跨尺度图析蓝绿基础设施——以粤港澳大湾区为例

熊亮 王晓迪

随着对人类-环境耦合系统的深入认识，多时空尺度、跨组织分层的空间发展和治理成为新范式[1]。在这种范式下，国土空间规划相关研究关注以区域为单位的跨尺度分层式空间发展和治理[2-7]。作为人类-环境耦合系统的重要组成部分，蓝绿基础设施多尺度、长时间地提供着生态系统服务功能，维持着人地关系的繁荣发展，延续着历史文化的脉络[8]。蓝绿基础设施的形态与结构随着人地关系改变而发生变化。在中国近几十年的城市化进程中，这种变化在人口密集区呈现出自然空间减少而人工空间逐渐增加的趋势[9-10]。在此趋势下，整体、科学和战略性地构建蓝绿基础设施网络，是国土空间规划体系发展的迫切需求。

随着对蓝绿基础设施概念认知不断深入，识别和构建蓝绿基础设施的方式随之不断变化。在空间维度上，蓝绿空间的延续性和全域性逐渐成为新的关注重点[8]。在时间维度上，以南粤古驿道[11]为代表的线性廊道成为蓝绿基础设施的构建依据，标志着中国蓝绿基础设施的构建在跨时间尺度上的突破[12]。在时空维度的结合上，蓝绿系统的耦合关系成为跨时空构建蓝绿基础设施的契机[13]。然而对蓝绿系统耦合关系的研究，往往会受到数据的限制。较为翔实的历史地图数据往往聚焦在古代城市内部或重要的文化路线上，难以为全域蓝绿基础设施的构建提供依据。探索跨时空尺度的全域蓝绿基础设施识别方法，是蓝绿基础设施构建的现实挑战。

粤港澳大湾区是过去40年内中国国土空间发生变化最剧烈的地区之一。2014年，它超越东京湾，成为世界上面积最大、人口最多的城市区域[14]。该区域的国土空间在多个尺度发生剧烈变化[15]，生态系统服务的供给与需求也在多个尺度上剧变。因此，对粤港澳大湾区蓝绿基础设施的识别、构建与完善，不仅可以成为保障该区域繁荣稳定的重要基础，也能为跨尺度蓝绿基础设施的构建理论提供有力支撑。

笔者旨在使用一种基于复杂适应性系统、跨时空尺度的图析（mapping）方法，揭示在不同空间和时间维度下的人类-环境耦合系统中自然系统与建成系统的关系，用于理解和识别多尺度蓝绿系统耦合关系的发展与变化。以粤港澳大湾区为例，展示图析方法如何为跨尺度的全域蓝绿基础设施的构建提供依据。

1 理论基础

1.1 复杂适应性系统视角下的国土空间

根据系统获取稳态的条件，可以将系统分为自稳性系统、适应性系统、动态性系统和受控性系统4种类型[16]。国土空间可被视为复杂适应性系统[17]，在这种系统中，每一种可能的输入都将产生至少一种稳态。可以借助识别和理解复杂系统内容要素在形成过程中的相互联系，从而辨识这些潜在稳态[18]。然而，并非所有稳态都符合人类发展需求[19]，因此识别和理解国土空间中的复杂关系变得尤其重要。

准确揭示多层结构在不同时空维度下的关联是图析方法用于识别和理解国土空间中复杂关系的关键。近年来涌现出一批针对此类复杂关系的相关研究，特别是针对人口稠密的三角洲和沿海城市化地区，包括荷兰的莱茵-马斯-斯海尔德河三角洲[20-21]、美国的密西西比河三角洲[22-23]、越南的湄公河三角洲[24-25]、阿根廷的巴拉那河三角洲[26-27]、中国的长江三角洲[28-29]和粤港澳大湾区[18,30-34]等。这些研究表明，融入复杂适应性系统的视角能够为空间规划、设计和治理等多方面带来益处[35-36]。笔者从这一思维视角对国土空间的发展提出3点假设：1）城市和自然的各子系统是相互关联与影响的；2）国土空间的不同尺度之间是相互关联与影响的；3）“适者生存”现象发生在所有自然和城市的子系统中，并与尺度相关。

借助这些假设可以得到复杂适应性系统的主要推论，即对自然-人工动态的协调与利用，将给国土空间规划、设计和治理带来更可观的效益。在这一视角下，国土空间可被视为包含不同动态过程和子系统的整体，各子系统拥有独特的动态和变化特征[37]。在这种系统中，各组分和它们之间的关系以多种过程和结构的形式呈现[38-39]，并在多个尺度上以丰富的网络结构和位置关系共同组织而成[40]。一方面，在网络结构与位置关系的相互作用中，网络结构逐渐成为能量和功能在空间上的主要表达载体[41]，这意味着识别和分析网络结构、位置关系变得同等重要[42]；另一方面，这种多层级结构会根据地域特点而呈现出一定的相似性[43]，这为推测国土空间各动态过程、子系统的多层次动态关系提供了理论基础。

1.2 跨尺度图析

图析是一种通过制图而进行的探索活动，用于研究人与自然互动的重要条件和关键驱动力，以及人与自然相互作用的空间关系和显著影响[31]。图析可作为系统化研究国土空间的工具，在知识获取与视觉化、试验性设计与决策等国土空间规划设计的多个阶段发挥作用[30]。地图既是图析的产物，也是图析的过程，地图的这两重身份令它在视觉化思考和视觉化交流中均扮演着重要角色。在地图的协助下，对这些系统的形态进行图析，有助于揭示复杂的网络结构和位置关系、理解关键的社会、经济和生态关系。

图析主要包括地图剖析和地图比较2种分析操作方法。1）地图剖析指通过选择和减构的方法识别空间模式。借此识别出的空间模式可作为空间关联分析的基础，进而通过叠合和交叉参考的方法，探索不同模式间的关联。2）地图比较指对相似的多个区域进行时间、空间和专题的比较，通过辨析异同获得普遍规律。这种辨析不仅可以选取相似的区域进行，也可选取同一区域的不同小区域或者子系统进行[44]。

图析可根据国土空间各动态的变化速率进行分层[18]。根据子系统由快至慢的变化速率，可分为人居层、基础设施网络层和景观基底层[31]。在进行多层识别时，不同的子系统层的数据年代和空间尺度往往有所差异，因此在图析前，有必要进行时间空间关系的尺度转换。在尺度转换中可能产生“尺度效应”，即采用不同幅度（观察的范围）、粒度（观察中最小单元的长度、面积或者体积）观察同一图像将可能得到不同结果的现象（图1）。在识别过程中，可通过选择合适的尺度转换方向来避免尺度效应[30]（图2）。转换后，可通过变换幅度、粒度或分辨度，在多尺度上对国土空间的层次进行图析。这些操作的目的是将多个尺度下的空间关系和结构联系起来，在国土空间的多层结构中搭建出具有尺度间关联或尺度连续性的整体。借助图析方法研究跨尺度的变化，不仅可以将原本不同尺度的多个子系统或元素置于同一时空尺度下进行组合、连接和理解，也可用于比较多个相似区域。通过对人居层、基础设施网络层和景观基底层之间的空间发展关系进行识别，能够理解区域内以及相似区域之间的发展规律，并为全域蓝绿基础设施的辨识和构建提供支撑。

1 尺度效应举例：选用黑圈作为粒度将得到图像异质的结论；而选用以黑圈为中心的7个圆圈作为粒度，则会得到图像同质的结论[19]An example of scale effect: image heterogeneity can be concluded with black circle as grain size; while image homogeneity can be concluded with the 7 circles around the black circle as grain size[19]

2 避免尺度效应的尺度转换方向Scale transformation direction to avoid scale effect

1.3 全域蓝绿基础设施的识别与构建

在复杂适应性系统视角下，蓝绿基础设施可视为基础设施网络层的组成部分，蓝绿基础设施是指在国土空间内作为基础设施在多尺度持续提供生态系统服务功能的绿色空间、水体及其附属物[15,27,34,45]。这个概念为蓝绿基础设施的识别提供了两点依据：1）蓝绿基础设施作为基础设施，由人进行有目的、有意识的设计、建造、维护和管理；2）蓝绿基础设施以绿色空间、水体及其附属物的形式，持续提供生态系统服务功能。值得注意的是，在本研究的识别过程中，绿色空间和水体会因为失去人为维护和管理而被划入景观基底层，而人居层或基础设施网络层内的子系统，如建筑物、构筑物，也可能因其能持续提供生态系统服务功能，被划定为蓝绿基础设施的一部分。综上所述，作为处于动态中的3层系统的组成部分，蓝绿基础设施所涵盖的内容可能随着时间和其他子系统而产生变化。

蓝绿基础设施的识别与构建依靠于形态、文字、数值等多源数据。通过对各种信息来源进行分析，判断不同时期蓝绿基础设施的内容及其组成形式。在这一视角下，蓝绿基础设施不仅可以与同为基础设施网络层的其他基础设施发生互动和转换，也可与景观基底层和人居层在各个尺度下发生互动与转换。蓝绿基础设施的这种特性，令它能够通过改变自身组分，较为自由地维持3层系统的动态平衡，使得蓝绿基础设施成为维持或者改变整个系统的重要因子。蓝绿基础设施的辨识可以通过观察其对3层系统的改变实现，而蓝绿基础设施的构建，可基于蓝绿基础设施对3层系统的改变规律，改变其内部组分来实现蓝绿基础设施的构建。

2 研究方法

2.1 数据获取与处理方法

本研究以公元前4000年到2016年粤港澳大湾区的主要自然和人工动态过程所产生的形态信息为主要数据源。其中的主要自然动态过程包含沉积过程、河道变迁、海岸线发展等，主要人工动态过程包括筑堤、围垦、农作、水产养殖、修路、聚落发展等。数据来源包括地质资料、历史地图、档案资料、卫星地图、规划图集和调研成果等[43-45]（表1）。所有资料在数字化后，基于1984年世界大地坐标系（World Geodetic System-1984 Coordinate System，简称WGS-84坐标系），以谷歌地图作为底图进行配准，在ArcGIS 10与Adobe Illustrator CS6软件内进行组织和操作。

表1 所使用的数据源及对应时空特征Tab. 1 Data sources adopted and corresponding spatial and temporal characteristics

2.2 建模与分析方法

将数据按照空间幅度进行聚类，依据尺度变换方法对处于同一时空尺度内的数据进行检验、剖析与比较。根据变化速率的差异，构建空间形态模型。模型包括3个图层、2个尺度、9个时间切面（图3）。其中3个图层为景观基底、基础网络和聚落发展层，2个尺度为区域尺度和本地尺度，9个时间点为公元前4000年、公元前2000年、200年、1000年、1300年、1600年、1900年、1950年和2015年。其中时间点的选择综合考虑了数据源的特点，并结合了对断代类数据和编年类数据的综合判读；通过对空间形态模型在各可能成图时间点的试验性绘图和比较，依据3层动态变化特征的显著性，选择并确定了最终呈现的9个时间点，将蓝绿基础设施的组成变化和形态变化识别出来并呈现在图中。成图后，对图集进行了逐张剖析和相互比较，并借助相似区域三角洲的形态演变模式，对图集中缺失的要素进行了补充。

2.3 评价和验证方法

对图析的评价针对过程和结果两方面进行。图析是将分散的数据、信息和知识，以时空尺度作为参照系进行结构化处理的过程。这一参照系应当能够在相应时空尺度上表达国土空间的核心过程。图析的过程和结果都以地图的形式呈现，因此针对图析结果的评价也应体现为地图或地图集。

图析的验证包括信度和效度两部分，验证过程在形态数据收集和地图处理2个阶段完成，以保障图析结果的可靠性。在本研究中，信度是指形态数据的可靠性和一致性，若多源形态数据的空间重合性较高、时间一致性较高，则信度较高；效度是指形态数据反映真实情况的准确性，若所建立的空间模型或地图集与现实的情况重合度较高，或能够与历史事件的时空特征相吻合，则认为其效度较高。在形态数据收集阶段，信度验证通过比较不同来源的地图完成，而形态数据的效度则通过其他类型的数据进行交叉验证。在地图处理阶段，通过图像和原数据两部分信度的验证，对地图的图像质量、参照系统、时间幅度及分辨度进行综合考量，效度的验证则通过对比其他来源的数字数据或描述性文字完成。

3 结果与分析

3.1 区域尺度

区域尺度图集包括17幅地图①，表达了景观基底、基础网络和聚落发展3个层面在区域尺度的主要动态过程。景观基底图集揭示了景观基底层演进加速的现象；基础网络图集反映了各时期水利基础设施的空间分布特点和网络形态；聚落发展图集则揭示了聚落发展的形态特征（图3）。通过进行3个图集间的比较，推断1950—2015年水利基础设施的位置信息和网络结构的变化可能是景观基底层和聚落发展层产生剧变的驱动力。这一时期，水利基础设施大规模合并，一方面改变了景观基底层的沉积条件和河道特征，促使大量沉积物从河网地区转移至入海口地区，加速了海岸线的推进；另一方面，大规模的水利基础设施改善了河网地区防洪排涝条件，使得大面积城市的形成成为可能，为近40年来该区域的快速城市化提供了基础条件。

3 粤港澳大湾区时空分布图图集Atlas of spatial and temporal distribution maps of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

3.2 本地尺度

本地尺度图集与区域尺度一一对应，包括17幅地图（图4～6），表达了景观基底、基础网络和聚落发展3个层面在本地尺度的主要动态过程。通过与区域尺度的地图进行对比，结合本地尺度的形态数据，能够在本地尺度上建立更为详细的地图。本地尺度地图揭示了城市、水、陆地、丘陵各层之间更为丰富的关系。本地尺度景观基底图集（图4）反映了本地景观形态格局各时期的变化特征。在区域尺度的水利基础设施堤围基础上，本地尺度基础网络图集（图5）在小尺度上增加了灌渠、运河和道路等更为完善的基础设施网络的位置信息和网络结构。在此基础上，可在本地尺度聚落发展图集（图6）中，更为精确地判定聚落演替的位置信息和结构（图6-1）。在这一尺度上可以观察到蓝绿基础设施的构成与演变，蓝绿基础设施在该尺度下的空间模式可分为6类：1）海洋环境下岛屿模式（图4-1）；2）河口环境下岛屿模式（图4-2）；3）河口环境下自然三角洲冲积平原（图4-3～4-5、5-1、5-2）；4）小尺度堤围外半自然三角洲河网（图4-6、4-7、5-3、5-4）；5）大尺度堤围内半自然内河网络（图4-8、5-5）；6）大尺度堤围内人工排水灌溉网络（图4-9、5-6）。

4 本地尺度景观基底图集Landscape background maps at local scale

3.3 跨尺度分析

结合2个尺度多时间段的地图对比可发现，粤港澳大湾区蓝绿基础设施的发展包含了组成、格局和尺度3个层面。首先从组成层面上看，在大湾区的发展历程中，蓝绿空间的3种主要组分（绿色空间、水体和附属物）的耦合过程，经历了从以水体发展为主导（图5-1～5-4）到以水利基础设施为主导（图5-5、5-6）的变化。这种转变在本地尺度上的显著表现包括：1）大规模堤围代替小规模堤围；2）人工水道代替自然水体；3）大规模道路基础设施开始出现，并连接到周边地区。其次，蓝绿基础设施的空间格局也产生相应变化。景观基底、基础网络和聚落发展3个层面的动态变化，令本地尺度下的蓝绿基础设施格局产生剧变。一方面，便利的陆路交通使聚落沿着道路发展（图6-1），曾经受水体作用而形成的聚落形态，逐渐被沿道路生长的聚落形态所取代或包围。交通网络、聚落发展和水利设施的尺度改变，使得被识别出的本地景观特征也随之改变；另一方面，水网地区传统的蓝绿基础设施所促成的空间格局也发生了变化：一部分自然形态水体被人工改直的水体所取代，水网所提供的生态系统服务功能逐渐消失（图6-1），而在快速城市化阶段，大面积的绿色开放空间也被新兴聚落形态所取代（图6-2）。最终可以观察到，原有的国土空间复杂适应性系统在本地尺度上的稳态被打破，整个系统在多个层面上重新寻求新的稳态。这种破坏—再平衡的过程不仅在本地尺度上发生，也在区域尺度上直观展现。在寻找新稳态的过程中，国土空间发展面临双重挑战：1）在形成新稳态前，系统难以避免会出现更多的动荡（如更频繁的洪涝事件）；2）新稳态的实现是自然与人在国土空间上再协调的结果，比如改变基础设施网络建设的位置和逻辑、增加新的基础设施（图5-5、5-6）等。在大湾区，这类再协调的过程往往通过改变基础设施网络层（特别是其中的蓝绿基础设施网络子系统）来完成。

5 本地尺度基础网络图集Infrastructure network maps at local scale

6 本地尺度聚落发展图集Settlement development maps at local scale

4 讨论与结论

4.1 讨论

图析得以提供现实意义的基础是对形态数据进行可信而有效的收集和处理。本研究在形态数据的收集和地图处理2个阶段进行了信度与效度的检验，保障了图析结果的可靠性。在形态数据收集阶段，其信度的验证通过比较不同来源的地图完成，而形态数据的效度验证则通过其他类型的数据交叉验证。在进行时空大跨度数据收集的过程中存在一个现实问题，即媒介的转换。年代较为久远的地图资料往往受限于其呈现、保存和获取的方式，对地图数据的收集和处理技术提出了一定要求。这种限制也可能通过改变保护与利用之间的关系进一步优化。

在地图处理阶段，通过图像和元数据两部分验证信度，对地图的图像质量、参照系统、时间幅度及分辨度进行综合考量，却也难免出现因图源过少而难以验证的情况。数据效度的验证则通过对比其他来源的数字数据或描述性文字完成。需要指出，效度验证能够有效揭示出某些图形数据的偏差过大，但目前尚未发现较合适的方式去修正这些偏差。

4.2 结论

4.2.1 蓝绿基础设施的辨识

跨尺度图析揭示了蓝绿基础设施更丰富的内涵，针对蓝绿基础设施的概念，将蓝绿基础设施附属物的范围扩展到筑堤、围垦、农作、水产养殖、修路、聚落发展等一系列人工活动产生的附属物，即其在不同子系统和不同尺度间的互动与转化。这种发现很难在单个尺度上完成。通过对时空尺度和子系统之间空间关系的比较，得以在本地尺度上实现全域蓝绿基础设施特征和模式的识别。对蓝绿基础设施发展历程和模式的辨识，能够直观呈现出不同阶段蓝绿基础设施的特征，为制定蓝绿基础设施的发展策略和国土空间发展结构等方面提供支撑。本研究通过识别本地尺度的全域性蓝绿基础设施特征和模式，为区域尺度蓝绿基础设施的识别和构建提供了可能。

4.2.2 蓝绿基础设施与其他子系统的互动与转化

蓝绿基础设施与3个层面中不同子系统的互动与转化机制，是优化蓝绿基础设施的重要支撑，而跨尺度图析能够明确多个子系统之间的互动与转化关系。通过对图集内和图集间的空间关系进行分析，能够揭示国土空间内主要动态过程间的作用机制，呈现出多种模式下国土空间的结构，这为更整体、科学和战略性地构建蓝绿基础设施提供了参考依据。对主要动态过程间作用机制的理解，可为保护和建设那些更敏感的动态平衡提供有价值的知识。本研究的案例中，发现了蓝绿基础设施的格局在各个尺度上产生了不同的影响机制，此影响机制可以作为国土空间规划设计的法则。基于这些法则，规划设计能够对国土空间各种改变所带来的影响做出可信的预测。这些知识和智慧可以协助设计师和决策者在改造蓝绿基础设施时，选择合适的方式和尺度以达到期望的效果，不仅表现为蓝绿基础设施的作用符合预期，也体现在它与其他子系统的良性互动和相互促进之中。

4.2.3 蓝绿基础设施的构建

本研究发现蓝绿基础设施在粤港澳大湾区的发展过程中，一直充当着国土空间稳态塑造者的角色。对蓝绿基础设施的构建可以有效地引导国土空间进行转变。这种构建可以体现在蓝绿基础设施的组成上，也可以体现在格局或尺度上。这种转变可以是渐进的，也可以是剧变的。跨尺度图析在区域和本地2个尺度，揭示出蓝绿基础设施和其他基础设施网络，以及其他子系统之间的互动关系和作用机制。这些互动关系和作用机制随着作用时间、技术改造能力和主要关注问题等因素，在约6 000年内发生了数次改变。通过记录和理解不同时期蓝绿基础设施子系统的表现，可以获得多种蓝绿基础设施结构对应下的系统表现，也能理解不同转换过程将会带来的可能结果，这让我们有可能通过调整蓝绿基础设施，促使处于非稳态的国土空间向着更可持续的方向发展。若结合粤港澳大湾区的碧道建设实践，探索蓝绿基础设施的组成、格局和尺度3个层面的规律，将更有效地实现全域性蓝绿基础设施网络的构建，使其能够更好地成为改变或稳定国土空间的基本骨架。

值得注意的是，历史上各阶段蓝绿基础设施的作用机制，均会受限于当时的技术条件和相应尺度内多个子系统之间的相互作用关系。因此，国土空间规划设计亟待解决的问题是：在管治体系、规划目标和技术都发生改变的当下，这些规律在多大程度上仍能成为规划设计的依据？然而，通过复杂适应性系统的思维视角，对国土空间按动态速率进行分层理解和调整，并积极地挖掘蓝绿基础设施的潜力，从而构建更具韧性的蓝绿基础设施，仍将成为维护国土空间安全格局的有益尝试。

注释(Note)：

① 区域尺度图集详见参考文献[31]。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

图1引自参考文献[19]；图2、4～6由作者绘制；图3由作者绘制，由Véro Crickx排版设计；表1由作者绘制。