城市用地语境下国内外城市绿地进化模拟研究进展

刘 杰 张 浪* 张青萍

（1.上海市园林科学规划研究院，城市困难立地生态园林国家林业和草原局重点实验室，国家林业和草原局城市困难立地绿化造林国家创新联盟，上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 200232；2.南京林业大学风景园林学院，南京 210037）

2015年9月25日，涉及社会、经济和环境的17个可持续发展目标（Sustainable Development Goals，SDGs）正式通过。其中，良好健康与福祉、可持续城市和社区、气候行动等目标与城市绿地发展息息相关[1-2]。党的十九届五中全会把“碳达峰、碳中和”作为“十四五”乃至2035国家战略目标。“双碳”目标下，城市绿地在增汇减排、改善人居环境、增进民生福祉、调节城市气候、维持生态平衡、保护生物多样性等方面的重要作用日益突出。

国内，《城市绿地规划标准》（GB/T 51346-2019）对城市绿地的定义为：城市中以植被为主要形态，并对生态、游憩、景观、防护具有积极作用的各类绿地的总称。国外，“绿地”概念常采用“Open space”或“Green space”来表述。美国环境保护署对开放空间的定义为：未开发的（无建筑物或其他已建构筑物）且公众可进入的任何开放土地，包括绿地（部分或全部被草、树木、灌木或其他植被覆盖的土地）、校园、操场、公众座位区、公共广场、空地等。其中，绿地包括公园、社区花园和墓地①https://www3.epa.gov/region1/eco/uep/openspace.html。国内外对“绿地”的概念界定存在一定差异性，但从用地发展视角可归纳，城市绿地的进化不是单纯的自下而上的自组织过程，而是往往伴随着自上而下的宏观规划调控——城市绿地的空间特征遵循系统内部的某种规律性机制进行演替，同时，又受制于规划干预以及城市用地变化过程[2-3]。因此，“进化”是对城市绿地从非系统形态到系统形态、从无机系统到有机系统状态的高度概括。

目前，现有研究多将城市绿地视为城市用地的类型之一，纳入不同情景设置下的城市用地未来发展方案模拟[4-5]，有助于形成城市规划政策的反馈机制，提高城市规划工作的科学性、前瞻性。本研究着眼于此，基于中英文文献的科学计量分析，阐述该领域的研究热点、研究主题和研究趋势，总结国内、国际的研究共性和差异之处，以期为未来不同目标导向下城市用地的高效配置、城市绿地系统的科学规划提供参考。

1 研究方法

研究以中国知网（CNKI）文献数据库和Web of Science核心合集数据库的文献分别表征国内和国际的相关研究进展，采用基于科学知识图谱分析的CiteSpace软件（5.7版本）[6]，展示知识的内在发展进程与结构关系。

在中国知网（CNKI）文献数据库，检索主题词为“绿地”AND“进化”、“绿地”AND“演化”、“绿地”AND“模拟预测”，采集硕博学位论文、期刊和会议论文。追溯文献对于本研究的研究贡献，数据采集的开始时间设为2000年1月，截止时间为2020年12月，共获得文献234篇，删除与主题相关性较弱的文献，获得有效文献200篇。基于Web of Science核心合集数据库，设定与中文文献同样的文献检索时间，以主题：（green space）AND主题：（land use change）AND文献类型：（Article）AND语种：（English）检索，并合并以上检索方式中（land use change）分别替换为（evolution）、（simulation）的检索结果，共获取文献730篇，利用CiteSpace的除重功能，获取有效文献727篇。文献分析时，中文文献的“进化”“演化”等主题词尊重原文献表述，英文文献统一采用“进化”表述。

2 城市绿地相关研究发展趋势

2000 - 2020年城市绿地相关研究的中英文发文量情况如图1所示。在2000 - 2010年和2010 - 2020年，中文文献年发文量分别呈增长趋势和下降趋势。2000 - 2020年，英文文献数量整体呈现递增趋势。2000 - 2010年，英文文献数量呈缓慢增长态势，年均发文量不超过30篇；2011 - 2020年，英文文献量呈快速增长趋势，2015年以后，年均文献量超过了100篇，在2020年，英文文献数量达到峰值，为349篇。对比发文国家可知，2010 - 2020年，国内学者在国际期刊上的发文量逐年增长，这可能是导致中文文献发文量呈递减趋势的原因之一。

3 研究热点、研究主题及趋势分析

3.1 研究热点

3.1.1 中文文献的研究热点

通过CiteSpace对关键词 的共现网络进行聚类分析，将关键词 按照中心度排序和出现频次进行排序（表1）。具有较高中介中心性的关键词 ，一般也具有较高的出现频次。高频关键词 与关键词 中心度较高的词所反映的主要研究方向基本一致。

绘制基于关键词 的知识图谱（图2），关键词共现图谱可以反映一定时间序列下研究热点的推演过程。结合关键词 中心度和频次排序表（表1），可得不同研究阶段高中心性关键词 的分布表（表2）。由表2可得：

表1 关键词 中心度和频次排序表Tab. 1 Ranking table of keywords frequency and centrality

表2 不同研究阶段高中心性关键词 分布表Tab. 2 Distribution table of high centrality keywords in different research stages

2000 - 2005年，中心度较高的关键词 为上海、城市土地利用、城市结构。房国坤等[7]分析了21世纪初上海市地域空间结构、区域环境问题的变化特征。凌怡莹[8]以上海市为研究区域，对上海市中心城区土地的静态结构、动态演变和预测进行了定性和定量分析。该阶段，生态和经济利益追求的倾向导致城市绿地设施程度增加和自然度降低。

2006 - 2010年，中心度较高的关键词 为元胞自动机、城市空间结构、土地利用、动态演化模拟等。胡幸等[9]以长三角地区部分省级以上的经济开发区和高新技术开发区为研究样本，提出用地的转化受自组织调整和政府、市场的共同作用。该阶段，通过设置目标发展幕景，对城市土地利用演化过程进行预测模拟成为重要的研究探索[10]。

2011 - 2015年，中心度较高的关键词 为动力机制、城市形态、时空演变、空间格局、土地利用优化、城市热岛。驱动机制的相关研究涉及植被指数、城市空间结构、城市绿地布局结构、城市功能空间等演化[11-13]。城市热岛的相关研究在2015年左右开始成为研究趋势，研究关注城市热岛的形成机制及时空演化遥感分析等方面。

2016 - 2020年，中心度较高的关键词 为绿地系统、地表温度、城乡统筹、风景园林、演化机理。在城乡化研究及绿地系统布局多情景模拟优化中。2019年，《城市绿地规划标准》的实施，为城乡绿地系统规划的多层级、多尺度提供参考。该阶段，绿色空间的动态演化特征、演化机理等成为研究的热点。

3.1.2 英文文献的研究热点

统计关键词 中心度排序和关键词 词频排序（表3）。由表可得，中介中心性较高的关键词与词频较高的关键词 反映的研究热点基本一致。绘制关键词 共现图谱（图3），结合关键词 中心度和频次排序表（表3），绘制高中心性关键词 的分布见表4。

表3 关键词 中心度和频次排序表（英文文献）Tab. 3 Ranking table of keywords frequency and centrality (English literature)

表4 不同研究阶段高中心性关键词 分布表（英文文献）Tab. 4 Distribution table of high centrality keywords in different research stages (English literature)

2000 - 2005年，中心度较高的关键词 为覆被、气候变化、土地利用变化等。Rogan等[14]比较了多时相Kauth-Thomas（MKT）和（MSMA）两种线性变化增强技术，识别了1990年至1996年间南加州研究区植被覆盖的变化。Shashua等[15]探讨了特拉维夫城市综合体11个不同森林地点植被气候要素的影响。Potter[16]模拟了过去和未来气候变化对阿拉斯加内陆森林生态系统模式的影响。Li等[17]在区域、城市和社区3个层面，构建了天然林区、生态缓冲带、绿楔、公园、生态走廊等的综合性生态网络。

2006 - 2010年，中心度较高的关键词 为环境、生态、植被等。Georgi等[18]探讨了影响居民热舒适的城市绿地生物气候，分析植物物种之间热舒适性的差异。Uy等[19]以越南河内为研究区域，借助图论提出了改善城市绿地生态网络连通度的方法。Amiri等[20]由Landsat4、5TM和Landsat 7 ETM+传感器获取的大不里士市区多时相图像，研究地表温度（LST）与覆盖/土地利用（LULC）之间的动态关系。

2011 - 2015年，中心度较高的关键词 为体力活动、表面温度、公共健康等。Marcelli等[21]调查了非营利性组织在支持南加州公园和体力活动中的作用，研究表明城市内部存在健康差异。Li等[22]以中国北京为研究区域，基于最小二乘回归和空间自回归的方法研究了地表温度和绿地空间格局之间的关系。Shen等[23]基于PLS模型分析了城市绿地结构通过减少空气污染和缓解热环境降低心血管疾病死亡率。

2016 - 2020年，中心度较高的关键词 为生态系统服务、气候变化应对、微气候等。该阶段研究涉及城市绿地进化与城市规划的关系、城市绿地的降温效应、城市气候变化的应对、微气候等方面。Wellmann等[24]以德国柏林为研究区域，利用30年陆地卫星序列影像，探讨城市人口密度、土地利用和城市植被覆盖率之间的关系。Badiu等[25]探讨了布加勒斯特社会主义时期和后社会主义时期政权的变化与城市绿地空间结构的时空变化之间的关系。Aram等[26]在城市绿地、个体公园尺度和模拟预测绿地方案三个层面对城市绿地的降温效应进行了研究。Mabon等[27]以中国台湾为例，从城市绿地功能利益分配公平性角度探讨了城市绿地中环境公平的含义。

3.2 研究主题

3.2.1 中文文献的研究主题分布

绘制关键词 共现聚类时间线图（图4）。基于关键词 共现聚类时间线图，可将2000 - 2020年城市绿地进化模拟预测研究的主题总结为表5。中文文献的研究主题分布可总结为：

表5 关键词 共现聚类主题分布表Tab. 5 Distribution table of keywords co-occurrence clustering topic

（1）空间特征的挖掘。该主题包含的聚类主题是时空演变、景观格局、形态结构。城市绿地布局结构对于城市绿地系统整体效能的发挥具有决定性作用[28]。张浪[29-30]总结了城市绿地系统从非系统形态到系统形态，从无序状态到有序状态，从单一分散到联系融合，最后呈现城乡网络化、城郊结合的整体布局结构进化特征。金云峰等[31-32]将耗散理论、熵值分析等方法论应用于城市绿地系统的时空演化研究，并借助分形量化模型对城市绿地系统的布局结构进行优化。该阶段研究基于“斑块—廊道—基质”理论，对城市绿地系统的空间格局特征进行分析，并提出格局优化策略[33]。

（2）技术路径的探讨。该主题包含的聚类主题是元胞自动机、绿地系统、土地利用。吴艳艳[34]基于改进的Markov-CA模型，模拟武汉市未来土地利用的时空格局变化。黄焕春[35]将基于不等时距的灰色预测模型嵌入元胞自动机模型中，构建了一个耦合GIS、人工神经网络（ANN）、元胞自动机（CA）、灰色系统的灰色城市空间演化模型。吴蒙[36]基于系统动力学（System Dynamics，SD）模型与CLUE-S模型的模型体系对生态系统服务价值的时空保护进行了多情景模拟。总结而言，基于用地模拟模型，可以进行不同约束条件下，如耕地保护、生态保护和城市发展等情景下的未来用地模拟预测。

（3）驱动机制的分析。该主题包含的聚类主题是动力机制、演化轨迹/关系。城市绿地系统进化的要素，包括城市经济的发展、产业结构的调整、基础设施的规划建设，也包括园林绿化政策和相关行政法规的引导，城乡关系的变异，以及城市内部用地结构的突变，生态资源利用方式的改变等[37]。杨玉鹏和金云峰[38]提出城市绿地的演化过程由系统内部和外部条件共同作用。史利江等[39]研究了上海市土地利用变化和驱动机制，提出经济、人口、生活水平、规划政策以及国家大型活动等是引起城市土地利用变化的主要驱动力，且城市绿地的进化过程存在正向进化（正进化）和负向进化（负进化）。

（4）优化策略的探索。该主题包含的聚类主题是调适性干预、城市热岛。学者们将城市理解为社会—经济—自然复合系统[40-41]。优化策略就形态布局的优化主要从城乡统筹、系统稳定性、缩小空间差异等方面提供优化建议。优化策略在不同约束条件下的多情景模拟预测，主要是从生态空间保护、耕地保护、热岛缓解等方面提供实现途径。优化策略涉及社会经济宏观调控，自然基底的科学利用，规划政策的法律保障等[42-43]方面。

3.2.2 英文文献的研究主题分布

绘制关键词 共现聚类时间线图（图5）。基于关键词 共现聚类时间线图，将2000 - 2020年城市绿地进化模拟预测研究的主题总结为表6。英文文献的研究主题分布可总结为：

表6 关键词 共现聚类主题分布表（英文文献）Tab. 6 Distribution table of keywords co-occurrence clustering topic (English literature)

（1）进化特征。该主题包含的聚类主题有不透水面、土地利用、城市形态、城市增长。Dinda等[44]应用集成元胞自动机-马尔科夫链（CA-MC）模型，预测了印度加尔各答市土地利用的动态和城市绿地的状态。Gadi等[45]将城市绿地的生长动态通过检测绿地内部草地密度和地上部生长速率的时空动态变化来实现。Garcia等[2]以西班牙马德里三个案例研究为例，研究城市绿地对城市项目的背景、规划沿革和发展趋势等规划过程的敏感性。Xu等[46]以德国慕尼黑为例，从区域和次区域两个层面分析不同情景下的绿地利用率以及两个指标之间的权衡，结果表明很难找到一种在不同区域表现最好的城市生长模式。

（2）绿地效能。该主题包含的聚类主题较为广泛，包含气候变化、生态系统服务、生物多样性、功能多元、城市热岛等，属于城市绿地的效能范畴。Masoudi等[47]以新加坡为例，提出更多的、形状较为简单的、破碎化程度较低、连接度较高的城市绿地斑块具有更低的地表温度和更高的降温效果。Sun等[48]以中国南京市为例，探讨了指数（植被覆盖度、水分覆盖度、面积、叶面积和斑块形状指数）与地表温度或降温效应强度之间的关系。Fisher等[49]以乔治敦为例，使用中介模型来测试声音感知、鸟类物种丰富度、自然度和安全问题如何影响恢复性场所，从而影响健康。Kong等[50]以中国济南市为例，采用最小成本路径法对潜在廊道进行识别，并基于图论和引力模型对绿地网络进行开发和改进。

（3）居民福祉。该主题包含的聚类主题是环境正义、体力活动。Kronenberg等[51]探讨了后社会主义城市的城市绿地和蓝色空间规定的三个正义维度（分配/分配、程序/参与和互动/承认）。Enssle等[52]以柏林（德国）为例，利用公园访问模式、人口特征和社会网络模式的综合数据集，通过社会环境正义的三个维度（分配、互动和程序）进行，探讨了老年人的城市绿地访问模式。Rigolon等[53]以加利福尼亚州为例，分析了121个在联盟中工作的非政府组织有关环境正义重点、工作范围、收入和其他特征的信息。Du等[54]以中国上海市的6个公园为例，探讨空间设计和植被配置对公众健康和居民福祉（PHW）的影响。

3.3 研究趋势

3.3.1 中文文献的研究趋势

CiteSpace中的突现词（Burst terms）是通过考察词频，将某段时间内频次变化率高的词探测出来。关键词 突现可以反映受关注主题的发展趋势，突现时间较早的关键词 是早期受关注的主题，而突现时间较近的关键词 则可以反映该研究方向近年及未来的可能研究热点。获取2000年至2020年关键词 突现的前16位（图6）。其中，“规划政策”“空间格局”“形态学”是最早突现的关键词 ，“规划政策”的突现强度最强，“空间格局”的突现持续时间最长，表明早期的研究热点围绕规划政策、空间形态、空间格局而展开。2004年至2007年，“元胞自动机”“城市化”“土地利用”成为该阶段的突现关键词 ，且“元胞自动机”和“土地利用”的突现持续时间较长，表明该阶段城市土地利用模拟预测技术途径的研究成为热点。2010年至2016年，关键词的突现呈现多元化的状态，以“优化策略”“上海市”“动力机制”为主。2020年，“地表温度”和“效应”成为最新的突现词，表明与城市绿地相关的城市热岛研究，生态效应或环境效应研究成为当前以及未来几年的研究热点。

3.3.2 英文文献的研究趋势

英文文献2000年至2020年关键词 突现的前16位如图7所示，以用于研究趋势的分析。其中，突现时间较早的关键词 是“环境”“绿色基础设施”“城市”“气候变化”“尺度”等，突现时间最长的关键词 是“环境”，突现强度最强的关键词 是“城市”，表明城市绿地进化模拟预测的英文文献研究围绕城市绿地与城市的耦合关系、城市绿地对环境的改善、城市绿地与气候变化等方面而展开。2002年至2010年，突现的关键词 较少，表明该研究阶段内，研究主题较为集中，2011年至2020年，突现的关键词 数量较多，研究呈现多元化，但研究热点基本围绕城环境、城市、气候等方面。近几年新增的突现关键词 是“大都市区”“地表温度”，表明较大尺度的研究区域、城市地表温度等研究成为当前英文文献研究中的研究热点，并在未来几年仍成为研究热点。

4 结论与讨论

基于中国知网（CNKI）文献数据库和Web of Science核心合集数据库进行了城市绿地进化模拟研究文献的计量分析，中英文文献研究的共性和差异性具体体现在：

（1）中英文文献研究的共性体现在对生态环境问题的重视，研究尺度的聚焦以及研究应用方面。现有研究多依托城市增长、城市扩张，关注城市气候、城市热岛等问题，对城市内部复杂用地间的转化关系以及城市绿地的功能提升关注较少，研究尺度以大都市区或超大城市为主，对中小城市的关注较少。

（2）中英文文献研究的差异性体现在，中文文献的空间特征演变侧重空间特征挖掘的方法论总结与应用，土地利用变化的研究侧重元胞自动机及其改进模型等技术路径的探讨，而城市热岛的相关研究则侧重城市绿地的降温效应研究及优化策略的探索，城市绿地进化的驱动机制分析也是研究热点之一。英文文献的绿地空间进化特征的研究强调了与城市增长、土地利用变化之间的关系，城市绿地效能的研究涉及气候变化、生物多样性、生态系统服务、功能的多元化等方面，气候变化的研究尺度更为宏观，研究侧重气候变化的应对，居民福祉的研究则多与环境正义、体力活动、公共健康等相联系。

未来城市绿地进化模拟研究可以从以下方面继续深化。

（1）结合本学科学术热点，作为城市内部复杂用地演化模拟驱动因素和约束条件设置的重要参照。国土空间规划“生态空间优化”目标导向下，以城市绿地生态廊道功能和布局优化[55]为介入点，设置用地模拟的空间约束条件和引导条件，是未来城市绿地进化模拟的重要研究方向；“碳中和”目标导引下，城市绿地直接增汇和间接减排的效能是促进碳中和实现的重要途经[56]。从碳汇和减排角度出发，指导城市绿地空间布局的合理优化，以作为未来城市绿地进化模拟的重要条件；城市绿地是缓解城市热岛效应，调节城市气候的重要用地类型，以城市绿地的“生态—社会”功能完善和热岛缓解为目标下的城市绿地布局优化，也可以作为未来用地模拟的重要参考[5]。

（2）梳理城市绿地进化模拟中用地重分类的相关标准，明晰城市绿地在用地层面或空间规划层面的对接依据。现行的三大用地分类体系侧重点不同，《土地利用现状分类》（GB/T21010-2017）的城乡用地覆盖全面，但不适用于精细化管理，《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011）和《城市绿地分类标准》（CJJ/T85-2017），前者在于协调各城市用地类型之间的关系，后者强调城市绿地本身的分类及空间协调，但两者对于城市建设用地范围外的用地分类，空间定位相对模糊。未来研究应协调三种用地分类体系之间的关系，以作为未来城市用地模拟中用地重分类的参考。