（人文地理学专业论文）基于gis的城市绿色公共开放空间景观阻力模型研究.pdf

捅要 由于地球环境和生态危机的加剧，如何规划建设土地利用合理、环境生态良好、人 与自然和谐的现代化新型城市，是目前学界、城市管理者乃至城市居民都非常关心的问 题。城市绿色公共开放空间是城市生态系统的重要组成部分和完善城市生存环境和维持 自然生态平衡的关键要素，因此如何在空间上描述城市绿地和开放空间的布局，如何评 价其布局结构的合理性，如何反映其对城市居民服务的有效性，成为重要的研究方向。 本文引入稳态系统的观点来定义城市绿色公共开放空间。而后从景观生态学的景观 阻力入手，依据地理学、生态学及有关学科的相关理论，在研究最小累计阻力模型、空 间相互作用模型和可达性理论及模型的基础上，根据研究对象自身特点建立了城市绿色 公共开放空间景观阻力模型，该模型能相对定量地分析研究对象的空间布局并进行服务 有效性的评价。在改进经典的d i j i k s t r a 算法和c o s td i s t a n c e 算法基础上形成了景观阻力 模型算法，并运用a r c g i s 二次开发实现了景观阻力模型的计算，从而能方便地呈现分 析结果，并进一步完善了a r c g i s 的空间分析功能。最后运用该模型对武汉市武昌区和 洪山区城区部分的城市绿色公共开放空间进行了实证研究，并进一步提出了规划改进建 议，实证研究成果将对武汉市的规划和发展起到建设性的作用。 本文的创新点在于：尝试性地从稳态系统的角度定义了城市绿色公共开放空间；建 立了城市绿色公共开放空间景观阻力模型；提出了景观阻力模型算法；开发实现了景观 阻力模型的计算；运用该模型对武汉市武昌区和洪山区城区部分的城市绿色公共开放空 间进行了实证研究。 关键词：g l s ；景观阻力；模型；城市绿色公共开放空间；武汉市； a b s t r a c t h o wt op l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i n gm o d e mc i t i e sw h i c hh a v er a t i o n a ll a n du s i n g ，g o o d e n v i r o n m e n ta n dh a r m o n i o u sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh u m a na n dn a t u r e i ti sh o ts p o tw h i c hb e c a r e db yt h ea c a d e m i cw o r l d ，t h eu r b a ns u p e r i n t e n d e n ta n de v e nt h ec i t yd w e l l e r u r b a ng r e e n p u b l i co p e ns p a c ei sm o r ei m p o r t a n tp a r to ft h eu r b a ne c o l o g i c a ls y s t e ma n dt h ek e yo f p e r f e c t i n gu r b a ne n v i r o n m e n ta n dm a i n t a i n i n gb a l a n c eo fe c o l o g y s oi tb e c a m em o r e i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no nh o w t od e s c r i b el o c a t i o no fg r e e na n do p e ns p a c e ，h o wt o a s s e s sr a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v es e r v i c eo ni t sl a y o u t a tf i r s t ，t h eu r b a ng r e e np u b l i co p e ns p a c ew a sd e f i n e db a s e do ns t e a d ys t a t es y s t e m a t s e c o n d ，m i n i m u mc u m u l a t i v er e s i s t a n c em o d e l ，s p a t i a li n t e r a c t i o nm o d e l ，a t t r a c t i o n a c c e s s i b i l i t ya x i o mf r a m e w o r ka n da c c e s s i b i l i t ym o d e lw e r er e s e a r c h e d l a n d s c a p e r e s i s t a n c ew a se m p h a s i z e da n dl a n d s c a p er e s i s t a n c em o d e la b o u tu r b a ng r e e np u b l i co p e n s p a c eo fw a sb u i l tb a s e do ni t so w nf e a t u r e s b u i l d i n gt h i sm o d e la l s ob a s e do ng e o g r a p h y , e c o l o g ya n do t h e rr e l a t e dd i s c i p l i n e i tc a nr e l a t i v e l yq u a n t i t a t i v ea n a l y s es p a t i a ll a y o u ta n d a s s e s ss e r v i c ee f f e c tt h a tb u i l d i n gl a n d s c a p er e s i s t a n c em o d e la b o u tu r b a ng r e e np u b l i co p e n s p a c e a tt h i r d ，d i j i k s t r aa l g o r i t h ma n dc o s td i s t a n c ea l g o r i t h mw a si m p r o v e d l a n d s c a p e r e s i s t a n c em o d e la l g o r i t h mw a sp u tf o r w a r d a tt h i st i m e ，t h ep r o g r a mo fc a l c u l a t i n g l a n d s c a p er e s i s t a n c ew a sw r i t t e nb a s eo na r c g i ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i tc a ns h o wt h e r e s u l to fs p a t i a la n a l y s i sa n di m p r o v et h es p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o no fa r c g i st h a tt h ep r o g r a m o fc a l c u l a t i n gl a n d s c a p er e s i s t a n c e a tl a s t ，ac a s es t u d yo nw u c h a n gd i s t r i c ta n dh o n g s h a n d i s t r i c to fw u h a nw a si m p l e m e n t e do nt h i sm o d e l ，a n da d v i c eo fi m p r o v i n gt h ep l a n n i n go f t h i sa r e a su r b a np u b l i cg r e e no p e ns p a c ew a s p r o p o s e d t h e r e s u l to fe m p i r i c a la n a l y s i ss t u d y w i l lp l a yi t sc o n s t r u c t i v er o l eo np l a n n i n ga n dd e v e l o p m e n to fw u h a n t h em a i nc r e a t i v ew o r kc a nb ed e s e r i b e da sf o l l o w ：t h eu r b a ng r e e np u b l i co p e ns p a c e w a sa t t e m p t e dt od e f i n e db a s e do ns t e a d ys t a t es y s t e m ；i tw a sb u i l d e dt h a tl a n d s c a p e r e s i s t a n c em o d e la b o u tu r b a ng r e e np u b l i co p e ns p a c e ；l a n d s c a p er e s i s t a n c em o d e la l g o r i t h m w a sp u tf o r w a r d ；i tw a sw r i t t e nt h a tt h ep r o g r a mo fc a l c u l a t i n gl a n d s c a p er e s i s t a n c e ；i tw a s i m p l e m e n t e do nt h i sm o d e lt h a te m p i r i c a la n a l y s i ss t u d yo nw u c h a n gd i s t r i c ta n dh o n g s h a n d i s t c to f 、 ，1 l h a n k e yw o r d s ：g i s ；l a n d s c a p er e s i s t a n c e ；m o d e l ；u r b a np u b l i cg r e e no p e ns p a c e ；w u h a n i i 湖北大学学位论文原创l 生声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文使用授权说明 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影 印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可 以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 阀方 指导教师签名： 司刖 ，k f = 一 氰年 登门 者 冶储功刘瓤沦日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究目的和意义 1 1 1 研究的目的 城市的规划和建设需要考虑到人性化和生态性，城市绿色公共开放空间作为城市生 态系统的重要组成部分和完善城市生存环境和维持自然生态平衡的关键要素，不仅能改 善城市生活环境，满足居民的游憩活动，而且能为城市生物提供适宜的生态环境，增强 城市景观的自然性，维持自然生态平衡。城市绿色公共开放空间的合理存在是城市生态 性的重要指标，而它对城市居民服务的有效性则是衡量其人性化的重要依据，同时只有 能在空间上描述其布局才能真币反应城市绿色公共开放空间的服务有效性。 本文从景观生态学中的景观阻力入手，依据地理学、生态学及有关学科的相关理论 及实际应用情况建立城市绿色公共开放空间的景观阻力模型，运用a r c g i s 软件的二次 开发工具开发实现景观阻力模型的计算，从而以模型计算的结果相对定量地描述其空间 布局和服务有效性；并以武汉市武昌区和洪山区城区部分( 传统意义上的武昌地区) 为 例进行实证研究，从而探讨景观阻力在城市绿色公共开放空间的服务有效性方面产生的 影响。 1 1 2 研究的意义 对城市绿色公共开放空间的定义，是对系统论观点横向运用的尝试；对城市绿色公 共开放空间的景观阻力建立数学模型能相对定量地分析其空间布局，是建立城市绿色公 共开放空间的景观阻力( 可达性) 评价方法的相当重要的基础；运用a r c g i s 进行二次 开发实现景观阻力模型的计算能方便地呈现出分析结果，从而直观观察到其景观阻力 ( 可达性) 的状况，同时二次开发的成果能进一步完善a r c g i s 的空间分析功能。 随着武汉城市圈被中国国务院正式确立为资源节约型和环境友好型社会建设综合 配套改革试验区，目前该市正在对“两型社会”的建设进行积极规划。而城市绿色公共 开放空间的规划和建设正是“环境友好型”社会需要重点考虑和关注的方向，因此本文 以武汉市武昌区和洪山区的城区部分作为实证研究范围，其研究成果将对该市的规划和 发展起到建设性的作用。 1 2 城市绿色公共开放空间的定义 为了更准确界定城市绿色公共开放空间，以便于研究的开展，本节在回顾以前学者 湖北人学硕十学位论文 对开放空间和城市绿地定义的基础上，从稳态系统的角度定义城市绿色公共开放空间。 1 2 1 开放空间 开放空间( o p e ns p a c e ) 在国内外学术界一直都是一个内涵丰富的概念，具有社会 和自然的双重含义。它的定义随着时代的变迁，定义者的研究方向和看待问题角度的不 同而不断的发展变化着。 现代意义的城市开放概念出现于1 8 7 7 年英国制定的大都市开放空间法 ( m e t r o p o l i t a no p e ns p a c ea c t ) 。 1 9 0 6 年，英国的开放空间法( o p e ns p a c ea c t ) ，第2 0 条定义开放空间为：任何 围合或不围合的用地，其中没有建筑物，或者少于1 2 0 的用地有建筑物，用剩余用地用 作公园或娱乐，或者使堆放废弃物，或是不被利用i l 】。强调的是有休闲游憩功能的非建 筑用地空间。 1 9 6 1 年，美国房屋法将开放空间定义为：城市区域内任何未开发或基本未开发的用 地，具有：公园和供娱乐用的价值；土地及其它自然资源保护的价值；历史或风景 的价值【l 】。强调它的自然特征，把按自然状态加以使用的土地看作开放空间。 英国学术界对开放空间的理解是，“开放空间是指所有具有确定的及不受限制的公 共通路并能用开放空间等级制度加以分类而不论其所有权如何的公共公园、共有地、杂 草丛生的荒地及林地”【2 1 。强调的是开放空间的自然属性、公共可达性和大众共享性。 美国规划界认为，“所谓的城市开放空间，指的是城市一些保持着自然景观的地域， 或自然景观得到恢复的地域，也就是游憩地，保护地，风景区，或者是为调整城市建设 而预留下来的用地。城市中尚未建设的土地并不都是开放空间。其具有娱乐价值、自然 资源保护价值、历史文化价值、风景价值”【3 1 。同1 9 6 1 年的美国房屋法对开放空间的 定义类似，强调的是有自然景观的环境空间。 波兰学者认为，“开放空间一方面指比较开阔较少封闭和空间限定因素少的空间， 另一方面指向大众开放的为多数民众服务的空间，不仅指公园、绿地、这些园林景观， 而且城市的街道、广场、巷弄、庭院等都在其内”【4 】。强调其功能在于调谐城市环境， 提供居民游憩场所，使城市环境更有活力。 日本规划界认为，“开放空间指的是城市的道路，河川运河等供公众使用的建筑场 地以外的，没有被建筑物覆盖的空地。”强调的是城市中的非建筑用地空间，及城市的 空地率。 日本的高原荣重把开放空间定义为：游憩活动，生活环境，保护步行者的安全，及整 2 1 绪论 顿市容等具有公共需要的土地、水、大气为主的非建筑用空间且能保证永久性的空间。 不论其所有权属于个人或集体。高原荣重侧重于开放空间是公共的非建筑用空间和它的 永久性的性质【5 】。 我国学者对开放空间的认识也各不相同。有学者认为：“开放空间是指城市公共外 部空间，包括自然风景、广场、道路、公共绿地和休憩空间等”；还有学者认为，开放空 间“一方面指比较开阔、较少封闭和空间限定要素较少的空间，另一方面指向大众敞开 的为多数民众服务的空间。不仅指公园、绿地这些园林景观，而且城市的街道、广场、巷 弄、庭院都在其范围内”【6 】。 以上对开放空间的定义虽然不尽相同，有的甚至差别很大，但是都强调了开放空间 的自然特征、公共属性以及人的参与行为。一般而论，开放空间具有四方面的特质：开 放性，即不能将其用围墙或其他方式封闭围合起来；可达性，即对于人们是可以方便进 入到达的目的；大众性，服务对象应是社会公众：功能性，开放空间并不仅仅是供观赏 之用，而且要能让人们休憩和日常使用【刀。 1 2 2 城市绿地 园林基本术语标准( c j j t 9 1 - - 2 0 0 2 ) 将“城市绿地”表述为“以植被为主要存 在形态，用于改善城市生态、保护环境，为居民提供游憩场地和美化城市的一种城市用 地”。它包括城市建设用地范围内的用于绿化的土地和城市建设用地之外的对城市生态、 景观和居民休闲生活具有积极作用、绿化环境较好的特定区域。在该标准的“条文说明” 中进一步解释为：“广义的城市绿地，指城市规划区范围内的各种绿地 【8 】，2 0 0 8 年1 月1 日起施行的中华人民共和国城乡规划法界定的“规划区 是指“城市、镇和村 庄的建成区以及应城乡建设和发展需要，必须实行规划控制的区域”1 9 】。也就是说，它 包含了城市建成区以及必须实行规划控制的区域两个空间层次的绿地。 欧美等国家有学者认为绿地是开放空间的一种，有的学者甚至把其等同于开放空 间。基于以上关于开放空间、城市绿地的定义、解释，从空间体的角度看，城市绿地是 一种特殊形式的城市开放空间i lo 】。 另外国内有学者给出了城市绿地开放空间的定义【1 0 】：城市绿地开放空间是指以土 地、水、绿色植物为主要存在形态的非建筑用地空间，具有改善与保持生态环境，美化 市容市貌，缓冲城市外围关系，提供公共休闲游憩场地或具有卫生防护等功能的城市空 间。现代城市绿地开放空间强调空间上的开放和对大多数人的开放，强调人类和生态环 3 湖北大学硕十学位论文 境的可持续发展及生物多样性。绿地开放空间不再只是囿于高墙围合，表现个人喜恶， 抒发个人情感的供少数贵族享用的后花园，也不再只是圈一小块地建起来的公园，而是 一个开放的与城市环境融合在一起，能起生态调和作用的空间体系。绿地开放空间主要 具备以下功能：维护、改善人居生态环境；提供公共游憩场所；保护文物古迹、 历史遗产；提高城市防灾、减灾的能力；限制城市无限蔓延；组织步行交通； 构造城市景观特性、体现城市文化氛围等。 1 2 3 城市绿色公共开放空间 结合以上对开放空间、城市绿地、城市绿地开放空间等不同定义，根据本文中研究 对象的实际情况，以系统的观点重新看待城市绿色开放空间在城市生态系统及城市规 划、建设、服务中的地位。当一个开放系统的贮存和格局形成输入输出平衡的恒定时， 系统则处于稳态 1 1 1 。此时输入输出的平衡又可看成正反馈和负反馈之间达成的平衡。对 于一个生态状况良好的城市系统而言，它应该是稳态的，即城市稳态系统。城市系统中 会有能量消耗、环境污染、遗产破坏、失业失学等正扰动，使得城市系统的熵值增加， 系统趋向不稳定，而当与之相反的负扰动反馈作用于该系统时，系统会趋向稳定。 负反馈( 包括自我调节) 图i - i 处丁：城市稳态系统中的城市绿色公共开放空间 本文认为城市绿色公共开放空间应该是城市中生态环境良好或具有遗产保护功能、 提供游憩场所、构建城市文化氛围的免费提供给公众使用的开放空间。根据其特征，城 市绿色公共开放空间就应该具有自然生态和精神生态( 公共游憩、人文教育、遗产保护 4 1 绪论 等) 两大负反馈功能因子( 图卜1 ) ，因此其对城市系统的稳态性具有不可替代的及其重 要的作用。城市绿地、广场、公园等开放空间自然具有相应的负反馈功能，而城市系统 中的校园绿色开放空间，由于一方面生态绿化的良好性，使其自然生态负反馈因子的功 能不亚于一般的绿地、广场和公园，另一方面其具有公共游憩、人文教育、遗产保护等 负反馈因素的存在，所以城市绿色公共开放空间应该包括校园绿色开放空间。 综上所述，将城市绿色公共开放空间定义为：在城市稳态系统中，能产生自然生态 和精神生态负反馈功能因子，从而用来调节城市系统稳定性，并免费提供给公众使用的 开放空间。 1 3 国内外研究发展现状 1 3 1 最小累积阻力模型研究进展 最小累积阻力( m i n i m u mc u m u l a t i v er e s i s t a n c e ，m c r ) 模型最早由k n a a p e nj p 等 人( 1 9 9 2 ) 在研究景观规划中的栖息地隔离机制问题时提出 陀】。后在国内由俞孔坚等 ( 1 9 9 8 ) 进一步修改，并将此模型运用到景观生态战略点识别、衡量城市绿地系统功能 指标等方面1 1 3 1 。该模型的具体表达见2 1 2 。 与此同时不少学者和研究机构( e s r i ，1 9 9 6 ，2 0 0 1 ；e a s t m a n ，1 9 9 8 ；r a y ；2 0 0 5 ) 用g i s 软件实现了该模型，并通常称之为成本距离( c o s t d i s t a n c e ) 函数。最为突出的 是e s r i 在其商用软件a r c g i s 的s p a t i ma n a l y s i s 模块中实现的一系列有关成本距离函 数的空间分析功能，主要包括：成本距离加权函数( c o s t w e i g h t e dd i s t a n c e ) ，成本方向 加权函数( c o s t w e i g h t e dd i r e c t i o n ) ，成本分配加权函数( c o s t w e i g h t e da l l o c a t i o n ) ， 最小成本路径函数( s h o g e s tp a t h ) 等1 4 1 。 1 3 2 空间相互作用模型研究进展 空间相互作用模型研究在西方有较长的发展过程。早在1 9 世纪8 0 年代，英国入口 学家拉文斯坦( r a v e n s t e i n ) 首次在人文社会科学领域使用了牛顿的万有引力模型 】5 】。 拉氏的引力模型影响深远，后人以此为基础发展了众多模型，其基本假设均是相互作用 强度与人口数成正比，与距离成反比。到了1 9 3 0 年代，引力模型广泛应用于贸易区研 究，莱利( w j r e n l y ) 提出了莱利零售引力法则，后来康弗斯( e d c o n v e r s e ) 发展了 莱利的理论，提出了断裂点概念【1 6 1 。西方零售选址技术开始大量应用此引力模型。引力 模型提出后，西方学者相继提出了一些改进方法。而w i l s o n l 构建的一系列最大嫡模型 成为了空间相互作用模型的基本框架【1 7 1 。另外，a l o n s o 在1 9 7 0 年代也建立了一套移动 s 湖北人学硕十学位论文 理论，使空间相互作用又有了进一步发展。到了9 0 年代m a n f r e dm f i s c h e 等( 1 9 9 4 ) 把空间相互作用建模和神经网络结合起来，构建了神经相互作用模型，可将它看作是一 种单隐层的前馈神经网络，在模型训练过程中不断修改权值进行参数估计。己经有学者 证明了这种模型的通用性。模型的选择和参数估计的方法是决定模型好坏的关键。 m a r t i nb e r z i n s 等( 2 0 0 3 ) 引入统计推理理论中的f i s h e r 信息矩阵用于参数估计， y e e l e u n g 等( 2 0 0 4 ) 提出了一种结构简单的神经网络来解最大熵模型，这种神经网络 具有普遍性，能够解多种最大熵模型，并且证明了最优解的稳定性和收敛性问题。 国内对空间相互作用的理论研究开始的比较晚，在模型建立方面，王铮( 1 9 8 6 ) 认 为空间相互作用和地理扩散有本质联系，提出口粒子扩散模型。其他学者多在对西方模 型的实际应用有所深入研刭1 8 】。 1 2 3 可达性及其评价模型研究进展 国外对可达性的研究起于5 0 年代末期，1 9 5 9 年h a n s e n 首次提出了可达性的概念， 将其定义为交通网络中各节点相互作用的机会应用大小，并利用重力方法研究了可达性 与城市土地利用之间的关系。从此，可达性研究得到了城市规划、交通地理、以及从事 区域和空间研究等众多学者的关注。 h a g e r s t r a n d ( 1 9 7 0 ) 提出的时空框架为可达性的计算提供了一种有效的约束限 制模烈。时空框架( s p a c e t i m ef r a m e w o r k ) 以分析个体行为的基本出发点。由于个体的 行为受到空间与时间限制，在某一特定时间，个体只能在空间中某一特定位置直接从事 某一项活动，在出行或参与具有空间分布特征及时间限制的活动时必须耗费一定的距 离。时空框架的核心即个体存在与行为具有空间与事态属性。从广义上说，时空框架与 限制个体在时间与空间中参与事件的能力密切相关，可以说从本质上决定所有人类活动 的必然条件。h a g e r s t r a n d 的研究成果为可达性的研究提供了一个崭新的视野。此后，一 些学者基于时空地理模型，提出了可达性收益模型，评价用于增强区域可达性的不同措 施的有效性。p r e d ( 1 9 7 7 ) 、b u m s ( 1 9 7 9 ) 、l a n d a u 等( 1 9 8 1 ，1 9 8 2 ) 通过对约束 限制模型的实际应用的分析指出，在计算可达性时引入时间约束提高了预测的准确性。 t h i l l 等( 1 9 9 7 a ) 提出了一种基于时空框架的两步约束限制模型。通过模拟分析， t h i u 等( 1 9 9 7 b ) 得出，使用概率时间约束得出的结果比使用指定时间约束得出的结果 更加接近现到1 9 】。 在可达性模型理论模式的研究中，最出名的是w e i b u l l ( 1 9 7 6 ，1 9 8 0 ) 提出的吸引 6 1 绪论 可达性( a t t r a c t i o na c c e s s i b i l i t y ) 的公理体系( 具体见2 3 2 ) ，并提出六条公理，其它有 关可达性的模型均可纳入到w e i b u l l 这一公理体系中m2 1 1 。任何满足公理一到公理六的 可达性模型为标准可达性模型( s t a n d a r da t t r a c t i o n a c c e s s i b i l i t y ) 。w e i b u l l ( 1 9 7 6 ) 指出， 任何标准可达性具有如下形式( f 指可达性大小，d i 是到达目的地i 的距离，t l i 是目的 地i 的吸引力，x = 故矾，a 。境司是n 个目的地的组合) ： 厂 ，娥：。j = g ( z ( d 。，口1 ) o o z ( d 。，) ) ( 1 - 1 ) 典型的当标准二元操作符号。取+ 号时候，可达性模型为： 厂眦，鲰) 刈：窆z 瓴，鲰) 七= l ( 1 2 ) h a n s e n ( 1 9 5 9 ) 的空间交互模型，w i l s o n ( 1 9 7 1 ) 的势能( p o t e n t i a l ) 模型，e r l a n d e r ( 1 9 7 7 ) 和e r l a l l d e r 、s t e w a r t ( 1 9 7 8 ) 的考虑目的地吸引力的区位可达性模型及g e e r t m a n 和v a ne c k ( 1 9 9 5 ) 提出的考虑距离阻力的可达性模型均为上述模型的特殊形式。 当标准二元操作符号。取最大运算符时，可达性模型为： 陬, a k 峨：。j _ ，粤a x u ( d k ，嘶) ) ( 1 - 3 ) 其中，函数u ( ) 代表目的地对个体的效用。w i l1 i a m s ( 1 9 7 6 ) 和w i l1 i a m s 、s e n i o r ( 1 9 7 8 ) 提出的可达性模型均为上述模型的特殊形式。b e n - - a k i v a 和l e r m a n ( 1 9 7 9 ) 指出可达性模型应该提供一种直接计算个体效益的途径，而不是计算个体和目的地之间 潜在的交互作用，可达性的基本思想应该是计算土地利用交通系统提供给个体的效 益，在所有可选择方式集合中，效益最大的那种方式应是个体的最佳选择。 随着g 1 s 技术的普及和众多数理方法的引入，使得可达性研究更加有效、便捷和精 确。例如采用神经网络、贝页斯估计方法、空间相互作用模型对空间网络、流数据、网 络自相关等进行研究；引入矩阵方法，构造网络中的加权距离来衡量可达性的变化。 m i l l e r ( 1 9 9 1 ) 在地理信息系统的支撑下对基于网络的约束限制可达性进行了 计算。地理信息系统的引入极大的提高了可达性计算的准确性、可操作性和可达性模型 的应用范围。而k w a n 和h o n g ( 1 9 9 8 ) 通过引入认知( 获取信息的能力等) 约束，对 约束限制模型进行了改进，同时还分析了种族和性别对可达性的影响【l9 1 。 进入本世纪后各国对可达性的研究主要是在基于g i s 的基础上根据实际应用场合 对原有模型进行改进，并进一步扩展可达性的研究范围。其中值得关注的是景观可达性 概念和成本加权距离方法( c o s t w e i g h t e dd i s t a n c em o d e l i n g ) 被用于用于评价城市绿地 7 湖北人学硕十学位论文 服务功能的公平性- e s r i ( 1 9 9 1 ) ，j a v i e r & g a b r i e l ( 1 9 9 9 ) ，h a r i n i e t a l ( 2 0 0 3 ) 。 国内，最早对可达性展开研究的是宋小冬( 1 9 8 7 ) 所作的“居民出行可达性的计算机 辅助评价”【2 2 1 ，这在一定程度上弥补了国内可达性研究的空白。进入上世纪9 0 年代以 后，除了少数学者在可达性的基础研究上有所进展外，绝大多数主要是在不同的应用领 域对可达性评价方法进行改进，以及对可达性研究空间尺度的不断扩展。 其中对绿地的可达性评价方法不少学者结合实证进行了比较深入的研究，但同时也 存在一定的局限性：俞孔坚等( 1 9 9 9 ) 提出阻力矩阵分布模型，通过给出不同土地利用 类型的阻力指标，求出每一个矩阵单元的可达性指标，然而此模型只强调求出每一个矩 阵单元模型的可达性指标，并未明确给出阻力指标和可达性指标间的关系模型，并且阻 力指标仅限于针对不同土地利用类型【2 3 】；周廷刚等( 2 0 0 4 ) 侧重于城市绿地景观引力场 的研究，并在指标计算中考虑了人口分布、土地利用类型等因素，并引入城市景观引力 场模型以表达相关指标间的关系，这为研究可达性提供了一个较好的思路，然而景观引 力场是基于般引力模型，尤其是人口分布对景观引力场的影响是成正比例的，这对于 空间可达性并不完全适用【2 4 】；马林兵等( 2 0 0 6 ) 考虑了人口分布因素，并在着重研究城 市道路交通网络的基础上，提出基于交通成本的网格划分城市公共绿地景观可达性评价 方法，此方法沿用了传统研究可达性偏向于道路因素的思路，却忽略了土地利用因素的 影响【2 5 】；胡志斌等( 2 0 0 5 ) 则以人口密度、道路分布、土地利用以及绿地面积作为模型 参数，建立了城市绿地景观可达性评价模型，模型中借鉴了景观引力场的形式将人口分 布作为源地分布矩阵，然而没有明确其与景观引力场模型中的异同，并同样也没有给出 模型参数间的实际关系【2 q ；李博等( 2 0 0 8 ) 分析了相对阻力模型的不足，通过社会学方 法归纳出不同土地利用类型产生的不同阻力因素，然后将阻力因素组合到道路网络上， 从而建立基于道路扩散的阻力模型，并同时用基于栅格的空间分析和基于矢量的网络分 析进行模型的实例计算，模型的提出进一步解决了原有相对阻力模型不便于直接测量和 实测验证的问题，但模型本身并没有考虑人口密度和绿地自身规模等因素对可达性的影 响【2 7 1 。 8 2 景观阻力模犁的建立 2 景观阻力模型的建立 2 1 景观阻力与最小累计阻力模型 2 1 1 景观阻力 景观阻力( l a n d s c a p er e s i s t a n c e ) 的说法最早出现于理查德福尔曼( r i c h a r d f o r m a n ) 和米切尔戈登( m i c h e lg o d r o n ) ( 1 9 8 6 ) 共同所著的景观生态学( l a n d s c a p e e c o l o g y ) 。通常认为，影响物体流动速度的所有景观结构特征可统称为景观对运动的 阻力，景观阻力来源于四种因素 2 8 , 2 9 】，其中两个是边界特性：( 1 ) 界面通过频率，( 2 ) 界面的不连续性；另外两种因素是：( 3 ) 各景观要素对运动物体的适宜性或易接受性的 强烈影响，( 4 ) 每一个景观元素的总长度。另外福尔曼在其著述中针对研究景观阻力涉 及到的拓扑空间距离和重力模型也进行了说明，并强调了重力模型对描述穿越景观的流 的传播状况的实用性【2 8 1 。 与此同时景观生态学的研究中涉及到源一汇模型及源一汇系统理论【3 0 1 ，该理论认为 在地球表层系统普遍存在物质迁移运动，有的系统单元是作为物质迁出源( s o u r c e ) ， 而另一些系统组成单元则是作为接纳迁移物质的聚集场所，被称为汇( s i n k ) 。相关研 究表明源斑块、汇斑块，沟通源一汇的廊道及其所存在的基质的生境的变化都会影响到 源一汇间的物质流动，除此之外还要从生境斑块的大小、形状和边际特征等方面分析其 源一汇属性，斑块面积大时源效应也显著。 福尔曼的研究强调了各景观要素对运动物体的易接受性的强烈影响，虽然没有提出 具体的景观阻力模型，但仍然强调了重力模型的实用性；而源一汇理论更是强调了源效 应的作用2 8 1 。因此，影响物质流动的所有景观结构特征应该不仅包括运动过程中穿越景 观的结构特征，还应该包括源本身的景观特征。 人在城市中的运动也同物种及其它水平生态过程在异相景观中的运动一样，同样 需要克服空问阻力来完成【2 3 1 ，因此也可以运用景观阻力来衡量城市中某种“源 景观向 居民提供服务的可能性或潜力。 2 1 2 最小累计阻力模型 最小累积阻力( m i n i m u mc u m u l a t i v er e s i s t a n c e ，m c r ) 模型最早由k n a a p e nj p 等 人( 1 9 9 2 ) 在研究景观规划中的栖息地隔离机制问题时提出【1 2 】。后在国内由俞孔坚等 ( 1 9 9 8 ) 进一步修改后将其模型的公式确定为【1 3 1 ： m c r = f m i n ( 岛x r ，) ( i = 1 , 2 ，3 ，z ；= 1 , 2 ，3 ，m ) ( 2 - 1 ) 9 湖北大学硕十学位论文 式中d 打代表物种离开源和经过景观f 的扩散距离，尺，则是景观f 的阻力，m c r 是 物种由源扩散到空间某点的最小累积阻力。函数f 未知，但反映m c r 与变量慨x r ，) 之间的正比关系。每一种景观对物种扩散的阻力足由景观的基面特性和物种本身的扩散 能力决定。 m c r 所指的阻力反映的是空间距离和地表因素，然而，生态过程中的栖息地斑块 ( 源) 本身是有结构和功能的，其本身的形状大小和层次结构将影响其与相邻栖息地斑 块( 源) 之间的关系【13 1 。对于该问题不少学者在做实际应用时多有指出。 2 2 空间相互作用模型 空间相互作用模型是城市和区域研究的经典模型，此处主要根据宋小冬的总结，来 说明四种比较常用类型的空间相互作用模型 3 1 ，3 2 1 。 2 2 1 一般引力模型 在地理空间中，社会经济活动的强度往往和发生地点的需求水平成正比，和到达地 点的供应机会成正比，和交通成本成反比。这和牛顿力学中的万有引力定律很相似，在 地理学中一般意义上的引力模型表达为： i f = k o t d ，f ( d 盯) ( 2 - 2 ) j 打表示地理空间内f 地点到地点的社会经济活动强度( 如交通出行量) ，也可定义 为作用力。在研究区域时，疆圪，可代表城镇、村庄，在研究城市问题时，i 或，可代表 城市内部的某个分区。 k 为一个经验常数。 d i 为从f 位置产生社会经济活动的需求水平或发生力，往往用人口、城镇规模代替。 d ，为到达位置的社会经济活动的供应机会或吸引力，往往用就业岗位、商业设施 规模代替。 ( 略) 即交通成本函数，略一般表示从f 到的距离或时间。交通成本函数一般有两 种：幂函数；指数函数。这两种函数的适用性需经调查后决定。 2 2 2 一般潜能模型 一般引力模型表达了从i 位置到，位置的活动或空间作用力，得到的是空间内所有 点之间的相互作用。如果要对多个点的作用力大小进行比较，可以将一般引力模型简化 1 0 2 景观阻力模犁的建立 为单要素引力模型，即只考虑发生力或吸引力： a o = 吩f ( d u ) 以代表从f 位置到，位置的作用，相当于( 2 2 ) 式中的j 扩。 ( 2 3 ) m ，为位置的社会经济活动吸引力，相当于( 2 2 ) 式中的d ，。 厂( 办) 交通成本函数，和( 2 - 2 ) 式中的厂( 吒) 一致。 f 位置的综合作用力可以表达为： a ，= 鸣= ( m f ( d 驴) ) ( 2 - 4 ) jj 么，可以代表f 位置的社会经济活动的综合吸引强度，也可以解释成势能或潜能。吸 引力可以改成发生力，彳，就变成综合发生强度，或从发生角度解释的势能、潜能。 2 2 3 潜能模型的改进 综合势能或潜能的结果是一个绝对值，其量纲单位不直观，在相互比较时不方便， 为此有了以下改进： 弓= a v a t = ( m si f ( d o ) ) i ( z 0 6 厂( 比) ) ) ( 2 5 ) 七 ( 2 5 ) 式中的分母是( 2 - 4 ) 式，表示位置f 的综合潜能，分子是( 2 3 ) 式，为从f 到的单因素作用力，因此b 代表从f 到的作用力在f 位置所产生( 或受到) 的综合作 用力中所占的比重，是一个无量纲的相对值。显然： 弓 o 弓= 1 j 因此弓不但是一个无量纲的相对潜能，还可以认为是概率意义上的密度函数。 2 2 4 空间点的吸引范围模型 在区域空间内有两个吸引点f 和，在f 和歹之间有c 点，按一般引力模型，c 位置 和f 位置的空间相互作用力为： k = k 峨心f ( d i 。) ( 2 6 ) c 位置和，位置的空间相互作用力为： i 巧= k m ，m f ( d 巧) ( 2 7 ) 在( 2 6 ) 和( 2 7 ) 式中： ，表示空间相互作用力，和( 2 2 ) 式相同。 湖北大学硕十学位论文 k 是一个常数，和( 2 2 ) 式相同。 肘表示社会经济的吸引力或发生力，和( 2 2 ) 式中的0 、d 意义相同。 f ( d ) 表示交通成本函数。 以表示f 和c 之间的交通成本。 d 。，表示c 和之间的交通成本。 如果位置c 正好在两个相互作用力的平衡点上，就出现： k = 1 d ( 2 - 8 ) 根据式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可以得到： m ，m ，= f ( d 缸) f ( d c ，) ( 2 - 9 ) 从式( 2 9 ) 可看出，点c 和它的位置有关，和它自己的吸引力、发生力无关。上述 平衡点也可认为是位置f 和，之间空间相互作用的断裂点，如果围绕需要研究的位置， 将很多断裂点都计算出来，就可联成圈，形成封闭的边界，称该吸引点或发生点的空间 吸引范围。 2 3 吸引可达性公理体系及模型 2 3 1 可达性的概念 可达性( a c c e s s i b i - l i t y ) 的渊源久远，从古典的区位论开始，我们便不难发现其中所 蕴含的可达性的含义。最早可达性是反映交通成本的基本指标。在农业区位论中，杜能 就以交通运输为最根本的考虑因素，伴随着工业结构的变化，区位模型中传统的成本决 定因素至少在部分上已被一些新的区位因素所替代，但是交通成本始终是其中不可忽视 的一个方面h a n s e n 首次提出了可达性的概念，将其定义为交通网络中各节点相互作用 的机会的大小并利用重力方法研究了可达性与城市土地利用之间的关系。从此时起， 可达性研究得到了城市规划、交通地理、以及从事区域和空间研究的众多学者的关注【3 3 1 。 “可达性是一个灵活的( s l i p p e r y ) 概念只有在根据实际问题，对其进行定义和 计算时，人们才会使用诸多含义中的一个。【3 4 】”在对区域和空间的研究中可达性被作为 一项重要指标，但在不同的研究中，不同学者对可达性有不同的理解，其被赋予的意义存 在着相当的差别。 国内有学者将主要特征总结为以下几个方面3 3 】： ( 1 ) 可达性是一个空间的概念。可达性反映了空间实体之间克服距离障碍进行交 流的难易程度