基于GF-2和MSPA的綠地空間格局分析

裴婷婷 朱玉泉 陳 朔 陳小平

摘要 綠地形態特征對其生態和文化功能發揮有一定影響。本文基于高分二號（GF-2）高分辨率遙感數據，在ArcGIS 10.7和ENVI 5.1軟件支持下，構建了TY市綠地信息數據庫，采用形態學空間格局分析方法（MSPA）分析了研究區綠地格局特征，探討綠地核心區、孤島區、環島區、孔隙區、邊緣區、橋接區和支線區分布特點。結果表明，研究區綠地空間布局有待優化，特大型綠地斑塊和大型綠地斑塊數量相對較少，中小型斑塊數量多，破碎化現象嚴重。核心區多以公園為主，孤島區以居住區綠地和附屬綠地為主，受人類活動影響較大，連通性有待進一步提升。針對該市綠地結構現狀和空間布局實際情況，本研究提出以下建議：進一步優化綠地空間布局和結構，充分利用城市水系，發展帶狀綠地，充分利用口袋公園建設契機，以豐富居民的休閑空間。

關鍵詞 綠地格局；形態學空間格局分析方法；形態分析

中圖分類號 S731.2 文獻標識碼 A ?文章編號 1007-7731（2024）07-0058-04

Analysis of green space pattern based on GF-2 and MSPA

PEI Tingting1? ? ZHU Yuquan2? ? CHEN Shuo2? ? CHEN Xiaoping2

（1School of Food and Environment， Jinzhong College of Information， Jinzhong 030800， China;2College of Urban and Rural Construction， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， China）

Abstract The morphological characteristics of green spaces had a certain impact on their ecological and cultural functions. This article was based on high-resolution remote sensing data from GF-2， and with the support of ArcGIS 10.7 and ENVI 5.1 software， a TY city green space information database was constructed. The morphological spatial pattern analysis method （MSPA） was used to analyze the characteristics of the green space pattern in the study area， exploring the distribution characteristics of the green space core area， isolated island area， roundabout area， pore area， edge area， bridging area， and residual area. The results indicated that the spatial layout of green spaces in the study area needs to be optimized， with a small number of super large and large green patches， a large number of small and medium-sized patches， and severe fragmentation. The core area was mainly composed of parks， while the isolated island area was mainly composed of residential green spaces and ancillary green spaces， which were greatly affected by human activities and require further improvement in connectivity. Based on the current situation of green space structure and actual spatial layout in the city， this study proposed the following suggestions： further optimize the layout and structure of green space， fully utilize the urban water system， develop strip green space， fully utilize the opportunity of pocket park construction， and enrich the leisure space of residents.

Keywords green space pattern; morphological spatial pattern analysis method（MSPA）; morphological analysis

城市綠地作為城市不可或缺的組成部分，在緩解城市熱島效應、凈化空氣、美化環境、調節地表徑流以及提供康養環境等方面有重要的生態價值和文化服務價值[1-2]。隨著生活水平的提高，綠地在城市中扮演的角色越來越重要，綠地的數量、空間分布格局會影響居民的生活環境和城市形象[3]。因此，高效率、高質量評估城市綠地空間格局特征具有重要的參考意義。相關研究多基于TM或SPOT等中分辨率衛星影像數據，采用景觀格局指數分析綠地空間分布特征[4]、景觀格局優化[5]、景觀格局時空演變動態及驅動機制[6-7]，城市綠地形態學方面研究較少。形態學空間格局分析方法（MSPA）是利用腐蝕、擴張、開運算和閉運算等算法將圖形進行分割、識別和分類的圖像處理方法，主要用于描述景觀要素在空間上的幾何排列和連通性[8-10]，為城市綠地空間形態相關研究提供了視角，目前已被應用于綠地格局分析、生態網絡構建、棲息地環境建設和熱環境改善等領域[11-14]。洪婷婷等[13]基于形態空間格局分析方法（MSPA）探究了城市綠色基礎設施與熱環境的關系，并提出了基于熱環境改善的MSPA優化方法。

綠地形態結構直接影響其功能發揮效果，如分散布局和集中布局的綠地降溫效果有明顯差異。因此，明晰城市綠地空間分布的形態特征，分析總結綠地建設空間布局現狀，對優化土地利用水平和提升人居環境質量具有重要意義。本研究基于高分二號（GF-2）高分辨率遙感數據，通過ENVI 5.1軟件進行預處理、監督分類及目視解譯等，提取城市不同用地類型，構建TY市綠地信息數據庫，將用地類型圖導入GuidosToolbox軟件，基于MSPA方法定量分析該研究區綠地空間布局特征，總結綠地結構現狀和空間布局實際情況。在此基礎上提出相應的對策與建議，為研究區城市綠地布局優化及建設提供依據，同時為其他城市的綠地建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

TY市位于37°27′～38°25′N，111°30′～113°09′E，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年均降水量約456 mm。研究區范圍是該研究區的JCP區、JY區、WBL區、XD區、XHL區和YZ區6個行政區域。

1.2 數據來源

GF-2是自主研發的光學對地衛星，其分辨率較高，具有定位精度高的特點，已被廣泛用于國土資源調查、景觀空間格局分析和災害監測等方面[15]。本研究以TY市GF-2遙感數據為基礎。

1.3 數據處理方法

1.3.1 預處理? 使用ENVI 5.1對GF-2號遙感影像進行預處理，具體包括正射校正（Geometric correction）、圖像融合（Extensions）和影像裁剪（Regions of interest）等步驟。

1.3.2 綠地斑塊分布? 選用監督分類方法對研究區用地類型進行分類，將其分為綠地、建設用地、水體、道路用地和裸地5個部分。在此基礎上，結合BIGMAP矢量數據、地圖與實地調研，通過目視解譯對土地利用類型進行校正和完善，提高遙感數據的解譯精度，最終將其分為道路、水系、公園綠地、建設用地、裸地、建設用地、耕地和綠地。最后，運用混淆矩陣對土地利用類型數據進行精度驗證，總體精度達到了91.1%，Kappa系數為0.85，符合研究需要[16]。本文主要研究該地區綠地空間，根據實際，本研究將研究區內的綠地斑塊按照其面積大小劃分為4個等級：≤1 hm2為小型斑塊；1～10 hm2為中型斑塊；10～50 hm2大型斑塊；≥50 hm2為特大型斑塊。

1.3.3 綠地空間格局? MSPA方法作為一種形態分析法而被引入生態網絡分析中，可被運用到不同尺度的生態網絡規劃與評價中。城市綠地具有網絡結構性、連通性和整體性等特點[17-18]，符合使用MSPA方法的基本要求。基于MSPA方法，可將城市綠色基礎設施、生態用地等劃分為核心區（Core）、孤島（Islet）、邊緣（Edge）、連接橋（Bridge）、分支（Branch）、環（Loop）和穿孔（Perforation）7類互不重疊的景觀單元。通過景觀單元劃分，能評估城市綠地的空間形態特征，從而更精確地分辨景觀類型與結構，有利于形成更合理的城市綠地系統空間形態與結構。

以TY市主城區GF-2號遙感影像解譯的土地利用類型數據為基礎，首先用ArcGIS 10.7軟件將綠地設置為前景數據，其余用地類型為背景數據，導出10 m×10 m像素大小的二值柵格圖。隨后將其導入GuidosToolbox軟件中，選取八鄰域法則對數據進行分析。最終得到TY市主城區基于MSPA方法的綠地景觀類型分類，并統計其面積，具體包括核心區、孤島、穿孔、邊緣、環、連接橋和分支7類。

2 結果與分析

2.1 不同等級綠地斑塊分布特征

從表1可以看出，綠地斑塊較分散，且中心城區綠地斑塊面積較小。各行政區不同等級綠地斑塊的數量和面積見表1。

從研究區綠地整體分布來看，不同等級綠地斑塊數量和面積差異較大。具體表現：特大型斑塊（22塊），占綠地總面積的10.28%；小型斑塊（265 771塊），占綠地總面積的8.33%；特大型、大型斑塊數量略偏少，在各行政區內分布不均勻，呈現“中心少、四周多”的分布特征；老城區以中小型綠地斑塊為主，說明城市化發展過程中綠地破碎化占比較高。此外，各行政區中不同等級綠地斑塊的數量和面積差異較大，如研究區特大型斑塊總共22個，其中JCP區占了13個，而WBL區和YZ區特大型斑塊均為1個；YZ區中型斑塊數量只有WBL區和XD區的50%左右。因此，城市規劃中可采取以點帶面和見縫插綠的方法，提升老城區的中小型斑塊的連通性和質量。另外，還可利用口袋公園的建設契機，充分提升綠地斑塊的綜合功能，加強各類型綠地斑塊的連通性。

2.2 綠地空間格局分析

由表2可知，各類型綠地在數量和面積上分布不均勻。從綠地整體布局上看，各景觀類型占綠地總面積比例為核心區（33.80%）>孤島區（20.65%）>邊緣區（16.98%）>支線區（13.12%）>橋接區（12.29%）>環島區（2.85%）>孔隙區（0.31%）。其中，核心區總面積為3 366.42 hm2，在綠地總面積中占比為33.80%。核心區整體分布不均勻，以公園綠地為主，在人群密集的中部老城區分布較少，呈現出北部密集、中部稀疏的分布特征，南部地區少部分公園綠地面積較大，小面積公園綠地分布較少；孤島區面積為2 057.00 hm2，占綠地總面積的20.65%，孤島區在整個生態網絡中較為孤立，主要用作居住區綠地及其他附屬綠地，在研究區范圍內分布呈現破碎狀；邊緣區總面積為1 691.44 hm2，在綠地總面積中占比為16.98%，僅次于綠地核心區和孤島區面積；橋接區面積占綠地總面積的12.29%，其在城市生態網絡構建中可起到連接的作用；支線區面積僅占綠地總面積的13.12%，支線斑塊對研究區綠色空間連通性的提升作用有效；孔隙區和環島區面積在綠地總面積中占比最小，分別為0.31%和2.85%。各綠地斑塊生態功能發揮受人類活動影響較大，景觀連通性有待進一步提高。因此，規劃建設過程中，應改善城市綠地空間格局的形態結構，以保護和增加核心區面積為主，同時提高各類型綠地斑塊間的連通性，提升綠地空間分布的整體性。

3 結論與討論

本文基于GF-2高分辨率遙感數據，在ArcGIS和ENVI 5.1軟件支持下，構建了TY市主城區綠地信息數據庫，并采用MSPA生態網格分析方法定量分析該區域綠地空間格局特征。結果表明，研究區主城區綠地空間分布有待優化，特大型綠地斑塊和大型綠地斑塊數量較少，中小型斑塊數量多，破碎化現象較嚴重。核心區多以公園為主，孤島區以居住區綠地和附屬綠地為主，容易受到人為活動影響，景觀連通性有待提高。

針對研究區綠地結構現狀和空間布局存在的短板，本研究提出以下建議。進一步優化綠地空間布局和結構，通過保護和增加核心區（公園綠地）數量和面積，適當增加中小型斑塊的面積，同時提升其連通性和景觀多樣性，構建能夠覆蓋全區域的生態網絡體系，降低斑塊間的破碎度，提升空間連通性，逐漸縮小各個行政區間綠地斑塊的覆蓋差異。充分利用城市水系，發展帶狀綠地，構建藍綠空間體系，完善基礎設施及服務，提升景觀生態系統質量。充分利用口袋公園建設契機，增加和提升核心區的數量、面積和質量，并完善相關管理機制，以豐富居民的休閑空間。

參考文獻

[1] 汪雪淼，孟慶巖，趙少華，等. GF-2在城市綠地分類及景觀格局度量中的應用[J]. 地球信息科學學報，2020，22（10）：1971-1982.

[2] 孟雪松，歐陽志云，崔國發，等. 北京城市生態系統植物種類構成及其分布特征[J]. 生態學報，2004，24（10）：2200-2206.

[3] 陳可心，潘雨. 大理市城市綠地結構及空間分布格局研究[J]. 綠色科技，2020（19）：24-25，29.

[4] 高峻，楊名靜，陶康華. 上海城市綠地景觀格局的分析研究[J]. 中國園林，2000，16（1）：53-56.

[5] 魏緒英，蔡軍火，葉英聰，等. 基于GIS的南昌市公園綠地景觀格局分析與優化設計[J]. 應用生態學報，2018，29（9）：2852-2860.

[6] 劉鐵冬，張佳佳，李羽佳. 基于GIS技術的城市綠地景觀格局動態變化：以哈爾濱市主城區為例[J]. 東北林業大學學報，2014，42（8）：65-68，74.

[7] 李衛鋒，王仰麟，彭建，等. 深圳市景觀格局演變及其驅動因素分析[J]. 應用生態學報，2004，15（8）：1403-1410.

[8] 蘇王新，張劉寬，常青. 基于MSPA的街區藍綠基礎設施格局及其熱緩解特征[J]. 生態學雜志，2022，41（6）：1173-1181.

[9] VOGT P，RIITTERS K. GuidosToolbox：universal digital image object analysis[J]. European journal of remote sensing，2017，50（1）：352-361.

[10] OSTAPOWICZ K，VOGT P，RIITTERS K H，et al. Impact of scale on morphological spatial pattern of forest[J]. Landscape ecology，2008，23（9）：1107-1117.

[11] NIELSEN A B，HEDBLOM M，OLAFSSON A S，et al. Spatial configurations of urban forest in different landscape and socio-political contexts：identifying patterns for green infrastructure planning[J]. Urban ecosystems，2017，20（2）：379-392.

[12] 于亞平，尹海偉，孔繁花，等. 基于MSPA的南京市綠色基礎設施網絡格局時空變化分析[J]. 生態學雜志，2016，35（6）：1608-1616.

[13] 洪婷婷，黃曉輝，鄧西鵬，等. 基于MSPA的城市綠色基礎設施與熱環境關系研究：以福州市中心城區為例[J]. 中國園林，2023，39（10）：97-103.

[14] 危小建，孫顯星，謝亞娟. 基于MSPA的全國主要城市綠地形態時空變化[J]. 江蘇農業科學，2020，48（24）：260-267.

[15] 晉成名，景海濤. 城市綠地信息提取及空間格局分析研究[J]. 測繪與空間地理信息，2019，42（11）：105-107.

[16] DEWAN A M，YAMAGUCHI Y，ZIAUR RAHMAN M. Dynamics of land use/cover changes and the analysis of landscape fragmentation in Dhaka Metropolitan，Bangladesh[J]. GeoJournal，2012，77（3）：315-330.

[17] 戴菲，畢世波，陳明，等. 基于MSPA與混淆矩陣的綠地系統格局演化及其驅動因子研究：以倫敦為例[J]. 中國園林，2020，36（11）：34-39.

[18] 蘇同向，王浩，費文軍. 基于綠色基礎設施理論的城市綠地系統規劃：以河北省玉田縣為例[J]. 中國園林，2011，27（1）：93-96.

（責編：張 蓓）

基金項目 山西省高等學校教學改革創新項目（J20221473）；山西省研究生創新項目（2023KY325）。

作者簡介 裴婷婷（1987—），女，山西晉城人，碩士，講師，從事風景園林規劃與設計、園林植物應用與園林生態研究。

通信作者 陳小平（1989—），男，河南信陽人，博士，副教授，從事風景園林規劃與設計、園林植物應用與園林生態研究。