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基于ArcGIS Engine的城市绿地生态网络智能规划系统研发与实证.pdf
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1、园林,2 0 2 4,41(0 1):2 0-2 7.基于ArcGISEngine的城市绿地生态网络智能规划系统研发与实证Development and Case Demonstration of an Intelligent Planning Systemfor Urban Green Space Ecological Network Based on ArcGIS Engine张浪仲启铖张桂莲”郑谐维”张瑞”李晓策余浩然”王雨洁”屈子雅”ZHANG Lang ZHONG Qicheng ZHANG Guilian ZHENG Xiewei ZHANG Rui?LI Xiaoce YU Ha
2、oran WANG Yujie QU Ziya(1.上海市园林科学规划研究院,城市困难立地生态园林国家林业和草原局重点实验室,国家林业和草原局城市困难立地绿化造林国家创新联盟,上海城市困难立地绿化工程技术研究中心,上海2 0 0 2 32;2.金陵科技学院建筑工程学院,南京2 11199;3.南京林业大学风景园林学院,南京2 10 0 37)(1.Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning,Key Laboratory of National Forestry and GrasslandAdministrati
3、on on Ecological Landscaping of Challenging Urban Sites,National Innovation Alliance of National Forestry andGrassland Administration on Afforestation and Landscaping of Challenging Urban Sties,Shanghai Engineering Research Center ofLandscape on Challenging Urban Sties,Shanghai,China,200232;2.School
4、 of Architecture and Engineering,Jinling University ofScience and Technoogy,Nanjing,Jiangsu,China,2199;3.College ofLandscape Architcture,Nanjing Forestry University,NanjingJiangsu,China,210037)文章编号:10 0 0-0 2 8 3(2 0 2 4)0 1-0 0 2 0-0 8DO1:10.12193/j laing.2024.01.0020.003中图分类号:TU986文献标志码:A收稿日期:2 0
5、2 3-10-2 5修回日期:2 0 2 3-11-2 3张浪1964年生/男/安徽合肥人/博士/教授级高工(二级)博士生导师/上海领军人才/享受国务院特殊津贴专家/上海市园林科学规划研究院院长,兼任城市困难立地园林绿化国家创新联盟理事长、上海城市困难立地绿化工程技术研究中心主任、城市困难立地生态园林国家林草局重点实验室主任/研究方向为生态园林规划设计与技术研究/本刊主编仲启铖1986年生/男/山东日照人/博士/上海市园林科学规划研究院林科所副所长,上海城市困难立地绿化工程技术研究中心、城市困难立地生态园林国家林业局重点实验室高级工程师/研究方向为城市绿地生态网络模拟与评价张桂莲1976年生/
6、女/山西太原人博士/上海市园林科学规划研究院碳汇中心主任,上海城市困难立地绿化工程技术研究中心、城市困难立地生态园林国家林业局重点实验室高级工程师/研究方向为城市绿林地碳汇计量监测、城市绿地生态网络研究*通信作者(Authorforcorrespondence)E-mail:摘要针对现有城市绿地生态网络构建方法复杂多样、常用软件功能单一、规划支撑效果有限等问题,研发了城市绿地生态网络智能规划系统。将保护生物多样性、提升功能连接度作为城市尺度绿地生态网络构建的核心目标,统筹其他生态与社会服务功能,梳理和综合图论、生境质量评价、最小累积阻力模型和电路理论等生态网络模拟和分析方法,基于NET平台,采
7、用ArcGIS Engine、C#、Py t h o n 等技术,通过GIS二次开发方式实现系统各项功能,并以上海市闵行区为对象进行了实证分析。结果表明,系统可自动执行生态源地筛选、综合阻力面构建、生态廊道路径提取、生态廊道宽度确定、生态网络效能评价等技术环节,一键生成城市绿地生态网络布局结构,并实现不同情景的对比分析,为规划实践提供多情景、可视化的辅助决策。关键词城市绿地;生态网络;ArcGISEngine;系统研发;智能规划AbstractAn intelligent planning system for urban green space ecological network was
8、developed to address the issues of diverse theoreti-cal foundations,diverse technical processes,significant subjective impact,and limited support for planning in the construction ofexisting urban green space ecological networks.Protecting urban biodiversity and enhancing functional connectivity were
9、 taken asthe core objectives of urban-scale green space ecological network construction,considering other social-ecological functions,weselectively and comprehensively incorporated several ecological network simulation and analysis methods,including graph theory,habitat quality assessment,minimum cu
10、mulative resistance model,and circuit theory.The system is built on the.NET platform andutilizes technologies such as ArcGIS Engine,C#and Python for component-based GIS development to implement various systemfunctions.A case demonstration of the system was carried out in Minhang District of Shanghai
11、.The system can automaticallyperform tasks such as ecological source area selection,comprehensive resistance surface construction,ecological corridor pathextraction,ecological corridor width determination,and ecological network efficacy assessment.It can intelligently generate thelayout structure of
12、 urban green space ecological network with a single click and perform spatial comparisons and balance analysesamong different scenarios.This system can provide multi-scenario,visual auxiliary decision-making for planning practice.Keywordsgreen space;ecological network;ArcGIS Engine;system developmen
13、t;intelligent planning基金项目:国家重点研发计划课题“典型城市廊道多功能耦合网络构建与生态修复技术”(编号:2 0 2 2 YFC3802604);国家自然科学基金面上项目“城市生态廊道多尺度结构与功能连接度的关联机制”(编号:32 17 156 9);上海市园林科学规划研究院院立基金“基于多模型集成的城市生态廊道智能构建技术研究”(编号:2 0 2 1-3-1)20 I国林基于ArcGISEngine的城市绿地生态网络智能规划系统研发与实证1张浪等园林/2 0 2 4年/第41卷/第0 1期城市绿地生态网络,是指通过生态廊道、绿道、生物踏脚石等,将城市内分散的绿地、林地
14、、湿地、自然保护地等有机联系而成的具有一定连接度的复合生态网络2。这一概念起源于欧洲和北美的生态网络与绿道网络等,国内相关研究从2 0 世纪90 年代开始兴起。为应对快速城市化带来的诸多生态环境挑战,实现山水林田湖草一体化保护和修复,在城市及其影响范围内构建结构合理、功能复合的城市绿地生态网络,对于恢复和维持景观连通性,保护城市生物多样性,改善城市生态环境状况,重塑人与自然和谐关系具有重要意义4。目前,基于景观生态学原理的“生态源地识别一综合阻力面构建一生态网络生成”模式是国内外开展生态网络构建的主流模式。现有国内外城市绿地生态网络构建研究常基于这一基本模式,选用和组合不同模型和方法依次实现各
15、个技术环节。这些方法包括景观格局分析、形态学空间格局分析(MSPA)、生态系统服务评价、图论(GraphTheory)、最小成本路径分析(Least Cost Path,LCP)或最小累积阻力模型(MinimumCumulativeResistance,M CR)、重力模型(Gravity Model)、电路理论(Cicuit Theory)等6 7。如王越和林菁等探讨了如何基于MSPA选择生态源地,并利用LCP法开展城市绿地生态网络的模拟。Kong等基于MCR模型和重力模型,对济南市的城市绿地生态网络进行了模拟和评价。刘晓阳等综合运用AHP、G IS技术和LCP法,构建了厦门市绿地生态网络。
16、Zhang等基于MSPA、图论等方法对上海市闵行区的现状绿地生态网络进行了提取和评价。Manon等2)采用MCR模型模拟了法国两个城市的绿道网络,并用实测的动物移动数据对模拟结果进行了验证。由此可见,不同研究的城市绿地环境压力生态源地识别生境破碎化高密度城区综合阻力面构建逻辑推演生态网络生成生态网络构建基本模式图1本系统所采用的技术路线图Fig.1 The technology roadmap used in the system生态网络构建方法存在一定差异,目前并无一套适用于人口稠密、用地紧缺的城市化区域的通用方法。同时,上述研究采用了多种多样的软件工具,如LinkageMapper、G r
17、 a p h h a b、Conefor、In v e s t 等,但不同软件工具的功能相对单一,受使用者主观影响大,难以为规划实践提供多情景、可视化的辅助决策。ArcGIS Engine是美国ESRI公司推出一套基于组件技术的GIS开发工具,可用于建立自定义独立地理信息系统(GIS)应用程序,同时支持多种应用程序接口(ApplicationProgramInterfaces,APls)。基于ArcGIS Engine 研发一套具有标准化技术流程,可实现网络构建、情景比对和可视化展示等功能的定制GIS系统,对于城市绿地生态网络规划实践具有重要价值。目前,类似的GIS系统多见于自然资源管理、土地
18、变更调查、农林生产管理等领域1-5,在城市生态规划与风景园林规划设计领域较为少见。因此,文章拟以辅助城市尺度绿地生态网络规划为目标,梳理建立一套标准化技术构建目标分项目标核心目标生物多样性保护热岛效应通风降温提升功能连接度景观游憩空气污染滞蓄内涝人类活动净化污染在城市及其影响范围内构建结构合理、功能复合的城市绿地生态网络本系统采用的城市绿地生态网络构建技术路线流程,采用ArcGIS Engine等技术,集成相关模型和软件功能,研发一套能独立运行、可辅助决策的定制化GIS系统,实现城市绿地生态网络布局结构的自动生成、分析评价和情景对比。1技术路线与研究方法1.1技术路线图1是本系统所采用的技术路
19、线图。在“生态源地识别一综合阻力面构建一生态网络生成”基本模式基础上,本文聚焦在人口稠密、用地紧缺的城市及其影响范围内构建城市绿地生态网络。这一网络旨在应对高强度人类活动和气候变化所带来的生境破碎化、热岛效应等环境压力,以绿地、林地、湿地为主要用地要素,以提升生态网络功能连接度作为核心目标,兼具多种其他生态与社会服务功能。在此基础上,本文基于国内外最新研究成果,组织和梳理了生态源地筛选、综合阻力面构建、生态廊道路径提取、生态廊道宽度划定、生态网络生成和空间效技术环节城市生态源地筛选综合阻力面构建城市生态廊道路径提取城市生态廊道宽度划定城市绿地生态网络生成城市绿地生态网络效能评价支撑方法图论理论
20、模型生态系统服务模型最小累积阻力模型电路理论模型景观生态网络模型最小理想宽度确定模型1Landscape Architecture Academic Journal121专题:城市绿地生态网络1URBANGREENSPACEECOLOGICALNETWORK能评价等技术环节及其相应的支撑方法。并基于ArcGIS Engine将上述环节和方法固化,研发标准化、自动化的GIS软件系统,从而为科学、客观规划城市绿地生态网络布局结构提供实用软件工具。1.2采用的主要模型和方法1.2.1图论理论模型图论广泛应用在信息科学、社会科学以及生态学的食物链与食物网分析,是量化网络连接度和流量的重要方法。图是由一
21、系列的节点和连接它们的线段所组成的,能较好地反映景观生态网络的结构连接度和功能连接度。在本系统中,基于图论理论的模型一方面被用来计算城市绿地斑块的连接度重要性,以作为生态源地筛选的重要指标之一;另一方面,系统还可基于图论计算综合连接度指数(Integral Index of Connectivity,IC)和连接度概率指数(Probabity of Connectivity,,PC),评价城市绿地生态网络构建成果的整体连接度。1.2.2生境质量评价模型参考生态系统服务和权衡综合评估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-o
22、ffs,InVEST)中的生境质量(habitat quality)模块,采用土地利用数据判断威胁源,对每个潜在生态源地的生境质量指数进行计算。威胁程度越低,生境质量越高8。选取道路用地、工矿用地和物流用地三大用地作为威胁源,选择指数距离衰减函数来描述威胁的空间衰减。在本系统中,生境质量模型被用于评价城市绿地斑块的生境质量,以作为生态源地筛选的重要指标之一。1.2.3最小累积阻力模型最小累积阻力模型以阻力距离度量景观连通性,通过计算物种由生态源地扩散至空间某点的最小累积阻力实现最小成本路径的提取192 0。在生态网络构建和景观连通性分析研究中,MCR模型普遍被用于提取生态源地之间符合最小成本路
23、径特征的生态廊道路径。在本系统中,同样基于MCR模型提取城市生态廊道的潜在路径。1.2.4电路理论模型电路理论基于电流随机漫步的特性,将景观面看作一个导电面,用电子在电路中随机流动的特性来模拟物种个体或基因在景观中迁扩散过程,景观中的电流密度越高,物种穿过此处的概率就越大2 1。在本系统中,一方面,基于电路理论模型衡量由MCR模型所提取的潜在廊道路径的电流邻近中心度,以反映其对维持整个网络功能连接度的重要性,从而确定优先级较高的廊道;另一方面,基于电路理论模型生成整个景观面的电流密度分布图,并以此表征功能连接度。1.2.5最小理想宽度确定模型廊道宽度是城市绿地生态网络规划的难点和重点,已有的廊
24、道宽度确定方法多以文献资料为依据,辅以主观判断,缺乏客观性,不能定量反映廊道宽度与连接度之间的关系2-2。针对这一问题,研究团队自主研发了基于功能连接度的城市生态廊道最小理想宽度确定方法。该方法整合MCR、电路理论和分段线型回归模型,可自动提取对象区域每条廊道路径“宽度一连接度效益成本比”散点图的唯一未知折点,将对应宽度确定为该条廊道的最小理想宽度。在本系统中,采用该模型来自动确定每条城市生态廊道的适宜宽度。1.3系统总体设计1.3.1数据库设计数据库设计采用主流的文件地理数据库(FileGDB),可以通过ArcGIS Engine软件进行读取,并通过FileGDBSDK API的SQL引擎进
25、行数据查询统计。系统运行所需数据以空间数据为主,包含矢量数据和栅格数据两大类。以城市绿地矢量数据为例,关键属性字段包括绿地编号GREEN_ID(长整型)、绿地类型LHTYPE(字符型)和绿地面积Shape_Area(双精度)。栅格数据如NDVI指数、地表温度等,为自带空间坐标的Geotif 格式数据,最低分辨率要求为30 m。CSV数据文件则用来存储一系列模型参数和统计分析结果。1.3.2系统功能设计在进行系统功能设计时,充分考虑了城市绿地生态网络模拟和分析的主要技术环节和所需的各类数据,同时满足可分步骤或一键自动执行网络构建的功能需求,设计了项目和情景二级工程管理方式,确定了城市绿地生态网络
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