基于MSPA的区域绿色基础设施构建——以苏锡常地区为例

刘颂 何蓓

基于MSPA的区域绿色基础设施构建
——以苏锡常地区为例

刘颂 何蓓

区域绿色基础设施普遍被视为维护区域生态安全的有效途径，其构建方法对于其功能实现具有重要作用。形态学空间格局分析（MSPA）方法，具有需求数据量小、分析与规划匹配度高等优势，成为近年研究与应用的热点。在分析MSPA应用原理的基础上，整合遥感、GIS技术，通过绿色基础设施要素提取、景观连接度评价、最小路径分析对生态廊道进行分级，并以长三角苏锡常地区为例，验证技术框架的可行性，得到苏锡常区域绿色基础设施规划空间结构，并对网络结构提出优化策略。

风景园林；形态学空间格局分析（MSPA）；区域绿色基础设施；构建方法；苏锡常地区

当前，快速城镇化进程中的开发建设活动正不断侵占生态空间；生态空间破碎化加剧，生物生境的连通通道被阻断，生态系统质量和服务功能降低，生物多样性加速下降……构建区域性生态安全格局成为应对生态环境危机的必然选择。

绿色基础设施（Green Infrastructure, GI）被认为是实现区域生态安全格局的景观生态学途径。作为融合不同尺度、不同类型的生态建设和保护规划，GI以生态空间结构的完整性和良好的经济、社会和环境效应，成为政策制定和实施的框架，在欧美发达国家和地区有广泛的实践。

绿色基础设施在景观结构上具有网络化、整体性特征，景观生态学“斑块—廊道—基质”的景观格局为描述GI网络提供了基本模式[1]。因此，GI要素（生态枢纽、廊道、节点）的辨识、生态网络的构建就成为绿色基础设施规划的重点和难点。

近年来，利用形态学空间格局分析方法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）构建或评价绿色基础设施网络的研究正成为关注热点[2]。如在宏观尺度上，有覆盖美国国土范围的MSPA模型[3]以及欧洲森林网络分析[4]，利用MSPA方法对比美国马里兰州、华盛顿特区、弗吉尼亚州、西弗吉尼亚州和北卡罗莱纳州绿色基础设施核心区数量和所占面积比例[4]。而在城市尺度中，MSPA方法成为波多黎各（ Puerto Rico）首府圣胡安市（San Juan）[5]、奥地利与匈牙利交界的新德勒湖 （Neusiedl Lake）区域[6]以及中国巴中西部新城[7]等进行生态网络建构的实现途径。本文以MSPA为核心，重点探讨区域绿色基础设施的规划方法。

1 区域绿色基础设施构建的MSPA方法适宜性分析

1.1 MSPA方法原理

MSPA是沃格特（Vogt）等学者基于腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学形态学原理对栅格图像的空间格局进行度量、识别和分割的一种图像处理方法，能够更加精确地分辨出景观的类型与结构[8]。Vogt等学者[9-10]探究了数学形态学算法中变量对区域景观形态组合构成的影响，确定MSPA方法提取出的生态网络所具有的功能连通性，并验证了MSPA方法在多尺度应用的适宜性。该方法强调结构性连接，仅依赖于土地利用数据，将其重新分类后，假设提取林地、湿地等自然生态要素作为前景（Foreground），其他用地类型作为背景（Background），经过图像处理可将前景按形态分为互不重叠的7类（图1）：核心区（Core）、桥接区（Bridge）、环道区（Loop）、支线（Branch）、边缘区（Edge）、孔隙（Perforation）和孤岛（Islet）。

1.2 MSPA景观类型与GI要素的联系

经过MSPA析出的“核心区”“桥接区”“孔隙”“边缘区”“环道区”“支线”与“孤岛”等景观组分，分别具有不同的空间形态并具有不同的生态学含义（表1）。其中“核心区”意味着具有连接度的规模较大的自然斑块、野生动植物栖息地、森林保护区等；“孤岛”代表彼此不相连的孤立、破碎的小型自然斑块，如建成区内的小型城市绿地；“孔隙”是核心区内部的非自然斑块；“边缘区”是核心区和建设用地之间的过渡地带；“桥接区”即连通核心区之间的带状生态用地，相当于区域绿色基础设施中的廊道，促进区域内部物种迁徙、能量流动与网络形成；“环道区”代表连接同一核心区的生态走廊；“支线”是仅与核心区一端联系的生态斑块。

而区域绿色基础设施的组成要素，即生态枢纽、廊道与节点，分别表现为大型生态斑块，野生动物迁徙廊道、河流，或规模小、相对孤立的生态用地，与MSPA析出的景观组分有一一对应的关系。

1 MSPA方法原理示意图Schematic diagram of MSPA

表1 MSPA的景观类型及其生态学含义Tab. 1 Landscape type of MSPA and their ecological meaning

物种保护与森林破碎化问题是MSPA方法创立的出发点。MSPA方法利用数学形态学算法，抓取自然要素的结构形态，分析得到的廊道是基于结构连通性测度的自然斑块空间的连接关系，从而能够评价自然斑块之间促进或阻碍物质、能量流动的程度，而这正是实现宏观层面生物多样性保护、生态基底稳定性的关键因素。

研究和实践表明：MSPA方法适用于区域尺度，能够有效识别、分析生态空间形态及其连接性，为区域GI的构建方法提供了新路径。但仍存在不足，即该方法拘泥于针对现状自然斑块和廊道的辨识，对核心斑块的重要性分级以及潜在生态廊道的识别缺乏依据。因此，本文在研究MSPA基本原理的基础上，以MSPA为核心，整合遥感、GIS技术，并与景观连接度评价模型、最小路径分析相结合，研究区域GI要素的识别、分级评估方法，并应用于长江三角洲区域的苏锡常地区，为研究区的生态基底的保护战略规划提供依据。

2 基于MSPA的区域绿色基础设施规划技术路线

区域绿色基础设施的最终目标是实现多层级、相互连接的生态网络系统。为达到这一目标，首先应尊重现有自然生态格局，对现状土地可以提供的绿色基础设施要素进行保护，保持现有的生态廊道和非线性节点，保持现状农田、林地、水域等重要的生态空间格局；其次，需要对区域绿色基础设施要素进行重要性等级划分，针对不同级别提出不同的分级分类管控方案；第三，完善核心区之间的连通廊道，提供丰富多样的廊道连接，增加网络的复杂多样性，完善绿色基础设施网络的骨架（图2）。

2.1 识别绿色基础设施要素

通过MSPA方法提取现状景观格局中的绿色基础设施要素是规划的核心与基础。在这一过程中，首先应明确能够产生生态系统服务价值的土地利用类型，如将林地、农田、湿地滩涂、河流以及湖泊等生态用地类型作为前景，则其他土地利用类型作为背景。生态廊道的阈值区间将对分析结果产生直接影响，可通过调节边缘宽度（Edge Width）这一参数实现。而该参数的选取需要根据研究区域的生态网络特征和尺度效应分析[11]确定。

2.2 评估绿色基础设施要素连接度

景观连接度是区域绿色基础设施最基本的原则与属性，指数的高低反映了核心区在区域绿色基础设施中承担的重要性等级。生态斑块连接度指数越高，意味着核心区在区域绿色基础设施网络中的重要性越高[12]。

景观连接度评价方法有很多[13]，在利用MSPA提取绿色基础设施要素的基础上，选择适宜的景观连接度评价指数对核心区进行连接度重要性分级，根据连接度评价识别生态网络中的特色与优势生态空间，析出亟需维护、修复的生态断裂，同时那些最重要的、不可替代的资源可以被识别并成为优先保护的对象。

2.3 完善生态网络——最短路径分析

2 基于MSPA的区域绿色基础设施规划技术路线Technical route of regional green infrastructure planning based on MSPA

经MSPA识别的廊道是基于空间结构析出的结果，但往往忽略了两点之间及周边斑块的景观特征及生态系统服务功能。最短路径分析是测量两节点之间的全部路线的景观阻力，或生物个体在斑块之间运动的最小耗费距离。该方法通过整合景观格局、景观类型、生态系统服务功能等参数，发现潜在的、更加合理的生态廊道走向。

最短路径分析可利用ArcGIS最小耗费路径分析（Least-cost Path Analysis）找出核心区之间相对生态阻力最少的路径，但阻力因子的选取和阻力值的确定是关键，其往往根据经验值或专家打分法获得。

3 苏锡常地区绿色基础设施规划

3.1 研究区概况

苏锡常地区介于116°18'～121°57'E，30°45'～35°20'N之间，包括139个城镇（图3），共1.86万km2，占江苏省面积的17%，滨江临海，水网密布，自然资源丰富，生态基底条件良好。近30年来，该区域经济发展速度快、经济总量规模大，是我国城镇化发展最早的典型区域之一。同时，建设用地持续增长，1980—2013年期间，苏锡常地区的建设用地从1 311.9km2增长到16 186.449km2[14]。

快速城市化使苏锡常地区生态用地数量急剧萎缩，孤岛化严重，生态调控能力严重不足。在城市土地资源有限、难以大规模重建生态用地的背景下，尽可能充分保护现有生态斑块、重建景观组分的空间生态联系、强化网络性景观结构建设，成为提高区域景观生态功能的必然选择。

本研究获取了2014年2月覆盖苏锡常地区的Landsat 8遥感数据，经过镶嵌配准校正，采用Envi5.1进行非监督分类，获得了该区域土地利用覆盖现状（图4）。分析发现苏锡常地区的景观格局有如下特点：1）“田—湖”镶嵌构成基本景观格局，区内耕地与湖泊、林地交织，形成苏锡常区域“田—湖”景观基底；2）林地资源数量少，仅占总面积的3%，破碎化程度高；3）自然基底人为干扰严重，半自然与人工环境占据主导地位，建设用地与道路占地比例达到65%以上，耕地面积远远超过林地，生态效能较低。

3 研究区范围与地理区位Location of study area

3.2 基于MSPA的绿色基础设施结构性网络提取

3.2.1 绿色基础设施要素的识别

本研究选取具有生态功能的用地类型，包括林地、耕地、河流与湖泊绿色基础设施要素作为“前景”，具体土地利用类型包括：1）农田；2）自然遗产保护区；3）风景名胜区；4）未被开发的自然水域（大于100hm2）；5）溪流、河流，包括沿岸的湿地和森林；6）其他具有重要生态系统服务价值的用地等，将建设用地等其他用地作为“背景”。

MSPA分析中生态廊道的宽度选择将对分析结果产生直接影响。研究表明，30m廊道宽度即能够基本满足小型水生、陆生动物及鸟类的迁移、扩散，满足野生动物迁徙的需求[15]。基于此，结合苏锡常地区的景观格局特征，本研究将30m作为边缘区宽度参数。

利用Guidos Toolbox软件平台，采用八邻域分析方法，将土地利用现状图转换为TIFF格式的二值栅格数据进行MSPA分析，得到互不重叠的7种景观组成类型（图5）。其中，核心区与桥接区即为区域绿色基础设施中的“汇集区”与“廊道”。

经统计，核心区在以上景观组分中占比达到57%，但小于10hm2的生态用地总量占核心区总面积的80%以上，这表明苏锡常地区超过半数的生态用地可以作为区域绿色基础设施的核心区，但破碎化严重。桥接区在景观组分中占比13%，主要围绕核心区分布，呈现集聚化状态。

3.2.2 景观连接度评价——核心区等级划分

本研究选择可能连接度指数PC，对核心区的景观连接度进行评价，PC计算公式如下[10]：

式中，n表示景观中斑块总数，P*ij是物种在斑块i和斑块j直接扩散的几率，ai和aj分别表示斑块i和斑块j的面积，AL是景观的总面积，0＜PC＜1。

参照相关研究[10]，将斑块连通距离阈值设置为500m，连通的概率设为0.5。根据景观连通性分析软件Conefor Sensinode2.2计算得到各核心区可能连接度指数（PC），将其分为3个等级：PC≤0.01、0.01＜PC＜0.2、PC≥0.2。可能连接度指数（PC）≥0.2的核心区景观连接度最高，将作为区域绿色基础设施中的极重要核心区；可能连接度指数（PC）在0.01～0.2之间的核心区景观连接度次之，将作为区域绿色基础设施中的重要核心区；可能连接度指数（PC）≤0.01的核心区景观连接度最低，将作为区域绿色基础设施中的一般核心区。

上述不同等级的核心区在区域生态网络中将承担不同的生态功能：极重要核心区包括长江中下游及相邻的生态斑块、太湖、龙池自然保护区、滆湖、太湖北部集中农田等5个巨型斑块，它们与周边连接度最强，是与周边生态斑块连接的核心枢纽；重要核心区11个，包括长江中游、太仓港与北疏港集中农田、长荡湖、阳澄湖、宜兴国家森林公园、天目湖国家森林公园、长兴桃花界森林公园、澄湖，这些生态用地与极重要核心区相比景观连接度较弱，然而仍是维护地方生态安全的重要源地；一般核心区主要有沿长江南侧的集中农田、太湖周边的部分绿地与坑塘湖泊以及围绕在城市建成区周边的绿地，共计2 229个斑块，破碎化、孤岛化相对较严重，易受人类活动的干扰，亟需修复并强化连通度（图6）。

3.3 基于最短路径分析的潜在生态廊道提取

4 研究区土地利用现状Landuse condition of study area

5 MSPA分析结果MSPA result

6 核心区重要性分布Important level of core area

7 研究区景观阻力面分析The resistance value analysis of study area

8 苏锡常地区绿色基础设施规划图Suzhou-Wuxi-Changzhou regional green infrastructure plan

9 苏锡常地区绿色基础设施结构图Structure of Suzhou-Wuxi-Changzhou regional green infrastructure

表2 不同土地利用类型的景观阻力值Tab. 2 The resistance value of different landuse

物质、能量在景观中的迁移除了受到地形的影响之外，还受到土地利用程度的干扰。研究将土地利用受人为干扰强度转换为阻碍（或促进）水平生态过程的阻力值（表2）进行最短路径分析，基于场地阻力值分布，构建研究区的景观阻力模型（图7），为极重要核心区与重要核心区之间模拟最佳通过路径（图8），即潜在的水平生态廊道，避免外界因素干扰，促进景观水平方向的生态过程，增进苏锡常地区主体生态斑块之间的有效沟通，提升区域整体生态安全。

3.4 区域绿色基础设施构建

基于MSPA的结构性网络识别与提取，并以最短路径分析得到的生态廊道作为参考，结合核心区重要性分级，融合现状空间结构廊道与水平生态功能廊道，提出苏锡常地区的区域绿色基础设施“四纵三横一核十环”的基本网络结构（图9）。

从空间布局来看，太湖作为整个区域绿色基础设施结构中的“一核”，规模最大、连接度最强，是保护的重点，需要对太湖水质进行监测与保护，以保护动植物的生存环境；围绕太湖有一系列的核心区相互连通形成“十环”，包括龙池自然保护区、滆湖及相邻生态斑块、阳澄湖及相邻生态斑块、太仓北集中农田等，风貌各异，在区域绿色基础设施中发挥着平衡区域生态环境、缓冲城市扩张压力的作用；而“四纵三横”的生态廊道将“一核”“十环”串联，形成既具备空间连接属性又具有景观生态功能的区域绿色基础设施网络体系。

4 结论与讨论

本研究探索了以MSPA为核心技术方法的区域绿色基础设施规划途径，将MSPA方法与景观连接度、最短路径分析进行有机结合，建立了区域绿色基础设施规划框架。苏锡常区域绿色基础设施构建是MSPA技术支持下的区域绿色基础设施规划实践，初步验证了利用MSPA的区域绿色基础设施规划方法的可行性。即通过MSPA方法识别区域绿色基础设施构成要素，提取出核心区、节点和廊道，形成初步的区域绿色基础设施网络骨架。在此基础上，从水平生态过程分析入手，基于最短路径分析挖掘潜在的生态廊道，最后整合形成既包含空间实体连接，也具有有效水平生态过程的区域绿色基础设施网络。

与传统的绿色基础设施的规划方法相比，MSPA方法仅依赖于土地覆盖数据而不需要多层、多要素数据叠加，对数据要求少，分析便捷，对结构连接性的评估准确细致，但忽视了实际生态过程和功能性连接。MSPA在展现出其作为技术手段的优越性的同时，也表现出应对规划需求的不足之处。MSPA是基于空间结构对区域绿色基础设施要素进行提取，结构的连接性是其功能的主要表现方式，而针对水平生态过程的生态系统服务功能分析不足，需要通过其他方法进行补充，考虑尽可能多的关键生态驱动因素，从而构建满足生物多样性保护、空间结构连接、动态性等多目标的绿色基础设施，实现区域的精明保护与精明增长。

MSPA对尺度的变化十分敏感，改变影像的栅格像元大小将直接改变MSPA对绿地的提取结果。因此，对MSPA的关键参数、生态廊道的阈值选取、景观阻力值的设定、景观连接度评价指数的筛选等均要以尺度效应的研究作为依据。

同时还应注意的是，区域绿色基础设施是宏观、综合、复杂的有机体，还应包含人文、社会、经济要素，后续研究需要在关注区域绿色基础设施生态功能的基础上，采用多种方法相互补充，借助更为全面的社会经济数据，与游憩学、社会学、经济学等多学科合作，协调生态、人文、社会、经济的关系，使区域绿色基础设施规划在保护和开发中取得平衡。

注释：

①图1由作者改绘，原始来源http://forest.jrc.ec.europa.eu/download/software/guidos/mspa/；图2～9由作者自绘。②表1～2由作者绘制。

[1]Benedict M A, Mcmahon E T. Green Infrastructure:Smart Conservation for the 21st Century[J].Renew Resource Journal, 2002, 20(3): 12-17.

[2]邱瑶，常青，王静.基于MSPA的城市绿色基础设施网络规划——以深圳市为例[J].中国园林，2013（5）：104-108.Qiu Yao, Chang Qing, Wang Jing. A MSPA-based Planning of Urban Green Infrastructure Network—A Case of Shenzhen[J]. Chinese Landscape Architecture, 2013(5):104-108.

[3]Wickham J D, Riitters K H, Wade T G, et al. A National Assessment of Green Infrastructure and Change for the Conterminous United States Using Morphological Image Processing[J]. Landscape & Urban Planning, 2010, 94(3-4): 186-195.

[4]European Forest Fragmentation An Insight into Pattern and Connectivity[EB/OL]. [2015-06-07]. https://ec.europa.eu/jrc/sites/default/files/jrc_20101018_forest_fragmentation.pdf.

[5]A Standardized and Interconnected Approach to Green Infrastructure Development in Virginia and Surrounding States Using Morphological Image Processing[EB/OL].[2014-10-01]. http://as.richmond.edu/student-research/symposium/archive/2011-Symposium-Booklet.pdf.

[6]Kuttner M, Hainz-Renetzeder C, Hermann A, et al. Borders without Barriers—Structural Functionality and Green Infrastructure in the Austrian—Hungarian Transboundary Region of Lake Neusiedl[J]. Ecological Indicators, 2013, 31(3): 59-72.

[7]许峰，尹海伟，孔繁花，等.基于MSPA与最小路径方法的巴中西部新城生态网络构建[J].生态学报，2015（19）：6425-6434.Xu Feng, Yin Haiwei, Kong Fanhua, et al. Developing Ecological Networks based on MSPA and Least—Cost Path Method in Bazhong Western New District[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015(19): 6425-6434.

[8]Soille P, Vogt P. Morphological Segmentation of Binary Patterns[J]. Pattern Recognition Letters, 2009, 30(4): 456-459.

[9]Riitters K H, Vogt P, Soille P, et al. Neutral Model Analysis of Landscape Patterns from Mathematical Morphology[J].Landscape Ecology, 2007, 22(7): 1033-1043.

[10]Vogt P, Ferrari J R, Looking bill T R, et al. Mapping Functional Connectivity[J]. Ecological Indicators, 2009,9(1): 64-71.

[11]于亚平，尹海伟，孔繁花，等.南京市绿色基础设施网络格局与连通性分析的尺度效应[J].应用生态学报，2016，27（7） ：2119-2127.Yu Yaping, Yin Haiwei, Kong Fanhua, et al. Scale Effect of Nanjing Urban Green Infrastructure Network Pattern and Connectivity Analysis[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(7): 2119-2127.

[12]Urban D, Keitt T. Landscape Connectivity: a graphtheoretic perspectiv[J]. Ecology, 2001, 82(5): 1205-1218.

[13]侍昊.基于RS和GIS的城市绿地生态网络构建技术研究[D].南京：南京林业大学，2010.Shi Hao. Research on Urban Green Space Ecological Network Construction based on RS & GIS[D]. Nanjing:Nanjing Forest University, 2010.

[14]江苏省统计局.江苏统计年鉴[G].2014.Jiansu Statistical Bureau. Jiangsu Province Statistical Yearbook[G]. 2014.

[15]朱强，俞孔坚，李迪华.景观规划中的生态廊道宽度[J].生态学报，2005，25（9）：2406-2412.Zhu Qiang, Yu Kongjian, Li Dihua. The Width of Ecological Corridor in Landscape Planing[J]. Acta Ecologica Sinica,2005, 25(9): 2406-2412.

Construction of Regional Green Infrastructure Based on MSPA—Case Study on Suzhou-Wuxi-Changzhou Area

LIU Song, HE Bei

Regional green infrastructure is widely regarded as an effective way to maintain the regional ecological security. Its construction approaches are important to its function implementation. MSPA (Morphological Spatial Pattern Analysis), as a new method, with advantages of better fitness for analysis and planning and fewer data demand, becomes a hotspot for regional green infrastructure construction. This research built a framework of regional green infrastructure by MSPA under its theoretical basis, including extracting green infrastructure elements, evaluating landscape connection degree of green infrastructure elements and formatting the classified network combined with ENVI, GIS. Finally MSPA was used to construct green infrastructure in Suzhou-Wuxi-Changzhou area.

landscape architecture; Morphological Spatial Pattern Analysis (MSPA); regional green infrastructure; construction approaches; Suzhou-Wuxi-Changzhou area

国家自然科学基金项目“转型期城乡绿地系统优化方法研究——以长江三角洲区域为例”（编号51378364）

TU 986

A

1673-1530(2017)08-0098-07

10.14085/j.fjyl.2017.08.0098.07

2017-03-30

修回日期：2017-05-09

Fund Item:National Natural Science Foundation of China “ Study on Optimization Approach of Urban-rural Green Space System in Transitional Period—Case Study of Yangze River Delta Region” (No.51378364)

刘颂/1968年生/女/山东人/博士/同济大学建筑与城市规划学院景观学系、生态智慧与实践研究中心，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室、上海城市困难立地绿化工程技术研究中心教授、博士生导师/研究方向为景观规划设计及其技术方法、城乡绿地系统规划（上海200092）

LIU Song , who was born in Shandong province in 1968,is a professor and doctoral supervisor in the College of Architecture and Urban Planning (CAUP) of Tongji University, a research member of the Center for Ecological Wisdom and Practice Research (CAUP) and the Key Laboratory of Ecology and Energy-saving Study of Dense Habitat (Ministry of Education of China) and Shanghai Engineering Research Center of Landscape on Challenging Urban Site. Her research focuses on the landscape planning technology and urban green space system planning (Shanghai 200092).

何蓓/1992年生/女/安徽人/硕士/上海市政工程总院（集团）有限公司工程师（上海 200092）

HE Bei, who was born in Anhui province in 1992, got her master degree in the College of Architecture and Urban Planning (CAUP), Tongji University. Now she is working as an engineer in Shanghai Municipal Engineering Institute(group) Co., LTD (Shanghai 200092).

（编辑/任京燕）