城市绿地演化轨迹与变化研究

王琼 宾 姚申君 吴健平 周颖 张静

摘要：城市綠地是城市绿化系统和城市景观的重要组成部分，具有重要的生态、社会、心理和经济功能。作为城市绿地研究的重要组成部分，城市绿地的演化轨迹与变化规律的研究对维持城市绿地系统的稳定性和优化城市生态网络具有重要的意义。传统的大部分绿地变化研究多采用景观指数和空间分析等方法，难以反映出绿地斑块的变化过程、变化类型及空间分布规律。本研究首先定义了7种城市绿地演化类型，分别为连续、扩张、收缩、消失、新增、合并和分解，以此为基础构建出以绿地斑块为节点、以绿地演化类型为边的绿地演化图。以上海市外环以内区域作为研究区域，基于绿地演化图对2008年、2012年和2016年的绿地演化过程进行了提取和三维可视化，并分析了城市绿地变化过程及城市绿地全局变化的空间分布规律。研究结果表明：上海市外环以内的绿地变化以新增与消失两种变化类型最为突出。其中新增的城市绿地斑块空间分布较为均匀，新增的小斑块多分布于中心区域，而新增的大斑块多位于边缘区域。消失的绿地出现在非中心位置的较多，而且浦东新区外环以内的区域占比最多。与2008—2012年的城市绿地变化相比，2012—2016年新增绿地的空间分布更加均匀，消失绿地的位置分布更加集中。

关键词：城市绿地;演化类型;演化图/演化轨迹;绿地变化

中图分类号：K909文献标志码：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

城市绿地具有重要的生态、社会、心理、经济功能。作为城市绿化系统的重要组成部分，城市绿地可以吸收空气中的二氧化碳并释放氧气，吸收热辐射以缓解城市热岛效应[1-4]。同时，城市绿地也是城市生态系统中具有自动调节能力的基础设施，在美化市容、净化水质[5]、吸收污染物[6]、降低噪音[7]、调节城市生态平衡、改善小气候[8]和控制城市空间尺度中发挥着主导性作用[9]。在社会功能方面，城市绿地使得城市景观更加接近自然[10]，使得城市居民与大自然相处得更加和谐[11]，提高了人民的幸福指数[12-13]。不仅如此，城市绿地还具有重要的心理功能[14]，如缓解生活压力、振奋精神[15]、有利于抑郁症患者的身心恢复[16]。优美的城市绿地对旅游事业的发展也起到了积极的作用，能够产生直接的经济效益[17]。

快速的城市化发展使得城市绿地的空间结构与布局发生了很大变化[18]。研究城市绿地动态演变对维持城市绿地系统的稳定性具有重要意义，有利于把握城市绿地的空间变化，增强城市应对环境变化的能力[19]，为绿地系统规划提供更加科学合理的决策支撑[20-22]。现有城市绿地变化大多采用统计分析、遥感监测、空间分析、景观生态学指数等方法进行监测。通过对绿地率[23]、绿地面积[24]、绿地百分比等进行统计分析，仅能得到全局上的绿地规模变化，无法细致地分析城市绿地变化空间分布特点。结合GIS和遥感方法的城市绿地变化研究仅能统计分析出新增和减少两种绿地变化类型和分布，而新增和减少并不能囊括所有的绿地变化类型[25]。基于景观生态学统计的聚合度指数、形状指数、破碎化程度等[26-28]单一的景观格局指数值变化分析城市绿地变化规律，既不能反映单个绿地斑块的变化过程、变化类型，也不能反映城市绿地变化的空间位置分布规律。随着城市绿地研究的深入，图论逐渐被应用在绿地的定量变化分析中。例如，王子维等[29]结合形态学空间格局分析模型与图论对东乡区的绿地网络连通性变化实行定量分析。王铭子[30]将城市绿地简化为由节点和线组成的网络，利用图论中的α指数、β指数、γ指数研究绿地系统的整体变化特点。穆博等[27]利用图论原理分析了绿地斑块规模、数量和空间分布特征的变化过程。综上所述，现有城市绿地研究方法无法兼顾全局与个体绿地斑块的变化，且只能分析出变化的结果，并不能追踪出变化的过程及除新增和减少之外的变化类型。

本文利用图论原理构建城市绿地演化图，从微观上分析个体城市绿地斑块的演化轨迹，进而提取出宏观层面上的城市绿地数量与空间位置的变化过程，为城市绿化管理与未来的城市绿化规划和空间格局调控提供决策支持，为城市绿地的协调发展提供理论依据。

1研究区与数据

上海市作为国际化的大都市，随着城市化建设的快速发展，上海市各个区域的城市绿地也在发生着变化。据上海市绿化和市容管理局2016年上海市绿化林业遥感调查数据分析报告显示，截至2016年2月，上海市外环以内区域总绿地率达到28.17%，绿化覆盖率为30.11%。相比2015年，绿地率增加了0.45%，绿化资源覆盖程度增加了0.60%。本文选取的研究区是外环以内区域（见图1），占地面积约660km2，主要覆盖区域包括黄浦区、徐汇區、长宁区、杨浦区、虹口区、普陀区、静安区（含原闸北区）的全部区域以及嘉定区、浦东新区（含原南汇区）、宝山区、闵行区的部分区域。

本文采用的2008年、2012年和2016年的绿地数据由上海市绿化和市容管理局提供，根据每年1—3月空间分辨率为1m的航空遥感影像进行目视解译获得，坐标系为上海市城建坐标系。采用随机抽样的方式选取48个绿地样本，对绿地样本进行实地采集后与遥感目视解译结果进行面积误差分析，得到3年的绿地数据解译的面积误差分别为4.46%、4.78%、5.43%，表明遥感解译获得的绿地数据具有较高的可信度。图1展示了2016年上海市外环以内的绿地分布情况。经统计，2008年、2012年和2016年的绿地斑块数量分别是392035个、419839个和435413个，斑块数量逐年增长;绿地面积分别为148.9km2、165.3km2和171.0km2，也呈现出逐渐增加的趋势。

2研究方法

本文首先基于图论原理提出了城市绿地的动态演化类型。其次，构建城市绿地演化图以重建城市绿地的时空演变过程，将演化图三维可视化为城市绿地的演化轨迹。最后，根据相邻年份城市绿地数据及其演化图提取出发生变化的城市绿地。

2.1城市绿地演化轨迹

2.1.1演化类型与演化图

参考文献[31-32]将城市绿地的演化类型分为连续、扩张、收缩、消失、新增、合并、分解，具体含义如表1所示。

本研究根据面积比值法[33]判断其具体的演化类型：假设年份的绿地斑块面积表示为 ，年份的绿地斑块面积表示为 ，重叠部分的面积则可以表示为 。

（1）连续：当某绿地斑块在两个相邻的年份具有相同或相似的空间位置范围，同时满足 且 。绿地连续演化类型示意图见图2（a）。

（2）扩张：当年份t的某绿地斑块空间范围小于年份t+1的空间范围时，满足  且 ;同时，年份的这一斑块与年份t的其他斑块之间不相交，或者相交的面积小于5%。绿地扩张演化类型示意图见图2（b）。

（3）收缩：当年份t+1的某绿地斑块空间范围小于年份t的空间范围时，满足  且 ;同时，年份t的这一斑块与年份t+1的其他斑块之间不相交，或者相交的面积小于5%。绿地收缩演化类型示意图见图2（c）。

（4）消失：相似的空间位置上，年份t存在的绿地年份t+1时不存在。绿地消失演化类型示意图见图2（d）。

（5）新增：相似的空间位置上，年份t不存在的绿地年份t+1时存在。绿地新增演化类型示意图见图2（e）。

（6）合并：年份t+1的一个绿地斑块面积与年份相似空间位置内的2个或更多绿地斑块中的每个绿地斑块面积重叠度≥95%，即满足 。绿地合并演化类型示意图见图2（f）。

（7）分解：年份的一个绿地斑块面积与年份相似空间位置内的2个或更多绿地斑块中的每个绿地斑块面积重叠度≥95%，即满足 。绿地分解演化类型示意图见图2（g）。

演化图由点和有向线组成，有向线由年份中的城市绿地斑块的几何中心（起点）指向对应位置上年份t+1中的城市绿地斑块几何中心（终点），线的属性包括绿地演化类型、起点绿地斑块编号、终点绿地斑块编号。演化图的起始节点所对应的时间即为城市绿地过程发生的初始时间，演化图的终止节点所对应的时间即为城市绿地过程发生的结束时间，演化图的深度也直接反映过程发生的持续时长（结束时间–初始时间）。在演化图的基础上，根据相邻年份的城市绿地数据与它们之间的演化图，提取出城市绿地发生变化的部分及其具体的变化类型。如图3中的绿地斑块A的演化轨迹为：A扩张为B，B分解为C、D和E，C、D、E分别在年份t4发生了收缩、消失与连续。

2.1.2城市绿地演化轨迹

本研究在文献[34]提出的时空关系图基础上，利用城市绿地演化轨迹研究城市绿地个体斑块的演化过程。演化轨迹由构成时空变化过程中的绿地几何中心点按时间先后顺序连接而成，每一个中心点的三维坐标均表示为 ，其中GX和GY表示该绿地斑块的平面中心坐标，ti代表该城市绿地所处年份。演化轨迹采用ArcGIS平台的ArcScene软件进行三维可视化，以时间轴T为Z轴，（X，Y）表示城市绿地斑块的平面空间位置。将城市绿地斑块的时空变化过程定义为（X，Y，T）在三维空间中的一条轨迹。

2.2城市绿地变化

根据演化图统计出后一年份相较于前一年份的各种类型的城市绿地变化的数量。根据相邻年份的上海市外环以内的绿地数据，利用演化类型的具体判断方法提取出后一年份相较于前一年份的各种类型的城市绿地变化的空间位置。

3结果分析

3.1城市绿地演化轨迹

根据2008—2012年、2012—2016年演化图和2008年、2012年、2016年的绿地数据生成上海市外环以内2008—2012年城市绿地的演化轨迹，如图4（a）所示。本文选取虹桥街道区域（图4（a）中紫色框区域）的演化轨迹进行具体的展示，如图4（b）所示。

进一步地，在图4（b）中选取不同的城市绿地演化类型示例进行展示（见图5）。

从图5中可以看出，通过演化轨迹可以从微观角度得到每个绿地斑块的演化轨迹、演化类型。以图5（a）为例，2008年编号为2782、2786、2789、3064、3088、3379的绿地斑块扩张为2012年中编号为1663、1667、1670、1938、1961、2598的绿地斑块。在2012—2016年内，以上绿地保持连续。

3.2城市绿地变化

3.2.1城市绿地变化数量

根据外环以内演化图和城市绿地斑块提取出发生变化的城市绿地斑块，并根据变化的绿地斑块统计出各个变化类型的斑块数量，如表2所示。

根据表2可知，相较于2012年，39.7%的2008年城市绿地发生了变化;相较于2016年，29.7%的2012年城市绿地发生了变化。

就单个变化阶段而言，两个变化阶段的数量变化趋势有一定的相似性。外环以内的城市绿地变化以新增和消失两种变化为主，其他4种变化数量相对较少。新增绿地个数大于消失的绿地个数，分解的绿地斑块个数大于合并的绿地斑块个数，收缩的绿地斑块个数大于扩张的绿地斑块个数。

就两个变化阶段比较而言，后一变化阶段扩张、新增、收缩、消失的绿地斑块数量和对应变化类型的比例较2008—2012年变化阶段都有所减少。且新增和消失两种变化类型下降较大;合并、分解两种类型占比提升较小，仅0.1%。

3.2.2城市绿地空间变化

根据城市绿地数据与演化图提取的城市绿地发生新增、消失、收缩、扩张、合并、分解变化的空间位置分布如图6、图7所示。

由图6可以看出，新增的城市绿地斑块位置分布较均匀，但是新增的绿地斑块中，面积小的城市绿地斑块在外环以内的中心位置分布较多，面积大的城市绿地斑块在外环以内的边缘区域分布较多。其中，浦东新区的南部地区和宝山区外环以内的区域新增的绿地斑块面积较大且较多。相对而言，外环内中心位置绿地覆盖率较高，且类型比较稳定，绿地新增较少，所以研究区域中心位置的变化斑块面积小。从整个研究区域来看，消失的绿地斑块分布较零散，且位于非中心位置较多，尤其是浦东新区。

从图7中可以看出，在2012—2016年期间，新增城市绿地斑块主要分布于浦东新区与宝山区的外环以内区域，研究区域中心位置绿地斑块面积小，边缘位置的绿地斑块面积大。《宝山区区域总体规划实施方案（2005—2020）》中要求推进中心城区绿化建设、空间形态改造，构建“一心、一环、六圆、六脉、多点”的绿化结构体系，因此外环以内的宝山区新增绿地空间分布更加均匀。《浦东新区总体规划方案（2010—2020）》以多心开敞式的总体规划要求，在各分区之间插入楔形绿地，形成了浦东新区大、小结合，点、面结合，环、楔结合及平、立面结合的多功能、多效益、完整的绿地框架结构。从整体上看（见图7），消失的大面积城市绿地斑块主要集中分布于浦东新区，少量分布于徐汇区、杨浦区和其他区域，并呈現出集中分布在某几个区域的特征;而消失的小面积城市绿地斑块则零星分布于其他的区域内。进一步地，结合2012年、2016年的航空遥感影像，对浦东新区兰谷路和洲海路附近的绿地消失情况进行了对比和分析。如图8中红色框区域所示，该区域由2012年的绿地变化为2016年的水体，在本文的变化检测结果表现为绿地消失。

与2008—2012年的城市绿地变化相比，2012—2016年新增和消失的绿地斑块面积较大，特别是浦东新区南部地区。新增绿地的空间分布更加均匀，消失绿地的位置分布更加集中。城市总体规划的实施及城市绿地政策的变化是城市绿地空间变化的重要因素。《上海市城市总体规划（1999—2020）》要求在中心城的热中心区域规划建设公共绿地以减缓热岛效应，形成中心城绿化“环、楔、廊、园”全面建设的格局。2010年，世博会的举办极大地提升了沿江区域的绿化分布。本文研究成果及研究方法可以用于全局与个体绿地斑块的变化、数量与空间位置的变化、变化的过程和变化的类型等研究中，可以在城市绿地的建设中把握城市绿地整体变化特点和追踪单个城市绿地的具体变化过程，为城市绿地精细化管理提供科学依据。

4結论

本研究主要结合现有研究和城市绿地变化的特点，提出了7种城市绿地演化类型（连续、扩张、收缩、消失、新增、合并、分解）和具体的判断条件;构建城市绿地的演化图，利用ArcScene软件将2008年、2012年、2016年的城市绿地的演化轨迹三维可视化，展示出城市绿地的演化过程;根据演化图提取出2008—2012年、2012—2016年城市绿地的变化，并从空间分布上分析了城市绿地宏观的变化特点。两个阶段变化的相同点是新增绿地斑块的分布相对均匀，浦东新区和宝山地区略多。而且研究区域中心位置以小绿地斑块为主，边缘位置以大绿地斑块为主。消失的绿地斑块在浦东新区分布较多，其他区域分布较少。不同的是，与2008—2012年的城市绿地变化相比，2012—2016年新增和消失的绿地斑块面积较大，特别是浦东新区南部地区。新增绿地的空间分布更加均匀，消失绿地的位置分布更加集中。

本研究仅从城市绿地斑块出发既得到了个体绿地斑块的演化轨迹，又得到了全局城市绿地的数量变化和各变化类型的空间位置分布规律，为城市绿地精细化管理提供科学的依据。而且该方法可以应用到其他区域，并可应用于不同时间序列、不同土地利用类型的变化研究中。本研究也存在一定的不足，如在研究上海市外环以内城市绿地演化轨迹与变化问题中没有具体区分不同的绿地类型，但是本文提出的基于演化类型的城市绿地变化研究方法也适用于单类型绿地。在后续的研究中，我们将继续研究单个绿地类型的变化规律，结合城市绿地连通性分析，为各个城市的绿地系统建设提供合理的决策支持。

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（责任编辑：李万会）