环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (3): 700-708  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2019.05.04

引用本文  

卢卓, 吴冰, 刘晓光, 等. 基于边介数的省域生态廊道构建方法优化[J]. 环境科学研究, 2020, 33(3): 700-708.
LU Zhuo, WU Bing, LIU Xiaoguang, et al. Optimization of Construction Method of Provincial Ecological Corridor Based on Edge-Betweenness[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(3): 700-708.

基金项目

环境保护部生态环境空间管控关键技术研究与示范课题
Research and Demonstration on Key Technologies of Ecological Environment Space Control, Ministry of Environmental Protection, China

责任作者

吴冰(1970-), 男, 黑龙江牡丹江人, 高级工程师, 博士, 主要从事生态空间规划研究, wubing@hit.edu.cn.

作者简介

卢卓(1993-), 女, 黑龙江五常人, 396167442@qq.com

文章历史

收稿日期:2018-11-30
修订日期:2019-04-30
基于边介数的省域生态廊道构建方法优化
卢卓1, 吴冰1, 刘晓光1, 邵明琦2    
1. 哈尔滨工业大学建筑学院, 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001;
2. 哈尔滨工业大学建筑设计研究院, 规划景观院, 黑龙江 哈尔滨 150001
摘要:我国城市建设和生态保护工作均对土地资源有大量需求,二者之间的矛盾在经济优先发展区表现尤为明显.为了有效地改善生态环境,管控土地利用并引导其变化发展,需要建设具备不可替代特征的省域生态廊道.最小累积阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)是识别生态廊道最常用、有效的模型,但在应用于省域尺度时,MCR模型识别的潜在廊道路由存在冗余的问题.因此,通过引入网络科学中的边介数指数(edge-betweenness)对MCR模型进行优化,计算潜在廊道路由的边介数指数值,选取出其中最为重要和简明的结构来连通生态源地,即提取潜在路由中的骨干路由(backbone route)和关键战略点(key strategic point)作为不可替代的结构来指导省域生态廊道建设.将优化后的MCR模型应用于广东省,构建了全长5 493 km的省域生态廊道,其中包含生态源地20处,关键战略点11个,骨干生态廊道29条.骨干路由与关键战略点构成的不可替代省域生态廊道(irreplaceable provincial corridor)能够实现"廊道数量和占地面积最少、连通性基本不变"的目标.研究显示,边介数能够对潜在路由进行优化筛选,识别出维护省域生态安全的关键结构;不可替代生态廊道能够指导省域生态规划和土地空间的发展利用,并为更高水平的生态安全环境提供了演进的基础;同时也为土地资源紧张的地区提供了建设生态廊道的参考与依据.
关键词省域生态廊道    边介数    最小累积阻力模型优化    骨干路由    关键战略点    
Optimization of Construction Method of Provincial Ecological Corridor Based on Edge-Betweenness
LU Zhuo1, WU Bing1, LIU Xiaoguang1, SHAO Mingqi2    
1. Key Laboratory of Cold Region Urban and Rural Human Settlement Environment Science and Technology, Ministry of Industry and Information Technology, School of Architecture, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;
2. Architectural Design and Research, Planning Landscape Section, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
Abstract: Whatever urban construction or ecological protection both need land resources, and their contradiction is more apparent in economic priority areas. In order to improve the ecological environment effectively, it is necessary to build a provincial ecological corridor with irreplaceable characteristics to control land use and guide land change and development. An optimized model improved by edge-betweenness is proposed based on an index of network science, which indicates the use frequency and importance. It screens that the potential ecological corridors by its value of edge-betweenness and the use of the most important and concise structure could connect the ecological source areas. In other words, the backbone route and key strategic point are used as the irreplaceable structure to guide the construction of the provincial ecological corridor. Domestic urban construction and environmental protection have a significant demand for land resources. The contradiction between the two is especially evident in the economic priority zone. The recognition of the potential route by the model of minimum cumulative resistance (MCR) will be redundant when applied to a macro area such as a province. The optimized model is applied to Guangdong Province to construct a provincial ecological corridor with 5493 km length. This system includes 20 ecological sources, 11 key strategic points, and 29 backbone corridors. The results show that irreplaceable provincial ecological corridor composed of backbone route and key strategic points can realize the goal of maintaining the unchangeable connectivity by the least corridor's number and land area. The edge-betweenness can optimize and screen the potential routes, and identify the key structure to maintain the ecological security of the province. The irreplaceable ecological corridor can guide provincial ecological planning and the development and utilization of land space, provide an evolutionary basis for a higher level of ecological security environment. The research results can also be used as a reference and basis for the construction of ecological corridors in areas with limited land resources.
Keywords: provincial ecological corridor    edge-betweenness    optimization of minimum cumulative resistance (MCR)    backbone route    key strategic point    

大尺度生态廊道能够提高生态用地之间的连通性,从而达到改善区域生态环境的效果[1-2].最小累积阻力模型(minimum cumulative resistance, MCR)因能模拟景观中生物和能量的潜在流动趋势[3]、结构简洁且要素可拓性强,被广泛地应用于生态廊道选线[4-5]和生态保护规划[6-7]的研究中,但MCR模型应用于省域廊道构建时仍存在路由冗余的问题[8]. MCR模型分3步识别生态廊道,不同学者从生态源地选取[9]、阻力影响因子选取和权重分配[10]、廊道识别[11]的角度出发,对构建方法进行了优化.近年来,越来越多的学者意识到,单独使用MCR模型无法区分潜在路由的功能和重要性差异,开始将其与其他理论和方法模型相耦合,提取具有特定功能或重要性强的生态廊道.主要应用的理论和方法模型包括图论[12-13]、网络结构理论、空缺分析[14]、生态系统服务[15]、电路连接模型[16]、重力模型[17]等.由于在省域宏观尺度下,水平过程是主导的生态过程,廊道和节点的拓扑特性明显[18],故将二者抽象为节点和连接边进行网络结构分析,能够识别发挥核心功能的关键组分[19]. 2015年陈剑阳等[20]耦合MCR模型和网络鲁棒性理论,提出了对复合型生态网络结构的优化建议;2018年,于强等[21-22]整合库仑力与MCR模型,通过情景模拟选取生态网络,并基于Kruskal算法和廊道介数提取生态廊道骨架树,提高了廊道的鲁棒性;同年,徐威杰等[23]结合网络连接度对生态节点进行研究,优化了生态廊道结构.以上研究在区分廊道重要性层面做出了推进,但尚未以保障基础生态安全和引导土地利用为目标功能,进行不可替代的生态廊道识别.

生态廊道是一个复杂的动态系统,不同廊道的功能和重要性也各不相同[24],而且由于受到土地资源、社会环境需求的限制,生态廊道不能无限制地进行建设,为了有效解决土地资源紧张现状下的生态破碎化问题,需将核心生态用地和不可替代的生态廊道进行整合,统一建设和管理,确保生态环境的基本安全并引导土地利用变化趋势.连通性不仅是生态廊道的重要功能,也是为其他功能提供保障的基础特性,因此,省域生态廊道需要具备简明和连通的特性.运用传统的MCR模型识别潜在路由,模糊了核心景观组分的重要性,导致其难以得到重视和保护.因此,对潜在路由进行重要性判断是去除冗余路由和进一步研究建设的前提.

由于廊道是承载系统连通性变化的主体,且复杂网络的连接边比节点更容易遭到破坏和干扰[25],故该研究选择通过提取骨干廊道来判别关键战略点.网络结构分析中的边介数指数(edge-betweenness)是经过某条连接边的最短路径占网络中全部最短路径的比值,生态廊道的边介数即是生物流与景观流使用该段廊道的频率,能够描述廊道在体系中的使用率和重要程度[26].因此,该研究引入边介数指数对传统的廊道构建方法进行优化,提取骨干廊道(backbone corridor)和关键战略点(key strategic point),构建能够指导省域生态规划、管控省域土地利用的生态廊道;并以广东省为例进行应用,对比优化前后廊道路由的连通和简明程度,验证优化方法的可行性和优越性.

1 研究区域概况

广东省下辖21个地级市,全省面积约17 800×104 hm2,南临南海,海岸线绵长,生态位置十分重要,是我国最发达也是最早开展大尺度生态廊道研究和建设的地区.目前,由于建设用地无序扩张,广东省面临生态用地破碎化、面积锐减等问题.土地资源的紧缺使建设与环保之间的矛盾愈发尖锐.

2 研究方法

基于边介数指数的MCR模型优化方法包括如下3步(见图 1):①采用传统方法,利用MCR模型识别出潜在生态廊道路由;②计算路由的边介数指数值,筛选骨干廊道和关键战略点;③将生态源地、骨干廊道与关键战略点整合为省域生态廊道.

图 1 廊道构建方法优化流程图 Fig.1 Flow chart of corridor construction optimization
2.1 数据来源与预处理

a) 基础数据收集.广东省2016年Landsat8 OLI遥感影像、90 m×90 m DEM数据、2009年我国第二次土地利用调查矢量数据、《广东省环境保护规划(2016—2030年)》中生态红线数据[27]、原环境保护部《全国自然保护区名录》中自然保护区分布数据[28].

b) 基础数据预处理.利用ArcGIS平台对土地利用情况进行分类,对比ENVI识别得到的卫星遥感图像,修正后得到林地、水系、建成区、交通用地、农田和草原这6类地表覆盖类型数据;从土地利用数据中提取阻碍景观和能量流动的部分,得到分级的河流、道路、主城区、矿产点的矢量数据;利用DEM数据进行坡度、坡向、山脊线的运算,得到相应的分级矢量数据.

2.2 基于最小累积阻力模型的潜在生态廊道路由提取

最小累积阻力模型通过计算物种和能量在生态源地间移动所耗费的代价来获得其运动趋势[29],计算方法见式(1):

$ \begin{array}{l} \;\;\;{\rm{MCR}} = {f_{\min }}\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^m {\left( {{D_{ij}} \times {R_i}} \right)} } \\ (i = 1, 2, 3, \cdots , n;j = 1, 2, 3, \cdots , m) \end{array} $ (1)

式中:MCR为最小累积阻力值,Dij为生态源地j与目的地i的空间距离,Ri为目的地i对代表性物种运动的阻力系数.

最小累积阻力模型识别潜在生态廊道路由的过程具体分为如下3个步骤:

a) 生态源地选取.生态源地多为林地和湿地,具有高生态服务功能[30].该研究以生态保护红线中的严控区作为生态源地主体,在此基础上补充国家自然保护区省内森林公园.由于生态源地的功能受面积影响最大[31],该研究以100 km2为下限,选择连通度高、边缘完整、处于重要位置的斑块作为生态源地.

b) 景观阻力面构建.为了减少专家打分带来的主观影响,该研究综合自然因素和人类干扰两类阻力,选取坡度、海拔、滨水距离、地表覆盖类型以及距道路、主城区、采矿点等高阻力点距离等影响因子,评分并确定权重后,运用ArcGIS的栅格计算器(raster calculator)叠加各因子产生的阻力,得到景观阻力面.

c) 生态廊道识别.生态廊道是生态源地之间物种和能量迁移扩散的路径[32],具有增强连接度、缓解破碎化的功能.生态源地间的潜在生态廊道路由可通过ArcGIS中的成本距离(cost distance)工具进行计算.

2.3 基于边介数的不可替代省域生态廊道构建

MCR模型将景观阻力面中的谷线作为潜在廊道路由,因而存在多条路由在空间上共用部分路径生成新节点的情况.在省域视角下,这些路由和节点在结构上存在冗余,需从中筛选骨干廊道和关键战略点.

2.3.1 骨干廊道

骨干廊道是潜在廊道路由形成的网络中边介数指数之和最大的最小生成树(minimum spanning tree).最小生成树是连接图中所有节点的极小连通子图,是能够使图(graph)连通的最少边的集合[33],可用Kruskal算法求得.由于生态廊道的主要功能是为生物和非生物的流动提供通道,使用频率可以代表其重要程度,该研究选用描述连接边利用频率的边介数指数,对冗余的潜在廊道路由进行优化.潜在廊道路由的边介数是经过该段路由的所有最短路径数目与最短路径总数之比[34].计算连接边elk的边介数belk的方法见式(2).

$ \begin{array}{l} \;{b_{{e_{{\rm{lk }}}}}} = \frac{{\sum\limits_{s = 1}^a {\sum\limits_{t = 1}^a {\frac{{L\left( {s, t, {e_{{\rm{lk}}}}} \right)}}{{L(s, t)}}} } }}{{a(a - 1)}}\\ (s \ne t, \;s \in a, \;t \in a, \;a > 1) \end{array} $ (2)

式中:elk为网络中的连接边;belk为连接边elk的边介数;a为网络中节点的总数,st为网络中两个不同的节点;假设节点st之间的最短路径有L(s, t)条,其中有L(s, t, elk)条路径经过边elk.

连通性不仅是生态廊道最重要的功能之一,更是生态廊道的基础特性,能够影响生态廊道其他功能的发挥.该研究以源点间连通为前提,提取边介数指数之和最大的最小生成树作为骨干路由来指导生态廊道建设.通过空间叠加的方式,避免了Kruskal算法因无法区分相同节点对之间的不同廊道而必须重复计算的过程.识别骨干廊道的方法包括如下3步:①计算网络所有连接边的边介数;②去掉边介数最小的连接边;③重复步骤②,直到廊道体系中每对节点之间存在且只存在一条连接边.骨干路由的提取方式见图 2.

图 2 骨干路由提取示意 Fig.2 Schematic diagram of backbone route extraction
2.3.2 关键战略点

关键战略点是位于生态源地外的骨干廊道分支点,因在网络结构中位置重要,但生态环境质量欠佳,需要优先重点进行建设.由于相比于节点,生态廊道更能发挥连通和促进交流的功能,且更脆弱,故该研究首先选取骨干廊道,并将其作为判别关键战略点的依据.关键战略点的提取过程如图 3所示.边介数的值仅能区分骨干廊道之间的重要性差异,但介数中心性(betweenness centrality)可计算经过节点的路径数量来评定节点的重要程度[35],因而能够用于关键战略点的重要性分级,介数中心性的计算方法如式(3)所示.

图 3 关键战略点提取示意 Fig.3 Schematic diagram of key strategic point extraction
$ \begin{array}{l} \;\;{g_d} = \frac{{\sum\limits_{y = 1}^q {\sum\limits_{k = 1}^q {\frac{{{C_d}(y, k)}}{{C(y, k)}}} } }}{{q(q - 1)}}\\ (y \ne d \ne k;y, d, k \in q) \end{array} $ (3)

式中:gd为节点d的介数中心性;q为节点总数;(y, k)代表一对节点,且不考虑节点y和节点k的前后次序;C(y, k)为连接节点y与节点k的最短路径的数目;Cd(y, k)为连接节点y与节点k,且经过节点d的最短路径的数目.

由骨干廊道和关键战略点整合成的不可替代生态廊道具备指导空间利用和土地演变的功能,能够以更少的廊道数量和生态用地来维持生态源地间连通,突出廊道体系中发挥核心作用的组分.不可替代生态廊道是平衡生态保护和城市建设之间矛盾的基础生态结构,对建立省域生态安全具有重要意义.

3 结果与讨论 3.1 优化结果 3.1.1 潜在生态廊道

分析处理广东省土地覆盖和土地利用等数据,以100 km2为下限识别出20处生态源地〔见图 4(a)〕;计算人类和自然两类阻力,构建景观阻力面〔见图 4(b)〕;最后以生态源地的中心作为源汇点,通过ArcGIS中Distance模块识别得到潜在生态廊道路由116条,产生新节点74个〔见图 4(c)〕.结果显示,广东省内生态源地分布较均匀,面积较大的斑块多位于广东省北部,生成的路由和节点在空间和结构上存在冗余.

图 4 广东省潜在生态廊道路由识别过程 Fig.4 Extraction of potential ecological corridors in Guangdong Province
3.1.2 骨干廊道与关键战略点

将广东省生态源地和潜在廊道简化为节点和连接边组成的结构,计算连接边的边介数〔见图 5(a)〕,以使用频率量化二者在网络中的重要程度和存在的必要性,得到29条骨干廊道和11处关键战略点〔见图 5(b)〕.计算关键战略点的介数中心性,并采用“组内差异最小、组间差异最大”的Jenks自然间断点分级法(natural break class)将其分为5级(见图 6).结果表明,重要程度较高的路由从东向西贯穿全省,重要性强的节点则集中于广东省中部,最重要的关键战略点位于广东省清远市,连接此节点的两条骨干廊道不仅连接了重要的关键战略点,本身的使用频率也最高,需优先重点进行建设和保护.

图 5 广东省骨干廊道和关键战略点提取过程 Fig.5 Extraction process of backbone corridor and key strategic point of Guangdong Province

图 6 广东省关键战略点重要性分级过程 Fig.6 The importance classification process of key strategic points of Guangdong Province
3.1.3 不可替代省域生态廊道

整合骨干廊道和关键战略点,得到广东省全长为5 493 km的生态廊道(见图 7).与未优化模型构建的生态廊道相比,优化后模型所构建的生态廊道在连通性不变的前提下,廊道的数量和占地面积明显减少,优化后的生态廊道能够缓解城市建设和生态保护之间的矛盾,突出不可替代的重要地位,能够更好地管控和引导土地利用.

图 7 基于边介数优化方法构建的广东省省域生态廊道 Fig.7 Ecological corridor of Guangdong Province by the optimization method of edge-betweenness
3.2 讨论

目前国内外的研究多基于面积进行生态服务量化[36],薛飞等[37]也将这些成果应用于生态廊道功能的研究之中.但面积并非是影响生态廊道功能的唯一因素,尤其是在规划过程中,廊道的结构发挥着更为关键的作用[38].从时空和演进的角度考虑,面积体现了生态用地目前所能提供的生态服务,而结构体现廊道未来发展和演变的趋势.不可替代生态廊道的重要意义不仅在于划定了基础的生态安全底线,更是建立了一个动态演进的基础骨架,通过促进景观界面上能流和生物流的交流和运动,促使区域生态环境良性演进.宏观尺度下水平过程明显,网络结构对生态廊道功能的影响随之加强.基于边介数指数提取的骨干廊道是连通生态源地的最简结构,基于介数中心性对比关键战略点的重要性,完成了不可替代结构内部组分重要性的对比,能够更系统科学地指导土地利用并促进演变.

在经济优先发展区,往往难以连续建设大面积生态用地,经边介数优化后的MCR模型提取的不可替代结构,能够在保障基础生态安全的前提下,大幅度地节约省域生态廊道的长度和占地面积,故而便于与土地管理部门协商,有利于廊道规划和建设.省域生态廊道是一种土地利用模式[39]和循序渐进的过程,它通过改变当下的景观组成来规划生态空间未来发展的趋势.省域生态廊道作为不可替代的生态安全结构,目前最迫切的需求是建立保障基础生态安全的结构,防止生态环境继续遭受破碎化.

对比广东省潜在生态廊道和不可替代生态廊道(见图 8),后者拟建设的廊道数量和占地面积均较前者有大幅减少,廊道总长度从10 244 km减为5 493 km,降低了47.3%.若利用潜在生态廊道路由指导省域生态廊道的建设,不仅模糊了骨干廊道的关键地位,使之无法得到重视和针对性地建设管理,而且也将在建设过程中占用大量的土地资源,消耗本不必要的资金和人力.不可替代生态廊道是决定省域生态环境安全与否的关键结构,在维持生态源地间连通的前提下,减少了廊道数量,解决了传统方法中潜在生态廊道的冗余问题;减少了占地面积,缓解了城市建设和环境保护之间的矛盾;强化了廊道空间管控功能,增强了对土地利用演变的引导作用.不可替代结构中各路由和节点的重要程度也存在差异,边介数指数体现了骨干路由的重要性,为了更好地指导省域生态廊道的建设,还应进一步对关键战略点做出分析,介数中心性能够衡量节点枢纽性质的差异,完成对不可替代结构内部结构的重要性分析.

图 8 广东省冗余生态廊道与骨干生态廊道对比 Fig.8 Comparison diagram of redundant ecological corridor and backbone ecological corridor in Guangdong Province

优化后的省域生态廊道构建方法建立了不可替代的生态廊道体系,实现了重点建设、精明开发的目的;但未能通过省域生态廊道连接相邻的生态源地,去除或延后一些生态廊道的建设,未能直接促进市域或更小范围的生态环境改善,相比于潜在生态廊道,其健壮性也有所降低.该研究利用边介数提取不可替代生态廊道,并非否定潜在生态廊道存在的意义,识别不可替代生态廊道不是将其建设为空间中仅有的生态廊道,而是根据基础生态安全的需求来划定重要程度,在资源紧缺的情况下保证重要部分得以优先建设.在不可替代生态廊道建立完善后,可继续规划,进一步完善不同级别和功能的廊道体系,协同做功,促使生态廊道体系向着更完善、更健壮的方向演进.例如,将相邻的“生态源地对”作为基础单位,识别市域范围内具备重要功能的生态廊道,在省域内逐步建立连通性更强的子图;在基础生态安全结构的基础上,区分内部结构的重要程度.

该研究的优化过程存在仅关注结构差异的局限,虽然在宏观尺度下,结构和拓扑是影响生态廊道发挥功能的重要因素,但从该角度出发,也忽视了生态过程机理和作用机制,在一定程度上影响了省域生态廊道选线的准确性,虽然在提取潜在路由的过程中广泛地选取了影响因子,但并未对于优化前后的生态服务进行能量化的对比,不能直观地体现优化方法的重要意义,今后应在具体落实建设中测算生物迁徙和景观流动情况,因地制宜地建设生态廊道,进一步增强生态廊道构建的科学性,并基于廊道结构,考虑土地利用类型、廊道可建设宽度、连接源地情况对生态系统服务的影响,继续探索生态廊道的长期演进情况.

该研究在对关键战略点进行分级时,仅考虑了关键战略点所处位置的土地利用类型,对其进行了简单分级,并未分析其土地利用类型、行政区划分、经济和交通因素对其建设发展的影响,这些因子可能对关键战略点的重要性分级结果有一定影响,今后可再结合上述因素对关键战略点的重要程度进行更为详细的研究.

4 结论

a) 将传统的MCR方法应用于省域生态廊道规划时,常在两个节点间识别出不止一条的路由.省域生态廊道是一种简明且可持续的土地利用方式,冗余的潜在廊道路由不能指导其规划和建设,需以保证最低水平的生态安全为目的,对路由进行优化筛选,为建设和演进出更高水平的生态安全环境提供可能.

b) 网络结构是影响省域生态廊道功能的重要因素,生态廊道和节点的重要程度可由其使用频率表示.边介数指数能够在MCR方法的基础上提取骨干路由和关键战略点,形成不可替代生态廊道.案例分析显示,广东省共识别出骨干路由29条,其中最重要的部分位于清远市、韶关市、河源市和梅州市,以南北向贯穿广东省东部区域;关键战略点的重要程度受到其位置和连接廊道数量的影响,可通过计算介数中心性进行简单判断,广东省共计识别关键战略点11处,其中最重要的关键战略点位于广东省中部偏北的清远市.

c) 基于边介数优化后的生态廊道构建方法,通过计算每条边的边介数,提取不可替代的边和节点;但要分析每一节点的重要程度,尚需计算节点的介数中心性;对关键战略点分级后,不可替代结构内部组分的重要性差异更加分明,由其指导的省域生态廊道将具备更高的规划科学性和建设可行性.

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