戴 菲
畢世波
陳 明
郭曉華*
城市綠地以植被為主要存在形式,是用于改善城市生態(tài)、保護環(huán)境, 為居民提供游憩場所和美化城市的一種城市用地[1]。綠地系統(tǒng)不僅能提供生態(tài)系統(tǒng)服務,還可為人類身心提供健康的環(huán)境[2]。20世紀90年代后,中國綠地系統(tǒng)的研究取得了較快的發(fā)展。相關(guān)研究內(nèi)容主要集中在城市綠地及其面積[3]、城市公園與綠帶等綠地組分[4-5]、評價指標與體系[6]等層面。此外,就其研究方法或技術(shù)而言,RS、GIS,尤其GPS的廣泛應用,大大推進了PPGIS的發(fā)展,為GIS提供了新的數(shù)據(jù)來源[7]。
既有相關(guān)綠地系統(tǒng)生態(tài)格局的研究方法與內(nèi)容,多基于Worldview、Quick Bird、Landsat等影像數(shù)據(jù)源,通過RS、GIS、Fragstats等技術(shù)平臺[8],借助景觀格局等指數(shù)[9]對區(qū)域、城市、街區(qū)尺度綠地景觀格局的歷史演變[10]、綠地系統(tǒng)破碎化、多樣化程度的評價[11]等方面進行研究,主要從宏觀層面反映了綠地系統(tǒng)空間格局的特征及存在的問題,未能落實到具體的空間區(qū)位規(guī)劃層面,也就難以基于生態(tài)視角提出具體的綠地系統(tǒng)完善策略。因此,相應的研究就顯得尤為重要。
近年興起的形態(tài)學空間格局分析方法——MSPA(Morphological Spatial Pattern Analysis),為綠地系統(tǒng)適應新時代的發(fā)展要求提供了嶄新的研究視角。其是Vogt等學者基于腐蝕、膨脹、開啟等數(shù)學形態(tài)原理對相應圖像的形態(tài)空間格局進行識別度量分級的方法[12],不僅可用于評估不同尺度空間綠地系統(tǒng)的網(wǎng)絡格局、類型,亦可與其他方法結(jié)合評估景觀的連通性[13],為綠地系統(tǒng)的構(gòu)建和城市的可持續(xù)發(fā)展提供借鑒[14],被廣大學者廣泛應用。但MSPA的作用與意義主要發(fā)生在生態(tài)層面,不能反映綠地的功能問題,而混淆矩陣可用于如與樹種檢驗或評估相關(guān)分類的準確性[15],可量化不同年份間不同類型地物及其間的變化情況,且能基于ENVI技術(shù)平臺所得的土地利用分類明晰促使其變化的主要驅(qū)動力。這既能彌補MSPA技術(shù)不能反映土地類型及其功能的不足之處,又能明晰促使基于MSPA的各綠地格局演變的動因。二者具有“表與里”的關(guān)系,結(jié)合后能為從生態(tài)學角度探索綠地系統(tǒng)構(gòu)建方法和提出針對性改善策略提供理論依據(jù),亦能解決既有相關(guān)綠地系統(tǒng)格局的研究不能落實到具體的空間區(qū)位規(guī)劃層面的問題。
倫敦作為公認的“綠色城市”和“最適宜居住的城市”[16],其綠地系統(tǒng)的發(fā)展有著相應的法規(guī)政策作為保障。尤其是1976年的大倫敦發(fā)展規(guī)劃(The Greater London Development Plan),作為第二次開放空間規(guī)劃,成為倫敦綠地系統(tǒng)發(fā)展的重要節(jié)點。此外,倫敦在時間與空間雙重維度與我國的城市有著共性——其不僅經(jīng)歷了嚴重的空氣顆粒物污染,而且城市空間結(jié)構(gòu)與北京等城市相似,符合本文的研究目的。因此,以倫敦為實證對象能更好地體現(xiàn)MSPA方法在研究綠地系統(tǒng)格局動態(tài)演化中的作用與現(xiàn)實意義,還能為我國城市綠地系統(tǒng)的完善與面臨的顆粒物污染問題的解決提供切實可行的新思路。
表1 倫敦與綠地相關(guān)的政策及內(nèi)容
鑒于此,本文依據(jù)相關(guān)法規(guī)政策,選取倫敦自1975年來6個時間節(jié)點的綠地資料,通過將MSPA和混淆矩陣分別作為探究綠地系統(tǒng)的“表”與“里”來分析綠地系統(tǒng)時間和空間維度的形態(tài)格局演化及其驅(qū)動因子,以此探究生態(tài)層面的MSPA與功能層面的混淆矩陣相結(jié)合的綠地系統(tǒng)研究新思路,以從生態(tài)視角為我國綠地系統(tǒng)的規(guī)劃與建設提供方法參考與實踐依據(jù)。
大倫敦橫跨泰晤士河,包含英國的首都倫敦及周邊3 2 個衛(wèi)星城,經(jīng)緯度分別位于-0.6°W~0.4°E,51.3°N~51.7°N,面積約為1 595km2。屬于全年溫和濕潤的溫帶海洋性氣候。1938年,大倫敦地區(qū)區(qū)域規(guī)劃委員會通過了綠化帶法。強調(diào)植被包含著人類主要的定居和活動地的土地[17]。環(huán)城綠化帶是倫敦綠色空間的重要特征。自1976年的第二次開放空間規(guī)劃以來,為應對綠地系統(tǒng)發(fā)展過程中顯現(xiàn)的諸多問題,完善綠地系統(tǒng)建設,制定了一系列相關(guān)法規(guī)與政策[16,18]。這為本文所選的6個時間節(jié)點的影像資料提供了依據(jù)(表1)。
1976年的大倫敦發(fā)展規(guī)劃要求在開放空間中,應按照不同的大小等級來配置大城市公園、區(qū)域公園、地方公園和小型地方公園,自此形成了開放空間點、線結(jié)合的網(wǎng)絡空間結(jié)構(gòu)[19]。本文據(jù)此通過美國地質(zhì)勘探局(USGS)網(wǎng)站,結(jié)合遙感影像的云量等參數(shù)條件,從1975—2018年40多年間依次獲取了1975年7月、1985年6月、1990年8月、2000年6月、2010年6月和2018年6月的Landsat1-5MSS、Landsat4-5TM、Landsat7ETM+、Landsat8OLI共6個時間節(jié)點的影像數(shù)據(jù)信息,其中除1975年影像的分辨率為60m外,其余均為30m。
首先,基于ENVI5.3對大倫敦區(qū)域的遙感影像進行校正、融合與增強處理,通過樣本的選取及其分離度檢驗后進行監(jiān)督分類,將研究區(qū)域分為植被(包含農(nóng)業(yè)用地)、建設用地、裸地和水域4類。其次,通過ArcMap10.5一方面將植被用地重新賦值為2,其他用地類型賦值為1,將監(jiān)督分類后的圖像進行重分類,得到二值圖及相應的數(shù)據(jù)。利用Guidos Toolbox軟件中的MSPA(形態(tài)學空間格局分析)將6個時間節(jié)點的二值圖進行量化分類來提取并分析倫敦綠地系統(tǒng)網(wǎng)絡組分,進而分析其中主要的變化情況。另一方面通過柵格轉(zhuǎn)面工具對ENVI5.3所得監(jiān)督分類圖進行矢量化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,借助相交分析獲取不同年份的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,并借助Kappa系數(shù)量化相應的土地利用變化情況。通過CE、OE分析植被的平均變化率及各研究時段的主要驅(qū)動力。
近年來,MSPA作為一種形態(tài)空格格局分析方法,被引入生態(tài)網(wǎng)絡分析中。通過MSPA可將研究區(qū)域的綠色基礎設施(GI)分為:核心區(qū)(Core)、孤島(Islet)、邊緣(Edge)、橋連接(Bridge)、分支(Branch)、環(huán)(Loop)和孔隙(Perforation)7類互不重疊的景觀組分[20]。而城市綠地系統(tǒng)具有連接性、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)性、整體性等特點[21]。這符合MSPA方法的范疇及其代表的生態(tài)學含義(表2)。我國的城市綠地系統(tǒng)多指園林綠地系統(tǒng),其作為一個城市系統(tǒng)的獨立子系統(tǒng),包括城市各類和各規(guī)模的綠地,它們之間特定的組織方式構(gòu)成了綠地系統(tǒng)獨立性的結(jié)構(gòu)特征。MSPA方法通過提取其中各類和各規(guī)模的綠地組分作為前景并能將其分為7類,由此能評估不同尺度空間綠地系統(tǒng)的網(wǎng)絡格局,還能更精確地分辨出景觀的類型與結(jié)構(gòu)[22],有利于形成更合理的綠地系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)。此外,相關(guān)研究也已證明當綠地覆蓋率小于40%時,綠地整體生態(tài)效益的發(fā)揮主要取決于綠地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間布局?;诖?,本文嘗試引入MSPA方法僅提取城市綠地系統(tǒng)各組分為前景,對其進行研究,為城市綠地系統(tǒng)格局的優(yōu)化提供新的思路。
圖1 1975—2018年倫敦土地利用情況
圖2 1975—2018年倫敦綠地MSPA類型
混淆矩陣是精度評價的一種方法,在土地利用分類中包含著kappa系數(shù)(公式1)、生產(chǎn)者精度Producer's Accuracy(PA)、用戶精度User's Accuracy(UA)、總體分類精度、誤判誤差Commission Error(CE)(公式2)與漏判誤差Omission Error(OE)(公式3)等概念。Kappa系數(shù)由Cohen在1960年提出[23],地理信息技術(shù)領(lǐng)域常用于評價遙感影像的分類精度。若2幅影像圖完全一致,則kappa值為1;當0.75≤kappa<1時,2幅影像一致性較高;0.4≤kappa<0.75,2幅影像一致性一般;0≤kappa<0.4,2幅影像一致性較差[24]。嘗試通過PA、UA、CE、OE判斷倫敦綠地變化,并依據(jù)kappa系數(shù)的概念認為可用公式(4)評價不同年度土地利用的變化的劇烈程度。
式中,r為交叉表的行的數(shù)量;Xii為沿著對角線上的類型組合的數(shù)量;Xi+為行i的總的觀測數(shù);X+i為列的總的觀測數(shù)量;N為單元格總數(shù)量;D為土地利用類型的波動程度;P/t為某類用地的平均變化率。
1981—1991年,環(huán)城農(nóng)業(yè)用地減少了11%,降到151km2,2001年減至120km2,改變用途的土地從2.4m2增加到5.38km2,環(huán)城綠帶中非農(nóng)業(yè)用途的再利用方式違背了環(huán)城綠帶建設的基本原則[25]。通過ENVI5.3對倫敦6個時間點的土地利用情況可視化分析后,將1975年以來的倫敦土地利用情況分為3個階段:第1階段為1975—1990年,為綠地緩慢減少期。主要表現(xiàn)為截至1975與1985年,裸地在倫敦土地利用中分布廣泛。到1990年被破壞或不合理利用的環(huán)城綠帶土地較為集中,主要分布在北部的恩菲爾德(Enfield)和雷德布里奇(Redbridge)、東北部的黑弗靈(Havering)和東南部布羅姆利(Bromley)4個自治市域,位于西部機場附近區(qū)域的綠地遭到較嚴重的破壞。第2階段為1990—2011年,是綠地的迅速惡化期。至2000年4個市均有所緩解,而北部的雷德布里奇(Redbridge)市緩解程度最弱,總體而言,該階段城市裸地減少、建設用地增加,環(huán)城綠地與內(nèi)部綠地均遭到不同程度的破壞。第3階段為2011年至今,為迅速恢復與完善期。該階段倫敦的綠地系統(tǒng)得以較快地恢復與完善,圈層分布與“綠鏈”特征尤為完整明顯(圖1)。
此外,第1階段,植被占比從1975年的39.83%下降至37.83%,后增長至38.57%,較1975年有所下降。裸地面積先增長后下降至約48.95km2,建設用地增長至約906.17km2。第2、3 階段中,植被與建設用地呈現(xiàn)出完全相反的變化趨勢,至2011年植被面積約為489.97km2,占比約30.71%。至2018年植被面積約為709.19km2,占比增長至44.45%。3種不同的用地類型均有不同程度的變化。
通過ENVI監(jiān)督分類明晰了植被用地與其他用地類型間空間分布后,基于MSPA方法,則可進一步明晰植被用地的構(gòu)成類型及存在的問題。
在6個時間節(jié)點中,基于MSPA的7種景觀類型均有不同程度的變化(圖2)。其中在第1階段,各景觀類型的面積相對較為穩(wěn)定,唯有核心區(qū)從起初占該年份綠地比例39.83%的253.16km2,降至238.6km2,而后升至272.88km2,說明了研究區(qū)內(nèi)大型綠地斑塊的增多。孤島數(shù)量維持在48~55km2,孔隙維持在8.96~11.25km2,二者均處于3個階段的中等水平,說明較多大型綠地斑塊內(nèi)部分布有不同程度的非植被用地類型。若要提升綠地斑塊的整合度,可據(jù)此對相應非植被用地進行有針對性的規(guī)劃。邊緣、環(huán)、橋連接和分支分別處于187.34~195.51、5.83~7.84、17.86~29.37、72.04~84.75km2。體現(xiàn)出雖然綠地破碎化程度較高,但綠地斑塊間有較好的連接關(guān)系,綠地網(wǎng)絡銜接良好的特征(圖2a、2b、2c)。
第2階段,核心區(qū)景觀類型面積從1990年的272.88km2下降至2011年的最低196km2,其余景觀類型也均呈現(xiàn)減少趨勢。無論是各綠地斑塊之間,還是綠地與其他用地起聯(lián)系作用的線性綠地均受損嚴重。表現(xiàn)了綠地破碎化程度嚴重且孤立的總體特征(圖2d、2e)。
第3階段,核心面積增加至310.7km2,增長了114.37km2,而孤島面積為50.42km2,低于第1階段孤島52.19km2的平均面積。表明該階段倫敦綠地系統(tǒng)大型斑塊多,體現(xiàn)出該階段大型公園得以發(fā)展,風景名勝區(qū)、生物棲息地等綠地景觀得以完善,但邊緣面積占綠地系統(tǒng)的比例為28.78%,低于1975年的30.76%,也說明了綠地斑塊與周邊非植被用地類型間的過渡地帶有待進一步完善。橋連接和分支數(shù)量增多,多表現(xiàn)為行道綠化、居住區(qū)綠化,以及其他線性綠地的增多(圖2f)。綠地間及其與其他用地類型間的聯(lián)系得以加強。
通過ArcMap10.5的相交分析獲得4類用地類型在兩兩研究年份間變化轉(zhuǎn)移情況,利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣探討與植被相關(guān)的土地轉(zhuǎn)移情況。并通過Kappa系數(shù)的計算來衡量不同年份間土地轉(zhuǎn)移變化的比率,并探求其潛在的驅(qū)動力。
將6個研究時間點的監(jiān)督分類圖像進行兩兩疊加后,獲取6幅土地利用變化圖。按上文所劃分的3個階段來探討:第1階段,前10年,102.29km2的植被轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地,占1975年植被面積的16.09%。建設用地的9.4%轉(zhuǎn)變?yōu)榫G地,裸地的36.97km2中轉(zhuǎn)為植被,約占裸地面積的56.10%;后5年,75.37km2的植被轉(zhuǎn)為建設用地,占綠地面積的12.49%。32.70km2植被變?yōu)槁愕?,占?.42%;裸地和建設用地分別有66.38、51.90km2轉(zhuǎn)為綠地,占各自用地面積的79.76%、5.87%,植被與建設用地變?yōu)槁愕氐耐恋孛黠@增多(表3a、3b)。
表2 MSPA各生態(tài)要素及其色彩與含義
第2階段,前10年,整個市域183.51km2的綠地用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地,占當年植被的29.90%。裸地與建設用地變?yōu)橹脖坏拿娣e僅為14.36、26.63km2,分別占各自的60.61%、2.94%(表3c)。泰晤士河周邊水域相應地受建設用地的侵占;后10年,63.33、8.29km2的植被變?yōu)榻ㄔO用地與裸地,占其面積比13.10%、1.71%,其中主要表現(xiàn)為環(huán)城綠帶遭到建設用地的侵占。裸地與建設用地的7.86、70.77km2轉(zhuǎn)為綠地,占各自的55.82%、6.58%(表3d)。
第3階段,建筑用地轉(zhuǎn)變?yōu)榫G地的區(qū)域顯著增多。裸地與建設用地的9.30、245.16km2轉(zhuǎn)為綠地,占各自面積的85.79%、22.81%,而綠地僅有22.30、13.14km2轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕睾徒ㄔO用地(表3e)。就總體變化而言,在整個研究時間段內(nèi),46.08、122.01km2的裸地和建設用地變?yōu)橹脖?。植被變?yōu)榻ㄔO用地與落地的面積分別為11.10、83.27km2,分別占比1.75%、13.10%(表3f)。
自1975年以來,各研究時段土地利用類型變化的Kappa系數(shù)分別為0.67、0.71、0.66、0.78、0.63,總體變化系數(shù)為0.68。土地變化程度依次為33%、29%、34%、22%、37%,總體變化系數(shù)為32%(公式4);植被用地各年段的平均變化率分別為21.73%、18.70%、21.63%、15.55%、21.66%,總體變化率為19.39%(表3)。
1)用地類型的“平均變化率”能說明某類用地類型的變化程度。通過kappa系數(shù)的概念試圖用公式(4)驗證土地利用的變化程度。此外,還基于混淆矩陣相關(guān)kappa系數(shù)、生產(chǎn)者精度Producer's Accuracy(PA)、用戶精度User's Accuracy(UA)、誤判誤差Commission Error(CE)與漏判誤差Omission Error(OE)等概念,嘗試性地提出了用“1-kappa系數(shù)”評價土地利用類型的波動程度和“平均變化率”(公式5)的概念來量化綠地的變化程度。據(jù)此得到1975—2018年的植被用地變化程度為19.39%,這一數(shù)據(jù)與植被用地各年段的平均變化率(21.73%、18.70%、21.63%、15.55%、21.66%)的和的平均值(19.874%)相近。說明利用公式5驗證某類用地類型的變化程度有一定的可行性,但介于樣本數(shù)量單一,后續(xù)可通過擴大樣本數(shù)量的方式對其進一步驗證。
2)MSPA能夠結(jié)合多種影像對多尺度景觀進行研究[26],為綠地系統(tǒng)的研究提供了極具可行性的方法。但其邊緣寬度數(shù)據(jù)的設置對研究區(qū)目標和斑塊的影響程度有顯著變化[27]。本文結(jié)合研究區(qū)的范圍和相關(guān)研究成果將邊緣設為120m[28],并與土地利用轉(zhuǎn)移矩陣中相關(guān)面積、面積占比等多維度參數(shù)相結(jié)合,為MSPA在景觀類型分析時提供了一定的量化參照,兩者結(jié)合可進一步優(yōu)化結(jié)果的準確性與可借鑒性。后續(xù)研究一方面可進一步探討兩者在何種層面以什么樣的方式進行結(jié)合能更有效地進行城市綠色基礎設施的相關(guān)研究。另一方面可依據(jù)MSPA分類的7種景觀類型及其間之關(guān)系具體探討倫敦綠地系統(tǒng)的發(fā)展與相關(guān)法規(guī)政策的關(guān)系、存在的問題與提升策略。
3)英國國家環(huán)境局擬定的國家土地利用分類體系(NLUS)將土地類型分為15個大類。而我國具有代表性的是1984年由全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會分為的8個大類,分類較為粗糙[29]。此外,英國的綠帶主要是指基于農(nóng)業(yè)用地與開敞空間來控制城市擴張的環(huán)城綠帶[27],是綠地系統(tǒng)的重要組分?;诖?,本文將倫敦耕地作為綠地系統(tǒng)的組分劃入“植被”這一類型,作為前景像元來研究。而我國農(nóng)業(yè)用地不屬于城市綠地系統(tǒng)的組分,與英國有著重要的區(qū)別。這就意味著在我國的相關(guān)研究中,不應照搬英國的分類標準,而應根據(jù)我國綠地系統(tǒng)所包含的具體組分進行提取,作為研究的前景像元來分析。盡管如此,但該文所提供的MSPA與混淆矩陣結(jié)合的研究思路能為我國綠地系統(tǒng)的建設提供借鑒與參考,為本文最重要的創(chuàng)新之處。
本文以倫敦綠地系統(tǒng)為研究案例,首先,量化了其空間分布情況與不同區(qū)位的破壞程度,并將倫敦1975年來的綠地變化依次分為3個階段。其次,結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分階段探討了綠地與其他用地類型間的變化情況與驅(qū)動力。最終構(gòu)建了基于ENVI影像解譯、ArcMap圖像轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理并與MSPA方法相結(jié)合,對其綠地進行了分類與分析后與混淆矩陣結(jié)合探究了綠地系統(tǒng)演變驅(qū)動力的方法。即基于ENVI的綠地空間分布研究與ArcMap的時間維度的分析后,通過MSPA與混淆矩陣結(jié)合研究綠地系統(tǒng)的格局、問題及其驅(qū)動力。該方法不僅能從宏觀到微觀、由表及里較系統(tǒng)地探究研究區(qū)綠地的時空變化情況及一般特征與規(guī)律,從生態(tài)層面為綠地系統(tǒng)制定具體的空間改善與發(fā)展策略提供科學性依據(jù),還可為探究諸如城市綠色基礎設施、林地等其他類型用地的演變與動因提供借鑒與參考。
表3 倫敦各年段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣
MSPA方法能從生態(tài)學角度反映綠地系統(tǒng)的格局形態(tài)及相應的生態(tài)學含義,而混淆矩陣可反映用地類型的功能及其歷史演化與主要驅(qū)動因子。兩者在綠地系統(tǒng)研究過程中在時間與空間2個維度上具有互補性。本研究在以下諸方面給予了重要的啟示與借鑒意義。
1)在綠地系統(tǒng)發(fā)展過程中,核心、邊緣和分支在7種格局形態(tài)中的面積始終占據(jù)前3位,且核心類變化最為敏感。這啟示我國在綠地系統(tǒng)建設過程中應尤其注重保護如生物棲息地或遷移地等在生態(tài)網(wǎng)絡中作為“源”的組分。其次,應重點完善起保護作用的如風景區(qū)外圍林帶等“邊緣”類過渡地帶與在促進綠地間物質(zhì)、能量交換方面發(fā)揮著重要作用的相關(guān)“分支”道路綠帶。
2)前文提出并證明了“1-kappa系數(shù)”和“平均變化率”(公式5)的使用范疇與作用,再結(jié)合MSPA方法及相應的生態(tài)學含義,為我國在當下強調(diào)生態(tài)的重要性的背景下,從生態(tài)學視角對城市綠地系統(tǒng)的動態(tài)變化與靜態(tài)狀態(tài)兩方面提供了新而簡便的評價指標與方法。
3)以倫敦為例證明了MSPA與混淆矩陣結(jié)合的綠地系統(tǒng)完善方法具有可行性。在我國未來的綠地系統(tǒng)建設中,可依照實際情況對綠地系統(tǒng)、綠帶的組分進行提取。確定土地利用分類中屬于前景像元的類型。首先通過MSPA方法的7種格局形態(tài),從生態(tài)層面評價綠地系統(tǒng)的現(xiàn)狀。而后結(jié)合混淆矩陣的“彌補”作用,探索呈現(xiàn)綠地系統(tǒng)現(xiàn)狀的驅(qū)動因子并確定相應綠地生態(tài)格局所對應的具體空間及土地功能,進而可提出基于生態(tài)學角度的具體的綠地系統(tǒng)完善策略,這為從生態(tài)學視角促進綠地系統(tǒng)的規(guī)劃、建設與完善提供了全新的視角與具體的思路。
注:文中圖片均由作者繪制。