MSPA法在城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的應(yīng)用綜述

翁旋熒 李敏稚

摘要：回顧了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)概念和要點(diǎn)，對(duì)綠色基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、城市綠地系統(tǒng)進(jìn)行了概念辨析，總結(jié)出綠色基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)關(guān)注人與自然的關(guān)系，并具備多功能性。對(duì)MSPA法在城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的應(yīng)用進(jìn)行了分析、比較和歸納，發(fā)現(xiàn)了3點(diǎn)研究不足：原始數(shù)據(jù)的低分辨率對(duì)結(jié)果的精確性有影響;MSPA法具有局限性;所關(guān)注的綠色基礎(chǔ)設(shè)施功能比較單一，并據(jù)此提出對(duì)未來(lái)研究方向的建議。

關(guān)鍵詞：MSPA法;城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施;網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

1綠色基礎(chǔ)設(shè)施概述

1.1綠色基礎(chǔ)設(shè)施概念的演變歷程

1999年，美國(guó)“總統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)”在《邁向可持續(xù)發(fā)展的美國(guó)——為2l世紀(jì)帶來(lái)繁榮，機(jī)遇和健康的環(huán)境》報(bào)告中提出了綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，以下簡(jiǎn)稱(chēng)GI）的概念：國(guó)家的自然生命支持系統(tǒng)——用于保護(hù)土地和水、支持本地物種、維護(hù)自然生態(tài)過(guò)程、維持空氣和水資源，并為美國(guó)社區(qū)和人民的健康和生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。自此之后，探討綠色基礎(chǔ)設(shè)施的概念和目的成為了風(fēng)景園林學(xué)科的一大熱點(diǎn)。從1999～2014年，幾乎每年都有學(xué)者在前人研究的基礎(chǔ)上補(bǔ)充和發(fā)展，提出新的綠色基礎(chǔ)設(shè)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(guī)定區(qū)域內(nèi)提供的多功能綠色空間網(wǎng)絡(luò)。它設(shè)置在高質(zhì)量的自然環(huán)境和建筑環(huán)境中并為之作出貢獻(xiàn)，并且需要為現(xiàn)有社區(qū)和新社區(qū)提供宜居性?！?/p>

2006年Benedict和McMahon提出的：“GI是對(duì)自然土地、人工景觀和其它公共空間進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃和管理的網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值和功能，并為人類(lèi)提供相關(guān)的利益?！?/p>

2009年《GreenInfrastructure：connected andmultifunctionallandscapes>）提出的："GI是土地利用的一種方式，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念為基礎(chǔ)。不同規(guī)模的GI設(shè)施不應(yīng)被認(rèn)為僅具有單一功能?！痹搱?bào)告首次提出了連接性和多功能性是讓GI不同于景觀規(guī)劃和管理的重要部分。

從文獻(xiàn)中來(lái)看，雖然目前GI在全世界沒(méi)有廣泛認(rèn)可的概念，但是從其概念的演化中來(lái)看，GI具有以下3點(diǎn)主流的理解：（1）強(qiáng)調(diào)人與自然之間的關(guān)系，將自然帶回人類(lèi)社區(qū)，實(shí)現(xiàn)以生態(tài)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(jìn)行進(jìn)一步研究以用于實(shí)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(diǎn)在于多功能網(wǎng)絡(luò)與其帶來(lái)的多種益處。

1.2綠色基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、城市綠地系統(tǒng)的概念辨析

在實(shí)際的研究中，綠色基礎(chǔ)設(shè)施（GI）、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施（FI）和城市綠地系統(tǒng)是一組相似的概念，有時(shí)會(huì)被混淆，在進(jìn)行進(jìn)一步闡釋之前，有必要對(duì)這一組概念進(jìn)行辨析。傳統(tǒng)的城市綠地系統(tǒng)，視野主要局限于建成區(qū)和建設(shè)發(fā)展用地，往往忽略了非建設(shè)用地與城市建設(shè)用地的功能連續(xù)。GI和EI的概念常常被混合使用，其內(nèi)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(chǔ)設(shè)施更加關(guān)注于人與自然的關(guān)系，提倡設(shè)施應(yīng)具備多功能性;生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施更著重于設(shè)施的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，強(qiáng)調(diào)形成景觀安全格局。它們的概念中都強(qiáng)調(diào)了將設(shè)施作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)看待，有利于突破人為行政區(qū)劃帶來(lái)的桎梏?；诖罅繉?shí)際案例的分析、研究和應(yīng)用，GI和FT目前已經(jīng)成為了我國(guó)城市綠地系統(tǒng)建設(shè)的重要指導(dǎo)，為綠地體系建構(gòu)和管控提出了許多有效建議，拓展了其廣度和深度。

這3個(gè)體系的概念、組成元素和各自的聚焦點(diǎn)如表1所示。

2MSPA法概述

形態(tài)學(xué)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(shí)別分割為7個(gè)互斥類(lèi)別的方法，這7個(gè)類(lèi)別分別是核心（core）、孤島（islet）、環(huán)道區(qū)（100p）、橋接區(qū)（bndge）、孔隙區(qū)（peffora-tion）、邊緣（edge）和分支（branch）。這是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的運(yùn)算序列實(shí)現(xiàn)的，例如腐蝕、膨脹、開(kāi)啟、閉合等。這種方法可以僅基于單一的數(shù)據(jù)，在不同的分析尺度下測(cè)量和描述圖像組成部分的幾何性質(zhì)和連通性。

MSPA法可以通過(guò)土地覆蓋特征之間的空間關(guān)系創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，從單一的土地利用圖中識(shí)別樞紐（hub）和廊道（link），從而描述空間格局的破碎化、檢測(cè)受寬度影響的邊緣效應(yīng)、分析綠色基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)序變化信息等㈣。由于MSPA法具有評(píng)估幾何連通性準(zhǔn)確細(xì)致、要求數(shù)據(jù)量少、分析結(jié)果可視化等優(yōu)點(diǎn)，目前在景觀學(xué)科中的應(yīng)用越來(lái)越普及和廣泛，如指導(dǎo)國(guó)家層面的GI建設(shè)、綠道設(shè)計(jì)優(yōu)化、森林保護(hù)研究等。筆者論述的主要內(nèi)容是MSPA法在城市GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的研究與應(yīng)用。

3MSPA法在城市GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的應(yīng)用

分析國(guó)內(nèi)外運(yùn)用MSPA法、以城市為背景的28篇文獻(xiàn)（數(shù)據(jù)來(lái)源：GoogleScholar，ScienceDirect，CNKI），其中以GI（或在文中闡明研究對(duì)象可視為GI的組成部分）為研究對(duì)象的有14篇，占50%;以生態(tài)網(wǎng)絡(luò)或相關(guān)概念作為研究對(duì)象的有8篇，占28.6%;以綠色連通性為研究對(duì)象的有3篇，占10.7%;以綠道、生境規(guī)劃、景觀網(wǎng)絡(luò)格局為研究對(duì)象的各l篇，各占3.6%。對(duì)以城市GI網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象的14篇文獻(xiàn)進(jìn)一步分析，如表2所示。

從表格中可以看出，MSPA法在區(qū)域、城市、城區(qū)和社區(qū)尺度上的GI都有一定的研究和應(yīng)用，但是尺度和邊緣寬度的數(shù)值沒(méi)有非常嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。這是由于區(qū)域、城市、城區(qū)和社區(qū)的主要判別依據(jù)是行政區(qū)劃，并不代表研究區(qū)域的絕對(duì)大小。并且，研究者往往會(huì)根據(jù)自己所研究的方向進(jìn)行多次測(cè)試來(lái)確定邊緣寬度的選擇，使得最終的結(jié)果將最有利于下一步的分析，邊緣寬度的選擇目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外，邊緣寬度的選擇受到原始衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的限制。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在MSPA法中應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的分辨率為30m，源數(shù)據(jù)的精度直接決定了以其為基礎(chǔ)作出的土地利用覆蓋現(xiàn)狀圖的精度。

MSPA法因其要求數(shù)據(jù)量少、分析簡(jiǎn)便，在結(jié)構(gòu)性廊道上分析準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，在GI源地識(shí)別中有重要的應(yīng)用。但MSPA法沒(méi)有考慮功能連接性或具體的生態(tài)過(guò)程，除了研究某區(qū)域GI設(shè)施的時(shí)序變化外，往往需要與其它分析方法和數(shù)據(jù)結(jié)合使用。其中最經(jīng)常與MSPA法配合使用的是景觀連通性（9篇文獻(xiàn)，64.3%）和最小費(fèi)用路徑（6篇文獻(xiàn)，42.9%，電路理論可以看作是最小費(fèi)用路徑的一種延申分析方法）。若統(tǒng)計(jì)以城市為背景的全部28篇文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用景觀連通性的有15篇文獻(xiàn)，占53.6%;應(yīng)用最小費(fèi)用路徑的有14篇，占50%;同時(shí)應(yīng)用以上2種方法與MSPA法結(jié)合的有10篇，占35.7%。此外，重力模型、圖譜理論、景觀格局指數(shù)、AHP法、空間句法分析等方法也被應(yīng)用于與MSPA法結(jié)合來(lái)構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)。

MSPA法、景觀連通性和最小費(fèi)用路徑結(jié)合構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)的總體技術(shù)路線是：（1）制作土地利用覆蓋現(xiàn)狀圖，基于MSPA法進(jìn)行景觀類(lèi)型提取;（2）基于景觀連通性概念，把提取的景觀類(lèi)型劃分為樞紐（hub）和廊道（1ink）;（3）基于最小費(fèi)用路徑方法，構(gòu)建潛在的GI廊道;（4）結(jié)合現(xiàn)存的GI樞紐、廊道和潛在的廊道進(jìn)行分析，提出優(yōu)化策略。其目的是對(duì)城市現(xiàn)存的GI網(wǎng)絡(luò)和潛在的GI廊道進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，確定保護(hù)和優(yōu)化的優(yōu)先次序，從而指導(dǎo)城市GI網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步建設(shè)。

在目前利用MSPA法對(duì)城市GI網(wǎng)絡(luò)的研究中，所體現(xiàn)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(xiàn)，50%），也有部分研究體現(xiàn)了GI的多功能性：如王晶晶與尹海偉等從多元價(jià)值目標(biāo)導(dǎo)向出發(fā)，將生態(tài)休閑、歷史文化、城鄉(xiāng)風(fēng)貌要素與生態(tài)目標(biāo)結(jié)合，提出了古黃河周邊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展總體框架;Courtenay和Lookingbill從結(jié)合自然保護(hù)和人類(lèi)使用價(jià)值出發(fā)，對(duì)美國(guó)弗吉尼亞州詹姆斯河流域的區(qū)域步道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，為人口密集的流域內(nèi)的多用途步道提供了戰(zhàn)略性建議嘞;付晶聚焦于城市的恢復(fù)力（Resilience，部分文獻(xiàn)也譯為彈性或韌性），從自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)3個(gè)系統(tǒng)選擇了20個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析整合，以構(gòu)建恢復(fù)力評(píng)價(jià)模型，其中GI是評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要組成。盡管該文獻(xiàn)以城市恢復(fù)力為主要研究點(diǎn)，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(yùn)用了空間句法模型與MSPA法相結(jié)合，研究了上海浦口未來(lái)GI網(wǎng)絡(luò)的空間可達(dá)性，用以揭示GI與人的活動(dòng)之間的關(guān)系;Vel a zquez和Anza等人通過(guò)比較污染、綠地、交通、人口4個(gè)指標(biāo)，從中選出馬德里市生態(tài)環(huán)境矛盾最大的街區(qū)，在這些街區(qū)中綜合建筑高度、城市植被和景觀連接度3個(gè)條件后，為城市綠色屋頂?shù)倪x址提出建議。從總體上來(lái)說(shuō)，在MSPA法的源地決策過(guò)程中加入多功能性的嘗試還比較少，多數(shù)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(shù)據(jù)的分辨率很大程度上影響了結(jié)果的精確性，在對(duì)中小尺度的城市地區(qū)進(jìn)行MSPA分析時(shí)可以考慮采用高分辨率的影像數(shù)據(jù)。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(fù)雜的高密度城市地區(qū)，采用分辨率為30m的Landsat數(shù)據(jù)很容易使社區(qū)內(nèi)的小型GI設(shè)施被掩蓋，而采用高分辨率的影像數(shù)據(jù)則能夠?qū)⑦@些小型GI設(shè)施識(shí)別出來(lái)。與MSPA分析相結(jié)合的高分辨率空間分類(lèi)有助于揭示城市GI的確切空間結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步分析和GI網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供精確的數(shù)據(jù)支持。

MSPA法有其局限性，往往需要與其它方法結(jié)合使用。最常與MSPA法結(jié)合的方法是景觀連通性和最小費(fèi)用路徑，這方面的研究已經(jīng)趨于成熟，已經(jīng)形成了比較具體的思路和技術(shù)方法，可以作為城市GI網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的參考。以繼續(xù)優(yōu)化GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法為目標(biāo)，探討MSPA法與其它景觀方法、跨學(xué)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究中，所關(guān)注的GI功能比較單一，沒(méi)有將GI概念的內(nèi)涵很好地體現(xiàn)：人與自然的關(guān)系和多功能性。GI的多功能性必須體現(xiàn)在其決策過(guò)程中，而不是實(shí)施了某個(gè)計(jì)劃或戰(zhàn)略后的一個(gè)直接、簡(jiǎn)單、自然而然的結(jié)果。同時(shí)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(wù)，研究需要根據(jù)場(chǎng)所的特點(diǎn)來(lái)判定哪些功能是主要的、哪些功能是次要的，并把判定的結(jié)果體現(xiàn)在GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的過(guò)程中。比如，老城區(qū)與新城區(qū)的GI需求會(huì)大相徑庭，而南北方城市的GI需求也可能會(huì)有較大差異，而這些地區(qū)的數(shù)據(jù)在二值化的MSPA法中都?xì)w于前景和背景元素，無(wú)法根據(jù)其需求來(lái)精細(xì)化指導(dǎo)城市GI設(shè)計(jì)。所以，結(jié)合MSPA法的優(yōu)點(diǎn)，有目的地創(chuàng)建多功能導(dǎo)向的城市GI網(wǎng)絡(luò)，可以是城市GI構(gòu)建未來(lái)的研究方向之一。