基于时空演变分析的武汉市城市蓝绿系统空间格局及其与城市发展的协同关系研究

杨柳琪 周 燕罗佳梦 郭诗怡

（武汉大学城市设计学院，武汉 430061）

在全球气候变化与快速城市化的背景下，城市发展面临着更为严峻的挑战[1]，为解决经济发展与生态环境之间的紧张关系，城市规划者们开始从政策法规、公共基础设施、生态基础设施等角度思考应对生态问题、提升生活质量、促进经济发展的综合方案[2-4]。厘清城市生态空间与经济社会因素之间的相关性与动态规律逐渐成为该领域学者们的关注重点。

基于系统动态特征的协同发展评估模型能够兼顾多个子系统与时空变化特性的分析，自物理学家赫尔曼·哈肯[5]提出以来，已在经济和社会科学领域以及对城市的自组织研究中得到广泛应用[6-7]。如YU H等[8]对“矿产资源—环境—经济”复合系统进行协同评价，在确定描述系统的重要要素和指标的基础上，对系统的开发和协同有效度进行了计算；ZHANG T等[9]利用层次分析法及协同发展评估模型，确定水、能源和粮食子系统之间的协同关系；SUN C Z等[10]利用协同学相关理论，构建人海关系地域系统协同演化模型，分析各地区人海关系协同发展情况；QIAO J Y等[11]通过构建城市河流系统的“环境—社会—经济效益”复合系统评价指标体系，建立了序贯协同度模型，实现了协同度评价。基于协同发展评估模型测度协同度，进而分析多个系统间关系的方法框架已较为成熟[12]。

蓝绿空间作为城市的重要组成部分，在维持城市景观生态系统运行、保障和提高城市居民生活质量中发挥着关键作用[13-15]，以蓝绿系统为空间基础结构统筹城市生态、经济、社会等多目标的发展策略已得到广泛认可。当前，蓝绿系统的微气候调节[16]、雨洪调蓄[17]、心理健康的促进[18]等生态功能已得到广泛研究，却鲜少有学者将其放入城市发展的大背景中进行研究。已有研究表明，社会、政治要素对于蓝绿基础设施（Blue-Green Infrastructure，BGI）的进一步发展和可持续的城市洪水风险管理等至关重要[19]，Andrew等[20]强调蓝绿基础设施与社会环境利益之间的协调关系；Svetlana Stevovic等[21]提出厘清城市发展多目标之间关系是当务之急。有少量研究已开始关注城市蓝绿基础设施绩效发挥与城市系统中其他要素的相关性，如钟嘉伟等[22]从定性分析的角度探讨了城市发展与湿地生态修复间的协同关系；WANG H Y等[23]通过特定年份遥感影像的定量解译分析了城市蓝绿空间面积比例指数分布特征与城市经济和社会因素分布的相关性。

基于此，研究以武汉都市发展区为例，基于多时段城市遥感影像与社会经济统计数据，引入协同发展模型评估，量化了1996 - 2018年间武汉市蓝绿空间时空演变及其与城市经济、社会因素三者间协同关系的变化特征，拓展了协同发展模型应用范围以及城市蓝绿空间的研究范畴，以期为当前需要同时关注城市经济发展与生态环境的国土空间规划工作提供研究依据。

1 研究区域与数据

以《武汉市城市总体规划（2010 - 2020年）》划定的都市发展区为研究范围，这一区域由主城区与新城区共同构成，是武汉城市功能的主要聚集区和城市空间的重点拓展区，拥有丰富的蓝绿资源[24-25]，也是近40年来武汉市的城市经济、社会活动最为活跃的区[26]（图1）。

从武汉市统计年鉴中收集社会经济统计数据[27]（表1），并从中国科学院及美国地质调查局（USGS）网站收集来自Landsat卫星的遥感影像进行分析。基于数据可获取性及武汉市城市发展形式，选择1996 - 2018年作为研究的时间范围，在此期间内，随着城市社会、经济建设的不断加快，城市问题的逐渐突出与生态环境保护的重视程度不断加强，城市经济、社会建设取得显著成效的同时，蓝绿空间结构形态的时空变化明显，便于量化和分析其空间特征的演变规律并得出结论。同时从武汉市城市总体规划（1996年）首次提出将武汉基本建设成为富有滨水城市特色的山水园林生态城市这一目标开始，到《武汉市城市建设绿色发展实施方案（2018 - 2020年）》中详细制定的城市蓝绿空间建设具体要求，城市的蓝绿空间形态结构产生了较大的变化，复合系统之间协同发展的相关性初步体现，能更好地反映研究结果。

表1 社会经济统计数据Tab. 1 Socio-economic statistics

在此基础上充分考虑采集时间、覆盖范围、云量以及分辨率等因素后，研究以4～5年为步长，采集6个年度的遥感影像数据，如表2所示。

表2 遥感影像数据Tab. 2 Remote sensing image data

2 分析方法与框架

2.1 量化蓝绿空间景观格局

景观指数的重要作用在于其能用来描述景观格局，进而建立景观结构与过程或现象的联系，更好地解释与理解景观功能[28]。在对景观进行空间分析，形成了许多描述景观格局及其变化的景观指数[5,8,12]。为刻画蓝绿空间时空变化特征，研究从平面和垂直两个维度提取了空间属性量化指标。参考大多数研究者分析空间演变特征的量化指标，平面空间属性的选择主要依据景观安全格局理论，选取总面积（TA）、斑块数量（NP）、形态指数（LSI）、边界密度（ED）、蔓延度（CONTAG）、聚集度（AI）、Shannon均匀度指数（SHEI）和斑块密度（PD）等8个指标；垂直或立面空间属性选取了暴雨淹没体积，该指标能较好地反演坡度、高程等竖向空间特征的变化结果。

2.2 构建协同发展评估模型

综合考虑子系统功能、影响和特点，结合参考文献中衡量城市经济社会发展情况的指标选取[29-31]，以系统性与层次性、科学性与简明性、共性和特性、可操作性与易获性为基本原则，以衡量城市中经济、社会、蓝绿空间三个子系统的指标为基础构建了城市复合系统协同发展评估指标体系（表3）。

表3 “经济—社会—蓝绿空间”复合系统协调度评价指标体系及权重Tab. 3 Evaluation index system and weight of coordination degree of “economic-social-bluegreen space” complex system

目前关于权重的计算方法众多，主要有层次分析法、德尔菲法、标准离差法、熵值法等，熵值法通过指标传递给决策者的信息量来确定权重，这可以更深刻地反映指标熵的效用[32]，研究采用熵值法计算各指标权重。体系中的指标分为正效应指标和负效应指标，对于正效应指标，即指标数值越大越好时，计算见公式（1）。对于负效应指标，即越小越好时，计算见公式（2）。

2.3 模型计算

协同理论将研究对象视为一个由多个子系统构成的复合系统，各个子系统之间相互影响，形成整体效应，共同带动复合系统的发展变化[33]。本研究的对象为由经济子系统、社会子系统、蓝绿空间子系统组成的复合系统，通过协同发展评估模型计算可以求得研究时序范围内武汉市“经济—社会—蓝绿空间”这一复合系统的协同发展情况，了解发展质量与子系统间的相互关系。基于协同发展理论、系统理论构建的协同发展评估模型见公式（3）。

式中，D为系统协同度； 为A、B和C三个子系统间的协同度； 为系统综合评价值。其中，0＜D＜1，协同度D越接近1，系统间协同度越高，反之亦然。

根据协同度的分类体系[12]，本研究中“经济—社会—蓝绿空间”复合系统协同发展类型分类体系按照评估分数D值将协调发展程度由低到高分为10个等级（表4）。

表4 协同发展等级及划分标准Table. 4 Synergetic development levels and classification standards

3 结果与分析

3.1 蓝绿空间形态结构时空变化

通过对武汉市都市发展区1996、2000、2005、2009、2014、2018这6个时间段的高精度遥感卫星图进行识别矫正，可以得到武汉市相应年份蓝绿分布的空间数据（图2、3）。再利用GIS、Fragstats软件对平立面属性进行识别计算，得到武汉市蓝绿空间平立面属性变化表（表5）。

从表5可知，在整个研究时序区间内，TA、NP、LSI、ED、SHEI和PD这6项 指 标 在1996-2018年中呈现逐年下降的趋势。SHEI、CONTAG和AI这三项指标的变化则共同反映着景观水平上的景观格局变化，其中SHEI逐年下降而其他两项指标逐年上升。

表5 武汉市蓝绿系统空间属性变化表Tab. 5 Spatial attribute change table of Wuhan blue-green system

基于DEM测算的暴雨淹没体积是城市蓝绿空间竖向变化情况的指示性指标，1996 - 2018年间，蓝绿系统的暴雨淹没体积呈逐年下降趋势，显示出武汉市蓝绿系统蓄洪排涝能力的下降。

3.2 武汉市“经济—社会—蓝绿空间”复合系统协调度时空演变

通过协同发展评估模型计算可得1996 - 2018年武汉市“经济—社会—蓝绿空间”复合系统的协调度。从表6中可以看出，协同度在研究时序区间内呈现逐步上升的趋势，复合系统一直朝着协调的方向发展，从1996年极度失调的协调水平逐步提升，发展到2018年勉强协调的水平，但并未达到协同发展程度较高的状态。

表6 武汉市1996 - 2018年“经济—社会—蓝绿空间”复合系统协调度Tab. 6 Coordination degree of "economic-social-blue-green space" complex system in Wuhan from 1996 to 2018

4 讨论

有诸多研究批判当前城市发展模式存在的悖论（paradox）：即改善生活条件的行动反而造成了危害城市居民健康和生活的负面影响[21]，主要体现在高水平的城市区域建设与城市生态环境维护的背道而驰。从整体研究结果来看，1996 - 2018年间，武汉市蓝绿空间的面积持续减小，破碎度也在持续减小，“经济—社会—蓝绿空间”复合系统的协同度是一直在上升的，即蓝绿空间与经济社会子系统之间随着城市的发展协同情况持续好转。梳理武汉市的城市发展历程可以发现，这一趋势与武汉市城市经济发展及生态文明建设历程基本相符（图4），随着经济社会的不断进步，政府及居民的生态环境保护意识也不断增强，相关法律法规陆续出台，复合系统的协调情况也在持续好转。这表明，蓝绿空间面积的减小并不标志着其受到城市发展的侵害，生态保护与经济建设也并不总是背道而驰的关系，共同发展反而有助于整个城市复合系统达到协同的状态。

进一步对研究时序进行划分并分析，在武汉市蓝绿空间建设历程的第一阶段，即1996 - 2000年中，城市经济和社会子系统效益提升，但二者的上升速率还相对较低，蓝绿空间子系统效益始终为负值，发展水平低下，复合系统的协同发展程度由极度失调状态提升至严重失调状态，表明在这一城市发展水平逐渐提高的阶段下，民众生态保护的意识却较为薄弱，蓝绿空间受破坏现象突出，政府虽提出了山水园林生态城市建设等目标，但未有效落实，经济社会的发展对蓝绿空间起负面作用。而在第二阶段，即2000 - 2010年中，城市经济和社会子系统效益提升幅度增大，蓝绿空间子系统效益先下降后上升，当时正值房地产开发浪潮，城市建设与环境保护之间矛盾越发尖锐的同时，武汉市政府于2002年进一步完善了城市绿地系统与城市湖泊水体的相关概念，制定了更为清晰、细致的管控措施，蓝绿空间子系统的综合效益下降的趋势得以逐渐遏制并有所回升；2009年左右，国家开始对房地产产业进行调控，由刺激转为遏制，城市扩张速率开始逐步减缓，这一趋势也对蓝绿空间保护政策的实施、蓝绿空间子系统效益提升起到了积极作用。总体而言，随着城市扩张速率的趋缓、蓝绿空间保护政策的落实和环境保护意识的加强，“经济—社会—蓝绿空间”复合系统的协同发展程度呈现出逐步提升的趋势，经济社会发展对蓝绿空间的负面影响有所减弱。而在2010 - 2018年的第三阶段，城市经济社会子系统效益及蓝绿空间子系统效益均进一步提升，增量发展转存量发展的趋势成为主流，城市蓝绿空间的相关政策进一步完善，更加重视蓝绿空间景观格局上的优化，以保证最大限度地发挥蓝绿空间在城市环境保护、优化居民生活方面的作用，加之监管系统的进一步完善保证了各项保护、优化措施的落实，城市发展对蓝绿空间造成的负面影响逐步减轻，并最终在2018年达到了复合系统勉强协调的程度，这表明武汉市蓝绿系统相关政策的发展、优化方向是正确的，在发展过程中确实起到了明显的积极作用，但仍有很大的提升空间。

城市系统是一个“自然—社会—经济”复合系统，但三者间却并不是简单的叠加关系，研究蓝绿空间形态结构演变过程发现，SHEI值的上升、CONTAG值和AI值的下降反映出武汉市蓝绿空间的整体格局中大斑块的影响力逐步提升，但景观中各个类型的斑块分布越来越不均匀，同时蓝绿系统的蓄洪排涝能力也持续下降，即尽管符合系统的整体协同度呈现上升趋势，蓝绿空间的建设发展仍存在一定问题和改进空间。研究城市发展变化需要充分认识和承认城市系统的整体性和复杂性，强调系统内部存在的相互作用和联系，利用协同学关注复杂系统内部各子系统之间的竞争，以及由于竞争所达到的协同状态的学科特性，帮助城市规划者认识城市子系统的演化过程及相互作用机制，并针对性地提出相应政策来促进系统的发展。

5 结论

了解城市蓝绿空间与经济、社会子系统之间的协同关系，不仅可以揭示城市蓝绿空间在城市化进程中与城市其他要素演变过程的复杂关系，同时更有利于对城市蓝绿空间进行科学、有效的规划，引导其发展方向。本文以武汉市的蓝绿空间为研究对象，对武汉市1996 - 2018年的蓝绿空间形态结构进行了量化，分析其时空变化特征，并进一步聚焦分析蓝绿系统与城市系统中其他子系统之间的协同关系，通过引入协同学理论，构建协同发展评估模型对城市“经济—社会—蓝绿空间”复合系统的协同度进行了测算，厘清了武汉市蓝绿空间、经济、社会三个子系统的协同关系的演变特征，发现“经济—社会—蓝绿空间”复合系统的协调度与武汉市生态保护政策的提出与规划的落实息息相关。

基于武汉市“经济—社会—蓝绿空间”复合系统及各子系统综合发展水平的变化情况，为提高武汉市蓝绿空间的综合发展、保护武汉市的蓝绿资源、促进复合系统的协同发展，实现可持续的发展目标，对武汉市蓝绿空间建设提出如下建议：

（1）对蓝绿空间的保护不仅需要关注面积指标的变化，更要重视蓝绿空间的景观格局。城市的建设容易对用地造成分隔，导致蓝绿空间失去其自然形态特征，蓝绿斑块之间联系性减弱，但在这一过程中蓝绿空间的面积变化并不明显，因此在未来的城市规划与政策中不能一味关注面积、绿地率等常规性指标，应更重视蓝绿空间景观格局的优化，同时应充分发挥蓝绿空间的雨洪调蓄能力。现有的城市政策虽然点明了蓝绿空间在雨洪调蓄方面的作用，但还缺乏更加具体的措施，海绵城市规划尚未形成完整体系并得到推广。

（2）应当保持现阶段蓝绿空间建设的规划、政策导向，制定更多尺度、多层次的建设措施并保障实施效率。蓝绿空间从早期以宏观目标为主逐渐发展得更科学、更精细化，这一趋势确实引导了蓝绿空间综合效益的提升，这一点在“经济—社会—蓝绿空间”复合系统协同发展程度的提升中也得到印证。而为了进一步促进城市的可持续发展，且在国土空间规划背景下加强蓝绿空间的建设和引导，在继续保持这一政策趋势的基础上，对蓝绿空间的量化与评价需要更多角度及尺度的指标，并形成完整统一的体系，其输出结果应和双评价结果形成衔接，纳入“一张图”的规划体系。

本研究在进行生态系统形态结构时空变化的同时纳入了与城市社会、经济因素协同关系的量化分析，有助于理解武汉市城市蓝绿空间发展规律，同时为武汉市蓝绿空间后续规划以及国土空间规划工作的展开提供一定的理论依据。目前该研究分析框架仍不完善，有望在蓝绿空间形态结构的遥感影像数据、社会经济数据精度方面进一步突破，实现基于地理空间的微观分析，进一步明晰城市蓝绿空间与其他子系统间的协同关系与机制。