洞察力，一部分的特别功能理解热带地区城市社会生态系统的脆弱性和可持续性:来自圣胡安市的观点

波多黎各圣胡安的绿色区域

• 摘要
• 简介
• 方法
  • 研究区域
  • 分析层
  • 空间格局分析
  • 城市人均绿地面积比较与计算
• 结果
• 讨论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

城市正日益成为许多传统和新兴学科关注的焦点，这些学科研究社会生态系统，目的是了解其结构、功能及其支持人类的能力(Breuste et al. 1998, McDonnell et al. 2009, Niemelä 2011)。描述城市绿地的空间覆盖率并理解其结构、组成和功能也已成为理解城市的一个关键组成部分，无论研究领域如何，或采用何种特定方法来理解和影响其功能(McDonnell等人，2009,Niemelä 2011)。此外，绿地，也被称为绿色基础设施或城市植被，对城市居民至关重要，因为它们在缓解城市热岛和气候变化方面发挥了关键作用，并提供了多种生态系统服务和美学(Dige 2011, Hudeková 2011，科学促进环境政策2012)。beplay竞技准确估算城市绿地覆盖面积和评估城市绿地系统类型，对于计算城市新陈代谢、定量评估城市生态功能以及评估生态系统对人类的服务至关重要。对绿地的空间范围和分布有更准确的理解，城市规划就会更有效(Breuste et al. 2008)。

在这项研究中，我通过使用形态空间模式分析(MSPA)作为工具来描述城市绿地的空间模式和连通性，提供了波多黎各圣胡安市绿色覆盖分布的高空间分辨率快照。我的目的是使用以前开发的高空间分辨率(4米)分类来探索和强调潜在的丰富的城市内植被变化，这通常被忽略的中至中等空间分辨率的研究，已经对波多黎各进行了。此外，我将圣胡安的绿色覆盖特征(包括人均绿地面积)与诺瓦克和格林菲尔德(2012)研究的美国城市样本进行了比较。这种类型的分析将对参与这个热带城市土地使用的研究、操作和未来规划的科学家和城市管理人员有用。该研究还提供了关于热带地区未得到充分研究的城市系统的信息，将有助于与温带和北方城市系统进行比较。

MSPA是一种形状和连接检测算法，根据背景矩阵对前景对象进行逐像素分割分析(Soille和Vogt 2009)。给定一组用户定义的参数(包括边缘宽度和像素连接规则)，MSPA输出一个包含边缘、核心区和各种连接器类的绿色区域的层，供用户解释。得到的模式类是互斥的，分析可以在任何空间尺度上执行(Vogt等人，2007年)a、b)．

其他国家植被和绿色基础设施评估在区域尺度上使用了这种类型的空间格局分析，使用了30米分辨率的国家土地覆盖数据(Wickham等人，2010年，riters 2011年)。欧洲联合森林委员会开发了名为GUIDOS(图像对象及其形状描述图形用户界面)的集成软件，该软件集成了MSPA例程以及其他图像处理和GIS工具来执行空间模式分析(GUIDOS 2012)。所有这些工具都可以提高社会生态科学家概念化和分析绿地在城市环境中的作用的能力。

方法

研究区域

研究区域是波多黎各圣胡安市(北纬18°27′00″，西经66°04′00″)，面积为12,734公顷。圣胡安是一座有500年历史的热带海滨城市，是波多黎各的首都。更多关于它的社会和生态特性的细节由A. E. Lugo等人提供(未出版的手稿)．为了说明的目的，我展示了Río Piedras河流域的一些结果，这是整个城市的一部分，但是本特刊报道的研究重点(图1)。Lugo等人(2011)也提供了Río Piedras河流域的细节。

分析层

我使用了之前为美国农业部林服务局(美国森林2002年)开发的圣胡安大都市区4米分辨率IKONOS土地覆盖分类。土地覆盖类别包括不透水表面、树木覆盖、草地和草地、裸露表面和水。该数据集被裁剪以适应圣胡安市，并与2004年美国地质调查局城市高分辨率航空正射影像集共同注册。使用ArcMap 9.3.1 (ESRI 2009)，我对土地覆盖进行了重新分类，生成了两个独立的二元掩码:树木覆盖层，以及用于绿地描述的树木和草/牧场组合层。两个掩码都导出为geotiff格式，用于空间模式检测。

空间格局分析

我下载并安装了GUIDOS版本1.3工具箱，该工具箱可从软件主页(http://forest.jrc.ec.europa.eu/download/software/guidos/)．在其他图像处理和GIS工具中，该软件包含用于处理树木覆盖和绿地二值图像的MSPA工具集。该界面的软件算法基于Soille和Vogt(2009)中描述的数学形态学图像分析概念。

对于MSPA参数，我使用了4像素(16米)的边缘宽度。这个距离是通过评估MSPA生成的层与植物园附近(Río Piedras河流域内)已知的城市植被走廊的匹配程度来选择的，其他研究和当地社区已经将其确定为绿色走廊资源(Rodríguez Mattei 2004)。我还选择了一个8像素的前景连通性规则，并选择将过渡像素和文本切换开关分别设置为“开”和“关”。GUIDOS用户指南包含了这些参数以及它们如何影响结果图像的完整描述。Wickham等人(2010)也对各种MSPA参数对绿色基础设施表征的影响进行了充分的讨论。

MSPA工具原始的输出类包括核心、孤岛、穿孔、边缘、分支以及各种桥和环类型(表1)。继riters(2011)之后，我将所有桥和环模式类合并到一个连接器类中，以输出六种结构模式类别。这样做是为了利用我从2004年航空正射影像中获得的圣胡安的局部尺度和上下文信息来简化结果的解释。此外，我根据圣胡安市政条例计划(圣胡安市政规划和领土办公室2003年条例)对结果进行分区，主要分类是城市北部的城市土地(“SU”)，以及指定为特殊保护的南部高地农村土地(“SRC/SREP”)，这些土地大多延伸到100米海拔分界线以上(图1)。为发现的每个模式类别计算面积范围和绿化和树木覆盖率(表2)。

城市人均绿地面积比较与计算

为了在类似的时间(大约2002年)和高分辨率空间尺度上将圣胡安与其他城市进行比较，我提取了诺瓦克和格林菲尔德(2012)研究的20个美国城市的土地覆盖信息。结合《诺瓦克和绿地》(2012)表2中报告的草地/草本和乔木/灌木土地覆盖的第1年百分比，得到每个城市的总体绿色覆盖类别百分比。同样，所有不透水地表覆盖类别被合并为每个城市的一个不透水地表百分比。这些百分比乘以城市土地面积(公里²)来估计绿色和不透水表面覆盖范围。得出的绿色覆盖面积换算成平方米，除以2000年美国人口普查数据(美国人口普查局2000年)，计算出每个城市的人均绿地面积。这些计算结果是按所有21个城市的人均绿地面积排序的，包括圣胡安(表3)。

此外，为了可视化不同城市绿地覆盖特征的相似性，采用非度量多维尺度(NMS)排序分析。我使用了表3中的所有6个变量进行分析(即土地面积、绿地覆盖率百分比、不透水覆盖率百分比、绿地覆盖率面积、人口密度和人均绿地面积)。排序使用Sørensen距离在PC-Ord 6.0软件中生成二维解(McCune和Mefford 2011)。选择NMS作为排序方法，是因为它可以将多变量数据稳健地减少到低维空间，从而有助于城市变量之间的比较。这种排序还需要对变量之间的关系进行最少的假设，并且受数据噪声的影响最小(McCune和Grace 2002, Urban等，2002)。

结果

2002年，圣胡安的绿色区域覆盖了5305公顷，几乎占了该市的42%(图1、表2)。圣胡安的土地面积中，森林占26%，不透水表面占55%。城市的绿色和不透水表面分布有明显的地理区分，城市南部的绿色区域比例更大，城市北部的不透水覆盖比例更大(表2)。然而，就面积范围而言，圣胡安北部的绿色覆盖面积比南部地区多677公顷(图1)。这种差异主要是由于北部的草/牧场覆盖。而森林覆盖的主要是城市的南部。

绿地形态空间格局分布显示，以核心绿地为主，其次为边缘绿地、小岛绿地和连接绿地(图2)。城市中分枝绿地和穿孔绿地较少。然而，当单独分析森林的形态空间格局分布时，主要的景观单元是边缘，其次是核心(图2)。城市中除森林以外的绿地的主要作用是大大提高核心或连续绿地的丰度。

类似于圣胡安绿地覆盖的总体分布模式(图1)，景观单元的地理分布显示出南北划分(图3)。大多数核心区域出现在城市的南部，而岛屿主导了城市高度城市化的北部(图4)。例如，在圣胡安的乡村俱乐部区，房屋庭院和街道走廊植被的重要性是显而易见的。小岛的面积覆盖面积分别是核心和边缘的3倍和2.5倍(图4)。

与其他20个作为参考的城市相比(表3)，圣胡安在土地面积(127.3平方公里)和绿化覆盖率(41.7%)方面都排在后三分之一(第18位)。然而，它的不透水面百分比(55.4%)在所有城市中排名第四，人口密度排名第五。人均绿地面积排在第17位，为122.2平方米/人。NMS的 圣胡安位于锡拉丘兹、匹兹堡、明尼阿波利斯、底特律、巴尔的摩、迈阿密、波士顿、芝加哥和洛杉矶的城市分组中(图5)。巴尔的摩、迈阿密和波士顿在相似度空间上比其他城市更接近圣胡安。对这些变量进行进一步研究后发现，位于圣胡安左侧的巴尔的摩在绿化覆盖率和人均绿化覆盖率方面与底特律、明尼阿波利斯、匹兹堡和锡拉丘兹最接近。洛杉矶靠近圣胡安的地块的百分比和人均绿地面积也一样，但土地面积和绿化覆盖范围使这座城市与其他类似的城市距离更远。迈阿密和波士顿仍然是两个整体可变空间最接近圣胡安的城市。当考虑到土地面积和人口密度(表3)时，圣胡安在绿化覆盖率和人均绿地面积的百分比和范围上更接近波士顿(101.9平方米/居民)，而不是迈阿密(98.5平方米/居民)。迈阿密的陆地面积比圣胡安小27%，它是地理位置最近的城市，也是参考集中唯一一个季节性表现出类似热带气候特征的城市。土地面积大、人口密度高得多的城市，如芝加哥和纽约，绿色覆盖范围更大，但相比之下，人均绿地面积低于圣胡安。

讨论

使用高分辨率图像来评估城市绿地的面积和分布，揭示了圣胡安城市的新视角(图1)。之前使用Landsat 7 ETM+图像进行的分析得出，绿地覆盖面积为4,203公顷，相当于城市的32% (Lugo等人，2011年)。我发现2002年绿地覆盖面积增加了约42%(表2)。这一增加与1999年至2002年期间的植被变化有关，但也可以归因于使用更精细的图像分辨率分类所获得的精度提高，因为在4米分辨率尺度下，特征可以更好地描绘(Woodcock和Strahler 1987年，Walton 2008年，Walton等人2008年)。这种精度的提高突出了在城市景观层面使用高到非常高分辨率图像绘制城市绿地的重要性。当使用中等分辨率图像或采用基于矢量的光解译时，个别住宅庭院和街道的复杂城市内植被，特别是通常被归类为密集城市类型的地区，可以被掩盖。通过使用4米的像素大小，城市社区内的绿色基础设施元素变得可检测。这包括成群的树，单独的树冠，以及沿着街道或小巷的草坪。这些物体都比LANDSAT像素所能捕捉到的要小。结合MSPA分析的高分辨率空间分类有助于揭示这些位置如何支持重要的植被区域，这些植被对城市的重要性在本特刊的其他地方已经讨论过。

基于高分辨率分析的绿地覆盖结果强调了私人所有制对城市植被保护的重要性。通常情况下，城市绿地的保护主要集中在城市保护区或公园和其他开放空间的大片植被斑块上。在圣胡安，单个庭院共同构成了整个城市绿色基础设施的重要组成部分。MSPA岛屿类最能代表住宅庭院和城市街道或人行道边的这种空间模式，岛屿几乎占城市这一区域绿色覆盖面积的一半(图4)。这种植被以多种方式为城市居民和其他生物提供生态系统服务。然而，这些绿色小岛的保护取决于每个家庭的决定，尽管Ramos Santiago等人(2014)表明，可能存在一种社会经济基础，会影响城市中哪些部门保护这些绿地，哪些部门不保护这些绿地。然而，了解这些小岛对城市绿化的重要性，开启了关于它们的重要性和保护价值的对话和教育的新途径。

MSPA还有助于更好地描绘圣胡安绿地的城市内格局特征。收集到的知识使城市规划者能够在通常被称为密集城市覆盖的区域中可视化绿色核心、走廊和小岛。这种分类本身意味着景观层面的功能。功能的例子是走廊的连接作用或核心植被相对于小岛的内部协同作用。密集的城市覆盖并不一定意味着100%的不透水表面。圣胡安的大部分土地被不透水表面覆盖(表2)，这是一个例子，说明即使不透水表面水平很高，仍然有机会管理植被。城市的热带气候和由此产生的植被快速生长和演替的速度有助于绿色覆盖的快速扩张，当地段被遗弃或土壤暴露。因此，城市的生态条件为管理者提供了将绿色基础设施设计纳入城市发展或土地再利用方案的选择。除了城市的领土条例计划，圣胡安可以从发展一个全面的绿色基础设施战略中受益，以维持和扩大其绿色城市覆盖，利用这些绿色空间可以为其居民提供的生态系统服务。

当将圣胡安与美国其他参考城市(诺瓦克和绿色2012)进行比较时，我发现，就所有的绿色覆盖特征而言，圣胡安位于列表的后三分之一(表3)。此外，绿地特征与其他两个大西洋港口城市波士顿和迈阿密非常相似。尽管圣胡安的土地面积很小，但值得一提的是，圣胡安的不透水面百分比在芝加哥、纽约等土地面积大的城市中排名第四。在人口密度方面也发现了类似的模式，圣胡安位居第五，波士顿和迈阿密在这方面仅次于圣胡安。尽管如此，圣胡安市的人均绿地面积以122.2平方米居首位。最后一个数值的计算对于衡量圣胡安城市的可持续性以及与全球其他城市的可持续性进行比较特别有用。根据这些趋势，未来的研究应该继续增加对这个热带城市的认识。

2002年，圣胡安的绿色基础设施已经相当广泛(图1-4)，城市人口通过庭院的管理促进了这一发展，以美化和食品生产(Garcia-Montiel等人，2014,Meléndez-Ackerman等人，2014)。这些结果为圣胡安城市绿地的绿色基础设施绘图和景观格局分析提供了起点。这种规模更大的城市覆盖勘探将进一步提高研究和城市规划的有效性。

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