基于MSPA的衡陽市綠色基礎設施空間格局演化研究

孫婉璐 王惠陽 劉蘇梅 曠翕予 王青君

（南華大學松霖建筑與設計藝術學院,湖南 衡陽 421000）

1 研究背景與研究范圍

城市發展、城市人口增長推動城市規模不斷擴張。在城市擴張過程中，城市擴張速度與城市生態彈性的錯位，造成了城市生態環境的惡化，致使城市熱島、城市內澇、空氣污染等一系列問題的出現。為了減緩城市問題的惡化，提升城市生態彈性，營造良好的城市生態環境，需要采取積極主動、可持續的應對方法。

綠色基礎設施（Green Infrastructure，GI）理念起源于20世紀西方對城市休閑空間和公共衛生的關注與需求。美國學者查爾斯·利特爾在其《美國的綠道》一書中把GI界定為“綠道系統的擴展”和“全新的基礎設施類別”。至此，GI概念正式出現在公眾視野中。GI以人與自然的關系為研究出發點，以維護人的利益、保護物種棲息地、維持生物多樣性為目的。基于島嶼生物地理學和異質種群動態理論發展而來的GI概念，強調高質量斑塊、斑塊之間的連接以及網絡的閉合性。因此，從國土或區域、城市、街區或場地三個空間層次上構建GI網絡，形成各有側重、相互嵌套、閉合的綠色空間網絡，在保障生態安全、提升人類福祉方面具有積極作用。GI的核心理念是將自然區域和其他開放空間組成相互連接的生態網絡[1]。其在結構上，普遍認為是由斑塊、廊道、場地以及踏腳石構成。斑塊是生態源地，是承載GI網絡中各種生態過程發生的主要載體；廊道是樞紐，是維持GI系統健康運行、GI網絡生態過程傳輸的載體；場地在不同尺度層面上有所差異，可以理解為規模較小的斑塊或廊道，例如野生動植物保護區、都市農業區、自然/半自然的休閑娛樂空間；踏腳石是不與GI網絡連接的小型生態節點，例如社區綠地、私人花園和綠色屋頂等。

我國生態環境建設尚處于起步階段。2015年，中共中央、國務院印發《生態文明體制改革總體方案》，要求加快生態文明建設，將生態文明理念融入社會的方方面面。黨的十九大報告中提出“要著力解決突出環境問題和要加大生態系統保護力度”。基于國家頂層設計的支持，未來將加大生態環境基礎設施建設力度，為GI的發展提供了空前的機遇。

自GI概念的出現到目前，關于GI的研究經歷了三個階段，從關注度低、研究少，以應對氣候變化、城市化問題為主，到新熱點、新重點的出現，關于GI的研究逐漸趨于成熟。2004年張秋明發表《綠色基礎設施》一文[2]，經2009年《中國園林》期刊以GI為主題整刊登載相關研究后，引起了學術界對GI的關注。針對GI的概念、理論框架、構建方法，不少學者進行了探討；由于自然環境的不同，城市層級的GI網絡具有明顯的地域性，學者們以南京、福州、武漢、深圳等城市以及四川省城市群為例，基于不同的構建方法進行了GI網絡的構建、優化研究；由于國內GI的研究和實踐不足，不少學者介紹了德國、加拿大、美國等國家GI的實踐案例、GI的制度建設，從而為我國GI的研究、實踐提供借鑒[3]。本文基于形態學空間格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA），結合景觀格局指數法對2015年、2017年和2019年衡陽市GI空間格局的演化進行分析[4]。

2 研究對象與研究方法

2.1 研究區介紹

衡陽市位于湖南省中南部，地處東經110° 32′ 16″ —113° 16′ 32″，北緯26° 07′ 05″ —27° 28′ 24″ 。衡陽盆地四周山丘環繞，中部平崗丘交錯，境內水網密布，湘江、蒸水等過境，屬亞熱帶季風氣候，年降水量在1 200～1 500 mm。衡陽是長株潭“3+5”城市群節點城市、湖南省域副中心城市，是中南地區重要的工業城市、區域性物流中心[5]。本研究以衡陽市主城區珠暉、雁峰、石鼓和蒸湘4區為研究對象，其總面積為518.03 km2。

2.2 數據來源

基于ENVI5.3軟件平臺，對2015年、2017年和2019年Landsat8-OLT遙感影像數據（源自中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺http://www.gscloud.cn）進行FLAASH大氣校正、行政邊界裁剪等預處理[6]。通過監督分類將遙感影像解譯為建設用地、草地、林地、耕地、水體和裸地6種類型，進行混淆矩陣精度驗證，Kappa系數均大于0.9，證明數據達到研究精度要求，獲得分辨率為30 m的土地覆被空間分布圖（如圖1）。

圖1 2015年、2017年和2019年衡陽市土地利用圖

2.3 研究方法

形態學空間格局分析（MSPA）是基于腐蝕、膨脹、開閉運算等數學形態學原理對柵格圖像的空間格局進行度量、識別和分割的一種圖像處理方法，可以分為互不重疊的核心區、孤島、穿孔、邊緣、連接、環和分支7種形態空間要素。該方法僅依賴土地利用數據，是一種偏向測度結構連接性的方法。基于ArcGIS軟件平臺，將土地利用數據處理為二值柵格圖數據，再基于Guidos Toolbox軟件平臺進行MSPA分析，得到7種類型的形態空間要素。根據景觀格局指數法，選取PD、LPI、AREA_MN、DIVISION、SHDI、SHEI、AI共7個指標（如表1），從斑塊水平、景觀水平來反映衡陽市2015年、2017年和2019年的GI格局演變情況。

表1 景觀格局指標及描述

3 研究結果

3.1 衡陽市土地利用狀況分析

從圖1中2015年、2017年和2019年土地利用的轉移情況來看，衡陽市的城市建設在逐漸轉型，逐步從數量增長型轉向質量提升型；GI在應對環境變化方面的作用得到了重視，城市GI建設面積在逐步增加。其中，城市建設用地從2015年的141.36 km2增加到2017年的156.35 km2后，又于2019年降至148.35 km2，表明“攤大餅”式的城市開發得到了一定的控制[7]；裸地面積逐年下降，從2015年的34.04 km2降至2019年的6.92 km2，表明城市用地的利用率在提升，閑置的、裸露的土地得到了有效開發和利用；衡陽市的GI建設面積從2015年的183.50 km2增加到2019年的225.34 km2，上升趨勢明顯，城市自然空間、開放空間的建設效果顯著，表明GI在改善人居環境質量方面的作用得到了充分發揮。從耕地、林地、草地之間的數量關系來看，耕地面積減少緩慢，從2015年的158.64 km2降至2019年的136.73 km2；林地面積增速緩慢，甚至有減少趨勢；草地面積增加顯著，從2015年的52.42 km2增至2019年的83.02 km2。植物的生長依賴時間，表明“退耕還林”的效果具有時間依賴性，植被經過數年的增長，可以達到良好的效果。而自然空間類型中水體的面積變化小，水體面積維持在50 km2左右。

3.2 MSPA景觀類型分析

整體而言，衡陽市的核心區域以湘江、蒸水水域為骨架，連接衡陽市的東西、南北，其他核心區域主要散落分布在城市南部的松木鄉、茶山坳鎮區域和北部的雨母山鄉、東陽渡鎮區域[8]。如圖2，研究區域內核心區域面積在不斷增加：2015年，核心區域面積59.91 km2，占前景總面積的32.65%；2017年，核心區域面積72.67 km2，占前景總面積的36.71%；2019年，核心區域面積85.47 km2，占前景總面積的37.90%。2015—2019年增加的核心區域，以雨母山鄉、東陽渡鎮、茶山坳鎮區域為主，其中角山鄉區域的核心區基本上是從無到有，表明該區域內自然生態環境得到明顯改善[9]。邊緣區域的面積從2015年的41.73 km2增加到2019年的59.56 km2，表明核心區域與外圍非綠色空間之間的過渡層級在增加，自然空間與建設用地之間的對立性在減弱；孤島是孤立且彼此不連接的小斑塊，獨立于GI網絡，2015—2019年孤島面積在減少；代表生態廊道、連接核心區域的連接類型面積從2015年的19.9 km2增加到2019年的30.59 km2。

圖2 2015年、2017年和2019年衡陽市GI格局

3.3 GI格局空間演化特征分析

2015年、2017年和2019年衡陽市景觀格局指標值如表2。選取反映斑塊水平演化特征的指數有斑塊密度、最大斑塊指數、斑塊平均大小三種。在2015—2019年間，斑塊密度呈現先降低后升高的趨勢，最大斑塊指數呈現先升高后降低的趨勢，斑塊平均大小呈現先升高后降低的趨勢。2015—2017年，衡陽市的景觀破碎化程度降低，斑塊面積整體上增大，生態源地面積有較大增長；2017—2019年，衡陽市的景觀破碎化程度增加，斑塊面積整體上縮小，生態源地面積減少明顯。選取反映景觀水平演化特征的指數有分離度指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數、聚集度指數四種[10]。在2015—2019年間，分離度指數呈現先降低后升高的趨勢，但是上下波動小，基本維持穩定；香農多樣性指數呈現先降低后升高的趨勢；香農均勻度指數呈現先降低后升高的趨勢，上下波動小；聚集度指數呈現先上升后下降的趨勢。2015—2017年，衡陽市斑塊分布的均勻性下降，斑塊之間的聚集性增加，GI空間的整體性更好；2017—2019年，衡陽市的斑塊分布的均勻性上升，斑塊之間的分離程度更高，GI空間更為分散。2015—2019年，衡陽市的GI空間格局出現波動，但是與2015年相比，2019年衡陽市的GI空間之間的分離度更高，斑塊分布的均勻性有所下降，雖然斑塊面積有所增加，但是破碎化進一步嚴重，表明衡陽市GI空間的整體性下降，斑塊之間的連接性不強。

表2 2015年、2017年和2019年衡陽市景觀格局指標

4 結語

本研究針對2015—2019年衡陽市的GI空間格局進行研究，基于MSPA與景觀格局指數法進行格局演化分析，探尋衡陽市GI空間格局的變化特點，了解衡陽市GI空間格局的變化。MSPA方法是從像元層面識別出對景觀連通性具有重要意義的結構類型，但是該方法對景觀的研究尺度比較敏感，結合其他研究的分析結果，本研究選擇30 m的分辨率，避免相關重要信息丟失。通過利用MSPA方法、景觀格局指數法的分析，發現2015—2019年衡陽市的GI空間之間的連接性降低，斑塊之間的作用力不強，景觀破碎化程度加重。

初始階段關于GI的研究，出現了一些經典文章，引起了大量學者的關注，極大地推動了GI研究的發展。景觀規劃師、建筑師、經濟學家以及地理、生態學家等基于不同的學科背景，展開了對GI在解決和緩解環境、氣候問題，GI網絡的規劃、構建，GI的建設成本、政策，GI與人體健康、人類福祉，GI的公眾認知、參與等各方面問題的探討。關于GI的研究經過多年的發展，隨著學者對GI的認知不斷深入，已經形成多學科交叉合作的繁榮景象。GI是一個跨學科、綜合性的應用領域，研究、實踐天平的兩端是生態價值和人文價值，天平失衡無法發揮GI最大的價值。我國關于GI的研究尚存在3點不足：（1）相關研究證實GI在改善環境方面有正向作用，但是GI要素的布局、幾何形態、結構特征、城市人口密度等因素的影響，可能導致GI產生的效果存在空間布局、影響范圍、作用效果等方面與實際需求的錯位。（2）驅動力研究。在城市發展過程中，GI網絡中的斑塊、廊道、場地、踏腳石會移動、消失和形成，致使GI網絡格局、GI效益出現變化。在自然、社會因素變化的過程中，不同驅動因子對GI變化的影響力不同，不同驅動因子之間的復合效果存在差異。（3）績效評估研究。GI在環境、生態問題以及提升人類福祉等多個方面具有積極作用，構建綜合的績效評估標準，有助于降低經濟成本，加快GI體系建設。

歷史車輪滾滾向前，城市建設的步伐未曾停止，城市風貌的同質化現象未曾減弱。GI不僅可以提供緩解城市洪澇災害、恢復城市生境、提升城市空氣質量等基礎性生態服務，也可以從審美、文化、公眾參與角度提升人體健康、改善人居環境質量。GI的規劃建設代表了以社會和美學為導向的綠色空間規劃和生態規劃的進步。