Open spaces configuration: environmental planning and design for biodiversity conservation and sustainable development

Abstract

Fragmentation of habitat and loss of ecological connectivity due to increasing land-use changes and associated infrastructure development, have contributed significantly to global decline in biodiversity. The importance of maintaining and restoring ecological connectivity has been recognized in recent conservation policy, and the Kunming-Montreal Global Biodiversity Framework (GBF) in 2022 called for protecting and restoring ecological connectivity throughout all ecosystems by setting medium- (2030) and long-term (2050) targets. However, despite the recognition of the importance of maintaining ecological connectivity in conservation policy, spatial planning and open-space configurations continue to struggle in implementing connectivity needs into practical design processes. Connectivity modeling continues to be the primary tool used to evaluate connectivity; yet, its credibility is generally impacted by lack of reliable data, subjectivity in assumptions, and lack of validation against empirical observations of animals’ movements and of their ecological traits. These limitations on model validity further limit the applicability of modeling results by spatial planners, landscape designers, and practitioners conducting environmental impact assessments. The purpose of this dissertation was to address the aforementioned challenges by advancing methods of planning and design strategies to increase the inclusion of ecological connectivity in open-space configurations. Rather than focusing on increased modeling sophistication, emphasis was placed on ecologically informed interpretations of the results. These interpretations were based upon validation of analytical outputs against roadkill cross-datasets, as well as species-specific ecological traits and movement behaviors. Validation of analytical outputs provides assurance that results are biologically interpretable, transparent to practitioners, and directly applicable to spatial planning and landscape design, thus providing an opportunity for more effective, ecologically relevant, and targeted decision making in practice. Amphibians were chosen as the target species for this study due to their highly significant ecological role, their threatened status, their sensitivity to habitat modification, and their complex life cycle. These traits make them suitable indicator species of analyzing multi-scale connectivity requirements of their habitats, as dictated by their ecological characteristics. Within the framework of this dissertation, three pioneering methodological advances were achieved: (1) Hybrid Consensus Modeling, which utilized Kernel Density Estimation (KDE) and Maxent species distribution modeling to identify potential locations of amphibian populations that could serve as the focus of ecological restoration planning, (2) a dual Random Forest and Logistic Regression approach to relate spatial planning and landscape configuration variables to ecological connectivity, and (3) Maxent species distribution models that incorporated stream order hierarchy to provide insights into riparian movement structures without requiring the adoption of subjective approaches such as resistance surfaces, or expert parameterizations. All modeling results were validated using citizen science data and species-specific ecological knowledge, generating spatial and landscape planning and design relevant guidelines, as well as an ecological knowledge base for future research. The contributions of this research lie in improving the configuration of open spaces through landscape planning and design connectivity guidelines. These guidelines were informed by methodologies that efficiently utilize existing limited resources and data on understudied species. The work also supports the implementation of GBF-compliant spatial conservation planning. This is particularly critical in rapidly developing regions with highly constrained and fragmented landscapes, where their spatial and landscape design must consider ecological processes and biodiversity needs to safeguard sustainable development.

Η κατάτμηση των ενδιαιτημάτων και η απώλεια της οικολογικής συνδεσιμότητας λόγω των αυξανόμενων αλλαγών στις χρήσεις γης και της σχετικής ανάπτυξης υποδομών, έχουν συμβάλει σημαντικά στην παγκόσμια μείωση της βιοποικιλότητας. Η σημασία της διατήρησης και της αποκατάστασης της οικολογικής συνδεσιμότητας έχει αναγνωριστεί στην πρόσφατη πολιτική οικολογικής διατήρησης, και το Παγκόσμιο Πλαίσιο για τη Βιοποικιλότητα Κουνμίνγκ-Μόντρεαλ (GBF) το 2022 απηύθυνε έκκληση για την προστασία και την αποκατάσταση της οικολογικής συνδεσιμότητας σε όλα τα οικοσυστήματα, θέτοντας μεσοπρόθεσμους (2030) και μακροπρόθεσμους (2050) στόχους. Ωστόσο, παρά την αναγνώριση της σημασίας της διατήρησης της οικολογικής συνδεσιμότητας, ο χωροταξικός σχεδιασμός και η διαμόρφωση των ανοιχτών-ελεύθερων χώρων συνεχίζουν να δυσκολεύονται να ενσωματώσουν τις ανάγκες συνδεσιμότητας στις διαδικασίες του πρακτικού σχεδιασμού του τοπίου. Η μοντελοποίηση της συνδεσιμότητας εξακολουθεί να είναι το κύριο εργαλείο αξιολόγησής της· εντούτοις, η αξιοπιστία της επηρεάζεται γενικά από την έλλειψη έγκυρων δεδομένων, την υποκειμενικότητα στις παραδοχές και την έλλειψη επικύρωσης έναντι εμπειρικών παρατηρήσεων των μετακινήσεων των ζώων και των οικολογικών τους χαρακτηριστικών. Αυτοί οι περιορισμοί στην εγκυρότητα των μοντέλων περιορίζουν περαιτέρω τη δυνατότητα εφαρμογής των αποτελεσμάτων τους από πολεοδόμους, χωροτάκτες, σχεδιαστές του τοπίου, και επαγγελματίες που διεξάγουν εκτιμήσεις περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Ο σκοπός αυτής της διατριβής ήταν να αντιμετωπίσει τις προαναφερθείσες προκλήσεις, εξελίσσοντας μεθόδους και στρατηγικές χωροταξικού και αρχιτεκτονικού σχεδιασμού του τοπίου για την αύξηση της συμπερίληψης της οικολογικής συνδεσιμότητας στη διαμόρφωση των ανοιχτών-ελεύθερων χώρων. Αντί να δοθεί έμφαση στην παρουσίαση της αυξημένης πολυπλοκότητας της μοντελοποίησης, βαρύτητα δόθηκε στην οικολογική τεκμηρίωση των αποτελεσμάτων. Η τεκμηρίωση αυτή βασίστηκε στην επικύρωση των αναλυτικών αποτελεσμάτων με διασταυρωμένα σύνολα δεδομένων (cross-datasets) θανάτων ζώων από τροχαία, τα ειδικά οικολογικά χαρακτηριστικά των ειδών και τις συμπεριφορές μετακίνησής τους. Η επικύρωση των αναλυτικών αποτελεσμάτων διασφαλίζει ότι τα συμπεράσματα είναι βιολογικά ερμηνεύσιμα, διαφανή για τους επαγγελματίες και άμεσα εφαρμόσιμα στον χωροταξικό και αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του τοπίου, παρέχοντας έτσι την ευκαιρία για πιο αποτελεσματική, οικολογικά τεκμηριωμένη και στοχευμένη λήψη αποφάσεων στην πράξη. Τα αμφίβια επιλέχθηκαν ως είδη-στόχοι για αυτή τη μελέτη λόγω του πολύ σημαντικού οικολογικού τους ρόλου, του απειλούμενου καθεστώτος τους, της ευαισθησίας τους στην τροποποίηση των ενδιαιτημάτων τους και του πολύπλοκου κύκλου ζωής τους. Τα χαρακτηριστικά αυτά τα καθιστούν κατάλληλα είδη-δείκτες για την ανάλυση των απαιτήσεων συνδεσιμότητας των ενδιαιτημάτων τους σε πολλαπλές κλίμακες όπως ορίζονται από τα οικολογικά τους χαρακτηριστικά. Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής σημειώθηκαν τρία πρωτοποριακά μεθοδολογικά επιτεύγματα: (1) μοντελοποίηση υβριδικής συναίνεσης (Hybrid Consensus Modeling), η οποία χρησιμοποίησε την εκτίμηση πυκνότητας πυρήνα (Kernel Density Estimation - KDE) και το μοντέλο κατανομής ειδών Maxent (Maxent species distribution modeling) για να εντοπίσει πιθανές θέσεις πληθυσμών αμφιβίων που θα μπορούσαν να αποτελέσουν το επίκεντρο σχεδιασμού της οικολογικής αποκατάστασης, (2) μια διπλή προσέγγιση των αλγορίθμων τυχαίου δάσους (Random Forest) και λογιστικής παλινδρόμησης (Logistic Regression) για τη συσχέτιση μεταβλητών χωροταξικού σχεδιασμού και αρχιτεκτονικής διαμόρφωσης του τοπίου με την οικολογική συνδεσιμότητα και (3) μοντέλα κατανομής ειδών Maxent που ενσωμάτωσαν τα ρέματα με την ιεραρχική τους τάξη (stream order hierarchy) για να προσφέρουν μια βαθύτερη κατανόηση των δομών παρόχθιας μετακίνησης χωρίς να απαιτείται η υιοθέτηση υποκειμενικών προσεγγίσεων, όπως οι επιφάνειες αντίστασης (resistance surfaces) ή άλλες παραμετροποιήσεις από ειδικούς. Όλα τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης επικυρώθηκαν με τη χρήση δεδομένων από την επιστήμη των πολιτών (Citizen Science data) και με εξειδικευμένη οικολογική γνώση για κάθε είδος, παράγοντας κατευθυντήριες οδηγίες σχετικές με τον χωροταξικό και αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του τοπίου, καθώς και μια βάση οικολογικών γνώσεων (ecological knowledge base) για μελλοντική έρευνα. Η συμβολή αυτής της έρευνας έγκειται στη βελτίωση της διαμόρφωσης των ανοιχτών-ελεύθερων χώρων μέσω κατευθυντήριων οδηγιών συνδεσιμότητας του τοπίου. Αυτές οι κατευθυντήριες οδηγίες βασίστηκαν σε μεθοδολογίες που αξιοποιούν αποτελεσματικά τους υφιστάμενους περιορισμένους πόρους και δεδομένα για είδη που δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς. Η εργασία αυτή υποστηρίζει επίσης την εφαρμογή ενός συμβατού με το GBF χωρικού σχεδιασμού οικολογικής διατήρησης. Αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο σε ταχύτατα αναπτυσσόμενες περιοχές με έντονα περιορισμένα και κατακερματισμένα τοπία, όπου ο χωροταξικός και αρχιτεκτονικός σχεδιασμός τους πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις οικολογικές διεργασίες και τις ανάγκες της βιοποικιλότητας για τη διασφάλιση της βιώσιμης ανάπτυξης.