第3章绿地的监测与分析 3.1基于3S技术的绿地监测 3.1.13S技术 对绿地进行准确的监测与分析是开展绿地系统规划的前提。基于田野测量的传统手段无法掌握即时的、广域的绿地分布信息，近年来以3S集成技术为代表的数字技术方法不断发展，广泛应用于地表状态监测，极大地推动了绿地监测与分析技术的发展。 3S是GPS(全球定位系统)、RS(遥感)、GIS(地理信息系统)的统称。GPS是Global Positioning System的缩写，即全球定位系统。国际上普遍使用的是由美国政府所主导运用的卫星测位系统。该系统由距离地面20200km的24颗卫星组成测地网络，对地表面任何一点、线、多边形都可以进行全天候、高精度的定位、定性和定时。定位是通过三维坐标系统进行的。在定位的同时，通过地面的GPS信号接收器，记载物体的基本属性和测量时间，进行定性和定时，并且将其和位置信息转换成数字式信息进行存储和输出。GPS产品的低成本化使其用途越来越广泛，在地质、地理、生物等自然科学和城市规划与建设、军事、灾害监视、农业甚至考古学方面应用前景广阔，正逐步发展成为对景观物质客体对象的位置、形状和基本属性的主要测量与记录手段之一。 遥感技术(RS)利用物体具有的发射、反射与吸收电磁波的特性探测物体的质地和空间形状。早期的遥感探测主要是通过航空摄影来探测物体，20世纪60年代后，随着人造卫星技术的迅速发展，用于遥感探测的电磁波波段范围不断扩大，即从原来较单调的宽波段向微波、多波段扩展。遥感技术已经具备全天候对地实时高精度监测的功能。与GPS相互结合可以更加全面准确地把握地表景观的状态，并且为地理信息系统提供信息源。 GIS作为空间数据库管理系统，能够保存、管理从GPS、RS以及其他渠道获得的景观物质客体的空间与属性数据(包括矢量数据和栅格数据)，通过叠加、邻近、网络分析认识和评价客体景观状态和景观作用过程的规律，预测景观发展变化和影响，数字模拟和展示虚拟景观。 3.1.23S在绿地系统规划与分析中的应用 掌握城市绿地的分布特性，一般情况下主要是通过现场勘测，或者是通过分析用地现状图与航空照片来判定各种绿地的分布。现场勘测需要花费大量的人力物力，利用用地现状图无法即时掌握城市绿地当前的分布状况，而航空照片虽然精确度高，但是由于单张图片成本高而且所覆盖的范围小，从经济角度上讲不适宜拍摄较大空间尺度的城市绿地。近年来随着航天遥感技术的进步，高精度的卫星照片逐渐用于环境观测。相对于传统的监测方法，高精度的卫星照片在精确性、经济性、即时性上有一定优势，国内国际上已有实例将其与GIS、GPS相结合分析城市绿地系统(图3.11、图3.12)。 第3章绿地的监测与分析 城市绿地系统规划 图3.11NJ市某区的遥感影像 图3.12东京都某区的遥感影像 绿地规划过程中采用GIS技术，能够极大地提高规划的精确性、正确性和过程效率。GIS可以对海量信息进行分析，进行森林功能评价、可达性分析等，可以成为城市公园绿地规划的基础性手段(Tutui Y，2001)。基于GIS平台的绿地景观规划过程中包含6个模型： 表现模型、过程模型、评价模型、变化模型、影响模型、意志决定模型(Masuda N，2001)。Suzuki M和Fujita H(1997)从历史遗迹公园数据管理和规划方面探讨了GIS系统搭建的方法目的、分析操作过程和效果。 Suzuki M较为系统地探讨了绿地规划过程中应用3S复合技术的概念和方法，包括公园规划管理和景观模拟，运用GPS对植被、道路、建筑物进行定位和属性信息输入，在GIS平台上与遥感图像进行叠加分析，进行生物空间的分布、变化分析，通过定性定量分析对城市化过程中的绿地变化特征进行把握。电脑成像技术(Computer Graphics)的发展能够对植物、地形、建筑物等景观要素进行精确模拟，有助于规划意图的表达和方案的比较。 我国一些地区利用遥感技术对绿地现状进行调查(袁东生，2001)。白林波等(2001)在GIS平台上利用航空照片、地形图对合肥绿地现状进行分析。在广州绿地系统规划编制工作中，利用Landsat卫星的TM数据和Spot卫星的HRV数据，提取了绿地现状信息，对绿地面积进行分类统计，并且进行了热场和热岛效应分析，为规划总体目标和措施提供依据(石雪东等，2001)。 3.2绿地指标的量化分析 绿地的指标包括绿地总量、人均绿地面积、绿地率、公共绿地面积、公共绿地率、人均公共绿地面积、公园面积、公园率、人均公园面积等。数据来源包括政府统计年鉴、遥感监测、航空摄影等。 绿地总量用于衡量各个地区的绿地建设总量水平。人均绿地面积是单位面积上绿地面积与常住人口之比，绿地率是单位面积上绿地的比例，均是用来衡量绿地建设程度的指标。 图3.21所示为1994年东京各个区的绿地总量专题图。该年度绿地总面积为4137.01hm2。位于东南、东北侧的江东区、大田区、世田谷区、足立区、江户川区的绿地面积最大，均超过300hm2。位于东京都中心的千代田区和中央区的绿地面积较少，目黑、中野、丰岛、荒川四个区的绿地面积低于60hm2，其中荒川区的绿地最少。 图3.22所示为东京人均绿地面积专题图。千代田区人均绿地面积最多，达到23.99m2。其他区基本都低于10m2。目黑、丰岛、大田、荒川四个区的人均绿地小于3m2。 图3.23所示为绿地率专题图。绿地率超过10%的有文京区、台东区、江东区和涩谷区。其他区基本处于5%~8%之间，中央区、目黑区、中野区、丰岛区和荒川区的绿地率不到5%。 公共绿地面积指标用于衡量不同地区公共绿地建设的总量规模。公共绿地率是单位面积上公共绿地的比例，人均公共绿地面积是单位面积上公共绿地面积与常住人口之比，均为衡量公共绿地建设水平的指标。 图3.211994年东京各个区的绿地总量专题图 图3.22东京人均绿地面积专题图 图3.23绿地率专题图 图3.24为1994年东京各区公共绿地面积专题图。练马区、板桥区、足立区、葛饰区、江户川区、江东区、大田区、世田谷区等位于东京都边缘部的行政区公共绿地较多，面积超过100hm2。位于城市中心的中央区、文京区、千代田区、目黑区、中野区、丰岛区、荒川区的公共绿地面积不到50hm2。 图3.241994年东京各区公共绿地面积专题图 图3.25所示为东京各区公共绿地率专题图。台东区和江东区的公共绿地率超过8%，远远高于其他区。江户川区和板桥区的公共绿地率刚超过5%。中野区和荒川区最低，公共绿地率低于2%。 图3.25东京各区公共绿地率专题图 图3.26所示为人均公共绿地面积专题图。位于中心的千代田区和中央区的人均公共绿地超过7m2。台东区刚超过5m2。中野区、丰岛区和荒川区低于1m2。其他区的人均公共绿地介于2~5m2之间。 图3.26人均公共绿地面积专题图 3.3景观生态学分析 3.3.1景观生态学概述 景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置和生态学过程相互作用的综合性学科(邬建国，2000)。由于历史发展和研究理论体系的不同，该学科大致分为欧洲学派和北美学派。景观生态学的起源最早可以追溯到20世纪30年代的欧洲。1929年德国区域地理学家Troll最先提出景观生态学的概念，70年代荷兰生态学家Zonnevel和以色列生态学家Naveh在总结前人研究的基础上，确定了欧洲景观生态学的概念和专业特点。北美的景观生态学在80年代开始兴起。从1981年开始，欧洲景观生态学被逐渐介绍到美国，1986年Forman和Godron出版了Landscape Ecology一书，极大地推动了北美景观生态学的发展。书中，Forman和Godron总结了以往的研究成果，提出了“缀块—廊道—基底”(Patch—Corridor—Matrix)模式。同年成立了美国景观生态学会。总体来说，欧洲的景观生态学以德国为中心展开，受地理科学、植物社会学、生物控制论影响较深，北美的景观生态学在继承欧洲学派特点的基础上，更加侧重于生态学、空间格局分析和岛屿生物地理学。 景观生态学将景观看作由不同生态系统组成的、具有重复性格局的异质性地理单元和空间单元。反映气候、地理、生物、经济、文化和社会综合特征的景观复合体称为区域。景观具有结构、功能、动态三大特征。景观生态学是主要研究景观单元的类型组成、空间配置及其与生态学过程相互作用的学科(邬建国，2000)。 景观结构指景观组成单元的类型、多样性和空间关系，受到景观中不同的生态系统和单位要素的大小、形状、数量、种类、布局以及能量、物质的分布影响。Forman将景观结构分解为三种基本类型： 斑块、廊道和基底，其特征如下： ① 斑块(Patch)： 景观结构中最小的单元，内部均质性，与周围环境性质外貌不同。有不同的尺度，可以是城市、村落、树林、池塘、广场等。 ② 廊道(Corridor)： 连续性，线性，带状结构。例如，道路、防风林带、河流、绿道等。 ③ 基底(Matrix)： 分布最广、关联性强的背景结构。例如，农田基底、山林基底、城市基底等。 根据起源和成因，斑块可以分为以下四种基本类型。 ① 搅乱斑块(Disturbance Patch)： 因为局部干扰(比如森林火灾)引起的斑块，具有即将消失的性质，并且会导致残存斑块的减少。 ② 残存斑块(Remnant Patch)： 干扰之后幸存的斑块，比如森林火灾以后幸存下来的植物群，或者城市化后的山体绿地。 ③ 外来斑块(Introduced Patch)： 因为人类作用或者其他因素某些动植物被引进生态系统中，容易引起景观面貌和性质的改变。 ④ 环境资源斑块(Environmental Resource Patch)： 因为环境条件在空间上分布不均引起的斑块。 物种多样性一般会随斑块面积增大而增加。大型斑块，比如大片的森林绿地，能够维持景观生态系统，减少物种灭绝和生态系统退化。小型斑块往往是物种传播的踏脚石，比如在景观规划中经常在两片大型绿地之间布置连续的小型绿地和生态空间，以增加生物种的流动。 廊道的功能在于提供生物空间和传输通道、汇集生物源和能量等，廊道之间交叉形成网络。廊道与基底都可以看作特殊形状的斑块。基底实际上是占主导地位的斑块，对景观动态起支配作用(图3.31)。 图3.31斑块(P)与基底(M)的组合形式 (图片来源： FORMAN R T,GORDON M，1986.Landscape ecology［M］. New Jersey： Wiley： 169) 3.3.2景观生态学的规划分析 以生态保护为目的的绿地规划至少包括保护现存的生物空间，恢复受到破坏的生物空间，创造和完善生物空间系统三方面的内容。由于地理信息系统技术的进步，以生物和生物空间为主要对象的景观生态学分析在大规模规划中得到广泛应用，并且直接为绿地配置和规划提供依据。 根据日置佳之的研究，在规划上应用景观生态学理论进行的分析和评价主要有以下三个方面。 (1) 隔阂分析(Gap Analysis) 广义的Gap Analysis是为生物资源和生态系统的管理而进行的生物学、生态学、地理学等的分析。狭义的分析是指明确生物空间的实际分布区和设定的保护区之间的隔阂错位状态。美国从1988年开始进行隔阂分析，在自然保护领域已经成为由多个民间研究团体和政府机关参与的大规模工程，其分析结果成为保护规划制定时的主要依据。 (2) 环境潜力分析(Environmental Potential Estimation) 环境潜力意味着空间为生物栖息、繁殖和生态系统形成所提供的可能性。环境潜力分析现在已经逐渐成为各类环境规划和绿地规划、生态系统恢复计划中重要的基础分析之一。分析的主要依据是生物栖息适宜性地图。生物栖息适宜性地图在植被、地形、河流水系等环境因子和生物的调查和分析的基础上制作的，标明动植物分布的地图。这类地图不仅表示特定的生物种群的分布，还能够表明适宜该种群栖息、移动和繁殖的土地分布。生物栖息适宜性高的地区被认为环境潜力大，一般会纳入绿地体系。 (3) 情景分析(Scenario Analysis) 情景分析是在比较各种方案的基础上选择最合适方案的过程。通过对规划方案进行数量化模拟，预测景观、生物空间、绿地等的变化，从而为方案最后的制定提供依据。例如，美国哈佛大学Steinntz等通过方案分析，对美国加州Camp Pendleton地区进行的开发活动对当地生物多样性和景观带来的变化进行了预测(图3.32)。 图3.32Camp Pendleton地区时空尺度与方案策略 (图片来源： 矢野桂司，中谷友樹，1999.Biodiversity and landscape planning with geographical information systems alternative futures for the Region of Camp Pendletion, California, U.S.A.［M］.京都市： 地人書房，130) 3.3.3景观生态学的指数分析 除了以上方法以外，在绿地规划分析上经常用到景观指数分析。常用的景观指数包括Class Area(CA)、Percent of Land(PLAND)、Mean Patch Size(MPS)、Largest Patch Index(LPI)、Number of Patch(NP)、Patch Density(PD)、Total Edge(TE)、Edge Density(ED)、Mean Nearest Neighbor Distance(MNN)、Landscape Shape Index(LSI)景观指数可参考: 邬建国. 景观生态学： 格局、过程、尺度与等级［M］.2版.北京： 高等教育出版社，2007: 106115.。表3.31显示了本研究中这些景观指数在绿地分析上的用途。 表3.31常用景观指数及其用途 指数(缩写) 在绿地分析中的用途 面积指数(CA) 度量绿地的规模大小 面积比率(PLAND) 度量绿地类型的构成，确定主体类型 平均斑块面积(MPS) 衡量优势绿地类型 最大斑块指数(LPI) 衡量优势绿地斑块、类型与集中程度 斑块数量(NP) 衡量绿地异质性 斑块密度(PD) 表示绿地破碎化程度 边界总长度(TE) 衡量绿地破碎化和干扰程度 边界密度(ED) 衡量绿地破碎化和干扰程度 平均最近距离指数(MNN) 度量绿地斑块离散程度 景观形状指数(LSI) 衡量绿地斑块形状的复杂程度 面积指数(CA)反映绿地规模的大小，单位为公顷(hm2)。 面积比率(PLAND)衡量各类型绿地占基地面积的比例大小，单位为%，公式如下： PLAND=绿地面积（m2） 基地面积（m2）×100% 平均斑块面积(MPS)用于衡量优势绿地类型，单位为平方公里(km2)，公式如下： MPS=绿地面积（m2） 斑块数量×10-6 最大斑块指数(LPI)为最大的绿地斑块占基地面积的比例，单位为%，公式如下： LPI=最大绿地斑块面积（m2）基地面积 (m2)×100% 斑块数量(NP)为基地内绿地的斑块总量，单位为个。 斑块密度(PD)即单位面积内的绿地(类型)斑块数量。数量越多，破碎度越大。 边界总长度(TE)为绿地斑块边界总长度，单位为米(m)。 边界密度(ED)为绿地斑块边界密度，密度越大，绿地的破碎度和扰乱度越大。公式如下： ED=绿地斑块边界总长度（m）基地面积 (m2)×106