基于生态约束条件的济南市景观格局优化研究
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摘要
随着区域经济的快速发展,城市化进程逐步加快,与此同时出现了一系列生态和环境问题,如环境恶化、土地退化、全球气候变化、生物多样性减少等景观和区域尺度的社会经济和生态问题,区域生态安全受到威胁。景观格局是景观异质性在空间上的综合表现,是自然、社会和人类因素共同作用的结果,景观格局空间分布特征与区域生态安全是紧密联系的,通过对景观格局优化研究可增加景观的多样性和稳定性,维持地区可持续发展与区域生态安全。因此本文基于生态约束条件进行景观格局优化方法研究。
景观格局优化利用景观生态学原理解决土地合理利用的问题,对原有景观要素的优化组合或引入新的成分,调整或构建新的景观格局。本文对格局优化的关键问题进行改进,综合考虑了格局优化中的自然约束因子和社会约束因子,在对生态约束条件理论界定的基础上,构建了生态约束模型,将模型与空间模拟技术进行有机结合,旨在解决景观格局数量和空间两个方面的优化问题。
本文选取东部快速城市化地区济南市作为研究区,进行了基于生态约束的景观格局优化研究。开展的主要研究内容和结论有:
(1)界定了用于景观格局优化的生态约束条件的内涵。在可持续发展观的指导下,分析生态安全评价、生态服务功能评价、生态健康评价和生态风险评价的内涵,明确不同目标评价之间的逻辑关系,在此基础上为生态约束条件的界定提供理论依据。
(2)揭示了济南市景观格局及其生态服务功能的现状和演化规律时空特征。景观类型空间格局包括两部分,一是其数量上的分布,二是其空间上的配置,因此,本部分从数量到空间,结合静态与动态两个方面进行分析,在此基础上,通过采用生态系统服务价值评价法对研究区不同景观类型的生态变化进行分析,然后对研究区景观格局演化机制进行分析。该内容作为本文的现状分析部分,是景观格局优化研究的基础。
(3)开展了生态约束目标下的景观格局优化研究,即论文的第四章和第五章。第四章基于生态约束的景观格局数量优化研究,采用“自上而下”的灰色线性规划模型从6个方面构建生态约束条件以及目标函数,通过单纯形法求解,得出不同情景下的总量控制优化方案,通过方案对比分析进行选择,确定研究区内不同景观类型在空间上的数量配置。第五章基于生态约束的景观格局空间优化研究,在第四章景观格局数量优化配置的基础上,应用遗传算法进行景观格局空间结构优化研究,从空间上进一步确定不同景观类型在空间上的分配。
(4)优化结果表明:数量上,与当前景观格局现状相比,2020年耕地减少,林地(包括园地)增加,城镇用地增加,乡村居民点面积减少,符合退耕还林还草政策以及乡村居民点用地节约集约利用,研究区可获得较高的生态效益;空间上,遗传算法具有较强的随机搜索功能,搜索过程灵活,空间优化结果理想。因此,该方法能够较好地将主要影响格局变化的生态因子在模型中充分体现,一方面使优化结果较真实的反映景观变化的情况,另一方面为区域景观管理提供最优模式,促进区域可持续发展。
With the rapid development of regional economy, the process of urbanization is speeding up, but a series of ecological and environmental problems are appearing, such as environmental deterioration, land degradation, global climate change, biodiversity reduction of the social economy and the ecological problems at landscape and regional levels. The regional ecological security is being confronted with danger. The landscape pattern is the comprehensive performance of the landscape heterogeneity, and the results of nature, society and human effect. The spatial distribution characteristics of landscape pattern nearly connect with the regional security; the landscape pattern optimization could increase the diversity and stability of landscape and keep the regional sustainable development and security. So this paper researches the landscape pattern optimization based on the ecological constraint conditions.
The research of landscape pattern optimization solves the rational land utilization by the theory of landscape ecology, which is the optimized combination of the original landscape elements or the introduction of the new elements, and the regulation or construction of the new landscape pattern. The paper improved on the key issues of the landscape pattern optimization, synthetically considered the natural and societal constraint conditions, constructed the ecological constraint model based on the theoretical definition of the ecological constraint conditions, and combined the model with the spatial simulation technology. This paper’s aim is to solve the quantity and space optimization of the landscape pattern.
This paper takes the Jinan city of the eastern urbanized area as the study area, and researches the landscape pattern optimization based on the ecological constraint conditions. The main research contents and results follow:
(1) The meanings of the ecological constraint conditions of landscape pattern optimization were defined. Under the guidance of the sustainable development, it analyzed the meanings of the ecological security evaluation, the ecosystem services assessment, the ecosystem health evaluation and the ecological risk assessment, and ascertained their logical relation, which provided the theoretical basis for the definition of the ecological constraint conditions.
(2) This paper analyzed the present situation and evolution of the landscape pattern and the ecological service function. The landscape pattern concludes two parts, the one is the quantitative distribution, and the other is the spatial allocation. So this chapter analyzed the landscape pattern from quantity to space and from static state to dynamic state. Then it analyzed the ecological change of the different landscape types by the evaluation method of the ecosystem service value, on this basis, analyzed the evolution mechanism of the landscape pattern. As the part of status analysis, this content is the basis of the landscape pattern optimization research.
(3) This paper researched the landscape pattern optimization based on the ecological constraint conditions, namely the fourth chapter and the fifth chapter. The fourth chapter is the quantity optimization based on the ecological constraint conditions, which constructed ecological constraint conditions from six facets and one objective function by the grey linear programming. It came to the different optimization projects of the total quantity control by the simplex method, and chose the optimum one through comparative analysis. At last it confirmed the quantity allocation of the different landscape types. The fifth chapter is the spatial optimization of the landscape pattern based on the ecological constraint conditions, which applied genetic algorithm to research the spatial structure optimization of the landscape pattern and decided the spatial distribution of the different landscape types.
(4) The result indicated that compared to the current status of the landscape pattern, the area of the cultivated land decreased, the area of woodland (including garden plot) increased, the area of the urban land increased, and the area of the rural residential land decreased, which accorded with the policy of the conversion of cultivated land to woodland and grassland and the intensive utilization of the rural residential land, so the research area could obtain the upper ecological benefit. The genetic algorithm has stronger function of random search, and the search process is flexible, so the result of spatial optimization is ideal. So this method can express the ecological factors in the model which mainly influenced on the landscape pattern change. On one hand, the result of landscape pattern optimization can reflect the actual state of the landscape change. On the other hand, it provides the optimum pattern for the regional landscape management and promotes the regional sustainable development.
景观格局优化利用景观生态学原理解决土地合理利用的问题,对原有景观要素的优化组合或引入新的成分,调整或构建新的景观格局。本文对格局优化的关键问题进行改进,综合考虑了格局优化中的自然约束因子和社会约束因子,在对生态约束条件理论界定的基础上,构建了生态约束模型,将模型与空间模拟技术进行有机结合,旨在解决景观格局数量和空间两个方面的优化问题。
本文选取东部快速城市化地区济南市作为研究区,进行了基于生态约束的景观格局优化研究。开展的主要研究内容和结论有:
(1)界定了用于景观格局优化的生态约束条件的内涵。在可持续发展观的指导下,分析生态安全评价、生态服务功能评价、生态健康评价和生态风险评价的内涵,明确不同目标评价之间的逻辑关系,在此基础上为生态约束条件的界定提供理论依据。
(2)揭示了济南市景观格局及其生态服务功能的现状和演化规律时空特征。景观类型空间格局包括两部分,一是其数量上的分布,二是其空间上的配置,因此,本部分从数量到空间,结合静态与动态两个方面进行分析,在此基础上,通过采用生态系统服务价值评价法对研究区不同景观类型的生态变化进行分析,然后对研究区景观格局演化机制进行分析。该内容作为本文的现状分析部分,是景观格局优化研究的基础。
(3)开展了生态约束目标下的景观格局优化研究,即论文的第四章和第五章。第四章基于生态约束的景观格局数量优化研究,采用“自上而下”的灰色线性规划模型从6个方面构建生态约束条件以及目标函数,通过单纯形法求解,得出不同情景下的总量控制优化方案,通过方案对比分析进行选择,确定研究区内不同景观类型在空间上的数量配置。第五章基于生态约束的景观格局空间优化研究,在第四章景观格局数量优化配置的基础上,应用遗传算法进行景观格局空间结构优化研究,从空间上进一步确定不同景观类型在空间上的分配。
(4)优化结果表明:数量上,与当前景观格局现状相比,2020年耕地减少,林地(包括园地)增加,城镇用地增加,乡村居民点面积减少,符合退耕还林还草政策以及乡村居民点用地节约集约利用,研究区可获得较高的生态效益;空间上,遗传算法具有较强的随机搜索功能,搜索过程灵活,空间优化结果理想。因此,该方法能够较好地将主要影响格局变化的生态因子在模型中充分体现,一方面使优化结果较真实的反映景观变化的情况,另一方面为区域景观管理提供最优模式,促进区域可持续发展。
With the rapid development of regional economy, the process of urbanization is speeding up, but a series of ecological and environmental problems are appearing, such as environmental deterioration, land degradation, global climate change, biodiversity reduction of the social economy and the ecological problems at landscape and regional levels. The regional ecological security is being confronted with danger. The landscape pattern is the comprehensive performance of the landscape heterogeneity, and the results of nature, society and human effect. The spatial distribution characteristics of landscape pattern nearly connect with the regional security; the landscape pattern optimization could increase the diversity and stability of landscape and keep the regional sustainable development and security. So this paper researches the landscape pattern optimization based on the ecological constraint conditions.
The research of landscape pattern optimization solves the rational land utilization by the theory of landscape ecology, which is the optimized combination of the original landscape elements or the introduction of the new elements, and the regulation or construction of the new landscape pattern. The paper improved on the key issues of the landscape pattern optimization, synthetically considered the natural and societal constraint conditions, constructed the ecological constraint model based on the theoretical definition of the ecological constraint conditions, and combined the model with the spatial simulation technology. This paper’s aim is to solve the quantity and space optimization of the landscape pattern.
This paper takes the Jinan city of the eastern urbanized area as the study area, and researches the landscape pattern optimization based on the ecological constraint conditions. The main research contents and results follow:
(1) The meanings of the ecological constraint conditions of landscape pattern optimization were defined. Under the guidance of the sustainable development, it analyzed the meanings of the ecological security evaluation, the ecosystem services assessment, the ecosystem health evaluation and the ecological risk assessment, and ascertained their logical relation, which provided the theoretical basis for the definition of the ecological constraint conditions.
(2) This paper analyzed the present situation and evolution of the landscape pattern and the ecological service function. The landscape pattern concludes two parts, the one is the quantitative distribution, and the other is the spatial allocation. So this chapter analyzed the landscape pattern from quantity to space and from static state to dynamic state. Then it analyzed the ecological change of the different landscape types by the evaluation method of the ecosystem service value, on this basis, analyzed the evolution mechanism of the landscape pattern. As the part of status analysis, this content is the basis of the landscape pattern optimization research.
(3) This paper researched the landscape pattern optimization based on the ecological constraint conditions, namely the fourth chapter and the fifth chapter. The fourth chapter is the quantity optimization based on the ecological constraint conditions, which constructed ecological constraint conditions from six facets and one objective function by the grey linear programming. It came to the different optimization projects of the total quantity control by the simplex method, and chose the optimum one through comparative analysis. At last it confirmed the quantity allocation of the different landscape types. The fifth chapter is the spatial optimization of the landscape pattern based on the ecological constraint conditions, which applied genetic algorithm to research the spatial structure optimization of the landscape pattern and decided the spatial distribution of the different landscape types.
(4) The result indicated that compared to the current status of the landscape pattern, the area of the cultivated land decreased, the area of woodland (including garden plot) increased, the area of the urban land increased, and the area of the rural residential land decreased, which accorded with the policy of the conversion of cultivated land to woodland and grassland and the intensive utilization of the rural residential land, so the research area could obtain the upper ecological benefit. The genetic algorithm has stronger function of random search, and the search process is flexible, so the result of spatial optimization is ideal. So this method can express the ecological factors in the model which mainly influenced on the landscape pattern change. On one hand, the result of landscape pattern optimization can reflect the actual state of the landscape change. On the other hand, it provides the optimum pattern for the regional landscape management and promotes the regional sustainable development.
引文
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