基于GF-2和MSPA的綠地空間格局分析

裴婷婷 朱玉泉 陳 朔 陳小平

摘要 綠地形態(tài)特征對(duì)其生態(tài)和文化功能發(fā)揮有一定影響。本文基于高分二號(hào)（GF-2）高分辨率遙感數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.7和ENVI 5.1軟件支持下，構(gòu)建了TY市綠地信息數(shù)據(jù)庫，采用形態(tài)學(xué)空間格局分析方法（MSPA）分析了研究區(qū)綠地格局特征，探討綠地核心區(qū)、孤島區(qū)、環(huán)島區(qū)、孔隙區(qū)、邊緣區(qū)、橋接區(qū)和支線區(qū)分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，研究區(qū)綠地空間布局有待優(yōu)化，特大型綠地斑塊和大型綠地斑塊數(shù)量相對(duì)較少，中小型斑塊數(shù)量多，破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重。核心區(qū)多以公園為主，孤島區(qū)以居住區(qū)綠地和附屬綠地為主，受人類活動(dòng)影響較大，連通性有待進(jìn)一步提升。針對(duì)該市綠地結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和空間布局實(shí)際情況，本研究提出以下建議：進(jìn)一步優(yōu)化綠地空間布局和結(jié)構(gòu)，充分利用城市水系，發(fā)展帶狀綠地，充分利用口袋公園建設(shè)契機(jī)，以豐富居民的休閑空間。

關(guān)鍵詞 綠地格局；形態(tài)學(xué)空間格局分析方法；形態(tài)分析

中圖分類號(hào) S731.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 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

城市綠地作為城市不可或缺的組成部分，在緩解城市熱島效應(yīng)、凈化空氣、美化環(huán)境、調(diào)節(jié)地表徑流以及提供康養(yǎng)環(huán)境等方面有重要的生態(tài)價(jià)值和文化服務(wù)價(jià)值[1-2]。隨著生活水平的提高，綠地在城市中扮演的角色越來越重要，綠地的數(shù)量、空間分布格局會(huì)影響居民的生活環(huán)境和城市形象[3]。因此，高效率、高質(zhì)量評(píng)估城市綠地空間格局特征具有重要的參考意義。相關(guān)研究多基于TM或SPOT等中分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用景觀格局指數(shù)分析綠地空間分布特征[4]、景觀格局優(yōu)化[5]、景觀格局時(shí)空演變動(dòng)態(tài)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制[6-7]，城市綠地形態(tài)學(xué)方面研究較少。形態(tài)學(xué)空間格局分析方法（MSPA）是利用腐蝕、擴(kuò)張、開運(yùn)算和閉運(yùn)算等算法將圖形進(jìn)行分割、識(shí)別和分類的圖像處理方法，主要用于描述景觀要素在空間上的幾何排列和連通性[8-10]，為城市綠地空間形態(tài)相關(guān)研究提供了視角，目前已被應(yīng)用于綠地格局分析、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、棲息地環(huán)境建設(shè)和熱環(huán)境改善等領(lǐng)域[11-14]。洪婷婷等[13]基于形態(tài)空間格局分析方法（MSPA）探究了城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施與熱環(huán)境的關(guān)系，并提出了基于熱環(huán)境改善的MSPA優(yōu)化方法。

綠地形態(tài)結(jié)構(gòu)直接影響其功能發(fā)揮效果，如分散布局和集中布局的綠地降溫效果有明顯差異。因此，明晰城市綠地空間分布的形態(tài)特征，分析總結(jié)綠地建設(shè)空間布局現(xiàn)狀，對(duì)優(yōu)化土地利用水平和提升人居環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。本研究基于高分二號(hào)（GF-2）高分辨率遙感數(shù)據(jù)，通過ENVI 5.1軟件進(jìn)行預(yù)處理、監(jiān)督分類及目視解譯等，提取城市不同用地類型，構(gòu)建TY市綠地信息數(shù)據(jù)庫，將用地類型圖導(dǎo)入GuidosToolbox軟件，基于MSPA方法定量分析該研究區(qū)綠地空間布局特征，總結(jié)綠地結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和空間布局實(shí)際情況。在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的對(duì)策與建議，為研究區(qū)城市綠地布局優(yōu)化及建設(shè)提供依據(jù)，同時(shí)為其他城市的綠地建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

TY市位于37°27′～38°25′N，111°30′～113°09′E，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均降水量約456 mm。研究區(qū)范圍是該研究區(qū)的JCP區(qū)、JY區(qū)、WBL區(qū)、XD區(qū)、XHL區(qū)和YZ區(qū)6個(gè)行政區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源

GF-2是自主研發(fā)的光學(xué)對(duì)地衛(wèi)星，其分辨率較高，具有定位精度高的特點(diǎn)，已被廣泛用于國土資源調(diào)查、景觀空間格局分析和災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面[15]。本研究以TY市GF-2遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 預(yù)處理? 使用ENVI 5.1對(duì)GF-2號(hào)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，具體包括正射校正（Geometric correction）、圖像融合（Extensions）和影像裁剪（Regions of interest）等步驟。

1.3.2 綠地斑塊分布? 選用監(jiān)督分類方法對(duì)研究區(qū)用地類型進(jìn)行分類，將其分為綠地、建設(shè)用地、水體、道路用地和裸地5個(gè)部分。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合BIGMAP矢量數(shù)據(jù)、地圖與實(shí)地調(diào)研，通過目視解譯對(duì)土地利用類型進(jìn)行校正和完善，提高遙感數(shù)據(jù)的解譯精度，最終將其分為道路、水系、公園綠地、建設(shè)用地、裸地、建設(shè)用地、耕地和綠地。最后，運(yùn)用混淆矩陣對(duì)土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，總體精度達(dá)到了91.1%，Kappa系數(shù)為0.85，符合研究需要[16]。本文主要研究該地區(qū)綠地空間，根據(jù)實(shí)際，本研究將研究區(qū)內(nèi)的綠地斑塊按照其面積大小劃分為4個(gè)等級(jí)：≤1 hm2為小型斑塊；1～10 hm2為中型斑塊；10～50 hm2大型斑塊；≥50 hm2為特大型斑塊。

1.3.3 綠地空間格局? MSPA方法作為一種形態(tài)分析法而被引入生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中，可被運(yùn)用到不同尺度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與評(píng)價(jià)中。城市綠地具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性、連通性和整體性等特點(diǎn)[17-18]，符合使用MSPA方法的基本要求。基于MSPA方法，可將城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)用地等劃分為核心區(qū)（Core）、孤島（Islet）、邊緣（Edge）、連接橋（Bridge）、分支（Branch）、環(huán)（Loop）和穿孔（Perforation）7類互不重疊的景觀單元。通過景觀單元?jiǎng)澐?，能評(píng)估城市綠地的空間形態(tài)特征，從而更精確地分辨景觀類型與結(jié)構(gòu)，有利于形成更合理的城市綠地系統(tǒng)空間形態(tài)與結(jié)構(gòu)。

以TY市主城區(qū)GF-2號(hào)遙感影像解譯的土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先用ArcGIS 10.7軟件將綠地設(shè)置為前景數(shù)據(jù)，其余用地類型為背景數(shù)據(jù)，導(dǎo)出10 m×10 m像素大小的二值柵格圖。隨后將其導(dǎo)入GuidosToolbox軟件中，選取八鄰域法則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最終得到TY市主城區(qū)基于MSPA方法的綠地景觀類型分類，并統(tǒng)計(jì)其面積，具體包括核心區(qū)、孤島、穿孔、邊緣、環(huán)、連接橋和分支7類。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同等級(jí)綠地斑塊分布特征

從表1可以看出，綠地斑塊較分散，且中心城區(qū)綠地斑塊面積較小。各行政區(qū)不同等級(jí)綠地斑塊的數(shù)量和面積見表1。

從研究區(qū)綠地整體分布來看，不同等級(jí)綠地斑塊數(shù)量和面積差異較大。具體表現(xiàn)：特大型斑塊（22塊），占綠地總面積的10.28%；小型斑塊（265 771塊），占綠地總面積的8.33%；特大型、大型斑塊數(shù)量略偏少，在各行政區(qū)內(nèi)分布不均勻，呈現(xiàn)“中心少、四周多”的分布特征；老城區(qū)以中小型綠地斑塊為主，說明城市化發(fā)展過程中綠地破碎化占比較高。此外，各行政區(qū)中不同等級(jí)綠地斑塊的數(shù)量和面積差異較大，如研究區(qū)特大型斑塊總共22個(gè)，其中JCP區(qū)占了13個(gè)，而WBL區(qū)和YZ區(qū)特大型斑塊均為1個(gè)；YZ區(qū)中型斑塊數(shù)量只有WBL區(qū)和XD區(qū)的50%左右。因此，城市規(guī)劃中可采取以點(diǎn)帶面和見縫插綠的方法，提升老城區(qū)的中小型斑塊的連通性和質(zhì)量。另外，還可利用口袋公園的建設(shè)契機(jī)，充分提升綠地斑塊的綜合功能，加強(qiáng)各類型綠地斑塊的連通性。

2.2 綠地空間格局分析

由表2可知，各類型綠地在數(shù)量和面積上分布不均勻。從綠地整體布局上看，各景觀類型占綠地總面積比例為核心區(qū)（33.80%）>孤島區(qū)（20.65%）>邊緣區(qū)（16.98%）>支線區(qū)（13.12%）>橋接區(qū)（12.29%）>環(huán)島區(qū)（2.85%）>孔隙區(qū)（0.31%）。其中，核心區(qū)總面積為3 366.42 hm2，在綠地總面積中占比為33.80%。核心區(qū)整體分布不均勻，以公園綠地為主，在人群密集的中部老城區(qū)分布較少，呈現(xiàn)出北部密集、中部稀疏的分布特征，南部地區(qū)少部分公園綠地面積較大，小面積公園綠地分布較少；孤島區(qū)面積為2 057.00 hm2，占綠地總面積的20.65%，孤島區(qū)在整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中較為孤立，主要用作居住區(qū)綠地及其他附屬綠地，在研究區(qū)范圍內(nèi)分布呈現(xiàn)破碎狀；邊緣區(qū)總面積為1 691.44 hm2，在綠地總面積中占比為16.98%，僅次于綠地核心區(qū)和孤島區(qū)面積；橋接區(qū)面積占綠地總面積的12.29%，其在城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中可起到連接的作用；支線區(qū)面積僅占綠地總面積的13.12%，支線斑塊對(duì)研究區(qū)綠色空間連通性的提升作用有效；孔隙區(qū)和環(huán)島區(qū)面積在綠地總面積中占比最小，分別為0.31%和2.85%。各綠地斑塊生態(tài)功能發(fā)揮受人類活動(dòng)影響較大，景觀連通性有待進(jìn)一步提高。因此，規(guī)劃建設(shè)過程中，應(yīng)改善城市綠地空間格局的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以保護(hù)和增加核心區(qū)面積為主，同時(shí)提高各類型綠地斑塊間的連通性，提升綠地空間分布的整體性。

3 結(jié)論與討論

本文基于GF-2高分辨率遙感數(shù)據(jù)，在ArcGIS和ENVI 5.1軟件支持下，構(gòu)建了TY市主城區(qū)綠地信息數(shù)據(jù)庫，并采用MSPA生態(tài)網(wǎng)格分析方法定量分析該區(qū)域綠地空間格局特征。結(jié)果表明，研究區(qū)主城區(qū)綠地空間分布有待優(yōu)化，特大型綠地斑塊和大型綠地斑塊數(shù)量較少，中小型斑塊數(shù)量多，破碎化現(xiàn)象較嚴(yán)重。核心區(qū)多以公園為主，孤島區(qū)以居住區(qū)綠地和附屬綠地為主，容易受到人為活動(dòng)影響，景觀連通性有待提高。

針對(duì)研究區(qū)綠地結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和空間布局存在的短板，本研究提出以下建議。進(jìn)一步優(yōu)化綠地空間布局和結(jié)構(gòu)，通過保護(hù)和增加核心區(qū)（公園綠地）數(shù)量和面積，適當(dāng)增加中小型斑塊的面積，同時(shí)提升其連通性和景觀多樣性，構(gòu)建能夠覆蓋全區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系，降低斑塊間的破碎度，提升空間連通性，逐漸縮小各個(gè)行政區(qū)間綠地斑塊的覆蓋差異。充分利用城市水系，發(fā)展帶狀綠地，構(gòu)建藍(lán)綠空間體系，完善基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)，提升景觀生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。充分利用口袋公園建設(shè)契機(jī)，增加和提升核心區(qū)的數(shù)量、面積和質(zhì)量，并完善相關(guān)管理機(jī)制，以豐富居民的休閑空間。

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（責(zé)編：張 蓓）

基金項(xiàng)目 山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（J20221473）；山西省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（2023KY325）。

作者簡介 裴婷婷（1987—），女，山西晉城人，碩士，講師，從事風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì)、園林植物應(yīng)用與園林生態(tài)研究。

通信作者 陳小平（1989—），男，河南信陽人，博士，副教授，從事風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì)、園林植物應(yīng)用與園林生態(tài)研究。