基于MSPA的福州市绿色基础设施网络构建与优化研究

许琳昕

(福建农林大学金山学院，福建 福州 350002)

1 引言

绿色基础设施(GI)网络构建是缓解城市生态问题、提升人居环境质量的重要途径，这一概念起源于欧美国家的城市公园运动。基于景观生态学中“斑块-廊道-基质”模式，GI网络可以看作是各关键生态要素所呈现的空间格局[1]。在GI网络构建方面，目前已有许多学者利用地理信息技术和土地利用数据，定量对GI网络进行分析与评估[2]。其中,形态学空间分析(MSPA)是研究绿色基础设施网络构建的有利手法，依据土地利用类型数据，提取林地等生态用地为前景(Foreground)，其他用地类型为背景(Background)，经图像处理技术可将前景氛围互不重叠的7类要素：核心区(Core)、桥接(Bridge)、环路(Loop)、支线(Branch)、边缘(Edge)、孔隙(Perforation)和孤岛(Islet)[3]。邱瑶[4]运用MSPA方法提取深圳市绿色基础设施要素，并在复合尺度下进行GI网络分级规划。于亚平[5]融合MSPA、景观连通性、图谱理论的研究框架，为南京市及其他地区GI网络构建及GI格局变化的研究提供参考。刘颂[6]基于MSPA方法构建苏锡常区域绿色基础设施网络，并提出相应优化策略。

目前，在快速城市化与产业转型进程下，福州市面临着生态景观格局破坏、生物多样性降低等一系列问题，本研究总结前人的研究方法，基于ArcGIS10.6、Fragstats4.2、Guidos、Conefor2.6及基于电路理论的Linkage Mapper等软件平台，运用景观格局分析、形态学空间分析方法(MSPA)、连通性分析、最小积累阻力值模型等进行福州市绿色基础设施网络构建与优化，以期为福州市未来城市绿地系统规划提供参考。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域

福州市(E119°18′N26°05′)，研究区域包含福州市区、闽侯县和永泰县，总面积达6035 km2。福州市位于亚热带季风气候带，降水充足，河网密布，森林资源丰富，森林覆盖率达到58.06%，因此，在构建绿色基础设施网络的过程中应尽可能利用现有生态资源，注重生态斑块之间的有机组合，充分发挥其生态效益(图1)。

图1 研究区域现状土地利用分布

2.2 研究数据与预处理

本文所使用的遥感数据包括：①空间行政边界矢量数据(来源：国家基本地理信息系统数据)；②福州市2020年4月8日 Sentinel-2 L2A无云遥感影像数据，分辨率为10 m(来源：欧洲空间局https://www.sentinel-hub.com/)，主要用以解译用地与生成NDVI植被归一化指数；③DEM数字高程模型，分辨率为30 m(来源：Earth Explorer https://earthexplorer.usgs.gov/)，用以生成高程数据和坡度数据。将以上遥感数据集导入ArcGIS 10.6平台，通过数据管理工具进行镶嵌、裁剪、重采样等预处理，使数据的空间范围一致。

3 研究方法

3.1 现状景观格局分析

基于福州市现状土地利用栅格数据，利用FRAGSTATS 4.2软件平台，从类型水平与景观水平两个方面选取斑块类型百分比(PLAND)、景观形状指数(LSI)、斑块密度(PD)、斑块分离度指数(DIVISION)、斑块聚合度指数(AI)、景观连接度指数(CONNECT)、香农多样性指数(SHDI)这7个具有代表性的景观指数，对福州市现状景观格局进行分析与评价[7]。

3.2 GI网络构建

3.2.1 GI源提取

基于景观格局分析的结果，将优势度、连通度最高。破碎度最小的自然景观类型作为MSPA分析的前景数据，其余作为背景数据，在Guidos软件中进行运算处理。根据岛屿生物地理学理论，GI源的选择应当同时考虑斑块面积与连通性两方面[8]，本研究选取MSPA分析结果中斑块面积大于50 hm2的核心区，利用Conefor2.6软件，设置连通性阈值为1000 m，连通概率为0.5，选取可能连通性指数(PC，公式1)对核心区斑块进行景观连接性评价，最终以面积大于50 hm2且dPC>0.5(公式2)的斑块作为GI源。

(1)

(2)

3.2.2 阻力面构建

参照相关研究[9]，本文选取MSPA景观类型、土地利用类型、NDVI植被归一化指数、坡度和高程作为阻力评价因子，利用ArcGIS中重分类工具对其进行分类、赋值，并通过层次分析法对各个阻力因子进行评价打分，获得权重，最终通过ArcGIS平台中的栅格计算器工具得到综合阻力面栅格数据(表1)。

表1 各评价因子阻力值及权重

3.2.3 廊道识别

斑块之间的物种迁徙、能量流通都需要克服景观中不同类型的阻力，而廊道正是帮助物质能量在空间流通的通道。基于最小积累阻力模型(Minimal cumulative resistance, MCR)，通过在ArcGIS 10.6中使用Linkage Mapper工具，可以得到GI源中的物质能量在研究区域内进行迁移的最小成本路径(Least-cost-path, LCP)，作为源地之间的潜在廊道。

4 结果与分析

4.1 现状景观格局分析

由表2可以看出，福州市以山地森林为主要景观类型，占研究区域总面积的68.83%以上，分布在研究区域的北部、南部和西部；耕地次之，占研究区域总面积8.94%；再次之为建设用地，集中分布在研究区域中部和东部福州市区范围内。在类型层面上，LSI用以表征斑块类型形态的复杂程度；PD则表征了不同类型斑块的破碎程度，值越大，破碎化程度越高；AI表征了斑块类型的聚合度，值越大表明该类型内部的聚合度越高，越利于物质能量的循环流通。根据表2可以得出，研究区域内林地、水体和建设用地的破碎化程度较小，聚合度较高；而草地、灌丛、耕地、裸地和湿地表现出破碎化程度较高的特征。在景观层面上，CONNECT指数反映了景观整体的连接程度，SHDI指数反映出景观内部斑块的丰富程度。结合表3可知，研究区域内景观类型整体上较为丰富，但CONNECT指数偏低，需要通过合理的规划构建廊道以提升整体连通度。这也反映了由于各类大型生境斑块遭到建设用地的侵占蚕食，破碎化严重，山林、河流之间失去了生态“纽带”。

表2 类型水平上的景观格局指数

表3 景观水平上的景观格局指数

4.2 GI网络构建

4.2.1 GI源的提取

根据研究区域现状景观格局的分析可以得知，林地总体面积大，破碎度小并且聚合度高，说明林地在提供区域生态效益方面占据主导作用，且故将林地设为MSPA分析的前景数据(图2)。结合MSPA分析结果(表4)可知，核心区面积为 3190.24 km2，占GI源地总面积的76.82%，其主要分布在研究区域北部、南部和西部的山地，有福州国家森林公园、鼓山风景名胜区和旗山风景名胜区等，是福州市重要的生态源地。此外，连接核心区斑块的桥接以及起到“踏脚石”作用的孤岛仅占GI源地总面积的3.26%和0.92%，侧面反映出现状核心区斑块之间的连接性较差，亟需增加生态廊道的建设。

表4 MSPA景观类型统计

图2 基于MSPA分析的研究区景观分类

根据MSPA分析与连通性分析的结果，共筛选出24个面积大于50 hm2且dPC>0.5的核心区斑块作为GI源地(表5)。由图3可知，GI源地大多分布在研究区域北部、东北部、西部与西南部的城郊山地区域，聚合成大面积片状空间，环绕着中部及东部平原区域(即福州市区)。

表5 核心区GI源地景观连接性指数(dPC)

图3 基于MSPA和景观连接度分析的GI源地空间分布

4.2.2 阻力面构建

由图4可以看出，研究区域北部、西部和南部的阻力较小，而中部和东部的阻力较高。结合土地利用类型(图1)可以看出，这是由于建设用地集中在中、东部地区，且闽江、乌龙江穿城而过，导致这两处区域阻力值显著高于周边区域。

图4 研究区综合阻力面

4.2.3 潜在廊道提取与GI网络构建

基于最小积累阻力模型与Linkage Mapper工具，共提取出61条廊道(图5)，其空间特征主要表现为以下两点：首先，廊道增强了各个GI源地之间的连接度，但廊道空间分布不均，主要分布在研究区域北部、南部和西部的山地，缺乏对中部和东部区域(即福州市区)的沟通作用；其次，廊道长度差异较大，GI源地间平均最小成本路径长度为22.94 km，最长为87.06 km，最短为1.95 km，其中有53条廊道长度在10 km以上，占廊道总数的86.89%。

4.2.4 新增GI源选取与GI网络优化

根据MSPA分析结果以及潜在廊道的分布(图5)，选取市区中2个面积大于50 hm2的核心区斑块作为新增GI源地(表6)。同时结合NDVI植被归一化指数分析结果，从植被密度较高的其他用地类型(多为耕地)中挑选出29个面积大于50 hm2且dPC>0.5的斑块作为新增潜在GI源地(表7)。这类潜在GI源地斑块面积较大，是所处环境内的优势斑块，且生境质量较好，能够通过改良耕作模式、适当退耕还林等方式成为GI源地，参与到GI网络结构的优化中。

图5 现状GI网络空间分布及廊道长度

表6 新增GI源地(核心区)景观连接性指数(dPC)

表7 新增潜在GI源地景观连接性指数(dPC)

现状潜在廊道的最小成本路径平均长度为22.94 km，而结合新增GI源优化后的最小成本路径平均长度为12.98 km。此外，经过对比不同长度分类中最小成本路径的数量比例，发现优化后的GI网络中小于10 km的最小成本路径比例有大幅提高，从13.12%上升至51.57%；而大于10 km最小成本路径的比例有所下降，其中大于50 km的比例从8.20%下降至1.26%(图6，图7)。这是由于新增GI弥补了福州市区源地的“空白”，降低物质能量在各个GI源地之间移动所耗费的成本，增加了GI网络的整体连通度[10]。

图6 优化后GI网络空间分布及廊道长度

图7 现状与优化后的最低成本路径(廊道)长度统计信息

5 结论

本研究以福州市为研究区域，通过景观格局指数分析、形态学空间分析(MSPA)、景观连接度及最小积累阻力值模型等方法，对福州市现状土地利用情况进行评价，以此为依据构建GI网络，同时优化了景观格局，主要结论如下。

(1)研究区域景观丰富度较高，现状景观构成要素主要以林地、耕地和建设用地为主，其中作为主要GI源的林地呈现出破碎度低、聚合度高但连接度较低的景观格局特征。

(2)研究区域综合阻力呈现中心高、四周低的格局，反映出GI源地之间的沟通被建设用地与河流所阻隔，需加强研究区域东部与西部、南部与北部之间的连接。

(3)结合斑块面积与连通度分析结果，可以为GI源地保护的优先级提供依据，其中核心区38、78、86、95、99、100、103、106号GI源地斑块需重点保护。

(4)基于Linkage Mapper生成的61条潜在廊道一定程度上增强了各GI源地之间的连接，但廊道空间分布不均，且绝大部分廊道长度过长，容易发生断裂，通过适当增设GI源的方式对GI网络进行优化，大幅降低了廊道平均长度，整体上提高了GI网络的稳定性。

综上所述，以形态学空间分析(MSPA)为核心技术，综合景观格局指数分析、连通度分析、最小阻力模型的研究方法能够有效识别福州市GI源地要素，构建市域绿色基础设施网络，为将来福州城市绿地系统规划实践提供一定参考价值。