道路网络结构特点及景观格局效应

2012-08-17 09:10:31 来源:写作指导

 

1引言   道路生态学是景观生态学研究的重要范畴[1,2],国外道路生态学研究始于20世纪60年代[3~5],此后随着GIS技术和遥感手段的大量应用,区域及景观层面的道路生态学研究在上个世纪80年代之后得到了蓬勃的发展[6~10],研究内容涉及道路系统建设和运营对动植物栖息环境的影响[11~13]、景观格局及土地利用效应[14]、污染控制及灾害防治[15,16]和区域交通体系建设与管理[17,18]等多个重要理论和应用领域。比较而言我国的道路景观生态学研究起步较晚,典型意义的研究报道大多出现在最近10年中[19,20]。由于道路系统通常构成地区社会经济发展的骨架,并且表现出明显的网络结构特征,因而运用网络分析手段研究道路网络结构特征及其成因,进而在区域层面深入剖析其社会经济及景观生态学效应,成为道路生态学研究的热点领域。网络的拓扑结构主要包括规则网络、随机网络和复杂网络三种[21],研究表明现实中的大多数网络均非规则网络,特别是道路网络更多地表现为一种复杂的网络结构特征。   总结国内外现有道路网络生态学研究成果报道发现,大多数研究工作比较关注自然及半自然景观研究,城市化地区相关研究比较薄弱。本文拟以深圳市为例,在合理确定不同地域研究单元的基础上,利用2007年的土地变更调查数据,结合GIS技术、网络分析方法和景观格局分析方法,研究道路网络的结构特征、影响因素及其景观生态效应,成果可以为道路生态学理论和实践总结提供案例研究积累。   2研究区概况及研究方法   2.1研究区概况   深圳市地处我国珠江三角洲东南部地区,为典型的南亚热带季风气候区。全市陆域总面积1950km2,地貌特征包括低山、丘陵、台地、河谷阶地和滨海平原等多种类型组合,其中低山占9.2%,丘陵39.8%,台地22.6%,阶地和平原26.2%。深圳市是我国最早实施对外开放的地区之一,经过三十余年的快速城市化和工业化过程,从以往的一个边陲小县,迅速成长为总人口超过1200万,社会经济总量居全国第四的特大型城市。在深圳市的快速城市化进程中,“要想富,先修路”和“路大财大,路通财通”等理念一致贯穿各类城市建设用地开发与拓展的始终。到2007年底,全市道路总里程达到1938km,其中高速公路269.4km,其他等级道路1668.6km,居全国领先水平。从中不难发现,对道路系统建设的重视,无疑是深圳市社会经济和城市建设维持三十余年高速增长的重要前提和保障条件。   2.2研究方法   2.2.1研究单元的确定   深圳市以往总体发展格局包括深圳特区(含罗湖、福田、南山和盐田四个区)以及特区以外的宝安和龙岗两个区(各含10个镇级行政单元),全市对外开放以后的城市化和工业化过程一直以上述24个行政单元为全区发展的基本构架(图1)。2005年前后深圳市为适应全境城市化的发展要求,特别是为协调城市发展与各类资源供给之间的矛盾,将全市管理架构调整为市—区—街道办三级架构。事实上2005年全区行政架构调整之前,深圳市大规模建设用地扩张,特别是交通体系建设工作已经基本完成,以往24个行政单元为主的区域管理架构基本奠定了现有的城市景观和交通体系骨架。这些行政管理单元的面积大致在100km2左右,城市化过程的基本特点是先形成一个地域发展中心,并形成相对完善的交通网络;随后再逐步向扩张,伴生出一系列与之相匹配的交通体系发展特征(图2)。考虑到后续研究工作将通过统计分析手段解析深圳市道路网络特征、城市化水平空间分异对道路网络发育的影响以及道路网络特征的景观生态学效应,本文将使用2005年之前深圳市的24个区(镇)行政单元作为本文统计分析的基本研究单元。   2.2.2道路网络结构特征描述及相关性分析   考虑到铁路交通通常为大尺度跨区域性影响因素,地铁网络则主要表现为节点性影响,本项研究的道路网络研究仅针对深圳市公路交通网络进行。道路网络结构特征分析通常包括网络数量特征和格局特征分析两个部分,其中数量结构特征分析常用指标包括交通用地密度(%)、单位面积的道路里程(km/km2)、节点数量和廊道数量等;格局特征分析最常用的是各类网络格局特征指数。本项研究中,考虑到利用GIS系统从高精度土地变更调查数据上直接提取各类道路总长度可能与实际情况有较大出入,因而选择道路交通用地密度、节点数量、廊道数量三种数量结构指标和网络闭合度(α指数,是用来描述网络中回路出现的程度)、线点率(β指数,指网络中每个节点的平均连线数)、网络连接度(γ指数,是用来描述网络中所有节点被连接的程度)三种格局指数进行道路网络结构特征描述[22,23]。其中,交通用地指标、节点数量和廊道数量将依据全市及各研究单元土地利用变更调查数据,通过GIS统计或目视判断计数直接得出。道路网络格局指数的数值大小,可以表征不同的网络发育状况。α值的变化范围在0~1之间,当α=0时,表示网络无回路;当α=1时,表示网络具有最大可能的回路数[23]。β值为大于0的值,当β<1时,表示网络将形成树状格局;β=1时,表示会形成单一回路;β>1时,表示有更复杂的连接度水平[24]。γ指数的变化范围为0~1,γ=0时,表示没有节点相连;γ=1时表示每个节点都彼此相连[23]。道路网络格局特征和数量结构特征往往受自然环境条件和社会经济发展约束会产生较大的差异性,并且这两种结构特征之间可能会因为不同地域单元外部约束条件差异表现出不同的相互关系特征。本研究将以深圳市24个空间研究单元为样本,再将上述描述指标进行标准化的基础上进行相关性分析,通过不同描述指标之间的相关性特征,剖析工作区道路网络数量结构特征变化对网络格局特征的影响,解析深圳市道路网络发育的基本特征和成因。#p#分页标题#e#   2.2.3城市化水平差异对道路网络结构的影响   工作区内24个空间分析单元由于资源、区位、自然环境等条件的影响,城市化水平差异极大,突出表现为建设用地总体规模分异明显。本研究将使用单位面积平均城市建设用地密度来表征各单元的城市化水平差异,并将24个分析单元实际数据进行标准化处理后,与同样标准化处理后的各研究单元道路网络结构特征描述指标进行回归分析,以解析城市化水平差异对道路网络结构的影响。   2.2.4道路网络格局特征的景观格局效应分析   快速城市化地区,道路网络建设一般通过推进区域土地利用变化对景观结构和格局产生显著影响。在区域层面上道路网络通过推进建设用地扩张以及空间的相对聚集分布,导致景观整体结构和格局发生根本性变化,在景观组分层面上,道路吸引或排斥某些组分的邻接分布而使其数量和格局特征发生变化。因而本项研究在关于道路网络结构特征与景观格局特征的相关性分析中,将进行景观整体和主要景观组分两个层面的研究,着重分析道路网络格局特征的景观生态效应。   景观整体格局分析将包涵所有景观组分类型,在组分层面上,考虑到建设用地、林地和园地为全市最主要的三种组分类型(在所有空间分析单元中,三个组分合计面积比重均在85%以上),其他组分类型(包括水域、农田和未利用地)面积比重比较小,且与道路网络格局特征之间没有具有区域意义的机制性联系,因此组分层面的格局分析主要围绕建设用地、林地和园地三种类型进行。参照国内外案例研究中的景观格局指数选择惯例,景观整体格局分析选择斑块密度(PD)、散布与并列指数(IJI)、景观碎裂化指数(SPLIT)、香侬多样性指数(SHDI)和景观聚集度(AI)5个格局指数进行相关分析;组分格局分析选择组分面积比(PLAND)、最大斑块指数(LPI)、斑块凝聚度指数(CO-HENSION)、破碎度指数(DIVISION)和组分碎裂化指数(SPLIT)5个格局指数进行相关性分析。各研究单元上述景观格局指数计算结果同样进行标准化处理后,用于同标准化后的三种道路网络格局指数进行相关性分析。上述所有研究内容的空间分析过程均在ArcGIS平台下进行,统计分析使用SPSS软件完成,景观格局指数计算使用Fragstats软件完成。   3结果分析   3.1道路网络结构特征相关关系在完成各研究单元建设、交通用地密度计算和节点及廊道数目辨识和统计后,深圳市道路网络水平与格局特征的相关性分析结果如表1所示。结果表明,所有网络描述因子之间均存在显著相关关系,其中数量特征的三个描述指标相互之间和格局特征的三个表征指数之间均为显著正相关关系,即不同分析单元中,随着交通用地比重上升,廊道和节点数目将随之增加;三个网络格局指数的差异均可用来表征不同研究单元内道路网络发育水平的差异。而三个数量结构特征指标与三个格局特征指标之间均为显著的负相关关系,意味着在各个不同研究单元中随着交通用地面积比重的提高和节点廊道数目的增加,网络发育水平呈下降趋势,表现为网络中回路出现的程度、每个节点的平均连线数和所有节点被连接的程度均随之降低。此外,全市整体道路网络格局分析结果显示,2007年深圳市路网的α、β和γ指数分别为0.378、1.754、0.585。相关研究证实,α<1时,网络的度分布为幂律分布[25],结合相关研究[26]可以判断,2007年深圳市道路网络为无标度网络,路网复杂性较高且闭合度较低。   3.2城市化水平差异对道路网络结构特征的影响   以各研究单元的城市建设用地密度为横轴、道路网络结构特征指标为纵轴的城市化空间分异对道路网络结构特征的影响分析结果如图3所示,图中各数据对相关性检验结果参见表2。从中可以看出,建设用地密度与六个道路网络结构与格局指数均存在相关性,且最佳拟合曲线均为直线,因此可以判断建设用地密度的差异与所有道路网络结构特征之间可以表征为一元线性相关关系。其中,城市化水平与道路网络数量特征之间为正相关,即各研究单元内随着建设用地密度的提高,交通网络的数量特征水平随之上升;与道路网络格局指数之间则为负相关关系,即各空间分析单元内随着建设用地开发强度的增加,会导致道路网络空间结构的不断简化。当然,结合表1的结果不难看出,各不同研究单元内部均发育有相对独立的道路网络拓扑结构。   3.3道路网络格局特征的景观格局效应   道路网络格局指数景观整体格局及林地、建设用地和园地三种主要景观类型的格局特征之间的相关性分析结果参见表3和表4。表3结果显示,从24个空间分析单元整体情况看,道路网络格局指数与所选择的景观整体格局指标之间没有表现出显著相关关系,意味着道路网络发育的程度差异对于景观整体斑块密度和碎裂化程度、景观成分构成的复杂性乃至斑块间分布特征均未表现出显著影响效应。组分个体层面上道路网络特征显示出一定程度的景观格局效应,从表4可以看出,三个道路网络格局指数与园地的所有格局指数之间均无显著相关关系,意味着园地类型数量结构和空间配置均未表现出与道路网络格局之间的显著相关性特征。建设用地格局特征中,只有组分面积比重与道路网络格局特征之间呈显著的负相关关系,其他格局指数均未表现出显著相关性来,及道路网络发育程度如何,对于建设用地空间构型和配置没有显著影响。林地的面积比重与道路网络格局特征之间为显著负相关关系,此外最大斑块指数与γ指数呈显著负相关,D指数与α指数和γ指数呈显著正相关。   4成因及生态环境效应分析   4.1深圳市道路网络结构特征的成因分析   以往研究表明,道路网络的拓展不仅存在时间上的动态性,也具有空间上的关联性和差异性[27]。在自然、半自然地域系统中,环境条件以及区域生态保护方面的约束性影响往往成为道路网络结构特征的主导约束因素[28]。然而,道路毕竟是人们进行区域沟通和经营管理的重要基础设施,政策及社会经济方面的因素始终是道路网络发育的重要驱动力因素,从而使道路网络结构特征与社会经济发展需求之间表现出明显的共轭协调关系[29,30]。深圳市道路网络特征的形成同时体现了自然和社会经济两方面的约束影响特征。各空间单元中,区(镇)中心区为各单元城市化过程的起点,由于需要满足城市化过程的综合性功能需求,加之各中心区资源条件相对较好(如地形平坦)通常发育较好的道路网络结构。此后随着建设用地规模的不断扩大,受地形条件和生态保护(如基本生态控制线)方面的约束,后续道路网络往往依托中心区向进行指状突出式的扩张(图2)。相应的道路节点和廊道数量虽然继续保持增长,但由于大量树状路网难以形成良好的回路结构,导致深圳市道路网络结构复杂性逐步增加,网络发育水平下降,这正是深圳市道路网络格局指数与城市交通用地和建设用地密度均呈显著负相关关系的真正成因(表1、表2)。#p#分页标题#e#   4.2道路网络格局特征的生态环境效应   道路网络格局的生态环境效应是近年来道路生态学最受关注的热点问题[31]。目前,关于道路网络景观生态效应较为一致的看法是,在较大的时空尺度上,道路网络主要通过推进两侧土地利用方式的改变,导致景观格局和功能发生变化[32],同时通过将人为影响,特别是负面人为生态干扰扩散到更大的空间尺度上,进而带来一系列衍生性负面生态效应[33]。在景观格局效应方面,普遍认为道路网络发育导致景观碎裂化效应显著,特别是在自然区域内,道路建设带来了土地开发活动将导致各生态用地类型区域破碎化[26]。快速城市化地区道路网络发育对两侧土地利用的影响表现为明显的空间吸引和空间排斥效应[34,35]。与城市和社会经济发展密切相关的土地利用方式逐步向道路两侧集中,而自然和农业用地类型则表现出远离道路的趋势[36],从而导致道路网络特征与区域社会经济密度之间表现为明显的正相关关系,而与区域生态安全水平则表现出显著的负相关关系[37]。   景观整体格局与道路网络格局指数之间没有表现出显著的相关性,其原因可以解释为:深圳市的道路网络核心部分主要分布在城市密集区内,境内残存的自然和农业用地类型大部分被纳入基本生态控制线范围,从而使全区景观结构表现出明显的空间“二元性”特征。景观整体格局指数计算需包括所有景观组分,而建设用地和各类生态用地的“二元性”分异结构无疑会显著影响各类指数计算结果。由于这种特定的土地利用空间分异特征主要受区域生态管控政策影响,因此深圳市道路网络特征与整体景观格局指数之间没有表现出以往研究中所揭示出来的显著相关性。不过,在景观组分层面,道路网络格局的生态效应仍有较明显的体现。例如,网络格局指数与林地和建设用地密度均呈现显著的负相关关系(表4),表明随着建设用地密度的增加,网络复杂性增加,这显然是建设用地扩张的环境条件约束和道路网络空间吸引效应综合作用的结果;而随着林地密度增加,道路网络复杂性增加则是区域生态保护需求和道路网络空间排斥效应的综合反映。此外,道路网络发育水平对于林地分布格局的影响最为显著。具体表现为道路网络回路结构越发育,林地组分的破碎度越大;随着各道路网络节点的连接水平提高,林地组分的最大斑块指数显著下降,同时组分破碎度指数随之上升(表4),这些结果均反映了道路网络发育水平对于林地组分的显著分割影响。不过,深圳市园地为残存的主要农业用地类型,一般分布在宝安、龙岗两区残存的村落周边。由于这类地区一般为低海拔地区从建设用地扩张过程中逃逸出来的地块,且其主导分布因素残遗村落本身的分布与后期快速城市化(建设用地扩张)过程中的路网发育之间关联性较小,导致这种类型与道路网络格局特征之间不存在显著相关性。   5结论与讨论   本项研究得出以下主要结论:(1)深圳市不同的空间单元中,城市建设用地密度的增加导致交通用地密度、节点和廊道储量增加,道路网络结构区域复杂,格局指数降低。(2)资源条件、环境和生态保护约束导致建设用地扩张后期多采用依托中心区的指状突出式增长,大量树状道路体系发育,是道路网络复杂性增加,结构发育水平下降,网络格局指数不断降低的主要原因。(3)深圳市的道路网络格局特征对全市景观整体格局没有表现显著的约束性影响,但在组分层面上,对建设用地显示出环境保护约束和空间吸引两个方面的综合效应;对于林地则表现出生态保护约束、空间排斥和物理分割三个方面的综合效应。   本研究综合使用GIS技术、道路网络结构特征分析、景观格局分析和相关分析方法研究了深圳市快速城市化进程中,道路网络结构特征的成因及其景观生态效应。结果显示,这套技术途径能够很好地解析工作区道路网络结构特征,并为这些特征的约束影响因素判断奠定基础。此外,本项研究同时揭示了深圳地区道路网络结构特征及其生态效应的共性和个性化特征,可以为快速城市化地区道路网络发生和发展的深层次驱动机制研究,提供重要的分析线索,也可以为道路网络建设的综合性生态环境效应分析创造有利的条件。   城市化地区道路网络既是城市的发育骨架,也是各种人为活动空间扩散和配置的网络。不同的道路等级、节点类型和网络格局,都将可能对区域土地利用格局和结构产生巨大影响,进而给城市生态系统的管理和运营带来复杂的效应。现阶段“低碳交通理念”和“公交主导(TOD)发展模式”的提出,都意味着今后城市化地区各类社会经济发展和生态环境保护矛盾的解决,相当程度上可能有赖于城市道路网络结构和格局的合理搭建和运营。由此看来,城市化地区道路网络特征及其动态演化与区域社会经济发展的政策选择、土地利用结构和格局变化、人为活动的时空分异、区域生态安全格局构建等方面的响应关系和驱动机制研究,都将是今后道路生态学研究的热点问题,应当予以足够的重视和关注。