基于MSPA與電路理論的贛州市綠色基礎設施網絡構建

袁逸敏 李沛鴻 熊凡

摘要 以基于形態學空間格局分析法（MSPA）和景觀連通性指數識別確定生態核心區斑塊，通過最小累積阻力模型（MCR）創建生態源地間的連接廊道，并且根據電路理論識別連接廊道中的生態夾點，由生態源地、生態廊道和生態夾點共同構建贛州市綠色基礎設施網絡。結果表明，MSPA能夠依靠土地利用數據將研究區分成不同景觀功能的景觀要素類型，基于Conefor軟件計算的各斑塊的斑塊重要性指數可以有效地篩選出重要的核心斑塊作為生態源地，使生態源地的識別更符合景觀生態學意義。最終篩選出共12個生態源地，總面積1 421 307.54 hm2，生成生態廊道25條。結合景觀學和電路理論，以GIS平臺為基礎構建的綠色基礎設施網絡能夠為贛州市綠色基礎設施完善、物種多樣性保護與生態空間合理規劃提供科學依據。

關鍵詞 形態學空間格局分析；景觀連通性；綠色基礎設施；電路理論

中圖分類號 TU984? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）12-0015-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.12.003

Construction of Green Infrastructure Network in Ganzhou City Based on MSPA and Circuit Theory

YUAN Yi-min，LI Pei-hong，XIONG Fan

（School of Civil and Surveying & Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000）

Abstract The patches in the ecological core area were identified based on morphological spatial pattern analysis （MSPA） and landscape connectivity index， and the connecting corridors between ecological sources were created through the minimum cumulative resistance model （MCR）. The ecological pinch points in the connecting corridors were identified according to the circuit theory， and the green infrastructure network of Ganzhou City was constructed by ecological sources， ecological corridors and ecological pinch points.The results showed that MSPA analysis method could divide the research into landscape elements with different landscape functions based on land use data， the patch importance index of each patch calculated by Conefor software could effectively screen out the important core patches as ecological sources，which made the identification of ecological sources more consistent with the significance of landscape ecology.Finally，a total of 12 ecological sources were screened，with a total area of 1 421 307.54 hm2，and 25 ecological corridors were generated.Combining landscape science and circuit theory，the green infrastructure network constructed based on GIS platform can provide scientific basis for improving green infrastructure，protecting species diversity and rational planning of ecological space in Ganzhou City.

Key words Morphological spatial pattern analysis （MSPA）;Landscape connectivity;Green infrastructure;Circuit theory

基金項目 國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202010407010）。

作者簡介 袁逸敏（1998—），女，安徽銅陵人，碩士研究生，研究方向：綠色基礎設施規劃。*通信作者，教授，碩士生導師，從事工程測量、遙感影像處理研究。

收稿日期 2022-07-07

隨著我國經濟的不斷發展，資源開發、工業生產中產生的生態問題也逐漸突顯出來。生態斑塊面積減小和破碎化造成了景觀連通性降低，不利于保護生物多樣性與生態系統的穩定性。近年來，國家強調綠水青山就是金山銀山的理念，要求努力做到生態優先、綠色發展［1］。生態網絡優化成為可持續發展的有效途徑。

綠色基礎設施（green infrastructure，GI）是指一個相互聯系的綠色空間網絡，由各種開敞空間和自然區域組成，包括綠道、濕地、雨水花園、森林、鄉土植被等，這些要素組成一個相互聯系、有機統一的網絡系統。該系統可為野生動物遷徙和生態過程提供起點和終點。國外已將GI網絡作為維持生態平衡、保護生態安全格局的重要方法［2-3］。

國內圍繞GI構建方法進行了許多研究，如許峰等［4］根據形態學空間格局分析法（MSPA）和最小累積阻力模型（MCR）構建了巴中西部新城GI網絡，為高度破碎化地區的生態網絡建設提供了重要的參考；李怡等［5］基于InVEST模型進行生態源地及其緩沖區識別，并以奉新縣為例，從縣域尺度上對生態安全格局建設和生態保護紅線優化設計提出了合理建議；李瑾等［6］基于ArcGIS水文分析工具，以常州市金壇區為例，構建生境網絡和游憩網絡相結合的復合網絡［6］。也有學者從各區域不同的土地利用情況角度出發對GI網絡構建方法進行探索，如鄧金杰等［7］針對如今高度城市化的城市提出了如何優化GI網絡以保證城市對于綠色空間的生態服務功能的需求；趙萬民等［8］以重慶九龍坡區新城為例，從生態文明的角度出發對山地城市的GI規劃給出了新的管控思路。當前對綠色基礎設施網絡構建的方法日益豐富，但在生態源地的篩選上對景觀生態學的意義考慮較少。該研究利用MSPA分析法，結合景觀連通性評價、MCR模型和電路理論，基于多源地理信息數據，掌握了贛州市綠色空間分布現狀，識別出贛州市關鍵生態保護源地并構建潛在生態廊道，為贛州市的綠色基礎設施規劃提供合理依據，同時探索了生態源地識別和GI網絡構建方法的優化與創新。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

贛州市是江西省面積最大的地級市，總面積39 379.64 km2。地形以山地、丘陵、盆地為主，如圖1所示。贛州市山地多平原少，土地利用類型具有較強的地域性，以林地居多，占地25 820.05 km2，約占贛州市總面積的65.57%，植物與動物資源豐富。贛州市雖然擁有豐富的自然資源和生態資源，但隨著對自然資源開發利用的強度不斷提升，生態環境問題也逐漸突顯出來，例如礦山開采導致環境恢復難度大，森林質量不高導致生物多樣性保護形勢嚴峻、水土流失嚴重等。

1.2 數據來源與預處理

該研究數據主要有贛州市30 m分辨率土地利用數據，來自GlobeLand30，根據研究需要和《土地利用現狀分類》，將數據重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地共6類；DEM數據為30 m空間分辨率，來自地理空間數據云平臺；路網數據、水系數據和居民地數據來源于OpenStreetmap平臺，并根據研究區邊界提取和裁剪獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 基于MSPA的景觀類型分析。MSPA區別于傳統的直接將自然保護區或其他生態要素作為生態源地進行GI

網絡構建，它是一種結合了腐蝕、膨脹、開運算、閉運算等數

學形態學原理的像元級景觀要素分析方法。MSPA可以基于研究區土地利用柵格數據，通過ArcGIS將其重分類為前景與背景，并在GuidosToolbox軟件中對二值化的柵格圖像進行分析。該研究將研究區的土地利用柵格數據中的林地和水域作為前景，耕地、草地、建設用地和未利用地作為背景，采用八鄰域分析方法，根據土地利用柵格數據像元大小設置柵格單元大小為30 m×30 m，邊緣寬度1（30 m），最終得到互不重疊的8類景觀類型要素，包括核心區、橋接區、環道、支線、島狀斑塊、邊緣區、孔隙和背景。

1.3.2 生態阻力面的構建。

物種遷徙以及自然能量交換與流通過程中，自然環境的異同和人類活動的干擾都會造成不同程度的影響，在不同的景觀單元或生境斑塊中移動會受到不同程度的阻力。該研究基于前人的研究成果［9-13］，結合研究區自身的情況，選擇了高程、坡度、地形起伏度、與水系距離4個生態風險因子，土地利用類型和MPSA景觀類型作為土地覆被因子，與鐵路距離、與高速公路距離、與其他道路距離、與居民地距離作為人為干擾因子，共10個阻力因子。生態阻力系數反映了生態過程中景觀異質性的影響，基于改進的層次分析法，對阻力因子賦予適宜的權重，通過柵格疊加獲得研究區綜合生態阻力面。結合以上10個因子與改進的層次分析法得到的生態阻力系數能夠更加客觀地表現不同類型斑塊之間物質流、信息流和生態流的生態過程。各阻力因子阻力值與阻力系數如表1所示。

1.3.3 綠色基礎設施網絡構建。

1.3.3.1 景觀連通性分析。

生態源地的識別是綠色基礎設施網絡構建最重要的步驟。該研究以景觀連通性指數作為識別生態核心區的重要指標。景觀連通性是指景觀促進或阻礙物種在生境斑塊間運動的程度，對生態系統服務、動植物基因交流的保護以及景觀規劃等都具有重要影響作用。該研究首先將MSPA得到的核心區斑塊進行篩選，刪去細碎斑塊，再基于Conefor2.6軟件，計算各斑塊的景觀連通性指數。該研究利用景觀連通性指數中的可能連接性指數（PC）、整體連接性指數（IIC）和斑塊重要性指數（dPC）來評價研究區各斑塊的景觀連接度。選擇dPC作為識別生態源地的標準。相關計算公式如下［14］：

PC=（ni=1nj=1pijaiaj）/A2L（1）

IIC=（ni=1nj=1aiaj1+nlij）/A2L（2）

dPC=（PC-PCremove）/PC×100%（3）

其中，pij是物種在斑塊i和j之間擴散的最大可能性；ai和aj是斑塊i和j的面積；AL是包括景觀要素和非景觀要素的總面積；n為斑塊總數，lij是斑塊i和斑塊j之間的連接數量；PCremove是斑塊移除后的可能連接性指數。

1.3.3.2 連接廊道構建。

構建連接廊道的方法目前使用最多的是基于最小累積阻力模型（MCR）利用ArcGIS構建最小成本路徑作為連接廊道，工作量大且操作煩瑣。同樣是基于MCR模型的Linkage mapper工具箱提高了工作效率，而且避免了產生需要后期二次篩選的冗余廊道［15］。Linkage mapper工具箱可以基于MCR模型生成斑塊之間的最小成本路徑，且只需設置廊道的長度閾值。MCR模型的公式如下：

MCR=fmini=mj=n（Dij×Ri）（4）

其中，MCR為最小累積阻力值，Dij為從源地j到景觀單元i的空間距離，Ri為景觀單元i的生態阻力系數，f為最小累積阻力與生態過程的正相關系數。

Circuitscape工具基于電路理論中的連接度模型與圖論的數據結構，根據電流密度高低識別并繪制最小成本路徑中夾點區域；其將整個景觀看作一個導電表面，而景觀中的生物看作是一個游走的電荷，斑塊邊緣則是電荷經過的電阻。這個工具將有利于生態物質交流的用地斑塊賦予較低的電阻，反之則越高。電流密度就是單個像元的電流大小，以此判斷生物經過該像元的可能性大小。所以電流密度越大的區域對景觀的連通性影響也越大，相應重要景觀要素的缺失可能會造成物種遷徙阻礙等問題。

2 結果與分析

2.1 MSPA景觀要素識別

該研究根據研究區土地覆蓋特征，選擇林地和水域作為MPSA分析的前景要素，其他用地類型作為背景要素，得到7種景觀類型用地的統計結果，如表2所示。研究區核心區面積為2 006 825.40 hm2，占自然景觀要素總面積的76.25%，在研究區內分布廣泛，一般視為生態功能和服務的核心區域，能夠作為物種棲息地。邊緣區總面積為248 069.52 hm2，占自然景觀要素總面積的9.42%，它具有較高的植被覆蓋率，其邊緣效應可以保護核心區不受干擾。

2.2 綜合阻力面的構建

如圖2所示，通過對10個阻力因子進行分級并賦予阻力值形成了單因子阻力圖。從圖2可以看出，研究區呈現出周高中低的地勢特點，城鎮周圍地勢逐漸變緩，山體附近林地覆蓋集中，但海拔較高以及坡度和地形起伏度大的區域同樣不利于生態過程的進行（圖2a～c）。研究區內水系呈輻射狀向章貢區匯集，豐富的水資源給生物繁衍提供了良好的基礎，距離水體越近受到的阻力越小（圖2d）。研究區建設用地分散，經土地利用數據統計得到，

研究區建設用地103 056.57 hm2，占研究區總面積的2.62%，相比于其他城市的建設用地面積占比相對較小，主要集中在章貢區，在土地利用類型因子阻力圖中呈現出較高的阻力值（圖2e）。MSPA分析結果中的核心區有較低的阻力值，均處在林地較為連續、較少受到人類活動干擾的區域（圖2f）。研究區內的鐵路、高速公路和道路呈網狀分布，居民地分布零散，距離道路和居民地越近，阻力值最大，在遠離道路的過程中，對生態活動的阻力也逐漸減小（圖2g～j）。

通過柵格計算器將10個單因子阻力柵格圖按表1分配的阻力系數進行疊加分析，并得到研究區綜合阻力面，如圖3所示。從圖3可以看出，研究區綜合阻力值最高的區域以建設用地居多，道路經過的地區也表現出較高的阻力值，說明根據改進的層次分析法獲得的各因子阻力系數符合研究區實際情況，為生態核心斑塊的篩選提供了科學依據。

2.3 景觀連通性分析

該研究在MSPA生成的核心區板塊中，根據研究區生態環境特點，最終選取面積大于12 hm2的77個核心斑塊。基于Conefor2.6軟件對77個核心斑塊進行進一步篩選，設置連通閾值為2 500 m，連通概率為0.5，計算出各斑塊的景觀連通性指數，如表3所示。該研究選取斑塊重要性指數（dPC）>5的生態斑塊作為構建GI網絡的生態源地，共有12個，總面積1 421 307.54 hm2。從圖4可以看出，研究區內重要生態源地主要分布在贛州市南部地區，包括九連山自然保護區、金盆山森林公園、三百山風景名勝區；研究區北部生態源地分布在凌云山、翠微峰、均福山、贛江源自然保護區，研究區西部生態源地分布在齊云山自然保護區、陽明湖風景區，研究區東部生態源地分布在武夷山山脈附近，研究區中部生態源地分布在羅田巖森林公園附近。研究區內生態源地以森林所在地為主，包括一些湖泊和河流，生態狀況良好，適合物種的生存和棲息，是自然能量和物質交流的核心區域。研究區生態源地主要集中分布在南部地區，而北部的核心斑塊偏少，不利于物種遷徙，景觀連通性較差。

2.4 綠色基礎設施網絡分析 該研究利用Linkage mapper工具箱生成生態源地之間的生態廊道，共得到廊道25條，總長247.13 km。在ArcGIS 10.7中調用Circuitscape，對各廊道上的生態夾點位置進行提取。根據相關研究［16］，此處的廊

道寬度閾值設置不會使該區域內生態夾點的位置發生改變，該研究將廊道寬度閾值設置為1 000 m，并采用“all-to-one”的模式進行計算，最終得到研究區的電流密度圖，如圖5所示。從圖5可以看出，連接廊道中電流密度較高的區域即為生態夾點區域。研究區的生態夾點區域呈條帶狀分布在連接廊道附近，是綠色基礎設施網絡的重要生態節點，其分布情況也顯示出該條連接廊道的景觀連通重要性。研究區內建設用地最為密集的章貢區附近的連接廊道的平均電流密度值較大，生態阻力較強，需要增設或完善該區域的綠色基礎設施建設，如適當開發公園和擴大城市綠化面積等。

3 結論與討論

（1）該研究根據贛州市土地利用類型特征進行生態源地的識別。首先，使用MSPA將贛州市分為生態核心區和其他6種景觀要素類型，從景觀學角度對生態重要斑塊進行初步分類；其次，將MSPA得到的核心區斑塊進一步篩選，得到面積相對較大且整體性較強的核心區斑塊；最后，在此基礎上，基于Conefor2.6依據景觀連通性指數對斑塊重要性進行描述和評價，篩選出最終的生態源地斑塊。該研究沒有直接將已有的自然保護區作為生態源地，避免了生態源地選擇的單一性，同時針對贛州市綠色空間面積占比較大的特點，在生態源地的選擇上明確了各斑塊的生態重要性。

（2）在構建綜合阻力面的過程中，確定各阻力因子的阻力系數尤為重要。該研究采用改進的層次分析法，通過參考多篇文獻的阻力因子系數，結合層次分析法和熵權法確定阻力系數，使結果更具客觀性，為連接廊道的構建提供了依據。

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