四川省主要城市市域绿色基础设施形态学空间分析及景观组成研究

谢于松

范惠文

王倩娜*

罗言云

王 霞

1 研究背景

伴随中国的经济发展，城市的快速扩张、人口的增长和农村地区城镇化进程的加快使乡村和自然生境收缩[1]，进一步导致生态孤岛或散落的景观斑块的形成，使生态连续性下降、生境破碎化程度加剧。为应对这一趋势，需要转换思维，将自然生境空间作为可持续发展所依托的“绿色基础设施”进行考虑。

绿色基础设施(Green Infrastructure，GI)是一类能够提供生态服务及功能支持的基础设施系统。GI要素包括中心(hub)和连接(link)，其核心理念在于将自然区域和其他开放空间组成相互连接的生态网络，提高生态系统的连续性和抗干扰能力。构建GI网络有利于保存自然生态系统的价值和功能，维持洁净的空气和水体，维护人类和生物的利益，促进城市可持续发展[2]。

近年来，一种偏向测度结构连接性的形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)方法被引入到GI网络分析中。MSPA是Soille[3]等学者基于腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学形态学原理，对栅格图像的空间格局进行度量、识别和分割的一种图像处理方法，能够更加精确地分辨景观类型与结构。它将森林、湿地等自然生态要素作为前景，其他要素如建设用地等作为背景，并通过一系列图像处理方法将前景按形态分为7类互不重叠的GI网络结构要素[3-4](表1)。基于GI理论，已有多位国内外学者运用MSPA方法对GI展开研究，如Wickham[4]等采用MSPA方法对全美GI网络结构要素进行不同边缘宽度的统计、分析及评价；刘颂[5]等运用MSPA与景观连接度、最短路径分析有机结合的方法建立了长三角苏锡常地区区域尺度GI规划框架，验证了利用MSPA进行区域GI规划辅助的可能性；于亚平[6]等利用MSPA方法识别南京市3个时期的GI网络结构，进行时空上的定量评价，为市域GI网络的规划和优化提供参考；吴银鹏[7]等通过MSPA方法识别成都市多个年份的GI网络结构并定量对比分析，构建斑块廊道的重要性分级体系，明确了GI网络结构要素的重要性及其空间分布。整体而言，应用MSPA方法对区域和市域尺度GI网络展开的分析和研究较为广泛，形成了相对成熟的技术方法。但我国的相关研究对象以沿海、东部地区或西部核心城市为主，且多集中于单个城市，对多个城市间GI网络差异性的探讨较为欠缺。伴随我国城镇化进程的加深，在城市建设用地扩展与林地、耕地保护的矛盾日益加剧的大背景下，针对西部地区多个城市GI展开形态学空间分析，并研究其土地利用组成特征是十分有必要的。

基于以上背景，本研究选取四川境内覆盖成渝城市群生态屏障面积较广的13个主要城市为研究对象，运用MSPA方法与景观生态学理论，针对各城市市域尺度下的GI展开形态学空间分析、土地利用景观组成分类及特征分析。研究旨在明确成渝城市群四川境内不同城市在市域尺度下，GI网络结构要素及其景观组成的相似性与差异性，研究结果能够为客观认识各城市的GI形态及其景观构成提供依据，并依此提出相应的GI网络规划和空间管制建议，为成渝城市群生态网络构建和规划保护提供重要参考。

2 研究对象及数据

2.1 研究区域概况

成渝城市群是我国九大国家级城市群之一，地处西部长江上游地区，生态区位重要而特殊，覆盖我国大量的重要水源保护地和生态涵养区，是维护长江上游乃至我国生态安全的重要战略区域[8]。本研究选择覆盖成渝城市群大面积生态屏障的四川境内主要城市作为研究对象(图1)，包括自贡、泸州、德阳、绵阳、遂宁、内江、乐山、南充、眉山、宜宾、广安、达州和资阳13个城市，研究区域地理范围为东经102°82＇～ 106°67＇、北纬27°66＇～33°03＇，总面积约129 972km2，占成渝城市群总面积的72.41%[8]。研究区域属亚热带季风气候，热量充足，雨量丰富，自然生态环境良好，森林资源丰富，生物资源种类繁多，在成渝城市群生态网络构建和保护中占有重要地位。

表1 MSPA的景观类型及其生态学含义

2.2 数据来源及预处理

基于云量少、无遮挡的原则，选取2015年6—8月四川省13个主要城市的Landsat卫星TM/ETM遥感影像[9]，辅以四川省2015年土地利用分类图[10]进行数据叠加处理。

在ENVI5.3软件内完成辐射定标、FLAASH大气校正、镶嵌和行政边界裁剪[11]等预处理后，获得各城市的遥感影像图。基于归一化差分植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)提取各城市遥感影像图中的所有绿地类型(含耕地、林地、草地、城市绿地等)，基于归一化差分水体指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)提取水域范围，结合高精度遥感影像及实地调研对提取结果进行修正，尽可能提高研究数据的准确性。而后，在ArcGIS中将各城市GI要素(含绿色植被及水域)合并为前景，赋值为1，将其余非GI要素作为背景，赋值为0，获得13个城市30m×30m二值栅格图。

3 研究方法

3.1 绿色基础设施形态学空间分析

利用Guidos Toolbox软件，采用八邻域分析方法，对各城市30m×30m二值栅格图进行MSPA分析。其中，边缘宽度按各城市核心区所占比例的最高值选取，将GI破碎度指标作为13个城市数据筛选的统一变量进行数据预处理。分析得到13个城市基于MSPA的GI网络结构要素分布图、面积及其所占百分比数据。

3.2 绿色基础设施景观组成分析

图1 研究区域范围 (改绘自参考文献[8])

为剖析7类GI网络结构要素与土地利用类型的关系，明确其土地利用构成，进一步对7类网络结构要素的景观组成展开分析。处理过程为：将13个城市的土地利用分类图按编号属性在ArcGIS10.3中进行重新分类，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种土地利用类型[12]。用ArcGIS对MSPA网络结构要素图及土地利用分类图进行叠加分析，并完成相应构成数据的统计。

3.3 城市绿色基础设施景观组成层次聚类分析

为进一步明确不同城市间GI网络结构要素在土地利用上的差异性与相似性，深入认识其景观组成特征，以7类GI网络结构要素在土地利用类型上的相似程度作为分类依据进行分类。处理过程为：以13个城市的土地利用类型在GI网络中所占比例为变量因子，分别在SPSS25.0中采用层次聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis)中的Q型聚类方法，样本数据之间的亲疏程度计算采用欧式距离平方，样本与小类、小类与小类之间的亲疏程度计算采用类间平均链锁法进行聚类，采用中线法，以距离水平3为标准线对各城市GI网络结构要素进行相似程度划分[13]。

4 结果与分析

4.1 绿色基础设施形态学空间分析

四川省主要城市市域范围的GI网络结构要素组成统计如表2所示。数据显示，市域尺度下GI网络结构要素主要以绿色基底的核心区和红色基底的连接桥为主。整体而言，各城市的核心区占比为40%～80%，连接桥占比为8%～45%，二者面积总和占到城市总面积的80%以上，而城市的孤岛、穿孔、边缘、环和分支等GI网络结构要素占比较小，多在10%以下，孤岛面积均在1%以下。以上数据说明，各城市内斑块及廊道占比较高，整体GI网络状况较好。其中，不同城市间在GI网络结构要素上的差异主要表现在核心区与连接桥的比重上，以达州、自贡、乐山、德阳、泸州和绵阳(图2)为例，它们的核心区和连接桥占比显著不同。6座城市核心区与连接桥的占比均在80%以上，乐山市更是高达90.79%，但细究不同城市间核心区和连接桥的比重，达州为54.56%和30.91%，自贡为41.75%和43.51%，德阳为42.19%和38.78%，三者占比较接近，而乐山为79.66%和11.13%，泸州为61.52%和22.96%，绵阳为70.87%和10.51%，与其他3个城市差异明显。

图2 基于MSPA的GI网络结构要素分布

表2 四川省主要城市GI网络结构要素组成统计

表3 自贡市7类GI网络结构要素土地利用构成

4.2 绿色基础设施景观组成分析

各城市GI景观组成分析结果显示：城市中7类GI网络结构要素的土地利用类型主要为耕地和林地，而各种土地利用类型由于分布特征、面积等不同，在7类GI网络结构要素中的存在形式具有差异。以自贡市为例(表3)，7类GI网络结构要素中耕地面积占比61.57%～84.56%，林地面积占比15.49%～29.60%，耕地和林地总面积占比达90%以上，而水域、草地、未利用地等占比较小，水域面积占比0.10%～9.04%，草地面积占比在1%以下。同时，通过分析自贡土地利用类型在7类GI网络结构要素中的分布情况，发现耕地、林地和草地等主要以核心区和连接桥的形式存在，水域则多为连接桥的形式。

4.3 城市绿色基础设施景观组成类型及其特征

上述研究结果显示，市域尺度下，13个城市的核心区和连接桥2种GI网络结构要素占比较大，其中，核心区与连接桥的景观组成以林地、耕地为主。故选取7类GI网络结构要素中最具有代表性的两大要素——核心区与连接桥，研究其景观组成类型及特征。

核心区方面，基于层次聚类分析，可将13个城市分为以下三大类(图3)。

1)典型耕地型城市。包括南充、内江、眉山、遂宁、自贡、德阳和资阳7个城市，其核心区的景观组成特征表现为：林地与耕地面积之和在95%以上，林地与耕地比重约1:3，市域整体呈现耕地面积突出的特点，人类活动范围较广，对核心区、连接桥等GI网络结构要素的影响较明显；草地、水域和未利用地等比例较低，存在草地和水域面积较少、破碎化程度较大的情况。

图3 四川省主要城市核心区景观组成聚类分析图谱

2)耕地型城市。包括宜宾、广安2个城市，其核心区的景观组成特征表现为：林地与耕地面积之和在95%以上，林地与耕地比重约2:3，不过此类城市林地面积较为集中，且多以核心区等GI网络结构要素形式存在，占到林地总面积的70%以上，而水域、草地破碎化程度较高。

3)林地型城市。包括达州、乐山、绵阳和泸州4个城市，其核心区的景观组成特征表现为：林地与耕地比重约1:1，占核心区总面积的40%左右；林地占比较大，以耕地为表征的人为干预程度较低，景观的优势度相对较高。

图4 四川省主要城市连接桥景观组成聚类分析图谱

连接桥方面，基于层次聚类分析，可将13个城市划分为以下三大类(图4)。

1)典型耕地型连接桥。包括南充、遂宁、泸州、广安、内江、资阳和乐山7个城市，其连接桥的景观组成特征表现为：耕地面积占比达80%以上，耕地总面积大，人为活动较为频繁，对连接桥干扰程度大，城市中林地作为连接桥的较少，均在10%以下，水域和草地整体面积较小，在连接桥中所占比例较低。

2)耕地型连接桥。包括自贡、德阳、宜宾、达州和绵阳5个城市，其连接桥的景观组成特征表现为：耕地面积占比55%～80%，林地所占比例达20%以上，水域以连接桥形式存在的面积较大；区域内景观联系性较好，景观优势度较高。

3)林地保护型连接桥。包括眉山，其连接桥的景观组成特征表现为：以林地为主，占比达53%，水域占比虽仅为约6%，但占水域总面积的52%，耕地和草地占比约为20%；受到人类活动干扰影响相对较弱，区域内景观联系性较好。

表4 城市GI景观组成类型、特征及规划保护建议

5 基于GI景观组成特征的城市生态网络规划及保护建议

通过对四川省主要城市市域尺度下GI网络结构要素中的核心区和连接桥进行景观组成分类，分别得到3类具有不同景观组成特征的城市类别。核心区通常为市域范围内的大型城市公 园、自然保护区和风景名胜区等。连接桥为连接相邻核心区的廊道，是相邻核心区斑块间进行物种扩散和能量交流的重要通道。在城市市域范围内通常为带状绿地或主要水系，如道路绿化带、防风林带、河流等。通过分类可注意到，不同类别的城市因景观组成特征不同，需要采取的城市生态网络规划保护策略存在差异(表4)。

6 结论

城市GI网络的构建及规划保护需要在科学、客观认识现状条件的基础下进行。本文在市域尺度下，以成渝城市群四川境内13个主要城市为研究对象，基于MSPA、景观组成、层次聚类分析等方法，客观分析了各城市市域范围内7类GI网络构成要素及其景观组成特征，提出了基于GI景观组成特征的城市生态网络规划及保护建议。研究结果能较好地反映不同城市GI在景观组成特征上的相似性与差异性，对客观认识各城市市域尺度下的GI特征，乃至成渝城市群区域尺度下的生态网络构建及规划保护具有重要的参考价值。但由于MSPA方法对于景观的研究尺度十分敏感[14]，后续仍有在不同尺度下(如成渝城市群区域尺度、各城市中心城区尺度)展开进一步研究的必要。此外，结合景观格局指数等因子构建适宜成渝城市群的GI网络评估体系、完成相应重要性分级是下一步待开展的研究工作。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

致谢：感谢四川大学建筑与环境学院风景园林专业研究生张娴丽、赵昕、欧阳雨婷、兰雪珍、赵静在数据预处理、数据分析及统计过程中提供的帮助。