洛阳市区绿色基础设施景观格局时空特征研究

摘 要：探究洛阳市区绿色基础设施（GI）景观格局时空特征，为改善城市生态环境及实现城市可持续发展提供参考。基于形态学空间格局分析法（MSPA）和景观格局指数法，分析洛阳市区GI景观格局时空变化。结果表明：①2001—2021年，洛阳市区的林地面积和水域面积总体呈现增加趋势，草地面积则呈逐渐减小的趋势。②GI总面积呈增加趋势，核心区占总面积的比例最大，其次是边缘、分支和孤岛。③GI斑块数量呈先增加后减少的变化趋势，优势斑块面积呈先缩小后扩大的趋势，斑块聚合度表现为先降低后上升，斑块多样性指数则表现为先上升后下降。整体来看，研究区从2001年到2021年的GI网络经历了破碎化的过程，但破碎化趋势有所减缓，未来应合理构建及优化GI网络，助推城市生态文明建设。

关键词：绿色基础设施；形态学空间格局分析；景观格局指数；洛阳市

中图分类号：TU985    文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）23-104-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.23.022

0 引言

近年来，快速的城市化进程使得极端气候、环境污染、城市内涝等问题不断涌现，能够在改善空气质量、缓解高温风险［1］、保护生物多样性、创建宜居城市［2］等方面发挥有效功能的绿色基础设施引起了众多关注［3］。1999年，绿色基础设施（Green Infrastructure，GI）的概念由美国保护基金会和美国农业部森林管理局组织成立的“GI工作小组”正式提出。GI作为国家的自然生命支持系统，是一个由森林、水域、自然保护区、公园和野生动物栖息地，以及维持自然生态过程和保护自然资源、提高生活环境的开敞空间组成的相互连接的网络［4］。绿色基础设施概念最早由张秋明［5］于2004年引入国内，我国早期相关研究集中在GI概念、功能及其理论体系与构建途径等方面［6］。随着GI研究的逐渐深入，曹畅等［7］、谢于松等［8］对城市GI网络现状进行评估；于亚平等［9］、谢于松等［10］等运用形态学空间格局分析（MSPA）、景观连通性指数、景观格局指数等方法分析城市GI景观格局变化；何侃等［11］、费文君等［12］、汪勇政等［13］通过重力模型、最小累积阻力模型、电路理论等方法构建GI网络；周盼等［14］、魏新星等［15］探究城市更新与绿色基础设施之间的关系，提出有助于城市更新的方案；应君等［16］、王龙欢等［17］探究气候变化对绿色基础设施的作用及影响。

目前，针对洛阳市绿色基础设施的研究主要涉及市域尺度［18］，而对市区尺度下的绿色基础设施景观格局变化特征有待进一步深入研究。本研究以土地利用数据为基础，采用形态学空间格局分析法和景观格局指数法对洛阳市区2001—2021年绿色基础设施景观格局变化进行分析，为实现洛阳市区GI空间合理配置、GI网络格局构建及优化提供参考，为营造宜居城市及生态环境可持续发展提供新的思路。

1 研究区概况

洛阳市位于河南省西部，横跨黄河中下游南北两岸，地处东经112°16′～112°37′，北纬34°32′～34°45′，地势呈西高东低的格局，该区域山川丘陵交错，地形复杂，属暖温带大陆性季风气候，年均气温为14.7 ℃，年平均降水量为690.00 mm。研究范围为洛阳市区，包括涧西区、西工区、老城区、瀍河回族区、洛龙区、偃师区（原偃师市）、孟津区等7个市辖区，总面积约为2 282.62 km2。该区域被北侧邙山、西侧周山、南侧龙门山和万安山所环抱，伊河、洛河、涧河、瀍河贯流其间。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

研究数据主要包括研究区行政区划数据和Landsat遥感影像数据，行政区划数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（www.webmap.cn）；Landsat遥感影像数据和DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），选择间隔10 a的3期（2001年、2011年、2021年）数据进行监督分类获取研究数据。

运用ENVI5.6软件对Landsat遥感影像数据进行辐射定标、大气校正、镶嵌裁剪等预处理操作，采用最大似然法对Landsat遥感影像数据进行监督分类，将遥感影像分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地等6种类型，最后得到空间分辨率为30 m的土地利用数据。

2.2 研究方法

2.2.1 形态学空间格局分析

形态学空间格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）是基于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，将前景数据分为互不重叠的核心区、孤岛、穿孔、边缘、连接桥、环以及分支等7种GI要素［19］。基于ArcGIS10.8软件中的重分类工具，将研究区土地利用数据划分为前景和后景，其中林地、草地、水域等GI用地赋值为2，为前景；耕地、建设用地、未利用地等非GI用地赋值为1，为背景。然后导出栅格单元大小为30 m×30 m的研究区土地利用二值栅格图。在Guidos Toolbox3.1软件中采用八邻域分析法，对土地利用二值栅格数据进行处理，得到研究区形态学空间格局分析图。

2.2.2 景观格局指数分析

选取斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、景观形态指数（LSI）、结合度指数（COHESION）、聚集度指数（AI）、Shannon's均匀度指数（SHEI）、Shannon's多样性指数（SHDI）等8个指标分析研究区GI景观格局变化。运用FRAGSTATS4.2软件，采用MCGARIGAL等［20］研究方法，计算各景观指数，并分析其生态学意义。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型变化分析

基于洛阳市区2001—2021年土地利用数据，叠加分析得出2001—2011年和2011—2021年的土地利用转移矩阵，见表1。如表1所示，2001—2011年土地利用类型中转出面积最大的是耕地，共转出554.15 km2，主要转化为建设用地和林地。耕地转化为建设用地的面积占耕地总转出面积的51.54%，草地转化为耕地的面积占草地总转出面积的56.31%。林地、水域、建设用地面积均呈现出增加趋势，由耕地转入的部分分别占林地、水域、建设用地总转入面积的81.87%、84.55%、90.59%。2011—2021年，耕地仍为转出面积最大的土地利用类型，共转出325.42 km2，其中43.88%转化为林地，42.50%转化为建设用地。草地面积仍呈减少趋势，主要转化为耕地，占草地总转出面积的56.05%。林地、水域、建设用地面积仍呈现出增加趋势，由耕地转入的部分分别占林地、建设用地、水域总转入面积的82.51%、75.91%、40.00%。

3.2 GI要素形态学空间格局分析

3.2.1 GI空间变化特征

如图1所示，2001—2021年，GI要素类型中的核心区主要分布在研究区北部和南部边缘山地区域，其中孟津区和偃师区的核心区分布较广，边缘、分支、孤岛等广泛分布在整个研究区范围内。研究区西北部和东南部的边缘区域地势较高，林地面积占比较大，核心区在该区域分布较为密集。研究区中部和西南部地区以平原为主，耕地及建设用地面积占比较大，绿色斑块面积较小，易形成孤岛和连接桥等景观类型。近年来，随着洛阳市对洛河流域和伊河流域开发力度的不断加大，滨河绿道、公园等相继建设完工并投入使用，使得核心区面积逐渐增加。

3.2.2 GI时间变化特征

如表2所示，洛阳市区2001—2011年GI总面积在研究区中的占比从12.20%增加到19.64%。在GI各要素类型中，核心区面积在GI总面积中的占比从68.22%减少到52.49%，边缘面积在GI总面积中的占比从17.15%增加到26.87%，而核心和边缘面积均呈增加趋势。核心和边缘的主要转入来源为背景区，且部分核心区和边缘区相互转化。分支、孤岛、穿孔、环和连接桥面积均有所增加，主要转入来源为核心区和背景区。2001—2011年，核心区面积的增长量明显小于GI总面积的增长量，新增的GI斑块在空间布局上呈现出较为分散的状态，未能形成面积较大的核心斑块，甚至部分原本完整连续的GI区域被分割成众多小型斑块，使得分支、孤岛等GI要素的面积增加，整体景观格局呈现破碎化趋势。

2011—2021年，洛阳市区GI总面积及各要素占比整体呈增加趋势。其中核心区面积在GI总面积中的占比从52.49%增加到56.63%。核心区主要转入或转出来源均为背景区和边缘区，其中转出面积小于转入面积，核心区面积增加。边缘面积占比从26.87%减少到25.92%，穿孔和环面积增加，分支、连接桥、孤岛面积有所减少。2011—2021年，核心区面积的增长幅度超过GI总面积的增长幅度，部分边缘、连接桥、孤岛等GI要素发生转变，逐渐聚集并扩展成为大面积的斑块，进而促进了核心区的形成，增加了核心区域的连通性。

3.3 景观格局指数分析

如表3所示，相较于2001年GI景观格局各指数，除景观形态指数（LSI）外，其余各指数的发展趋势均在2011年发生逆转，斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、Shannon′s多样性指数（SHDI）和Shannon′s均匀度指数（SHEI）均在2011年减小，而最大斑块指数（LPI）、结合度指数（COHESION）和聚集度指数（AI）均在2011年增大。2001—2021年，PD由2001年的3.006 0增至2011年的7.339 0，到2021年又减少到6.760 9；LSI在2001—2021年呈增加趋势；SHDI和SHEI在2001—2011年呈增加趋势，在2011—2021年则呈减少趋势；LPI、COHESION和AI在2001—2011年呈减小趋势，在2011—2021年则呈增加趋势。由此可见，洛阳市区2001—2011年GI景观格局各指数变化幅度较大，主要由于这一时期洛阳市区道路建设等一系列人为活动的干扰较大，对研究区GI景观格局造成显著影响，GI景观破碎化程度高。2011—2021年各指数变化幅度明显减小且部分指数有所回升，表明研究区公园、街道等绿地建设已初见成效，GI斑块连通性得到改善，GI景观破碎化趋势有所减缓。

4 结论

利用形态学空间格局分析法（MSPA）和景观格局指数分析法，对洛阳市区2001—2021年绿色基础设施时空格局变化进行分析，结果表明：①2001—2021年，洛阳市区的GI用地总面积呈增加趋势，共增加了191.80 km2。其中林地、水域面积均呈增加趋势，分别增加了188.92 km2和39.05 km2；草地面积则呈持续减少趋势，共减少了36.17 km2。②2001—2021年，洛阳市区GI总面积呈现出由“急剧增加”向“缓慢增加”过渡的变化趋势，GI总面积在研究区中的占比同样呈增长趋势，共增加了191.80 km2。在GI各要素中核心区面积占比最大，主要分布在研究区的北部和南部地区，其次为边缘、分支和孤岛。③从景观格局指数看，洛阳市区2001—2021年斑块数量呈先增加后减少的趋势，优势斑块主导性表现出先减弱后增强的特征，斑块多样性和均匀性则呈先增强后减弱的趋势。这一系列变化表明洛阳市区GI网络在2001—2021年期间经历了破碎化的过程，但在具体政策措施的实施下，其破碎化趋势有所减缓。

参考文献：

［1］任雨菲，杨镜立，吴雪飞.从需求识别到模拟验证：城市街区绿色基础设施对温度的精准调控［J］.中国园林，2022，38（11）：106-111.