基于GF-2和MSPA的绿地空间格局分析

裴婷婷 朱玉泉 陈 朔 陈小平

摘要 绿地形态特征对其生态和文化功能发挥有一定影响。本文基于高分二号（GF-2）高分辨率遥感数据，在ArcGIS 10.7和ENVI 5.1软件支持下，构建了TY市绿地信息数据库，采用形态学空间格局分析方法（MSPA）分析了研究区绿地格局特征，探讨绿地核心区、孤岛区、环岛区、孔隙区、边缘区、桥接区和支线区分布特点。结果表明，研究区绿地空间布局有待优化，特大型绿地斑块和大型绿地斑块数量相对较少，中小型斑块数量多，破碎化现象严重。核心区多以公园为主，孤岛区以居住区绿地和附属绿地为主，受人类活动影响较大，连通性有待进一步提升。针对该市绿地结构现状和空间布局实际情况，本研究提出以下建议：进一步优化绿地空间布局和结构，充分利用城市水系，发展带状绿地，充分利用口袋公园建设契机，以丰富居民的休闲空间。

关键词 绿地格局；形态学空间格局分析方法；形态分析

中图分类号 S731.2 文献标识码 A  文章编号 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

城市綠地作为城市不可或缺的组成部分，在缓解城市热岛效应、净化空气、美化环境、调节地表径流以及提供康养环境等方面有重要的生态价值和文化服务价值[1-2]。随着生活水平的提高，绿地在城市中扮演的角色越来越重要，绿地的数量、空间分布格局会影响居民的生活环境和城市形象[3]。因此，高效率、高质量评估城市绿地空间格局特征具有重要的参考意义。相关研究多基于TM或SPOT等中分辨率卫星影像数据，采用景观格局指数分析绿地空间分布特征[4]、景观格局优化[5]、景观格局时空演变动态及驱动机制[6-7]，城市绿地形态学方面研究较少。形态学空间格局分析方法（MSPA）是利用腐蚀、扩张、开运算和闭运算等算法将图形进行分割、识别和分类的图像处理方法，主要用于描述景观要素在空间上的几何排列和连通性[8-10]，为城市绿地空间形态相关研究提供了视角，目前已被应用于绿地格局分析、生态网络构建、栖息地环境建设和热环境改善等领域[11-14]。洪婷婷等[13]基于形态空间格局分析方法（MSPA）探究了城市绿色基础设施与热环境的关系，并提出了基于热环境改善的MSPA优化方法。

绿地形态结构直接影响其功能发挥效果，如分散布局和集中布局的绿地降温效果有明显差异。因此，明晰城市绿地空间分布的形态特征，分析总结绿地建设空间布局现状，对优化土地利用水平和提升人居环境质量具有重要意义。本研究基于高分二號（GF-2）高分辨率遥感数据，通过ENVI 5.1软件进行预处理、监督分类及目视解译等，提取城市不同用地类型，构建TY市绿地信息数据库，将用地类型图导入GuidosToolbox软件，基于MSPA方法定量分析该研究区绿地空间布局特征，总结绿地结构现状和空间布局实际情况。在此基础上提出相应的对策与建议，为研究区城市绿地布局优化及建设提供依据，同时为其他城市的绿地建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

TY市位于37°27′～38°25′N，111°30′～113°09′E，属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，年均降水量约456 mm。研究区范围是该研究区的JCP区、JY区、WBL区、XD区、XHL区和YZ区6个行政区域。

1.2 数据来源

GF-2是自主研发的光学对地卫星，其分辨率较高，具有定位精度高的特点，已被广泛用于国土资源调查、景观空间格局分析和灾害监测等方面[15]。本研究以TY市GF-2遥感数据为基础。

1.3 数据处理方法

1.3.1 预处理  使用ENVI 5.1对GF-2号遥感影像进行预处理，具体包括正射校正（Geometric correction）、图像融合（Extensions）和影像裁剪（Regions of interest）等步骤。

1.3.2 绿地斑块分布  选用监督分类方法对研究区用地类型进行分类，将其分为绿地、建设用地、水体、道路用地和裸地5个部分。在此基础上，结合BIGMAP矢量数据、地图与实地调研，通过目视解译对土地利用类型进行校正和完善，提高遥感数据的解译精度，最终将其分为道路、水系、公园绿地、建设用地、裸地、建设用地、耕地和绿地。最后，运用混淆矩阵对土地利用类型数据进行精度验证，总体精度达到了91.1%，Kappa系数为0.85，符合研究需要[16]。本文主要研究该地区绿地空间，根据实际，本研究将研究区内的绿地斑块按照其面积大小划分为4个等级：≤1 hm2为小型斑块；1～10 hm2为中型斑块；10～50 hm2大型斑块；≥50 hm2为特大型斑块。

1.3.3 绿地空间格局  MSPA方法作为一种形态分析法而被引入生态网络分析中，可被运用到不同尺度的生态网络规划与评价中。城市绿地具有网络结构性、连通性和整体性等特点[17-18]，符合使用MSPA方法的基本要求。基于MSPA方法，可将城市绿色基础设施、生态用地等划分为核心区（Core）、孤岛（Islet）、边缘（Edge）、连接桥（Bridge）、分支（Branch）、环（Loop）和穿孔（Perforation）7类互不重叠的景观单元。通过景观单元划分，能评估城市绿地的空间形态特征，从而更精确地分辨景观类型与结构，有利于形成更合理的城市绿地系统空间形态与结构。

以TY市主城区GF-2号遥感影像解译的土地利用类型数据为基础，首先用ArcGIS 10.7软件将绿地设置为前景数据，其余用地类型为背景数据，导出10 m×10 m像素大小的二值栅格图。随后将其导入GuidosToolbox软件中，选取八邻域法则对数据进行分析。最终得到TY市主城区基于MSPA方法的绿地景观类型分类，并统计其面积，具体包括核心区、孤岛、穿孔、边缘、环、连接桥和分支7类。

2 结果与分析

2.1 不同等级绿地斑块分布特征

从表1可以看出，绿地斑块较分散，且中心城区绿地斑块面积较小。各行政区不同等级绿地斑块的数量和面积见表1。

从研究区绿地整体分布来看，不同等级绿地斑块数量和面积差异较大。具体表现：特大型斑块（22块），占绿地总面积的10.28%；小型斑块（265 771块），占绿地总面积的8.33%；特大型、大型斑块数量略偏少，在各行政区内分布不均匀，呈现“中心少、四周多”的分布特征；老城区以中小型绿地斑块为主，说明城市化发展过程中绿地破碎化占比较高。此外，各行政区中不同等级绿地斑块的数量和面积差异较大，如研究区特大型斑块总共22个，其中JCP区占了13个，而WBL区和YZ区特大型斑块均为1个；YZ区中型斑块数量只有WBL区和XD区的50%左右。因此，城市规划中可采取以点带面和见缝插绿的方法，提升老城区的中小型斑块的连通性和质量。另外，还可利用口袋公园的建设契机，充分提升绿地斑块的综合功能，加强各类型绿地斑块的连通性。

2.2 绿地空间格局分析

由表2可知，各类型绿地在数量和面积上分布不均匀。从绿地整体布局上看，各景观类型占绿地总面积比例为核心区（33.80%）>孤岛区（20.65%）>边缘区（16.98%）>支线区（13.12%）>桥接区（12.29%）>环岛区（2.85%）>孔隙区（0.31%）。其中，核心区总面积为3 366.42 hm2，在绿地总面积中占比为33.80%。核心区整体分布不均匀，以公园绿地为主，在人群密集的中部老城区分布较少，呈现出北部密集、中部稀疏的分布特征，南部地区少部分公园绿地面积较大，小面积公园绿地分布较少；孤岛区面积为2 057.00 hm2，占绿地总面积的20.65%，孤岛区在整个生态网络中较为孤立，主要用作居住区绿地及其他附属绿地，在研究区范围内分布呈现破碎状；边缘区总面积为1 691.44 hm2，在绿地总面积中占比为16.98%，仅次于绿地核心区和孤岛区面积；桥接区面积占绿地总面积的12.29%，其在城市生态网络构建中可起到连接的作用；支线区面积仅占绿地总面积的13.12%，支线斑块对研究区绿色空间连通性的提升作用有效；孔隙区和环岛区面积在绿地总面积中占比最小，分别为0.31%和2.85%。各绿地斑块生态功能发挥受人类活动影响较大，景观连通性有待进一步提高。因此，规划建设过程中，应改善城市绿地空间格局的形态结构，以保护和增加核心区面积为主，同时提高各类型绿地斑块间的连通性，提升绿地空间分布的整体性。

3 结论与讨论

本文基于GF-2高分辨率遥感数据，在ArcGIS和ENVI 5.1软件支持下，构建了TY市主城区绿地信息数据库，并采用MSPA生态网格分析方法定量分析该区域绿地空间格局特征。结果表明，研究区主城区绿地空间分布有待优化，特大型绿地斑块和大型绿地斑块数量较少，中小型斑块数量多，破碎化现象较严重。核心区多以公园为主，孤岛区以居住区绿地和附属绿地为主，容易受到人为活动影响，景观连通性有待提高。

针对研究区绿地结构现状和空间布局存在的短板，本研究提出以下建议。进一步优化绿地空间布局和结构，通过保护和增加核心区（公园绿地）数量和面积，适当增加中小型斑块的面积，同时提升其连通性和景观多样性，构建能够覆盖全区域的生态网络体系，降低斑块间的破碎度，提升空间连通性，逐渐缩小各个行政区间绿地斑块的覆盖差异。充分利用城市水系，发展带状绿地，构建蓝绿空间体系，完善基础设施及服务，提升景观生态系统质量。充分利用口袋公园建设契机，增加和提升核心区的数量、面积和质量，并完善相关管理机制，以丰富居民的休闲空间。

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（责编：张 蓓）

基金项目 山西省高等学校教学改革创新项目（J20221473）；山西省研究生创新项目（2023KY325）。

作者简介 裴婷婷（1987—），女，山西晋城人，硕士，讲师，从事风景园林规划与设计、园林植物应用与园林生态研究。

通信作者 陈小平（1989—），男，河南信阳人，博士，副教授，从事风景园林规划与设计、园林植物应用与园林生态研究。