徐 健

（華南理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)貿(mào)易學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1　引言

伴隨著我國制造業(yè)的粗放式膨脹擴(kuò)張，整體環(huán)境惡化已為人共知，工業(yè)園區(qū)的景觀設(shè)計及規(guī)劃也一直被從設(shè)計角度一再提及，但工業(yè)園區(qū)的總體實(shí)際景觀比例和環(huán)境、景觀設(shè)計的主觀評價卻鮮被關(guān)注.工業(yè)與環(huán)境的關(guān)系的研究始于Weber［1］的工業(yè)區(qū)位理論，經(jīng)過Losch［2］等的工業(yè)生命循環(huán)階段論和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展梯度轉(zhuǎn)移論，止于Krugman［3］的空間經(jīng)濟(jì)模型.經(jīng)過一些學(xué)者線性預(yù)測和從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的挖掘［4］，對工業(yè)生長的研究目前一直處于定性分析提出策略的角度，至今仍缺乏一種工業(yè)與環(huán)境之間的整體模型對工業(yè)生長與環(huán)境及景觀生態(tài)的矛盾關(guān)系進(jìn)行規(guī)劃指導(dǎo).目前也沒有基于景觀生態(tài)實(shí)際量化關(guān)系對工業(yè)與景觀生態(tài)用地發(fā)展的參數(shù)化模擬.

系統(tǒng)動力學(xué)方法基于定性分析，通過篩選系統(tǒng)因子將因子間邏輯關(guān)系寫入程序流圖，將數(shù)據(jù)帶入可以量化的有預(yù)測、調(diào)試功能的系統(tǒng)動力學(xué)模型Vensim軟件平臺中進(jìn)行仿真模擬，其結(jié)果具有很強(qiáng)的符實(shí)性、可靠性，擅長處理長期性、高階、非線性、時變性的多元反饋問題，在處理社會經(jīng)濟(jì)問題時顯示出了其他方法無可比擬的優(yōu)越性.本文旨在通過建立工業(yè)生長—景觀生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型和參數(shù)化模擬對城市基于平衡景觀生態(tài)保護(hù)和工業(yè)發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行性可持續(xù)性規(guī)劃提供建議.首先通過環(huán)境評價和景觀元素構(gòu)成比例揭示了工業(yè)發(fā)展對整個系統(tǒng)的影響，確立了模型架構(gòu)及五個子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)特征以哈爾濱為例訓(xùn)練并驗(yàn)證了系統(tǒng)動力學(xué)模型，進(jìn)而將量化關(guān)系進(jìn)行編程導(dǎo)入Grasshopper對工業(yè)生長指數(shù)進(jìn)行參數(shù)化三維模擬，對比模擬結(jié)果和哈爾濱市現(xiàn)有規(guī)劃提出建議.

2　模型因子分析

為了解城市工業(yè)園區(qū)實(shí)際環(huán)境情況，并明確工業(yè)發(fā)展與城市體系的內(nèi)在聯(lián)系，找到城市工業(yè)發(fā)展的主要影響因子和相關(guān)聯(lián)系，本文在全國范圍內(nèi)隨機(jī)抽取9個工業(yè)園區(qū)進(jìn)行270份環(huán)境問卷調(diào)查［5］.結(jié)果顯示，空氣、水和噪聲污染滿意度最低；受訪者通過植物覆蓋程度和動物生存遷徙情況評價表達(dá)了對綠化廊道和生態(tài)廊道的連通度的不滿；在城市經(jīng)濟(jì)方面，公眾對景觀設(shè)計評價均為不滿意，其中水景設(shè)計及應(yīng)用最低；在體育活動設(shè)施方面，公眾對康體設(shè)施的建設(shè)表示不滿，但是對休閑廣場表示滿意；在公眾的主觀感受方面，工業(yè)城市中的人們普遍覺得舒適和安全；公眾呼喚減慢工業(yè)建設(shè)速度以減輕環(huán)境污染和恢復(fù)景觀生態(tài)，并有很強(qiáng)的與政府配合意愿和個體奉獻(xiàn)精神.問卷結(jié)果體現(xiàn)了工業(yè)城市快速發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染和景觀生態(tài)破壞，當(dāng)?shù)孛癖姾魡菊畢⑴c性的控制與能協(xié)調(diào)景觀生態(tài)和工業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性規(guī)劃.

為全面考慮客觀環(huán)境對主觀問卷結(jié)果的影響，對采訪園區(qū)進(jìn)行了視頻采集，經(jīng)過校正景深以及天空比例和MATLAB中值濾波處理后，將視頻每十幀截取一幅分解成若干圖片（1280*720，JPG）.進(jìn)而通過定義三種主要景觀元素在圖像中的顏色閾值計算工業(yè)、景觀綠化、公共設(shè)施像素各在視頻中所占比例，得到主觀評價和景觀像素比例之間的相關(guān)性.

綜上，將主觀評價結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計，結(jié)合客觀景觀構(gòu)成比例得出工業(yè)生長、環(huán)境污染、景觀生態(tài)、發(fā)展和政策與包括主觀感受、景觀設(shè)計、體育活動設(shè)施在內(nèi)的城市經(jīng)濟(jì)體系之間的聯(lián)系依據(jù)，建立出工業(yè)城市系統(tǒng)因果關(guān)系框架，如圖1所示，為工業(yè)城市系統(tǒng)動力學(xué)的模型建立了主觀與客觀交叉的量化關(guān)系基礎(chǔ).

圖1　城市工業(yè)生長系統(tǒng)因果關(guān)系流圖

3　建立系統(tǒng)動力學(xué)模型

應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)工業(yè)與城市其它體系之間的相對閉合量化模型，較傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型更能充分反映系統(tǒng)的非線性結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化，完成從定性到量化的轉(zhuǎn)變.結(jié)合以上問卷及調(diào)研分析結(jié)果，并借鑒工業(yè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)理論［1］及Wrigley等對工業(yè)區(qū)和人口變化關(guān)系的研究［6］及Pargal等對發(fā)展中國家的工業(yè)污染環(huán)境研究［7］等理論成果，本研究將整個體系分解為企業(yè)子系統(tǒng)、城市經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)、景觀生態(tài)子系統(tǒng).將調(diào)查問卷公眾評價相關(guān)性結(jié)果及三種景觀像素與問卷結(jié)果的相關(guān)性結(jié)論融入圖1因果關(guān)系流圖，生成了工業(yè)城市系統(tǒng)動力學(xué)子系統(tǒng)關(guān)系模型框架圖，如圖2所示.

哈爾濱從建國初期就是中國的工業(yè)基地，在過去的幾十年工業(yè)發(fā)展迅速而目前卻遭遇景觀生態(tài)制約而陷入瓶頸停滯不前，具有研究典型代表性［8］，其社會基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完備且衛(wèi)星圖像清晰連續(xù)，具有研究可行性.因此，本文以哈爾濱為例，統(tǒng)計其2000-2010年社會、經(jīng)濟(jì)、人口、數(shù)據(jù)應(yīng)用主成分分析和因子分析相結(jié)合約減變量的方法結(jié)合文獻(xiàn)理論綜述最終遴選出各個子系統(tǒng)的主要影響因子，確定子系統(tǒng)中的水平變量和速率變量.

圖2　城市工業(yè)生長—景觀生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型框架圖

為避免工業(yè)系統(tǒng)無盡的向外擴(kuò)張，系統(tǒng)設(shè)定以下邊界：在工業(yè)子系統(tǒng)量化中，以政府年鑒中列入的大中規(guī)模企業(yè)數(shù)量計算；環(huán)境子系統(tǒng)因子取值按歷年工業(yè)污染所占各項(xiàng)環(huán)境污染加權(quán)平均比例值進(jìn)行計算；在以上限定下，分析主要影響因子間的因果關(guān)系用Vensim DSS建立工業(yè)城市系統(tǒng)動力學(xué)總模型，如圖3所示，應(yīng)用2005-2015年數(shù)據(jù)將模型訓(xùn)練使其平衡.

圖3　工業(yè)生長—景觀生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)總模型

由于Vensim軟件的公式編輯限制導(dǎo)致的誤差必然性［9］，模型進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和未來預(yù)測檢驗(yàn).選擇2005-2015年所有系統(tǒng)因子與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行值相比較，全部因子平均誤差率為2.96%；對模型進(jìn)行未來模擬測試得到2010年模擬數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比誤差為3.29%，在誤差允許范圍5%以內(nèi)［10］，證明了模型的可靠性和有效性.

應(yīng)用本模型可以對其它狀態(tài)變量（如工業(yè)、人口、環(huán)境污染投資等）進(jìn)行多種發(fā)展方案假設(shè)模擬，根據(jù)模型輸出變化觀察景觀格局指數(shù)的動態(tài)變化趨勢和范圍，從而保持工業(yè)建設(shè)和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口遷徙及環(huán)境污染、景觀生態(tài)的平衡，從宏觀上指導(dǎo)城市工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［11］；模型應(yīng)用靈活，可以簡化和變形及增加因子對多種問題進(jìn)行假設(shè)模擬，例如，增加“城市分布形態(tài)”因子，使系統(tǒng)在不用城市形態(tài)下重新平衡，即可通過模擬比較分析不同城市分布模式下，城市景觀生態(tài)風(fēng)險性的不同［12］.還可以通過系統(tǒng)因子之間的關(guān)系發(fā)覺系統(tǒng)之間的量化關(guān)系，將其間的數(shù)學(xué)關(guān)系倒入可視化參數(shù)化模型，使量化關(guān)系變成可視化參數(shù)化模型，從而實(shí)際指導(dǎo)城市工業(yè)用地規(guī)劃布局.

4　系統(tǒng)動力學(xué)的應(yīng)用及參數(shù)化模擬結(jié)果

Grasshopper通過方案邏輯結(jié)合編程指導(dǎo)建模過程，可以通過參數(shù)的調(diào)整直接改變模型形態(tài)，完成從量化到形態(tài)化模擬的轉(zhuǎn)變［13］.目前，哈爾濱在老工業(yè)基地復(fù)興進(jìn)程中面臨工業(yè)生長和景觀生態(tài)保護(hù)的矛盾，單純系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬結(jié)果不足以完整的指導(dǎo)具體工業(yè)發(fā)展方位性規(guī)劃.因此，研究將量化轉(zhuǎn)化為立體模擬，以點(diǎn)、線、面的路徑對柵格（柵格為200*200m）內(nèi)圓柱的高度影響模擬不同用地分類對周圍用地工業(yè)生長指數(shù)影響，經(jīng)過對電池組進(jìn)行邏輯梳理和系統(tǒng)編程將量化關(guān)系在平面上“生長”出符合區(qū)域景觀生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展的哈爾濱工業(yè)生長曲面.

4.1　邏輯關(guān)系

根據(jù)工業(yè)生長—景觀生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型（見圖3）的各種用地關(guān)系得出各種用地斑塊與工業(yè)用地之間的數(shù)學(xué)回歸關(guān)系，如圖4所示.經(jīng)定性分析結(jié)合量化結(jié)果得出各種用地類型斑塊對生產(chǎn)用地斑塊的生成刺激、屏蔽及削弱的邏輯關(guān)系，如圖5所示，建立參數(shù)化模擬的邏輯基礎(chǔ).

圖4　各種土地類型與工業(yè)用地之間的數(shù)學(xué)回歸關(guān)系

圖5　各種土地類型與工業(yè)用地之間的邏輯關(guān)系

4.2　程序設(shè)定

由以上數(shù)學(xué)關(guān)系推演得到中的各種用地斑塊對哈爾濱邊界內(nèi)的土地柵格工業(yè)生長指數(shù)（I）公式，如表1所示，公式的設(shè)定決定了最后的模擬效果.

表1　各種用地斑塊對邊界內(nèi)工業(yè)生長指數(shù)影響類型及公式

4.3　參數(shù)化模擬結(jié)果

在城市景觀生態(tài)與工業(yè)生長可持續(xù)平衡發(fā)展的前提下，為保證各種用地類型的鑲嵌關(guān)系和綠地廊道的連續(xù)性，參數(shù)化模擬應(yīng)在景觀異質(zhì)性指數(shù)在0.72-0.78和綠地景觀聯(lián)通度為0.35-0.39取值范圍下進(jìn)行（景觀指數(shù)變化范圍不超過系統(tǒng)動力學(xué)模型試驗(yàn)極限值的5%，如超過此范圍Grasshopper中的公式因打破了系統(tǒng)平衡需重新設(shè)置）.其模擬結(jié)果如圖6所示，a、b、c、d、e依次代表廢棄用地、公路和鐵路、城市居住用地、綠化用地、濕地水域用地對邊界內(nèi)的其他用地工業(yè)生長指數(shù)的影響，其影響強(qiáng)度和范圍平面圖如圖6（a-e）-1所示；其影響的強(qiáng)弱以地塊柵格內(nèi)圓柱高度的代表，如圖6（a-e）-2、6（a-e）-3以兩個方向的鳥瞰圖展示參數(shù)化立體模擬的結(jié)果.

圖6　各種用地對工業(yè)生長指數(shù)的影響演示及立體模擬效果

如圖7所示，將各種用地對邊界內(nèi)土地工業(yè)生長指數(shù)的影響融合，在Grasshopper中進(jìn)行效果疊加得到所有用地類型對哈爾濱市的工業(yè)建設(shè)指數(shù)分布圖.如圖7-1所示，柵格所對應(yīng)的柱狀高度代表此地塊的工業(yè)生長指數(shù)，即柱形高度越高越該地塊越適合發(fā)展工業(yè).將柱狀頂點(diǎn)連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如圖7-2所示），再將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)渲染成面（如圖7-3所示），對其進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)化設(shè)置，從景觀生態(tài)保護(hù)的角度設(shè)定景觀異質(zhì)性指數(shù)和綠地聯(lián)通度求取系統(tǒng)運(yùn)行均值的情況下，如圖7-4所示，圖中綠色部分均為不適合發(fā)展經(jīng)濟(jì)的地區(qū)，灰色部分為可以進(jìn)行工業(yè)開發(fā)的區(qū)域.

圖7　多種因素共同作用下的哈爾濱工業(yè)生長指數(shù)曲面

將此模型對應(yīng)哈爾濱實(shí)際的用地分類圖即得到哈爾濱具體工業(yè)生長開發(fā)曲面，可觀測到各柵格所對應(yīng)的工業(yè)生長指數(shù)，如圖8a所示，對比哈爾濱現(xiàn)有城市工業(yè)開發(fā)規(guī)劃（2011-2020年）如圖8b所示［14］，分析可以得到政府規(guī)劃發(fā)展的工業(yè)用地的工業(yè)生長指數(shù)情況.

圖8　基于景觀生態(tài)保護(hù)的哈爾濱市工業(yè)生長指數(shù)曲面和（2011-2020）工業(yè)用地規(guī)劃對比圖

基于以上分析，得出對原有工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的兩點(diǎn)建議：

（1）根據(jù)本文研究結(jié)果，哈爾濱的工業(yè)開發(fā)重點(diǎn)依次為呼蘭鐵東工業(yè)區(qū)、哈南新區(qū)、松浦工業(yè)區(qū)、哈東工業(yè)區(qū)、利民開發(fā)區(qū)、道里西部地區(qū)（含高開區(qū)）、江北科技園區(qū)和三大動力工業(yè)區(qū)，投資次序應(yīng)按工業(yè)生長指數(shù)次序排序.

（2）基于城市景觀生態(tài)學(xué)保護(hù)理論，道里西部地區(qū)（含高開區(qū)）、江北科技園區(qū)和三大動力工業(yè)區(qū)地理位置不適于作為大面積工業(yè)開發(fā)用地，如強(qiáng)制開發(fā)將對哈爾濱城市生態(tài)體系健康有不良影響.如必須對其進(jìn)行工業(yè)建設(shè)，應(yīng)限定產(chǎn)業(yè)類型，如綠色食品基地、科技合作基地等環(huán)境污染小的產(chǎn)業(yè)類型.

5　結(jié)語

本文通過主觀問卷調(diào)研發(fā)掘城市工業(yè)和城市各系統(tǒng)間的關(guān)系，進(jìn)而建立了城市工業(yè)生長—景觀生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型.根據(jù)模型得到基于景觀生態(tài)保護(hù)的各用地之間的量化關(guān)系，應(yīng)用Grasshopper編程生成了基于景觀生態(tài)保護(hù)的工業(yè)生長指數(shù)參數(shù)化三維模型.本研究將景觀生態(tài)與社會發(fā)展相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了從理論到量化，從量化到動態(tài)形象化轉(zhuǎn)變.工業(yè)生長曲面可以直觀表達(dá)基于景觀生態(tài)保護(hù)的規(guī)劃用地的工業(yè)開發(fā)適宜度，根據(jù)曲面的高度指導(dǎo)工業(yè)開發(fā)的用地走向，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展和景觀生態(tài)及環(huán)境保護(hù)找到了一種可持續(xù)的平衡發(fā)展模式.規(guī)劃決策者可以根據(jù)此模型對現(xiàn)有規(guī)劃方案進(jìn)行補(bǔ)充及校正，也可以對未來規(guī)劃進(jìn)行有效理論指導(dǎo)；另外，通過對系統(tǒng)動力學(xué)模型內(nèi)的因子進(jìn)行方案假設(shè)，如模擬人口、企業(yè)激增或銳減模擬，政府環(huán)保投資力度模擬，鹽堿地綠化模擬等，既可以通過系統(tǒng)動力學(xué)的重新平衡得知經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境、生態(tài)各子系統(tǒng)變化，又可由新的量化關(guān)系參數(shù)化模擬工業(yè)生長曲面的形態(tài)，對城市長期規(guī)劃發(fā)展有著實(shí)踐指導(dǎo)和理論模擬的雙重意義.