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        城市綠地演化軌跡與變化研究

        2021-11-10 02:44:07王瓊姚申君吳健平周穎張靜
        關(guān)鍵詞:城市綠地

        王瓊 賓 姚申君 吳健平 周穎 張靜

        摘要:城市綠地是城市綠化系統(tǒng)和城市景觀的重要組成部分,具有重要的生態(tài)、社會、心理和經(jīng)濟功能。作為城市綠地研究的重要組成部分,城市綠地的演化軌跡與變化規(guī)律的研究對維持城市綠地系統(tǒng)的穩(wěn)定性和優(yōu)化城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有重要的意義。傳統(tǒng)的大部分綠地變化研究多采用景觀指數(shù)和空間分析等方法,難以反映出綠地斑塊的變化過程、變化類型及空間分布規(guī)律。本研究首先定義了7種城市綠地演化類型,分別為連續(xù)、擴張、收縮、消失、新增、合并和分解,以此為基礎(chǔ)構(gòu)建出以綠地斑塊為節(jié)點、以綠地演化類型為邊的綠地演化圖。以上海市外環(huán)以內(nèi)區(qū)域作為研究區(qū)域,基于綠地演化圖對2008年、2012年和2016年的綠地演化過程進行了提取和三維可視化,并分析了城市綠地變化過程及城市綠地全局變化的空間分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:上海市外環(huán)以內(nèi)的綠地變化以新增與消失兩種變化類型最為突出。其中新增的城市綠地斑塊空間分布較為均勻,新增的小斑塊多分布于中心區(qū)域,而新增的大斑塊多位于邊緣區(qū)域。消失的綠地出現(xiàn)在非中心位置的較多,而且浦東新區(qū)外環(huán)以內(nèi)的區(qū)域占比最多。與2008—2012年的城市綠地變化相比,2012—2016年新增綠地的空間分布更加均勻,消失綠地的位置分布更加集中。

        關(guān)鍵詞:城市綠地;演化類型;演化圖/演化軌跡;綠地變化

        中圖分類號:K909文獻標(biāo)志碼:ADOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.010

        Evolutionandchangeofanurbangreenspace:AcasestudyontheouterringofShanghai

        WANGQiong1,2,WUBin1,2,YAOShenjun1,2,WUJianping1,2,ZHOUYing3,ZHANGJing3

        (1.KeyLaboratoryofGeographicInformationScience(MinistryofEducation),EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China;

        2.SchoolofGeographicSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China;

        3.ShanghaiGreeningandAppearanceAdministration,Shanghai200040,China)

        Abstract:Urbangreenspaceisanimportantpartoftheurbangreensystemandurbanlandscape,withimportantecological,social,psychological,andeconomicfunctions.Theevolutionarytrajectoriesandchangepatternsofurbangreenspacesareofgreatsignificancetothesustainabledevelopmentofurbangreenspacesystemsandtheoptimizationoftheurbanecologicalnetwork.Thereisongoingemphasisonurbangreenspaceresearch;mostpreviousresearchstudiesongreenspacechangeshaveusedlandscapeindicesandspatialanalysismethods,whichstruggletoaccuratelyreflectthechangeprocess,changetypes,andspatialdistributionpatternsofgreenspace.Inourpaper,seventypesofgreenspaceevolutionweredefined,includingcontinuous,expansion,contraction,dissipation,creation,merging,andsplitting.Then,anevolutiongraphwasconstructedbydefininggreenspacepatchesasnodesandgreenspaceevolutionrelationsasedges.Basedonthegreenspaceevolutiongraph,thegreenspaceevolutionprocessanditscorrespondingevolutionarytrajectorywerefurtherextractedandvisualized.TakingtheShanghaicitycenterasacasestudyarea,thespatialdistributionpatternandchangeprocessoftheurbangreenspacefor2008,2012,and2016wereextracted.Resultsindicatedthatthemostdominantgreenspaceevolutiontypeswerecreationanddissipation.Thenewlyaddedurbangreenspacepatchesweremoreevenlydistributedcomparedwiththosepatchesinvolvedwithanevolutiontypeofdissipation.Smallpatchesweremorelikelytobelocatedintheurbancenter,whilelargepatchestendedtobeconcentratedinruralareas.Thelocationofgreenspacepatchesthatdisappearedweremostlyconcentratedinnon-centralareas,particularlyinthePudongNewArea.Comparedwiththeurbangreenspacechangesbetween2008and2012,locationswherenewgreenspaceappearedbetween2012and2016weremoreevenlydistributed,whilelocationswheregreenspacedisappearedweremoreconcentrated.

        Keywords:urbangreenspace;typesofevolution;evolutionarygraph/evolutiontrack;greenspacechange

        0引言

        城市綠地具有重要的生態(tài)、社會、心理、經(jīng)濟功能。作為城市綠化系統(tǒng)的重要組成部分,城市綠地可以吸收空氣中的二氧化碳并釋放氧氣,吸收熱輻射以緩解城市熱島效應(yīng)[1-4]。同時,城市綠地也是城市生態(tài)系統(tǒng)中具有自動調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)設(shè)施,在美化市容、凈化水質(zhì)[5]、吸收污染物[6]、降低噪音[7]、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡、改善小氣候[8]和控制城市空間尺度中發(fā)揮著主導(dǎo)性作用[9]。在社會功能方面,城市綠地使得城市景觀更加接近自然[10],使得城市居民與大自然相處得更加和諧[11],提高了人民的幸福指數(shù)[12-13]。不僅如此,城市綠地還具有重要的心理功能[14],如緩解生活壓力、振奮精神[15]、有利于抑郁癥患者的身心恢復(fù)[16]。優(yōu)美的城市綠地對旅游事業(yè)的發(fā)展也起到了積極的作用,能夠產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益[17]。

        快速的城市化發(fā)展使得城市綠地的空間結(jié)構(gòu)與布局發(fā)生了很大變化[18]。研究城市綠地動態(tài)演變對維持城市綠地系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義,有利于把握城市綠地的空間變化,增強城市應(yīng)對環(huán)境變化的能力[19],為綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供更加科學(xué)合理的決策支撐[20-22]?,F(xiàn)有城市綠地變化大多采用統(tǒng)計分析、遙感監(jiān)測、空間分析、景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)等方法進行監(jiān)測。通過對綠地率[23]、綠地面積[24]、綠地百分比等進行統(tǒng)計分析,僅能得到全局上的綠地規(guī)模變化,無法細(xì)致地分析城市綠地變化空間分布特點。結(jié)合GIS和遙感方法的城市綠地變化研究僅能統(tǒng)計分析出新增和減少兩種綠地變化類型和分布,而新增和減少并不能囊括所有的綠地變化類型[25]?;诰坝^生態(tài)學(xué)統(tǒng)計的聚合度指數(shù)、形狀指數(shù)、破碎化程度等[26-28]單一的景觀格局指數(shù)值變化分析城市綠地變化規(guī)律,既不能反映單個綠地斑塊的變化過程、變化類型,也不能反映城市綠地變化的空間位置分布規(guī)律。隨著城市綠地研究的深入,圖論逐漸被應(yīng)用在綠地的定量變化分析中。例如,王子維等[29]結(jié)合形態(tài)學(xué)空間格局分析模型與圖論對東鄉(xiāng)區(qū)的綠地網(wǎng)絡(luò)連通性變化實行定量分析。王銘子[30]將城市綠地簡化為由節(jié)點和線組成的網(wǎng)絡(luò),利用圖論中的α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)研究綠地系統(tǒng)的整體變化特點。穆博等[27]利用圖論原理分析了綠地斑塊規(guī)模、數(shù)量和空間分布特征的變化過程。綜上所述,現(xiàn)有城市綠地研究方法無法兼顧全局與個體綠地斑塊的變化,且只能分析出變化的結(jié)果,并不能追蹤出變化的過程及除新增和減少之外的變化類型。

        本文利用圖論原理構(gòu)建城市綠地演化圖,從微觀上分析個體城市綠地斑塊的演化軌跡,進而提取出宏觀層面上的城市綠地數(shù)量與空間位置的變化過程,為城市綠化管理與未來的城市綠化規(guī)劃和空間格局調(diào)控提供決策支持,為城市綠地的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論依據(jù)。

        1研究區(qū)與數(shù)據(jù)

        上海市作為國際化的大都市,隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展,上海市各個區(qū)域的城市綠地也在發(fā)生著變化。據(jù)上海市綠化和市容管理局2016年上海市綠化林業(yè)遙感調(diào)查數(shù)據(jù)分析報告顯示,截至2016年2月,上海市外環(huán)以內(nèi)區(qū)域總綠地率達到28.17%,綠化覆蓋率為30.11%。相比2015年,綠地率增加了0.45%,綠化資源覆蓋程度增加了0.60%。本文選取的研究區(qū)是外環(huán)以內(nèi)區(qū)域(見圖1),占地面積約660km2,主要覆蓋區(qū)域包括黃浦區(qū)、徐匯區(qū)、長寧區(qū)、楊浦區(qū)、虹口區(qū)、普陀區(qū)、靜安區(qū)(含原閘北區(qū))的全部區(qū)域以及嘉定區(qū)、浦東新區(qū)(含原南匯區(qū))、寶山區(qū)、閔行區(qū)的部分區(qū)域。

        本文采用的2008年、2012年和2016年的綠地數(shù)據(jù)由上海市綠化和市容管理局提供,根據(jù)每年1—3月空間分辨率為1m的航空遙感影像進行目視解譯獲得,坐標(biāo)系為上海市城建坐標(biāo)系。采用隨機抽樣的方式選取48個綠地樣本,對綠地樣本進行實地采集后與遙感目視解譯結(jié)果進行面積誤差分析,得到3年的綠地數(shù)據(jù)解譯的面積誤差分別為4.46%、4.78%、5.43%,表明遙感解譯獲得的綠地數(shù)據(jù)具有較高的可信度。圖1展示了2016年上海市外環(huán)以內(nèi)的綠地分布情況。經(jīng)統(tǒng)計,2008年、2012年和2016年的綠地斑塊數(shù)量分別是392035個、419839個和435413個,斑塊數(shù)量逐年增長;綠地面積分別為148.9km2、165.3km2和171.0km2,也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

        2研究方法

        本文首先基于圖論原理提出了城市綠地的動態(tài)演化類型。其次,構(gòu)建城市綠地演化圖以重建城市綠地的時空演變過程,將演化圖三維可視化為城市綠地的演化軌跡。最后,根據(jù)相鄰年份城市綠地數(shù)據(jù)及其演化圖提取出發(fā)生變化的城市綠地。

        2.1城市綠地演化軌跡

        2.1.1演化類型與演化圖

        參考文獻[31-32]將城市綠地的演化類型分為連續(xù)、擴張、收縮、消失、新增、合并、分解,具體含義如表1所示。

        本研究根據(jù)面積比值法[33]判斷其具體的演化類型:假設(shè)年份的綠地斑塊面積表示為 ,年份的綠地斑塊面積表示為 ,重疊部分的面積則可以表示為 。

        (1)連續(xù):當(dāng)某綠地斑塊在兩個相鄰的年份具有相同或相似的空間位置范圍,同時滿足 且 。綠地連續(xù)演化類型示意圖見圖2(a)。

        (2)擴張:當(dāng)年份t的某綠地斑塊空間范圍小于年份t+1的空間范圍時,滿足? 且 ;同時,年份的這一斑塊與年份t的其他斑塊之間不相交,或者相交的面積小于5%。綠地擴張演化類型示意圖見圖2(b)。

        (3)收縮:當(dāng)年份t+1的某綠地斑塊空間范圍小于年份t的空間范圍時,滿足? 且 ;同時,年份t的這一斑塊與年份t+1的其他斑塊之間不相交,或者相交的面積小于5%。綠地收縮演化類型示意圖見圖2(c)。

        (4)消失:相似的空間位置上,年份t存在的綠地年份t+1時不存在。綠地消失演化類型示意圖見圖2(d)。

        (5)新增:相似的空間位置上,年份t不存在的綠地年份t+1時存在。綠地新增演化類型示意圖見圖2(e)。

        (6)合并:年份t+1的一個綠地斑塊面積與年份相似空間位置內(nèi)的2個或更多綠地斑塊中的每個綠地斑塊面積重疊度≥95%,即滿足 。綠地合并演化類型示意圖見圖2(f)。

        (7)分解:年份的一個綠地斑塊面積與年份相似空間位置內(nèi)的2個或更多綠地斑塊中的每個綠地斑塊面積重疊度≥95%,即滿足 。綠地分解演化類型示意圖見圖2(g)。

        演化圖由點和有向線組成,有向線由年份中的城市綠地斑塊的幾何中心(起點)指向?qū)?yīng)位置上年份t+1中的城市綠地斑塊幾何中心(終點),線的屬性包括綠地演化類型、起點綠地斑塊編號、終點綠地斑塊編號。演化圖的起始節(jié)點所對應(yīng)的時間即為城市綠地過程發(fā)生的初始時間,演化圖的終止節(jié)點所對應(yīng)的時間即為城市綠地過程發(fā)生的結(jié)束時間,演化圖的深度也直接反映過程發(fā)生的持續(xù)時長(結(jié)束時間–初始時間)。在演化圖的基礎(chǔ)上,根據(jù)相鄰年份的城市綠地數(shù)據(jù)與它們之間的演化圖,提取出城市綠地發(fā)生變化的部分及其具體的變化類型。如圖3中的綠地斑塊A的演化軌跡為:A擴張為B,B分解為C、D和E,C、D、E分別在年份t4發(fā)生了收縮、消失與連續(xù)。

        2.1.2城市綠地演化軌跡

        本研究在文獻[34]提出的時空關(guān)系圖基礎(chǔ)上,利用城市綠地演化軌跡研究城市綠地個體斑塊的演化過程。演化軌跡由構(gòu)成時空變化過程中的綠地幾何中心點按時間先后順序連接而成,每一個中心點的三維坐標(biāo)均表示為 ,其中GX和GY表示該綠地斑塊的平面中心坐標(biāo),ti代表該城市綠地所處年份。演化軌跡采用ArcGIS平臺的ArcScene軟件進行三維可視化,以時間軸T為Z軸,(X,Y)表示城市綠地斑塊的平面空間位置。將城市綠地斑塊的時空變化過程定義為(X,Y,T)在三維空間中的一條軌跡。

        2.2城市綠地變化

        根據(jù)演化圖統(tǒng)計出后一年份相較于前一年份的各種類型的城市綠地變化的數(shù)量。根據(jù)相鄰年份的上海市外環(huán)以內(nèi)的綠地數(shù)據(jù),利用演化類型的具體判斷方法提取出后一年份相較于前一年份的各種類型的城市綠地變化的空間位置。

        3結(jié)果分析

        3.1城市綠地演化軌跡

        根據(jù)2008—2012年、2012—2016年演化圖和2008年、2012年、2016年的綠地數(shù)據(jù)生成上海市外環(huán)以內(nèi)2008—2012年城市綠地的演化軌跡,如圖4(a)所示。本文選取虹橋街道區(qū)域(圖4(a)中紫色框區(qū)域)的演化軌跡進行具體的展示,如圖4(b)所示。

        進一步地,在圖4(b)中選取不同的城市綠地演化類型示例進行展示(見圖5)。

        從圖5中可以看出,通過演化軌跡可以從微觀角度得到每個綠地斑塊的演化軌跡、演化類型。以圖5(a)為例,2008年編號為2782、2786、2789、3064、3088、3379的綠地斑塊擴張為2012年中編號為1663、1667、1670、1938、1961、2598的綠地斑塊。在2012—2016年內(nèi),以上綠地保持連續(xù)。

        3.2城市綠地變化

        3.2.1城市綠地變化數(shù)量

        根據(jù)外環(huán)以內(nèi)演化圖和城市綠地斑塊提取出發(fā)生變化的城市綠地斑塊,并根據(jù)變化的綠地斑塊統(tǒng)計出各個變化類型的斑塊數(shù)量,如表2所示。

        根據(jù)表2可知,相較于2012年,39.7%的2008年城市綠地發(fā)生了變化;相較于2016年,29.7%的2012年城市綠地發(fā)生了變化。

        就單個變化階段而言,兩個變化階段的數(shù)量變化趨勢有一定的相似性。外環(huán)以內(nèi)的城市綠地變化以新增和消失兩種變化為主,其他4種變化數(shù)量相對較少。新增綠地個數(shù)大于消失的綠地個數(shù),分解的綠地斑塊個數(shù)大于合并的綠地斑塊個數(shù),收縮的綠地斑塊個數(shù)大于擴張的綠地斑塊個數(shù)。

        就兩個變化階段比較而言,后一變化階段擴張、新增、收縮、消失的綠地斑塊數(shù)量和對應(yīng)變化類型的比例較2008—2012年變化階段都有所減少。且新增和消失兩種變化類型下降較大;合并、分解兩種類型占比提升較小,僅0.1%。

        3.2.2城市綠地空間變化

        根據(jù)城市綠地數(shù)據(jù)與演化圖提取的城市綠地發(fā)生新增、消失、收縮、擴張、合并、分解變化的空間位置分布如圖6、圖7所示。

        由圖6可以看出,新增的城市綠地斑塊位置分布較均勻,但是新增的綠地斑塊中,面積小的城市綠地斑塊在外環(huán)以內(nèi)的中心位置分布較多,面積大的城市綠地斑塊在外環(huán)以內(nèi)的邊緣區(qū)域分布較多。其中,浦東新區(qū)的南部地區(qū)和寶山區(qū)外環(huán)以內(nèi)的區(qū)域新增的綠地斑塊面積較大且較多。相對而言,外環(huán)內(nèi)中心位置綠地覆蓋率較高,且類型比較穩(wěn)定,綠地新增較少,所以研究區(qū)域中心位置的變化斑塊面積小。從整個研究區(qū)域來看,消失的綠地斑塊分布較零散,且位于非中心位置較多,尤其是浦東新區(qū)。

        從圖7中可以看出,在2012—2016年期間,新增城市綠地斑塊主要分布于浦東新區(qū)與寶山區(qū)的外環(huán)以內(nèi)區(qū)域,研究區(qū)域中心位置綠地斑塊面積小,邊緣位置的綠地斑塊面積大?!秾毶絽^(qū)區(qū)域總體規(guī)劃實施方案(2005—2020)》中要求推進中心城區(qū)綠化建設(shè)、空間形態(tài)改造,構(gòu)建“一心、一環(huán)、六圓、六脈、多點”的綠化結(jié)構(gòu)體系,因此外環(huán)以內(nèi)的寶山區(qū)新增綠地空間分布更加均勻。《浦東新區(qū)總體規(guī)劃方案(2010—2020)》以多心開敞式的總體規(guī)劃要求,在各分區(qū)之間插入楔形綠地,形成了浦東新區(qū)大、小結(jié)合,點、面結(jié)合,環(huán)、楔結(jié)合及平、立面結(jié)合的多功能、多效益、完整的綠地框架結(jié)構(gòu)。從整體上看(見圖7),消失的大面積城市綠地斑塊主要集中分布于浦東新區(qū),少量分布于徐匯區(qū)、楊浦區(qū)和其他區(qū)域,并呈現(xiàn)出集中分布在某幾個區(qū)域的特征;而消失的小面積城市綠地斑塊則零星分布于其他的區(qū)域內(nèi)。進一步地,結(jié)合2012年、2016年的航空遙感影像,對浦東新區(qū)蘭谷路和洲海路附近的綠地消失情況進行了對比和分析。如圖8中紅色框區(qū)域所示,該區(qū)域由2012年的綠地變化為2016年的水體,在本文的變化檢測結(jié)果表現(xiàn)為綠地消失。

        與2008—2012年的城市綠地變化相比,2012—2016年新增和消失的綠地斑塊面積較大,特別是浦東新區(qū)南部地區(qū)。新增綠地的空間分布更加均勻,消失綠地的位置分布更加集中。城市總體規(guī)劃的實施及城市綠地政策的變化是城市綠地空間變化的重要因素?!渡虾J谐鞘锌傮w規(guī)劃(1999—2020)》要求在中心城的熱中心區(qū)域規(guī)劃建設(shè)公共綠地以減緩熱島效應(yīng),形成中心城綠化“環(huán)、楔、廊、園”全面建設(shè)的格局。2010年,世博會的舉辦極大地提升了沿江區(qū)域的綠化分布。本文研究成果及研究方法可以用于全局與個體綠地斑塊的變化、數(shù)量與空間位置的變化、變化的過程和變化的類型等研究中,可以在城市綠地的建設(shè)中把握城市綠地整體變化特點和追蹤單個城市綠地的具體變化過程,為城市綠地精細(xì)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

        4結(jié)論

        本研究主要結(jié)合現(xiàn)有研究和城市綠地變化的特點,提出了7種城市綠地演化類型(連續(xù)、擴張、收縮、消失、新增、合并、分解)和具體的判斷條件;構(gòu)建城市綠地的演化圖,利用ArcScene軟件將2008年、2012年、2016年的城市綠地的演化軌跡三維可視化,展示出城市綠地的演化過程;根據(jù)演化圖提取出2008—2012年、2012—2016年城市綠地的變化,并從空間分布上分析了城市綠地宏觀的變化特點。兩個階段變化的相同點是新增綠地斑塊的分布相對均勻,浦東新區(qū)和寶山地區(qū)略多。而且研究區(qū)域中心位置以小綠地斑塊為主,邊緣位置以大綠地斑塊為主。消失的綠地斑塊在浦東新區(qū)分布較多,其他區(qū)域分布較少。不同的是,與2008—2012年的城市綠地變化相比,2012—2016年新增和消失的綠地斑塊面積較大,特別是浦東新區(qū)南部地區(qū)。新增綠地的空間分布更加均勻,消失綠地的位置分布更加集中。

        本研究僅從城市綠地斑塊出發(fā)既得到了個體綠地斑塊的演化軌跡,又得到了全局城市綠地的數(shù)量變化和各變化類型的空間位置分布規(guī)律,為城市綠地精細(xì)化管理提供科學(xué)的依據(jù)。而且該方法可以應(yīng)用到其他區(qū)域,并可應(yīng)用于不同時間序列、不同土地利用類型的變化研究中。本研究也存在一定的不足,如在研究上海市外環(huán)以內(nèi)城市綠地演化軌跡與變化問題中沒有具體區(qū)分不同的綠地類型,但是本文提出的基于演化類型的城市綠地變化研究方法也適用于單類型綠地。在后續(xù)的研究中,我們將繼續(xù)研究單個綠地類型的變化規(guī)律,結(jié)合城市綠地連通性分析,為各個城市的綠地系統(tǒng)建設(shè)提供合理的決策支持。

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        (責(zé)任編輯:李萬會)

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