孫婉璐 王惠陽 劉蘇梅 曠翕予 王青君

（南華大學(xué)松霖建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421000）

1 研究背景與研究范圍

城市發(fā)展、城市人口增長推動(dòng)城市規(guī)模不斷擴(kuò)張。在城市擴(kuò)張過程中，城市擴(kuò)張速度與城市生態(tài)彈性的錯(cuò)位，造成了城市生態(tài)環(huán)境的惡化，致使城市熱島、城市內(nèi)澇、空氣污染等一系列問題的出現(xiàn)。為了減緩城市問題的惡化，提升城市生態(tài)彈性，營造良好的城市生態(tài)環(huán)境，需要采取積極主動(dòng)、可持續(xù)的應(yīng)對(duì)方法。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，GI）理念起源于20世紀(jì)西方對(duì)城市休閑空間和公共衛(wèi)生的關(guān)注與需求。美國學(xué)者查爾斯·利特爾在其《美國的綠道》一書中把GI界定為“綠道系統(tǒng)的擴(kuò)展”和“全新的基礎(chǔ)設(shè)施類別”。至此，GI概念正式出現(xiàn)在公眾視野中。GI以人與自然的關(guān)系為研究出發(fā)點(diǎn)，以維護(hù)人的利益、保護(hù)物種棲息地、維持生物多樣性為目的?；趰u嶼生物地理學(xué)和異質(zhì)種群動(dòng)態(tài)理論發(fā)展而來的GI概念，強(qiáng)調(diào)高質(zhì)量斑塊、斑塊之間的連接以及網(wǎng)絡(luò)的閉合性。因此，從國土或區(qū)域、城市、街區(qū)或場地三個(gè)空間層次上構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)，形成各有側(cè)重、相互嵌套、閉合的綠色空間網(wǎng)絡(luò)，在保障生態(tài)安全、提升人類福祉方面具有積極作用。GI的核心理念是將自然區(qū)域和其他開放空間組成相互連接的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[1]。其在結(jié)構(gòu)上，普遍認(rèn)為是由斑塊、廊道、場地以及踏腳石構(gòu)成。斑塊是生態(tài)源地，是承載GI網(wǎng)絡(luò)中各種生態(tài)過程發(fā)生的主要載體；廊道是樞紐，是維持GI系統(tǒng)健康運(yùn)行、GI網(wǎng)絡(luò)生態(tài)過程傳輸?shù)妮d體；場地在不同尺度層面上有所差異，可以理解為規(guī)模較小的斑塊或廊道，例如野生動(dòng)植物保護(hù)區(qū)、都市農(nóng)業(yè)區(qū)、自然/半自然的休閑娛樂空間；踏腳石是不與GI網(wǎng)絡(luò)連接的小型生態(tài)節(jié)點(diǎn)，例如社區(qū)綠地、私人花園和綠色屋頂?shù)取?/p>

我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)尚處于起步階段。2015年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《生態(tài)文明體制改革總體方案》，要求加快生態(tài)文明建設(shè)，將生態(tài)文明理念融入社會(huì)的方方面面。黨的十九大報(bào)告中提出“要著力解決突出環(huán)境問題和要加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度”?；趪翼攲釉O(shè)計(jì)的支持，未來將加大生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，為GI的發(fā)展提供了空前的機(jī)遇。

自GI概念的出現(xiàn)到目前，關(guān)于GI的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，從關(guān)注度低、研究少，以應(yīng)對(duì)氣候變化、城市化問題為主，到新熱點(diǎn)、新重點(diǎn)的出現(xiàn)，關(guān)于GI的研究逐漸趨于成熟。2004年張秋明發(fā)表《綠色基礎(chǔ)設(shè)施》一文[2]，經(jīng)2009年《中國園林》期刊以GI為主題整刊登載相關(guān)研究后，引起了學(xué)術(shù)界對(duì)GI的關(guān)注。針對(duì)GI的概念、理論框架、構(gòu)建方法，不少學(xué)者進(jìn)行了探討；由于自然環(huán)境的不同，城市層級(jí)的GI網(wǎng)絡(luò)具有明顯的地域性，學(xué)者們以南京、福州、武漢、深圳等城市以及四川省城市群為例，基于不同的構(gòu)建方法進(jìn)行了GI網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、優(yōu)化研究；由于國內(nèi)GI的研究和實(shí)踐不足，不少學(xué)者介紹了德國、加拿大、美國等國家GI的實(shí)踐案例、GI的制度建設(shè)，從而為我國GI的研究、實(shí)踐提供借鑒[3]。本文基于形態(tài)學(xué)空間格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA），結(jié)合景觀格局指數(shù)法對(duì)2015年、2017年和2019年衡陽市GI空間格局的演化進(jìn)行分析[4]。

2 研究對(duì)象與研究方法

2.1 研究區(qū)介紹

衡陽市位于湖南省中南部，地處東經(jīng)110° 32′ 16″ —113° 16′ 32″，北緯26° 07′ 05″ —27° 28′ 24″ 。衡陽盆地四周山丘環(huán)繞，中部平崗丘交錯(cuò)，境內(nèi)水網(wǎng)密布，湘江、蒸水等過境，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量在1 200～1 500 mm。衡陽是長株潭“3+5”城市群節(jié)點(diǎn)城市、湖南省域副中心城市，是中南地區(qū)重要的工業(yè)城市、區(qū)域性物流中心[5]。本研究以衡陽市主城區(qū)珠暉、雁峰、石鼓和蒸湘4區(qū)為研究對(duì)象，其總面積為518.03 km2。

2.2 數(shù)據(jù)來源

基于ENVI5.3軟件平臺(tái)，對(duì)2015年、2017年和2019年Landsat8-OLT遙感影像數(shù)據(jù)（源自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)http://www.gscloud.cn）進(jìn)行FLAASH大氣校正、行政邊界裁剪等預(yù)處理[6]。通過監(jiān)督分類將遙感影像解譯為建設(shè)用地、草地、林地、耕地、水體和裸地6種類型，進(jìn)行混淆矩陣精度驗(yàn)證，Kappa系數(shù)均大于0.9，證明數(shù)據(jù)達(dá)到研究精度要求，獲得分辨率為30 m的土地覆被空間分布圖（如圖1）。

圖1 2015年、2017年和2019年衡陽市土地利用圖

2.3 研究方法

形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）是基于腐蝕、膨脹、開閉運(yùn)算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對(duì)柵格圖像的空間格局進(jìn)行度量、識(shí)別和分割的一種圖像處理方法，可以分為互不重疊的核心區(qū)、孤島、穿孔、邊緣、連接、環(huán)和分支7種形態(tài)空間要素。該方法僅依賴土地利用數(shù)據(jù)，是一種偏向測度結(jié)構(gòu)連接性的方法?；贏rcGIS軟件平臺(tái)，將土地利用數(shù)據(jù)處理為二值柵格圖數(shù)據(jù)，再基于Guidos Toolbox軟件平臺(tái)進(jìn)行MSPA分析，得到7種類型的形態(tài)空間要素。根據(jù)景觀格局指數(shù)法，選取PD、LPI、AREA_MN、DIVISION、SHDI、SHEI、AI共7個(gè)指標(biāo)（如表1），從斑塊水平、景觀水平來反映衡陽市2015年、2017年和2019年的GI格局演變情況。

表1 景觀格局指標(biāo)及描述

3 研究結(jié)果

3.1 衡陽市土地利用狀況分析

從圖1中2015年、2017年和2019年土地利用的轉(zhuǎn)移情況來看，衡陽市的城市建設(shè)在逐漸轉(zhuǎn)型，逐步從數(shù)量增長型轉(zhuǎn)向質(zhì)量提升型；GI在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化方面的作用得到了重視，城市GI建設(shè)面積在逐步增加。其中，城市建設(shè)用地從2015年的141.36 km2增加到2017年的156.35 km2后，又于2019年降至148.35 km2，表明“攤大餅”式的城市開發(fā)得到了一定的控制[7]；裸地面積逐年下降，從2015年的34.04 km2降至2019年的6.92 km2，表明城市用地的利用率在提升，閑置的、裸露的土地得到了有效開發(fā)和利用；衡陽市的GI建設(shè)面積從2015年的183.50 km2增加到2019年的225.34 km2，上升趨勢明顯，城市自然空間、開放空間的建設(shè)效果顯著，表明GI在改善人居環(huán)境質(zhì)量方面的作用得到了充分發(fā)揮。從耕地、林地、草地之間的數(shù)量關(guān)系來看，耕地面積減少緩慢，從2015年的158.64 km2降至2019年的136.73 km2；林地面積增速緩慢，甚至有減少趨勢；草地面積增加顯著，從2015年的52.42 km2增至2019年的83.02 km2。植物的生長依賴時(shí)間，表明“退耕還林”的效果具有時(shí)間依賴性，植被經(jīng)過數(shù)年的增長，可以達(dá)到良好的效果。而自然空間類型中水體的面積變化小，水體面積維持在50 km2左右。

3.2 MSPA景觀類型分析

整體而言，衡陽市的核心區(qū)域以湘江、蒸水水域?yàn)楣羌?，連接衡陽市的東西、南北，其他核心區(qū)域主要散落分布在城市南部的松木鄉(xiāng)、茶山坳鎮(zhèn)區(qū)域和北部的雨母山鄉(xiāng)、東陽渡鎮(zhèn)區(qū)域[8]。如圖2，研究區(qū)域內(nèi)核心區(qū)域面積在不斷增加：2015年，核心區(qū)域面積59.91 km2，占前景總面積的32.65%；2017年，核心區(qū)域面積72.67 km2，占前景總面積的36.71%；2019年，核心區(qū)域面積85.47 km2，占前景總面積的37.90%。2015—2019年增加的核心區(qū)域，以雨母山鄉(xiāng)、東陽渡鎮(zhèn)、茶山坳鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)橹?，其中角山鄉(xiāng)區(qū)域的核心區(qū)基本上是從無到有，表明該區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境得到明顯改善[9]。邊緣區(qū)域的面積從2015年的41.73 km2增加到2019年的59.56 km2，表明核心區(qū)域與外圍非綠色空間之間的過渡層級(jí)在增加，自然空間與建設(shè)用地之間的對(duì)立性在減弱；孤島是孤立且彼此不連接的小斑塊，獨(dú)立于GI網(wǎng)絡(luò)，2015—2019年孤島面積在減少；代表生態(tài)廊道、連接核心區(qū)域的連接類型面積從2015年的19.9 km2增加到2019年的30.59 km2。

圖2 2015年、2017年和2019年衡陽市GI格局

3.3 GI格局空間演化特征分析

2015年、2017年和2019年衡陽市景觀格局指標(biāo)值如表2。選取反映斑塊水平演化特征的指數(shù)有斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、斑塊平均大小三種。在2015—2019年間，斑塊密度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，斑塊平均大小呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。2015—2017年，衡陽市的景觀破碎化程度降低，斑塊面積整體上增大，生態(tài)源地面積有較大增長；2017—2019年，衡陽市的景觀破碎化程度增加，斑塊面積整體上縮小，生態(tài)源地面積減少明顯。選取反映景觀水平演化特征的指數(shù)有分離度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)、聚集度指數(shù)四種[10]。在2015—2019年間，分離度指數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但是上下波動(dòng)小，基本維持穩(wěn)定；香農(nóng)多樣性指數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；香農(nóng)均勻度指數(shù)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，上下波動(dòng)小；聚集度指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。2015—2017年，衡陽市斑塊分布的均勻性下降，斑塊之間的聚集性增加，GI空間的整體性更好；2017—2019年，衡陽市的斑塊分布的均勻性上升，斑塊之間的分離程度更高，GI空間更為分散。2015—2019年，衡陽市的GI空間格局出現(xiàn)波動(dòng)，但是與2015年相比，2019年衡陽市的GI空間之間的分離度更高，斑塊分布的均勻性有所下降，雖然斑塊面積有所增加，但是破碎化進(jìn)一步嚴(yán)重，表明衡陽市GI空間的整體性下降，斑塊之間的連接性不強(qiáng)。

表2 2015年、2017年和2019年衡陽市景觀格局指標(biāo)

4 結(jié)語

本研究針對(duì)2015—2019年衡陽市的GI空間格局進(jìn)行研究，基于MSPA與景觀格局指數(shù)法進(jìn)行格局演化分析，探尋衡陽市GI空間格局的變化特點(diǎn)，了解衡陽市GI空間格局的變化。MSPA方法是從像元層面識(shí)別出對(duì)景觀連通性具有重要意義的結(jié)構(gòu)類型，但是該方法對(duì)景觀的研究尺度比較敏感，結(jié)合其他研究的分析結(jié)果，本研究選擇30 m的分辨率，避免相關(guān)重要信息丟失。通過利用MSPA方法、景觀格局指數(shù)法的分析，發(fā)現(xiàn)2015—2019年衡陽市的GI空間之間的連接性降低，斑塊之間的作用力不強(qiáng)，景觀破碎化程度加重。

初始階段關(guān)于GI的研究，出現(xiàn)了一些經(jīng)典文章，引起了大量學(xué)者的關(guān)注，極大地推動(dòng)了GI研究的發(fā)展。景觀規(guī)劃師、建筑師、經(jīng)濟(jì)學(xué)家以及地理、生態(tài)學(xué)家等基于不同的學(xué)科背景，展開了對(duì)GI在解決和緩解環(huán)境、氣候問題，GI網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、構(gòu)建，GI的建設(shè)成本、政策，GI與人體健康、人類福祉，GI的公眾認(rèn)知、參與等各方面問題的探討。關(guān)于GI的研究經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著學(xué)者對(duì)GI的認(rèn)知不斷深入，已經(jīng)形成多學(xué)科交叉合作的繁榮景象。GI是一個(gè)跨學(xué)科、綜合性的應(yīng)用領(lǐng)域，研究、實(shí)踐天平的兩端是生態(tài)價(jià)值和人文價(jià)值，天平失衡無法發(fā)揮GI最大的價(jià)值。我國關(guān)于GI的研究尚存在3點(diǎn)不足：（1）相關(guān)研究證實(shí)GI在改善環(huán)境方面有正向作用，但是GI要素的布局、幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征、城市人口密度等因素的影響，可能導(dǎo)致GI產(chǎn)生的效果存在空間布局、影響范圍、作用效果等方面與實(shí)際需求的錯(cuò)位。（2）驅(qū)動(dòng)力研究。在城市發(fā)展過程中，GI網(wǎng)絡(luò)中的斑塊、廊道、場地、踏腳石會(huì)移動(dòng)、消失和形成，致使GI網(wǎng)絡(luò)格局、GI效益出現(xiàn)變化。在自然、社會(huì)因素變化的過程中，不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)GI變化的影響力不同，不同驅(qū)動(dòng)因子之間的復(fù)合效果存在差異。（3）績效評(píng)估研究。GI在環(huán)境、生態(tài)問題以及提升人類福祉等多個(gè)方面具有積極作用，構(gòu)建綜合的績效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，有助于降低經(jīng)濟(jì)成本，加快GI體系建設(shè)。

歷史車輪滾滾向前，城市建設(shè)的步伐未曾停止，城市風(fēng)貌的同質(zhì)化現(xiàn)象未曾減弱。GI不僅可以提供緩解城市洪澇災(zāi)害、恢復(fù)城市生境、提升城市空氣質(zhì)量等基礎(chǔ)性生態(tài)服務(wù)，也可以從審美、文化、公眾參與角度提升人體健康、改善人居環(huán)境質(zhì)量。GI的規(guī)劃建設(shè)代表了以社會(huì)和美學(xué)為導(dǎo)向的綠色空間規(guī)劃和生態(tài)規(guī)劃的進(jìn)步。