耦合 MSPA-CRITIC-ML-SHAP 的城市灰绿空间
污染-热-湿复合暴露调控机制研究

刘安琪、赵婷、高明星 地球信息科学学报 · 2026 · 28(6): 1850-1869 DOI: 10.12082/dqxxkx.2026.260053 案例区:呼和浩特市

本文面向全球城市化与生态危机并行背景下的复合环境暴露问题,构建集成 MSPA、CRITIC、机器学习与 SHAP 的量化分析框架,系统解析城市灰绿空间对污染、热、湿复合暴露的非线性调控机制。研究以扩张型资源城市呼和浩特为案例,基于 2010 年与 2020 年土地利用、PM2.5、地表温度和相对湿度数据,揭示不同发展阶段、灰绿空间结构与季节气候共同作用下的复合暴露演变规律。

城市灰绿空间 污染-热-湿复合暴露 MSPA CRITIC RF-SHAP 发展阶段转型
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01 · 研究背景与问题

城市复合暴露不是单一环境因子的线性叠加

PM2.5、地表温度与相对湿度在城市空间中具有协同暴露特征,对居民健康形成复合压力。灰色空间和绿色空间共同影响污染扩散、热量蓄积、水汽调节和生态缓冲,但传统方法往往依赖同质化指标与线性假设,难以解释复合暴露的非线性阈值与交互机制。

复合暴露

污染、热、湿共同构成健康压力

PM2.5 损伤呼吸系统,地表温度影响热风险,相对湿度改变污染扩散与人体舒适度,三者需要综合评估。

灰绿耦合

建成环境与生态空间协同调控

灰色空间影响排放、蓄热与通风,绿色空间影响降温、滞尘与水汽调节,单独分析任一空间类型都不充分。

阶段差异

城市发展阶段塑造调控机制

呼和浩特 2010—2020 年经历扩张型发展,建成区扩张、工业用地变化与生态建设共同重塑复合暴露格局。


02 · 方法框架

MSPA-CRITIC-RF-SHAP:从空间量化到机制解释

研究形成“多源数据预处理—PLREI 指数构建—灰绿空间指标提取—机器学习模型筛选—SHAP 归因解释—三维交互分析”的完整技术路线。

M1
污染-热-湿复合暴露指数 PLREI 构建

将 PM2.5、日间地表温度 LST 与相对湿度 RH 按春、夏、秋、冬聚合到 3 km 网格,采用 CRITIC 客观赋权法计算各季节综合暴露指数。

PM2.5LSTRHCRITICPLREI
M2
灰绿空间多维量化指标体系

基于 GlobeLand30 土地利用数据识别灰色空间与绿色空间,融合 Fragstats 景观格局指数与 MSPA,构建覆盖规模、复杂性、连通性与结构完整性的综合指标体系。

BCI/GCIBFC/GFCBAC/GACBMSF/GMSF
M3
机器学习模型筛选与 RF-SHAP 机制解析

比较多种机器学习模型后,随机森林在 8 个年份—季节场景中表现出较好稳定性与泛化能力,进一步采用 SHAP 识别变量贡献、非线性轨迹、阈值效应和交互关系。

Random ForestRMSESHAP

复合暴露指数

PLREI = w1 × PM2.5
      + w2 × LST
      + w3 × RH

Weights from CRITIC:
contrast intensity
+ intercriteria conflict

CRITIC 通过指标标准差和相关冲突性确定客观权重,减少主观赋权偏差。

三维交互框架

Development Stage
× Gray-Green Space
× Seasonal Climate

2010 / 2020
× 8 spatial indicators
× spring / summer / autumn / winter

该框架用于揭示城市发展阶段转型背景下灰绿空间调控机制的结构性演变。


03 · 关键结果

复合暴露演变由灰绿空间耦合模式决定

研究表明,呼和浩特市 2010—2020 年 PLREI 呈现明显的阶段转型特征:调控机制由“季节波动、灰色主导、绿色形态调控”转向“灰绿协同、三元稳定、建筑形态主导”。

2010
早期扩张阶段
增量扩张主导
2020
转型阶段
增量与提质并重
3 km
分析网格
环境数据统一尺度
8
综合指标
灰绿空间多维表征
主要发现一:建筑覆盖强度存在 S 型阈值效应
  • 建筑覆盖强度 BCI 对 PLREI 呈“先急剧上升、后趋稳”的非线性轨迹。
  • 阈值点由 2010 年的 0.5—1.0 个标准差前移至 2020 年的 0.3—0.6 个标准差。
  • 这说明城市发展阶段转型增强了建成区对覆盖强度变化的敏感性。
主要发现二:绿色空间调控效能发生年际质变
  • 夏季绿色空间影响由 2010 年“先正向后负向”转为 2020 年稳定负向调控。
  • 冬季由弱正向转为稳定负向,显示生态配套建设部分弥补植被休眠期功能不足。
  • 绿色空间的污染缓冲、热湿调节和生态支撑功能逐步增强。
主要发现三:灰色指标协同推升效应增强
  • 2010 年灰色空间协同效应主要在春季偶发出现。
  • 2020 年建筑覆盖强度 BCI 与建筑形态结构 BMSF 的协同推升效应扩展至四季。
  • 交互强度由 0.02—0.10 提升至 0.05—0.20,建成环境叠加效应更加突出。
主要发现四:核心驱动格局转为三元稳定结构
  • 2010 年以建筑覆盖强度 BCI 为核心,表现为单一建筑增量扩张主导。
  • 2020 年 BCI、GCI 与 BMSF 形成“规模—生态—形态”三元驱动格局。
  • 说明复合暴露治理不能只看单一要素,而应关注灰绿空间耦合模式。

04 · 结论与规划启示

复合暴露治理的本质是灰绿空间耦合模式与发展阶段的动态适配

本文构建的 MSPA-CRITIC-ML-SHAP 集成方法突破了传统单要素与线性假设的局限,为识别城市生态系统中的非线性响应、阈值效应和交互机制提供了可拓展工具。

从单因素干预转向系统治理

污染-热-湿复合暴露不是单一污染或单一热环境问题,应通过灰绿空间结构协同优化进行系统性治理。

扩张型城市需强化增量空间绿色融合

新建区域应强化绿地网络连通性、生态缓冲带和冷源地衔接,避免建筑覆盖和形态复杂性叠加推升暴露。

季节性短板需要精准补强

冬季采暖、干燥扬尘和逆温静稳会推高 PLREI,应结合绿地连通、存量更新和实时环境监测进行差异化治理。