基于形态学空间格局方法的北京市六环内城市林木树冠覆盖斑块动态特征*

仇宽彪 李晓婷 成军锋 贾宝全

（1. 江苏农林职业技术学院风景园林学院 镇江 212400；2. 清华大学建筑学院 北京 100084；3. 陕西千渭之会国家湿地公园管理处 宝鸡 721000；4. 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091；5. 国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091；6. 国家林业局城市林业研究中心 北京 100091）

城市林木是城市生态系统的重要组成部分，其所具有的生态系统服务在城市植被所提供的诸项生态服务功能中占主要地位（Mexiaet al., 2018）。城市林木具有局地降温（Qiuet al., 2020）、污染物吸附（Xinget al., 2019）以及洪水调蓄（Zölchet al., 2017）等多项生态功能，可有效缓解城市环境问题。同时，城市林木亦能满足城镇居民对休憩娱乐与美学观赏的需求（Denget al., 2017），并可以增进城镇居民的健康福祉（Gasconet al., 2016）。因此，开展城市林木树冠覆盖（urban tree canopy, UTC）研究对于城市植被保护以及提升生态系统服务供给能力具有重要意义。

城市林木空间分布异质性及其动态变化是城市林木树冠覆盖相关研究的重要方面。传统的研究多基于景观生态学理论，将城市林木树冠视为内部结构均一的景观斑块，运用格局指数、空间分析方法等开展研究（丁圣彦等, 2005; 乌日汗等, 2010; 刘佳等,2019; 储显等, 2020）。但是，这种方法忽视了UTC 斑块之间的差异，如斑块边缘效应与内部生境（陈利顶等, 2004），其结果可能不足以揭示UTC 斑块的空间动态规律。

形态特征是斑块重要的特征之一，不同形态特征的斑块所具有的生态功能也存在差异。大型绿地斑块易形成内部生境，对物种多度有重要影响（Lauranceet al., 1991），而狭长型的斑块则对物种迁移有引导作用（Forman, 1995）。Vogt 等（2007）基于数学形态学原理提出形态学空间格局分析（morphological spatial pattern analysis, MSPA）方法，通过对栅格图像空间格局进行度量和分割，将图像划分为特定几何特征的类型，在像元层面识别景观斑块不同的形态特征组成，从而更加精确地分辨景观斑块类型与结构。当前，MSPA 方法在城市绿色网络基础设施构建（于亚平等,2016; 张启舜等, 2021）、林地和湿地等生态空间（Hernandoet al., 2017; Velázquezet al., 2017）、耕地的连通性（史芳宁等, 2020）以及镇域植被分布特征识别（Roganet al., 2016）等方面均有较为广泛的应用。然而，这些基于MSPA 的研究大多着眼于区域连通性网络的构建，有关城市化进程对UTC 斑块形态特征时空动态影响还鲜见报道。因此，UTC 斑块形态特征组成及其变化还有待进一步研究。

北京市是我国的特大城市之一。近年来，北京市实施了包括平原大造林等在内的多项城市绿化工程，城区绿化覆盖明显改善。快速的城市化以及大规模的绿化造林，为开展城市UTC 动态研究提供了合适的样本。因此，本研究拟利用3 期高分影像解译数据，从斑块空间形态格局的角度，就近20 年来北京市UTC形态特征动态变化进行定量分析，旨在明晰如下问题：1）北京市城区UTC 斑块总体形态特点，2）随城市发展UTC 斑块形态特征变化的时、空演化特征，以期为今后城区的城市森林建设和现有城市林木保护提供借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京市位于我国华北平原北部（115°25′—117°30′E，39°28′—41°05′N），全市由平原区、山区和盆地区组成。属暖温带半湿润大陆性季风气候，全年降水量600～800 mm。市区自然河流分布较少，水体以湖泊形式存在，主要湖泊有昆明湖、青年湖等。市区土壤以褐土为主。北京市是我国的特大城市，其城区位于平原地区，2019 年建成区面积1 469 km2，涉及东城、西城、朝阳、海淀、石景山、丰台和昌平等行政区。得益于各项绿化工程及绿色奥运，北京绿地建设成效显著。六环内建设有大量公园，主要公园有朝阳公园、颐和园、圆明园、紫竹院和奥林匹克森林公园等（图1），建成区绿化覆盖率从2002 年的40.6%上升到2019 年的48.5%，人均公园面积也从10.66 m2增加到16 m2。根据调查研究结果，北京市建成区树种以白蜡（Fraxinus chinensis）、毛白杨（Populus tomentosa）、国槐（Styphnolobium japonicum）、圆柏（Juniperus chinensis）、油松（Pinus tabuliformis）、栾树（Koelreuteria paniculata）和臭椿（Ailanthus altissima）等树种为主（种组成（马杰等, 2019a, b）。北京城市扩展呈现典型的同心圆扩张特征，在个别方向上则沿主要干道延伸。

图1 研究区位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 数据源

本研究选用成像时间分别在2002 年8—9 月间的真彩色航片（0.5 m）、2013 年8—9 月间的Worldview2卫星影像（0.5 m）以及2019 年8—9 月间的北京2 号卫星影像（0.8 m）进行UTC 的提取。在经过几何校正、地形校正和大气校正后，以eCongnition Developer 9.0为解译平台，采用面向对象的分类技术，以各环路为子区域，应用分层分割及基于规则的分类技术进行城市土地覆盖分类。城市土地覆盖主要包括城市林木树冠覆盖（urban tree canopy, UTC）、草地、裸土地、不透水地表、水体和农田这6 个类别。2002、2013 和2019 年分类结果总体精度分别达92.23%、96.02%和94.01%，Kappa 系数分别达0.861 3、0.923 1 和0.901 3（宋宜昊, 2016; 李晓婷, 2021）。

1.3 UTC 形态特征

根据景观斑块的形态特征，景观斑块可分为核心区、孤岛、孔隙、边缘、环道区、桥接区和分支等7 种类型（表1）。本研究基于Guidos 工具划分各种形态特征。为了兼顾分析精度与计算效率，本研究首先将城市土地覆盖数据重采样到10 m× 10 m 空间分辨率；其次，提取出UTC，将其作为前景类型，其他城市土地覆盖类型则作为背景，生成二值型栅格数据；再次，基于Guidos 软件，采用8 邻域和30 m 边缘宽度进行MSPA 分析（Roganet al., 2016），最终得到互不重叠的7 种形态特征类型。

表1 景观形状特征类型及其生态学含义Tab. 1 Types of morphological elements and their definition

1.4 统计方法

为更直观表征UTC 形态特征系统性转换的空间分异，通过环路和扇区划分的40 个子区域，针对UTC形态特征各转换类型的相对贡献度（relative contribution index, RCI）进行聚类分析。首先，计算各子区域某种转换类型的RCI（Wanget al., 2012）：

式中：Asc和As分别表示子区域和整个研究区某种UTC 形态特征转换类型的面积（km2），Atc和At分别表示子区域和整个研究区的面积（km2）。RCI = 1 表明对于某种UTC 形态特征转换类型而言，其在子区域内的转换强度与整个研究区的相同；RCI ＞ 1 表明子区域内该种转换类型强度大于整个研究区；反之，则小于整个研究区。通过RCI 指标，可表征UTC 形态特征系统性转换的空间分异特征。其次，根据各子区域RCI，采用系统聚类法开展聚类分析。将40 个子区域划分为4 类，分别统计各类别UTC 形态特征主要转换类型的RCI 均值。聚类统计在R4.1.1 中进行。

2 结果与分析

2.1 UTC 分布状况

2002—2019 年，UTC 从2002 年的387.93 km2增加到2019 年的771.14 km2，在研究区总面积中所占比例也从20.35%增加到40.42%，增幅近1 倍。其中，2002—2013 年间，北京市城区UTC 增幅达282.92 km2，显著高于2013—2019 年间的97.39 km2。由此可见，近20 年来，北京市六环内生态保护与绿化工作取得明显成效，但2013 年以后UTC 的增势放缓。

2.1.1 主要UTC 形态特征 3 期北京六环内UTC 形态特征组成大体相似（图2）。孤岛、桥接区和核心区是北京城区UTC 斑块主要的形态特征，三者总计占到各期UTC 斑块总面积的80%。80%。

图2 2002（a）、2013（b）和2019 年（c）北京市六环内UTC 形态特征空间分布Fig. 2 Morphological elements of UTC patches within the 6th Ring road of Beijing in 2002 (a), 2013 (b) and 2019 (c)

2002 年，UTC 的孤岛面积最大，达223.25 km2，占UTC 总量的57.78%，而到2013 年，UTC 的孤岛面积则降至188.17 km2，占比也下降到28.11%；到2019 年，UTC 的孤岛面积大体维持在188.12 km2，其占比大体在24.5%左右。由此可见，研究期间，北京市六环内UTC 孤岛面积减幅明显，并且前一时段显著高于后一时段。

UTC 核心区在UTC 总面积中占比较大。2002 年，UTC 核心区面积68.98 km2，占比17.85%，是仅次于UTC 孤岛的形态要素；到2013 年，UTC 核心区面积增加到179.07 km2，相比于2002 年增加近1.6 倍，面积占比也升至26.75%；到2019 年，UTC 核心区面积有小幅减少（168.85 km2），占比下降到22.03%。以上分析表明，UTC 核心区在经历2013 年前的大幅增加后，在2013 年后UTC 核心区变化趋缓。

UTC 桥接是UTC 的另一种主要形态类型。2002年，UTC 桥接面积41.11 km2，占比达10.64%，仅次于UTC 孤岛和核心区；到2013 年，UTC 桥接区面积增加122.71 km2，面积占比也增加到24.48%；到2019 年，UTC 面积增值260.58 km2，面积占比达33.99%，成为仅次于UTC 孤岛的第2 大形态类型。从年增幅来看，2013 年以后（16.13 km2）高于2013 年以前（11.16 km2）。这表明随着城市发展，UTC 桥接区面积持续增大。

2.1.2 次要UTC 斑块形态特征 UTC 的边缘、环道区及分支等是相对次要的形态类型，3 期其面积占比均值在5%左右。其中，边缘区面积变化相对较大。2002—2013 年间，边缘区面积从13.83 km2增加到58.34 km2，面积占比也从3.58%上升到8.72%；而在2013 年以后，UTC 边缘区仅有小幅减少（减幅5.02 km2），仍占UTC 总面积的7%左右。此外，UTC 的孔隙区占比最小，3 期占比均不足0.5%。

2.2 UTC 形态要素转换特征

本研究对涉及UTC 的转换类型进行了分析。结果显示，2002—2013 年，其他地类与孤岛之间的转换面积较大，两者面积总和占同期UTC 变化总面积的30%；其次依次为其他地类→桥接区、其他地类→核心区、核心区→核心区和孤岛→孤岛（图3a）。2013—2019 年，其他地类→孤岛、其他地类→桥接区和孤岛→其他地类等类型转换面积较大，分别占同期UTC转换总面积的13.63%、11.87%和11.85%；其次依次为核心区→核心区、桥接区→其他地类、桥接区→桥接区（图3b）。以上分析可知，UTC 的孤岛形态与其他地类之间的转换是研究期内北京市六环内UTC 斑块主要的动态类型。不过，前后2 个时段，北京市六环内UTC 形态特征的动态类型存在一定差异。前一时段，不论UTC 从其他地类转为核心区（12.31%），还是保持稳定的核心区（6.85%），都占有较大的面积比重，但在后一时段，从其他地类转为核心区和保持稳定的核心区的面积比重相对较小（12.31%），显示后一时段造林绿化活动可能不再倾向于大面积造林方式。而且，后一时段从其他地类转为桥接区，以及保持稳定的桥接区面积比重（17.40%）高于前一时段（15.44%），表明与前一时段相比，后一时段可能更倾向于UTC 斑块之间的连接。

图3 2002—2013 年（a）和2013—2019 年（b）北京市六环内UTC 形态要素转换面积图Fig. 3 Transitions area of the morphological elements of UTC patches within the 6th Ring road of Beijing during the period of 2002-2013 (a) and 2013-2019 (b)

2.3 UTC 形态要素转换的区域差异

UTC 形态特征转换具有明显的空间分异特征（图4）。2002—2013 年，北京市六环内西部与西北部五到六环间UTC 核心区→UTC 核心区RCI 较大，这与该区域内西山森林分布有关。在五环外的其他区域，其他地类→孤岛和其他地类→桥接区具有较大的RCI，显示该时段内其他地类主要转为孤岛与UTC 桥接区。在四环内，UTC 形态特征变化主要与孤岛相关，无论是从其他地类转入，还是孤岛转出，抑或保持稳定，均具有较大的RCI，其中，四环内北部区域更多地表现为UTC 孤岛→孤岛与UTC 孤岛→其他地类，而南部区域则更多的表现为从其他地类→UTC 孤岛（图4a、c）。

图4 北京市六环内UTC 形态特征转换类型聚类Fig. 4 Groups for the transition of UTC morphological elements within the 6th Ring road of Beijing

2013—2019 年，北京市环四外多数区域主要与UTC 的桥接区有关，其他地类→桥接区、桥接区→其他地类以及桥接区→桥接区等类型的RCI 较大，显示在市区外围UTC 斑块间连接度变化是其主要特征。在四环内多数区域，尤其是在三环内与UTC 孤岛相关的转换类型RCI 较大，显示在市中心UTC 孤岛斑块变化占有较大比重。在三到四环间，其他地类→孤岛、其他地类→桥接区以及孤岛→其他地类的RCI 相对较大，显示该区域UTC 孤岛与桥接区变化较为剧烈，成为市中心UTC 孤岛变化为主到外围以桥接区变化为主之间的过渡区域（图4b、d）。

3 讨论

3.1 UTC 形态特征组成

北京市六环内UTC 斑块的桥接区和核心区面积比重较大，这与南京市绿色基础设施（于亚平等,2016）、唐山市生态空间（郭家新等, 2021）、巴中新城（许峰等, 2015）绿地斑块形态特征组成相似。UTC 斑块的环道区、分支以及孔隙等形态特征与核心区存在依存关系，其面积也受到核心区制约，因此环道区、分支以及孔隙等面积占比较小。但是，本研究还发现北京市六环内UTC 斑块的孤岛占有一定的面积比重，这与其他城市的研究结果不同。这可能来源于如下两方面的原因。一方面，城市化发展阶段、土地利用方式等对城市林地斑块景观格局特征存在影响（朱耀军等, 2011）。在城市化程度较高的地区，由于土地资源紧张，城市林地多以小型斑块为主，因此UTC 孤岛面积比重较大；而在新兴城市化地区，土地资源充裕，可以规划建设大型绿地，因此UTC 孤岛面积比重较小（崔王平等, 2017）。此外，北京市六环内存在多个历史悠久的公园绿地，如天坛公园等，这些公园绿地内散生的古树名木较多，这也会增加UTC 孤岛面积。另一方面，遥感影像的空间分辨率可能也会对UTC斑块形态特征识别产生一定影响（McGarigalet al.,2005）。空间分辨率越小，识别散生木树冠的能力则越强；反之，则仅能识别达到一定面积的林木树冠。比如，在基于Landsat TM 影像对成都市绿色基础设施网络结构特征的研究显示，孤岛面积占比仅为0.2%（吴银鹏等, 2017）。但遥感影像分辨率对UTC 斑块形态特征的影响似乎较小。陈泓宇等人（2021）采用Landsat 8 OLI 影像源的30 米土地利用对北京市城区绿地形态特征的研究也发现核心区、孤岛及桥接区是主要的形态特征类型。

3.2 UTC 形态特征转换及其空间分异

UTC 斑块形态特征动态呈现城乡梯度特征。本研究发现，相比于城市外围，市中心UTC 斑块变化则以与孤岛相关的UTC 斑块变化为主。已有研究显示，我国多个城市的土地利用变化均呈现相似的城乡梯度特征（金佳莉等, 2020）。这种城乡分异特征与人为干扰状况有关。随着城市发展，建设用地不断向外围呈“摊大饼”式扩张（曹玉红等, 2019），不断侵占原先的林草地及耕地等土地利用类型（Domingoet al.,2021），城市扩张也成为城市外围土地利用变化的主要类型（Zhenget al., 2021），导致城市林地逐渐向人文景观类型过渡。在城区外围，人为干扰强度和频度相对减弱，城市植被斑块多以大斑块分布为主（Forman,2015）。而在市中心，尽管中小型林地斑块更易受到建设用地蔓延扩张的影响（张明娟等, 2006），对人为干扰更为敏感（Pearceet al. , 1992），但由于土地利用则更多表现为土地资源集约化利用或无明显变化（Zhenget al., 2021），原先的小型林地斑块可得到有效保护，城市植被斑块多以碎片化分布为主。实际上，北京市近年来开展“留白增绿”工程，即在城区规划尚不明确用途，或在完成拆违后短期内不能确定的区域，先行进行绿化建设。这些碎片化区域的绿化建设，势必导致城区其他地类向UTC 孤岛的转换。但是，在城市外围，本研究未发现以UTC 核心区为主的UTC 形态变化，反而是与UTC 桥接区相关的形态特征转换成为主要类型。究其原因，这可能与绿地规划以及外围城市林地来源有关。四到五环和五到六环间分别是北京市第1、第2 道绿化隔离带，是近年来北京市绿地建设的主要区域。而外围城市林地主要有2 个来源，除一些地区，如海淀唐家岭、丰台槐房以及朝阳金盏，通过拆迁腾退造林外，结合水系和路网等廊道开展造林也是重要来源之一，如东北部潮白河和西南部永定河两岸的防风固沙林建设。这些水系林、道路林的建设显著提升了外围与UTC 斑块桥接区相关转换类型的空间分布贡献度。

随着城市不断发展，城区绿地建设的重点逐渐从大规模造林转变为林地斑块间连接度提升。在土地资源高强度开发及人为干扰渐趋剧烈的背景下，提升连接度则成为缓解和应对外界干扰的关键手段之一（金奇豪等, 2021），不同尺度的绿地连接度研究均发现城市绿地连接度有不同程度的提升（于亚平等,2016; 史芳宁等, 2020; 张启舜等, 2021）。城市林地的建设，遵循“点、线、面、体”相结合的规划设计方法，以街头绿地、口袋公园等作为“点”，以道路林、水系林等廊道作为“线”，分别以大型公园绿地以及自然山体作为“面”和“体”。在当前城市土地资源极度紧缺的情况下，大型公园与自然山体的造林已不可能，只有通过“点”与“线”的规划建设才能有效建设城市森林，实现城市森林的生态系统服务功能最大化。北京也于2012 年开始百万亩平原大造林工程，在平原区按照“两环、三带、九楔、多廊”建设布局开展造林。其中，沿5 环路与6 环路的绿色生态屏障，沿永定河、北运河和潮白河的永久绿化带。这些重要道路、河道及铁路两侧的绿色通道，均与城市UTC 桥接区面积占比增大有关。

3.3 对城市森林建设和林木保护的建议

随着城市化的不断发展，城市土地资源紧缺，城市内可供用于森林建设的区域逐渐减少，大规模造林几无可能。今后，城市森林建设的重心需从大规模造林转移到维持和提升城市森林斑块之间的连接度上来。城市森林建设可沿交通干线、河流水系等串联各城市森林斑块。此外，由于市中心UTC 孤岛与其他地类之间的转换较为频繁，在今后的林木保护工作中，需强化市中心林木的保护，尤其需要做好古树名木管护，以及街头绿地、口袋公园等小微绿地的营造。

3.4 存在不足

本研究从斑块形态特征的角度对城市林木的动态变化进行分析，为城市林木景观动态研究提供了一个全新的视角。但同时也应该注意到，斑块形态特征与研究尺度相关。UTC 像元大小和边缘宽度均对斑块形态特征有一定影响。鉴于城区景观破碎化严重这一实际情况，本研究所采用的10 m 栅格大小可能丢失大量的现实信息，对研究结果可能有一定影响。此外，随着边缘宽度的增加，景观斑块核心区面积减小，而非核心区域增多（史芳宁等, 2020）。今后，尚需对更高空间分辨率的UTC 斑块，选用不同的边缘宽度，开展其形态特征的动态变化分析，以深入探究UTC 形态特征的精细变化。

4 结论

本研究基于景观斑块形态特征，对2002—2019 年间北京市UTC 斑块的时空动态开展了研究。结果表明，北京市UTC 斑块面积有了大幅提升，UTC 斑块多以孤岛、核心区和桥接区等形态特征为主。从时间变化来看，UTC 孤岛斑块与其他地类之间的转换相对较为剧烈，但与2002—2013 年UTC 斑块核心区变化较为显著相比，2013—2019 年间北京UTC 斑块则以桥接区变化为主。从空间分布来看，四环内UTC 斑块以孤岛变化为主，而4 环外则以核心区与桥接区变化为主。北京市UTC 斑块形态特征变化与北京市近年来开展的百万亩平原造林以及“留白增绿”等绿化工程有关。基于斑块形态特征的UTC 研究可为今后城市植被的动态研究提供另一个视角，对于城市绿色基础设施及生态网络建设有直接的指导作用。