可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型研究

姬靜

摘要：城市生態景觀格局遭到破壞，使城市綠地功能退化，為有效保障城市生態景觀健康狀態，研究可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型。以陜西省成陽市作為研究對象，對其區域概況展開分析，明確該城市景觀優化過程中相關數據來源。完成生態景觀健康評價，制定城市生態景觀格局空間結構優化目標函數，構建可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型，利用粒子群算法對模型實施求解，完成可持續性城市生態景觀格局空間結構優化。實驗結果表明，利用該方法開展城市生態景觀格局空間結構優化時，優化效果好。

關鍵詞：可持續性；研究區域概況分析；城市生態景觀格局；空間結構優化模型

中圖分類號：X22 文獻標志碼：A

前言

隨著中國工業化進程的不斷深入，被污染區域不斷增加，生態環境遭到嚴重破壞，許多城市面臨著綠化覆蓋率低、綠地分布不均衡問題，不利于實現城市可持續發展。為此，對于目前城市景觀格局空間結構，需要提出相應的空間優化措施，以實現健康的城市發展，提高居民的生活質量。

郭貫成等確定目標位置，基于發展角度建立灰色- BP神經網絡組合模型，預測當地區域人口數量以及空間布局優化需求。基于當地目標的相關要求以及質量評價結果，優化空間布局。霍錦庚等確定目標城市，獲取該地歷史節點土地利用數據，使用相關軟件預測未來土地格局。通過形態學格局分析識別景觀要素以及相關評價指標，對該地生態源地等數據展開獲取，建立城市景觀生態網絡，實現景觀格局優化。李影等確定研究對象后，在實地樣本檢測基礎上，結合改進的最小累積阻力模型，引入地形濕度、污染特征濃度等影響因子建立一個阻力面。以此為基礎，制定優化策略，構建景觀格局空間結構優化模型，從而實現對研究對象的景觀格局空間優化。由于上述3種方法沒有在景觀結構優化時，基于城市景觀多樣性制定優化目標函數，導致空間結構優化時的優化效果較差。為此，研究可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型。

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域概況

將陜西省咸陽市作為此次可持續性城市生態景觀格局空間結構優化目標對象，對該城市區域概況展開具體分析。

咸陽市屬于暖溫帶，氣候特點為四季冷熱、干濕分明。該市區的植被類型主要為落葉闊葉林，多為褐色土以及粘黑壚土，其中黃綿土分布最廣。咸陽市自身現轄九縣兩區兩市，常住人口約為416.9×104人，全年生產總值約為2 817.6×108元，人口密度約為480人/km2。

1.2 數據來源

開展城市生態景觀格局空間結構優化過程中，咸陽市數據來源主要為近期采集的遙感數據、氣溫降水數據以及自然保護區分布數據，具體空間分布數據為，基礎地理數據以標量形式呈現，分辨率為1：400萬，數據來源為城市行政劃分、道路交通以及河流水系等分布數據、土地利用數據以標量形式呈現，分辨率為1：10萬，數據來源為Landsat影像、氣溫降水數據以柵格形式呈現，分辨率為500 m，數據來源根據地方氣象站計算年均值、土壤數據以柵格形式呈現，分辨率為1 000 m，數據來源基于1：100萬土壤類型圖及普查數據。

2 城市生態景觀健康評價

咸陽市生態景觀健康評價體系建立過程中，遵循系統整體性原則以及區域性原則，結合咸陽市自身城市特點，以及生態景觀破壞以及污染情況，構建生態景觀健康評價體系，見圖1。

分析圖1可知，咸陽市城市生態景觀健康評價指標體系通過確定的4個項目層，選取了20項指標，并采用熵權法獲取指標權重，由此完成城市生態景觀健康評價。

3 可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型構建及實現

將城市景觀多樣性、均勻度指數、聚集度指數以及城市區域綠地覆蓋率作為優化目標，具體優化函數如式（1）所示：

式（1）中，SHDI為城市景觀多樣性最大系數，pu為生態景觀面積占總面積百分比，r為景觀類型，u為各類景觀面積，E為景觀的均勻度指數，H為修正Simpson指數，CR為聚集度指數，C為多樣性指數，Cmax為最大指數取值，O為城市公共綠地、道路綠地以及其他附屬綠地的總面積，S為城市建成區面積，G為城市建成區綠地率，f（x）為總目標優化函數，δbest為優化最佳系數，ω為函數權重。

根據上述建立的目標函數，制定與之相適應的約束條件，以此完成可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型的建立，結果如式（2）所示：

式（2）中，b為模型偏置項表述成形式，ω為模型權重，s．t為約束條件。

模型完成建立后，采用粒子群算法對模型展開求解，完成對城市生態景觀格局的空間結構優化，具體流程為：

（1）根據上述確定的相關數據來源，建立數據集作為模型輸入向量。

（2）根據模型輸入向量獲取初始種群，設置粒子群加速權重、飛行速度以及最大迭代次數等參數。

（3）初始化粒子群中各個粒子的位置、速度以及屬性，結果如式（3）所示：

式（3）中，αxq、αyq分別為粒子在不同方向的速度值，αxmax、αymax分別為粒子在不同方向的最大控制速度，rand為隨機常數系數。

（4）根據模型數學形式M，計算出模型慣性權重，并以此為基礎計算目標函數適用度值F。

（5）通過確定的粒子適應度值，獲取當前狀態下優化模型的粒子最佳適應度值q'b以及全局最優值q'g，從而更新粒子群飛行速度以及當前位置。

（6）由于粒子的最大飛行速度amax會限制粒子實際飛行速度，設置約束條件為αq=αmax，ifα>αmax，解決因粒子飛行速度過慢而出現的粒子陷入局部最優解問題。

（7）最后根據（6）的約束條件，完成粒子全局最優解的獲取，由此實現可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型的求解。

4 實驗分析

為驗證可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型的實際有效性，需對其展開測試。測試過程中，選取所提方法、文獻[3]方法以及文獻[4]方法開展城市生態景觀格局空間結構優化，以此驗證不同方法在城市景觀格局優化過程中實際優化效果。

4.1 結果分析

4.1.1 城市生態景觀多樣性測試

選取陜西省咸陽市2020年- 2021年數據為未優化前景觀格局數據，使用3種方法開展城市可持續化生態景觀格局空間結構優化。通過式（1）計算景觀多樣性，對比不同方法的咸陽市景觀多樣性結果，見表1。

由上述可知，通過對咸陽市城市生態景觀結構優化結果來看，文獻[3]方法和文獻[4]方法優化后的景觀多樣性與期望結果之間差距較為明顯。所提方法的景觀多樣性結果與制定的目標結果相同，說明利用所提方法開展城市生態景觀結構優化具備有效性。

4.1.2 城市區域綠地覆蓋率測試

采用3種方法開展城市生態景觀結構優化，通過式（1）計算優化后的城市區域綠地覆蓋率。不同方法的城市區域綠地覆蓋率優化結果見圖2。文獻[3]方法

分析圖2可知，開展城市生態景觀格局空間結構優化過程中，所提方法的城市綠地覆蓋率高于文獻[3]方法和文獻[4]方法，優化效果更好。主要是因為所提方法在制定優化目標時，充分考量了城市多樣性以及聚集程度兩個指標，具有較好的優化效果。

4.1.3 城市生態景觀均勻度指數測試

采用上述3種方法開展城市生態景觀格局空間結構優化，對不同方法的景觀均勻度指數展開測試，將指數范圍設定在[0，1]范圍內。不同方法的景觀均勻度指數在期望結果方面，所提方法期望結果值為0.98、文獻[3]方法期望結果值為0.98、文獻[4]方法期望結果值為0.98，在實際聚集度方面，所提供的方法實際聚集度為0. 98、文獻[3]方法的實際聚集度為0. 88、文獻[4]方法的實際聚集度為0.90。

分析上文可知，文獻[3]方法和文獻[4]方法的景觀均勻度指數與期望結果之間存在一定差距。所提方法的景觀均勻度指數與期望結果一致，說明利用所提方法能夠有效開展景觀結構優化，使得景觀均勻度變高。

4. 1.4 城市生態景觀聚集度指數測試

評價生態景觀聚集度可以為城市規劃和生態管理提供重要的依據。基于評估結果，規劃者可以更好地識別生態景觀的熱點區域和薄弱環節，并采取相應的措施來優化和增強城市生態系統，采用不同方法開展城市生態景觀格局空間結構優化，對比3個優化時期的不同方法生態景觀健康等級，見圖3。

分析圖3可知，開展城市生態景觀格局空間結構優化時，文獻[3]方法和文獻[4]方法在3個優化時期的城市生態景觀聚集度指數均低于所提方法，說明所提方法能夠成功實現生態景觀格局空間結構的優化，從而使該城市景觀結構聚集度增加，生態系統恢復力較強。

5 結束語

隨著城市環境污染的不斷惡化，針對城市生態景觀開展可持續發展的景觀空間格局優化就顯得尤為重要。為此，建立可持續性城市生態景觀格局空間結構優化模型。根據城市生態景觀健康指標評價體系，科學評價城市當前狀態下的生態景觀健康情況，基于城市景觀健康指數，建立可持續性城市生態景觀格局空間結構的目標優化函數，進而構建生態景觀格局空間結構優化模型，采用粒子群算法對模型展開求解，完成城市生態景觀格局空間結構優化。實驗結果表明，使用文章方法開展城市生態景觀格局空間結構優化時，優化效果好，景觀均勻度變高，幫助決策者和規劃者在城市發展中合理規劃和管理生態景觀，實現生態環境的保護和可持續利用。

基金項目：陜西省教育廳專項科研項目（21JK0420）；咸陽師范學院專項科研基金項目（XSYK19004）；咸陽師范學院“學術骨干”人才項目資助（XSYXSGG202114）