基于eCognition影像解译的云南会泽县建成区林木树冠覆盖分析

和晓菲,陈 鑫,王梦瑶,苗 雪,樊昌猛,彭建松

(1.西南林业大学 园林园艺学院,昆明 650224；2.西南林业大学 森林城市研究院,昆明 650224)

城市林木是城市中最具有活力的生命基础设施,对改善城市生态环境,提高城市居民的居住体验等具有重要意义。城市化进程的加速,使得城市生态网络遭受破坏,人居环境不断恶化,人们在寻求解决方法的历程中,逐渐发现城市森林对改善生态环境的作用,而树冠覆盖是城市森林结构与功能组成的最基本要素[1],作为我国森林城市建设的重要考核指标[2],林木树冠覆盖率直接反应城市生态系统的质量。对林木树冠覆盖的研究,不仅为我国城市森林的发展现状提供参考资料,而且为我国正在进行的森林城市建设指明方向,对城市生态环境建设具有重大意义。

在较早开始城市森林研究的欧美国家,针对树冠覆盖的研究已经从景观生态学理论步入了更广更深的城市森林价值研究,Ram等[3]针对澳大利亚西部珀斯都市区,采用空间特征模型评估树冠覆盖对房屋价值的影响,认为提高树冠覆盖率直接提高了房地产价格；Thomas等[4]通过遥感数据检测洛杉矶的林木树冠覆盖,认为驱动城市树冠覆盖率变化的气温、降水、树干密度和树种丰富度因素是支持城市生态系统规划的基础。目前,对我国的林木树冠覆盖的研究依旧普遍运用景观生态学理论对林木树冠覆盖特征与景观格局变化等方面进行分析,方法较为单一,研究地集中在北京、上海、广州等较发达城市,缺乏对中小型城市的林木树冠覆盖研究,且研究方向局限于区域分布及绿化格局,缺乏对树冠覆盖斑块构成的深入研究[5-7]。本研究以会泽县建成区林木树冠覆盖为研究对象,分析其空间分布、斑块构成特征及相同地类林木树冠覆盖差异,对会泽县建成区生态建设成效做全面定量分析,探究森林城市建设对城市生态所产生的影响,以期为我国西南地区中小型城市未来的生态建设提供理论依据和实践支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

会泽县位于云南省东北部、曲靖市西北部,处于25°48′～27°04′N,103°03′～103°55′E。地势南高北低,呈阶梯状下降,境内相对高差3 322.30m[8]。该县以山地地貌为主,土壤类型多样,动、植物资源较为丰富。本研究区域为2019年会泽县建成区,为典型的亚热带高原季风气候,年平均气温12.6℃,降水比较充沛,年平均降雨量817.7 mm[9],植被以城市绿地及农业植被为主。

1.2 研究方法

利用曲靖市会泽县2019年7—8月0.5m分辨率航空遥感影像和2019年1∶10万土地利用(Land Use and Land Cover Change,LUCC)图件等基础资料,基于ArcGIS 10.4平台,在影像资料与土地利用图像叠加良好的前提下,依附于1∶10万土地利用(LUCC)城市建成区范围边界,以eCongnition Developer 9.0软件为解译平台,对影像进行多尺度分割处理；采用ArcGIS栅格数据分类提取林木树冠覆盖数据；通过完成建成区内部林木树冠覆盖的目视解译工作,形成林木树冠覆盖矢量格式数据图层(图1)。逐一赋予每个斑块属性代码,导出图层在Excel中统计斑块面积和数量,根据斑块分级标准进行重分类,最后将重分类后的数据在ArcGIS 10.4平台上进行相关统计。

图1 会泽县建成区城市林木树冠覆盖矢量图

1.3 城市林木树冠覆盖分类

城市林木树冠覆盖(Urban Tree Canopy,UTC)指从空中俯视时,树木的叶片、枝条和树干所覆盖的地表区域,一般将其划分为现实城市林木树冠覆盖(Existing Urban Tree Canopy,EUTC)和潜在城市林木树冠覆盖(Possible Urban Tree Canopy,PUTC)。EUTC指的是现状下城市建成区被林木树冠覆盖的土地面积总量,是我们比较不同城市区域生态质量高低的直观指标；PUTC则指的是那些适合种植树木而目前还未实施种植的土地区域,包括城市中能够替换栽植树木的草地、裸地等植被潜在树冠,以及可以具有栽植树木空间的非建筑及道路的硬质不透水地表[10]。对于EUTC而言,基于目前用于林木树冠覆盖信息提取及分辨的高分影像,分辨率一般在0.5～1m之间,此分辨率下难以分开识别乔木及灌木的树冠,因此,在绝大多数的相关研究中,统一将乔木及灌木的树冠覆盖归入现实树冠覆盖之中[11]。本研究使用分辨率为0.5m的航空遥感影像为数据源,不具备分离乔灌树冠的条件,将所有乔木及灌木的树冠覆盖归为EUTC。对于PUTC,鉴于目前还没有一个受到学界和政府相关部门共同认可的潜在林木树冠覆盖分类系统,根据国内外相关研究文献及研究区域概况[12],PUTC为研究区内裸地、荒地和草地。但是,一方面,草坪草地是城市绿地造景中一个主要的造景元素,具有良好的景观效果；另一方面,会泽草山属亚山地草甸[13],具有极高的生态及旅游价值,草地是当地旅游宣传的重点之一,将其纳入PUTC区域并不合适。因此,本研究的PUTC将由研究区内裸地及荒地构成。相关计算公式如式(1)—式(2)所示。

(1)

式中:EUTCR表示研究区现实城市林木树冠覆盖率,EUTC表示研究区内现实城市林木树冠覆盖的面积,A表示研究区总面积,EUTCR值越大,表明研究区域内城市森林面积占比越大,也意味着该区域内的生态服务功能也更强。

(2)

式中:PUTCR表示研究区潜在城市林木树冠覆盖率,PUTC表示研究区内潜在城市林木树冠覆盖的面积,A表示研究区总面积。PUTCR值越大,表明区域内今后可开发的树冠覆盖面积越大。

1.4 现实城市林木树冠覆盖斑块分级

结合会泽县建成区内的EUTC斑块特点和斑块面积现状,以姚佳等[11]对EUTC斑块等级划分方法为参考依据,对斑块进行规模等级划分(表1)。

表1 现实城市林木树冠覆盖斑块规模分级

鉴于目前国内外对于PUTC斑块没有单独的分级标准,本研究参照Wu等[14]在研究安徽省合肥市城市森林结构时所提出的PUTC斑块分级标准,进行规模等级划分(表2)。

表2 潜在城市林木树冠覆盖斑块规模分级

1.5 土地利用类型分类

结合会泽县建成区内林木树冠覆盖及其他用地提取的不同土地覆盖类型栅格数据,将研究区域分为水体、农用地、裸土地、树冠覆盖及不透水面,研究区内所有硬质铺装及建筑区域都归于不透水面(表3)。

表3 土地覆盖类型分类

2 结果与分析

2.1 城市林木树冠覆盖(UTC)总体分析

通过对会泽县建成区EUTC进行提取与统计(图2),结果显示:研究区域面积为1 550hm2,EUTC面积为275.55hm2,EUTCR为17.78%。PUTC面积为139.16hm2,PUTCR为8.98%。EUTC主要由行道树UTC及其他UTC构成,行道树UTC面积占EUTC总面积的16.35%(表4)。EUTC斑块中小斑块和中斑块数量占据绝对优势,各类面积斑块分布地区差异明显,行道树沿道路建设,形成一系列规则且连续的生态廊道,各EUTC斑块连接紧密,形成良好的城市生态网络,整体城市森林布局较为合理。

图2 会泽县建成区城市林木树冠覆盖构成图

2.2 现实城市林木树冠覆盖(EUTC)斑块特征

2.2.1EUTC构成分析

从EUTC构成来看(表4),会泽县建成区内EUTC斑块共5 270个。小斑块共4 464块,占总斑块量的84.71%,在整体数量构成上有绝对优势,中斑块、大斑块和特大斑块的数量占比分别为14.88%,0.38%和0.03%。斑块面积构成以中小斑块为主,在总EUTC面积里占比高达96.90%,研究区内EUTC斑块数目及面积随斑块等级增加而逐级递减的。EUTC面积和数量综合结果表明,会泽县建成区城市林木面积小且数量多,城市林地破碎化程度高。一方面,这说明在城市建设中建设用地紧张,城市绿化大多采取见缝插绿、拆违建绿的方式建设；另一方面,从生态学角度看,斑块面积越大,生态功能越强。会泽县整体城市EUTC斑块面积小,城市生态效益相对较低。

表4 会泽县建成区现实城市林木树冠覆盖斑块等级构成

2.2.2EUTC斑块分布分析

结合EUTC斑块分布(图3)及土地利用分布(图4)来看,小斑块在整个建成区分布均匀,中斑块和大斑块在城市南部集中分布,斑块面积由城市中心向四周递增。城市中心EUTC以小斑块和中斑块为主,说明较早进行城市化的片区生态空间有限,EUTC的面积小。斑块在城市中心的会泽公园,近年新建的烟厂小区、园丁小区和城市边缘的公园分布密集,表明该区域生态效果较好,同时也进一步说明,近年来城市建设增加了更多的生态用地,提升了城市生态。相反,东南部城区斑块小而稀,则表明,该区域城市生态用地较少,城市生态效益较差。由于城市较小,用地分类并不明显。尽管如此,从研究中依旧能够发现,会泽县建成区的EUTC斑块面积及形状呈现多样化的形态,在整个城市建成区皆有分布。

图3 会泽县建成区城市林木树冠覆盖分级图

图4 会泽县建成区土地利用分类图

2.2.3道路EUTC分析

行道树沿道路建设,呈带状分布,斑块面积越大,说明行道树树冠连续性越高；反之,斑块面积越小,则连续性越低。将研究区域所有一级及二级道路单独提取,结合土地利用分类,将所有行道树EUTC及道路绿地内的EUTC归类为道路林木树冠覆盖。通过对研究区行道树EUTC提取(图2),发现会泽县建成区两侧种植行道树的主干道、次干道共18条,行道树EUTC面积45.04hm2,整体道路绿化面积较少。

从行道树斑块构成来看(图5),研究区内行道树EUTC斑块共1 509块,占总EUTC斑块的28.64%,其中小斑块数量占行道树EUTC总斑块数量的95.29%(表5),整体道路树冠覆盖斑块较小且数量多,说明会泽县行道树建设整体较为松散,很少有树冠连续的林荫道路,道路EUTC连续性较差,城市道路生态效益较低。造成这种现状的原因有两个方面:一方面,在城市道路建设中,没有留出足够的道路绿地供道路UTC建设；另一方面,行道树养护质量较差,导致林荫树木生长缓慢,冠幅纤小,UTC贡献低,但在后期的城市森林建设中,最具有形成连续树冠覆盖的潜力。

图5 会泽县建成区行道树树冠覆盖分级图

表5 会泽县建成区行道树斑块等级构成

2.3 潜在城市林木树冠覆盖(PUTC)斑块特征

2.3.1PUTC空间分布分析

通过对会泽县建成区PUTC的提取与统计(图6),结果显示,研究区域PUTC面积为139.16hm2,占建成区总面积的8.98%,会泽县建成区能达到的最大EUTCR理论值为26.76%。从斑块分布位置来看,PUTC斑块分布分散,整体由未建设的裸土地及荒地构成。斑块在城市四周及南部集中分布,城市中心区域几乎没有分布。土地类型数据表明,会泽城市中心城市化程度较高,UTC提升空间有限。同时说明,在森林城市建设的过程中,该县对城市中心的生态建设颇有成效。

图6 会泽县建成区潜在城市林木树冠覆盖矢量图

2.3.2PUTC斑块分析

从PUTC斑块构成来看(表6),除去农用地(图7),会泽县建成区内PUTC斑块共2 067个。中斑块和小斑块共2 017块,占到了总斑块量的97.58%,在整体数量上占绝对优势。中斑块PUTC面积最大,占总PUTC面积的73.22%,小斑块和大斑块面积占比分别为17.46%和9.3%,说明研究区域内单块的荒地及裸地面积较大,在未来的绿地建设中容易形成连续覆盖的林木树冠斑块,这有利于提高城市森林的生态效益。

图7 会泽县建成区农用地空间分布图

表6 会泽县建成区潜在城市林木树冠覆盖斑块等级构成

从PUTC的分布来看,会泽县建成区PUTC小斑块及中斑块相互穿插,集中分布在城市四周(图8),说明城市扩张建设明显,UTC提升潜力较小,且集中在城市周边,对城市中心生态效益的提升作用不大。所以,在森林城市建设理念下,应该合理规划绿地空间,在UTC建设过程中选择冠大荫浓、栽培管理方便的树种,在有限的空间里最大限度提高林木遮荫量,提升城市森林的生态价值。

图8 会泽县建成区潜在城市林木树冠覆盖斑块分级分布

2.4 相同土地利用类型城市林木树冠覆盖(UTC)差异

会泽县建成区城市体量较小,城市化水平较低,没有明显的城市分区,UTC作为城市森林的重要构成部分,以人为第一服务对象,居住区人口聚集,对UTC的需求最大[15]。通过对会泽县建成区居住用地影像的提取,共提取居住区92个(表7)。我国从2004年开始森林城市建设[16],本研究以2004年为界,将2004年之前建设的居住区定为老居住区,2004年之后建设的居住区为新居住区。

表7 会泽县建成区居住区构成

老居住区建筑密度较高,建筑排列不规则,UTC以小斑块为主,零散分布。41个新居住区建筑密度较老居住区低,排列整齐,建筑之间存在小斑块及中斑块的UTC,其中30个有沿着建筑布局规则排列的UTC斑块(图9)。由此可见,在会泽县城市建设初期,城市建设重点以建筑、道路为主,对城市生态建设关注较少,城市呈现出建筑密集、分布混乱的形态；到城市建设的后期,人们开始关注城市生态建设,在居住区建设中建设了很多UTC斑块以满足城市人口的生态需求,优化了城市森林的布局。

图9 会泽县建成区居住区构成

3 讨论与结论

3.1 讨论

UTC是衡量城市树木数量和范围最简单、最直观的指标,研究UTC对于了解城市森林现状和建设潜力具有重要意义。从目前研究结果来看,会泽县建成区EUTCR为17.78%,整体绿化状况并不出众,但不同地区之间绿化差异较大,新居住区显著优于老居住区。我国在2019年正式发布的《国家森林城市评价指标》[17]中明确提出,下辖区的县城区EUTCR要达到20%以上。根据本次对UTC的计算结果能看出,会泽县建成区绿量稍显不足,与北京市建成区EUTCR的39.53%[18]及厦门市中心区EUTCR的25.71%[1]相比,差距明显,这与研究区处于高原山地地区,热量雨量偏少,整体自然环境不利于林木树冠覆盖建设有关。从PUTCR来看,整体城市PUTCR为8.98%,在数据上看,UTC还有可以提高的潜力,但结合其分布情况,城市中心的绿化潜力却很少。城市作为人口集中活动的地区,缺乏庇荫和绿色的环境对城市居民的身心健康极其不利,城市环境绿化建设亟待加强。

建设森林城市,本质上是为了改善人居环境,提升人民生活质量。从会泽县建成区现实情况来看,UTC布局与人口之间出现了明显的空间背离,越是城市中心建筑密度高的居住区，UTC缺乏程度反而越高,这与北京城市EUTCR远郊区高于城市中心区域[19]的分析结果较为相似。从居住区构成可以看出,研究区北侧居住用地多为新建居住区,UTC面积较大,但南侧居住区多为老居住区,生态服务需求大,客观上应该有更多的UTC。但是,目前事实是UTC覆盖程度极低,与美国布卢明顿城市中心的居住区31.83%的EUTCR相比[20],差距明显。这主要由于我国城市的居住区主要以商品房及UTC较少的城中村为主,国外城市居住区主要以有极高的EUTCR的私家庭院为主。针对会泽县整体的森林城市建设,很多地区的城市生态并没有得到足够的改善,老居住区依旧面临全村无一树,全路无遮荫的现状。由于老居住区建筑密集,几乎没有可供UTC建设的空间。在道路及公园建设UTC对改造老居住区生态环境质量的作用并不明显的,对目前整体格局与人口分布相背离的城市生态现状缓解作用较小。因此,对老居住区生态环境问题的解决,还须从更高的城市管理视角出发,寻求新的突破口。

从PUTC分布的情况来看,目前的会泽县建成区PUTCR绝大部分区域都处于极低水平,但整体PUTCR还有8.98%,分布从中心城区到城市边缘呈增长趋势。这与姚佳等[11]对北京UTC的研究结果相同,说明无论是大都市还是小城市,城市化水平高的老城区土地利用已经接近饱和,很难有空间新建绿地,生态环境提升改造的空间有限。针对老城区极匮乏的PUTC,传统的通过扩大UTC面积的,改变现有格局的策略,局限性较大。对会泽县建成区未来UTC建设,建议选择利用旧城区拆迁、改造的机遇,大力开发利用不透水地表PUTC潜力,对建设年份较老,绿化效果较差的城市绿地进行整改,以提高城市UTC的面积和质量。随着城市化发展,老旧城区逐渐破败、公共设施配套不足、功能布局不够合理等一系列问题将逐渐凸显,亟需通过城市更新的方式来改善片区人居环境,重新激活片区活力[21]。国内的城市建设中,城市建设用地规划优先于城市绿地系统规划,这直接导致了城市绿地面积小、分布散等问题,也限制了后期的城市森林生态建设。同时,城市绿地建设中高大乔木较少,绿地质量较差,无法有效提高城市生态用地的生态效益。

3.2 结论

通过对城市遥感影像数据中的树冠覆盖分析,可以明确城市生态建设的现状及发展潜力,了解城市生态建设过程。通过对研究区的UTC分析发现,会泽县建成区EUTCR为17.78%,树冠覆盖面积较少,整体绿化程度较低。EUTC面积由城市中心向四周递增,小斑块和中斑块为面积的主要构成对象,占总面积的96.90%,城市林木面积小、数量多且地区差异明显,城市南部树冠覆盖面积少,绿化现状较差。行道树EUTC面积占EUTC总面积的16.35%,道路绿化明显不足,城市生态效果较差,但还有集中分布在城市四周的8.98%的树冠覆盖提升空间,能达到的最大EUTCR理论值为26.76%,城市中心几乎没有可供开发的树冠覆盖空间。

从斑块组成来看,EUTC共5 270个斑块,小斑块在数量上有绝对优势,占总斑块量的84.71%,城市绿地破碎化严重,斑块数目及面积随斑块等级增加而逐级递减。行道树UTC斑块小且数量多,在未来的建设中最具有形成连续覆盖的潜力。老居住区建筑密度较高,排列不规则,EUTC斑块小、数量少、分布零散,且缺乏树冠覆盖提升空间,城市生态环境严峻；新居住区建筑密度较低,建筑排列整齐,建筑之间普遍存在小斑块及中斑块的UTC,EUTC斑块连续性较好,城市森林生态效益提升明显。PUTC斑块共2 067个,小斑块和中斑块数量最多,总数占到了斑块量的97.58%,中斑块面积最大,占总PUTC面积的73.22%,在未来的绿地建设中更容易形成连续覆盖的林木树冠斑块,有利于提高城市森林的生态效益。

通过对国内外研究资料分析发现,绝大多数情况下,UTC主要以乔木树冠覆盖为核心,由于乔木的生态功能普遍强于灌木,城市森林的建设倾向于采用以乔木为主体,灌木和草地相结合的复层组合方式[22]。但本研究由于受遥感图像分辨率的制约,解译过程中无法区别乔木树冠覆盖和灌木树冠覆盖,在一定程度上影响了研究的完整性。