基于热岛效应的福州市绿色廊道优化

杨务发，余坤勇，赵各进，耿建伟，赵秋月，杨柳青，刘 健,3

（1.福建农林大学 园林学院, 福建 福州 350002；2.福建农林大学 “3S”技术与资源优化利用福建省高等学校重点实验室, 福建 福州 350002；3.福建农林大学 林学院, 福建 福州 350002）

城市热岛效应成为困扰城市发展的主要障碍和难点，如何通过生态途径协调城市发展与环境问题之间的关系，成为当前研究的热点。自然山水架构在调和城市中的人工—自然矛盾体之间发挥了重要的生态效能，为解决城镇化进程中出现的“城市病”提供了最基本的生态解决途径之一。绿色廊道将城市公园、街头绿地、自然保护地、农田、滨水湿地和山地等串联构成具有自我维持能力的动态绿色景观结构体系[1]。作为城市最重要的生态载体之一，绿色廊道的空间分布和结构特征对改善城市热环境具有重要的生态效益。不同的绿地类型、形态、结构和植物群落等构成的绿色廊道对降低城市热岛强度的生态调节功能和效益各不相同。绿色廊道按空间结构特征分为：线状绿色廊道、带状绿色廊道和河流型绿色廊道等[2]。按功能类型分为：生态型绿色廊道、文化与历史遗产型绿色廊道、休闲游憩型绿色廊道等[3]。

绿色廊道的路径选线直接影响其空间属性特征，因此，通过优化绿色廊道的景观格局来降低城市的热岛强度是行之有效的生态途径和方法。根据不同的研究目标，研究人员基于兴趣点( point of interest，POI)、选线适宜性评价、生态适宜性分析、多源数据与深度学习、层次分析法、重力模型、最小累积阻力模型(minimum cumulative model，MCR)、环境公平视角等方法对绿色廊道的选线和评价进行了深入探讨[4-9]。有研究表明：当城镇绿化覆盖率达到50%时，地表温度下降约13 ℃，城市热岛效应可基本消除[10]。本研究以改善城市热环境为目标，基于MCR模型与水文流域模型，对福建省福州市绿色廊道的景观格局进行优化分析，为城市规划和建设提供参考。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

福州市位于中国东南沿海 (25°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E)，属于中、南亚热带海洋性季风气候区，常年雨量充沛，夏季高温湿热，逆温频率高，持续时间长，城市热岛效应明显。福州市位于河口盆地中心，主城区被海拔600～1 000 m的莲花山、鼓山、五虎山和旗山等群山环绕，形成“枕山、襟江、面海”的自然地理环境特征。为更全面地分析热岛效应与绿色廊道的空间关系，研究范围选取鼓楼区、台江区、晋安区、仓山区、马尾区、长乐新区及闽侯县等区域，总面积约1 759.95 km²。

根据《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福建省绿道网总体规划纲要(2012—2020)》和《福州市绿道网总体规划》，福州市共规划省级绿道3 119.0 km，其中，6条省级绿道、3条支线和2条连接线。福州市以“沿江、沿河、环湖、达山、通公园”为目标，整合城市自然生态和历史人文资源，在省级绿道总体规划框架内，共规划市级绿道1 238.0 km，其中，2条省级绿道、36条市级绿道、94条社区级绿道。目前，已建16条山地丘陵型绿道，86条环湖滨河型绿道，5条滨江面海型绿道，15条绿色通勤型绿道，10条历史文化型绿道。截至2020年，全市新建168个串珠公园绿地，中心城区的绿地率达42%，绿化覆盖率达48%，人均绿地面积超过15 m2。

1.2 数据收集与处理

研究数据主要包括：土地利用类型数据根据2019年福州市谷歌(Google)地图2.5 m高精度影像(谷歌地图资源共享平台下载)，结合GB/T 721010—2017《土地利用现状分类》分为林地、建设用地、道路、水体、农田、草地、未利用地，分类精度为89.84%，Kappa系数0.85。地表温度数据由2019年9月22日Landsat 8 OLI遥感影像(美国地质调查局网站下载)根据辐射传输方程法反演获取[11]。2019年福州市建筑矢量数据、《福州市城市总体规划(2010—2020年)》《福州新区总体规划(2015—2020年)》《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福州市中心城区综合交通总体规划(2011—2020年)》等来源于福州市规划局网站。福州市90 m分辨率数字高程模型(DEM)遥感影像来源于中国地理空间数据云网站。影像噪声低、几何形变小。研究区范围云量低于2%，满足研究需求。

2 研究方法

2.1 生态源地的识别及重要性评价方法

根据土地利用分类数据，通过形态学空间格局模型(morphological spatial pattern analysis，MSPA)开闭运算数学方法[12]，对栅格图像进行度量、识别及数据分割等操作，分别提取MSPA模型的前景数据和背景数据，得出像元层面的景观生态斑块，将其进行二值化栅格处理，运用ArcGIS软件中的Guidos Toolbox分析工具，采用八邻域图像细化分析方法[13]，提取像素目标和矢量化跟踪，得到互不重叠的7种景观类型和结构：核心区、孤岛、孔隙、边缘、环道、桥接、支线，将结果按面积大小提取核心区斑块和生态源地[14]。

景观连通性指数是反映景观连通度和斑块重要性的主要依据[15-16]。本研究选取斑块整体连通性指数(IIC)和斑块面积比指数(DA)对源斑块的重要性进行评价。通过ArcGIS平台，设定源斑块之间连通的距离阀值。如果距离小于阈值，则视为连通；如果距离大于阈值，则视为不连通[17]。IIC指数通过计算2个斑块之间最短路径来确定，结果为0～1，当值为0时，说明各斑块间互不连通；当值为1时，说明整个景观单元都是生境斑块。利用Conefor Inputs for ArcGIS插件，计算关键源点间的阻力距离值[18]。将IIC指数和DA指数的结果输入Conefor Sensinode 2.6软件，设置阈值距离等参数，计算绿地斑块重要性指数(dIIC)。dIIC指数的值越高，表示各斑块在绿地系统中的重要性越高。根据dIIC指数对斑块重要性进行评价，由此划分生态源斑块和绿色廊道的等级。

2.2 基于 MCR 模型的绿色廊道构建方法

构建绿色廊道最常用的方法是MCR模型[19]，表示生态流克服生态阻力面，从一个生态源地到另一个生态源地的最小累积距离，可确定生态源地起始点和目标点之间的最短费用路径[20]。通过阻力面赋值和权重生成最佳路径，进而模拟生物运动的潜在趋势与景观格局改变之间的关系[21]。MCR模型是计算生态流克服不同土地利用类型阻力进行移动的过程，需考虑生态源点、路径距离和阻力因子，对生态敏感性影响因子进行赋值和权重计算[22]。权重值通过序关系法获取[23]。由此构建生态综合阻力面来表征景观类型对生态流动的阻力影响。利用ArcGIS插件中的Build Network and Map Linkages工具计算各生态源地到各斑块之间的费用距离栅格(距离测算)和成本回溯链接栅格数据(费用路径)，利用最短路径函数计算并生成“源”到各“网络中心”耗费最少、流动性成本最小的潜在绿色廊道。公式为：

其中：Ci表示从景观单元i(i=1，2，3 ,···,m)到生态源的累积耗费距离值，即最小成本的计算结果；Di表示景观单元i到生态源的间隔距离；Fj表示空间中景观单元j(j=1，2，3 ,···,n)对物种迁移的阻抗值。

2.3 基于水文流域模型的绿色廊道优化方法

基于DEM数据，根据水文流域模型对水的径流方向及路径进行模拟和定量化分析[24]。同理，在ArcGIS平台中，将地表反演温度和绿色廊道生态综合阻力面的值等同于DEM数据，利用栅格计算器将各因子叠加的适宜性图取反后，整个区间为负数，再将取反的适宜性图的最小值取绝对值，使最小值为0，得到一张“反适宜性”图，即取值高的地方不适宜，取值低的地方适宜。通过对“反适宜性”图进行填洼—流向—流量等步骤处理后，利用栅格计算器设定阈值。借助Flow Accumulation工具，按场地特征不断实验阈值来提取温度分布域和绿色廊道分布域，采用Shreve河网分级工具对两者进行分级。

将温度分布域和绿色廊道分布域相叠加，两者的交点视为重要降温生态节点，对降低热岛强度具有重要作用。结合绿色廊道内部廊道之间的交点，与地表温度相叠加，提取未被绿色廊道覆盖的“热点”区域，进而优化绿色廊道的空间分布格局。具体流程如图1。

图1 基于水文流域模型的绿色廊道优化流程图Figure 1 Greenway optimization flow chart based on hydrological basin model

3 结果与分析

3.1 福州市生态源地的识别及评价

利用ArcGIS平台，将福州市土地分类数据的林地、草地和农田设为MSPA模型的前景数据，建设用地、道路、水体和未利用地设为背景数据，基于MSPA模型对提取的7种景观类型按面积从大到小排序：核心区、边缘区、桥接区、孤岛、支线、环道区、孔隙，从中筛选出面积排名前30位的核心区斑块作为生态源斑块，并进行编号(表1)。

表1 福州市重要生态源地统计表Table 1 Overview of important ecological sources in Fuzhou City

将源斑块间连通距离的阈值设为2 km。当距离小于2 km时，2个斑块间视为可连通；当距离大于2 km时，则视为不连通。利用自然断点法对30个生态源斑块的重要性进行评价，共分为4级：一级最重要源斑块2个，dIIC值为25.780～39.620；二级非常重要源斑块3个，dIIC为7.610～25.780；三级很重要源斑块3个，dIIC为1.980～7.610；四级一般重要源斑块22个，dIIC为0.002～1.980。源斑块重要性分布如表2。

表2 源斑块重要性分级统计Table 2 Statistical graph of the importance classification to source plaques

3.2 福州市绿色廊道的空间特征及分析

3.2.1 生态景观阻力面分析 结合福州市河口型盆地特征，按生态适应性分析法[25]，选取土地利用类型、地形因子、生境因子、景观类型、生态系统服务等5个生态敏感性因子，通过计算赋值和权重值，得到各类景观单元的生态景观阻力面分布特征。由此可知：生态景观阻力值较高的区域集中于鼓楼区、台江区、仓山区、马尾区和晋安区等主城区。其中，长乐新区生态景观阻力值较高的区域集中于老城区、营前新区、各乡镇建成区及机场等，闽侯县集中于大学城、高新区、甘蔗县城、青口镇区、南屿镇区和南通镇区等。闽江流域因对物种迁移和扩散构成较大阻力，生态景观阻力值较高；环绕主城区的五虎山、旗山、莲花山、鼓山和天台山等大面积自然林地，生态景观阻力值较小，构成生境斑块的基底。

3.2.2 福州市绿色廊道空间分布特征 将5个生态敏感性因子的景观生态阻力面进行加权叠加，得到综合生态阻力面。基于MCR最小累积阻力模型的最小路径工具计算起点与终点的最小费用路径，模拟源斑块间相互连接的潜在绿色廊道。

将筛选出的30个重要生态源地与城市道路矢量数据、城市水系矢量数据、潜在绿色廊道等进行加权叠加，获得福州市潜在绿色廊道合成图。由此可知：潜在绿色廊道共74条，在主城区鼓楼区、台江区、仓山区中北部、晋安区主城区、马尾区主城区、闽侯上街和高新区等分布均比较少，主要因为这些区域建设密度大，土地利用集约化程度高，地形因子影响大，综合生态阻力高。在仓山区东部、马尾琅岐、长乐新区滨海新城、闽侯南屿镇至青口区域、晋安区北部等分布比较多，说明这些区域生态阻力小，重要斑块分布多，景观破碎度低，连通性高，利于绿色廊道生态路径的形成。

结合源斑块重要性等级划分结果，将起点或终点为一级源斑块的廊道定义为一级廊道，将起点或终点为二级源斑块的廊道定义为二级廊道，其他等级以此类推。因此，如表3可见：福州市绿色廊道分为4级，共74条，总长度918.11 km。其中，一级9条，132.88 km，占14.47%；二级14条，207.48 km，占22.60%；三级14条，153.57 km，占16.73%；四级37条，424.18 km，占46.20%。

表3 福州市绿色廊道分级概况Table 3 Classification of greenway in Fuzhou City

3.3 福州市绿色廊道的景观格局优化分析

3.3.1 绿色廊道降温生态节点空间分布 绿色廊道各路径之间汇聚相交的点是重要的生态节点，对降低城市热岛强度具有重要的作用。利用ArcGIS平台，识别绿色廊道内部的生态“交点”。由此：共生成80个生态“交点”，主要分布于城区周边的自然林地生态斑块，以及城区内部的大型城市绿地和山体公园，中心主城区因绿地斑块破碎化严重，连通性较差，内部生态“交点”稀少。其中，鼓楼区2个，仓山区3个，晋安区6个，台江区无生态“交点”。马尾区和闽侯县因分布数量较多的自然生态林地和森林公园等，分别有生态“交点”13个和14个，长乐新区因分布大面积的农田、山体公园、湿地保护区等，生态“交点”高达42个。

根据水文流域模型，将绿色廊道分布域图和温度分布域图叠加，共识别降温生态节点176个。由图2可知：鼓楼区有降温生态节点8个，仓山区21个，晋安区14个，台江区1个，马尾区27个，长乐新区63个，闽侯县42个。中心城区生态节点分布较少，说明绿色廊道对主城区热岛效应的缓解作用较弱，需对其数量和结构进行优化，增加主城区的降温生态节点，提升城区夏季的热舒适度，增强绿色廊道的生态效益。

3.3.2 福州市绿色廊道优化分析 将福州市绿色廊道与地表温度叠加分析，由此识别出35处需降温区域(图2)，其中，鼓楼区2处、仓山区9处、晋安区 6处、台江区2处、马尾区 4处、长乐新区4处、闽侯县8处。以识别的降温区域为导向，基于缓解城市热岛效应为目标，将福州市绿色廊道与城市用地分类矢量数据、绿色廊道生态“交点”、降温生态节点、地表温度等叠加后，在原有74条绿色廊道的基础上，新增绿色廊道14条，主要包括道路型绿色廊道和滨水型绿色廊道2种类型(表4)。其中，道路型绿色廊道8条，主要由城市主干道路构成；滨水型绿色廊道6条，主要由闽江和乌龙江流域，以及城市内河构成。

图2 绿色廊道降温生态节点和需降温区域分布Figure 2 Distribution of cooling ecological nodes and cooling areas in greenway

表4 福州市优化新增绿色廊道统计Table 4 Statistical table of optimized new greenways in Fuzhou City

结合《福州市城市总体规划(2010—2020年)》《福州新区总体规划(2015—2020年)》《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福州市中心城区综合交通总体规划(2011—2020年)》等，对新增绿色廊道的路径选线进行合理性验证和分析，研究结果基本满足要求。优化后的绿色廊道共88条，廊道数量和类型更丰富，景观格局空间分布和结构特征更合理。绿色廊道对城市热点区域的覆盖更全面，对改善城市热岛具有更明显的生态调节功能。在福州市大山水格局的生态框架下，结合城市总体规划和用地布局，对福州市绿色廊道的宽度、走向、植物配置形式等方面进行科学规划和全局统筹，并通过制定行之有效的保护措施和法律法规，提升绿色廊道的空间结构分布特征，发挥绿色廊道的生态效益和功能。

4 结论与讨论

本研究选取具有河口型盆地地貌特征的福州市为对象，以改善城市热环境为目标，基于MCR模型和水文流域模型，对福州市绿色廊道的景观格局进行优化和分析。主要结论如下：①根据MSPA模型和源斑块重要性评价，将提取的30个生态源斑块分为4级：一级最重要斑块(2个)、二级非常重要斑块(3个)、三级很重要斑块(3个)、四级一般重要斑块(22个)。结合生态适应性分析法，由土地利用类型、地形因子、生境因子、景观类型、生态系统服务等5个生态敏感性因子构建综合生态阻力面。②通过MCR模型计算综合生态阻力面的最小成本路径，由此生成74条绿色廊道，总长度918.11 km：一级9 条，132.88 km；二级 14 条，207.48 km；三级 14 条，153.57 km；四级 37 条，424.18 km。将绿色廊道与城市地表温度叠加，共识别80个生态“交点”、35处未覆盖需降温区域，表明绿色廊道的降温效果不够明显，景观格局需进一步优化提升。③利用水文流域模型，将绿色廊道分布域与温度分布域叠加生成176个降温生态节点。据此新增14条绿色廊道：8条道路型绿色廊道和6条滨水型绿色廊道。优化后的福州市绿色廊道共计88条，廊道路径与城市上位规划相符合，整体空间分布更合理，对城市热点区域覆盖更全面，降温效果更明显，缓解城市热岛效应的生态调节功能更突出。