基于改进电路理论模型的城市生态网络优化

基于改进电路理论模型的城市生态网络优化

张雨阳 

沈阳建筑大学  110168

摘要：【目的】目前对于城市化趋势所带来的诸如生态系统破坏和生物多样性的减少等问题日益严峻，所以本文通过以生态环境互为分离的大石桥市与海城市为研究对象，构建了大石桥市与海城市市域的生态廊道关系。

【方法】考虑到单一方法的局限性，所以本文在采用改进电路理论模型与最小累计阻力模型的基础上，综合引入了MSPA分析，对生态源地进行识别，构建综合阻力面，提取出主要的生态廊道并识别潜在生态廊道。综合性的采用邻域分析优化电路理论模型，这让生态源地和电路理论识别出的廊道呈现分级关系从而使后续的研究和优化更加便捷。

【结果】以综合性的研究方法为基础并通过对廊道的优化构建大石桥市与海城市市域的生态网络。发现对于廊道内阻力较高的空间进行优化和修复来提升利于生态系统与物种扩散的生态廊道空间。最后构建“多廊道多斑块多组团”的生态格局。进而从生态格局优化的途径实现生态功能与生物多样性的稳定。

【结论】研究发现优化后的大石桥市与海城市生态质量得到提高。构建和优化大石桥市与海城市市域生态联结网络对于解决城市生态环境碎片化的现状具有一定的帮助和提升。在研究大石桥市与海城市生态网络的基础上，为此类生态环境问题提供理论策略并提出适合城市生态网络构建和优化生境质量的建议。

关键词：景观生态；电路理论模型；生态格局；生物多样性

在城市化进程的背景下，城市问题积重难返，生态系统面临着前所未有的压力。[[1]][[2]]随着城市化，工业化过程的不断推进，自然生态系统在全球范围内都遭到不同程度，不同影响深度的干扰和破坏。以往对于提取生态源地的方法较为单一，多数都以MSPA识别核心区直接提取源地或者采用InVest模型提取生态质量较高的斑块作为源地，而本文用两种方法综合叠加提取源地，在源地识别上有所创新。本文对于电路理论识别廊道加入了邻域分析从而使源地的等级划分和廊道的质量划分更为清晰直观。现如今国土空间生态修复作为国土空间规划的重要组成部分，已经上升为国家战略工程[[3]]。生态网络格局成为一种具有高效优势的重要规划策略[[4]]。大石桥市与海城市作为矿区的发展城市，矿区的位置阻断了景观的联系和物种多样性的传播。所以本文针对大石桥市与海城市的物种多样性扩散建立城市生态网络从而改善城市生境质量。研究成果可为同类型生态问题或同空间尺度的生态网络优化和生态修复提供相应的指导。[[5]]

1. 研究区概况与数据来源

1.1研究区概况

大石桥市位于营口市东北部的辽宁省，地理坐标为东经122度07分至122度59分，北纬40度18分至40度56分。总体地势，西部较低，东部偏高，城市呈现“五山一水四分田”的格局[[6]]。

海城市位于辽宁省南部，是辽东半岛北部地区的一个城市。其地理坐标为东经122度18分至123度08分，北纬40度29分至41度11分之间。构建生态网络是为了增加生态斑块之间的联系[[7][[8]]。使大石桥市和海城市的生态环境有机地联合起来，实现生态的流通和联结。

1.2数据来源

1)空间信息数据：使用2019年的Landsat 8卫星影像数据来获取大石桥市和海城市的空间信息，分辨率为10m x 10m，主要用于提取植被覆盖度等数据。

2)城市规划矢量数据：使用《大石桥市城市总体规划（2017—2035）》作为城市规划的矢量数据，用于提取大石桥市的行政边界、村界、道路和流域等信息。

2. 研究方法与技术路线

2.1技术路线

研究中的生态源地主要依据Invest生境质量模型和MSPA形态学空间格局分析等技术路线进行研究。如图1所示，确定生态源地扩张的阻力要素，将主导生态过程的影响因素与最小累积阻力模型相结合，构建生态源地扩张累积阻力面，并利用GIS计算功能得出生态流通路径与等级分布[[9]]。

1 生态源地阻力扩张要素分析

Analysis on the Factors of Resistance Expansion in Ecological Source Areas of Technological Routes

2.2 MSPA与Invest模型综合识别源地

为了识别源地，可以运用Invest生境质量模型和MSPA模型将重分类后的栅格数据进行等权叠加，[[10]]就可以得到所提取的源地的最终数据结果。

根据Invest生境质量分析和MSPA景观类型分析的结果，通过剔除面积小于10km的源地斑块[[11]]，共识别出41个高质量核心区斑块作为生态源地，占总核心区斑块数量的2.19%。这些结果表明，在识别生态源地时，综合考虑自身功能属性和空间形态属性是必要的。[[12]]这样做可以有效减少生态源地的破碎程度，并且为Invest生境质量模型和MSPA模型提供了补充数据[[13]]。

2 生境质量模型与MSPA模型

Habitat Quality Model and MSPA Model

2.3生态廊道外部影响因子分析

结合东北地区的生态现状对生态源地和城镇用地扩张过程进行评估时，根据不同的目标选择与生态源地和城镇用地扩张相关程度较高的影响因子[[14]]。我们在筛选了生态过程影响因子后，将其分为自然环境因子和社会经济因子[[15]]。具体而言，我们选取土地利用、坡度、距水体距离、植被覆盖指数和水土流失作为自然环境因子。

3 生态廊道外部影响因子

External influencing factors of ecological corridors

2.4生态流路径识别

(1)构建风险扩散的累积阻力面。使用最小累积阻力模型来构建阻力面，该模型考虑了资源源、距离和景观界面特征，阻力面可以反映物种运动的潜在可能性和趋势。最小累积阻力模型(MCR)(公式1)[[16]]的表达式如下：

(2)综合阻力面构建：生态廊道实际上是在MCR差值面上相邻两个源地之间的阻力最小区域，作为生态系统物质和能量流动的畅通通道。其中，MCR代表最小累积阻力值，Dij代表起始源地通往景观栅格之间的空间距离，单位为千米。Ri代表栅格阻力系数。栅格阻力系数的确定，采用了八种影响因素的累积叠加方法，通过AHP法确定了不同因素的权重，并参考了现有文献确定了各因素的阻力系数。综合阻力面如图4所示。

4 综合阻力面                            5 生态流廊道

Comprehensive resistance surface              Ecological flow corridor

(3)生态廊道识别：本研究使用Linkage Mapper软件构建核心栖息地矢量图形和阻力栅格。Linkage Mapper软件的优点在于可以更直观地反映生态廊道的质量。生态廊道的识别结果如图5所示。

2.5 源地邻域分析优化电路理论

(1) 邻近区域协调性建立: 原有的电路理论默认源地的质量是同一水平的，因此生成的生态流廊道的质量也相同，只能通过生态廊道的长度来判断生态流的扩散难度。然而，不同源地之间存在一定的质量差异，因此它们所扩散出的生态廊道应该具有不同的质量水平。

在生态流通道形成后，为了更清晰地识别生态廊道的质量，本文增加了对源地邻域用地的分析。通过基于生态单元邻接兼容系数的邻域扩散表面建立，我们可以确定生态单元之间的关联程度。这里的生态单元邻接兼容系数是根据Marulli和Mallarach提出的生态系统功能兼容矩阵(表1)[[17]]计算而来。源地斑块与其周围斑块之间的兼容系数越高，就越有利于该源地斑块的生态流传导和扩散[[18]]。

表1：生态单元邻接兼容系数

基于生态单元邻接兼容系数构建邻域兼容表面，可以将邻域扩散表面理解为一个1000米乘1000米的块矩阵，其中可以看作有n个大小为3乘3的九宫格矩阵。九宫格中的周围块的数值对中心块有影响，同时中心块的数值也会对周围块产生反作用。数值越高的块表示该邻域斑块中生态流更容易扩散。

(3)邻域分析优化对比：根据下图可以观察到东南部源地的邻域阻力较小，导致该地区的源地质量较高，而扩散阻力也较小，进而形成了质量较高的生态廊道。与之相对比的是北部的源地质量较差，扩散阻力较大，从而形成了质量较低的生态廊道。通过计算源地周边区块的平均值，将源地划分为三级。采用相同的方法将廊道质量划分为三级（廊道对比见图7）。

6 廊道优化对比

Source optimization comparison

3. 结果与分析

3.1生态源地空间分布

通过使用GIS空间插值和多环缓冲区等方法，我们得出了大石桥市与海城市的生态源地的空间分布情况。从结果可以看出，大石桥市与海城市地势呈现东高西低的特点。东部地区多为山林，植被覆盖度相对较高。而西部地区则主要是水田，水系发达，地形湿润度较大。中部地区的城区和矿区相邻，人居环境受到矿业风险的影响较大。从生态源地的分布来看，大石桥市与海城市的生态东西分化严重。因此，建立生态源地间交流的廊道空间对于改善大石桥市与海城市的生态空间尤为重要。

3.2生态踏脚石空间分布

1) Barrier Mapper 是 Linkage Mapper 工具箱的一个组件，用于识别生态空间中的障碍点，可以检测到影响通道质量的重要障碍物。它可以通过两种设置分别检测出改进得分较高的节点和相对较高的原始连接节点。这样，我们可以将这个区域作为研究区的生态节点，以有效地维护原有的生态廊道

[[19]]。

2) 生态“夹点”: Pinch point Mapper 工具是在已有的廊道基础上，通过调用 Circuitscape 程序来识别最小成本通道中的“夹点”，以优先保护这些对研究区的连接性具有重要作用的区域。Pinch point Mapper 结合了最小成本通道和电路理论，以显示最有效的移动路径和关键的“夹点”区域。

3.3生态廊道空间分析

本文共划定了18个生态源地，因此会产生多条路径，其中很多路径之间距离很小或有交叉。为了使生态廊道识别结果更清晰和有操作性，本文只保留相邻生态源地之间的最短路径，并对最短路径周边20km范围内的其他路径进行合并，以保留对于生态源地整体通达性有关键意义的生态廊道。

在遴选出的47条生态廊道中，也存在廊道质量东西差距大的问题。东向的林地间产生的生态廊道对于生态间交流扩散来说质量更高，而西北侧的廊道由于距离远且障碍点较多，质量较低。因此，应该着重改善和提高西北侧生态廊道，以使大石桥市与海城市的生态空间更加完善，生态格局更为优化。

4. 针对生态廊道的空间格局优化

4.1生态格局优化思路

大石桥市与海城市的市域景观布局主要呈现东南大部为林地，西北为耕地的特点。然而，中部建成区与矿区的存在使得东南部林地无法向西北部自由地进行生态流扩散。整个生态网络结构是依托大石桥市与海城市的自然山体、森林和生态要素的现状布局构建而成的。该布局形成了“一区、四核、四片、六廊、多点”的生态网络结构，实现了“生态环护城、生态廊穿城、生态点镶城”的生态空间布局，并充分发挥了城市的生态效能。

7 生态网络优化建议

Suggestions for ecological network optimization

“一区”是指将4、10、13、20个生态斑块进行一体化的生态流融合，突破了行政区划的限制。根据生物物种在景观斑块间扩散的可能性，建议加强10-20、4-10、4-20景观斑块之间的生物通道的规划与建设，这对构建生态网络至关重要。通过加强廊道的建设，可以增强斑块之间的有效链接，为中部景观生态核心区的生物流动与迁徙提供有力的保障。

“四核”是指由4个生态斑块以及这些斑块向外扩散的生态流所构成的四个生态绿色核心。建议加强这四个核心区边缘地带的绿化建设，以促进核心区生态流向周边斑块的扩散更加畅通，从而形成“三核驱动”的发展模式。

“四片”指的是建立在一个区域内的自然保护区、森林公园、湿地公园和自然山体等。我们建议在保护自然资源的前提下，充分利用这些区域的特色和丰富的自然景观。这样可以增加生态斑块的面积，提高区域的生物多样性。

“六廊”是指区域内七个片区之间的线性或带状链接。根据综合考量生态源地之间相互作用力和距离因素的结果，建议加强生态廊道1-20、19-20、20-6、2-4、2-8、22-12之间的规划。在廊道之间建立适合生物流扩散的生态“踏脚石”景观斑块有助于增强廊道之间的作用力。

"多点" 指的是区域内的 22 个重要生态节点，保护和维护生态节点的目的是为区域内的生物物种提供更优质的栖息地。建议加强对现有生态节点的保护，对新增的生态节点进行更有效的生态修复，这对提高生态节点的稳定性和可持续性具有重要价值。

8 生态廊道优化对比

Comparison of Ecological Corridor Optimization

4.2生态网络优化前后对比

考虑到大石桥市与海城市北部主要是耕地，而西部有大片建成区，这个情况对南北生态流的扩散形成了障碍。北部缺乏生态廊道，而1-6廊道过长不利于生态流的传导。东部的建成区和矿区对廊道的质量和数量都有较大影响。为了完善大石桥市与海城市北部和西部的生态流通道的连续性和扩散性，在北部和西部增加了生态源地。同时，原有的廊道在东部质量较弱，因此在东部新增了生态踏脚石斑块，以增强生态流的连通性。如图10所示，优化后廊道的数量得到提升，从而完善了大石桥市和海城市生态流扩散的生态网络。

4.4廊道优化的生态修复工程

除了对整体生态网络进行优化外，我们还确定了关键区域的生态修复工程方案。

(1)西部建成区的生态环境将得到改善和提升：由于西部建成区面积较大，建成区没有保留足够的景观面积，导致生态流在西部地区扩散时受到较大的阻力。因此，治理西部地区的策略主要是在建成区周边建设生态廊道，以促使生态流沿周边地区扩散。

(2)建设中部矿区生态屏障:中部矿区位于中部地区，其呈东西向带状分布。南部和北部是丰富的林地资源。然而，由于矿区所造成的生态污染很容易扩散，从而对周边的生态环境产生影响。为此建议对矿区周边的土地进行调整，形成一个大约宽度为600米的矿-林隔离带，以阻止污染扩散。同时，在跨越矿区的生态廊道宽度相对较小的情况下，建议在10-13生态廊道中增加生态踏脚石斑块，以提供更好的环境条件。

(3)北部耕地生态复垦：北部地区对已经耕种的土地进行生态修复和整治的过程。北部地区具有较严重的耕地退化问题，包括土壤贫瘠、水土流失、农药残留等。为了改善这些问题，政府和农民采取了一系列措施，如合理调整农作物结构、科学施肥、植树造林、建设水土保持设施等。北部耕地生态复垦的意义不仅在于保护和改善土地资源，还能够提高农民的生活质量和农业生产水平。

5. 结论

基于大石桥市与海城市生态网络格局分析，研究区内核心区景观面积共977.68km2。空间异质性较高，景观系统核心区斑块占整体生态景观总面积的56.24%。根据选择生态源地和生态廊道的情况，总共选取了22个重要的生态源地，这些地区斑块的总面积为549.85平方千米。不同生态斑块之间的相互作用强度也存在明显的差异，东南部廊道之间的相互作用较高，而西北部则较低。

本文的主要目的是研究生态流在廊道中的传导与扩散，并考虑了地形、水文等外部因素对生态过程的影响，成功确定了49条重要的生态廊道。在此基础上，构建了具有“一区、四核、四片、六廊、多点”特征的城市生态网络空间。通过建设区域生态网络，可以有效解决城市化带来的景观破碎化和生态系统服务功能削弱等生态问题。本研究为系统构建一个全面的生态流扩散过程，以及一个多层级的生态修复体系，为保护和修复生态系统提供了一种可操作的方法。通过将城市用地的敏感性与矿区的生态廊道进行耦合，并优化改进电路理论模型，最终确定了五个级别的生态廊道，以生态流的质量和宽度为依据。这为生态网络保护的优先级提供了科学的依据。同时，还为城市生态圈的保护与修复方向提供了指导建议。

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