城市绿色基础设施(Urban Green Infrastructure, UGI)动态变化的制图、量化及未来预测——以埃塞俄比亚德雷达瓦(Dire Dawa)市为例

《Land Use Policy》：Mapping, quantifying and predicting future urban green infrastructure dynamics: The case study of Dire Dawa, Ethiopia

　　

摘要：城市绿色基础设施(Urban Green Infrastructure, UGI)是应对城市环境、社会及经济问题的基于自然的解决方案(Nature-based Solution, NbS)。本研究对德雷达瓦(Dire Dawa)市的UGI动态进行了制图与量化，并对2055年的未来变化进行了预测。研究人员通过Google Earth Engine(GEE)平台获取并使用了美国地质调查局(USGS)提供的Landsat影像和欧空局(ESA)提供的Sentinel-2影像，采用随机森林(Random Forest, RF)模型对影像进行分类，1995年、2005年、2016年和2025年的Kappa系数分别达97%、88%、89%和90%。为量化并预测UGI动态变化，研究人员运用了元胞自动机-马尔可夫(Cellular Automata-Markov, CA-Markov)模型和多层感知器-人工神经网络(Multi-Layer Perceptron-Artificial Neural Network, MLP-ANN)方法。研究结果显示UGI面积呈显著下降趋势：1995—2005年减少454.96 ha，2005—2016年减少884.22 ha，2016—2025年减少269.40 ha，1995—2025年累计损失达1608.58 ha。在30年期间(1995—2025)，德雷达瓦市的UGI减少了23%，而建成区(Built-up area)增加了31.9%，裸地(Bare land)减少了8.4%。空间上，UGI的破碎化(Fragmentation)在城市北部、南部及中心区域最为明显。研究结果表明，德雷达瓦现有的城市规划、管理及土地政策未能有效遏制UGI流失。因此，分析UGI动态对于指导未来城市规划、管理策略及政策制定，以解决破碎化问题并促进可持续城市发展至关重要。

埃塞俄比亚德雷达瓦市城市绿色基础设施(UGI)动态制图、量化及2055年情景预测研究解读

该研究发表于《Land Use Policy》。城市绿色基础设施(Urban Green Infrastructure, UGI)涵盖公园、林地、绿色屋顶、水系、植被区、农田及社区花园，可提供重要的生态系统服务，改善居民身心健康、调节气候、缓解城市热岛效应及洪涝与污染。然而在全球特别是发展中国家快速城市化进程中，UGI普遍面临严重退化和破碎化(Fragmentation)。非洲城市如加纳库马西、马拉维等地均出现UGI急剧缩减。埃塞俄比亚诸城市（如亚的斯亚贝巴、Wolayta Sodo、Sebeta镇）同样因灰质基础设施扩张及非正式聚落侵占导致UGI大幅萎缩，且多数城市未达世界卫生组织(WHO)人均9 m2 UGI标准。已有埃塞俄比亚相关研究多聚焦时空动态或政策规划挑战，尚未深入探讨UGI动态的空间驱动因子，而作为埃塞俄比亚第二大行政城市的德雷达瓦(Dire Dawa)，此前无任何关于UGI动态及未来预测的研究报道。鉴于该市快速人口增长、高温气候特征及明显的UGI退化现象，开展UGI时空演变分析与未来预测，对当地城市规划、土地政策制定及可持续发展具有重要现实紧迫性与科学价值。

研究人员选取德雷达瓦城市行政区域为研究区，获取1995年与2005年Landsat 5/7影像及2016年与2025年Sentinel-2影像（数据源分别为USGS与ESA），基于Google Earth Engine(GEE)平台进行预处理；采用随机森林(Random Forest, RF)监督分类算法将影像分为UGI、建成区(Built-up area)及裸地(Bare land)三类；利用QGIS软件的MOLUSCE插件进行变化检测；选用CA-Markov模型结合多层感知器-人工神经网络(MLP-ANN)方法模拟并预测UGI景观动态，模拟驱动因子包括数字高程模型(DEM)、距常年河流距离、距季节性干河谷距离、坡度、人口密度、距道路距离及距铁路距离。

Location（研究区）

德雷达瓦市建于1902年，是埃塞俄比亚仅次于亚的斯亚贝巴的第二大直辖市，含9个城市kebele（街区）和38个农村kebele，北和西接奥罗米亚州，南和东邻索马里州，城市呈现快速生长与横向扩张特征。

Image classification（影像分类）

研究人员在GEE平台上经充分训练的RF模型对四期影像分类，Kappa系数分别为1995年97%、2005年88%、2016年89%、2025年90%，证明分类精度可靠，可有效支撑后续变化检测与模拟。

Discussion（讨论）

德雷达瓦市建成区持续扩张，但城市化进程与UGI发展未协同推进。UGI缩减会削弱其缓解城市热岛、削减洪峰及提供休闲空间的功能。研究发现UGI流失最严重的区域位于城市北、南及中心区，反映现有城市规划、管控及土地用途管制政策失效，未能遏制UGI转化为建设用地。讨论指出类似撒哈拉以南非洲其他城市，人口激增、道路与铁路沿线开发压力及制度缺失是导致UGI退化的主因，强调需在规划中纳入UGI保护红线及碎片化修复策略。

Conclusion（结论）

本研究利用Landsat与Sentinel-2影像，借助GIS、遥感技术、GEE平台及CA-Markov模型，对德雷达瓦市UGI面积动态进行了制图、量化及2055年变化预测。通过QGIS MOLUSCE插件的变化检测模块及四个自然与三个人文社会经济驱动因子开展模拟分析。结果显示：1995—2005年UGI减少454.96 ha，2005—2016年减少884.22 ha，2016—2025年减少269.40 ha，1995—2025年总计损失1608.58 ha；30年间UGI下降23%，建成区上升31.9%，裸地下跌8.4%；UGI空间破碎化在城北、城南及市中心最显著。研究表明德雷达瓦现行城市规划、管理与土地政策不足以缓解UGI流失，分析UGI动态对指导未来城市规划、管理策略和政策制定、解决破碎化问题及促进可持续城市发展至关重要。

Software usage（软件使用）

研究人员使用ArcGIS 10.8版、Google Earth Engine网络平台及QGIS进行数据处理与分析。