基于MSPA的福州市綠色基礎設施網絡構建與優化研究

許琳昕

(福建農林大學金山學院，福建 福州 350002)

1 引言

綠色基礎設施(GI)網絡構建是緩解城市生態問題、提升人居環境質量的重要途徑，這一概念起源于歐美國家的城市公園運動?；诰坝^生態學中“斑塊-廊道-基質”模式，GI網絡可以看作是各關鍵生態要素所呈現的空間格局[1]。在GI網絡構建方面，目前已有許多學者利用地理信息技術和土地利用數據，定量對GI網絡進行分析與評估[2]。其中,形態學空間分析(MSPA)是研究綠色基礎設施網絡構建的有利手法，依據土地利用類型數據，提取林地等生態用地為前景(Foreground)，其他用地類型為背景(Background)，經圖像處理技術可將前景氛圍互不重疊的7類要素：核心區(Core)、橋接(Bridge)、環路(Loop)、支線(Branch)、邊緣(Edge)、孔隙(Perforation)和孤島(Islet)[3]。邱瑤[4]運用MSPA方法提取深圳市綠色基礎設施要素，并在復合尺度下進行GI網絡分級規劃。于亞平[5]融合MSPA、景觀連通性、圖譜理論的研究框架，為南京市及其他地區GI網絡構建及GI格局變化的研究提供參考。劉頌[6]基于MSPA方法構建蘇錫常區域綠色基礎設施網絡，并提出相應優化策略。

目前，在快速城市化與產業轉型進程下，福州市面臨著生態景觀格局破壞、生物多樣性降低等一系列問題，本研究總結前人的研究方法，基于ArcGIS10.6、Fragstats4.2、Guidos、Conefor2.6及基于電路理論的Linkage Mapper等軟件平臺，運用景觀格局分析、形態學空間分析方法(MSPA)、連通性分析、最小積累阻力值模型等進行福州市綠色基礎設施網絡構建與優化，以期為福州市未來城市綠地系統規劃提供參考。

2 研究區域與數據

2.1 研究區域

福州市(E119°18′N26°05′)，研究區域包含福州市區、閩侯縣和永泰縣，總面積達6035 km2。福州市位于亞熱帶季風氣候帶，降水充足，河網密布，森林資源豐富，森林覆蓋率達到58.06%，因此，在構建綠色基礎設施網絡的過程中應盡可能利用現有生態資源，注重生態斑塊之間的有機組合，充分發揮其生態效益(圖1)。

圖1 研究區域現狀土地利用分布

2.2 研究數據與預處理

本文所使用的遙感數據包括：①空間行政邊界矢量數據(來源：國家基本地理信息系統數據)；②福州市2020年4月8日 Sentinel-2 L2A無云遙感影像數據，分辨率為10 m(來源：歐洲空間局https://www.sentinel-hub.com/)，主要用以解譯用地與生成NDVI植被歸一化指數；③DEM數字高程模型，分辨率為30 m(來源：Earth Explorer https://earthexplorer.usgs.gov/)，用以生成高程數據和坡度數據。將以上遙感數據集導入ArcGIS 10.6平臺，通過數據管理工具進行鑲嵌、裁剪、重采樣等預處理，使數據的空間范圍一致。

3 研究方法

3.1 現狀景觀格局分析

基于福州市現狀土地利用柵格數據，利用FRAGSTATS 4.2軟件平臺，從類型水平與景觀水平兩個方面選取斑塊類型百分比(PLAND)、景觀形狀指數(LSI)、斑塊密度(PD)、斑塊分離度指數(DIVISION)、斑塊聚合度指數(AI)、景觀連接度指數(CONNECT)、香農多樣性指數(SHDI)這7個具有代表性的景觀指數，對福州市現狀景觀格局進行分析與評價[7]。

3.2 GI網絡構建

3.2.1 GI源提取

基于景觀格局分析的結果，將優勢度、連通度最高。破碎度最小的自然景觀類型作為MSPA分析的前景數據，其余作為背景數據，在Guidos軟件中進行運算處理。根據島嶼生物地理學理論，GI源的選擇應當同時考慮斑塊面積與連通性兩方面[8]，本研究選取MSPA分析結果中斑塊面積大于50 hm2的核心區，利用Conefor2.6軟件，設置連通性閾值為1000 m，連通概率為0.5，選取可能連通性指數(PC，公式1)對核心區斑塊進行景觀連接性評價，最終以面積大于50 hm2且dPC>0.5(公式2)的斑塊作為GI源。

(1)

(2)

3.2.2 阻力面構建

參照相關研究[9]，本文選取MSPA景觀類型、土地利用類型、NDVI植被歸一化指數、坡度和高程作為阻力評價因子，利用ArcGIS中重分類工具對其進行分類、賦值，并通過層次分析法對各個阻力因子進行評價打分，獲得權重，最終通過ArcGIS平臺中的柵格計算器工具得到綜合阻力面柵格數據(表1)。

表1 各評價因子阻力值及權重

3.2.3 廊道識別

斑塊之間的物種遷徙、能量流通都需要克服景觀中不同類型的阻力，而廊道正是幫助物質能量在空間流通的通道?；谧钚》e累阻力模型(Minimal cumulative resistance, MCR)，通過在ArcGIS 10.6中使用Linkage Mapper工具，可以得到GI源中的物質能量在研究區域內進行遷移的最小成本路徑(Least-cost-path, LCP)，作為源地之間的潛在廊道。

4 結果與分析

4.1 現狀景觀格局分析

由表2可以看出，福州市以山地森林為主要景觀類型，占研究區域總面積的68.83%以上，分布在研究區域的北部、南部和西部；耕地次之，占研究區域總面積8.94%；再次之為建設用地，集中分布在研究區域中部和東部福州市區范圍內。在類型層面上，LSI用以表征斑塊類型形態的復雜程度；PD則表征了不同類型斑塊的破碎程度，值越大，破碎化程度越高；AI表征了斑塊類型的聚合度，值越大表明該類型內部的聚合度越高，越利于物質能量的循環流通。根據表2可以得出，研究區域內林地、水體和建設用地的破碎化程度較小，聚合度較高；而草地、灌叢、耕地、裸地和濕地表現出破碎化程度較高的特征。在景觀層面上，CONNECT指數反映了景觀整體的連接程度，SHDI指數反映出景觀內部斑塊的豐富程度。結合表3可知，研究區域內景觀類型整體上較為豐富，但CONNECT指數偏低，需要通過合理的規劃構建廊道以提升整體連通度。這也反映了由于各類大型生境斑塊遭到建設用地的侵占蠶食，破碎化嚴重，山林、河流之間失去了生態“紐帶”。

表2 類型水平上的景觀格局指數

表3 景觀水平上的景觀格局指數

4.2 GI網絡構建

4.2.1 GI源的提取

根據研究區域現狀景觀格局的分析可以得知，林地總體面積大，破碎度小并且聚合度高，說明林地在提供區域生態效益方面占據主導作用，且故將林地設為MSPA分析的前景數據(圖2)。結合MSPA分析結果(表4)可知，核心區面積為 3190.24 km2，占GI源地總面積的76.82%，其主要分布在研究區域北部、南部和西部的山地，有福州國家森林公園、鼓山風景名勝區和旗山風景名勝區等，是福州市重要的生態源地。此外，連接核心區斑塊的橋接以及起到“踏腳石”作用的孤島僅占GI源地總面積的3.26%和0.92%，側面反映出現狀核心區斑塊之間的連接性較差，亟需增加生態廊道的建設。

表4 MSPA景觀類型統計

圖2 基于MSPA分析的研究區景觀分類

根據MSPA分析與連通性分析的結果，共篩選出24個面積大于50 hm2且dPC>0.5的核心區斑塊作為GI源地(表5)。由圖3可知，GI源地大多分布在研究區域北部、東北部、西部與西南部的城郊山地區域，聚合成大面積片狀空間，環繞著中部及東部平原區域(即福州市區)。

表5 核心區GI源地景觀連接性指數(dPC)

圖3 基于MSPA和景觀連接度分析的GI源地空間分布

4.2.2 阻力面構建

由圖4可以看出，研究區域北部、西部和南部的阻力較小，而中部和東部的阻力較高。結合土地利用類型(圖1)可以看出，這是由于建設用地集中在中、東部地區，且閩江、烏龍江穿城而過，導致這兩處區域阻力值顯著高于周邊區域。

圖4 研究區綜合阻力面

4.2.3 潛在廊道提取與GI網絡構建

基于最小積累阻力模型與Linkage Mapper工具，共提取出61條廊道(圖5)，其空間特征主要表現為以下兩點：首先，廊道增強了各個GI源地之間的連接度，但廊道空間分布不均，主要分布在研究區域北部、南部和西部的山地，缺乏對中部和東部區域(即福州市區)的溝通作用；其次，廊道長度差異較大，GI源地間平均最小成本路徑長度為22.94 km，最長為87.06 km，最短為1.95 km，其中有53條廊道長度在10 km以上，占廊道總數的86.89%。

4.2.4 新增GI源選取與GI網絡優化

根據MSPA分析結果以及潛在廊道的分布(圖5)，選取市區中2個面積大于50 hm2的核心區斑塊作為新增GI源地(表6)。同時結合NDVI植被歸一化指數分析結果，從植被密度較高的其他用地類型(多為耕地)中挑選出29個面積大于50 hm2且dPC>0.5的斑塊作為新增潛在GI源地(表7)。這類潛在GI源地斑塊面積較大，是所處環境內的優勢斑塊，且生境質量較好，能夠通過改良耕作模式、適當退耕還林等方式成為GI源地，參與到GI網絡結構的優化中。

圖5 現狀GI網絡空間分布及廊道長度

表6 新增GI源地(核心區)景觀連接性指數(dPC)

表7 新增潛在GI源地景觀連接性指數(dPC)

現狀潛在廊道的最小成本路徑平均長度為22.94 km，而結合新增GI源優化后的最小成本路徑平均長度為12.98 km。此外，經過對比不同長度分類中最小成本路徑的數量比例，發現優化后的GI網絡中小于10 km的最小成本路徑比例有大幅提高，從13.12%上升至51.57%；而大于10 km最小成本路徑的比例有所下降，其中大于50 km的比例從8.20%下降至1.26%(圖6，圖7)。這是由于新增GI彌補了福州市區源地的“空白”，降低物質能量在各個GI源地之間移動所耗費的成本，增加了GI網絡的整體連通度[10]。

圖6 優化后GI網絡空間分布及廊道長度

圖7 現狀與優化后的最低成本路徑(廊道)長度統計信息

5 結論

本研究以福州市為研究區域，通過景觀格局指數分析、形態學空間分析(MSPA)、景觀連接度及最小積累阻力值模型等方法，對福州市現狀土地利用情況進行評價，以此為依據構建GI網絡，同時優化了景觀格局，主要結論如下。

(1)研究區域景觀豐富度較高，現狀景觀構成要素主要以林地、耕地和建設用地為主，其中作為主要GI源的林地呈現出破碎度低、聚合度高但連接度較低的景觀格局特征。

(2)研究區域綜合阻力呈現中心高、四周低的格局，反映出GI源地之間的溝通被建設用地與河流所阻隔，需加強研究區域東部與西部、南部與北部之間的連接。

(3)結合斑塊面積與連通度分析結果，可以為GI源地保護的優先級提供依據，其中核心區38、78、86、95、99、100、103、106號GI源地斑塊需重點保護。

(4)基于Linkage Mapper生成的61條潛在廊道一定程度上增強了各GI源地之間的連接，但廊道空間分布不均，且絕大部分廊道長度過長，容易發生斷裂，通過適當增設GI源的方式對GI網絡進行優化，大幅降低了廊道平均長度，整體上提高了GI網絡的穩定性。

綜上所述，以形態學空間分析(MSPA)為核心技術，綜合景觀格局指數分析、連通度分析、最小阻力模型的研究方法能夠有效識別福州市GI源地要素，構建市域綠色基礎設施網絡，為將來福州城市綠地系統規劃實踐提供一定參考價值。