Optimization of greenways in Fuzhou based on heat island effect

福州市位于中国东南沿海(25°15′~26°39′N，118°08′~120°31′E)，属于中、南亚热带海洋性季风气候区，常年雨量充沛，夏季高温湿热，逆温频率高，持续时间长，城市热岛效应明显。福州市位于河口盆地中心，主城区被海拔600~1 000 m的莲花山、鼓山、五虎山和旗山等群山环绕，形成“枕山、襟江、面海”的自然地理环境特征。为更全面地分析热岛效应与绿色廊道的空间关系，研究范围选取鼓楼区、台江区、晋安区、仓山区、马尾区、长乐新区及闽侯县等区域，总面积约1 759.95 km²。

根据《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福建省绿道网总体规划纲要(2012—2020)》和《福州市绿道网总体规划》，福州市共规划省级绿道3 119.0 km，其中，6条省级绿道、3条支线和2条连接线。福州市以“沿江、沿河、环湖、达山、通公园”为目标，整合城市自然生态和历史人文资源，在省级绿道总体规划框架内，共规划市级绿道1 238.0 km，其中，2条省级绿道、36条市级绿道、94条社区级绿道。目前，已建16条山地丘陵型绿道，86条环湖滨河型绿道，5条滨江面海型绿道，15条绿色通勤型绿道，10条历史文化型绿道。截至2020年，全市新建168个串珠公园绿地，中心城区的绿地率达42%，绿化覆盖率达48%，人均绿地面积超过15 m²。

研究数据主要包括：土地利用类型数据根据2019年福州市谷歌(Google)地图2.5 m高精度影像(谷歌地图资源共享平台下载)，结合GB/T 721010—2017《土地利用现状分类》分为林地、建设用地、道路、水体、农田、草地、未利用地，分类精度为89.84%，Kappa系数0.85。地表温度数据由2019年9月22日Landsat 8 OLI遥感影像(美国地质调查局网站下载)根据辐射传输方程法反演获取^[11]。2019年福州市建筑矢量数据、《福州市城市总体规划(2010—2020年)》《福州新区总体规划(2015—2020年)》《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福州市中心城区综合交通总体规划(2011—2020年)》等来源于福州市规划局网站。福州市90 m分辨率数字高程模型(DEM)遥感影像来源于中国地理空间数据云网站。影像噪声低、几何形变小。研究区范围云量低于2%，满足研究需求。

根据土地利用分类数据，通过形态学空间格局模型(morphological spatial pattern analysis，MSPA)开闭运算数学方法^[12]，对栅格图像进行度量、识别及数据分割等操作，分别提取MSPA模型的前景数据和背景数据，得出像元层面的景观生态斑块，将其进行二值化栅格处理，运用ArcGIS软件中的Guidos Toolbox分析工具，采用八邻域图像细化分析方法^[13]，提取像素目标和矢量化跟踪，得到互不重叠的7种景观类型和结构：核心区、孤岛、孔隙、边缘、环道、桥接、支线，将结果按面积大小提取核心区斑块和生态源地^[14]。

景观连通性指数是反映景观连通度和斑块重要性的主要依据^[15-16]。本研究选取斑块整体连通性指数(IIC)和斑块面积比指数(DA)对源斑块的重要性进行评价。通过ArcGIS平台，设定源斑块之间连通的距离阀值。如果距离小于阈值，则视为连通；如果距离大于阈值，则视为不连通^[17]。IIC指数通过计算2个斑块之间最短路径来确定，结果为0~1，当值为0时，说明各斑块间互不连通；当值为1时，说明整个景观单元都是生境斑块。利用Conefor Inputs for ArcGIS插件，计算关键源点间的阻力距离值^[18]。将IIC指数和DA指数的结果输入Conefor Sensinode 2.6软件，设置阈值距离等参数，计算绿地斑块重要性指数(dIIC)。dIIC指数的值越高，表示各斑块在绿地系统中的重要性越高。根据dIIC指数对斑块重要性进行评价，由此划分生态源斑块和绿色廊道的等级。

构建绿色廊道最常用的方法是MCR模型^[19]，表示生态流克服生态阻力面，从一个生态源地到另一个生态源地的最小累积距离，可确定生态源地起始点和目标点之间的最短费用路径^[20]。通过阻力面赋值和权重生成最佳路径，进而模拟生物运动的潜在趋势与景观格局改变之间的关系^[21]。MCR模型是计算生态流克服不同土地利用类型阻力进行移动的过程，需考虑生态源点、路径距离和阻力因子，对生态敏感性影响因子进行赋值和权重计算^[22]。权重值通过序关系法获取^[23]。由此构建生态综合阻力面来表征景观类型对生态流动的阻力影响。利用ArcGIS插件中的Build Network and Map Linkages工具计算各生态源地到各斑块之间的费用距离栅格(距离测算)和成本回溯链接栅格数据(费用路径)，利用最短路径函数计算并生成“源”到各“网络中心”耗费最少、流动性成本最小的潜在绿色廊道。公式为：

其中：C_i表示从景观单元i (i=1，2，3$,\cdots, $ m)到生态源的累积耗费距离值，即最小成本的计算结果；D_i表示景观单元i到生态源的间隔距离；F_j表示空间中景观单元j (j=1，2，3$,\cdots, $ n)对物种迁移的阻抗值。

基于DEM数据，根据水文流域模型对水的径流方向及路径进行模拟和定量化分析^[24]。同理，在ArcGIS平台中，将地表反演温度和绿色廊道生态综合阻力面的值等同于DEM数据，利用栅格计算器将各因子叠加的适宜性图取反后，整个区间为负数，再将取反的适宜性图的最小值取绝对值，使最小值为0，得到一张“反适宜性”图，即取值高的地方不适宜，取值低的地方适宜。通过对“反适宜性”图进行填洼—流向—流量等步骤处理后，利用栅格计算器设定阈值。借助Flow Accumulation工具，按场地特征不断实验阈值来提取温度分布域和绿色廊道分布域，采用Shreve河网分级工具对两者进行分级。

将温度分布域和绿色廊道分布域相叠加，两者的交点视为重要降温生态节点，对降低热岛强度具有重要作用。结合绿色廊道内部廊道之间的交点，与地表温度相叠加，提取未被绿色廊道覆盖的“热点”区域，进而优化绿色廊道的空间分布格局。具体流程如图1。

Figure 1.  Greenway optimization flow chart based on hydrological basin model

利用ArcGIS平台，将福州市土地分类数据的林地、草地和农田设为MSPA模型的前景数据，建设用地、道路、水体和未利用地设为背景数据，基于MSPA模型对提取的7种景观类型按面积从大到小排序：核心区、边缘区、桥接区、孤岛、支线、环道区、孔隙，从中筛选出面积排名前30位的核心区斑块作为生态源斑块，并进行编号(表1)。

将源斑块间连通距离的阈值设为2 km。当距离小于2 km时，2个斑块间视为可连通；当距离大于2 km时，则视为不连通。利用自然断点法对30个生态源斑块的重要性进行评价，共分为4级：一级最重要源斑块2个，dIIC值为25.780~39.620；二级非常重要源斑块3个，dIIC为7.610~25.780；三级很重要源斑块3个，dIIC为1.980~7.610；四级一般重要源斑块22个，dIIC为0.002~1.980。源斑块重要性分布如表2。

结合福州市河口型盆地特征，按生态适应性分析法^[25]，选取土地利用类型、地形因子、生境因子、景观类型、生态系统服务等5个生态敏感性因子，通过计算赋值和权重值，得到各类景观单元的生态景观阻力面分布特征。由此可知：生态景观阻力值较高的区域集中于鼓楼区、台江区、仓山区、马尾区和晋安区等主城区。其中，长乐新区生态景观阻力值较高的区域集中于老城区、营前新区、各乡镇建成区及机场等，闽侯县集中于大学城、高新区、甘蔗县城、青口镇区、南屿镇区和南通镇区等。闽江流域因对物种迁移和扩散构成较大阻力，生态景观阻力值较高；环绕主城区的五虎山、旗山、莲花山、鼓山和天台山等大面积自然林地，生态景观阻力值较小，构成生境斑块的基底。

将5个生态敏感性因子的景观生态阻力面进行加权叠加，得到综合生态阻力面。基于MCR最小累积阻力模型的最小路径工具计算起点与终点的最小费用路径，模拟源斑块间相互连接的潜在绿色廊道。

将筛选出的30个重要生态源地与城市道路矢量数据、城市水系矢量数据、潜在绿色廊道等进行加权叠加，获得福州市潜在绿色廊道合成图。由此可知：潜在绿色廊道共74条，在主城区鼓楼区、台江区、仓山区中北部、晋安区主城区、马尾区主城区、闽侯上街和高新区等分布均比较少，主要因为这些区域建设密度大，土地利用集约化程度高，地形因子影响大，综合生态阻力高。在仓山区东部、马尾琅岐、长乐新区滨海新城、闽侯南屿镇至青口区域、晋安区北部等分布比较多，说明这些区域生态阻力小，重要斑块分布多，景观破碎度低，连通性高，利于绿色廊道生态路径的形成。

结合源斑块重要性等级划分结果，将起点或终点为一级源斑块的廊道定义为一级廊道，将起点或终点为二级源斑块的廊道定义为二级廊道，其他等级以此类推。因此，如表3可见：福州市绿色廊道分为4级，共74条，总长度918.11 km。其中，一级9条，132.88 km，占14.47%；二级14条，207.48 km，占22.60%；三级14条，153.57 km，占16.73%；四级37条，424.18 km，占46.20%。

绿色廊道各路径之间汇聚相交的点是重要的生态节点，对降低城市热岛强度具有重要的作用。利用ArcGIS平台，识别绿色廊道内部的生态“交点”。由此：共生成80个生态“交点”，主要分布于城区周边的自然林地生态斑块，以及城区内部的大型城市绿地和山体公园，中心主城区因绿地斑块破碎化严重，连通性较差，内部生态“交点”稀少。其中，鼓楼区2个，仓山区3个，晋安区6个，台江区无生态“交点”。马尾区和闽侯县因分布数量较多的自然生态林地和森林公园等，分别有生态“交点”13个和14个，长乐新区因分布大面积的农田、山体公园、湿地保护区等，生态“交点”高达42个。

根据水文流域模型，将绿色廊道分布域图和温度分布域图叠加，共识别降温生态节点176个。由图2可知：鼓楼区有降温生态节点8个，仓山区21个，晋安区14个，台江区1个，马尾区27个，长乐新区63个，闽侯县42个。中心城区生态节点分布较少，说明绿色廊道对主城区热岛效应的缓解作用较弱，需对其数量和结构进行优化，增加主城区的降温生态节点，提升城区夏季的热舒适度，增强绿色廊道的生态效益。

Figure 2.  Distribution of cooling ecological nodes and cooling areas in greenway

将福州市绿色廊道与地表温度叠加分析，由此识别出35处需降温区域(图2)，其中，鼓楼区2处、仓山区9处、晋安区6处、台江区2处、马尾区4处、长乐新区4处、闽侯县8处。以识别的降温区域为导向，基于缓解城市热岛效应为目标，将福州市绿色廊道与城市用地分类矢量数据、绿色廊道生态“交点”、降温生态节点、地表温度等叠加后，在原有74条绿色廊道的基础上，新增绿色廊道14条，主要包括道路型绿色廊道和滨水型绿色廊道2种类型(表4)。其中，道路型绿色廊道8条，主要由城市主干道路构成；滨水型绿色廊道6条，主要由闽江和乌龙江流域，以及城市内河构成。

结合《福州市城市总体规划(2010—2020年)》《福州新区总体规划(2015—2020年)》《福州市中心城区绿地系统总体规划(2011—2020年)》《福州市中心城区综合交通总体规划(2011—2020年)》等，对新增绿色廊道的路径选线进行合理性验证和分析，研究结果基本满足要求。优化后的绿色廊道共88条，廊道数量和类型更丰富，景观格局空间分布和结构特征更合理。绿色廊道对城市热点区域的覆盖更全面，对改善城市热岛具有更明显的生态调节功能。在福州市大山水格局的生态框架下，结合城市总体规划和用地布局，对福州市绿色廊道的宽度、走向、植物配置形式等方面进行科学规划和全局统筹，并通过制定行之有效的保护措施和法律法规，提升绿色廊道的空间结构分布特征，发挥绿色廊道的生态效益和功能。

本研究选取具有河口型盆地地貌特征的福州市为对象，以改善城市热环境为目标，基于MCR模型和水文流域模型，对福州市绿色廊道的景观格局进行优化和分析。主要结论如下：①根据MSPA模型和源斑块重要性评价，将提取的30个生态源斑块分为4级：一级最重要斑块(2个)、二级非常重要斑块(3个)、三级很重要斑块(3个)、四级一般重要斑块(22个)。结合生态适应性分析法，由土地利用类型、地形因子、生境因子、景观类型、生态系统服务等5个生态敏感性因子构建综合生态阻力面。②通过MCR模型计算综合生态阻力面的最小成本路径，由此生成74条绿色廊道，总长度918.11 km：一级9条，132.88 km；二级14条，207.48 km；三级14条，153.57 km；四级37条，424.18 km。将绿色廊道与城市地表温度叠加，共识别80个生态“交点”、35处未覆盖需降温区域，表明绿色廊道的降温效果不够明显，景观格局需进一步优化提升。③利用水文流域模型，将绿色廊道分布域与温度分布域叠加生成176个降温生态节点。据此新增14条绿色廊道：8条道路型绿色廊道和6条滨水型绿色廊道。优化后的福州市绿色廊道共计88条，廊道路径与城市上位规划相符合，整体空间分布更合理，对城市热点区域覆盖更全面，降温效果更明显，缓解城市热岛效应的生态调节功能更突出。