基于地理国情数据的生态网络分析——以重庆市主城区为例

0  引  言

我国经济发展已由高速度增长向高质量发展阶段转换，在新形势下推进长江经济带发展，要求生态优先，要协调好经济发展与生态环境保护的关系。长江经济带分布有上游成渝城市群、中游城市群、下游长三角城市群，城市地区的生态安全在整个区域生态战略中具有重要地位。开展城市生态空间与生态网络研究，便于完善生态功能，有助于城市地区的生态保护与建设。

生态网络概念提出已有40多年，相关研究也有较大进展。其中生态网络构建的研究有很多，最常见的结构模式为源地 - 廊道或源地-廊道-节点，即先进行生态源地的识别，生成生态阻力面，基于最小阻力累计模型（又称最小成本路径模型）提取生态廊道，部分研究最后确定生态节点。如池源等基于GIS和RS技术，构建崇明岛由重要生态功能斑块和生态廊道组成的景观生态网络；史娜娜等基于分析确定的生态源地和生态阻力面，利用最小累积阻力模型和重力模型，建立青海省保护地的生态网络；吴楠等以大连市金石滩国家旅游度假区为研究区，通过生态源地、生态廊道、生态节点三元素的评价结果，确定区域生态网络的建设方案。以城市生态网络为对象的研究相对较少，但近些年才逐步开展城市生态网络方面的应用，并成为当前生态方面的研究热点，研究尺度包括城市群、单一城市等。如胡炳旭等基于地理空间分析技术开展京津冀城市群生态网络的构建，提出生态修复和优化建议；郑茜等构建武汉市源地 - 廊道 - 节点空间结构模式的城市生态网络，并提出生态空间管控策略；王戈等以包头市为研究区，基于层级网络提取模型构建生态网络结构，为半干旱城市的生态规划与建设提供理论参考。

本文以地理国情数据为基础，结合统计年鉴中的人口统计数据，以重庆市主城区这一典型山地城市为研究对象，探讨一种优化的城市生态网络构建方法，为城市生态空间管理和生态环境保护提供数据支撑和新的思路。

1  研究区与数据

1.1  研究区概况

重庆市主城区位于重庆市西部，是重庆市建置较早的传统行政区，是全市的政治、经济、文化、交通、金融中心。重庆市主城区包括渝中、江北、南岸、九龙坡、沙坪坝、大渡口、北碚、渝北、巴南等9区，总面积约5473km²。主城区属川东平行岭谷地貌，谷地走向近南北向，人口及社会经济活动主要分布在向斜谷地。

1.2  数据源

本研究所用到的数据源包括基础性地理国情监测成果、人口统计数据、数字高程模型（DEM）数据。其中基础地理国情监测数据提供地表覆盖分类数据和地理国情要素数据，人口统计数据来自统计年鉴，DEM数据来源于全国第一次地理国情普查数据。

利用FME软件对地表覆盖分类数据进行映射关系转换、投影变换得到平面坐标下的土地利用数据，并提取地理国情要素数据中的 UV_BERA8（地质公园）、UV_ BERA7（森林公园）、UV_BERA6（风景名胜区）、UV_ BGWA（湿地公园）数据层，用于生态源地的确定。人口统计数据与地表覆盖分类数据中的房屋建筑（区）数据用于人口密度的估算。DEM数据用于提取地形位指数。

2  研究方法

基于地理国情数据的城市生态网络空间结构构建的技术流程如图1所示。

图 1 生态网络构建的技术流程图

Fig.1 Technical flow chart of ecological network construction

2.1  生态源地识别

生态源地是生态空间的主要景观斑块，是生物流和生态功能服务的源头，是物种扩散的源点。常规是由明确的物种观测数据来识别，但在城市地区主要土地利用或地表覆盖间接反映。

1）初始生态源地提取。首先进行初始生态源地的选择，使用FME工具提取达到一定面积的林地、耕地、园地、草地、裸地五类要素，结合重庆主城区土地利用分类斑块的实际情况，确定5类要素的面积阈值分别为0.5、0.1、0.1、0.05、0.01km²。

2）景观连通性分析。在提取的初始生态源地基础上，通过景观连通性进一步识别生态源地。景观连通性可直接反映生态流的转移难易程度，因此选择连通性高的斑块作为生态源地，对于生态网络空间结构的稳定至关重要。本文使用FME工具和conefor 2.6分析软件进行景观连通性分析。可能连通性指数（PC）基于距离负相关的概率模型，反映斑块之间的连通可能性，计算公式如下：

式中，n为斑块总数量；ai和aj分别为斑块i和斑块j的面积；pij为物种在斑块i 和斑块j之间扩散的可能性；AL为景观总面积；0＜PC＜1。

斑块重要性指数（dPC）指斑块对景观保持连通的重要性，即某斑块移除后整个区域景观连通性的变化量， dPC的计算公式如下：

式中，PC为景观中所有斑块的整体连通性值；PCremove为去除某一个斑块后剩余斑块的整体连通性值；dPC越高，表示某一斑块的重要性越高。

3）斑块综合。采用自然断点法分别将5类要素dPC值分为4级，提取dPC值高的2级作为生态源地。同时叠加生态保障和服务相对比较完善的森林公园、湿地公园、风景名胜区等区域斑块，使用ArcGIS的Aggregate Polygons工具进行图斑综合（distance设置为 1000m），得到最终的生态源地。

2.2  生态廊道提取

生态廊道是生态网络中源地间生物迁移的通道，是生态斑块直接保持生态流、生态过程和生态功能连通的载体。基于廊道的连通度及功能随节点距离增加而衰减的特性，采用累积耗费距离模型，根据最短路径方法，构建重庆市主城区的生态廊道。

1）计算分阻力因子。本文选择土地利用类型、地形位指数、人口密度值等3种生态阻力因子，权重分别为0.5、0.2、0.3。其中，土地利用数据由地表覆盖分类数据映射得到；地形位指数能够综合反映地形的高程和坡度信息，计算公式为Log10(（DEM 值 / 高程平均值+1）×（Slope值/坡度平均值+1）)；人口密度，即规则格网内人口数，用于反映人类活动强弱。3种生态阻力因子结果均为栅格数据，像元尺寸为30m。生态阻力因子的分类及阻力值见表1。

表 1 阻力因子分类及阻力值

Tab.1 Classifing and resistance values of resistance factor

2）生成生态阻力面。将3类阻力因子按照权重配赋，进行栅格运算，得到综合阻力值数据，然后根据最小累积面模型，使用ArcGIS中的成本距离工具（Cost Distance），输入生态源地和综合阻力值数据，运算得到生态阻力面。

3）提取生态廊道。利用LM_Lab工具得到生态廊道。输入量有生态源地（点层）、生态源地层编号整型字段 “BM”、生态阻力面文件。生态廊道结果整理主要包括去重复线、删除异常图形等，最后确定主要廊道（关键廊道）、次要廊道（辐射廊道）。其中去重复线可通过ArcGIS中的feature to line进行。

2.3  生态节点定位

生态节点是在景观空间中连接生态源地，并对生态流起关键作用的区位，一般分布在生态廊道的最薄弱处，即生态廊道最容易断开的位置。叠加生态阻力面和生态廊道，综合分析确定生态节点的位置。

3  生态网络分析与评价

3.1  生态源地

提取林地大于0.50 km²的斑块数量为322个；耕地、园地大于0.10km²斑块数量分别为667个、239个；大于0.05km²草地斑块数量为1321个；大于0.01km²裸地斑块数量为 195个。以上5种生态用地的斑块数量共计2744个。使用Conefor_Inputs for ArcGIS 10.x插件，计算各类图斑之间的距离关系，记录每个图斑与其相距小于1000m的图斑信息（如序号、距离、面积等）。然后利用 Conefor 2.6分析软件，计算各类生态用地图斑连通性的重要值指数（dPC），取前两级作为初始生态源地的第一部分。保护区斑块数据从重庆市基础性地理国情监测数据中提取得到，作为初始生态源地的第二部分。北碚区分布有缙云山风景名胜区、观音峡国家森林公园；沙坪坝区分布有歌乐山国家森林公园、青龙湖国家森林公园；九龙坡区分布有重庆彩云湖国家湿地公园；南岸区分布有重庆南山国家森林公园、重庆迎龙湖国家湿地公园；巴南区分布有桥口坝国家森林公园。综合两个部分的生态源地，得到研究区的最终生态源地（图2）。主要的生态源地分布在重庆主城区几条南北走向山脉区域，生物多样，森林资源丰富，构成主城区的天然生态屏障。

图 2 重庆市主城区生态源地分布图

Fig.2 Ecological source distribution map of the main urban area of Chongqing

3.2  生态廊道

基于生态源地和生态阻力面，利用最小耗费距离工具（Linkage Mapper）提取生态廊道，经过去除重复线、异常图形剔除后，得到重庆市主城区生态廊道（图3）。重庆市主城区的生态廊道共有76条，总长度为571.76km，其中主要廊道31条，长度为332.67km；次要廊道45条，长度为239.09km。主要廊道形成两个并联环状结构，左侧环状结构沿中梁山—龙王洞山北侧—铜锣山分布，右侧环状结构沿铜锣山—明月山南端—东温泉山—明月山北部分布（图3）。由于重庆主城区特殊的地形条件，保持生态廊道的畅通，对于整体的生态环境保护与优化至关重要。主要廊道与建成区距离较近，易受到人类活动干扰，次要廊道较主要廊道更加接近密集城区，是生态功能扩展的方向，生态综合治理过程中同样不可忽视。

图 3 重庆市主城区生态廊道图

Fig.3 Ecological corridor map of the main urban area of Chongqing

图 4 重庆市主城区生态节点图

Fig.4 Ecological node map of the main urban area of Chongqing

3.3  生态节点

基于生态廊道和生态阻力面，综合分析选取研究区的生态节点共计12个（图4）。主城区生态节点中有6个位于四山区域，另外4个节点位于植被覆盖较好的山区。从行政区划上看，巴南区、渝北区分布的节点较多，分别为5、4个。作为生态廊道最薄弱的位置，12处生态节点应作为主城区生态规划制定的优先考虑目标，此类区域生态保护与建设的好坏直接影响整个主城区生态网络的连通。

4  结束语

本文利用地理国情监测数据，结合人口统计数据，开展源地-廊道-节点模式的城市生态网络分析与评价，为生态网络研究提供一种优化的技术方法，拓展了生态网络空间结构分析与应用，以期为重庆市主城区生态规划、保护与建设提供科学参考。

作者简介：翟彦放（1988—），男，河南新乡人，高级工程师，硕士，主要从事地理信息系统与遥感应用研究工作

E -mail：zhaiyanfan@163.com

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