基于MSPA的全國主要城市綠地形態時空變化

危小建 孫顯星 謝亞娟

摘要：以形態學空間格局分析法為基礎，運用了ArcGIS、Guidos等相關軟件，對1995—2015年全國38個主要城市綠地形態的時空變化進行研究。研究發現：（1）選取了38個城市中3個典型城市（東部北京市、中部成都市、西部烏魯木齊市）的綠地形態空間格局，發現核心區的主要面積是綠地形態，而其他6個結構類別（孔隙、邊緣區、連接橋、支線、環道、孤島）的面積相對較小且分散。38個主要城市的MSPA結構要素存在較大的地域差異。MSPA的7個結構類別中面積最大的是核心區，其他類別面積較小。（2）38個主要城市MSPA的結構要素有明顯變化。1995—2005年，有2個城市核心區的面積在增加，而其他城市則下降。總體而言，在其他6個結構類別中，更少城市的面積在減少而更多城市的面積在增加。2005—2015年，核心區域的面積變化都減少了，不同城市之間的結構要素變化明顯不同。（3）38個主要城市MSPA 7個結構類別的平均值和變異系數中，核心區的變化最為明顯。連接橋和環道的結構變化與其他結構類別有所不同，1995—2005年出現了明顯下降，而2005—2015年則有所增加。1995—2005年，核心區、孔隙、環道、邊緣區的變異系數變化比2005—2015年更為明顯，而孤島、連接橋、支線的變化系數則相反。

關鍵詞：綠地形態;MSPA;全國主要城市;時空變化;形態學空間格局

中圖分類號： S731 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0260-07

城市快速擴張導致生態環境被嚴重毀損;而隨著城市生態系統的回歸，綠地形態的改變顯得尤為重要。有研究表明，綠地形態空間格局變化對城市生態系統、社會、經濟產生了重要影響。城市綠地系統建設越完善，就越能發揮其生態功能，深入探究城市綠地系統的空間格局對城市的生態完善、社會和諧、經濟發展均有重要意義。

近年來，形態空間格局分析（MSPA）作為一種圖像處理方法，被運用于生態網絡分析中[1]。 MSPA是基于膨脹、腐蝕、開運算、閉運算等數學形態學原理提出的一種對柵格圖像空間格局進行測量、識別和分割的圖像處理方法，可以更準確地區分景觀的類型和結構[2]。國內學者的研究主要集中在生態網絡的規劃、評價及管理[3-10]方面，例如邱瑤等研究了深圳市綠色基礎設施網絡的規劃[11]，曹翊坤等研究了綠色景觀連通性[12]。國外近年來對MSPA和景觀連通性分析方法的研究越來越多[13-19]。例如，Ng等將景觀連通性納入生態系統服務評估中，以保護生物多樣性及研究其對景觀規劃的影響[20]。Syrbe等研究了評估生態系統服務的空間指標等[21]。景觀格局指數通常用于分析綠地格局，很少應用于全國城市綠地格局的時空變化[22-26]。對于大多數我國城市而言，不同城市在不同時間的發展過程和特征也不相同;不同城市的增長類型、地理位置、經濟發展階段，以及每個城市自身的規模，都會導致巨大的地域差異。因此，創建有等級概念的城市綠色形態格局非常重要。

本研究以全國城市化速度較快的38個主要城市為對象，在MSPA的基礎上對1995、2005、2015年城市綠地形態的時空變化進行分析。

1 研究區概況

實行改革開放政策后，我國經濟增長較為迅猛，近40年經歷了相對較快的城市化歷程。快速的工業化和城市擴張帶來了無數的環境挑戰，其中之一是對土地植被的維護。本研究分析了1995、2005、2015年38個主要城市綠地形態的時空變化。這38個主要城市遍布我國大陸各地，其邊界根據我國對其行政區域（市）的官方定義確定（圖1），其中包括直轄市、省/自治區的省會城市和經濟重要城市。

2 研究數據和方法

2.1 研究數據

土地覆蓋類型來源于1995—2015年拍攝的陸地衛星TM/ETM圖像（分辨率：30 m×30 m），這些圖像來自中國科學院資源與環境數據中心土地利用數據庫（比例是1 ∶ 10 000）。本研究根據這些土地利用數據，將其轉化為柵格數據，另外將不同時間段的柵格數據進行 MSPA 處理，從結構要素（表1）和景觀類型（圖2）分析38個主要城市綠地形態的時空變化。

2.2 研究方法

2.2.1 形態學空間格局分析 形態空間格局分析（MSPA）是兩者間的空間拓撲關系，可以識別目標像素集與結構要素，并將目標像素集劃分為核心區、孤島、孔隙、邊緣區、連接橋、環道、支線7種生態景觀類型[3-15]。 其定義和生態學含義見圖2、表1。

首先，林地、耕地、草地3種景觀類型是在研究區域土地利用數據基礎上得出的，將它們作為研究區的前景要素，而其他用地類型作為研究區的背景要素。接著，將這些數據轉化為柵格數據來分析。最后，用Guidos分析軟件進行MSPA處理，得到7種不相交的景觀類型。

2.2.2 單一土地利用動態度 單一土地利用動態度指數用于量化地區土地使用變化率，比較土地利用變化的地域差異，預測土地利用變化的未來趨勢，是非常重要的。一個動態土地利用模型反映了該地區土地利用的主要變化，其公式表示為

式中：Y為研究期間土地利用類型的動態度，即1995—2005年和2005—2015年期間土地利用類型的動態程度;Xα、Xβ為研究期開始、結束階段具體的土地利用類型的數量;K為研究時間間隔。Y值越大，在此期間研究區域內的土地變化就越劇烈。

3 結果與分析

3.1 單一型城市綠地形態變化區域差異

1995—2015年38個主要城市的綠地形態變化速度的區域差異見圖3，體現出如下特征：（1）孤島的變化是最大的。廣州、無錫和呼和浩特年變化率不斷減小;而貴陽年變化率不斷增長。在研究期間，除了幾個城市變化較大以外，其他城市都發生了變化，但變化并不明顯。（2）在邊緣區中，鄭州、濟南、長沙和石家莊年變化率不斷增長，變化較為明顯。其他城市均有變化，但是變化幅度不明顯。（3）在連接橋中，烏魯木齊年變化率不斷增長，變化較為明顯;其他城市都有變化，但是變化不明顯。（4）在環道中，鄭州年變化率不斷增長，變化較為明顯;其他城市都發生了變化，但是變化并不明顯。（5）在核心區、支線、孔隙中，38個主要城市的綠地形態都有一定的變化，但是變化并不明顯。

3.2 典型城市綠地形態格局

在進行MSPA分析后，在不同時間點確定了38個主要城市的生態景觀功能類型格局。隨著研究區域中城市建設用地面積的不斷擴大，城市郊區的核心區域逐漸被吞噬，面積正在減少，生態景觀的破碎化加劇。在選定的38個城市中，選取3個典型城市的綠地形態空間格局，分別為東部北京市、中部成都市、西部烏魯木齊市，發現核心區最主要的面積是綠地形態，而其他6個結構類別（孔隙、邊緣區、連接橋、支線、環道、孤島）的面積相對較小且分散。由圖4可知，由于地貌的局限性，在2005—2015年中，北京的核心區面積幾乎沒有變化。1995—2015年成都和烏魯木齊的核心區面積有所增加，并取得了長足發展。

3.3 全國主要城市綠地形態格局

1995—2015年，不同城市具有不同的發展特點，不同城市的增長類型是不同的。地理位置、經濟發展階段以及每個城市現有的地區規模，都可能是造成38個主要城市在MSPA數量結構特征上存在較大地域差異的原因。7個結構類別中，核心區分布最廣，其中拉薩、重慶、南寧核心區面積最大，廈門、深圳、海口核心區面積最小;第二大類是孔隙，其中長春、合肥孔隙面積較大;邊緣區、環道、連接橋、支線、孤島的面積是最少的（圖5）。

3.4 全國主要城市綠地形態格局時空變化

1995—2015年我國38個主要城市MSPA結構要素的變化見圖6。1995—2005年，2個城市（拉薩、大連）的核心區面積在增加，其他城市則下降。總體而言，在其他6個結構類別（連接橋、環道、支

線、邊緣區、孔隙、孤島）中，更少城市的面積在減少而更多城市的面積在增加。在6個結構類別（連接橋、環道、支線、邊緣區、孔隙、孤島）中處于下降狀態的城市數量依次為4、14、5、14、5、4個（深圳、廣州、拉薩、大連）。2005—2015年，核心區域的面積都減少了，在6個結構類別（連接橋、環道、支線、邊緣區、孔隙、孤島）中下降的城市數量依次為12、15、1、11、7、4個（北京、成都、拉薩、深圳）。值得注意的是，不同城市之間的結構要素變化明顯不同。

表2總結了38個城市中MSPA處理的7個結構類別的平均值和變異系數。其中，核心區的結構變化在2個研究期內最為明顯。連接橋和環道的結構變化與其他結構類別有所不同，1995—2005年有所減少，而2005—2015年有所增加。1995—2005年，核心區、孔隙、邊緣區的變異系數變化比2005—2015年更為明顯，而孤島、連接橋、支線的變化系數則相反。

4 結論和討論

本研究對1995—2015年我國38個主要城市綠地形態時空變化作了深入了解，得到以下結果：（1）1995—2015年，38個城市中3個典型城市（北京、成都、烏魯木齊）核心區占較大面積的是綠地形態，而其他6個結構類別（孔隙、邊緣區、連接橋、支線、環道、孤島）的面積相對較小且分散。不同城市具有不同的發展特點，造成每個城市發展的規模不同，所以全國38個主要城市的MSPA結構要素存在較大的地域差異。（2）在38個主要城市的MSPA結構要素變化中，1995—2005年2個城市（拉薩、大連）的核心區面積增加，而其他城市則下降。總體而言，在其他6個結構類別中，更少城市的面積在減少而更多城市的面積在增加;2005—2015年，核心區域面積的變化都減少了，不同城市之間的結構要素變化明顯不同。（3）38個主要城市MSPA的7個結構類別的平均值和變異系數中，核心區結構的變化在2個研究期內最為明顯;連接橋、環道的結構變化與其他結構類別有所不同，1995—2005年有所減少，而2005—2015年有所增加;1995—2005年，核心區、孔隙、環道、邊緣區的變異系數變化比2005—2015年更為明顯，而孤島、連接橋、支線的變化系數則相反。

本研究認為，模擬城市擴展和景觀規劃應綜合考慮城市的增長類型和植被形態，未來城市化和生態系統服務才能得以協調發展。期望本研究結果能夠為城市管理規劃和城市組織、新陳代謝和演化提供參考。

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