基于ca模型的城市景觀生態(tài)優(yōu)化配置研究

基于ca模型的城市景觀生態(tài)優(yōu)化配置研究

近十年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快，我國進(jìn)入了加快城市化的階段。隨著城市社會、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的快速變化，全球規(guī)模也顯著增加。這種城市化過程對于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)并將繼續(xù)起到巨大的帶動作用,但同時所引發(fā)的一系列環(huán)境生態(tài)問題也顯而易見,尤其是許多城市發(fā)展缺乏合理有效的規(guī)劃管理,導(dǎo)致大量優(yōu)質(zhì)耕地被侵占的同時,已被農(nóng)轉(zhuǎn)非的土地卻利用效率低下;城鎮(zhèn)建設(shè)分散、無序,環(huán)境污染、水土資源破壞嚴(yán)重,不僅直接影響城鎮(zhèn)居民的生活質(zhì)量,還有損于城市的社會形象和區(qū)域生態(tài)質(zhì)量。合理規(guī)劃城市土地利用和景觀格局,維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全,已成為區(qū)域持續(xù)發(fā)展研究的緊迫任務(wù)。但在目前的規(guī)劃技術(shù)中,生態(tài)內(nèi)容仍局限于綠化系統(tǒng)的和大氣、水質(zhì)、聲學(xué)環(huán)境污染的改善、固體廢棄物的處理,而遠(yuǎn)未涉及作為城市整體發(fā)展觀念的生態(tài)系統(tǒng)的主要內(nèi)容。城市生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能所決定,系統(tǒng)的功能取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。要改善城市生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài),就必須從調(diào)整城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手。城市土地既是形成城市空間格局的地域要素,又是人類活動及其影響的載體,它的利用方式和格局成為調(diào)控城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),同時決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和功能。因此,在滿足生態(tài)學(xué)要求及城市發(fā)展需求的條件下,合理安排城市土地利用的方式及景觀空間組合便成為城市生態(tài)規(guī)劃的首要內(nèi)容。1景觀的生態(tài)學(xué)特性關(guān)于景觀的解釋,一直眾說紛紜。一般公眾將其與“風(fēng)景”等同;建筑學(xué)強(qiáng)調(diào)它的美學(xué)特征,將景觀理解為建筑物或建筑群體的空間視覺效果;地理學(xué)則強(qiáng)調(diào)綜的區(qū)域特性,將景觀定義為地域綜合體。目前較一致的共識是:景觀是一個由不同土地單元鑲嵌組成,且有明顯視覺特征的地理實體;它處于生態(tài)系統(tǒng)之上,大地理區(qū)域之下的中間尺度,兼具經(jīng)濟(jì)價值、生態(tài)價值和美學(xué)價值。景觀的生態(tài)學(xué)認(rèn)識是在傳統(tǒng)理解基礎(chǔ)上的進(jìn)一步綜合和延伸,主要強(qiáng)調(diào):(1)景觀的物質(zhì)性,即景觀不同于環(huán)境,它即不是環(huán)境中所有要素的全部,也不是它們簡單相加而組成的整體,而是它們綜合作用的階段性產(chǎn)物,是環(huán)境構(gòu)成中的實體部分;(2)景觀的空間性,即景觀是有明顯視覺特征的地理實體,既有區(qū)域特性,也追求視覺效果;(3)景觀的異質(zhì)性,即景觀在不同的時空尺度都是由低一級的、性質(zhì)有差異的景觀單元組成的空間區(qū)域,這種時空多樣性正是景觀生態(tài)穩(wěn)定性的重要標(biāo)志。城市景觀是景觀一般性分類中的一種,它以其特有的景觀構(gòu)成和景觀功能區(qū)別于其他景觀類型(如農(nóng)業(yè)景觀、自然景觀)。在構(gòu)成上,城市景觀大致由三類景觀要素構(gòu)成,即人工景觀單元,如道路、建筑物;半自然景觀單元,如公共綠地、農(nóng)田、果園;人為干擾下的自然景觀單元,如河流、水庫、自然保護(hù)區(qū)。在功能上,城市景觀以為人類提供生活、生產(chǎn)的場所為主,并因而成為對環(huán)境生態(tài)造成負(fù)面影響的主要根源。2城市旅游資源開發(fā)存在的問題城市景觀生態(tài)問題主要是由不合理的土地利用方式和利用強(qiáng)度造成,其表現(xiàn)形式概括起來主要有如下幾個方面:(1)自然生境大量損失:城市景觀中承擔(dān)自然生境功能的單元類型主要有林地、草地、水體及農(nóng)田等,而伴隨著人口的激增和相應(yīng)人類生活、生產(chǎn)用地規(guī)模的迅速擴(kuò)大,城市區(qū)域中的這些景觀單元不僅已經(jīng)少得可憐而且仍將繼續(xù)快速減少。其結(jié)果是整個區(qū)域的生境類型趨于簡單化,城市綠色空間不斷減少,生物多樣性資源嚴(yán)重受損,并進(jìn)一步導(dǎo)致:景觀生態(tài)穩(wěn)定性降低,對各種環(huán)境影響的抵抗力和恢復(fù)力下降;降低了城市區(qū)域?qū)Σ涣辑h(huán)境影響的吸納能力,使環(huán)境污染問題日益加重;使自然環(huán)境的美學(xué)價值及舒適性大打折扣,給區(qū)內(nèi)旅游資源的開發(fā)帶來相當(dāng)?shù)睦щy。(2)水土流失加劇:水土流失常被認(rèn)為是山坡地特有的問題,并因而在城市區(qū)域中極易被忽略。但近年來隨著我國城市化速度的加快,城市區(qū)域中(尤其是開發(fā)區(qū))由于土地平整使地表植被破壞、土地裸露,加上許多土地推而不建且長期閑置,導(dǎo)致城市區(qū)域水土流失也日益加劇,不僅造成開發(fā)土地支離破碎,引起河道淤積、橋涵淤塞、洪害頻繁,而且危害市區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)放及防洪安全,對城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及景觀和環(huán)境質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在我國快速城市化最為典型的深圳市的實踐研究表明裸露平土區(qū)產(chǎn)生的土壤侵蝕模數(shù)(或侵蝕速率)已遠(yuǎn)大于自然山頭或農(nóng)地的侵蝕模數(shù)。(3)景觀破碎度增加:城市區(qū)域中,人類活動使自然組人極度萎縮,僅存的自然半自然景觀組分也被強(qiáng)烈分割,分布七零八落,景觀自然生態(tài)過程如物種擴(kuò)散、能量流動、風(fēng)險轉(zhuǎn)移等嚴(yán)重受阻,其涵養(yǎng)物種、凈化環(huán)境的能力隨之呈非線性降低。不僅如此,人造景觀的碎裂化特征也很顯著,建設(shè)開發(fā)一方面攤大餅般盲目外延,一方面不顧后果見縫插針,景觀功能分異紊亂,缺乏規(guī)模效益,土地利用表面高效,實則浪費。(4)景觀結(jié)構(gòu)單一:城市景觀自然組分的大量減少,迫使現(xiàn)在自然景觀單元主要以城市綠地的形式存在,但這些綠地主要集中在極少的幾個公園或廣場綠地,其他街道及街區(qū)分布稀少,空間分配極度不均衡。而且由于綠地構(gòu)成往往類型單一,覆蓋稀疏,又缺乏空間層次性使其難以完成應(yīng)有的生態(tài)功能。同時,城市人工景觀的建造也很少考慮生態(tài)美學(xué)要求,往往地盡其用而無視其與周圍景觀的協(xié)調(diào)及樹立整體景觀特色。(5)景觀通達(dá)性降低:隨著城市景觀碎裂化程度的增加,景觀通達(dá)性也明顯降低,主要體現(xiàn)在兩方面,一是生態(tài)連通性的降低,即由于人為干擾組分的阻隔,自然生境之間的聯(lián)系通道往往被割斷或破壞,如建設(shè)開發(fā)使河道干涸、污染;高速公路將自然棲息地一分為二等,使自然生態(tài)過程中斷,景觀穩(wěn)定性降低。二是視覺通達(dá)性受阻,如居住區(qū)樓房密度過高或與工廠、交通干道比鄰,狹小的視野、污染、噪聲等均使景觀舒適度大為降低。3約束性ca模型景觀生態(tài)問題的實質(zhì)是土地資源利用的空間配置,實現(xiàn)城市景觀生態(tài)調(diào)控的關(guān)鍵在于如何控制城市景觀發(fā)展格局使其符合生態(tài)學(xué)的要求,從而減免城市景觀生態(tài)問題的發(fā)生發(fā)展。細(xì)胞自組織(cellularautomata,CA)模型為實現(xiàn)這一目的提供了一個定量化方法基礎(chǔ)。CA模型是近年來隨GIS技術(shù)的發(fā)展而被廣泛采用進(jìn)行城市化空間模擬的方法。諸多研究表明,盡管CA模型的特點是由一些非常簡單的規(guī)則組成,但它卻能成功模擬非常復(fù)雜的城市系統(tǒng)的演變過程,而正是這些“簡單的規(guī)則”卻使我們通過在常規(guī)CA模型中加入各種約束性條件,進(jìn)而控制城市發(fā)展的空間格局成為可能。黎夏等(1999)已將約束性CA模型成功應(yīng)用于珠江三角洲地區(qū)的城市發(fā)展規(guī)劃研究。在該研究中,黎夏等將約束性條件按作用尺度分為局部、區(qū)域及全局性約束,并引入灰度概念以反映土地利用變化的累計效應(yīng)(如某一土地單元的利用方式在t時刻雖沒有發(fā)生轉(zhuǎn)換,卻增加了轉(zhuǎn)換的可能性,當(dāng)這種可能性增加到一定程度,即到了t+i時刻,轉(zhuǎn)換才發(fā)生)。常規(guī)CA模型可簡單表達(dá)如下:St+1=f(St,N)St+1=f(St,Ν)式中S是狀態(tài),N是鄰域,f是轉(zhuǎn)換函數(shù),t是時間。它主要是依據(jù)鄰域的狀態(tài)來決定中心單元狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。約束性的CA模型可表達(dá)為Pts{x,y}=f(St{x,y},N)?Rts{x,y}Ρst{x,y}=f(St{x,y},Ν)*Rst{x,y}這是由標(biāo)準(zhǔn)的CA模型乘以總約束性系數(shù)構(gòu)成。式中Ptsst{x,y}是發(fā)展概率;St是狀態(tài);Rtsst是總約束性;N是鄰近范圍,{x,y}是單元所在位置。總約束性系數(shù)用來控制發(fā)展的方向和速度。各約束性的值可以根據(jù)一系列環(huán)境和資源要素來定義,其變化范圍是0~1,當(dāng)其值為0時,否定所在位置上的任何發(fā)展;當(dāng)其值為1時,則對發(fā)展沒有任何約束。為將CA模型應(yīng)用于可持續(xù)城市發(fā)展規(guī)劃,核心的問題就是如何將相關(guān)的生態(tài)學(xué)原理和準(zhǔn)則分別轉(zhuǎn)化為不同尺度上的約束條件,通過量化與模型結(jié)合進(jìn)行計算,以得到生態(tài)上合理的城市擴(kuò)展的空間格局。4生態(tài)保護(hù)理論景觀生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)規(guī)劃長期致力于景觀格局與生態(tài)過程的機(jī)理研究,強(qiáng)調(diào)景觀空間格局對過程的控制和影響,試圖通過格局的改變來維持景觀功能流的健康和安全,尤其強(qiáng)調(diào)景觀格局與水平運動和流的關(guān)系,并基于此相繼提出了一些關(guān)于生態(tài)保護(hù)的景觀規(guī)劃途徑和方法,如哈伯(Heber)的“10%急需法則”;佛曼(Forman)的“集中與分散相結(jié)合(aggregate-with-outlierspatterns)”及“必要的格局(indispensablepatterns)”;我國學(xué)者俞孔堅的“景觀生態(tài)安全格局(ecologicalsecuritypatternsinlandscape)”等,為構(gòu)建城市景觀優(yōu)化配置的生態(tài)約束提供了堅實的研究基礎(chǔ)。這里根據(jù)前述景觀生態(tài)問題的特征,以及目前國際景觀生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)規(guī)劃研究中已較為成熟的研究共識,考慮其與CA模型結(jié)合的可行性,提出如下幾方面約束。4.1土地利用布局優(yōu)化合理的生態(tài)規(guī)劃需要遵循生態(tài)適宜性原理,按照“適地適用、合理布局”的原則,根據(jù)土地的生態(tài)要求規(guī)劃、布置各業(yè)用地。所謂生態(tài)適宜性是指土地本身所提供的生態(tài)條件(如光、熱、水、土以及地形等)對某種用途(如居住、開墾、牧業(yè)等)的適宜與否及適宜程度。這種“適宜性”是基于土地持續(xù)利用而不致引起土地或環(huán)境退化,按照土地適宜性評價結(jié)果構(gòu)建的土地利用布局,是符合生態(tài)規(guī)律、滿足“人類與自然共生”和土地持續(xù)利用要求的。生態(tài)適宜性約束要求將土地利用類型及其要求與表征每一評價單元土地質(zhì)量的各種土地屬性相比較、并進(jìn)行相互協(xié)調(diào)和相互適應(yīng),既比配(Matching)。水土流失即是土地利用與土地屬性不相匹配產(chǎn)生的典型適宜性問題,應(yīng)通過適宜性約束加以調(diào)控。適宜性是根據(jù)一系列因子的綜合評價系數(shù)來度量的,不同的規(guī)劃對象考慮的適宜性約束因子不同。非農(nóng)建設(shè)用地的開發(fā)主要考慮地形、交通、區(qū)位條件等;基本農(nóng)田保護(hù)主要考慮坡度、土壤、灌溉條件等;水源地保護(hù)不僅要考慮緩沖區(qū)、水系連通性,還要考慮整個流域及流域間的地貌組合;旅游開發(fā)則要考慮游客的游憩、文化及美學(xué)需求等。對各種約束性的綜合評價,可利用多準(zhǔn)則判斷(MCE)技術(shù),獲得其總約束性系數(shù)的值。不同空間尺度的適宜性約束值可通過柵格化過程轉(zhuǎn)化為模型計算單元的參數(shù)值,進(jìn)而與其他約束性值累積,并與常規(guī)CA模型結(jié)合預(yù)測規(guī)劃期的景觀發(fā)展格局。4.2在景觀多樣性研究中的應(yīng)用多樣性是理論生態(tài)學(xué)和應(yīng)用生態(tài)學(xué)的一個重要概念,甚至許多生態(tài)學(xué)家和生物學(xué)家將其視為生命的基本準(zhǔn)則。大量事實證明,生物群落與環(huán)境之間保護(hù)動態(tài)平穩(wěn)的穩(wěn)定狀態(tài)的能力,是同生態(tài)系統(tǒng)物種及結(jié)構(gòu)的多樣、復(fù)雜性呈正相關(guān)的。也就是說,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)愈多樣、復(fù)雜,則其抗干擾的能力愈強(qiáng),因而也愈易于保持其動態(tài)平穩(wěn)的穩(wěn)定狀態(tài)。在生態(tài)學(xué)中,人們將多樣性劃分為三種類型,分別是物種多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性和空間多樣性,在歐洲,人們分別稱之為α、β、和γ多樣性。空間多樣性構(gòu)成豐富多彩的景觀,它是其它多樣性的基礎(chǔ)。城市區(qū)域的自然生境大量喪失、景觀結(jié)構(gòu)單一等均屬于多樣性問題,可通過在景觀規(guī)劃的空間模型中加入多樣性約束進(jìn)行調(diào)控。最常用來計算γ多樣性的模型是Shannon信息熵公式。但有研究證明,Shannon公式只在樣本數(shù)大于100的條件下可信,而CA模型所要求的領(lǐng)域范圍往往僅限于3*3或5*5的窗口空間,難以滿足條件。在有限樣本的情況下,一般可采用Brillouin公式計算多樣性。兩種評價方法由于來源于生物學(xué)中的物種統(tǒng)計,在以土地利用類型為基本單元的景觀多樣性評價中缺乏針對性,而且沒有明確的評價標(biāo)準(zhǔn),使其難以同CA模型相結(jié)合。1971年,γ多樣性首先被哈伯運用于分異土地利用研究,并產(chǎn)生了土地管理的DLU戰(zhàn)略。這個DLU戰(zhàn)略很實用于人口密集的國家和地區(qū),其理論核心主要表現(xiàn)為如下規(guī)劃:(1)在給定的區(qū)域自然單元之內(nèi),一般土地利用類型不能太單一,至少10%~15%為它用或自然保護(hù)區(qū)。(2)優(yōu)勢土地利用必須在自身之內(nèi)多樣化,應(yīng)避免大片土地同一化。人口高度集中的地區(qū),土地規(guī)模絕對不能超過8~10ha。大面積土地的單一化利用,一方面造成單調(diào)的土地外觀,更重要的加重了環(huán)境承受的負(fù)擔(dān)。集約土地利用的多樣化可使環(huán)境負(fù)擔(dān)多樣化,從而減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。上述兩點構(gòu)成著名的“10%急需法則”,是允許足夠的野生動植物與人類的土地利用共存的一般計劃原則。DLU戰(zhàn)略已受到規(guī)劃工作者和環(huán)境保護(hù)專家的歡迎。然而,由于西方土地私有制的約束,它在規(guī)劃中的應(yīng)用仍是有限的,而且發(fā)展緩慢。近年來,YueT.X.(岳天祥)等(1994)基于哈伯的“10%急需法則”,運用分維幾何學(xué)的有關(guān)思想,提出了DLU戰(zhàn)略規(guī)則的定量化評價模型。該模型針對土地利用的類型單元,給出了有限樣本條件下對景觀多樣性評價的方法和判斷標(biāo)準(zhǔn),可為確定景觀多樣性的約束性參數(shù)提供借鑒。4.3景觀生態(tài)安全格局人類活動使自然景觀被分割得四分五裂,景觀的功能流受阻,不僅使景觀的生物多樣性受到極大威脅,景觀整體生態(tài)失衡所引起的區(qū)域影響更不可估量。所以維護(hù)大型自然植被斑塊,加強(qiáng)孤立斑塊之間及斑塊與種源之間的聯(lián)系,是現(xiàn)代景觀規(guī)劃的主要任務(wù)之一。為實現(xiàn)自然景觀單元的合理集聚與有效連通,如下措施被普遍認(rèn)為是有效的,對克服人為干擾有積極作用:建立自然景觀保護(hù)的絕對核心區(qū);建立緩沖區(qū)以減少外圍人為活動對核心區(qū)的干擾;在核心區(qū)之間建立廊道;適當(dāng)增加景觀異質(zhì)性,在關(guān)鍵性地段引入或恢復(fù)鄉(xiāng)土景觀斑塊;建立物種運動的“跳板”以連接破碎生意斑塊。但問題在于如何確定核心區(qū)及緩沖區(qū)?怎樣建立廊道?如何識別關(guān)鍵地段?將上述景觀保護(hù)措施應(yīng)用于規(guī)劃實施,必須面對這些問題的解決。我國學(xué)者俞孔堅(1996)的景觀生態(tài)安全格局識別方法(以生物多樣性保