠道、3條支線和2條連接線。福州市以“沿江、沿河、環湖、達山、通公園”為目標，整合城市自然生態和歷史人文資源，在省級綠道總體規劃框架內，共規劃市級綠道1 238.0 km，其中，2條省級綠道、36條市級綠道、94條社區級綠道。目前，已建16條山地丘陵型綠道，86條環湖濱河型綠道，5條濱江面海型綠道，15條綠色通勤型綠道，10條歷史文化型綠道。截至2020年，全市新建168個串珠公園綠地，中心城區的綠地率達42%，綠化覆蓋率達48%，人均綠地面積超過15 m2。

1.2 數據收集與處理

研究數據主要包括：土地利用類型數據根據2019年福州市谷歌(Google)地圖2.5 m高精度影像(谷歌地圖資源共享平臺下載)，結合GB/T 721010—2017《土地利用現狀分類》分為林地、建設用地、道路、水體、農田、草地、未利用地，分類精度為89.84%，Kappa系數0.85。地表溫度數據由2019年9月22日Landsat 8 OLI遙感影像(美國地質調查局網站下載)根據輻射傳輸方程法反演獲取[11]。2019年福州市建筑矢量數據、《福州市城市總體規劃(2010—2020年)》《福州新區總體規劃(2015—2020年)》《福州市中心城區綠地系統總體規劃(2011—2020年)》《福州市中心城區綜合交通總體規劃(2011—2020年)》等來源于福州市規劃局網站。福州市90 m分辨率數字高程模型(DEM)遙感影像來源于中國地理空間數據云網站。影像噪聲低、幾何形變小。研究區范圍云量低于2%，滿足研究需求。

2 研究方法

2.1 生態源地的識別及重要性評價方法

根據土地利用分類數據，通過形態學空間格局模型(morphological spatial pattern analysis，MSPA)開閉運算數學方法[12]，對柵格圖像進行度量、識別及數據分割等操作，分別提取MSPA模型的前景數據和背景數據，得出像元層面的景觀生態斑塊，將其進行二值化柵格處理，運用ArcGIS軟件中的Guidos Toolbox分析工具，采用八鄰域圖像細化分析方法[13]，提取像素目標和矢量化跟蹤，得到互不重疊的7種景觀類型和結構：核心區、孤島、孔隙、邊緣、環道、橋接、支線，將結果按面積大小提取核心區斑塊和生態源地[14]。

景觀連通性指數是反映景觀連通度和斑塊重要性的主要依據[15-16]。本研究選取斑塊整體連通性指數(IIC)和斑塊面積比指數(DA)對源斑塊的重要性進行評價。通過ArcGIS平臺，設定源斑塊之間連通的距離閥值。如果距離小于閾值，則視為連通；如果距離大于閾值，則視為不連通[17]。IIC指數通過計算2個斑塊之間最短路徑來確定，結果為0～1，當值為0時，說明各斑塊間互不連通；當值為1時，說明整個景觀單元都是生境斑塊。利用Conefor Inputs for ArcGIS插件，計算關鍵源點間的阻力距離值[18]。將IIC指數和DA指數的結果輸入Conefor Sensinode 2.6軟件，設置閾值距離等參數，計算綠地斑塊重要性指數(dIIC)。dIIC指數的值越高，表示各斑塊在綠地系統中的重要性越高。根據dIIC指數對斑塊重要性進行評價，由此劃分生態源斑塊和綠色廊道的等級。

2.2 基于 MCR 模型的綠色廊道構建方法

構建綠色廊道最常用的方法是MCR模型[19]，表示生態流克服生態阻力面，從一個生態源地到另一個生態源地的最小累積距離，可確定生態源地起始點和目標點之間的最短費用路徑[20]。通過阻力面賦值和權重生成最佳路徑，進而模擬生物運動的潛在趨勢與景觀格局改變之間的關系[21]。MCR模型是計算生態流克服不同土地利用類型阻力進行移動的過程，需考慮生態源點、路徑距離和阻力因子，對生態敏感性影響因子進行賦值和權重計算[22]。權重值通過序關系法獲取[23]。由此構建生態綜合阻力面來表征景觀類型對生態流動的阻力影響。利用ArcGIS插件中的Build Network and Map Linkages工具計算各生態源地到各斑塊之間的費用距離柵格(距離測算)和成本回溯鏈接柵格數據(費用路徑)，利用最短路徑函數計算并生成“源”到各“網絡中心”耗費最少、流動性成本最小的潛在綠色廊道。公式為：

其中：Ci表示從景觀單元i(i=1，2，3 ,···,m)到生態源的累積耗費距離值，即最小成本的計算結果；Di表示景觀單元i到生態源的間隔距離；Fj表示空間中景觀單元j(j=1，2，3 ,···,n)對物種遷移的阻抗值。

2.3 基于水文流域模型的綠色廊道優化方法

基于DEM數據，根據水文流域模型對水的徑流方向及路徑進行模擬和定量化分析[24]。同理，在ArcGIS平臺中，將地表反演溫度和綠色廊道生態綜合阻力面的值等同于DEM數據，利用柵格計算器將各因子疊加的適宜性圖取反后，整個區間為負數，再將取反的適宜性圖的最小值取絕對值，使最小值為0，得到一張“反適宜性”圖，即取值高的地方不適宜，取值低的地方適宜。通過對“反適宜性”圖進行填洼—流向—流量等步驟處理后，利用柵格計算器設定閾值。借助Flow Accumulation工具，按場地特征不斷實驗閾值來提取溫度分布域和綠色廊道分布域，采用Shreve河網分級工具對兩者進行分級。

將溫度分布域和綠色廊道分布域相疊加，兩者的交點視為重要降溫生態節點，對降低熱島強度具有重要作用。結合綠色廊道內部廊道之間的交點，與地表溫度相疊加，提取未被綠色廊道覆蓋的“熱點”區域，進而優化綠色廊道的空間分布格局。具體流程如圖1。

圖1 基于水文流域模型的綠色廊道優化流程圖Figure 1 Greenway optimization flow chart based on hydrological basin model

3 結果與分析

3.1 福州市生態源地的識別及評價

利用ArcGIS平臺，將福州市土地分類數據的林地、草地和農田設為MSPA模型的前景數據，建設用地、道路、水體和未利用地設為背景數據，基于MSPA模型對提取的7種景觀類型按面積從大到小排序：核心區、邊緣區、橋接區、孤島、支線、環道區、孔隙，從中篩選出面積排名前30位的核心區斑塊作為生態源斑塊，并進行編號(表1)。

表1 福州市重要生態源地統計表Table 1 Overview of important ecological sources in Fuzhou City

將源斑塊間連通距離的閾值設為2 km。當距離小于2 km時，2個斑塊間視為可連通；當距離大于2 km時，則視為不連通。利用自然斷點法對30個生態源斑塊的重要性進行評價，共分為4級：一級最重要源斑塊2個，dIIC值為25.780～39.620；二級非常重要源斑塊3個，dIIC為7.610～25.780；三級很重要源斑塊3個，dIIC為1.980～7.610；四級一般重要源斑塊22個，dIIC為0.002～1.980。源斑塊重要性分布如表2。

表2 源斑塊重要性分級統計Table 2 Statistical graph of the importance classification to source plaques

3.2 福州市綠色廊道的空間特征及分析

3.2.1 生態景觀阻力面分析 結合福州市河口型盆地特征，按生態適應性分析法[25]，選取土地利用類型、地形因子、生境因子、景觀類型、生態系統服務等5個生態敏感性因子，通過計算賦值和權重值，得到各類景觀單元的生態景觀阻力面分布特征。由此可知：生態景觀阻力值較高的區域集中于鼓樓區、臺江區、倉山區、馬尾區和晉安區等主城區。其中，長樂新區生態景觀阻力值較高的區域集中于老城區、營前新區、各鄉鎮建成區及機場等，閩侯縣集中于大學城、高新區、甘蔗縣城、青口鎮區、南嶼鎮區和南通鎮區等。閩江流域因對物種遷移和擴散構成較大阻力，生態景觀阻力值較高；環繞主城區的五虎山、旗山、蓮花山、鼓山和天臺山等大面積自然林地，生態景觀阻力值較小，構成生境斑塊的基底。

3.2.2 福州市綠色廊道空間分布特征 將5個生態敏感性因子的景觀生態阻力面進行加權疊加，得到綜合生態阻力面。基于MCR最小累積阻力模型的最小路徑工具計算起點與終點的最小費用路徑，模擬源斑塊間相互連接的潛在綠色廊道。

將篩選出的30個重要生態源地與城市道路矢量數據、城市水系矢量數據、潛在綠色廊道等進行加權疊加，獲得福州市潛在綠色廊道合成圖。由此可知：潛在綠色廊道共74條，在主城區鼓樓區、臺江區、倉山區中北部、晉安區主城區、馬尾區主城區、閩侯上街和高新區等分布均比較少，主要因為這些區域建設密度大，土地利用集約化程度高，地形因子影響大，綜合生態阻力高。在倉山區東部、馬尾瑯岐、長樂新區濱海新城、閩侯南嶼鎮至青口區域、晉安區北部等分布比較多，說明這些區域生態阻力小，重要斑塊分布多，景觀破碎度低，連通性高，利于綠色廊道生態路徑的形成。

結合源斑塊重要性等級劃分結果，將起點或終點為一級源斑塊的廊道定義為一級廊道，將起點或終點為二級源斑塊的廊道定義為二級廊道，其他等級以此類推。因此，如表3可見：福州市綠色廊道分為4級，共74條，總長度918.11 km。其中，一級9條，132.88 km，占14.47%；二級14條，207.48 km，占22.60%；三級14條，153.57 km，占16.73%；四級37條，424.18 km，占46.20%。

表3 福州市綠色廊道分級概況Table 3 Classification of greenway in Fuzhou City

3.3 福州市綠色廊道的景觀格局優化分析

3.3.1 綠色廊道降溫生態節點空間分布 綠色廊道各路徑之間匯聚相交的點是重要的生態節點，對降低城市熱島強度具有重要的作用。利用ArcGIS平臺，識別綠色廊道內部的生態“交點”。由此：共生成80個生態“交點”，主要分布于城區周邊的自然林地生態斑塊，以及城區內部的大型城市綠地和山體公園，中心主城區因綠地斑塊破碎化嚴重，連通性較差，內部生態“交點”稀少。其中，鼓樓區2個，倉山區3個，晉安區6個，臺江區無生態“交點”。馬尾區和閩侯縣因分布數量較多的自然生態林地和森林公園等，分別有生態“交點”13個和14個，長樂新區因分布大面積的農田、山體公園、濕地保護區等，生態“交點”高達42個。

根據水文流域模型，將綠色廊道分布域圖和溫度分布域圖疊加，共識別降溫生態節點176個。由圖2可知：鼓樓區有降溫生態節點8個，倉山區21個，晉安區14個，臺江區1個，馬尾區27個，長樂新區63個，閩侯縣42個。中心城區生態節點分布較少，說明綠色廊道對主城區熱島效應的緩解作用較弱，需對其數量和結構進行優化，增加主城區的降溫生態節點，提升城區夏季的熱舒適度，增強綠色廊道的生態效益。

3.3.2 福州市綠色廊道優化分析 將福州市綠色廊道與地表溫度疊加分析，由此識別出35處需降溫區域(圖2)，其中，鼓樓區2處、倉山區9處、晉安區 6處、臺江區2處、馬尾區 4處、長樂新區4處、閩侯縣8處。以識別的降溫區域為導向，基于緩解城市熱島效應為目標，將福州市綠色廊道與城市用地分類矢量數據、綠色廊道生態“交點”、降溫生態節點、地表溫度等疊加后，在原有74條綠色廊道的基礎上，新增綠色廊道14條，主要包括道路型綠色廊道和濱水型綠色廊道2種類型(表4)。其中，道路型綠色廊道8條，主要由城市主干道路構成；濱水型綠色廊道6條，主要由閩江和烏龍江流域，以及城市內河構成。

圖2 綠色廊道降溫生態節點和需降溫區域分布Figure 2 Distribution of cooling ecological nodes and cooling areas in greenway

表4 福州市優化新增綠色廊道統計Table 4 Statistical table of optimized new greenways in Fuzhou City

結合《福州市城市總體規劃(2010—2020年)》《福州新區總體規劃(2015—2020年)》《福州市中心城區綠地系統總體規劃(2011—2020年)》《福州市中心城區綜合交通總體規劃(2011—2020年)》等，對新增綠色廊道的路徑選線進行合理性驗證和分析，研究結果基本滿足要求。優化后的綠色廊道共88條，廊道數量和類型更豐富，景觀格局空間分布和結構特征更合理。綠色廊道對城市熱點區域的覆蓋更全面，對改善城市熱島具有更明顯的生態調節功能。在福州市大山水格局的生態框架下，結合城市總體規劃和用地布局，對福州市綠色廊道的寬度、走向、植物配置形式等方面進行科學規劃和全局統籌，并通過制定行之有效的保護措施和法律法規，提升綠色廊道的空間結構分布特征，發揮綠色廊道的生態效益和功能。

4 結論與討論

本研究選取具有河口型盆地地貌特征的福州市為對象，以改善城市熱環境為目標，基于MCR模型和水文流域模型，對福州市綠色廊道的景觀格局進行優化和分析。主要結論如下：①根據MSPA模型和源斑塊重要性評價，將提取的30個生態源斑塊分為4級：一級最重要斑塊(2個)、二級非常重要斑塊(3個)、三級很重要斑塊(3個)、四級一般重要斑塊(22個)。結合生態適應性分析法，由土地利用類型、地形因子、生境因子、景觀類型、生態系統服務等5個生態敏感性因子構建綜合生態阻力面。②通過MCR模型計算綜合生態阻力面的最小成本路徑，由此生成74條綠色廊道，總長度918.11 km：一級9 條，132.88 km；二級 14 條，207.48 km；三級 14 條，153.57 km；四級 37 條，424.18 km。將綠色廊道與城市地表溫度疊加，共識別80個生態“交點”、35處未覆蓋需降溫區域，表明綠色廊道的降溫效果不夠明顯，景觀格局需進一步優化提升。③利用水文流域模型，將綠色廊道分布域與溫度分布域疊加生成176個降溫生態節點。據此新增14條綠色廊道：8條道路型綠色廊道和6條濱水型綠色廊道。優化后的福州市綠色廊道共計88條，廊道路徑與城市上位規劃相符合，整體空間分布更合理，對城市熱點區域覆蓋更全面，降溫效果更明顯，緩解城市熱島效應的生態調節功能更突出。