基于MSPA的市域尺度綠色基礎設施評價指標體系構建及應用
——以四川省主要城市為例

謝于松

王倩娜*

羅言云

1 背景

中國諸多城市面臨因城鎮化進程加快而導致的景觀破碎化、耕地林地減少、生物多樣性退化，以及環境污染等問題[1]。成渝城市群是我國國家級城市群之一，擁有豐富的自然生態資源，正處于城鎮化進程加快、城鎮體系融合加深和生態文明建設的關鍵時期。在我國當前以構建生態文明為宗旨的國土空間規劃體系背景下，圍繞新型城鎮化建設中生態網絡格局構建的空間途徑及分級管控措施展開研究是十分必要的。

綠色基礎設施(Green Infrastructure，GI)是跨越多尺度的生態網絡，其核心理念在于將自然區域與其他開放空間組成相互連接的生態網絡，以一種與自然環境發展相一致的方式，尋求土地保護與發展并重的模式[2-3]。城市綠色生態系統指城市內部及周邊為人類提供服務的GI，包括森林、河流、湖泊和公園等[4]，是GI中最重要的網絡結構組成。GI概念是在綠色生態系統強調其功能性的基礎上，進一步將關注點擴展到生態系統的連續性和網絡性。GI的概念內涵與我國國土空間規劃體系構建的導向有較高的一致性。

近年來，一種偏向測度結構連接性的形態學空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)被引入GI空間格局分析中。它將森林、濕地等自然生態要素作為前景，其他要素如建設用地等作為背景，通過一系列的圖像處理技術將前景按照形態分為7類互不重疊的GI網絡結構要素，包括核心區(core)、孤島(islet)、穿孔(perforation)、邊緣(edge)、連接橋(bridge)、環(loop)和分支(branch)[5-6]。已有多位學者[2，5-11]運用MSPA對GI展開了研究，如Kang[7]等運用MSPA對首爾都市圈的GI進行時空定量分析，驗證了MSPA有助于建立區域GI的保護規劃策略，并可以補充完善環境保護價值評估圖；楊志廣[9]等基于MSPA提取廣州市的核心區作為生態源地，運用MCR模型構建廣州生態廊道網絡，提出生態網絡優化對策；劉頌[10]等運用MSPA與景觀連接度、最短路徑分析有機結合的方法建立了長三角蘇錫常地區區域尺度GI規劃框架，驗證了利用MSPA進行區域GI規劃輔助的可行性；陳竹安[11]等將MSPA與MCR模型有機結合，將景觀中的潛在生態源地及廊道作為生態網絡構建的主要依據，為余江縣生態網絡的構建提供科學指導，同時也為其他區域提供參考。以上既往研究證明，MSPA能夠較為快速、準確地識別并量化不同類別的GI網絡結構要素，應用較為廣泛，已逐步成為GI空間格局分析的主要技術手段。但不難發現，目前國內外運用MSPA的研究較少涉及多個城市的分析實證，對城市間的相關性和差異性探討不足。

GI評價指標體系方面，已有部分研究提出了GI評價分級指標體系。如李詠華[12]等運用GI評價對杭州市的GI網絡進行核心區快速識別，并進行生態特性分級劃定，為杭州市生態保護提出空間管控措施；汪潔瓊[13]等借助GIS數據分析模型，構建以生態服務為核心價值的城市GI客觀評價方法，對進一步優化城市GI的空間形態起到積極引導作用；吳銀鵬[14]等通過MSPA構建斑塊廊道的重要性分級體系，明確了GI網絡結構要素的重要性及其空間分布。GI評價能夠為客觀認識地區生態狀況、保護國土生態安全格局，以及完善生態網絡構建等提供依據，但既往研究中GI評價多應用于對單個城市特定功能的研究，尚無將MSPA與GI評價相結合、面向多城市的GI網絡進行識別、評估和分級的先例。構建特定區域的市域尺度GI評價指標體系，并在區域內多個城市進行實證應用，能夠較好地回應以上問題。

基于以上背景，本研究基于前階段關于成渝城市群四川省主要城市GI形態學空間分析及景觀組成特征的研究結果[15]，進一步構建、研究基于MSPA的市域尺度GI評價指標體系，并以四川省主要城市為例展開了應用和驗證。研究構建的適宜于四川省主要城市的GI網絡評價指標體系，能夠明確各城市的GI網絡現狀水平，有助于進一步探討城市間GI網絡的相關性，并基于評價結果完成了對各市GI網絡水平的重要性分級。根據不同城市的GI網絡級別差異，提出了相應的管控和保護建議，為客觀認識市域GI網絡現狀提供基礎，也對成渝城市群區域整體GI網絡的分區規劃和保護具有重要參考意義。

2 市域GI評價指標體系構建：方法及數據

市域GI評價指標體系的構建由以下5個模塊(按先后順序)構成：1)指標遴選及權重賦值；2)景觀組成指數分析及等級劃分；3)景觀格局指數分析及等級劃分；4)城鎮發展指數分析及等級劃分；5)空間加權疊加分析及可視化制圖。

2.1 市域GI評價指標遴選及權重賦值

景觀組成是GI網絡最直觀的體現，它能準確地反映城市的GI水平和穩定性。景觀格局指數通過量化評價，能夠準確、全面地反映GI網絡的穩定性、異質性和破碎化程度等。在我國城鎮化快速推進的背景下，城鎮化率逐年攀升[16]，因人口密度增大導致的城市建設用地擴張直接影響著GI網絡空間格局。因此，在綜合考慮GI景觀組成特性、景觀格局，以及城市化背景下GI網絡特點的基礎上，本研究選取了“景觀組成”“景觀格局”和“城鎮發展”作為評價體系的一級指標。

景觀組成方面，選取了GI占市總面積百分比、林地和草地占GI百分比，以及水體占GI百分比3個二級指標，旨在揭示GI網絡結構要素與不同土地利用類型如林地、耕地等的直接關系。指標選取的理由為：GI占市總面積比例體現了城市中生態系統的比重情況；林地和草地在GI中的占比與生態系統服務價值提高呈正相關，林地和草地面積占比越大，越有利于改善生態環境、提高生態系統提供服務的能力；因水體受農業擴張、景觀型城市化等因素的影響明顯，其所占面積越大，水體自身的恢復能力越強，抵抗外界干擾的能力也越強[17-19]。

景觀格局方面，吳志峰[20]、蘇少青[21]等已驗證可通過景觀格局指數對多地區進行聚類分析來比較不同城市類別的景觀格局特點。在指標選取上，本研究為避免景觀格局指數在評價體系中的“重復貢獻”，基于聚類分析，采用因子分析相關系數矩陣法，剔除因子變量間信息量重復較高的指數，最后將篩選后的景觀指數作為景觀格局評價的二級指標。景觀格局指數能高度濃縮景觀格局信息，反映結構組成和空間配置的某些特征。市域尺度下，GI廊道較分散、連接距離變化大，因此更加著重對斑塊變化特征的研究，通過對GI斑塊進行景觀格局指數研究，能夠直觀說明城市GI景觀格局[14]。

城鎮發展方面，選取體現人口城鎮化的城鎮化率和人口密度2個二級指標[22]。指標選取的理由為：因區域人口密度的增加和城鎮化進程的加深，直接導致建設用地擴張，是GI網絡破碎化的主要原因，其中，城鎮化率是城市化的度量指標，一般采用城鎮人口占總人口的比重表示，能夠反映城鎮化發展水平；人口密度是單位土地面積上的人口數量，反映市域范圍內人地關系的緊張程度。城鎮化率和人口密度指標反映了市域尺度下GI網絡受到的直接影響和潛在壓力。

綜上，以確定的3個一級指標為基礎，進一步運用文獻綜述法和聚類分析法確定二級指標并構建市域GI評價指標體系。各指標的權重賦值方法主要包括主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法。主觀賦權法包括層次分析法(AHP)、德爾菲法等；客觀賦權法包括熵值法、變異系數法等；組合賦權法是主觀賦權法與客觀賦權法相結合的方法[23]。在分別采用AHP、變異系數法，以及AHP-變異系數法3種方法進行權重賦值對比后，綜合考慮專家意見，結合評價指標體系各指標量綱的不同特點，最終選用主客觀賦權結合的AHP-變異系數法進行權重賦值。

2.2 GI景觀組成指數分析及等級劃分

基于云量少、無遮擋的原則，選取對應區域的衛星遙感影像圖，輔以土地利用分類圖進行數據疊加處理。應用ENVI軟件完成輻射定標、FLAASH大氣校正、鑲嵌和行政邊界裁剪等預處理后，基于歸一化差分植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)提取各城市遙感影像圖中的所有綠地，基于歸一化差分水體指數(Normalized Difference Water Index，NDWI)提取水域范圍，結合高精度衛星影像及實地調研對提取結果進行修正，盡可能提高研究數據的準確性。而后，在ArcGIS中將各城市GI要素(含綠色植被及水域)合并作為前景，將非GI要素作為背景，最終獲得相應精度的二值柵格圖。在Guidos Toolbox軟件中，基于對二值柵格圖進行MSPA分析，得到互不重疊的7類GI網絡結構要素圖和面積數據；進一步將土地利用分類圖按編號在ArcGIS中進行重分類，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種土地利用類型[24]。使用ArcGIS對GI網絡結構要素圖及土地利用分類圖進行疊加分析，完成基于MSPA的GI景觀組成數據統計。統計得出的景觀組成指標包括：GI占市總面積百分比、林地和草地占GI百分比，以及水體占GI百分比。進一步根據各城市的景觀組成數據在ArcGIS中進行閾值分級，按照指數等級高低分別賦予1～9之間的奇數值。

2.3 GI景觀格局指數分析及等級劃分

基于ArcGIS將MSPA分析后的GI網絡結構要素進行重分類，將核心、穿孔、邊緣和孤島等塊狀景觀類型歸為斑塊，將連接橋、環和分支等線狀景觀類型及非GI類型歸為背景，導入Fragstats軟件中進行景觀格局指數運算。而后，基于聚類分析，運用因子分析相關系數矩陣法篩選得到關聯性較弱或具有相對獨立景觀含義的景觀指數。對各景觀指數進行數據整理，在ArcGIS中進行閾值分級，按照各指數等級高低分別賦予1～9之間的奇數值。

圖1 研究區域范圍

2.4 城市發展指數分析及等級劃分

結合研究區域的統計年鑒，獲得城市城鎮化率和人口密度數據。對各城市的數據進行分析整理后，將數據在ArcGIS中進行閾值分級，根據指數等級高低分別賦予1～9之間的奇數值。

2.5 GI空間加權疊加分析及可視化制圖

通過AHP-變異系數綜合法對指標進行權重賦值，基于ArcGIS空間分析模塊加權疊加工具分別計算得到各城市GI在景觀組成、景觀格局和城鎮發展3個一級指標的數據統計結果與空間可視化圖，以及綜合疊加3個一級指標后得到的各城市數據統計結果與GI評估綜合空間可視化圖。

3 市域GI評價結果：以四川省主要城市為例

3.1 研究區域概況

成渝城市群范圍內分布有我國大量的水源保護地和生態涵養區，是長江上游乃至我國生態安全的重要戰略區域[25]。選取成渝城市群中四川省境內覆蓋大面積生態屏障的自貢、瀘州、德陽、綿陽、遂寧、內江、樂山、南充、眉山、宜賓、廣安、達州和資陽13個地級城市市域為研究對象(圖1)，展開GI評價指標體系的實證應用。研究區域氣候屬亞熱帶季風氣候，地理范圍為東經102°82＇～106°67＇、北緯27°66＇～ 33°03＇，總面積約129 972km2，占成渝城市群總面積的72.41%[16]，是成渝城市群生態系統保護和規劃的重要區域。

3.2 GI景觀組成結果分析

采用2015年6—8月四川省13個地級城市的Landsat衛星TM/ETM遙感影像[26]，經ENVI圖像預處理[27]及ArcGIS軟件處理后，得到13個城市30m×30m的二值柵格圖。導入Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析方法和30m邊緣寬度分別進行MSPA分析，得到各城市的GI網絡結構要素圖(圖2)及數據。而后，基于GI網絡結構要素圖與四川省2015年土地利用分類圖[28]的疊加分析，得到四川省13個城市的GI景觀組成數據(表1)。由數據結果可知，在GI占市總面積百分比方面，除資陽外，均在80%以上，反映出四川省主要城市在GI現狀上的優越性，依據本指標分析結果可將GI占市總面積百分比劃分出5個等級。由于各種土地利用類型的分布特征和面積等不同，在7類GI網絡結構要素中的存在形式具有差異，因此，雖GI占市總面積比重高，但因土地利用類型的差異，GI網絡結構穩定性有所不同，耕地面積占比越大，穩定性越差。四川省主要城市GI網絡結構要素的土地利用類型中，林地和草地占比均較少，只有樂山和綿陽的占比達到了50%以上，資陽、內江、南充和遂寧的占比更是低于15%，反映出市域耕地化現象明顯的特征，依據本指標結果，可將林地和草地占GI百分比劃分出4個等級。各城市水體在GI中占比均低于2.2%，依據分析結果，基于ArcGIS的自然間斷點將水體占GI百分比劃分出5個等級。

圖2 MSPA 7類GI網絡結構要素(以內江、廣安、資陽為例)

表1 四川省主要城市景觀組成、景觀格局指數和城鎮化指標統計

3.3 GI景觀格局指數結果分析

基于SPSS進行聚類分析篩選出景觀格局指數，最終選用邊緣指標：邊界密度(ED)；形狀指標：景觀形狀指數(LSI)；密度大小及差異指標：平均斑塊面積(MPS)；形狀指標：面積加權平均斑塊分維數(AWMPFD)；聚散性指標：蔓延度(CONTAG)；以及多樣性指標：Shannon多樣性指數(SHDI)6個指標作為景觀格局評價的二級指標。依據各城市景觀格局指數結果(表1)，可將城市分為3類：1)達州、綿陽、德陽、樂山和資陽，景觀格局整體呈現穩定、優越狀態。因ED、LSI、SHDI指數小，MPS、CONTAG指數大，同時AWMPDF指數位于13座城市的中間水平，所以GI網絡結構較為完整，景觀凝聚度高，區域內斑塊面積較大，斑塊破碎化程度較低，不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢較好，景觀異質性較弱，不定性消息含量較小，受到人類活動的干擾較小；2)宜賓、廣安、自貢和眉山，景觀格局表現為斑塊完整性良好，GI受人類干擾的強度較低，斑塊在城鎮化發展中穩定性較差；3)瀘州、內江、遂寧和南充，景觀格局整體情況一般，具體表現為ED、LSI、SHDI指數最大，MPS、CONTAG指數最小，而AWMPFD指數較高，因此斑塊破碎化程度高，物質流動、能量轉換等生物功能較差，景觀多樣性高，不定性消息含量較高，斑塊穩定性差，GI受到人類干擾的強度低。分別依據各指標計算結果，基于ArcGIS的自然間斷點劃分出4或5個等級。

3.4 城鎮發展指數結果分析

各城鎮發展指標來源于《四川省統計年鑒(2016)》[16]，經Excel整理統計得到表1，結果表明：13個城市的人口壓力存在顯著差異。研究區內城市的城鎮化率多集中在40%～45%，人口密度集中于240～700人/km2。其中，德陽、自貢等城市的城鎮水平較為突出，城鎮化率均已接近50%，且人口密度均為600人/km2。資陽和廣安的城鎮化率和人口密度稍顯落后，城鎮化率均未達到40%。研究區域的城鎮化發展水平均較低，側面凸顯出市域GI網絡在城鎮化發展初期具有優越性，在GI網絡結構的規劃與保護上具有較大的彈性和較好的基底。分別依據指標計算結果，基于ArcGIS的自然間斷點劃分出5個等級。

3.5 四川省主要城市市域GI評價指標體系構建結果

基于構建的市域GI評價指標體系，以及3.2～3.4小節中各指標的等級劃分結果，結合表1指標數值，對GI評價指標進行權重賦值。首先，分別計算各指標平均值、標準差和變異系數，運用變異系數法對各指標進行權重賦值。其次，基于AHP法運用yaahp工具建立基于市域尺度下的GI評價層次模型，并通過5位專家打分確定各指標的權重，結果通過一致性檢驗。最后，建立基于AHP-變異系數法的綜合賦權模型，通過綜合賦權計算得到權重(表2)，構建四川省主要城市市域GI評價指標體系(表3)。四川省主要城市的一級指標中，景觀格局權重占比最大，景觀組成和城鎮發展指標占比相當，同時，在二級指標中，通過AHP、變異系數法和綜合賦權法得到的林地和草地占GI百分比、MPS、LSI和人口密度等權重占比均較大，具有較大差異數值的指標較少，權重結果說明在市域GI評價中，主觀賦權和客觀賦權具有相似性，評價體系指標的選取能夠反映城市現狀GI水平。

表2 AHP-變異系數法綜合賦權

表3 四川省主要城市市域GI評價指標體系及分級

3.6 空間加權疊加及空間可視化分析

通過將3個一級指標的數據進行疊加和空間可視化，得到GI評估綜合空間可視化圖(圖3)。統計各城市GI現狀綜合評價得分，根據城市GI網絡現狀的優劣程度，結合數據差異大小，在ArcGIS中選擇自然間斷點進行分級，將四川省主要城市GI網絡劃分為GI網絡重點管控區域、GI網絡管控區域和GI網絡優化區域3個類別(表4)。分級結果對四川省13個主要城市的GI網絡在區域內的級別定位具有重要意義，結果表明：達州、綿陽、資陽和眉山4個城市得分相對較高，有較為穩定的GI網絡現狀，區域內自然生態環境較為優越；樂山、宜賓、廣安和德陽的GI網絡具有相似性，均需根據城市發展定位進一步加大管控；自貢、瀘州、內江、遂寧和南充的綜合得分相對較低，易受到城鎮化建設影響，需加大GI網絡保護與規劃的力度。

4 基于評價結果的市域GI管控分區建議

基于GI評估綜合空間可視化圖(圖3)和主要城市GI綜合現狀分級表(表4)，針對不同級別提出管控建議，以引導和促進各城市GI網絡的有效保護和可持續發展。

GI網絡重點管控區域，包括自貢、瀘州、內江、遂寧和南充。以上城市的GI網絡是四川省主要城市中現狀保護最應引起重視的區域。城市內部有大量的生態走廊，在考慮城市發展定位的同時，應保證陸地和水系生態走廊的連續性不被破壞，利用好國土空間規劃中的“三區三線”，將重要生態廊道區域劃入保護紅線中，避免林地、草地等生態廊道的連續性受到破壞以及水源被污染。針對以上城市耕地面積占GI比例較大、極易受人為干擾的特點，在高效集約地進行土地利用開發的同時，應對城鎮開發區域慎重劃定，避開GI網絡重要節點，特別是瀘州、南充等作為城鎮密集核心區的城市。科學評估GI斑塊的生態價值，極個別區域采取退耕還林、政府重點管控等措施，充分考慮重要斑塊間進行整合的可能性。此外，也應布局好城市的生態網絡，考慮在斑塊間構建生態廊道，利用好如城市公園、城市綠道規劃、城市防護帶建設等政策，實現斑塊間的能量流動和物質循環。

GI網絡管控區域，包括樂山、宜賓、廣安和德陽。以上城市需協同好經濟發展及新型城鎮化建設，進一步保障現有景觀格局。GI管控區域內部生態資源豐富，因生態廊道連續性較強，應積極協調進行跨市整體規劃，針對重要的生態斑塊進行保護，避免生態斑塊破碎現象的加重。景觀組成方面，以上城市屬于典型的耕地型城市，易受城鎮化發展影響，因此在進行城市整體規劃布局時，要充分考慮城鎮化建設需求和耕地斑塊的重要性級別。在城鎮化建設方面，利用好街旁綠地、城市公園和防護綠帶等提升生態功能，同時滿足人們日常生活中的游憩需求。在耕地斑塊方面，及時劃定城市發展邊界，對城市內部具有重要生態含義的耕地斑塊進行重點管控，對重要耕地斑塊進行分級識別，劃定耕地保護紅線，確保基本農田面積。

圖3 四川省主要城市市域GI評估綜合空間可視化圖

表4 四川省主要城市GI綜合現狀分級

GI網絡優化區域，包括達州、綿陽、資陽和眉山。以上城市具有穩定的景觀格局，有較好的城市生態網絡。對GI網絡優化區內的城市進行規劃時，應以現有GI生態網絡優化為目標，利用“三區三線”進行土地保護，合理劃定城鎮發展區域、林地保護區域和耕地保護區域等，減少人為干預，構建森林型生態城市。基于城市發展定位，明確城市發展趨勢，找到城市發展的臨界范圍，對城市內部斑塊進行分級開發和保護，準確識別城市內部的重要斑塊、廊道，適當開發林區，發展第三產業，提高重要耕地的利用效率。

5 結語與展望

研究提出的基于MSPA構建的市域尺度GI評價指標體系能夠順利地在不同城市展開應用，評價結果能較好地反映多個城市GI水平的相似性和差異性，并對不同城市進行分級，提出有針對性的GI管控和保護建議。GI評價指標體系的構建能夠明確城市生態網絡定位，未來有望在城市群的跨市GI網絡評價、生態網絡構建，以及城市生態環境保護與規劃等領域進行應用，亦有望為國土空間規劃體系中的藍綠生態網絡分析評估及規劃協同提供思路和參考。指標體系的因子選擇、權重賦值、閾值分級是獲得準確評價結果的先決條件，宜結合不同區域及城市的實際情況靈活處理。本研究雖然提供了明確GI網絡空間格局現狀、結構和特征，以及GI網絡評估分級的技術方法，但仍需與我國目前以多規合一、生態文明建設為背景進行的國土空間規劃體系構建緊密結合，將GI生態網絡的規劃和保護融入國土空間規劃體系，以期解決因行政區劃劃分而導致的GI生態網絡保護開發各自為政、城市間缺乏統籌和銜接等問題。本研究的后續工作宜圍繞基于GI理論的生態網絡分析評估在國土空間規劃體系中的應用與實踐展開，具體包括(但不限于)：生態空間用途管制，生態紅線的劃定、補充與修正，以及多城市生態網絡空間協同規劃等[29]。

注：文中圖片均由作者繪制。