（自然地理学专业论文）城市绿地景观的自动分析与评价初探.pdf

城市绿地景观的自动分析与评价初探 摘要：f 绿地作为城市景观的一个元素。是城市中唯一接近y - 自然的生态系统，它对保障一个 可持续的城市环境，维护居民的身心健康，有着非常重要的作用。传统的城市绿地指标如绿 地率，绿化覆盖率等指标只注重绿地的规模和面积特征，忽视了绿地形态、分布、类型、结 构等特征的重要性，不能反映城市绿化的真实情况，无法对绿她的生态效应进行止确的评估， 以此来指导城市绿地的规划和建设也不尽科学。因此，需要一套新的能够客观、确切的反映 城市绿化总貌的罱化指标。，名 本文从景观生态学的角度出发，应用景观生态学的基本原理和方法去分析城市生态用地 分布与格局，认为在制定城市绿地指标时，既要看到绿地的平面展布，又要看到绿地的立体 扩展，要从绿地斑块的面积、数量、形状、空问分布、结构、类型等方面综合去考虑。在此 基础上，根据评价的空间尺度的不同，设立了绿地景观单元评价、市区或分区评价、市域评 价三个层面的指标，形成一个层次分明、逻辑关系明确的指标体系。该指标体系的建立，有 助于更全面的衡量城市绿地的生态功能，对于推动城市绿地科学评价和合理建设具有积极意 义。 麻用计算机技术实现景观分析和评价是近年来景观生态学技术方法发展的一个新特点， 国外有著名的景观格局分析软件f r a g s t a t s ，它可以对多达4 0 多个景观指数进行计算。但在 城市绿地景观评价方面，这类的软件还没有，本文在这方面进行了尝试，用面向对象语言v i s u a l c + + 编写了具有典型w i n d o w s 风格的“城市绿地景观评价程序”，该程序结合了图像处理和空 间分析，景观评价等功能，能实现对多源数据输入的读取、再加工、分析、存储与输出等操 作，其界面友好、使用方便、实用性强，能够为城市环境生态评价与土地利用分析提供更为 快速、科学、准确的途径。 关键词：城市绿地：景观生态学；评价指标；吒 ， 7 at e n t a t i v e s t u d y o fa u t o m a t i c a n a l y s i s a n d e v a l u a t i o no fu r b a ng r e e n l a n d s c a p e a b s t r a c t ：g r e e n l a n d ，b e i n g o n ee l e m e n to f g r e e nl a n d s c a p e ，i s t h e o n l ye c o s y s t e m a p p r o a c h i n g n a t u r e a n di tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ng u a r a n t e e i n gas u s t a i n e du r b a n e n v i r o n m e n ta n di nk e e p i n gp h y s i c a l l ya n dm e n t a l l yh e a l t h yo fu r b a nr e s i d e n t s t r a d i t i o n a lu r b a ng r e e nl a n d s c a p ei n d e x e s ，s u c ha sg r e e n l a n dr a t e ，g r e e nr a t e ，e t c ， w h i c ho n l yf o c u so nt h es c a l ea n da r e ao ft h eg r e e n l a n d ，i g n o r i n gt h ei m p o r t a n c eo f t h es h a p e ，d i s t r i b u t i o n ，t y p ea n ds t r u c t u r e ，c a n 画v en e i t h e rar e a l p i c t u r e ，n o r a s c i e n t i t l ee v a l u a t i o no ft h ee c o l o g ye f f e c t so ft h eu r b a ng r e e n l a n d t h e r e f o r e ，as e to f n e wa n do b i e c t i v eq u a n t i t a t i v ei n d e xi sc a l l e df o r b a s e do nt h el a n d s c a p ee c o l o g y , t h i sp a d e ri n t e n d st oa n a l y z et h ed i s t r i b u t i o na n d p a t t e r no fu r b a ne c o l o g y t h ek e y n o t i o no ft h i ss t u d yi st h a t w h i l ed e c i d i n gt h ei n d e x o fu r b a ng r c e n l a n d s c a p e ，w cc a no b t a i n b o t ht h e p l a n a n dt h e s t e r e o s c o p i c d i s t r i b u t i o no ft h eg r e e n l a n di nt e r m so fi t sa r e a ，q u a n t i t y , f o r m ，s p a c ed i s t r i b u t i o n ， s t r u c t u r ea n dt y p e e t c 。h e n c eac l e a ra n dl o g i ce v a l u a t i o ns y s t e mi ss e tu pf r o mt h r e e d i m e n t i o n a lj n d e x e s i e g r e e nl a n d s c a p eu n i te v a l u a t i o n u r b a no rs u b u r b a na r e a e v a l u a t i o na n dc i t ya r e ae v a l u a t i o n t h i ss y s t e mi sc o n d u c i v et oab e t t e ra s s e s s m e n t o fg r e e n l a n d e c o l o g y c o m p u t e r - a s s i s t e da n a l y s i so fl a n d s c a p ea n de v a l u a t i o ni san e wt e n d e n c yo f l a n d s c a p ee c o l o g y , f a m o u sa n a l y t i c a ls o f t w a r ef r a g s l a r s c a nc a l c u l a t ea sm u c ha s 4 0l a n d s c a p ea to n et i m e ，b u tu n t i ln o wn os o f t w a r ei sa c h i e v e df o rt h ep u r p o s eo f a s s e s s i n gg r e e nl a n d s c a p e u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s b yu s i n gv i s u a lc + + t h i s p r o j e c tc a r r i e so u ta t e n t a t i v es t u d yt oc o m p i l ea nu r b a ng t e e n l a n d s c a p ee v a l u a t i o n p r o c e d u r ei n c l u d i n gt y p i c a lw i n d o w s t h i sp r o c e d u r e ，c o m b i n e dp a t t e r nt r e a t m e n t ， s p a t i a la n a l y s i sw i t hl a n d s c a p ee v a l u a t i o n ，c a nr e a l i z em u l t i - d a t ai n p u tr e c o g n i t i o n ， r e p r o c e s s i n g ，a n a l y s i s ，s t o r a g ea n do u t c o m e h a v i n gt h ea d v a n t a g e so fp r o v i d i n ga c l e a rb o u n d a r ym a r k e r ，ac o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a lu s a g e ，t h i sp r o c e d u r ec a n p r o v i d ea m o r es i r e p l ea n ds c i e n t i t i cw a yf o re v a l u a t i n gu r b a ne c o l o g ya n dl a n du t i l i z a t i o n k e y w o r d s ：u r b a ng r e e n l a n d ；l a n d s c a p ee c o l o g y ；e v a l u a t i o ni n d e x e s ；v c 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 城市绿地景观的自动分析与评价初探 1 前言 1 1 研究背景和目的 1 1 1 问题的提出 城市是人类聚居的场所、活动的中心。城市环境是人类有计划、有目的地利j j 和改 造自然环境而创造出来的高级人工化的生存环境，它是一个典型的受自然一经济一社会 因素共同作用的地域综合体。人类由筑巢而居、逐水草而居到定居，由散居到聚居，由 乡村到城市，反映着人类在为生存而斗争中保护自己、征服自然的历程，标志着人类生 存环境的一个个重要发展阶段。 人们在开发建设城市的活动中，为了创造新的生存环境，往往对自然进行大规模改 造，虽然创造了城市文明，但是同时也破坏了自然生态平衡，污染了环境。在古代，由 于城市的规模还比较小，环境污染问题并不突出。随着近代大工业的产生、城市规模和 数量的急剧扩大，城市环境质量日益下降，极大地影响了城市生活的舒适度，引起人们 的广泛关注。许多先哲提出了各种规划思想、学说和建设模式，试图解决城市与乡村、 建筑空间与自然空间之间的协调发展问题。其中著名的有：美国“造园之父”欧姆斯德 倡导的“城市公园运动”；源于1 9 世纪的美国“城市美化运动”；1 9 世纪末，美国社会 活动家e 霍华德提出的“田园城市理论”：芬兰建筑师沙里宁在1 9 4 3 年提出的“有机 疏散”理论等 1 】。 在上述提出的种种理论中，对城市绿化都给予了相当的重视，这在很大程度上是出 于人类对自然的本能召唤。绿地作为城市景观的一个元素，是城市中唯一接近于自然的 生态系统，它对保障一个可持续的城市环境，维护居民的身心健康，有着至关重要的作 用。因而在城市建设蓝图中，绿地系统占据着非常重要的地位。 1 1 2 城市绿地生态效应的本质 绿地一词，各国的法律规范和学术研究对它的定义和范围有着不同的解释，西方城 市规划概念中一般不提城市绿地，而是开敞空间( o p e ns p a c e ) ，广义的开敞空间是指： 城市中完全或基本完全没有人工构筑物覆盖的空地、水域及其上面所涵盖的特性如光线 和空气等，狭义的开敞空间指城区内以绿色植物为主的下垫面，包括各级公园、庭院、 小游园、街头绿地、道路绿化、居住区绿地、专用绿地、交通绿地、风景区绿地、生产 防护绿地等，这也是我国所通用的绿地概念p j 。 绿地在城市生存环境中有着多种功能，包括生态、游憩、审美和观赏等，其中最重 要的是生态功能，主要包括净化空气、降低噪声、调节气候等。 1 1 2 1 净化空气 植物净化空气的功能包括碳氧平衡效应、吸收有害气体、滞尘降尘以及杀菌四个面。 植物的碳氧平衡效应，实际上是绿色植物的光合作用、即绿色植物吸收太阳光能莆i c o ：，利用光能分解水，放出氧气，并将c 0 2 合成有机物。 植物吸收有害气体实际上是植物对污染物质的吸收、降解、积累和迁移的过程。植 物以其特有的光合作用生理功能，通过叶片上的气孔和枝条上的皮孔，吸收、吸收和转 化s 0 2 、氟化氢等有害物质，在体内通过氧化还原过程，降解、中和成无毒物质，如胱 氨酸、蛋氨酸、硫辛酸、维生素等含硫有机化合物，或以硫酸盐的形态积累于某一器官 内或由根系排出体外。 植物还有明显的滞尘和杀菌的功能。据上世纪7 0 年代末测定，北京当绿化覆盖率为 4 0 时，采暖期总悬浮颗粒下降为6 2 9 ，非采暖期为8 0 。广州测定了用五叶地锦绿 华南师范大学硕上学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 化墙面的居住区，其住宅室比没有垂直绿化的含尘量少2 2 。 1 1 2 2 降低噪声 树木枝叶茂密，层层错落重迭的树冠减噪隔音效果明显。阔叶树吸音能力比针叶好， 由乔术、灌木、草木和地被构成的多层稀疏林带比单层宽林带的吸音隔音效果显着。 1 1 2 3 调节和改善小气候 绿色植物可以改善城市热环境，提高城市气候舒适度。北京对城市绿色空间分布特征 与改善城市气候的研究取得结果表明：理想的城市绿化覆盖率最好能达到4 0 以上，城 市热岛分布成多中一t l , 型，但不分布在绿化覆盖率较高的地方。 绿色植物的固有生理特征对城市空气湿度、空气流动与风速也有明显的作用。1 9 8 0 年在北京曾评价夏季小气候条件对人的舒适度，综合评价的结果说明在夏季市区的绿化 对居民带来较多的舒适、尤其是公园和林荫道，最舒适的小气候条件几乎占一半时间”j 。 1 1 2 4 防灾减灾 城市的自然植被和人工种植的植物群落具有多方面的防灾抗灾的功能，如防风、保持 水土等。由于树叶含有大量水分，故有阻碍大火蔓延的能力。不同树种的耐火性程度不 同，常绿阔叶树的树叶自燃l 临界温度为4 5 5 。c ，落叶阔叶树的树叶自燃临界温度为4 0 7 。c 。 另外，植物还有一定的文化娱乐、游憩观赏功能以及心理功能，有利于人的身心健康。 如果城市内缺少使人镇静有绿色和蓝色，而充满使人兴奋的红色、黄色，人就得不到安 静祥和的环境。而且绿化好的环境，人的明视持久度有所提高，听力、脉搏和血压等较 稳定，易恢复正常。 1 1 3 现有的城市绿地指标及其缺陷 由于绿色植物在提高城市生态质量中所起的巨大作用，世界各国都高度重视城市绿 地的规划和建设，很多地方都提出了建设以绿地为核心“生态城市”、“园林城市”、“山 水城市”等方案。这其中，城市绿地指标作为衡量城市绿色环境数量及质量的量化标准， 它反映了一个城市绿化水平的高低，城市环境的好坏以及居民生活质量的优劣，直接关 系到城市绿地建设的成败，而成为城市绿地规划和评价的重中之重，尽管人们从各个角 度，不同层次上进行了多方面的研究，却始终没能有圆满的解决。 目前常用的城市绿地标准主要包括人均绿地面积指标和绿地占城市用地的百分比两 类，分为人均绿地面积、人均公共绿地面积、绿地率、绿化覆盖率四项。1 、人均绿地面 积( 平方米) = 城市所有绿地总面积城市人口；2 、人均公共绿地面积( 平方米) = 城市 公共绿地总面积城市人口；3 、城市绿地率( ) = ( 城市六类绿地面积之和城市总面积) x 1 0 0 ；4 、城市绿化覆盖率( ) = ( 城市内全部绿化种植垂直投影面积城市面积) 1 0 0 。 各项指标均有一定的评价标准和实用性。这四项指标的特点在于它们表现了城市绿化的 整体水平，具有可比性。但在实际的应用过程中，这些指标存在着很大的缺陷： ( 1 ) 它们会因为城区的边界划分或基数面积大小的变化而有很大的差异 4 1 。( 图1 ) 图1 ：由于作为绿地率计算基数的建成区划界的人为影响导致绿地率指标的极大差异 - 2 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 ( 2 ) 这些指标单纯的表达绿化覆盖面积 况。通过对国内外城市绿地效果的分析发现， 空间分布和格局更能显示其重要性。( 豳2 ) 而不能表示城市绿化的分布形态和布局状 当绿地覆盖率小于4 0 6 0 时，绿地的 a 绿地对居民区环境质量改瞢一般b 绿魏对居民区环境质量改善较好c 绿地对蓓琵区环境质量改善最差 图2 ：绿地空间分布格局极大的影响其生态效应 ( 3 ) 这些指标都属于二维的平面绿化概念，事实上，城市生态绿地的结构组成反映 了绿地生态作用发挥的程度其群落层次、绿地空间郁闭度和树种的配置情况都影响着 生态环境效应，而这些都可以1 目结为绿邋的三维生态特征。 综上所述，传统的城市绿地指标存在着很大的局限性，它们不能反映城市绿化的真 实情况，无法对绿地的生态效应进行正确的评估以此来指导城市绿地的规划和建设也 不尽科学，因此，需要一套新的能够客观、确切地反映城市绿化总貌的量化指标。 1 1 4 本文的研究目的 本文认为应该借鉴现今国际上景观生态学 l a n d s c a p e e c o l o g y ) 的最新研究成果 和学术思想，从“m a t r i x p a r c h ( 基质斑块) ”的视角分析城市中的生态用地分布 与格局，并结合“绿积量( g r e e n v o l u m e ) ”的概念及上海周坚华教授提出的“绿量” 概念，重颞设计一套从整体上反映城市环境质量水平的客观的、合理的摆标体系，并 在此基础上开发出相应的软件，从而实现对城市环境生态质量水平的快速分析与动态 评价。 本文的研究不但可以丰富景观生态学的基本理论，更重要的是对于弓l 导城市土遗 的合理布局，指导城市规划和城市生态建设具有重要的现实意义，并可实现城市之间 环境生态质量对比的标准化及合理化，城市自身环境生态质量监测的动态化。作为最 终成果的软件，能够为城市环境生态评价与瑰鹌甩分析提供更为侠速、科学、准确 的途径。可应用于大、中型城市的相关政府职能部门和研究机构，如建设局、规划局、 市政园林绿地部门、环境生态管理机构等，产生较大的社会效应和经济效应。 1 2 研究思路 1 , 2 1 研究内容 ( 1 ) m a n d e l b r o t 间隙度指数法与最小距离法在评价城市景观分布格局中的适用性。 ( 2 ) 城市环境中的绿地景观嵌块平面形态与边缘环境效应的影响力的关系。 ( 3 ) 绿色生态体量的衡量方法及其计算方案。相应的模型参数评估。 3 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 ( 4 ) 利用计算机图像处理原理，实现对输入绿地信息的加工、分辨和提取。 ( 5 ) 发展扫描算法用于计算机中实现景观嵌块的生长。 ( 6 ) 设计特别的算法，实现栅格图像中斑块边界长度的准确量算。 ( 7 ) 编写专用软件程序，用于城市环境生态状况的评价指标与生态景观用地基本特 征的快速分析，自动给出评价结果。 1 2 2 技术路线 采用数学理论分析与室外实验观测、室内软件编程与计算机模拟验证相结合的研究 方法技术路线。 ( 1 ) 评价的指标与计算模型以景观分析为基础通过数学方法构建。 ( 2 ) 评价模型中的相关参数通过对绿地的实验观测数据和相关文献资料中获取。 ( 3 ) 快速评价程序的设计、编制与调试、验证在计算机上实现。 2 景观生态学及其在城市绿地研究中的应用 2 1 景观生态学的基本理论 景观生态学的概念出现于半个世纪之前，因其集理论与应用于一体，近十年来兼容 并蓄，取得了蓬勃发展，成为现代地理学和生态学深入开拓和迅速发展的学科领域。景 观生态学以生态学的理论框架为依托，吸收现代地理学和系统科学之所长，研究在一个 相当大的区域内，由许多不同类型生态系统所组成的整体( 即景观) 的结构( 空间格局) 、 功能( 生态过程) 和演化( 空间动态) ，研究景观和区域尺度的资源、环境管理等问题， 具有综合整体性和宏观区域性的特色，并以中尺度的景观结构和生态过程见长。目前， 景观生态学的基本理论已广泛应用于资源、环境、生态等研究中，展现出勃勃生机。 2 1 1 景观异质性 景观异质性是景观的重要属性之一，也是景观生态学的核心。景观异质性是指景观 或其属性的变异程度。景观异质性是在许多基本生态过程和物理过程，在空间尺度和时 间尺度上共同作用的产物。在景观这个层次上，异质性的主要起源于自然干扰、植被内 部演替和人类活动。景观异质性包括景观的异质性( 空间镶嵌体或空间异质性) 、景观功 能的异质性( 景观流或生态过程的异质性) 以及景观动态的异质性( 时空异质性) 。p j 景观的异质性与功能相关密切。动物对多种景观元素的利用和在景观中的运动证明了这 一点。如日本甲虫的密度和稳定性很大程度上取决于景观的异质性，异质性大，则密度 高、稳定性大。人类也是如此，城市就是从不同生态环境中取得互相补充的不同资源， 许多美丽的风景区都是依山傍水，也表明了人类对于景观异质性的偏好。景观的异质性 使人类居住的生态系统具有长期的稳定性和必要的抵御干扰的柔韧性。因此，人类社会 需要利用景观中所固有的异质性，并在提高景观的异质性中不断得到满足。 2 1 2 斑块一廊道基质模式 f o r m a n 和g o d r o n 为，组成景观的结构单元不外有三种：斑块、廊道和基质。斑块泛 指与周围环境在外貌或性质上不同，但又具有一定内部均质性( h o m o g e n e i t y ) 的空间部分。 这种所谓的内部均质性，是相对于其周围环境而言的。具体地讲，斑块包括植物群落、 湖泊、草原、农田、居民区等。因而其大小、类型、形状、边界以及内部均质程度都会 显现出很大的不同。廊道是指景观中与相邻两边环境不同的线性或带状结构。常见的廊 道包括农田间的防风林带、河流、道路、峡谷、和输电线路等。廊道类型的多样性，导 致了其结构和功能方法的多样化。其重要结构特征包括：宽度、组成内容、内部环境、形 状、连续性以及与周围斑块或基质的作用关系。廊道常常相互交叉形成网络( n e t w o r k ) ， 使廊道与斑块和基质的相互作用复杂化。基质是指景观中分布最广、连续性也最大的背 景结构，常见的有森林基质、草原基质、农田基质、城市用地基质，等等。在许多景观 毕南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 中，其总体动态常常受基质所支配。1 6 1 景观生态学的斑块一廊道一基质模式为我们提供 了一种描述生态学系统的“空间语言”，使得对景观结构、功能和动态的表述更为具体、 形象。而且，斑块一廊道一基质模式还有利于考虑景观结构与功能之间的相互关系，比 较它们在时间上的变化。然而，必须指出，在实际研究中要确切地区分斑块、廊道和 基质有时是很困难的，也是不必要的。广义而言，把所谓基质看作是景观中占绝对主导 地位的斑块亦未尝不可。另外，因为景观结构单元的划分总是与观察尺度相联系，所以 斑块、廊道和基质的区分往往是相对的。例如，某一尺度上的斑块可能成为较小尺度上 的基质，或许又是较大尺度上廊道的一部分。 2 1 3 景观格局和过程 景观生态学中的格局，往往是指空间格局，即斑块和其它组成单元的类型、数目以 及空间分布与配置等。空间格局可粗略地描述为随机型、规则型和聚集型。从结构来说， 格局可以分为：点格局( 如交通图中的城市) 、线格局( 如河道) 、网格局( 如河网) 、平 面格局( 如斑块大小、形状、边界、以及分布的规律性) 、立体格局( 三维空间分布) 。 【7 】从定量分析的角度来看，景观的空间格局可包括如下几个方面：( 1 ) 景观的组成和结 构( 即景观的空间异质性) ；( 2 ) 景观中斑块的性质和参数的空间相关性( 即空间相互作 用) ；( 3 ) 景观格局的趋向性( 即空间规律性或梯度) ；( 4 ) 景观格局在不同尺度上的变 化( 即格局的等级结构) 。与格局不同，过程则强调事件或现象发生、发展的程序和动态 特征。景观生态学常常涉及到的生态学过程包括种群动态、种子或生物体的传播、捕食 者和猎物的相互作用、群落演替、干扰扩散、养分循环等等。 2 1 4 尺度及其有关概念 尺度一般是指对某研究对象或现象在空间上或时间上的量度，分别称为空间尺度 和时间尺度。此外，组织尺度( o r g a n i z a t i o n a ls c a l e ) 的概念，即在由生态学组织层次( 如个 体、种群、群落、生态系统、景观) 组成的等级系统中的位置，也广为使用。在景观生态 学中，尺度往往以粒度( 窑r a i n ) 和幅度( e x t e n t ) 来表达。刚空间粒度指景观中最小可辨识单 元所代表的特征长度、面积或体积。时间粒度则指某一现象或事件发生的频率或时期间 隔。幅度是指研究对象在空间或时间上的持续范围。具体地说，研究区域的总面积决定 该研究的空间幅度：研究项目持续多久，则确定其时间幅度。一般而言，从个体、种群、 群落、生态系统、景观直到全球生态学，粒度和幅度均趋于增加。粒度和幅度相互联系， 但又不相同。为此，在讨论尺度问题时，经常有必要将粒度和幅度加以区分。景观生态 学中关于尺度的基本问题，是研究一个特定生态学现象是广泛存在与多种尺度上，还是 局限于一个狭窄的尺度内，从而确定研究对象的重点尺度，因为不同尺度的生态系统之 间存在信息交流，从而构成了尺度之间的相互联系特征，。在景观生态学研究中，人们往 往需要利用某一尺度上所获得的信息或知识来推测其它尺度上的特征，这一过程即所谓 尺度推绎( s c a l i n g ) 。尺度推绎包括尺度上推( s c a l i n gu p ) 和尺度下推( s c a l i n g d o w n ) 。由于生 态学系统的复杂性，尺度推绎往往采用数学模型和计算机模拟作为其重要工具。 2 2 景观生态学理论在城市绿地研究中的应用 2 2 1 城市的景观生态学分析 f o r m a n 认为，基本的景观类型有5 种，即自然景观、管理景观、耕作景观、城郊 景观和城市景观。1 9 1 城市景观是人类活动干扰最强烈的景观，其结构和功能与其它景观 有着显着区别。在构成上，城市景观大致由三类景观要素构成，即人工景观单元，如道 路、建筑物：半自然景观单元，如公共绿地、农田、果园；人为干扰下的自然景观单元， 如河流、水库、自然保护区。在功能上，城市景观以为人类提供生活、生产的场所为主， 并因而成为对环境生态造成负面影响的主要根源。 从景观生态学角度讲，城市景观具有以下几个特征： 5 一 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 ( 1 ) 城市以引进斑块为主，且斑块较少，其形状规则，数量多，在各不相同的功能 分区之间早连续岛状镶嵌分布的格局。这些斑块各具功能，相互联系，分工有序，是城 市中的基本功能单元，即生态元。 ( 2 ) 城市以线状廊道为多，带状廊道少，河流廊道少，网络数量多，基质的连接度 低，景观高度破碎等特点。城市廊道主要是公路、街道等交通网络。以交通网为纽带的 人：i ：景观单元形成了城市景观的基本格局。i l ( 3 ) 城市景观中自然组分大量减少，使得整个区域的生境类型趋于简单化，城市绿 色空间不断减少，生物多样性资源严重受损，并进一步导致景观生态稳定性降低，对各 种环境影响的抵抗力和恢复力下降；降低了城市区域对不良环境影响的吸纳能力，使环境 污染问题日益加重。 2 2 2 城市绿地景观 城市绿地景观是与城市中的居住、工业、商业、道路、广场等景观有显着异质性， 。i 有一定面积的地块。它一般以斑块或廊道的形式，分布在城市的各个地方，并以较清 晰的边缘与其它异质性景观相区别，其内涵包括了公园、街头绿地、行道树、居住绿地、 单位附属绿地和城市防护林等各种形式的绿化。按照景观的时空特征和功能划分，城市 绿地可分为斑块绿地和廊道绿地两大类。 ( 1 ) 斑块绿地是指平面形态在各轴向发育差别不大，非线性的绿地，城市中的大部 分绿地都属于这类，主要包括：镶嵌于城市建筑物中的点状分布的建筑空间绿地，属小 斑块；具有较大面积，如同由集中的点构成的连续面状分布的绿地，属于大中型斑块， 例如：园林绿地，农业生产绿地，自然风景绿地等。 ( 2 ) 廊道绿地是指在某一轴向特别发育的绿地，通常沿城市道路、河流或山体走向 呈带状或线状分布。道路绿化、环城绿带、滨河绿带等都属于此类，廊道绿地可以将城 市各斑块绿地联结起来，形成统一的城市绿地系统。 2 2 3 景观生态学原理在城市绿地研究中的意义 应用景观生态学原理研究城市绿地，并通过一系列景观生态学指标进行分析和评价， 能更好的反映植被在城市景观中的地位和作用，与仅仅从土地利用角度来研究相比，其 深度和广度都更进了一步。 2 2 3 1 景观结构和功能原理 景观的结构和功能相辅相成的，结构在一定程度上决定着功能，而结构的形成和发 展又受到功能的影响。如前所述，城市绿地多以斑块或廊道存在于居民区、商业区、工 业区等城市基底中。城市绿地系统中，大中型的绿色斑块作为城市的“绿肺”，不仅具有 多种的生态功能，同时也为景观增色不少。【1 1 j 小型的绿色斑块则可以作为物种迁移和再 定居的“踏脚石”，改善城市景观的视觉效果，提高城市景观的异质性，因此小型的绿地 斑块可以为景观带来大型斑块所不具备的一些好处，应当看作是大型绿色斑块的有益补 充，但不能取而代之。廊道绿地的结构特征如：宽度、形状、连续性及其与斑块或基底 的相互关系都影响着其主要功能作用，如：在工业区和居住区之间设定一定宽度的防护 林，可对污染物质起着过滤和阻抑作用。廊道能有机地连结不同地域、不同尺度的绿地。 直接影响着城市绿地网络的连通性及网络结构功能的整体优化。 2 2 3 2 景观异质性 景观异质性越大，景观的类型也越多，防止外来干扰的能力也就越强，生态系统因 而就更加稳定。故景观异质性的维持和发展是城市绿地系统中不可忽视的问题。在城市 园林绿地中，虽受地域和城市小气候的共同因素所制约，但由于城市垫面的不同分布， 不同地段存在较大差异，利用立地条件即环境资源景观要素空间异质性可创造城市园林 中异质而多样的景观。所以我们在城市绿地系统中，强调各种不同类型、不同功能的绿 地形式的广泛共存，并十分注重每块绿地的个性特征，其目的就是增加城市绿地系统中 华南师范丈学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 的景观异质性。 2 2 3 3 生物多样性 许多科学家一直认为，多样性产生稳定性。近年来，人们更加注重根据植物的生物学 特性和生态侮原理进行植物配置，从生态学出发，根据地理纬度与海拔高度所决定的植 物地理分布以及生境与小生境的具体情况，适地适树、选择合理的树种，按照生态学中 营养结构愈复杂生态系统愈稳定的法则，以多种混交为好。注重常绿树与落叶树的比例 与搭配，按照多种植物不同的生长发育规律及其相互作用与影响，注意速生树种与慢生 树种的搭配，各种植物之间的平面距离、立体结构、乔木、灌木、草本与地被植物及其 轮廓线变化等。i l “ 2 2 3 4 景观变化原理 有关研究表明，当不受干扰时，景观的水平结构逐渐趋向于均质化，中度干扰会迅 速增加景观异质性，严重干扰则可能增加或减少异质性。【9 j 由于城市生态系统是个不完 全的生态系统，具有以下几个特点：人口众多，社会分工细，人流物流频繁；生物 多样性贫乏，人工群落较多：垃圾等废弃物多，污染严重：外来物种多，营养级短： 净生产力为负值。故在城市绿地系统中采取适度干扰的法则，积极从城市外引进能量、 物质、信息，以期达到城市生态系统的稳定性。通过城市绿地系的合理格局，使其生产 的物质能量、氧气能量最大地接近城市所消耗的，进而达到生态系统的平衡。 3 城市绿地系统指标体系 城市绿地系统的分析评价是一个十分复杂的问题，需要建立一套能够全面反映城市 绿地生态、经济、美观、休闲等功能的，多层次、多目标的指标体系。但由于是初步探 索，本文主要从景观生态学角度出发，针对城市绿地的主要功能生态功能而确定了 一系列指标，对于城市绿地其它相对次要的功能指标，则暂时没有涉及，尚待以后的工 作中加强。在研究中，对各项指标项目的选取，笔者遵循了以下原则： ( 1 ) 可操作性。评价指标应具有相对的普遍性和稳定性，能够通过一定的途径、一 定的方法进行调查，评价数据收集方便、计算简单、容易掌握。 ( 2 ) 可比性。每一条指标应该是确定的、可以比较的。比较的含义是，同一指标可 在不同的范围内比较，应尽量采用有确切意义的无量纲的指标。 ( 3 ) 定量性。尽可能使用定量指标，这是适应建立模式、进行数学处理的需要，以 保证综合评价的客观理性。 依据以上原则，考虑到现有绿地评价指标的缺陷，本文在建立指标体系时，注意了 以下问题： ( 1 ) 按照景观生态学理论，景观格局对其功能有着深刻的影响，因此定量的分析城 市绿地景观格局，包括：斑块的数量、形状、面积、空间分布、类型等，对于正确反映 绿地生态效应意义重大。 ( 2 ) 城市绿地的生态环境效应不仅取决于绿化的覆盖面积，而且取决于绿化的植 被种类及其生长状态，有必要设定能反映立体绿色量的指标。 ( 3 ) 城市绿地系统的分析评价有着不同层面的空间尺度，所设立的项目体系要层次 分明、逻辑关系明确。能将各层次、各子系统的单一指标组合成系统的综合指标。 基于以上考虑，本文提出的城市绿地系统评价指标体系框架包括三个层次( 图3 ) ， 从景观单元到市区撙到市域，评价区域的尺度逐渐扩大，需要考虑的影响因素有所不同， 评价指标也随之有所变化，但不同层次的指标之间又是相互联系的，较高尺度评价的指 标是以低尺度评价指标为基础上的引申和发展。每个层次的指标，既可适用于某个单一 目标或功能的评价，也可结合起来形成评价体系，以获取关于城市绿地的整体水平信息、 进行系统的评价。 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 图3 城市绿地系统评价指标体系框架 3 1 城市绿地景观单元评价指标 城市绿地系统主要是由大大小小的斑块绿地组成的，包括园林绿地、附属绿地、生 产绿地、道路绿地、居住区绿地等，这些斑块绿地被称之为城市绿地景观单元。有关绿 地景观单元的评价指标不仅可以反映特定斑块的生态效应，对单块绿地的设计和建设有 指导意义，还是构建更高级别评价指标的基础。 3 1 1 斑块面积 最容易识别斑块绿地外貌的是其大小或面积。一般来说，在同样结构下，斑块绿地 所能提供的能量或养分总量与绿地的面积成正比，斑块的生态效应影响半径也随着面积 的扩展而提高( 图4 ) 。在城市景观中，大小斑块绿地有着不同的生态学功能，大斑块是 整个城市的“绿肺”和“水库”，对地下蓄水层和湖泊的水质有着保护作用，有利于生境 敏感种的生存而维护生物多样性，能建立更近乎自然的生态干扰体系，对于维持城市生 态系统的平衡和稳定起着关键作用。小斑块亦有重要的生态作用，可以作为物种传播和 再定居的“踏脚石”，增加绿地景观的连接度，改善局地生态质量，为人群提供就近服务。 3 1 2 斑块形态指数 城市绿地的形状是多种多样的。自然过程造成的绿地往往表现出不规则的复杂形状， 而人工栽培的绿地常里方形、长条形、圆形等简单的几何图形。生态学家很早就注意到， 8 华南师范人学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 景观斑块的形状对生物的扩散和觅餐具有重要的作用，有关研究发现，斑块形状对生态 学过程的影响意义似乎与边缘效应有关。 生 态 效 应 强 度 距斑块中心距离 图4 同样结构下，绿地面积与绿地生态效应半径的关系 ( 面积：a 2 0 2 5 m m 2 )( 1 8 2 2 5 m m 2 )( 1 6 4 0 2 5 n u n z ) r 值 0 4 0 50 5 0 60 7 0 80 9 - 1 0 o 8 0 90 7 一o 8 表6r ( 叶片大小) 的取值建议2 ：灌木 灌木类型强旱生 早生 半旱生 湿生 r 值 o 0 5 o 10 2 加40 6 - 4 ) 7o 8 1 1 对于草坪来说，由于城市多为人工种值，引入类型较少，其叶片大小差别不大，因 此我们将草坪的r ( 叶片大小) 统一定为1 。 ( 3 ) r ( 郁闭度) = 塑堕0 8 ( 4 ) 城市的乔木植被主要是人工林，其生长周期比自然林要短，其中大部分为速 生林或中生林。不同生长速度的树种进入各生长阶段的年龄不同( 表7 ) ： 表7 不同树种的生长阶段 林分类型慢生树种中生树种速生树种 幼龄林 = 1 0 4 5 3 0 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 h 1 02 03 04 0 5 06 0y 图8 树木生长速度随年龄的变化( 慢生林) ( h 为树高，y 为年龄) 一般来说，树木的生长过程呈现出在幼龄较慢，状龄、中龄较快，而成熟后生长缓 慢乃至停滞的特征，即为s 形( 图8 ) 我们选取2 0 年的中龄林做标准绿地，则r ( 年龄) 的计算式为： r ( 年龄) = y j l ( i 式中y i 表示第j 个生长阶段经历的年份，k j 表示在这个生长阶段的平均生长速率e 不同生长阶段的年均速率可参照下表得出( 表8 、9 、1 0 ) ： 表8 慢生林的年均速率 生长阶段i幼龄林状龄林i 中龄林i 近熟林成熟林过熟林i 年均速率1 0 0 2 50 0 3 50 0 4 00 0 2 00 0 0 5o 0 1 表9 中生林的年均速率 生长阶段i幼龄林状龄林中龄林近熟林成熟林过熟林 年均速率】0 0 3 5 0 0 4 50 0 5 00 0 3 0o 0 0 4- 0 0 2 表1 0 速生林的年均速率 生长阶段1幼龄林l 状龄林i中龄林l 近熟林l 成熟林i 过熟林 年均速率l 0 0 5 0 j 0 0 7 00 0 8 0 j o 0 3 0 j 0 0 0 2 j 0 0 3 相对于乔木来说，灌木和草坪的年际变化不是很大，因此我们把它们的r ( 年龄) 因子看作1 。 对于复层结构的绿地来说，其总的相对绿量等于各层相对绿量之和。例如有块乔灌 草复合结构的绿地，则 g r ( 总) = r ( 乔) + r ( 灌) + r ( 草) 通过对标准绿地的绿量测定，我们可以大致的知道待测绿地的绿量，当然这不是很 精确的，据上海的测定，标准绿地的平均绿量一般在7 2 0 0 0 m a h m 2 到8 4 0 0 0 m 3 h m 2 之间。 我们进一步将相对绿量划为不同的等级，以便于比较： 表1 1 相对绿量的等级划分 1 5 华南师范大学硕士学位论文城市绿地景观自动分析与评价初探 相对绿量等级 = o 7 好 0 5 0 7 较好 0 3 0 5一般 0 1 o - 3差 = 0 1 很差 3 1 3 4 绿量指标的启示 将绿量结构列入城市绿化建设的重要内容，谋求绿地单位面积绿量的合理提高，是 进一步提高城市绿化生态效益的重要出路，在当前城市用地紧张的条件下，也是进一步 提高对十地资源的利用率的重要措施。根据绿地性质和用途的不同，除有些专项用途的 绿地( 如高尔夫球场等) 以外，复层种植结构应作为主要的种植形式加以发展。值得提出 的是近年来有些地方为追求开阔、舒展等景观效果或模仿国外某些风格而出现了过茸 的“以草代术”的倾向。城区有限的绿地大量地被比较单一的草坪所覆盖，国内有些个 别地方甚至出现大量伐树的现象，这种趋势应当引起重视，尤其是内陆城市由r 所处的 地理位置和生态条件，更需绿树的庇护和调节而应得到迅速的纠正。同时，草坪绿地的 养护管理与植物群落的养护投入是3 ：1 ，而由乔、灌、草组成的植物群落的生态效益是 草坪绿地的4 5 倍，草坪还要消耗大量的淡水资源，对于缺水城市。尤应对此作出合 理的决策。阱j 因此，应从生态效益、美学价值以及投入产出等方面来全面评价草坪建植 的合理规模。城市绿地必须充分重视作为绿量结构主体的乔木的作用，同时合理建植地 被，避免“黄士露天”。 3 2 市区或分区绿地景观评价指标 市区或分区绿地景观评价指标的研究区域是指城市建成区或城区的某个分区，这里 的分区可以是行政上的分区，或者是功能分区，也可以是根据评价需要而选取的某个部 分。城区绿地景观的特点是面积小、分布不均匀、类型单一，在不同的功能区里的绿地 特征有显著差异。 3 2 1 绿地空间分布指标 3 2 1 1 城市绿地景观分布格局的重要性 图9 ：绿地的分布不同，生态效应不同 ( 虚线内表示绿地的生态效应影晌范围，图中a 与b 的绿地西积相同，但b 的影响范围大于a ) 就相对独立的绿地斑块而言，其各项生态效益的发挥水平不仅由于绿地规模和植被 数量的不同而有所差异，而且也随着空间距离的加大而逐渐减弱或丧失。由一定数量的 植被所构成的绿地，其生态效益存在一定的“影响范围”，表现为与其规模相对应的“局 - 1 6 华南师范大学硕士学位论文 城市绿地景观自动分析与评价初探 部性”，这种状况在城市中心区域( 城区过热和碳氧平衡失调) 对植被的生态效益产生强烈 的“抵消”作用的条件下表现尤为突出。研究表明，在总面积相同的情况卜，分散的绿 地比集中的绿地生态效应要大，尤其当大块绿地偏居丁城市一角时，这种区别更明显。 ( 图9 ) 1 2 6 1 在我国，尤其在一些大城市，城市中可供用来建设绿地的土地极为有限，特别是老 城区，人口密度人，建筑密集，可供绿化的用地更少，要想建设大面积的集中绿地是不 现实的也是不划算的。因此，在绿地景观生态规划中，如何利用有限的绿地空间，实现 城市园林绿地的相对均匀分布，不仅对增加城市总的园林植被数量发挥群体效应，从而 扩大其总体生态效益方面作