MSPA法在城市绿色基础设施网络构建中的应用综述

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　　摘要：回顾了绿色基础设施的相关概念和要点，对绿色基础设施与生态基础设施、城市绿地系统进行了概念辨析，总结出绿色基础设施应关注人与自然的关系，并具备多功能性。对MSPA法在城市绿色基础设施网络构建中的应用进行了分析、比较和归纳，发现了3点研究不足：原始数据的低分辨率对结果的精确性有影响;MSPA法具有局限性;所关注的绿色基础设施功能比较单一，并据此提出对未来研究方向的建议。
　　关键词：MSPA法;城市绿色基础设施;网络构建
　　1绿色基础设施概述
　　1.1绿色基础设施概念的演变历程
　　1999年，美国“总统可持续发展委员会”在《迈向可持续发展的美国——为2l世纪带来繁荣，机遇和健康的环境》报告中提出了绿色基础设施（Green Infrastructure，以下简称GI）的概念：国家的自然生命支持系统——用于保护土地和水、支持本地物种、维护自然生态过程、维持空气和水资源，并为美国社区和人民的健康和生活质量做出贡献的互联网络。自此之后，探讨绿色基础设施的概念和目的成为了风景园林学科的一大热点。从1999～2014年，几乎每年都有学者在前人研究的基础上补充和发展，提出新的绿色基础设施概念。其中引用比较广泛并具有较大理念更新的概念有：2005年《East Midlands Green Infrastructure SeopingStudy：Final Report》中提出的：“GI是在規定区域内提供的多功能绿色空间网络。它设置在高质量的自然环境和建筑环境中并为之作出贡献，并且需要为现有社区和新社区提供宜居性。”
　　2006年Benedict和McMahon提出的：“GI是对自然土地、人工景观和其它公共空间进行战略规划和管理的网络，保护生态系统的价值和功能，并为人类提供相关的利益。”
　　2009年《GreenInfrastructure：connected andmultifunctionallandscapes>）提出的："GI是土地利用的一种方式，以生态系统服务的概念为基础。不同规模的GI设施不应被认为仅具有单一功能。”该报告首次提出了连接性和多功能性是让GI不同于景观规划和管理的重要部分。
　　从文献中来看，虽然目前GI在全世界没有广泛认可的概念，但是从其概念的演化中来看，GI具有以下3点主流的理解：（1）强调人与自然之间的关系，将自然带回人类社区，实现以生态为中心和以人为中心的平衡;（2）探讨如何将GI的理念和方法进行进一步研究以用于实施;（3）多功能性，即在相同空间尺度上提供若干功能和益处的能力，重点在于多功能网络与其带来的多种益处。
　　1.2绿色基础设施与生态基础设施、城市绿地系统的概念辨析
　　在实际的研究中，绿色基础设施（GI）、生态基础设施（FI）和城市绿地系统是一组相似的概念，有时会被混淆，在进行进一步阐释之前，有必要对这一组概念进行辨析。传统的城市绿地系统，视野主要局限于建成区和建设发展用地，往往忽略了非建设用地与城市建设用地的功能连续。GI和EI的概念常常被混合使用，其内涵和组成元素也有较大的重合处。但从以下表格中可以看出，绿色基础设施更加关注于人与自然的关系，提倡设施应具备多功能性;生态基础设施更着重于设施的生态系统服务功能，强调形成景观安全格局。它们的概念中都强调了将设施作为一个网络和系统看待，有利于突破人为行政区划带来的桎梏。基于大量实际案例的分析、研究和应用，GI和FT目前已经成为了我国城市绿地系统建设的重要指导，为绿地体系建构和管控提出了许多有效建议，拓展了其广度和深度。
　　这3个体系的概念、组成元素和各自的聚焦点如表1所示。
　　2MSPA法概述
　　形态学空间格局分析法
　　（Morphological SpatialPattern Analysis，MSPA）是一种由Soille和Vogt等人提出的、可以将二值栅格图像识别分割为7个互斥类别的方法，这7个类别分别是核心（core）、孤岛（islet）、环道区（100p）、桥接区（bndge）、孔隙区（peffora-tion）、边缘（edge）和分支（branch）。这是基于数学形态学的运算序列实现的，例如腐蚀、膨胀、开启、闭合等。这种方法可以仅基于单一的数据，在不同的分析尺度下测量和描述图像组成部分的几何性质和连通性。
　　MSPA法可以通过土地覆盖特征之间的空间关系创建结构，从单一的土地利用图中识别枢纽（hub）和廊道（link），从而描述空间格局的破碎化、检测受宽度影响的边缘效应、分析绿色基础设施的时序变化信息等㈣。由于MSPA法具有评估几何连通性准确细致、要求数据量少、分析结果可视化等优点，目前在景观学科中的应用越来越普及和广泛，如指导国家层面的GI建设、绿道设计优化、森林保护研究等。笔者论述的主要内容是MSPA法在城市GI网络构建中的研究与应用。
　　3MSPA法在城市GI网络构建中的应用
　　分析国内外运用MSPA法、以城市为背景的28篇文献（数据来源：GoogleScholar，ScienceDirect，CNKI），其中以GI（或在文中阐明研究对象可视为GI的组成部分）为研究对象的有14篇，占50%;以生态网络或相关概念作为研究对象的有8篇，占28.6%;以绿色连通性为研究对象的有3篇，占10.7%;以绿道、生境规划、景观网络格局为研究对象的各l篇，各占3.6%。对以城市GI网络为研究对象的14篇文献进一步分析，如表2所示。
　　从表格中可以看出，MSPA法在区域、城市、城区和社区尺度上的GI都有一定的研究和应用，但是尺度和边缘宽度的数值没有非常严格的一一对应关系。这是由于区域、城市、城区和社区的主要判别依据是行政区划，并不代表研究区域的绝对大小。并且，研究者往往会根据自己所研究的方向进行多次测试来确定边缘宽度的选择，使得最终的结果将最有利于下一步的分析，边缘宽度的选择目前还没有一个统一的标准。此外，边缘宽度的选择受到原始卫星影像数据的限制。根据统计，在MSPA法中应用最广泛的数据为Landsat遥感数据，该数据的分辨率为30m，源数据的精度直接决定了以其为基础作出的土地利用覆盖现状图的精度。 　　MSPA法因其要求数据量少、分析简便，在结构性廊道上分析准确的优点，在GI源地识别中有重要的应用。但MSPA法没有考虑功能连接性或具体的生态过程，除了研究某区域GI设施的时序变化外，往往需要与其它分析方法和数据结合使用。其中最经常与MSPA法配合使用的是景观连通性（9篇文献，64.3%）和最小费用路径（6篇文献，42.9%，电路理论可以看作是最小费用路径的一种延申分析方法）。若统计以城市为背景的全部28篇文献，可以发现，应用景观连通性的有15篇文献，占53.6%;应用最小费用路径的有14篇，占50%;同时应用以上2种方法与MSPA法结合的有10篇，占35.7%。此外，重力模型、图谱理论、景观格局指数、AHP法、空间句法分析等方法也被应用于与MSPA法结合来构建GI网络。
　　MSPA法、景观连通性和最小费用路径结合构建GI网络的总体技术路线是：（1）制作土地利用覆盖现状图，基于MSPA法进行景观类型提取;（2）基于景观连通性概念，把提取的景观类型划分为枢纽（hub）和廊道（1ink）;（3）基于最小費用路径方法，构建潜在的GI廊道;（4）结合现存的GI枢纽、廊道和潜在的廊道进行分析，提出优化策略。其目的是对城市现存的GI网络和潜在的GI廊道进行分级评价，确定保护和优化的优先次序，从而指导城市GI网络的进一步建设。
　　在目前利用MSPA法对城市GI网络的研究中，所体现的GI功能比较单一，有一半仅仅集中在城市中的生物栖息地上（7篇文献，50%），也有部分研究体现了GI的多功能性：如王晶晶与尹海伟等从多元价值目标导向出发，将生态休闲、历史文化、城乡风貌要素与生态目标结合，提出了古黄河周边区域的网络发展总体框架;Courtenay和Lookingbill从结合自然保护和人类使用价值出发，对美国弗吉尼亚州詹姆斯河流域的区域步道网络进行研究，为人口密集的流域内的多用途步道提供了战略性建议嘞;付晶聚焦于城市的恢复力（Resilience，部分文献也译为弹性或韧性），从自然、社会、经济3个系统选择了20个指标进行分析整合，以构建恢复力评价模型，其中GI是评价指标的重要组成。尽管该文献以城市恢复力为主要研究点，但也为GI的多功能整合研究提出了新的视角;Wei和Qian等人运用了空间句法模型与MSPA法相结合，研究了上海浦口未来GI网络的空间可达性，用以揭示GI与人的活动之间的关系;Vel a zquez和Anza等人通过比较污染、绿地、交通、人口4个指标，从中选出马德里市生态环境矛盾最大的街区，在这些街区中综合建筑高度、城市植被和景观连接度3个条件后，为城市绿色屋顶的选址提出建议。从总体上来说，在MSPA法的源地决策过程中加入多功能性的尝试还比较少，多数研究聚焦于GI作为生物栖息地的单一功能上。
　　4讨论
　　原始数据的分辨率很大程度上影响了结果的精确性，在对中小尺度的城市地区进行MSPA分析时可以考虑采用高分辨率的影像数据。采用高分辨率的图像往往得出的前景像元要多，尤其是在地表组成元素复杂的高密度城市地区，采用分辨率为30m的Landsat数据很容易使社区内的小型GI设施被掩盖，而采用高分辨率的影像数据则能够将这些小型GI设施识别出来。与MSPA分析相结合的高分辨率空间分类有助于揭示城市GI的确切空间结构，为进一步分析和GI网络的优化设计提供精确的数据支持。
　　MSPA法有其局限性，往往需要与其它方法结合使用。最常与MSPA法结合的方法是景观连通性和最小费用路径，这方面的研究已经趋于成熟，已经形成了比较具体的思路和技术方法，可以作为城市GI网络建设的参考。以继续优化GI网络构建方法为目标，探讨MSPA法与其它景观方法、跨学科方法的融合可能，也可以成为今后的研究方向。
　　目前，基于MSPA法的GI网络构建研究中，所关注的GI功能比较单一，没有将GI概念的内涵很好地体现：人与自然的关系和多功能性。GI的多功能性必须体现在其决策过程中，而不是实施了某个计划或战略后的一个直接、简单、自然而然的结果。同时需要明确的是，GI所包含的功能和利益非常广泛，并非所有GI要素都需要提供所有服务，研究需要根据场所的特点来判定哪些功能是主要的、哪些功能是次要的，并把判定的结果体现在GI网络构建的过程中。比如，老城区与新城区的GI需求会大相径庭，而南北方城市的GI需求也可能会有较大差异，而这些地区的数据在二值化的MSPA法中都归于前景和背景元素，无法根据其需求来精细化指导城市GI设计。所以，结合MSPA法的优点，有目的地创建多功能导向的城市GI网络，可以是城市GI构建未来的研究方向之一。
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