基于MSPA的衡阳市绿色基础设施空间格局演化研究

孙婉璐 王惠阳 刘苏梅 旷翕予 王青君

（南华大学松霖建筑与设计艺术学院,湖南 衡阳 421000）

1 研究背景与研究范围

城市发展、城市人口增长推动城市规模不断扩张。在城市扩张过程中，城市扩张速度与城市生态弹性的错位，造成了城市生态环境的恶化，致使城市热岛、城市内涝、空气污染等一系列问题的出现。为了减缓城市问题的恶化，提升城市生态弹性，营造良好的城市生态环境，需要采取积极主动、可持续的应对方法。

绿色基础设施（Green Infrastructure，GI）理念起源于20世纪西方对城市休闲空间和公共卫生的关注与需求。美国学者查尔斯·利特尔在其《美国的绿道》一书中把GI界定为“绿道系统的扩展”和“全新的基础设施类别”。至此，GI概念正式出现在公众视野中。GI以人与自然的关系为研究出发点，以维护人的利益、保护物种栖息地、维持生物多样性为目的。基于岛屿生物地理学和异质种群动态理论发展而来的GI概念，强调高质量斑块、斑块之间的连接以及网络的闭合性。因此，从国土或区域、城市、街区或场地三个空间层次上构建GI网络，形成各有侧重、相互嵌套、闭合的绿色空间网络，在保障生态安全、提升人类福祉方面具有积极作用。GI的核心理念是将自然区域和其他开放空间组成相互连接的生态网络[1]。其在结构上，普遍认为是由斑块、廊道、场地以及踏脚石构成。斑块是生态源地，是承载GI网络中各种生态过程发生的主要载体；廊道是枢纽，是维持GI系统健康运行、GI网络生态过程传输的载体；场地在不同尺度层面上有所差异，可以理解为规模较小的斑块或廊道，例如野生动植物保护区、都市农业区、自然/半自然的休闲娱乐空间；踏脚石是不与GI网络连接的小型生态节点，例如社区绿地、私人花园和绿色屋顶等。

我国生态环境建设尚处于起步阶段。2015年，中共中央、国务院印发《生态文明体制改革总体方案》，要求加快生态文明建设，将生态文明理念融入社会的方方面面。党的十九大报告中提出“要着力解决突出环境问题和要加大生态系统保护力度”。基于国家顶层设计的支持，未来将加大生态环境基础设施建设力度，为GI的发展提供了空前的机遇。

自GI概念的出现到目前，关于GI的研究经历了三个阶段，从关注度低、研究少，以应对气候变化、城市化问题为主，到新热点、新重点的出现，关于GI的研究逐渐趋于成熟。2004年张秋明发表《绿色基础设施》一文[2]，经2009年《中国园林》期刊以GI为主题整刊登载相关研究后，引起了学术界对GI的关注。针对GI的概念、理论框架、构建方法，不少学者进行了探讨；由于自然环境的不同，城市层级的GI网络具有明显的地域性，学者们以南京、福州、武汉、深圳等城市以及四川省城市群为例，基于不同的构建方法进行了GI网络的构建、优化研究；由于国内GI的研究和实践不足，不少学者介绍了德国、加拿大、美国等国家GI的实践案例、GI的制度建设，从而为我国GI的研究、实践提供借鉴[3]。本文基于形态学空间格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA），结合景观格局指数法对2015年、2017年和2019年衡阳市GI空间格局的演化进行分析[4]。

2 研究对象与研究方法

2.1 研究区介绍

衡阳市位于湖南省中南部，地处东经110° 32′ 16″ —113° 16′ 32″，北纬26° 07′ 05″ —27° 28′ 24″ 。衡阳盆地四周山丘环绕，中部平岗丘交错，境内水网密布，湘江、蒸水等过境，属亚热带季风气候，年降水量在1 200～1 500 mm。衡阳是长株潭“3+5”城市群节点城市、湖南省域副中心城市，是中南地区重要的工业城市、区域性物流中心[5]。本研究以衡阳市主城区珠晖、雁峰、石鼓和蒸湘4区为研究对象，其总面积为518.03 km2。

2.2 数据来源

基于ENVI5.3软件平台，对2015年、2017年和2019年Landsat8-OLT遥感影像数据（源自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台http://www.gscloud.cn）进行FLAASH大气校正、行政边界裁剪等预处理[6]。通过监督分类将遥感影像解译为建设用地、草地、林地、耕地、水体和裸地6种类型，进行混淆矩阵精度验证，Kappa系数均大于0.9，证明数据达到研究精度要求，获得分辨率为30 m的土地覆被空间分布图（如图1）。

图1 2015年、2017年和2019年衡阳市土地利用图

2.3 研究方法

形态学空间格局分析（MSPA）是基于腐蚀、膨胀、开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，可以分为互不重叠的核心区、孤岛、穿孔、边缘、连接、环和分支7种形态空间要素。该方法仅依赖土地利用数据，是一种偏向测度结构连接性的方法。基于ArcGIS软件平台，将土地利用数据处理为二值栅格图数据，再基于Guidos Toolbox软件平台进行MSPA分析，得到7种类型的形态空间要素。根据景观格局指数法，选取PD、LPI、AREA_MN、DIVISION、SHDI、SHEI、AI共7个指标（如表1），从斑块水平、景观水平来反映衡阳市2015年、2017年和2019年的GI格局演变情况。

表1 景观格局指标及描述

3 研究结果

3.1 衡阳市土地利用状况分析

从图1中2015年、2017年和2019年土地利用的转移情况来看，衡阳市的城市建设在逐渐转型，逐步从数量增长型转向质量提升型；GI在应对环境变化方面的作用得到了重视，城市GI建设面积在逐步增加。其中，城市建设用地从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“摊大饼”式的城市开发得到了一定的控制[7]；裸地面积逐年下降，从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，闲置的、裸露的土地得到了有效开发和利用；衡阳市的GI建设面积从2015年的183.50 km2增加到2019年的225.34 km2，上升趋势明显，城市自然空间、开放空间的建设效果显著，表明GI在改善人居环境质量方面的作用得到了充分发挥。从耕地、林地、草地之间的数量关系来看，耕地面积减少缓慢，从2015年的158.64 km2降至2019年的136.73 km2；林地面积增速缓慢，甚至有减少趋势；草地面积增加显著，从2015年的52.42 km2增至2019年的83.02 km2。植物的生长依赖时间，表明“退耕还林”的效果具有时间依赖性，植被经过数年的增长，可以达到良好的效果。而自然空间类型中水体的面积变化小，水体面积维持在50 km2左右。

3.2 MSPA景观类型分析

整体而言，衡阳市的核心区域以湘江、蒸水水域为骨架，连接衡阳市的东西、南北，其他核心区域主要散落分布在城市南部的松木乡、茶山坳镇区域和北部的雨母山乡、东阳渡镇区域[8]。如图2，研究区域内核心区域面积在不断增加：2015年，核心区域面积59.91 km2，占前景总面积的32.65%；2017年，核心区域面积72.67 km2，占前景总面积的36.71%；2019年，核心区域面积85.47 km2，占前景总面积的37.90%。2015—2019年增加的核心区域，以雨母山乡、东阳渡镇、茶山坳镇区域为主，其中角山乡区域的核心区基本上是从无到有，表明该区域内自然生态环境得到明显改善[9]。边缘区域的面积从2015年的41.73 km2增加到2019年的59.56 km2，表明核心区域与外围非绿色空间之间的过渡层级在增加，自然空间与建设用地之间的对立性在减弱；孤岛是孤立且彼此不连接的小斑块，独立于GI网络，2015—2019年孤岛面积在减少；代表生态廊道、连接核心区域的连接类型面积从2015年的19.9 km2增加到2019年的30.59 km2。

图2 2015年、2017年和2019年衡阳市GI格局

3.3 GI格局空间演化特征分析

2015年、2017年和2019年衡阳市景观格局指标值如表2。选取反映斑块水平演化特征的指数有斑块密度、最大斑块指数、斑块平均大小三种。在2015—2019年间，斑块密度呈现先降低后升高的趋势，最大斑块指数呈现先升高后降低的趋势，斑块平均大小呈现先升高后降低的趋势。2015—2017年，衡阳市的景观破碎化程度降低，斑块面积整体上增大，生态源地面积有较大增长；2017—2019年，衡阳市的景观破碎化程度增加，斑块面积整体上缩小，生态源地面积减少明显。选取反映景观水平演化特征的指数有分离度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数、聚集度指数四种[10]。在2015—2019年间，分离度指数呈现先降低后升高的趋势，但是上下波动小，基本维持稳定；香农多样性指数呈现先降低后升高的趋势；香农均匀度指数呈现先降低后升高的趋势，上下波动小；聚集度指数呈现先上升后下降的趋势。2015—2017年，衡阳市斑块分布的均匀性下降，斑块之间的聚集性增加，GI空间的整体性更好；2017—2019年，衡阳市的斑块分布的均匀性上升，斑块之间的分离程度更高，GI空间更为分散。2015—2019年，衡阳市的GI空间格局出现波动，但是与2015年相比，2019年衡阳市的GI空间之间的分离度更高，斑块分布的均匀性有所下降，虽然斑块面积有所增加，但是破碎化进一步严重，表明衡阳市GI空间的整体性下降，斑块之间的连接性不强。

表2 2015年、2017年和2019年衡阳市景观格局指标

4 结语

本研究针对2015—2019年衡阳市的GI空间格局进行研究，基于MSPA与景观格局指数法进行格局演化分析，探寻衡阳市GI空间格局的变化特点，了解衡阳市GI空间格局的变化。MSPA方法是从像元层面识别出对景观连通性具有重要意义的结构类型，但是该方法对景观的研究尺度比较敏感，结合其他研究的分析结果，本研究选择30 m的分辨率，避免相关重要信息丢失。通过利用MSPA方法、景观格局指数法的分析，发现2015—2019年衡阳市的GI空间之间的连接性降低，斑块之间的作用力不强，景观破碎化程度加重。

初始阶段关于GI的研究，出现了一些经典文章，引起了大量学者的关注，极大地推动了GI研究的发展。景观规划师、建筑师、经济学家以及地理、生态学家等基于不同的学科背景，展开了对GI在解决和缓解环境、气候问题，GI网络的规划、构建，GI的建设成本、政策，GI与人体健康、人类福祉，GI的公众认知、参与等各方面问题的探讨。关于GI的研究经过多年的发展，随着学者对GI的认知不断深入，已经形成多学科交叉合作的繁荣景象。GI是一个跨学科、综合性的应用领域，研究、实践天平的两端是生态价值和人文价值，天平失衡无法发挥GI最大的价值。我国关于GI的研究尚存在3点不足：（1）相关研究证实GI在改善环境方面有正向作用，但是GI要素的布局、几何形态、结构特征、城市人口密度等因素的影响，可能导致GI产生的效果存在空间布局、影响范围、作用效果等方面与实际需求的错位。（2）驱动力研究。在城市发展过程中，GI网络中的斑块、廊道、场地、踏脚石会移动、消失和形成，致使GI网络格局、GI效益出现变化。在自然、社会因素变化的过程中，不同驱动因子对GI变化的影响力不同，不同驱动因子之间的复合效果存在差异。（3）绩效评估研究。GI在环境、生态问题以及提升人类福祉等多个方面具有积极作用，构建综合的绩效评估标准，有助于降低经济成本，加快GI体系建设。

历史车轮滚滚向前，城市建设的步伐未曾停止，城市风貌的同质化现象未曾减弱。GI不仅可以提供缓解城市洪涝灾害、恢复城市生境、提升城市空气质量等基础性生态服务，也可以从审美、文化、公众参与角度提升人体健康、改善人居环境质量。GI的规划建设代表了以社会和美学为导向的绿色空间规划和生态规划的进步。