基于POI数据的特大城市生态空间廊道识别与空间布局优化研究——以沈阳市中心城区为例

战明松

朱京海

在快速城镇化时期，由于增量发展对发展空间的诉求，一度出现过生态环境向经济效益让步的扭曲价值位序，从而导致生态空间被侵占和退化等生态问题[1]。而随着中国城镇化进入品质提升的存量优化时期，为保证城市要素集聚区生态斑块的持续演替以及避免生态“孤岛”的产生，相关研究者基于景观生态学、城市规划学、风景园林学等理论开展了大量关于生态廊道的研究，尝试重塑城市发展与生态环境的共生关系。城市中心区作为城市活动的核心集聚区，其生态环境与自然环境存在显著差别。因此，将城市生态空间廊道作为城市生态系统运行的重要网络，对其进行识别和优化成为城市生态环境品质提升的一项关键内容。

1 相关概念界定与研究内容框架

1.1 城市生态空间

党的十八大首次提出要按照“三生空间”的空间划分形式来进行城乡空间结构的合理规划，即根据土地利用类型以及其主导功能来进行空间划分，将城乡空间结构划分为生产、生活以及生态空间(以下简称“三生空间”)。此后十八届三中全会进一步提出划定“三生空间”的开发管理界限[2]。相关学者从土地多功能利用[3]、城市空间管控体系[4]、“三生空间”划定方法[5]等开展了大量有关“三生空间”划定和利用路径的研究。“三生空间”中的城市生态空间包括城市公园绿地、风景名胜用地、园地、草地、水系等，并与休闲、健康、文化等产业活动紧密相关，因此对于城市生态空间的研究需要将生态空间与城市多元要素进行统筹考虑，既有研究中也不乏通过“生态融城”理念建构城市生态网络[6]的尝试。此外，对于城市生态空间的划定和评价主要以土地利用规划中的土地性质为基础，并通过强化城市土地和空间利用指标的分解、管控、落实[7]，并发现了城镇建设用地侵占生态空间、导致其破碎、低效利用等问题[8]。可见，中心城区生态空间的识别、织补和利用直接关系到城市空间品质的改善。

1.2 生态空间廊道

本研究中的生态空间廊道理念源自生态廊道。生态廊道是景观生态学的基本概念之一，对于生态廊道的研究最早出现在19世纪末，此后在特罗尔提出的“斑块、廊道、基质”理论中再次强调生态廊道对城市生态系统的重要作用[9]。生态廊道广泛应用在景观格局的识别和保护、重要生态斑块、生态用地潜力挖掘中[10-12]。此外，对生态廊道的改进及原理研究不断丰富[13-16]，但对于城市复合空间中的城市生态廊道研究相对较少。

因此，本研究结合城市“三生空间”和“生态廊道”理论提出生态空间廊道概念，即在城乡“三生空间”中，生态信息在生产、生活空间中流动时为使阻力最小化而形成的带状或网状空间类型。区别于生态廊道，生态空间廊道的构成要素不仅包括绿廊、河流等生态要素，而且还涵盖中心城区部分低阻力的生产、生活空间。识别生态空间廊道的目的是通过建设生态空间廊道网络使原本分散在高开发强度地区中相对孤立的生态空间向整体性、系统性的网络格局方向优化。

1.3 研究内容框架

本研究以中心城区中生态斑块为原点，结合生产空间和生活空间中业态布局，模拟具有形成生态空间廊道可能的复合化城市空间。利用兴趣点(POI)数据具有获取难度低、样本量大、精度高以及更新快等优势[17]，结合既有研究方法对城市“三生空间”中的生态(混合)空间进行识别，并将POI数据作为生态信息流动产生相对阻力的依据，模拟沈阳市中心城区三级生态空间廊道，并提出城市中心区生态空间廊道空间布局优化策略。

2 中心城区生态空间廊道识别

2.1 研究区概况

沈阳市地处中国东北地区、辽宁中部，地理位置位于东经122°25′9″～123°48′24″、北纬41°11′25″～43°2′13″，建成区面积633.8km2，常住人口831.6万人，城镇人口673.6万人，城镇化率81%[18]。沈阳市属于温带半湿润大陆性气候，地处长白植物区系、蒙古植物区系和华北植物区系交汇地带。本研究选取沈阳市中心城区为研究区，范围包括沈河区、和平区、皇姑区、大东区、铁西区、于洪区、沈北新区、浑南区以及苏家屯区九区。

2.2 数据来源

本研究POI数据来源包括2019年6月在百度爬取的沈阳市市域范围内公园广场、风景名胜、餐饮、公共服务设施等全部14类POI信息(包括ID、名称、经纬度、类型、位置等)，并根据“三生空间”的功能类型将其分为生态空间POI数据、生产空间POI数据和生活空间POI数据等3个大类、16个小类数据，且数据已进行了清洗、降噪等预处理。中心城区边界和行政区界来源于沈阳市自然资源局网站公布的全市行政区区划，并经过配准和矢量化等预处理。本研究的空间信息均经过了投影转换处理。在参考《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137—2011)中对各类建设用地配置的相关数据基础上，通过两两比较得出各类型POI数据的相对占地面积。

2.3 城市生态空间廊道识别方法

本研究的技术路线主要分为5个部分，分别为POI数据处理与渔网创建、“三生空间”识别、生态阻力生成、生态空间廊道体系构建和生态空间廊道布局优化等(图1)。

图1 研究技术路线

1)POI数据处理与渔网创建。首先通过层次分析法确定各小类POI数据的相关度(注：相关度用来表示各类型POI要素与“三生空间”类型的相关度，如居住区比餐饮服务更能反映生活空间性质)[19]。再用POI数据的相关度与其相对占地面积的乘积来表示该要素的综合权重p(表1)。之后，基于沈阳市中心城区街区尺度，在ArcGIS 10.2中利用渔网模块，以200m×200m的渔网将研究区划分为27 875个基本单元，再将基本单元与其内的POI数据关联。

表1 各类型POI要素综合权重

2)“三生”空间识别。利用式1计算各基本单元内生产、生活和生态类POI数据的累计综合权重Si。再利用式2识别沈阳市中心城区“生态空间”(图2)[19]，其中将Kt∈[50%，1]的单元格视为生态空间，将Ks∈[33.3%，50%)的单元格视为生态混合空间，

图2 生态空间识别

式中，Si为基本单元i内的累积综合权重；n为基本单元i内的POI数据数量；pa为基本单元i内的第a个要素的综合权重。

式中，Kt为第i个基本单元中生态要素所占比例；Si为第i个基本单元中“三生”要素的综合值总和；St为第i个基本单元中生态要素综合值总和。

3)生态阻力值生成。利用层次分析法比较生态信息在不同POI要素中的相对通行能力p，并用ra=1/pa表示生态流动时所需克服的相对阻力值(表2)，利用式3计算各基本单元的累计阻力值。

表2 各类型POI要素相对阻力值

式中，Ri为第i个基本单元的生态阻力值；ra为第a类POI要素的生态阻力值；ka为第a类POI要素占其所在基本单元的全部要素综合权重总量的比例；t为第i个基本单元内共有t个小类的POI数据。

4)生态空间廊道体系构建。选取怪坡景区、国家森林公园、世博园等共21处城市级公园和规模较大的风景名胜作为路径成本计算的源点，在既有最小累积阻力模型[20]基础上，利用式4[21]在ArcGIS 10.2中识别沈阳市中心城区生态空间廊道的空间位置。再利用重力模型[22]模拟斑块与斑块之间的相互作用力的矩阵(图3)，经多次试验，最终以作用力大于0.015作为阈值筛选生态空间廊道(式5)。

图3 基于重力模型的斑块间作用力矩阵

式中，MCR为生态斑块间生态流动的最小累计阻力值；Dij为斑块i、j之间的空间距离；Ri来源于式1；n、m为中心城区中2个不同景观斑块。

式中，Fcd为斑块c与斑块d之间的相互作用力；Mc与Md分别为斑块c与斑块d的生态要素占比；Dcd为斑块c与斑块d之间的廊道距离。

5)空间布局优化。将原本以“斑块-廊道”为主的生态空间廊道结构向以“斑块-网络”为主的空间布局方向优化，通过建立网络格局来提高各斑块间及域内外生态信息的流动能力。此外遵循“共生”原则，将城市其他要素类型与生态要素进行融合，赋予生态要素更多的生产、生活功能，同时延伸生态空间供给范围。

3 潜在生态空间廊道识别研究

3.1 生态斑块与城市要素阻力面形成

从景观生态学角度，阻力面则是对生态信息流动过程起到抑制作用的空间类型。用不同POI要素在各基本单元内的阻力累积结果表示城市要素阻力面(图4)。由图4可知，阻力呈现出由中部向周边地区逐渐递减趋势。中部地区零散分布有北陵公园、沈水湾公园、五里河公园等低阻力斑块，但彼此间存在大量高阻力的基本单元。周边地区生态阻力普遍较低，除西北方向的于洪区外，其他低阻力地区具有呈带状相连的趋势。

图4 城市POI要素生态阻力分布

3.2 生态空间廊道识别

根据上文所述研究方法，在ArcGIS 10.2中对生态空间廊道进行识别，生态空间廊道的连接点如果在生态空间内，则被视其为生态斑块，若不在生态空间内则是被视为潜在生态斑块。由此，共得到50条城市生态空间廊道和34个(潜在)生态斑块(图5)，共计275.38km，平均长度为5.51km(表3)，连接度指数的闭合度为0.66、点线率为1.52、连接度为0.53，由此可知，城市生态空间廊道的成环度较高，环绕中部地区。水平网络连接较为复杂，周边地区大部分的斑块与其他斑块具有连通的可能，但中部地区各生态空间廊道连接方式较为单一，呈线状连接各生态斑块。

表3 中心城区生态空间廊道编号及规模统计

图5 沈阳市中心城区城市生态空间廊道

连通成本方面，根据《城市绿化设计规范》(GBT 51346—2019)[23]中关于城市绿地宽度的要求进行模拟，统计40m以内不同生态空间廊道宽度覆盖的(除公园绿地和风景名胜，另外，在40m的范围内未见仓储物流的POI要素分布，所以不将其纳入统计范围内)POI要素总量(图6)。由图6可知，当生态空间廊道宽度达到10～15m后，其覆盖范围内POI要素数量显著增加。因此为控制中心城区生态空间廊道的廊道建设成本，可将10m范围内的城市要素融入城市生态空间廊道建构中。

图6 生态空间廊道覆盖POI数量统计

3.3 潜在生态空间廊道分类

在参考《上海市生态廊道体系规划(2017—2035年)》对生态廊道划定基础上，本研究将生态空间廊道分为城市级、城市副级和区级廊道3类(表4)。其中，城市级廊道3条，规模超过15km，主要分布于建成区以外，以具有较高连通性的城市绿地、防护绿地、水系、风景名胜区等生态斑块为基础，且距离工厂、仓储物流集建区不小于50m，主要起到划定城市开发边界、通过廊道建设串联各个成片生态空间的作用；城市副级廊道19条，规模为5～15km，依托城市主干道、城市公园、开放空间的绿化隔离带及浑河，连接2个及以上行政区，生态阻力值较低的城市空间，是生态信息跨行政区流动的重要通道；区级廊道28条，规模为5km以下，一端连接一处“生态孤岛”且难以延伸，另一端连接城市副级生态空间廊道或其他生态斑块，是行政区内生态斑块间生态信息流动的主要通道。

表4 潜在生态空间廊道分类

4 生态空间廊道布局网络优化

由上文可知，现阶段沈阳市生态空间廊道存在2个方面困境：1)现有生态空间廊道布局解结构主要以线性为主，但连接度有限；2)现有生态空间廊道主要以生态空间作为空间供给的载体，缺少对生产、生活空间中各要素的生态化利用。针对上述问题，本研究从网络布局优化和延伸空间供等两方面提出生态空间廊道布局网络优化策略。

4.1 网络布局优化策略

增设城市级生态空间廊道32.50km、城市副级生态空间廊道9.87km，区级生态空间廊道17.62km(图7)，将原本孤立、破碎化的生态空间(包括生态混合空间)向“斑块-网络”方向进行优化。城市级生态空间廊道方面，利用白塔公园、莫子山公园等优质生态资源，在中心城区南部规划新的市级生态廊道。城市副级生态空间廊道方面，整合生态要素，填补城区西北部生态空间廊道缺口，形成“闭环+网络”的空间布局，优化中部地区网络格局。区级生态空间廊道方面，可对公园、社区绿地以及附属绿地等生态要素进行整合和贯通，建构复合化生态信息网络，变“孤岛”为“网络”。如利用于洪区环卫工人园、浑河晚渡公园等要素将编号23、33和37的区级生态空间廊道整合升级，从而形成环状城市副级生态廊道网络。

图7 生态空间廊道网络布局优化

4.2 延伸生态空间供给策略

由于城市中心区土地利用已经呈现复合化，应遵循“共生”原则[24]，对城市要素复合化利用，以提升生态服务功能[25-26]。可从2个方面延伸生态空间供给：1)将其他POI要素进行生态转型，如在卫生中心引入疗愈景观、安抚景观以及康复景观等生态要素，使其被赋予生态服务功能；2)赋予生态要素以新的使用功能，使城市既有空间得到优化升级，如将原东北制药厂、东塔机场等地区将原本以防护、隔离为主要功能的防护林地赋予休憩、旅游、纪念等功能，使其向功能性城市生态空间转变。无论是将生态要素赋予复合化应用功能，还是对城市空间的生态化更新，其目标是使生态空间供给实现复合化、多元化[27]，将原本破碎的生态资源通过网络化的生态空间廊道连接。

5 结论与展望

本文以沈阳市9个行政区作为研究对象，在城市“三生空间”识别基础上对生态空间廊道进行识别。结果表明，城市要素阻力构成方面，POI要素越丰富的地区生态阻力越高，且生态阻力的空间分布呈现出中心最高并逐渐向周边减弱的趋势；城市生态空间廊道构建方面，廊道的构建是基于各生态斑块间的引力和城市要素的抑制力的共同作用。需要注意的是，城市POI要素集聚地区的生态斑块在高抑制力下仅通过区级生态空间廊道与外界保持生态信息交换，但斑块间缺少有效且通畅的生态信息流通。而该部分生态斑块正是为提供公众日常休闲、游憩的活动主要空间，在城市空间品质提升中，需要尝试建构复合化生态信息网络，来实现生态信息交换和能量流动。

注：本文图片均由作者绘制。