一种基于MSPA和电路理论的城市生态廊道空间划定方法

一种基于mspa和电路理论的城市生态廊道空间划定方法
技术领域
1.本发明涉及城市生态规划和建设技术领域，具体涉及一种基于mspa和电路理论的城市生态廊道空间划定方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的不断加快，大量土地被用来开发建设，城市生态安全格局受到严重威胁。特别是为城市提供生物多样性的大型生态空间逐渐碎片化，所以需要规划走廊来构建生态网络。大多数研究的重点是自然存在的潜在生态廊道，但是在高度城市化地区，亟需人工构建生态走廊来连接城市中的重要源地。实现这一目标迫切需要适用于城市化区域的生态廊道构建技术。
3.目前的生态廊道构建方法已经非常成熟，其过程可包括：
4.(1)源地识别，通常为大范围的生态功能区。生态指标，如环境适宜性、景观连通性和生境质量，通常包括在生态斑块重要性评估中。
5.(2)阻力面确立，即通过建立阻力面指标计算连通目标景观所需要克服空间阻力的大小；许多研究都是以土地利用类型为基础进行阻力赋值。这种方式主观性强，会掩盖同一土地覆被类型下的生态阻力差异。
6.(3)路径识别。最小阻力模式是识别生态廊道地传统方法。
7.(4)宽度确定。通过缓冲区和门槛值来确定廊道的空间范围。
8.目前对高度城市化地区的生态廊道构建认知仍存在缺陷，其原因是高密度城市的特征：生境质量低、地性复杂，所以传统的生态廊道构建方法并不适用于城市环境，而且现有分析工具的利用也不足。同时，城市生态廊道范围不清，制约了城市生态廊道的科学构建。太窄的廊道会受人类活动影响较大，生态廊道的范围过大，会导致土地资源的浪费。不同的研究角度，廊道的适宜范围不同。很多研究人员利用不同方法构建了生态廊道的潜在路径，但不能明确生态走廊的空间范围。虽然已经有一些研究对生态廊道的宽度确定进行了探讨，但是廊道的范围确定方法仍然非常笼统，缺乏一定的科学性。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于mspa和电路理论的城市生态廊道空间划定方法，对高密度城市化区域进行形态学格局分析和生境质量评估，构建适合于高密度城市化地区的城市生态廊道识别方法，对城市生态廊道进行分级，识别城市生态廊道的宽度和空间范围，最终再对城市生态廊道的空间范围进行划定，克服现有的线性层面上的生态网络限制。
10.本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
11.一种基于mspa和电路理论的城市生态廊道空间划定方法，该方法包括以下步骤：
12.步骤1、获取选定区域内各景观单元对应的城市地理信息，基于mspa对选定区域的生态空间进行形态学分析识别出生态源地；
13.步骤2、将景观类型、生态质量及ndvi相结合构建综合阻力面；
14.步骤3、将综合阻力面数据导入linkage mapper，选择生态源地和阻力面，基于最小累计阻力模型确定任意两个生态源地之间的城市生态廊道路径；
15.步骤4、导入生态源地数据和综合阻力面数据，基于电路理论应用centrality mapper对城市生态廊道进行中心性计算，根据中心性对城市生态廊道进行重要性分级；
16.步骤5、确定城市生态廊道的关键物种，构建城市生态廊道范围的适宜性指标体系，对城市生态廊道范围内的适宜性指标体系中的指标分别进行加权叠加计算来确定城市生态廊道的适宜建设范围和优先等级。
17.进一步地，步骤1包括：获取待规划区域内各景观单元对应的城市地理信息；确定土地利用类型中的生态空间和非生态空间；利用arcgis，将生态空间图层重分类为前景和背景；将前景和背景图层导入guidos软件运行，确定核心区；通过面积筛选，将大于30ha的核心区筛选为城市生态源地。
18.进一步地，在步骤3中，借助mcr模型模拟生态源之间的最小成本路径来确定任意两个生态源地之间的城市生态廊道路径，两个生态源地之间的城市生态廊道路径，
19.其中，f代表最小累积阻力值，d
ij
代表从生态源j到空间单元i的空间距离，ri代表单元i的阻力系数。
20.进一步地，在步骤4中，在centrality mapper工具中输入生态源地数据和阻力面数据，点击运行，识别所述城市生态廊道中生态源地之间的电流密度，生成初步中心性分级图；再通过gis重分类工具，按照中心性对中心性分级图重新分级。
21.进一步地，城市生态廊道范围内的适宜性指标体系中的指标包括物种迁徙最长距离、物种迁徙适宜性宽度、高流动性潜在区域和高开发性潜在区域，针对物种迁徙最长距离、物种迁徙适宜性宽度、高流动性潜在区域和高开发性潜在区域分别进行加权距离计算、缓冲区设定、潜在廊道电流密度分级和潜在廊道构建成本评估。
22.进一步地，对物种迁徙最长距离进行加权距离计算时，基于linkage mapper工具，将每一对生态源地之间的映射链接的最小成本路径长度限制为最大成本加权距离值，输入源地和阻力面数据运行linkage mapper工具提取阈值范围内的连接区；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同最大成本加权距离阈值的连接区重新赋值。
23.进一步地，对物种迁徙适宜性宽度进行缓冲区设定时，确定每类物种的迁徙适宜宽度值，使用gis工具对最小路径进行不同物种相适宜宽度值的缓冲区分析；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同宽度值的缓冲区区域重新赋值。
24.进一步地，对高流动性潜在区域进行潜在廊道电流密度分级时，基于电路理论，向pinchpoint mapper工具输入源地和阻力面数据，设置成本加权距离作为阈值，运行pinchpoint mapper工具，识别生态廊道中的高电流密度区域；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同电流密度级别区域进行重新赋值。
25.进一步地，对高开发性潜在区域进行潜在廊道构建成本评估时，根据城市中不同的土地利用类型，评估潜在廊道构建成本，建设成本越高则潜在廊道的构建适宜性越低；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同土地利用类型单元进行重新赋值。
26.进一步地，使用gis工具的格栅计算器工具对城市生态廊道范围内的适宜性指标
体系中的指标包括物种迁徙最长距离、物种迁徙适宜性宽度、高流动性潜在区域和高开发性潜在区域进行叠加分析，利用gis的重分类工具先将生态廊道的适宜性建设区域筛选识别出，然后按照重要性将确定的生态廊道空间范围划分为不同优先级区域。
27.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
28.1、本发明通过耦合城市生态质量分析和mspa，从生物迁徙的生态适宜性角度来考虑阻力面构建，避开了用地性质对阻力赋值的影响
29.2、本发明通过mspa得到的景观类型纳入到阻力面构建的因子中，最大化利用现有的城市生态空间，来减小构建成本。
30.3、现有技术没有考虑到生态质量的差异且掩盖了生态网络内部的物质流动，而本发明的方法引入电路理论来探究生态廊道内部动物迁徙过程，从功能的角度对城市生态廊道的重要性进行分级。为实现城市生态廊道构建的精确指导，并考虑了动物迁徙的需求和城市化环境现状。
31.4、在规划建设方面，本发明的城市生态廊道具体空间范围的划分，衔接了城市生态廊道的规划与建设层面，增强了城市生态网络规划的可行性。
32.5、在保护与管理方面，城市生态廊道空间范围的明确是提高土地利用效率的重要途径，可以避免廊道建设中对土地资源的过度浪费和侵占。
33.6、在研究与评估方面，通过对城市生态廊道空间范围的确定，有利于早期预判其建设的可行性，还可以完善城市生态廊道生态服务价值和结构评估的指标体系。
附图说明
34.图1是本发明的基于mspa和电路理论的城市生态廊道划定方法的流程图。
35.图2是本发明的实施例中的城市景观类型分布图。
36.图3是本发明的实施例中的城市生态阻力图。
37.图4是本发明的实施例中的城市生态廊道结构图。
38.图5是本发明的实施例中的动物迁徙最长距离分级图。
39.图6是本发明的实施例中动物迁徙适宜宽度分级图。
40.图7是本发明的实施例中的高流动性潜在区域分级图。
41.图8是本发明的实施例中的高潜在开发性分级图。
42.图9是本发明的实施例中的城市生态廊道范围图。
43.图10是本发明的实施例中图9的b区放大图。
44.图11是本发明的实施例中图9的c区放大图。
具体实施方式
45.下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：
46.一种基于mspa和电路理论的城市生态廊道空间划定方法，该方法包括以下步骤：
47.步骤1、基于mspa(景观类型)对选定区域的生态空间进行形态学分析识别出生态源地：
48.获取选定区域内各景观单元对应的城市地理信息，城市地理信息主要包括区域行政边界矢量数据、土地利用数据和ndvi数据。确定该区域内土地利用类型中的生态空间和
非生态空间，生态空间包括草地、耕地、花园、公园、绿地、林地、水域和其他土地。
49.以上海市闵行区为例，如图2所示，从图中可以看到，在七种景观类型(景观类型包括：branch-支线；edge-边缘；perforation-穿孔；islet-孤岛；core-核心区；bridge-桥梁；loop-环线)中，核心区(core)的面积最大，主要分布在闵行区的东南角。支线(branch)、桥梁(bridge)和环线(loop)可以用来构建廊道组件，并促进城市生态源之间的连接。连接区只占生态空间的11.53％，表明研究区的核心斑块是高度分散的。
50.利用arcgis的重分类工具，根据生态空间类型，将生态空间图层重分类为前景和背景，其中生态空间为前景，非生态空间为背景；将前景和背景图层导入guidos软件运行，mspa的参数设置如下：前景连接-8/4(默认设置)；过渡-设置为"开"；外部设置为"开"。点击运行，自动生成景观类型图。再根据景观类型图，提取出核心区。
51.通过面积筛选，将大于30ha的核心区筛选为城市生态源地。
52.步骤2、将景观类型、生态质量及ndvi相结合构建综合阻力面；
53.考虑到高度城市化地区的实际情况，选择了ndvi、生境质量和mspa三个指标来构建综合阻力指标体系(阻力表)，如下表所示：
54.[0055][0056]
然后根据层次分析法确定各阻力因子的权重。根据各景观单元对应的阻力值，通过gis的重分类工具，对不同阻力因子的各景观单元重新赋值，形成单因子的阻力面。
[0057]
再使用gis的格栅计算器工具，将各阻力因子加权叠加，得到综合阻力面。如图3所示，将ndvi、生境质量和mspa三项指标的图像叠加得到综合阻力面图像，最高阻力值设定为300，发现主要集中在过度拥挤的住宅和商业区。阻力值相对较低的地区则集中在限制发展区。公园和林地的阻力值明显低于周围区域的阻力值。
[0058]
步骤3、将综合阻力面数据导入linkage mapper，选择生态源地和阻力面，基于最小累计阻力模型确定任意两个生态源地之间的城市生态廊道路径；mcr模型是基于gis平台，模拟生态源地之间的最小成本路径(lcp)，这是物种迁移的最佳扩散路径，表示如下：
[0059][0060]
其中，f代表最小累积阻力值，d
ij
代表从生态源j到空间单元i的空间距离，ri代表单元i的阻力系数。
[0061]
步骤4、导入生态源地数据和综合阻力面数据，基于电路理论应用centrality mapper对城市生态廊道进行中心性计算，根据中心性对城市生态廊道进行重要性分级。根据电流理论，使用centrality mapper工具对路径进行中心性计算，centrality mapper计算所得的中心度是通过电流模仿生态流的扩散过程，可以量化节点和最小阻力路径在维持整个网络连通性方面的重要性。
[0062]
在centrality mapper工具中输入生态源地数据和阻力面数据，点击运行，识别所述城市生态廊道中生态源地之间的电流密度，生成初步中心性分级图；再通过gis重分类工具，按照中心性对中心性分级图重新分级。
[0063]
以上海市闵行区为例，基于mcr模型，共提取63条生态廊道，主要位于闵行区的南
半部。闵行区中部的生态廊道数量相对较少。具有最高中心性的生态源地对城市的生态网络至关重要，如图4所示，按照中心性分级图将中心性分级图重新分为三级，其中8条为一级生态廊道，12条为二级生态廊道，43条三级生态廊道。
[0064]
步骤5、确定城市生态廊道的关键物种，本实施例中选择獐、松鼠和蟾蜍三种作为城市生态廊道的关键物种。构建城市生态廊道范围的适宜性指标体系，确定了四个指标：物种迁徙最长距离、物种迁徙适宜性宽度、高流动性潜在区域和高开发性潜在区域。对城市生态廊道范围内的适宜性指标体系中的指标分别进行加权叠加。
[0065]
针对物种迁徙最长距离、物种迁徙适宜性宽度、高流动性潜在区域和高开发性潜在区域分别进行加权距离计算、缓冲区设定、潜在廊道电流密度分级和潜在廊道构建成本评估：
[0066]
针对选定的三种物种，根据文献记载的运动事件确定最大加权距离值，獐、松鼠和蟾蜍的最大加权距离值分别是5km、20km和30km。对物种迁徙最长距离进行加权距离计算时，基于linkage mapper工具，将每一对生态源地之间的映射链接的最小成本路径长度限制为最大成本加权距离值，输入生态源地数据和综合阻力面数据运行linkage mapper工具提取阈值范围内的连接区；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同最大成本加权距离阈值的连接区重新赋值，提取的阈值越小，适宜性越高，如适宜性指标体系赋值表所示。
[0067]
对物种迁徙适宜性宽度进行缓冲区设定时，确定每类物种的迁徙适宜宽度值，獐、松鼠和蟾蜍的迁徙适宜宽度分别为30米、60米和100米。使用gis工具对最小路径进行不同物种相适宜宽度值的缓冲区分析；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同宽度值的缓冲区区域重新赋值，距离廊道中心的距离越近，适宜性越高，如适宜性指标体系赋值表所示。
[0068]
对高流动性潜在区域进行潜在廊道电流密度分级时，基于电路理论，向pinchpoint mapper工具输入生态源地数据和综合阻力面数据，设置成本加权距离作为阈值，本实施例中的成本加权距离为30000m，运行pinchpoint mapper工具，识别生态廊道中的高电流密度区域；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同电流密度级别区域进行重新赋值，电流密度越高，适宜性越大，如适宜性指标体系赋值表所示。
[0069]
对高开发性潜在区域进行潜在廊道构建成本评估时，根据城市中不同的土地利用类型，评估潜在廊道构建成本，建设成本越高则潜在廊道的构建适宜性越低；构建适宜性因子赋值表，使用gis的重分类工具对不同土地利用类型单元进行重新赋值，有建筑物覆盖区域的值低于无建筑物覆盖地区的值，如适宜性指标体系赋值表所示。
[0070][0071][0072]
使用gis工具的格栅计算器工具对物种迁徙最长距离、物种迁徙适宜性宽度、高流动性潜在区域和高开发性潜在区域的加权数值叠加计算来确定城市生态廊道的适宜建设范围和优先等级，利用gis的重分类工具先将生态廊道的适宜性建设区域筛选识别出，然后按照重要性将确定的生态廊道空间范围划分为不同优先级区域。具体将动物迁徙最长距离分级图、动物迁徙适宜宽度分级图、高流动性潜在区域分级图及高潜在开发性分级图进行叠加，得到图9的城市生态廊道范围图，如图5-11所示。
[0073]
通过将场地状态图和物种需求图叠加在一起形成一张综合图(图9)，确定了最具有保护价值和该善潜力的城市生态廊道。越靠近生态廊道的中心，修复区的水平越高，优先恢复区的生态质量直接影响到整个区域的生态网络，应优先恢复这些区域。从图9中可以看到，闵行区中部地区的廊道宽度大多较窄，这是由于建筑用地集中，城市生态廊道的实际断
裂状态造成的。如果不及时采取恢复措施，大都市生态网络的连通性和生态功能将受到严重影响。
[0074]
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。