Least-Cost Path and Accessibility Analysis of a High Speed Railway Corridor: Victorville, CA to Las Vegas, NV

Geospatial technology is a useful tool when identifying land corridors for transportation networks. The primary transit corridor between Los Angeles, CA and Las Vegas, NV is Interstate-15, approximately a four-hour automobile trip without traffic. Virgin Trains USA LLC proposes an alternative means of travel by constructing a high-speed railway along Interstate-15 connecting Las Vegas and Victorville, CA. This study uses least-cost path analysis to propose an optimized alternative corridor for Virgin Trains’ proposed high-speed railway through a system facilitated road and rail accessibility analysis. Previous research using least-cost path and accessibility methodologies evaluated the results of proposed high-speed railway corridors and the system facilitated accessibility changes by visually inspecting deviations from a planned corridor using single or multiple cost criteria as inputs for a weighted cost surface. However, robust analyses of previous least-cost path studies’ corridors are lacking. This proof-in-concept study proposes a less costly corridor through least-cost path analysis and measures the social impact on the stakeholders of a high-speed railway transportation system through system facilitated accessibility. This study’s proposed alternative corridor is 31% shorter than Virgin Trains’ planned corridor and system facilitated accessibility to Las Vegas, NV is increased in 99.74% of Los Angeles County’s census tracts. These results support this study’s position that geospatial technology can support transportation planning in a comprehensive method that considers the transportation corridor and benefits its stakeholders.

基于生境组团化分析与景观廊道模拟的南京市白鹭生境网络构建与优化

保持生境连通性是全球生物多样性保护面临的主要挑战之一。生境网络构建与优化是一种积极主动的景观策略,但其成效取决于异质性景观背景下生境分布格局与物种响应。以南京市为例、白鹭为目标物种,开展了基于生境组团化分析与景观廊道(LSCorridors)模拟的生境网络构建与优化研究。通过整合生境适宜性评价、干扰度评价、最大熵(MaxEnt)模型模拟,实现了物种生境源地综合识别;利用景观连通性指标与核密度分析,识别了物种生境分布的组团化格局;在最小成本路径(LCPs)的基础上,定义了优化新增型与提升型两类廊道,并从物种感知与适应性变化出发,应用LSCorridors软件模拟了这两类目标优化廊道的多重随机路径及其空间范围。结果表明,南京市白鹭生境斑块共计428个,总面积达31525.75 hm^(2),主要是林地与水域,具有较为明显的破碎化和局部集聚特征,九大生境组团以南京长江段水域斑块为轴,沿两侧分布,彼此联系比较薄弱;最佳距离阈值4.5 km内,识别LCPs共907条,总长度1548.59 km,平均较短、分布紧凑,主要位于各生境组团内部,但仅少数连接着不同生境组团;确定的8条优化新增型廊道和10条优化提升型廊道,其LSCorridors模拟结果与LCPs存在空间偏差,前者更符合现实进而有益于避免保护低效和促进多类型、差异化的优化措施制定。研究成果能为面向生物多样性保护的南京市生境网络保护以及重点生态廊道的规划实践提供决策参考。

基于鸟类多样性保护的上海中心城区生态网络构建研究

城市化进程的高速发展不仅影响着城市生态系统,还威胁着城市生物多样性。城市生态网络是保障生态过程、维护生态安全、提升城市生态系统服务的有效途径,科学构建生物多样性保护空间网络是保障并提升生物多样性水平的必要措施。基于上海中心城区鸟类空间分布点位、气象、土地利用、植被指数及夜光灯指数数据,通过物种分布模型识别出鸟类适生区,进而筛选生态源地和构建鸟类活动阻力面,并结合最小成本路径模型模拟生成鸟类多样性保护的上海中心城区生态廊道。研究表明:(1)建筑物面积占比和植被指数NDVI是影响鸟类分布最为重要的因素,建筑物面积占比越小,植被指数植NDVI越高,鸟类生境适宜性越高;(2)识别出的60个生态源地平均中心度为321.98,主要位于外环绿带及楔形绿地区域,合计面积4975.47 hm^(2),占全部高适生区的55.26%,其中最大斑块面积431.73 hm^(2),外环绿带及城中楔形绿地区域是鸟类的重要栖息地;(3)建筑物占比较多、人类活动频繁、植被覆盖相对较少的城市中央活动区鸟类迁移阻力较高,外环绿带对生态网络整体连通性至关重要。研究成果为高密度城市建成区的生物多样性保护和生态空间格局优化提供了新的视角和科学支撑,对城市生态规划和可持续发展具有重要意义。

基于最小成本路径和线密度法的常州市主城区通风廊道研究

通风廊道的构建有利于改善城市的通风环境。文章综合考虑城市形态和地表温度的影响,使用最小成本路径和线密度法,基于多种权重设置情景进行城市通风廊道的识别,并结合开敞空间分布特征分析识别结果的建设可行性,以期为常州市主城区风环境优化建设提供参考。结果表明:基于最小成本路径和线密度法,能够较好地识别城市通风廊道的位置。东北偏东风、东风和东南偏东风3种盛行风向下共识别得到18条通风廊道,主要依托现有河流、公园、道路、耕地林地等引导空气流动。现阶段廊道的建设可行性均值东北偏东风和东南偏东风略优于东风,空间分布呈现南部和中部高、北部低的特征。

面向生境保护与连通性维护的鄂温克族自治旗生态空间划定

在人类活动及气候变化影响下,自然生境萎缩与破碎化现象严重,生境保护与生境间连通性维护增强对生物多样性保护具有重要的作用与意义。以鄂温克族自治旗为例,基于MaxEnt模型对物种分布数据与环境因子变量进行训练,支持物种基质阻力面构建和生境斑块识别,为最小成本路径模型(Least Cost Path Model,LCM)生境网络建模提供基础数据,并在模拟路径有效性筛选、廊道宽度生成等方面改进LCM,通过物种生境网络集成与验证,为面向生境保护与连通性维护的生态空间划定提供新的方法与思路。结果表明:(1)生态空间发挥重要的栖息地保护作用,对重点表征物种栖息地保护率为100%,对其他物种栖息地保护率均值达到88%;(2)根据关联长度指数评价,生态空间对各物种的生境连通性维护作用明显,对凤头鸊鷉、大山雀、大斑啄木鸟、天鹅、赤狐、雀鹰等物种生境连通性的提升作用显著,最高可提升626%;(3)生态空间面积仅为鄂温克旗总面积的25.1%,为农牧业等人类活动留有较大发展空间;(4)伊敏河既是鄂温克旗重要生态主轴,也是社会经济发展主轴,应注意协调生态保护与社会经济发展的关系;(5)鄂温克旗东南部生境间连通性较差,应依托伊敏河上游各支流提升这一区域生境连通性。

基于InVEST模型和最小成本路径的城市绿色空间生境网络构建方法研究——以南京为例

提出以城市绿色空间为载体,选取不同生境类型、对城市化适应能力不同的物种为目标物种,结合物种观测数据和InVEST模型生境质量评估模块进行生境源地的识别及成本面信息的提取,应用最小成本路径综合模拟出城市绿色空间生境网络的方法。以南京为例,选取了9种鸟类作为目标物种,分析了其现状城市绿色空间网络结构。结果表明,迁移能力和城市化适应能力对物种分布的范围和生境类型的广泛程度影响较大。现状网络对城市化适应能力强或迁移能力强的物种较友好,对城市化适应能力差且迁移能力弱的物种有严重不良影响。对于综合的网络,中部的核心区多但被建设区割裂,北部的核心区少而分散,南部的核心区少但联系紧密,三部分的主要连通性结构为滁河、溧水河、秦淮河、秦淮新河和较连续的山林地或水库坑塘。此外,在半自然生境斑块内也生成了许多分散路径,部分联系紧密的斑块形成了组团结构。最后,根据以上结果提出了相应建议。

基于空间封闭度的城市通风廊道构建——以衡阳县城为例

南方季风气候夏热冬冷的特殊性,让人们意识到城市在夏季应加强自然通风,冬季则需抵御寒冷的冬季风,而构建城市通风廊道不仅有利于缓解城市夏季的热岛效应、减轻大气污染,还能减少冬季风的侵袭。当前城市风环境研究一般选用数值模拟的方法,其可实现不同情境下的城市风环境模拟研究;但也存在短板,特别是在城市总体规划等大尺度的设计方案初期,受计算机性能限制需要花费大量的时间和精力。文章以湖南省衡阳县城为研究对象,提出通过规则建模的方法建立城市3D模型,并利用ArcGIS空间叠加构建城市空间封闭度综合评价模型。通过该方法计算出城市的潜在通风廊道,并与PHOENICS模拟的风速云图进行验证,结果基本吻合,验证了模型的可行性。研究发现:在设计初期阶段应考虑城市风环境变化,选择规则建模不仅有利于方案的快速建模,还能快捷构建规划方案的通风廊道;城市通风廊道的构建需要考虑多项城市要素,根据风道的不同作用空间在规划方案中构建了8条一级通风廊道和14条二级通风廊道,并比较PHOENICS的风速云图和综合评价结果,证明了由建筑、路网、水体、绿化系统所构建的廊道系统能较好地与通风廊道相重叠,并证明了风口、开敞空间、水域、道路和建筑的优化措施能有效改善规划方案的通风能力;对比单因子与多因子的评价结果,进一步论证了单一标准评价的局限性,而多因子评价更适合复杂的城市风环境;空间封闭度模型不仅考虑了地形高差,还考虑了建筑环境因子(天空开阔度、绝对粗糙度、迎风面积密度、平均高度、建筑密度),为城市通风廊道构建提供了一种更加便捷有效的新方法,有利于城市的绿色低碳建设。

北京市郊铁路对乡村地区鸟类栖息地连通性的影响及优化

【目的】乡村地区是城市发展的依托基底和腹地空间,是国土生态安全的重要基础,探究线性工程项目对乡村地区生物栖息地的影响对中国生态文明建设具有重要意义。【方法】基于物种分布模型模拟北京乡村地区鸟类潜在适宜性生境,在分析栖息地连通性的基础上对市郊铁路的规划方案开展情景模拟并提出优化策略。【结果】1)北京乡村地区鸟类生境斑块主要分布在水体及附近,整体连通性水平较低且不均匀,南部鸟类迁徙路径受市郊铁路阻隔较严重,发生廊道断裂后栖息地连通性降低;2)依据模拟结果,提出分级保护生态廊道和激活生态源地生态效益,增加生态节点以提高生态网络连通性整体水平,优化生态断裂点并设缓冲区和回避距离的优化策略。【结论】北京市郊铁路降低了乡村地区鸟类栖息地连通性,由此提出综合性优化措施,以缓解相关负面生态效应,为生态文明建设和乡村振兴战略实施提供参考。

湖南省城市群生态网络构建与优化

大型生境斑块为区域生物多样性保护提供了重要的空间保障。然而,快速城市化使得大型生境斑块变得日益破碎化、岛屿化,连接性不断下降,且日益受到周边土地利用变化的强烈影响,已严重威胁着区域生物多样性的保护。通过生态廊道建立或修复破碎生境斑块之间的连接,将非常有利于生态网络生态服务功能的有效发挥。基于景观生态学和保护生物学的相关原理,以湖南省城市群为例,在RS和GIS技术的支撑下,采用最小费用路径和情景分析方法,定量模拟了研究区的潜在生态廊道,基于重力模型对重要生态廊道进行了识别与提取,并就消费面模型对潜在生态网络结果产生的影响进行了分析,在此基础上有针对性地提出了生态网络优化的对策。研究结果表明,林地和耕地是组成研究区生态网络的优势景观要素类型;不同生境斑块间的相互作用强度差异显著,总体上西高东低,南高北低;消费面模型能够在较大程度上影响到生态网络的分析结果,因而进行情景分析十分重要和必要。研究结果可为研究区生态网络的构建和优化提供科学依据,同时可为其他城市群区域生态网络的构建提供参考和借鉴。

基于生态网络分析的南京主城区重要生态斑块识别

在城市化程度较高,用地极为紧张的大都市,识别重要的生态斑块对其进行保留和修复不仅对控制大城市的城市过度扩张、提升城市品质、优化人居环境具有重要意义,也具有较强可操作性。以南京市主城区为例,在GIS技术的支撑下,(1)将景观阻力分析和网络分析相结合,定量表征研究区的潜在生态廊道,构建生态网络,寻找生态节点;(2)对城市中生态斑块的特殊服务功能进行分析,筛选出具备河流生态防护、隔离工业污染和居民休闲功能的生态斑块;(3)对生态斑块的规模进行分析,提取面积较大的斑块。综合分析后识别出7个重要的节点斑块,建议对其进行立法保护和修复,划定为永久绿地或永久生态空间,并对其建设方向提出意见。

青岛市湿地生态网络评价与构建

在快速城市化背景下,城市社会经济发展与空间扩张不可避免,往往造成栖息地数量、面积、质量锐减、栖息地之间联系破碎等后果。此外,全球气候变化也加剧了栖息地恶化过程。生态网络通过保护恢复重点栖息地及构建栖息地之间物质、信息及能量传播的连接廊道,在整体上维持生态系统的动态平衡。青岛市位于东部沿海经济发达地区,地处海洋与陆地生态系统的交汇处,生态环境极为脆弱,易遭受外力破坏,且难以恢复。选取青岛地区湿地作为研究对象,在RS,GIS技术支持下,基于最小成本路径法构建青岛市湿地生态网络,并利用关联长度指数、介数指数对网络的整体结构及斑块重要程度进行评价。结果表明,不同路径成本阈值水平下,网络的连通性有很大差别;核心斑块中,胶州湾湿地、大沽河等具有较高重要程度;歇脚石斑块中,重要程度较高的斑块位于以胶州湾湿地为中心,以胶莱河、潍河河口,白马河、潮河河口及丁字湾为端点的连线上。在青岛市及周边地区划定"一心、二轴、一环"的湿地生态网络控制框架的策略,为青岛市湿地生态系统保护与城市发展空间选择提供科学方法与量化依据。

阻力赋值对景观连接模拟的影响

景观连接度是研究景观结构和生态过程互馈关系的重要内容。在最小成本路径模拟中整合图论理论可有效辨识、评价斑块之间的潜在连接,近些年逐步应用于景观连接模拟、生态网络构建等研究中。理论上,模型的重要参数之一,生物体通过不同景观单元的阻力系数应根据观测与实验等实证研究获取,但大多数情况下简化为土地适宜性评价结合专家经验为土地利用/覆盖类型打分,存在一定主观性与不确定性。因此,设计了1个三因素(阻力赋值方式、景观粒度和景观整体破碎度)的析因实验,以SIMMAP2.0景观中性模型产生的8个模拟景观为对象,研究不同的景观格局下,阻力赋值方式对连接模拟的影响;探讨、总结经验赋值带来的不确定性。结果表明,这3个因素均对景观连接模拟产生显著影响,并存在一定交互作用;阻力赋值绝对大小不会对模拟产生影响;而赋值倾向性能够显著改变最小成本路径的空间位置,并且这种影响程度依赖于景观粒度大小,而与景观整体破碎度交互关系不显著。针对阻力赋值方式与景观结构特征交互作用下连接模拟的规律性变化,提出一些建议,以提高连接模拟的准确性。

基于MSPA与最小路径方法的巴中西部新城生态网络构建

目前快速城市化导致了生境斑块的日益破碎化,景观之间的连通性不断降低。构建生态网络可以连接破碎的生境斑块,增加绿地景观的连通性,对生物多样性保护具有重要意义。以高度景观破碎化的四川省巴中西部新城为研究区,采用形态学空间格局分析(MSPA)方法,提取出对研究区生态网络构建具有重要生态意义的核心区和桥接区两类景观要素,并选用整体连通性(IIC)、可能连通性(PC)和斑块重要性(d I)等景观指数,分别对核心区和桥接区进行景观连接度评价,遴选出对维持景观连通性贡献最大的10个核心区生境斑块作为生态网络的源地,并根据斑块对维持景观连通的重要性程度将其他核心区和桥接区进行类型划分,以此作为景观阻力的赋值依据,融入消费面模型中,最后采用最小路径方法构建了研究区潜在的生态网络,并基于重力模型对重要生态廊道进行了识别与提取,在此基础上有针对性地提出了生态网络优化的对策。研究结果表明,MSPA方法能够科学的辨识出研究区内对生态保护具有重要意义的结构性要素,例如作为物种栖息地的核心区和物种迁移通道的桥接区,这些要素是生态网络的重要组成部分;景观连通性的计算,明确了研究区景观要素的保护重点,为最小路径方法中的景观阻力赋值提供了重要的参考信息;基于MSPA与最小路径方法的生态网络分析框架综合了现有景观结构性要素识别、连通性分析以及物种潜在迁移路径分析等方法,将景观中潜在的生态源地和结构性廊道的连通性作为构建生态网络的重要基础和主要依据,从而使得生态网络的构建更科学。研究结果可为高度破碎化地区生态网络的构建提供重要的参考与依据,对其他地区生态网络的构建也具有一定的借鉴意义。

小相岭山系大熊猫廊道规划

廊道能有效地增加栖息地斑块间的大熊猫种群交流,降低种群灭绝的风险。小相岭山系是现存大熊猫种群数量最少的山系之一。通过MAXENT(Maximum Entropy)分析,发现小相岭山系存在7个相对隔离的栖息地斑块,栖息地破碎化严重。为了增加小相岭山系大熊猫种群交流,利用最小代价路径原理和电流理论,从保护管理角度出发,在该区域划定了9条连接大熊猫栖息地斑块的廊道。其中紫马-麻麻地廊道连接该区域面积最大、大熊猫痕迹点最多的两个栖息地斑块,生态意义重大,建议优先建设该廊道。此外,研究划定的多个廊道彼此邻近,甚至存在一定程度的重叠。将这些极其邻近或者重叠的廊道合并,并提出"廊道群"的概念。廊道群是两个或两个以上极其相邻的廊道构成的网状结构,廊道群作为景观上的网状结构,能同时连接多个栖息地斑块,更有效地增加多个栖息地斑块间的种群交流。由于农田的挤压,部分廊道难以达到大熊猫廊道的最低宽度需求(2230 m),制约了其生态效应的发挥,建议在以后的保护工作中探索农田区域的栖息地恢复方式。

基于生态安全格局的南京都市区生态控制边界划定

以南京都市区为例,通过生态敏感性分析获取了研究区既有的高生态敏感空间,采用最小费用路径方法辨识了对研究区具有重要生态意义的潜在生态廊道和生态关键区,采用图谱理论中的景观连接度指数辅助确定生态廊道宽度,构建了研究区潜在的生态网络。在此基础上,整合既有和潜在生态空间,科学划定生态控制边界,实现了研究区现存和潜在的重要自然生态空间保护。研究结果表明:1)生态敏感性分析能够识别出研究区既有的高生态敏感性区域,并指出其呈现出"大而孤立,小且分散,连接性不佳"的空间特征。2)遴选出的71处生态源地、119条重要廊道和61个关键生态斑块共同组成了研究区的生态网络,显著提升了原有生态空间的景观连接性和研究区域的总体生态安全水平。3)生态网络分析可以弥补敏感性分析只考虑既有自然生态空间的局限,二者的组合使用可为不同尺度上生态控制边界的划定提供简明的分析框架。研究结果可为南京都市区生态控制线划定和生态环境保护提供重要的参考,对其他城市生态控制边界的划定也具有一定的借鉴意义。

济南城市绿地生态网络构建

城市绿地为城市生物多样性保护提供了重要的空间保障。改善与提高城市绿地生态网络的连接对保护城市生物多样性具有重要意义。以济南市为例,在GIS技术的支撑下,在考虑不同绿地斑块间的距离与景观阻力的基础上,采用最小路径方法,定量表征与模拟了研究区的潜在生态廊道,并基于重力模型和网络连接度指数,对绿地斑块间相互作用强度与生态网络结构进行了定量分析与评价。研究结果表明,风景林、滨水绿地和公园绿地是组成研究区生态网络的优势景观类型;济南绿地系统规划中的许多斑块在生态网络中起着"踏脚石"的作用,但占规划绿地面积的比例不高;不同绿地斑块间的相互作用强度差异显著,斑块之间相互作用强的绿地廊道在生态网络中的地位突出,对生物物种的丰富度、迁移与扩散等起着重要作用,而斑块之间相互作用弱的廊道景观阻力大,生境适宜性低,必须在未来的绿地系统规划中加以改善;网络结构越复杂,连接度与闭合度水平越高,对物种的迁移与扩散就越有利。因此,增加绿地斑块,优化绿地空间布局,改善绿地斑块间的连接,完善城市绿地网络是新一轮城市绿地系统规划的关键任务。研究结果可为城市建设者与规划者进行城市绿地系统规划提供科学的依据与参考信息。

基于MSPA的福州绿色基础设施网络构建

在城市、经济快速发展的背景下,城市扩张与用地不平衡导致环境问题日益突出,构建城市绿色基础设施(GI)网络是改善城市环境问题的有效措施。以福州市为研究区,采用形态学空间格局分析(MSPA)对研究区GI网络格局进行分析,获得研究区绿色基础设施(GI)重要的景观类型,利用连通性分析方法,提取了13个GI重要核心区,运用最小累积阻力模型提取了GI潜在廊道,最后基于重力模型识别出重要廊道,并构建了GI网络。结果表明:MSPA能够精准识别对生态保护有重要作用的GI类型;景观连通性分析能定量评价核心区重要程度;最小累积阻力分析和重力模型分别能提取GI廊道和识别其重要程度,并构建GI网络。通过MSPA、连通性分析、最小累积阻力和重力模型的有机结合能为城市绿色基础设施网络构建提供科学方法。

厦门市绿地生态网络构建及优化策略

科学构建城市绿地生态网络,对区域生态安全、城市可持续发展及生物多样性保护具有重要意义。基于AHP法和GIS技术,定量分析厦门市自然生态本底,选取重要生态斑块和廊道,采用最小费用路径法模拟潜在廊道,综合构建城市绿地生态网络,并提出绿地生态网络优化策略。结果表明:1)AHP法可整合区域生态、经济、人文和社会等资源,全面客观评价现状生态斑块和廊道的重要程度;最小费用路径法可根据生境分布特征科学模拟连通各斑块之间的潜在廊道;2)厦门市西北部的生态基底适宜性、生态源地及廊道重要性、斑块之间有效连通性均高于东北部及中部平原区;岛内斑块面积小且分散,南北部存在断层现象,应适度增加踏脚石和连通廊道;3)结合城市生态发展需求,提出构建“一片、一环、三带、多廊道、多节点”的城市绿地生态网络。研究结果可为厦门市绿地系统规划提供科学依据。

基于地形可视性分析的最优路径搜索

将可视性分析得到的视线和视域结果用于最优路径搜索过程中,并同时考虑到地形特征如土地覆盖或土地利用,高程及坡度等对通行能力的影响,得到了能避开监视的安全隐蔽路径,比较隐蔽的最不可视性路径和视野较开阔的最可视路径。该方法适用于军事,旅游,城市规划等领域,具有重要的军事意义与民用价值。

顾及自然地表要素和陆地交通网络的空间可达性分析方法

空间可达性是指示区域间相互作用与空间结构的重要度量,深刻影响着区域的社会经济发展。以往研究多关注交通基础设施对空间可达性的影响,忽略了陆地表层系统对空间可达性的潜在作用。基于此,考虑到自然地表的空间异质性,该文综合集成自然地表要素和陆地交通网络,构建更逼近真实情景的可达性分析方法,精确刻画中国地级及以上城市的空间可达性,以期为学术研究和政策制定提供基础性参考。结果表明:中国城市可达性表现出显著的空间异质性,多尺度功能性城市与区域系统逐步浮现;改进的基于栅格的分析算法提高了空间可达性的分析精度和粒度,对真实世界中的客观环境具有更好的适应性,可被推广及应用到更多的分析场景中。