基于CA-Markov與MSPA模型的城市綠色空間格局時空預(yù)測

肖睿珂 劉戀 張?jiān)坡? 李雄

收稿日期：2021-03-09

*基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2021ZY33）;國家林草局重點(diǎn)項(xiàng)目“京津冀區(qū)域城鄉(xiāng)人居生態(tài)環(huán)境綠色智

庫建設(shè)”（2020132109）;住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究開發(fā)項(xiàng)目“基于公園城市構(gòu)建的城市公園綠地生態(tài)服務(wù)功能評

估技術(shù)研究”（2020-K-057）

第一作者：肖睿珂（1997- ），女，碩士生，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)與理論。E-mail：995237706@qq.com

通信作者：張?jiān)坡罚?986- ），男，博士，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐、城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃。E-

mail：zhangyunlu1986829@163.com

摘要：合理的城市綠色空間格局對優(yōu)化城市生態(tài)功能和提高城市生物多樣性具有關(guān)鍵作用，而城市發(fā)展規(guī)劃方向直接影響城市綠色空間格局。研究以北京市海淀區(qū)北部為例，設(shè)置自然發(fā)展與城市規(guī)劃控制2種情景，運(yùn)用CA-Markov模型預(yù)測2種情景下2030年土地覆被類型情況，并利用MSPA模型定量分析2種預(yù)測情景下城市綠色空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的異同。研究結(jié)果表明，合理的城市規(guī)劃對各類綠色空間形態(tài)具有明顯提升作用，尤其在保持面積大于20hm2的核心區(qū)方面效果顯著。在新時代生態(tài)文明建設(shè)背景下，研究可為城市規(guī)劃者的決策提供輔助參考，進(jìn)而促進(jìn)城市的高效可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：綠色空間格局，CA-Markov模型，MSPA模型，北京海淀區(qū)

DOI： 10.12169/zgcsly.2021.03.09.0005

Spatio-temporal Prediction of Urban Green Spatial Pattern Based on CA-Markov

and MSPA Model： A Case Study of Haidian District in Beijing

Xiao Ruike Liu Lian Zhang Yunlu Li Xiong

（School of Landscape Architecture， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China）

Abstract：A reasonable urban green spatial pattern plays a key role in optimizing urban ecological functions and improving urban biodiversity， and the direction of urban development plan directly influences the urban green spatial pattern. Taking the northern part of Haidian District in Beijing as an example， this study sets up two scenarios of natural development and urban planning control， while using the CA-Markov model to predict the land cover types in 2030 under the two scenarios， and using the MSPA model to quantitatively analyze the similarities and differences of the development of urban green spatial structure under the two scenarios. The results show that reasonable urban planning can significantly improve various green spatial forms， especially in maintaining core areas more than 20 hm2. In the background of ecological civilization development in the new era， this research is aimed to provide urban planners with a reference for decision-making so as to realize the efficient and sustainable development of the city.

Keywords： green spatial pattern， CA-Markov model， MSPA model， Haidian district in Beijing

2020年9月30日，國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國生物多樣性峰會上指出，各方亟待統(tǒng)籌城市發(fā)展與保護(hù)的關(guān)系以應(yīng)對持續(xù)嚴(yán)峻的生物多樣性形勢[1]。城市綠色空間是城市生物多樣性的核心載體[2]，但快速的城鎮(zhèn)化造成了城市生境破碎化[3]，不合理的城市規(guī)劃容易割裂并吞噬良好的城市生境，導(dǎo)致城市生物多樣性降低與物種滅絕。因此，如何發(fā)展與保護(hù)城市綠色生態(tài)空間成為熱門研究話題。

近年來，人們期望利用時空預(yù)測輔助修正城市規(guī)劃的發(fā)展方向，提前獲知大致規(guī)劃影響并予以及時反饋與調(diào)整，以保護(hù)城市潛在生境源地[4]。現(xiàn)已有多智能體模型[5]、系統(tǒng)動力學(xué)[6]等方法預(yù)測城市綠色空間，但目前最具代表意義的是元胞自動機(jī)（Cellular Automata，CA）預(yù)測土地利用變化模型[7]，后又有孫賢斌等[8]運(yùn)用結(jié)合馬爾科夫鏈（Markov）的CA-Markov模型研究土地利用對濕地的干擾，該模型吸收了馬爾科夫理論對時間序列預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)在數(shù)量和空間2方面進(jìn)行時空模擬。但多數(shù)學(xué)者僅限于分析預(yù)測土地利用的面積變化，而缺乏對于城市綠色空間形態(tài)格局功能的評估。形態(tài)學(xué)空間格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）可基于斑塊面積和空間拓?fù)潢P(guān)系等空間形態(tài)屬性進(jìn)行景觀格局時空變化的分析[9]。因此，CA-Markov和MSPA模型均能基于土地類型進(jìn)行識別計(jì)算，CA-Markov模型發(fā)揮模擬優(yōu)勢預(yù)測土地類型，MSPA模型能夠遞進(jìn)分析，將預(yù)測結(jié)果的綠色空間層面功能化和屬性化。這2類模型優(yōu)勢互補(bǔ)，對城市綠色空間格局的未來預(yù)測具有重大意義，但目前未見二者結(jié)合的相關(guān)研究。

此外，常見的土地預(yù)測僅僅將現(xiàn)階段的自然條件作為影響的驅(qū)動力因子，缺乏對于城市規(guī)劃政策的及時反饋與體現(xiàn)。因此，為了補(bǔ)足該環(huán)節(jié)，本研究通過參數(shù)調(diào)配，創(chuàng)新性地設(shè)置并對比自然發(fā)展和城市規(guī)劃控制2種情景，進(jìn)而探析城市規(guī)劃政策在綠色空間格局的導(dǎo)向性作用及效果。自然發(fā)展情景是城市自然狀態(tài)下的發(fā)展變化，城市規(guī)劃控制情景是以配合土地利用規(guī)劃結(jié)構(gòu)和確保區(qū)域安全為目標(biāo)，在自然驅(qū)動力影響下最大限度維持規(guī)劃中的保護(hù)區(qū)域與限制城市擴(kuò)張區(qū)域。本文擬結(jié)合CA-Markov和MSPA模型，將自然發(fā)展情景作為對照組、城市規(guī)劃控制情景作為實(shí)驗(yàn)組，運(yùn)用2002年、2010年、2020年3期衛(wèi)星圖像分析模擬2030年2種情景下土地覆被類型與城市綠色空間形態(tài)格局，通過兩相比較分析不同城市發(fā)展路線下綠色空間格局變化的異同，為海淀區(qū)乃至我國的城市規(guī)劃管理方向提供決策的輔助依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

北京位于華北平原西北部（115.7°～117.4°E，39.4°～41.6°N），屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。北京海淀區(qū)構(gòu)建“西山畫屏、兩心為核、綠廊貫穿、綠鏈織園”的綠色空間結(jié)構(gòu)，海淀區(qū)北部作為生態(tài)科技綠心所在區(qū)域，承擔(dān)生態(tài)核心與科技創(chuàng)新雙重功能，對落實(shí)北京城市總體規(guī)劃建設(shè)二道綠隔、發(fā)揮西山屏障功能具有重大意義。因此本研究關(guān)注北京海淀區(qū)北五環(huán)、百望山山脊以北地區(qū)，總面積276.67 km2，地勢西北高聳、東南低緩，有翠湖國家公園、鷲峰國家森林公園、北京植物園等大型城市綠地。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究衛(wèi)星圖像均來源于地理空間數(shù)據(jù)云，獲取2002年、2010年、2020年北京市Landsat TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，根據(jù)海淀區(qū)北部研究范圍進(jìn)行裁剪和拼接，以及大氣矯正、輻射標(biāo)定等預(yù)處理。

城市土地覆被類型的時空變化直接引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的改變，并影響區(qū)域植被生長狀況、生物物質(zhì)循環(huán)與多樣性[10-11]。參照《生態(tài)十年環(huán)境感監(jiān)測土地覆蓋分類系統(tǒng)》[12]，結(jié)合海淀區(qū)北部的實(shí)際情況，將研究區(qū)域的土地覆被類型分為河流、溝渠、稻田濕塘、濕地、林地、耕地及裸地、道路及硬質(zhì)、建筑8類。在ENVI5.0軟件中對3期衛(wèi)星圖像采取監(jiān)督分類與人工目視相結(jié)合的辦法進(jìn)行解譯提取，總體分類精度控制在90%以上。

2 研究方法

2.1 時空預(yù)測模擬：CA-Markov模型

CA-Markov模型由土地利用數(shù)據(jù)化預(yù)測Markov模型和離散動力學(xué)CA模型構(gòu)成，結(jié)合了Markov模型的變化概率預(yù)測能力與CA模型的空間維度預(yù)測優(yōu)勢，能較好地模擬區(qū)域內(nèi)土地格局變化[13]。

運(yùn)用Markov模型獲取2010—2020年各類土地覆被類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)城市規(guī)劃控制目標(biāo)調(diào)整轉(zhuǎn)移概率，將2個轉(zhuǎn)移概率矩陣運(yùn)用idris軟件進(jìn)行以10年為步長的迭代計(jì)算。除了轉(zhuǎn)移演化趨勢以外，各土地覆被類型的對應(yīng)適宜性也影響城市形態(tài)的演化，需要制作適宜性圖集體現(xiàn)驅(qū)動因子對覆被類型的影響。土地類型轉(zhuǎn)移適宜性圖集指的是某一種土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷母怕蕡D[14]。經(jīng)過GCA模型運(yùn)算，選擇相關(guān)系數(shù)最高的6類因子（高程、坡向、坡度、平均年降雨量、距道路距離、距村莊距離）作為主要驅(qū)動力因子，再將6類驅(qū)動因子根據(jù)AHP層次分析法創(chuàng)建重要性對比矩陣，確定驅(qū)動力因子對每一類土地覆被類型的適宜權(quán)重，最后形成自然發(fā)展下的適宜性圖集（圖1）。

在城市規(guī)劃控制情景下，由于規(guī)劃的多要素性，結(jié)合《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》，運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化線性模型確定要素優(yōu)先級，再將上位規(guī)劃限制因子與自然驅(qū)動力因子加權(quán)疊加，最后形成城市規(guī)劃控制下的適宜性圖集（圖2）。

將2種情景下的轉(zhuǎn)移概率和與之對應(yīng)的2套適宜性圖集使用CA模型進(jìn)行演算，獲得2030年在2種情景下的預(yù)測圖像，經(jīng)過檢驗(yàn)?zāi)M，Kappa系數(shù)在0.85以上，具有較高的準(zhǔn)確性（圖3）。

2.2 形態(tài)學(xué)空間格局分析：MSPA模型

MSPA是一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分類處理方法[15]，其基于腐蝕、膨脹等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理，依據(jù)柵格單元間的歐氏距離閾值，將二值柵格圖像分為7種要素[16]。

將各土地覆被分類圖中生態(tài)潛力良好的濕地、河流、溝渠、稻田濕塘、林地5類作為前景要素，將建筑、道路及硬質(zhì)、耕地及裸地作為背景要素，生成二值圖像，在Guidos Toolbox軟件中對研究區(qū)域進(jìn)行MSPA核心區(qū)、孤島、孔隙、邊緣區(qū)、環(huán)道、橋接區(qū)、支線7類綠色空間形態(tài)要素分類與識別（圖4）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆被轉(zhuǎn)換

Markov轉(zhuǎn)移矩陣定量體現(xiàn)了各土地覆被類型之間的流轉(zhuǎn)方向和補(bǔ)給來源（表1）。情景1為自然發(fā)展，即按照2010—2020年的發(fā)展方式和速度進(jìn)行土地覆被的變化模擬。情景2為城市規(guī)劃控制，模擬北京市在規(guī)劃控制下快速發(fā)展情景，根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》將規(guī)劃道路及建筑進(jìn)行提取，對轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行修正，適當(dāng)加大其他土地覆被類型轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ缆返母怕?同時根據(jù)北京市生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的生態(tài)文明建設(shè)方針，加強(qiáng)對林地、濕地、河流等生態(tài)用地的保護(hù)，將裸地向林地、濕地、河流的轉(zhuǎn)移概率在原有基礎(chǔ)上增加10%，同時將“生態(tài)控制線”范圍內(nèi)硬質(zhì)覆被類型的轉(zhuǎn)移概率賦值為0，即認(rèn)為位于“生態(tài)控制線”中的土地?zé)o法轉(zhuǎn)變?yōu)橛操|(zhì)土地。

3.2 土地覆被分類變化

對3期衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測與計(jì)算，結(jié)果（表2）表明，海淀區(qū)北部區(qū)域以建筑、耕地及裸地、林地為主，占總面積的70%以上。2002—2020年，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑用地瘋狂擴(kuò)張，近20年增長了近10倍;而溝渠、稻田濕塘、濕地、林地都隨時間推移而縮減，其中稻田濕塘下降近50%，溝渠下降了70%以上，這與近年來北京過快城鎮(zhèn)化發(fā)展侵占林草用地情況相符合。在此背景下，海淀區(qū)北部形成了以西部西山大面積林地為生態(tài)基底、東部稻田河流交錯的城市生態(tài)格局。

在情景預(yù)測2030年土地覆被類型方面，2種預(yù)測情景的土地覆被格局體現(xiàn)以下差異：1）2種預(yù)測情景下均出現(xiàn)了城市建設(shè)擴(kuò)張的現(xiàn)象，城市硬質(zhì)面積約達(dá)研究區(qū)總面積的55%，變化率高達(dá)0.61。但自然發(fā)展情景下，城市建筑面積呈碎片化分布無序蔓延;而城市規(guī)劃控制情景下，由于對城市擴(kuò)張進(jìn)行了有效的空間控制，建筑主要集中于東南靠近主城區(qū)部分。2）城市規(guī)劃控制下的溝渠、稻田濕塘、濕地面積一改連年下降趨勢，有小幅度提升，相較于2020年面積分別增加了13 hm2，133 hm2，9 hm2，最大變化率達(dá)1.49;而自然發(fā)展情景下的河流、溝渠、稻田濕塘、濕地面積則均有所下降，符合近20年的下降趨勢。3）與2020年相比，2種情景下的土地覆被類型變化各有差異，其中差異最大的為稻田濕塘，其中城市規(guī)劃控制下的稻田濕塘面積漲幅明顯，變化率為1.49;而自然發(fā)展下的稻田濕塘面積卻下降，變化率為-0.15。

3.3 形態(tài)格局變化

3.3.1 單一型綠色空間形態(tài)變化差異

進(jìn)行MSPA分析得到空間格局要素MSPA分類結(jié)果，并計(jì)算得到表3。綜合2種情景下的2030年綠色空間格局預(yù)測，相較于2020年，各類別綠色空間形態(tài)的變化存在以下差異：1）核心區(qū)是最主要的綠色空間形態(tài)，占前景要素的70%以上，但僅占研究區(qū)域的15%;核心區(qū)的最大斑塊為西山林地，其他6類結(jié)構(gòu)類別的面積較小且相對分散。2）邊緣區(qū)的變化幅度在2種情景下都較大，為-0.59和-0.31;而核心區(qū)和孔隙的變化并不明顯。3）橋接區(qū)的變化幅度在2種情景模式下出現(xiàn)明顯差異，自然發(fā)展情景下橋接區(qū)變化率絕對值在各類景觀空間形態(tài)中最大，高達(dá)0.79;而城市規(guī)劃控制情景下，橋接區(qū)變化幅度較小，變化率為-0.11。

3.3.2 多情景預(yù)測綠色空間形態(tài)變化

過去10年過快的城市化進(jìn)程導(dǎo)致2010—2020年的硬質(zhì)類土地類別的轉(zhuǎn)移概率突出，因此2種情景下的預(yù)測都顯示城市生境被城市硬質(zhì)建設(shè)嚴(yán)重吞噬，除環(huán)島外，另外6類景觀空間形態(tài)均呈負(fù)增長趨勢。但不同情景的發(fā)展目標(biāo)導(dǎo)致變化特點(diǎn)有所區(qū)別：1）核心區(qū)可作為生境網(wǎng)絡(luò)中的源地，對生物多樣性的保護(hù)意義重大。相較于2020年，2030年的預(yù)測情景核心區(qū)面積均有所下跌，自然發(fā)展情景下的核心區(qū)面積為3 758.83 hm2，城市規(guī)劃控制情景下為4 806.36 hm2，變化率為-0.27和-0.07。面積大于20 hm2的核心區(qū)在城市規(guī)劃控制情景下有12個，相較于2020年（13個）在數(shù)量上保持了穩(wěn)定;但在自然發(fā)展情景下，面積大于20 hm2的核心區(qū)只有5個。可見，在維持城市大型生態(tài)核心區(qū)方面，城市規(guī)劃控制有明顯的作用。2）與2020年相比，城市規(guī)劃控制情景下7類生態(tài)空間的縮減面積為自然發(fā)展情景下的20%～25%，因此按合理的城市規(guī)劃指導(dǎo)發(fā)展對維護(hù)城市生境空間有顯著效果。3）相較于自然發(fā)展情景，按城市規(guī)劃發(fā)展各綠色空間形態(tài)有不同程度的提升，其中孤島和橋接區(qū)的面積差異較大，分別為自然發(fā)展情景下的2.4倍和4.3倍。由此可見，在各類綠色空間形態(tài)中孤島和橋接區(qū)受城市規(guī)劃的正向影響最大。

4 結(jié)論

城市綠色空間具有顯著的生態(tài)功能，而城市規(guī)劃對于城市綠色空間格局有直接的影響。本研究設(shè)置自然發(fā)展與城市規(guī)劃控制2種情景分別作為對照組與實(shí)驗(yàn)組，運(yùn)用CA-Markov模型預(yù)測2種情景下2030年土地覆被情況，而后在MSPA模型下定量分析2種預(yù)測情景下城市綠色空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的發(fā)展異同，明確不同的城市發(fā)展方向?qū)Τ鞘芯G色空間結(jié)構(gòu)帶來的不同影響。綜上所述，可得到以下主要結(jié)論：1）由自然情景下土地覆被類型變化可知，過度的建筑用地碎片化分布會割裂生態(tài)潛力良好的綠色空間，因此需要防止城市建筑的無序蔓延擴(kuò)張，精準(zhǔn)控制建成區(qū)域，加強(qiáng)生態(tài)地區(qū)的保育修復(fù)。2）由對照組與實(shí)驗(yàn)組相比較可知，合理的城市規(guī)劃具有明顯支撐城市生境區(qū)域的作用，特別是對于具有潛在生態(tài)源地作用的大于20 hm2的核心區(qū)而言更有突出的維持功能。3）在本研究搭建的城市規(guī)劃情景下，綠色空間格局類型中的邊緣區(qū)面積銳減最為嚴(yán)重，相較于2020年減少了434 hm2;根據(jù)邊緣區(qū)為核心區(qū)與主要非綠色景觀區(qū)域之間的過渡區(qū)域這一生態(tài)學(xué)含義，北京今后應(yīng)多注意生態(tài)源地與建設(shè)用地之間過渡區(qū)域的提升與把控，以降低建設(shè)用地對核心城市生態(tài)源地產(chǎn)生的不利影響。

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