基于MSPA和電路理論的珠三角核心城市通風廊道構建

胡 娟 何梓欣 楊 敏 龍芍男 林歆雨 林錦耀＊

（廣州大學地理科學與遙感學院，廣東 廣州 510006）

伴隨城市化進程加快，城市熱島效應、空氣污染、人口劇增等城市問題越來越明顯，對生產和生活造成較大影響[1-2]。在珠三角核心城市群等發達區域，由于經濟的快速增長及城市功能作用的加強[3]，大量城市建筑逐漸替代原有的自然下墊面，使區域平均地表溫度逐漸升高、空氣污染的空間分布更為集中和連續、城市局地氣候顯著變化[4]，對構建健康宜居的可持續城市人居環境、維持科學規律的生態系統過程演變等造成了一定的影響。彭保發等[5]指出，土地城市化、基建開發、人口增長是熱島效應的強度變化及影響機制的重要影響因子。此外，相關研究認為氣象、景觀組合形態，格局差異、人口密度的空間分異、高程坡度等也是影響城市問題的重要因素。

良好的城市通風可以促進城市空氣循環，降低空氣污染發生頻率和城市熱島強度。城市通風廊道的構建可以有效增強城市內、城市間布局合理性，提升城市群通透性，提高舒適性和城市宜居性。

在城市或區域層面，主要研究通風廊道走向、寬度設置及其體系構建。杜吳鵬等[6]以風廊道走向、寬度設置及其體系構建作為北京中心城區通風廊道構建的著眼點。吳健生等[7]引入“源—匯”景觀理論，探究各省熱島貢獻指數及其效應和時空演變規律。史學民等[8]識別鄭汴都市區通風廊道網絡（GI）需要優先保護等級、保護區域及其要素，進而制定GI保護策略。黨冰等[9]基于NCEP的研究和氣象數據等，綜合研究了南京江北許昌新區實驗學校風道建設。

在更細微的層面如城市內部，研究側重建筑物分布對局地風環境的影響以及如何合理構建街道尺度的廊道體系[6]，通過數據處理（如GIS數據計算、氣象數據分析、風洞實驗數據集模擬驗證等）對城市高密度建筑及街道布局聯系、城市通風模擬、潛在通風廊道進行研究[10-12]。Ng等[13]探索如何通過改變城市形態改善高密度城市的風環境。Hiroyuki等[14]和Freitas等[15]以日本東京市、巴西圣保羅市等濱海城市為例探討引入海風增強城市通風的效果。在國內，城市通風控制系統設計與研究和區域內多級風道方案設計等已經成為研究熱點。

文章以珠三角核心城市為例，綜合形態格局分析方法及電路理論，通過結構性連接提取城市問題源、功能性連接補充識別通風夾點，采用最小耗費路徑創建潛在的通風廊道，構建城市群通風網絡，以期提高珠三角核心城市的宜居水平。

1 研究區與研究數據

1.1 研究區概況

研究區包括廣州、深圳、東莞和佛山四市，總面積為15 357.9 km2，是廣東省人口和經濟發展的密集區域。該區域內以沖積平原居多、環珠江口地區河網密集，為華南地區城鎮化水平高、人口較為稠密、經濟較為繁榮的地區。在區域氣候條件上，研究對象區域地處南亞熱帶大陸性季風氣候區域，氣候環境及其豐富的地下墊面環境為研究該區域通風廊道提供了基礎條件。

1.2 數據獲取與處理

土地分類數據由清華大學的FROM-GLC10平臺下載，按需分為耕地、林木、草原、灌叢、沼澤地、水體、不透水面以及裸地。地表溫度數據由2017年8月1日的Landsat8 OLI遙感影像根據輻射傳輸方程法反演獲取。2017年空氣污染數據為China High Air Pollutants系列產品中的PM2.5結果。城市人口密度數據由WorldPop平臺下載，選擇聯合國校正后的2017年數據。2017年建筑矢量數據、道路數據來自高德地圖。數字高程模型來源中國地理空間數據云。

1.3 研究方法

利用形態空間格局分析（MSPA）對城市地表溫度數據、城市PM2.5數據、人口密度數據進行綜合處理，對城市問題斑塊進行分類，識別核心類型，準確找到城市問題的原因，為后續廊道精準構建提供依據。結合土地利用、城市平面景觀格局、垂直景觀格局，利用層次分析法建立阻力面，再通過電路理論構建城市通風廊道，計算出最小耗費網絡，分析通風廊道結果，制定優先破除策略。

1.3.1 基于MSPA分析的城市問題源提取

MSPA是在多種理論和算法的基礎上提出的圖像處理方法，能夠對空間景觀的類型與結構進行精確地識別，進而對相應柵格圖像的空間格局進行度量、識別和分割，近年來被廣泛應用于城市生態網絡構建、城市基礎設施規劃以及生態廊道構建等方面[16-18]。文章基于MSPA方法，對4個城市的問題源進行識別與提取，將結果作為構建通風廊道的依據，計算城市熱島強度[19-20]。

式中：UHIIi——城市i熱島強度（℃）；Ci——城市i地表溫度的平均值（℃）；Gi——城市i植被區地表溫度的平均值（℃）。

1.3.2 城市平面和垂直景觀格局分析

建筑作為城市景觀中的主要構成，其平面和垂直景觀格局均會對城市的通風潛力造成一定影響。城市下墊面的粗糙度會影響風在城市間的流動。粗糙度一般會受到建筑密度和體積的影響，密度高和體積大會增加粗糙度，對風在城市間流動造成阻力，進而影響行人層的通風效率[21]。建筑覆蓋率也是影響空氣流通的主要因素，自然植被和周邊開放區域是增加空氣流動的正面因素。天空開闊度能夠反映周圍地形和地物對非電離輻射在半球范圍內被遮擋的程度，是城市重要的形態參數，在夏季、秋季和冬季的正午附近，地表溫度對天空開闊度的影響較大，且呈正相關[22]。因此，需要綜合考慮建筑相關指標估算城市的通風潛力。

建筑密度為：

式中：Di——建筑密度；Ni——建筑物數量；Ai——區域面積。

建筑覆蓋率為：

式中：λp——建筑覆蓋率；Ap——建筑底面積。

天空開闊度為：

式中：SVF——天空開闊度；γi——建筑i的高度角；n——天空視域搜索方向的數量。

1.3.3 阻力面構建

通過對8個評價因子的原始數據進行標準化處理，采用層次分析法對同一層次的影響因素相對重要性進行比較，構建判斷矩陣，最終獲取各組分的權重[23]。構建阻力面時主要考慮的因素有建筑密度、平均建筑體積、平均建筑高度、建筑覆蓋率、天空開闊度、土地利用類型、坡度和高程。將8個評價因子構建成8×8的判斷矩陣，對影響因子賦值后進行一致性檢驗。

1.3.4 基于電路理論的通風廊道和節點構建

最小成本路徑（LCP）的功能之一是計算各類事物于源地遷徙時，所經不同阻力面需要克服的阻力值[24]。Circuitscape模型根據電路理論連接不同的景觀進行建模。模型借助了電荷特性，使電路理論和運動生態學充分結合[25]。利用Linkage Mapper中的Pinchpoint Mapper模塊組合了核心區之間的電流，生成累積電路圖，并估算源地板塊與通風廊道的中心值，識別通風夾點位置。

2 結果分析

2.1 城市問題源識別

以城市熱島強度、PM2.5、人口密度三大指標的二值圖重疊區域為前景，利用Guidos軟件對前景進行MSPA分析，篩選提取核心（面積較大的相互連接的前景像元組成的集合）作為初步的源斑塊。對結果進行連通性分析，設置2 000 m以內的地塊之間生成連接線，得到連通性評價數據。最終提取斑塊重要性>0.001，面積>3 km2的地塊作為城市問題源核心區。城市問題源識別結果如圖1所示。

圖1 城市問題源識別結果

所得城市問題源的面積約為2 221.72 km2，占研究區總面積的9.32%。總計41塊源地，平均每塊源地面積約54.19 km2，最大的源地面積約635.08 km2，最小的源地面積約3.07 km2。城市問題源的分布基本與各市主城區分布相吻合，符合城市熱島效應等理論。源斑塊的分布呈現中部稠密、四周稀疏的分布特點，圍繞廣州南部呈現倒U形的條狀形態。

2.2 阻力面構建結果

采用層次分析法依據各評價因子的影響程度確定其權重，一致性系數CR=0.052 4<0.100 0，矩陣的一致性檢驗通過。

阻力面各影響因子權重如表1所示。

表1 阻力面各影響因子權重

通過相關文獻中的統計和經驗標準[26]，考慮研究區的具體情況制定各因子阻力分級表。

式中：CDτ——阻力系數；Wτ——因子的權重；F——阻力值。

各影響因子阻力系數設置如表2所示。

表2 各影響因子阻力系數設置

通過重分類賦值，利用柵格計算器計算阻力系數，進而構建出阻力面。

珠三角核心城市阻力面如圖2所示。

圖2 珠三角核心城市阻力面

由圖2可知，研究區內綜合阻力值差異顯著。高阻力值主要分布在東北、東南區域，其中廣州市的整體阻力值最高。低阻力值主要分布在中西部區域，佛山市的阻力值最低。

2.3 城市通風廊道結果分析

運用Linkage Mapper工具將源地識別結果與阻力面結果結合，對核心城市群通風廊道進行構建。珠三角核心城市通風廊道識別結果如圖3所示。

圖3 珠三角核心城市通風廊道識別結果

選擇“all-to-one”模式運算，設置10 000 m加權成本距離為廊道寬度，得到通風夾點分析結果。珠三角核心城市通風廊道電流密度如圖4所示。

圖4 珠三角核心城市通風廊道電流密度

基于最小成本路徑提取城市問題源的通風廊道與廊道電流密度圖，共識別出89條通風廊道，總長度共945.82 km，每個源地均有廊道連接形成網絡回路。通風廊道的設置是為了緩解城市熱島效應，因而廊道分布與源地分布一致，集中在城市中心區，且構成廊道的主要土地利用類型為不透水面、草地綠地和水體。廊道呈現出西密東疏的特點，主要和佛山市東部與東莞市東部的阻力值差異相關。

3 結語

運用交叉學科理論與技術完成識別，連接城市問題源斑塊，識別城市熱島源的重點區域及“夾點”地區。珠三角核心區城市問題源地占研究區總面積的9.32%，平均每塊面積54.19 km2。源地分布與核心城市的主城區分布較吻合，核心區中部連接度較強，四周較為破碎，圍繞廣州南部呈現倒U形的條狀形態，后續可以從中部破除，減少熱島效應、空氣污染等的集中度。最終識別出89條通風廊道，總長945.82 km。廊道網絡中的“夾點”區域主要集中在研究區的城市中央，即電路理論識別出的電流偏低的區域。城市中央是主要的通風廊道分布區，對城市通風起著重要作用，故后續行動需要破除“夾點”的連接。