MSPA法在城市綠色基礎設施網絡構建中的應用綜述

翁旋熒 李敏稚

摘要：回顧了綠色基礎設施的相關概念和要點，對綠色基礎設施與生態基礎設施、城市綠地系統進行了概念辨析，總結出綠色基礎設施應關注人與自然的關系，并具備多功能性。對MSPA法在城市綠色基礎設施網絡構建中的應用進行了分析、比較和歸納，發現了3點研究不足：原始數據的低分辨率對結果的精確性有影響;MSPA法具有局限性;所關注的綠色基礎設施功能比較單一，并據此提出對未來研究方向的建議。

關鍵詞：MSPA法;城市綠色基礎設施;網絡構建

1綠色基礎設施概述

1.1綠色基礎設施概念的演變歷程

1999年，美國“總統可持續發展委員會”在《邁向可持續發展的美國——為2l世紀帶來繁榮，機遇和健康的環境》報告中提出了綠色基礎設施（Green Infrastructure，以下簡稱GI）的概念：國家的自然生命支持系統——用于保護土地和水、支持本地物種、維護自然生態過程、維持空氣和水資源，并為美國社區和人民的健康和生活質量做出貢獻的互聯網絡。自此之后，探討綠色基礎設施的概念和目的成為了風景園林學科的一大熱點。從1999～2014年，幾乎每年都有學者在前人研究的基礎上補充和發展，提出新的綠色基礎設施概念。其中引用比較廣泛并具有較大理念更新的概念有：2005年《East Midlands Green Infrastructure SeopingStudy：Final Report》中提出的：“GI是在規定區域內提供的多功能綠色空間網絡。它設置在高質量的自然環境和建筑環境中并為之作出貢獻，并且需要為現有社區和新社區提供宜居性。”

2006年Benedict和McMahon提出的：“GI是對自然土地、人工景觀和其它公共空間進行戰略規劃和管理的網絡，保護生態系統的價值和功能，并為人類提供相關的利益。”

2009年《GreenInfrastructure：connected andmultifunctionallandscapes>）提出的："GI是土地利用的一種方式，以生態系統服務的概念為基礎。不同規模的GI設施不應被認為僅具有單一功能。”該報告首次提出了連接性和多功能性是讓GI不同于景觀規劃和管理的重要部分。

從文獻中來看，雖然目前GI在全世界沒有廣泛認可的概念，但是從其概念的演化中來看，GI具有以下3點主流的理解：（1）強調人與自然之間的關系，將自然帶回人類社區，實現以生態為中心和以人為中心的平衡;（2）探討如何將GI的理念和方法進行進一步研究以用于實施;（3）多功能性，即在相同空間尺度上提供若干功能和益處的能力，重點在于多功能網絡與其帶來的多種益處。

1.2綠色基礎設施與生態基礎設施、城市綠地系統的概念辨析

在實際的研究中，綠色基礎設施（GI）、生態基礎設施（FI）和城市綠地系統是一組相似的概念，有時會被混淆，在進行進一步闡釋之前，有必要對這一組概念進行辨析。傳統的城市綠地系統，視野主要局限于建成區和建設發展用地，往往忽略了非建設用地與城市建設用地的功能連續。GI和EI的概念常常被混合使用，其內涵和組成元素也有較大的重合處。但從以下表格中可以看出，綠色基礎設施更加關注于人與自然的關系，提倡設施應具備多功能性;生態基礎設施更著重于設施的生態系統服務功能，強調形成景觀安全格局。它們的概念中都強調了將設施作為一個網絡和系統看待，有利于突破人為行政區劃帶來的桎梏。基于大量實際案例的分析、研究和應用，GI和FT目前已經成為了我國城市綠地系統建設的重要指導，為綠地體系建構和管控提出了許多有效建議，拓展了其廣度和深度。

這3個體系的概念、組成元素和各自的聚焦點如表1所示。

2MSPA法概述

形態學空間格局分析法

（Morphological SpatialPattern Analysis，MSPA）是一種由Soille和Vogt等人提出的、可以將二值柵格圖像識別分割為7個互斥類別的方法，這7個類別分別是核心（core）、孤島（islet）、環道區（100p）、橋接區（bndge）、孔隙區（peffora-tion）、邊緣（edge）和分支（branch）。這是基于數學形態學的運算序列實現的，例如腐蝕、膨脹、開啟、閉合等。這種方法可以僅基于單一的數據，在不同的分析尺度下測量和描述圖像組成部分的幾何性質和連通性。

MSPA法可以通過土地覆蓋特征之間的空間關系創建結構，從單一的土地利用圖中識別樞紐（hub）和廊道（link），從而描述空間格局的破碎化、檢測受寬度影響的邊緣效應、分析綠色基礎設施的時序變化信息等㈣。由于MSPA法具有評估幾何連通性準確細致、要求數據量少、分析結果可視化等優點，目前在景觀學科中的應用越來越普及和廣泛，如指導國家層面的GI建設、綠道設計優化、森林保護研究等。筆者論述的主要內容是MSPA法在城市GI網絡構建中的研究與應用。

3MSPA法在城市GI網絡構建中的應用

分析國內外運用MSPA法、以城市為背景的28篇文獻（數據來源：GoogleScholar，ScienceDirect，CNKI），其中以GI（或在文中闡明研究對象可視為GI的組成部分）為研究對象的有14篇，占50%;以生態網絡或相關概念作為研究對象的有8篇，占28.6%;以綠色連通性為研究對象的有3篇，占10.7%;以綠道、生境規劃、景觀網絡格局為研究對象的各l篇，各占3.6%。對以城市GI網絡為研究對象的14篇文獻進一步分析，如表2所示。

從表格中可以看出，MSPA法在區域、城市、城區和社區尺度上的GI都有一定的研究和應用，但是尺度和邊緣寬度的數值沒有非常嚴格的一一對應關系。這是由于區域、城市、城區和社區的主要判別依據是行政區劃，并不代表研究區域的絕對大小。并且，研究者往往會根據自己所研究的方向進行多次測試來確定邊緣寬度的選擇，使得最終的結果將最有利于下一步的分析，邊緣寬度的選擇目前還沒有一個統一的標準。此外，邊緣寬度的選擇受到原始衛星影像數據的限制。根據統計，在MSPA法中應用最廣泛的數據為Landsat遙感數據，該數據的分辨率為30m，源數據的精度直接決定了以其為基礎作出的土地利用覆蓋現狀圖的精度。

MSPA法因其要求數據量少、分析簡便，在結構性廊道上分析準確的優點，在GI源地識別中有重要的應用。但MSPA法沒有考慮功能連接性或具體的生態過程，除了研究某區域GI設施的時序變化外，往往需要與其它分析方法和數據結合使用。其中最經常與MSPA法配合使用的是景觀連通性（9篇文獻，64.3%）和最小費用路徑（6篇文獻，42.9%，電路理論可以看作是最小費用路徑的一種延申分析方法）。若統計以城市為背景的全部28篇文獻，可以發現，應用景觀連通性的有15篇文獻，占53.6%;應用最小費用路徑的有14篇，占50%;同時應用以上2種方法與MSPA法結合的有10篇，占35.7%。此外，重力模型、圖譜理論、景觀格局指數、AHP法、空間句法分析等方法也被應用于與MSPA法結合來構建GI網絡。

MSPA法、景觀連通性和最小費用路徑結合構建GI網絡的總體技術路線是：（1）制作土地利用覆蓋現狀圖，基于MSPA法進行景觀類型提取;（2）基于景觀連通性概念，把提取的景觀類型劃分為樞紐（hub）和廊道（1ink）;（3）基于最小費用路徑方法，構建潛在的GI廊道;（4）結合現存的GI樞紐、廊道和潛在的廊道進行分析，提出優化策略。其目的是對城市現存的GI網絡和潛在的GI廊道進行分級評價，確定保護和優化的優先次序，從而指導城市GI網絡的進一步建設。

在目前利用MSPA法對城市GI網絡的研究中，所體現的GI功能比較單一，有一半僅僅集中在城市中的生物棲息地上（7篇文獻，50%），也有部分研究體現了GI的多功能性：如王晶晶與尹海偉等從多元價值目標導向出發，將生態休閑、歷史文化、城鄉風貌要素與生態目標結合，提出了古黃河周邊區域的網絡發展總體框架;Courtenay和Lookingbill從結合自然保護和人類使用價值出發，對美國弗吉尼亞州詹姆斯河流域的區域步道網絡進行研究，為人口密集的流域內的多用途步道提供了戰略性建議嘞;付晶聚焦于城市的恢復力（Resilience，部分文獻也譯為彈性或韌性），從自然、社會、經濟3個系統選擇了20個指標進行分析整合，以構建恢復力評價模型，其中GI是評價指標的重要組成。盡管該文獻以城市恢復力為主要研究點，但也為GI的多功能整合研究提出了新的視角;Wei和Qian等人運用了空間句法模型與MSPA法相結合，研究了上海浦口未來GI網絡的空間可達性，用以揭示GI與人的活動之間的關系;Vel a zquez和Anza等人通過比較污染、綠地、交通、人口4個指標，從中選出馬德里市生態環境矛盾最大的街區，在這些街區中綜合建筑高度、城市植被和景觀連接度3個條件后，為城市綠色屋頂的選址提出建議。從總體上來說，在MSPA法的源地決策過程中加入多功能性的嘗試還比較少，多數研究聚焦于GI作為生物棲息地的單一功能上。

4討論

原始數據的分辨率很大程度上影響了結果的精確性，在對中小尺度的城市地區進行MSPA分析時可以考慮采用高分辨率的影像數據。采用高分辨率的圖像往往得出的前景像元要多，尤其是在地表組成元素復雜的高密度城市地區，采用分辨率為30m的Landsat數據很容易使社區內的小型GI設施被掩蓋，而采用高分辨率的影像數據則能夠將這些小型GI設施識別出來。與MSPA分析相結合的高分辨率空間分類有助于揭示城市GI的確切空間結構，為進一步分析和GI網絡的優化設計提供精確的數據支持。

MSPA法有其局限性，往往需要與其它方法結合使用。最常與MSPA法結合的方法是景觀連通性和最小費用路徑，這方面的研究已經趨于成熟，已經形成了比較具體的思路和技術方法，可以作為城市GI網絡建設的參考。以繼續優化GI網絡構建方法為目標，探討MSPA法與其它景觀方法、跨學科方法的融合可能，也可以成為今后的研究方向。

目前，基于MSPA法的GI網絡構建研究中，所關注的GI功能比較單一，沒有將GI概念的內涵很好地體現：人與自然的關系和多功能性。GI的多功能性必須體現在其決策過程中，而不是實施了某個計劃或戰略后的一個直接、簡單、自然而然的結果。同時需要明確的是，GI所包含的功能和利益非常廣泛，并非所有GI要素都需要提供所有服務，研究需要根據場所的特點來判定哪些功能是主要的、哪些功能是次要的，并把判定的結果體現在GI網絡構建的過程中。比如，老城區與新城區的GI需求會大相徑庭，而南北方城市的GI需求也可能會有較大差異，而這些地區的數據在二值化的MSPA法中都歸于前景和背景元素，無法根據其需求來精細化指導城市GI設計。所以，結合MSPA法的優點，有目的地創建多功能導向的城市GI網絡，可以是城市GI構建未來的研究方向之一。