四川省主要城市市域綠色基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)學(xué)空間分析及景觀組成研究

謝于松

范惠文

王倩娜*

羅言云

王 霞

1 研究背景

伴隨中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市的快速擴(kuò)張、人口的增長和農(nóng)村地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快使鄉(xiāng)村和自然生境收縮[1]，進(jìn)一步導(dǎo)致生態(tài)孤島或散落的景觀斑塊的形成，使生態(tài)連續(xù)性下降、生境破碎化程度加劇。為應(yīng)對這一趨勢，需要轉(zhuǎn)換思維，將自然生境空間作為可持續(xù)發(fā)展所依托的“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”進(jìn)行考慮。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green Infrastructure，GI)是一類能夠提供生態(tài)服務(wù)及功能支持的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。GI要素包括中心(hub)和連接(link)，其核心理念在于將自然區(qū)域和其他開放空間組成相互連接的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提高生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和抗干擾能力。構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)有利于保存自然生態(tài)系統(tǒng)的價值和功能，維持潔凈的空氣和水體，維護(hù)人類和生物的利益，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展[2]。

近年來，一種偏向測度結(jié)構(gòu)連接性的形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)方法被引入到GI網(wǎng)絡(luò)分析中。MSPA是Soille[3]等學(xué)者基于腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理，對柵格圖像的空間格局進(jìn)行度量、識別和分割的一種圖像處理方法，能夠更加精確地分辨景觀類型與結(jié)構(gòu)。它將森林、濕地等自然生態(tài)要素作為前景，其他要素如建設(shè)用地等作為背景，并通過一系列圖像處理方法將前景按形態(tài)分為7類互不重疊的GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素[3-4](表1)?；贕I理論，已有多位國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用MSPA方法對GI展開研究，如Wickham[4]等采用MSPA方法對全美GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行不同邊緣寬度的統(tǒng)計、分析及評價；劉頌[5]等運(yùn)用MSPA與景觀連接度、最短路徑分析有機(jī)結(jié)合的方法建立了長三角蘇錫常地區(qū)區(qū)域尺度GI規(guī)劃框架，驗證了利用MSPA進(jìn)行區(qū)域GI規(guī)劃輔助的可能性；于亞平[6]等利用MSPA方法識別南京市3個時期的GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行時空上的定量評價，為市域GI網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化提供參考；吳銀鵬[7]等通過MSPA方法識別成都市多個年份的GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并定量對比分析，構(gòu)建斑塊廊道的重要性分級體系，明確了GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素的重要性及其空間分布。整體而言，應(yīng)用MSPA方法對區(qū)域和市域尺度GI網(wǎng)絡(luò)展開的分析和研究較為廣泛，形成了相對成熟的技術(shù)方法。但我國的相關(guān)研究對象以沿海、東部地區(qū)或西部核心城市為主，且多集中于單個城市，對多個城市間GI網(wǎng)絡(luò)差異性的探討較為欠缺。伴隨我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加深，在城市建設(shè)用地擴(kuò)展與林地、耕地保護(hù)的矛盾日益加劇的大背景下，針對西部地區(qū)多個城市GI展開形態(tài)學(xué)空間分析，并研究其土地利用組成特征是十分有必要的。

基于以上背景，本研究選取四川境內(nèi)覆蓋成渝城市群生態(tài)屏障面積較廣的13個主要城市為研究對象，運(yùn)用MSPA方法與景觀生態(tài)學(xué)理論，針對各城市市域尺度下的GI展開形態(tài)學(xué)空間分析、土地利用景觀組成分類及特征分析。研究旨在明確成渝城市群四川境內(nèi)不同城市在市域尺度下，GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素及其景觀組成的相似性與差異性，研究結(jié)果能夠為客觀認(rèn)識各城市的GI形態(tài)及其景觀構(gòu)成提供依據(jù)，并依此提出相應(yīng)的GI網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和空間管制建議，為成渝城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和規(guī)劃保護(hù)提供重要參考。

2 研究對象及數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域概況

成渝城市群是我國九大國家級城市群之一，地處西部長江上游地區(qū)，生態(tài)區(qū)位重要而特殊，覆蓋我國大量的重要水源保護(hù)地和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，是維護(hù)長江上游乃至我國生態(tài)安全的重要戰(zhàn)略區(qū)域[8]。本研究選擇覆蓋成渝城市群大面積生態(tài)屏障的四川境內(nèi)主要城市作為研究對象(圖1)，包括自貢、瀘州、德陽、綿陽、遂寧、內(nèi)江、樂山、南充、眉山、宜賓、廣安、達(dá)州和資陽13個城市，研究區(qū)域地理范圍為東經(jīng)102°82＇～ 106°67＇、北緯27°66＇～33°03＇，總面積約129 972km2，占成渝城市群總面積的72.41%[8]。研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，熱量充足，雨量豐富，自然生態(tài)環(huán)境良好，森林資源豐富，生物資源種類繁多，在成渝城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和保護(hù)中占有重要地位。

表1 MSPA的景觀類型及其生態(tài)學(xué)含義

2.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

基于云量少、無遮擋的原則，選取2015年6—8月四川省13個主要城市的Landsat衛(wèi)星TM/ETM遙感影像[9]，輔以四川省2015年土地利用分類圖[10]進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加處理。

在ENVI5.3軟件內(nèi)完成輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、鑲嵌和行政邊界裁剪[11]等預(yù)處理后，獲得各城市的遙感影像圖?；跉w一化差分植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)提取各城市遙感影像圖中的所有綠地類型(含耕地、林地、草地、城市綠地等)，基于歸一化差分水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index，NDWI)提取水域范圍，結(jié)合高精度遙感影像及實(shí)地調(diào)研對提取結(jié)果進(jìn)行修正，盡可能提高研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而后，在ArcGIS中將各城市GI要素(含綠色植被及水域)合并為前景，賦值為1，將其余非GI要素作為背景，賦值為0，獲得13個城市30m×30m二值柵格圖。

3 研究方法

3.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)學(xué)空間分析

利用Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析方法，對各城市30m×30m二值柵格圖進(jìn)行MSPA分析。其中，邊緣寬度按各城市核心區(qū)所占比例的最高值選取，將GI破碎度指標(biāo)作為13個城市數(shù)據(jù)篩選的統(tǒng)一變量進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。分析得到13個城市基于MSPA的GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素分布圖、面積及其所占百分比數(shù)據(jù)。

3.2 綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀組成分析

圖1 研究區(qū)域范圍 (改繪自參考文獻(xiàn)[8])

為剖析7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素與土地利用類型的關(guān)系，明確其土地利用構(gòu)成，進(jìn)一步對7類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素的景觀組成展開分析。處理過程為：將13個城市的土地利用分類圖按編號屬性在ArcGIS10.3中進(jìn)行重新分類，分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種土地利用類型[12]。用ArcGIS對MSPA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素圖及土地利用分類圖進(jìn)行疊加分析，并完成相應(yīng)構(gòu)成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

3.3 城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀組成層次聚類分析

為進(jìn)一步明確不同城市間GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素在土地利用上的差異性與相似性，深入認(rèn)識其景觀組成特征，以7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素在土地利用類型上的相似程度作為分類依據(jù)進(jìn)行分類。處理過程為：以13個城市的土地利用類型在GI網(wǎng)絡(luò)中所占比例為變量因子，分別在SPSS25.0中采用層次聚類分析(Hierarchical Cluster Analysis)中的Q型聚類方法，樣本數(shù)據(jù)之間的親疏程度計算采用歐式距離平方，樣本與小類、小類與小類之間的親疏程度計算采用類間平均鏈鎖法進(jìn)行聚類，采用中線法，以距離水平3為標(biāo)準(zhǔn)線對各城市GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行相似程度劃分[13]。

4 結(jié)果與分析

4.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)學(xué)空間分析

四川省主要城市市域范圍的GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素組成統(tǒng)計如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，市域尺度下GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素主要以綠色基底的核心區(qū)和紅色基底的連接橋為主。整體而言，各城市的核心區(qū)占比為40%～80%，連接橋占比為8%～45%，二者面積總和占到城市總面積的80%以上，而城市的孤島、穿孔、邊緣、環(huán)和分支等GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素占比較小，多在10%以下，孤島面積均在1%以下。以上數(shù)據(jù)說明，各城市內(nèi)斑塊及廊道占比較高，整體GI網(wǎng)絡(luò)狀況較好。其中，不同城市間在GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素上的差異主要表現(xiàn)在核心區(qū)與連接橋的比重上，以達(dá)州、自貢、樂山、德陽、瀘州和綿陽(圖2)為例，它們的核心區(qū)和連接橋占比顯著不同。6座城市核心區(qū)與連接橋的占比均在80%以上，樂山市更是高達(dá)90.79%，但細(xì)究不同城市間核心區(qū)和連接橋的比重，達(dá)州為54.56%和30.91%，自貢為41.75%和43.51%，德陽為42.19%和38.78%，三者占比較接近，而樂山為79.66%和11.13%，瀘州為61.52%和22.96%，綿陽為70.87%和10.51%，與其他3個城市差異明顯。

圖2 基于MSPA的GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素分布

表2 四川省主要城市GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素組成統(tǒng)計

表3 自貢市7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素土地利用構(gòu)成

4.2 綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀組成分析

各城市GI景觀組成分析結(jié)果顯示：城市中7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素的土地利用類型主要為耕地和林地，而各種土地利用類型由于分布特征、面積等不同，在7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素中的存在形式具有差異。以自貢市為例(表3)，7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素中耕地面積占比61.57%～84.56%，林地面積占比15.49%～29.60%，耕地和林地總面積占比達(dá)90%以上，而水域、草地、未利用地等占比較小，水域面積占比0.10%～9.04%，草地面積占比在1%以下。同時，通過分析自貢土地利用類型在7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素中的分布情況，發(fā)現(xiàn)耕地、林地和草地等主要以核心區(qū)和連接橋的形式存在，水域則多為連接橋的形式。

4.3 城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀組成類型及其特征

上述研究結(jié)果顯示，市域尺度下，13個城市的核心區(qū)和連接橋2種GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素占比較大，其中，核心區(qū)與連接橋的景觀組成以林地、耕地為主。故選取7類GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素中最具有代表性的兩大要素——核心區(qū)與連接橋，研究其景觀組成類型及特征。

核心區(qū)方面，基于層次聚類分析，可將13個城市分為以下三大類(圖3)。

1)典型耕地型城市。包括南充、內(nèi)江、眉山、遂寧、自貢、德陽和資陽7個城市，其核心區(qū)的景觀組成特征表現(xiàn)為：林地與耕地面積之和在95%以上，林地與耕地比重約1:3，市域整體呈現(xiàn)耕地面積突出的特點(diǎn)，人類活動范圍較廣，對核心區(qū)、連接橋等GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素的影響較明顯；草地、水域和未利用地等比例較低，存在草地和水域面積較少、破碎化程度較大的情況。

圖3 四川省主要城市核心區(qū)景觀組成聚類分析圖譜

2)耕地型城市。包括宜賓、廣安2個城市，其核心區(qū)的景觀組成特征表現(xiàn)為：林地與耕地面積之和在95%以上，林地與耕地比重約2:3，不過此類城市林地面積較為集中，且多以核心區(qū)等GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素形式存在，占到林地總面積的70%以上，而水域、草地破碎化程度較高。

3)林地型城市。包括達(dá)州、樂山、綿陽和瀘州4個城市，其核心區(qū)的景觀組成特征表現(xiàn)為：林地與耕地比重約1:1，占核心區(qū)總面積的40%左右；林地占比較大，以耕地為表征的人為干預(yù)程度較低，景觀的優(yōu)勢度相對較高。

圖4 四川省主要城市連接橋景觀組成聚類分析圖譜

連接橋方面，基于層次聚類分析，可將13個城市劃分為以下三大類(圖4)。

1)典型耕地型連接橋。包括南充、遂寧、瀘州、廣安、內(nèi)江、資陽和樂山7個城市，其連接橋的景觀組成特征表現(xiàn)為：耕地面積占比達(dá)80%以上，耕地總面積大，人為活動較為頻繁，對連接橋干擾程度大，城市中林地作為連接橋的較少，均在10%以下，水域和草地整體面積較小，在連接橋中所占比例較低。

2)耕地型連接橋。包括自貢、德陽、宜賓、達(dá)州和綿陽5個城市，其連接橋的景觀組成特征表現(xiàn)為：耕地面積占比55%～80%，林地所占比例達(dá)20%以上，水域以連接橋形式存在的面積較大；區(qū)域內(nèi)景觀聯(lián)系性較好，景觀優(yōu)勢度較高。

3)林地保護(hù)型連接橋。包括眉山，其連接橋的景觀組成特征表現(xiàn)為：以林地為主，占比達(dá)53%，水域占比雖僅為約6%，但占水域總面積的52%，耕地和草地占比約為20%；受到人類活動干擾影響相對較弱，區(qū)域內(nèi)景觀聯(lián)系性較好。

表4 城市GI景觀組成類型、特征及規(guī)劃保護(hù)建議

5 基于GI景觀組成特征的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及保護(hù)建議

通過對四川省主要城市市域尺度下GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要素中的核心區(qū)和連接橋進(jìn)行景觀組成分類，分別得到3類具有不同景觀組成特征的城市類別。核心區(qū)通常為市域范圍內(nèi)的大型城市公 園、自然保護(hù)區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)等。連接橋為連接相鄰核心區(qū)的廊道，是相鄰核心區(qū)斑塊間進(jìn)行物種擴(kuò)散和能量交流的重要通道。在城市市域范圍內(nèi)通常為帶狀綠地或主要水系，如道路綠化帶、防風(fēng)林帶、河流等。通過分類可注意到，不同類別的城市因景觀組成特征不同，需要采取的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃保護(hù)策略存在差異(表4)。

6 結(jié)論

城市GI網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及規(guī)劃保護(hù)需要在科學(xué)、客觀認(rèn)識現(xiàn)狀條件的基礎(chǔ)下進(jìn)行。本文在市域尺度下，以成渝城市群四川境內(nèi)13個主要城市為研究對象，基于MSPA、景觀組成、層次聚類分析等方法，客觀分析了各城市市域范圍內(nèi)7類GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素及其景觀組成特征，提出了基于GI景觀組成特征的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及保護(hù)建議。研究結(jié)果能較好地反映不同城市GI在景觀組成特征上的相似性與差異性，對客觀認(rèn)識各城市市域尺度下的GI特征，乃至成渝城市群區(qū)域尺度下的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及規(guī)劃保護(hù)具有重要的參考價值。但由于MSPA方法對于景觀的研究尺度十分敏感[14]，后續(xù)仍有在不同尺度下(如成渝城市群區(qū)域尺度、各城市中心城區(qū)尺度)展開進(jìn)一步研究的必要。此外，結(jié)合景觀格局指數(shù)等因子構(gòu)建適宜成渝城市群的GI網(wǎng)絡(luò)評估體系、完成相應(yīng)重要性分級是下一步待開展的研究工作。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院風(fēng)景園林專業(yè)研究生張嫻麗、趙昕、歐陽雨婷、蘭雪珍、趙靜在數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計過程中提供的幫助。