馮玉蘭，肖亞卓，陳進(jìn)勇

(1.中國園林博物館，北京 100072；2.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074)

0 引言

城市綠地具有凈化空氣[1-4]、改善城市小氣候[5-8]、降低城市噪音[9]和休閑娛樂等功能，并具有防災(zāi)避難、監(jiān)測環(huán)境污染等作用，有利于改善城市生態(tài)環(huán)境[10]、維護(hù)人與自然和諧相處[11]。因而，準(zhǔn)確及時(shí)地獲取城市綠地現(xiàn)狀信息，并理解其在不同功能用地的空間格局對于城市綠地管理、養(yǎng)護(hù)以及進(jìn)一步的城市綠地系統(tǒng)科學(xué)規(guī)劃[12]都具有重要意義。

目前有多種技術(shù)手段可以獲取城市綠地分布信息。通常采用地面調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法。雖然這種調(diào)查方法能夠獲取比較準(zhǔn)確的綠地分布信息，但存在著以下不足：需要花費(fèi)大量的人力、物力與財(cái)力，調(diào)查周期較長；調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性容易受調(diào)查人員主觀性影響[13]。作為一種快速、客觀的數(shù)據(jù)獲取手段，遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國土資源調(diào)查、農(nóng)林監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，并較多地應(yīng)用于城市綠地監(jiān)測[13-16]。基于遙感影像，通過人工目視解譯并結(jié)合實(shí)地調(diào)查可以有效地獲取城市綠地范圍，極大地提高調(diào)查效率和結(jié)果的客觀性。隨著圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，基于遙感影像的綠地自動(dòng)化提取技術(shù)也取得了較大進(jìn)展[15-18]，也有研究使用眾源地理數(shù)據(jù)研究城市綠地空間分布，如使用高德地圖興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)POI進(jìn)行綠地分布提取[19]。

通過不同技術(shù)手段獲得綠地分布后，學(xué)者們對城市綠地的空間分布格局多有研究。以北京市綠地為例，Qian等[16]基于2005年以及2009年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了北京市五環(huán)以內(nèi)的綠地情況，并分析了不同環(huán)路內(nèi)的綠地格局變化情況；謝軍飛等[20]分析了北京城市公園景觀格局指數(shù)；吳思琦等[21]分析了北京市大型城市公園綠地的演變機(jī)制。除了綠地空間分布格局，也有學(xué)者嘗試使用眾源數(shù)據(jù)(社交媒體簽到數(shù)據(jù)、地圖POI數(shù)據(jù)等)分析綠地使用情況的空間分布。李方正等[22-23]利用2013年北京市新浪微博簽到數(shù)據(jù)，分析了北京市中心城區(qū)公園綠地的使用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步基于百度地圖POI數(shù)據(jù)分析了綠地使用情況的時(shí)空模式及其背后的驅(qū)動(dòng)因素(如交通方便性、人口密度和商業(yè)設(shè)施情況等)。

已有研究為城市綠地管理與綠地科學(xué)規(guī)劃提供了重要信息，但綠地格局分析主要是以城市行政邊界或者主要道路構(gòu)成的環(huán)路為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行的，目前鮮有研究按照城市功能用地類型進(jìn)行綠地空間格局分析。城市功能用地的合理組織是城市總體規(guī)劃的核心任務(wù)，因而在更微觀的尺度上進(jìn)行城市綠地格局分析具有重要意義。一方面，城市居民生活、工作等活動(dòng)大都聚集在特定的場所，理解各功能用地的綠地覆蓋情況有助于更加精細(xì)化、科學(xué)化地管理綠地，從城市行政區(qū)域級別的綠地率監(jiān)管提升到更精細(xì)的城市不同功能用地下綠地率監(jiān)管，精準(zhǔn)服務(wù)于城市居民對綠地的需求；另一方面，國家部委綠地規(guī)劃相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(如《城市綠化規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)的規(guī)定》(建城[1993]784號)、《城市綠地規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 51346-2019))都有對不同功能用地綠地率的指標(biāo)性要求，因而獲取城市不同功能用地的綠地覆蓋現(xiàn)狀信息，可以進(jìn)一步提高城市綠地系統(tǒng)的規(guī)劃水平和綠地建設(shè)水平，優(yōu)化城市空間格局?；?019年獲取的SPOT遙感數(shù)據(jù)，本文將：① 提取北京市四環(huán)內(nèi)區(qū)域綠地現(xiàn)狀信息；② 進(jìn)一步結(jié)合城市功能用地?cái)?shù)據(jù)，分析城市綠地在不同功能用地的空間格局，以期為綠地精細(xì)管理與后續(xù)的綠地科學(xué)規(guī)劃服務(wù)。

1 研究地區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)獲取

研究區(qū)為北京市四環(huán)內(nèi)區(qū)域，如圖1所示。

圖1 北京市四環(huán)內(nèi)區(qū)域SPOT遙感影像(標(biāo)準(zhǔn)假彩色顯示， 即按照近紅外、紅、綠波段顯示；圖中疊加的綠色環(huán)線 分別為北京城區(qū)二、三、四環(huán)線)Fig.1 SPOT remote sensing image within the 4th ring area in Beijing (standard false color,as shown the near infrared,red,and green band;the superposed green lines show the 2nd,3rd,and 4th rings)

首先獲取了2景SPOT數(shù)據(jù)(其中一景為2019年7月31日的SPOT7衛(wèi)星數(shù)據(jù)，另一景為2019年7月23日的SPOT6衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分別覆蓋北京市城區(qū)北部和南部區(qū)域；SPOT6和SPOT7具有相同的成像參數(shù)，都包含1.5 m全色波段和4個(gè)6.0 m多光譜波段(藍(lán)、綠、紅和近紅外波段))；并獲取了由中國測繪科學(xué)研究院與北京市測繪設(shè)計(jì)研究院制作的北京市四環(huán)內(nèi)功能用地劃分?jǐn)?shù)據(jù)[24]，該數(shù)據(jù)依據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)(GB50137-2011)》，采用眾源數(shù)據(jù)(包括POI、OpenStreetMap路網(wǎng)數(shù)據(jù)、北京市2016年基礎(chǔ)性地理國情要素成果數(shù)據(jù)等)制作，把北京市城區(qū)分類為7種功能用地類型(交通用地、公服用地、商服用地、居住用地、工業(yè)用地、風(fēng)景名勝用地和未分類用地；各類別的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)[24])。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)公司提供的有理多項(xiàng)式系數(shù)(Rational Polynomial Coefficient，RPC)文件，對SPOT數(shù)據(jù)進(jìn)行RPC校正；基于6.0 m分辨率的多光譜數(shù)據(jù)以及1.5 m的全色影像，利用Gram-Schmidt融合算法得到1.5 m分辨率多光譜數(shù)據(jù)；使用影像拼接算法對SPOT6和SPOT7數(shù)據(jù)拼接得到覆蓋整個(gè)研究區(qū)的影像；選用FLAASH模型對SPOT數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，以上處理都是基于遙感圖像處理專業(yè)軟件ENVI 5.3完成。

由于文獻(xiàn)[24]是以O(shè)penStreetMap的城市路網(wǎng)(主干路、快速路和次干路)將研究區(qū)分為不同街區(qū)，并以不同的街區(qū)為基本單元識別功能用地類型，所以分類結(jié)果中并沒有包含城市道路區(qū)域。在文獻(xiàn)[24]研究結(jié)果基礎(chǔ)上，將OpenStreetMap的城市路網(wǎng)區(qū)域歸類到交通用地，獲得更新后的北京市四環(huán)內(nèi)功能用地?cái)?shù)據(jù)，用于后續(xù)分析。以上操作通過ArcGIS 10.2軟件完成。

1.3 分析方法

首先基于SPOT數(shù)據(jù)計(jì)算反映植被狀態(tài)的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，并設(shè)定閾值獲得綠地信息，進(jìn)一步結(jié)合北京市四環(huán)內(nèi)功能用地?cái)?shù)據(jù)分析綠地空間分布情況。

1.3.1 歸一化植被指數(shù)計(jì)算

在遙感圖像上，NDVI是反映植被覆蓋的重要參數(shù)[25]，其基本原理是植被葉面在可見光紅色波段有很強(qiáng)的吸收特性，而在近紅外波段有很強(qiáng)的反射特性。因而，NDVI定義為近紅外波段與紅色波段之差與其之和的比值，即：

(1)

式中，ρNIR，ρR分別是SPOT影像近紅外波段、紅色波段反射率。在1.5 m分辨率融合后影像上提取了NDVI。NDVI數(shù)值越大代表相應(yīng)區(qū)域植被越綠。

1.3.2 綠地覆蓋提取

在NDVI數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提取綠地分布。由于所選用的影像獲取時(shí)間為7月底，為北京地區(qū)植物生長旺季，而綠地(包含草地、低矮植被以及樹木等)相比其他地物類型具有較高的NDVI值；同時(shí)北京四環(huán)以內(nèi)基本上排除了農(nóng)田的影響。因而，選用了一種閾值分割的方法。首先選取北京市城區(qū)不同綠地類型(包括公園內(nèi)綠地、道路兩旁綠地、居住區(qū)內(nèi)綠地和企事業(yè)單位內(nèi)綠地)區(qū)域及相鄰的非綠地區(qū)域作為樣本；其次，讀取樣本區(qū)域的NDVI值，并建立綠地及非綠地的NDVI分布直方圖；最后，依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得到綠地與非綠地的最佳區(qū)分閾值為0.35，即，若NDVI>0.35，則分類為綠地；反之，則分類為非綠地。

1.3.3 綠地提取精度評價(jià)及空間格局分析

在ArcGIS軟件中對研究區(qū)按照500 m間隔規(guī)則生成驗(yàn)證樣本點(diǎn)，共得到1 221個(gè)點(diǎn)；每個(gè)點(diǎn)由園林綠化從業(yè)人員通過遙感圖像人工判讀得到其是否綠地覆蓋的真實(shí)信息，作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)；把綠地提取結(jié)果(分類結(jié)果)與驗(yàn)證數(shù)據(jù)相對比，得到精度評價(jià)混淆矩陣，并計(jì)算2個(gè)常用的分類精度評價(jià)指標(biāo)：總體分類精度和Kappa系數(shù)，其中總體分類精度指被正確分類的類別像元數(shù)與總像元數(shù)的比值，而Kappa系數(shù)是一致性檢驗(yàn)的指標(biāo)[26]。

將綠地提取數(shù)據(jù)與北京市不同環(huán)線區(qū)域(如圖1綠色環(huán)線所示：二環(huán)線以內(nèi)區(qū)域定義為二環(huán)，二環(huán)線與三環(huán)線之間的區(qū)域定義為三環(huán)，三環(huán)線與四環(huán)線之間的區(qū)域定義為四環(huán))以及不同功能用地類型通過疊加分析，進(jìn)行綠地空間分布的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 北京市四環(huán)內(nèi)綠地分布總體情況

北京市四環(huán)內(nèi)綠地提取精度評價(jià)混淆矩陣如表1所示。由表1可以看出，總體分類精度為91.73%，Kappa系數(shù)為0.82，綠地提取結(jié)果具有較好的精度。所提取的綠地分布如圖2所示。

表1 北京市四環(huán)內(nèi)綠地提取精度評價(jià)混淆矩陣

圖2 北京市四環(huán)內(nèi)區(qū)域綠地分布結(jié)果(綠色為 綠地覆蓋區(qū)域，白色為非綠地區(qū)域)Fig.2 Urban green space distribution within the 4th ring area in Beijing (green color denotes the green space,and white color denotes non-green space)

北京市四環(huán)內(nèi)綠地面積總計(jì)99.99 km2，占四環(huán)內(nèi)總面積的33.05%。綠地分布相對比較均勻，并在天壇公園、北京市動(dòng)物園、玉淵潭公園、朝陽公園、紫竹院公園和龍?zhí)逗珗@等大型公園處有成片的綠地聚集分布。

不同環(huán)內(nèi)綠地面積差異明顯，但綠地所占其總面積的比例差異較小。二環(huán)、三環(huán)和四環(huán)綠地面積分別為18.55，31.59和49.85 km2，而各個(gè)區(qū)域內(nèi)綠地面積占其總面積的比例分別為29.55%，32.84%和34.73%。

2.2 北京市四環(huán)內(nèi)不同功能用地綠地空間格局分析

按照不同的功能用地類型，北京市四環(huán)內(nèi)綠地分布情況如圖3所示。其中，居民用地占用最多的綠地，約43.77 km2，占總綠地的48.03%；其他用地依次為風(fēng)景名勝用地、公服用地、商服用地、交通用地、工業(yè)用地以及未分類用地。

圖3 北京市四環(huán)內(nèi)各功能用地綠地面積Fig.3 Green space area for different functional sub-regions within the 4th ring area in Beijing

各功能用地中，綠地比例(即綠地面積與不同功能用地面積比值)如表2所示。

表2 北京市四環(huán)內(nèi)各功能用地中綠地比例

盡管未分類用地中，綠地面積最少(僅2.09 km2)，但其綠地比例最高，達(dá)52.96%，主要原因是文獻(xiàn)[24]中未分類用地主要以道路綠化帶和高架橋等為主，由于興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)在該地帶沒有分布導(dǎo)致無法進(jìn)行有效分類。此外，風(fēng)景名勝用地同樣具有較高的綠地比例；公服用地和居住用地具有中等的綠地比例(33%左右)；而商服用地、交通用地和工業(yè)用地具有相對較低的綠地比例(25%左右)。

具體到不同環(huán)內(nèi)，不同功能用地的綠地面積分布情況如圖4所示。在二環(huán)，風(fēng)景名勝用地有著最多的綠地，總計(jì)6.05 km2，占二環(huán)總綠地面積的32.62%；而三環(huán)和四環(huán)，具有最多綠地的均為居住用地，分別占其總綠地面積的44.02%和48.61%。

圖4 北京市不同環(huán)區(qū)域各功能用地綠地面積Fig.4 Green space area for different functional sub-regions within different zones in Beijing

不同環(huán)內(nèi)各功能用地中的綠地比例如圖5所示。與四環(huán)以內(nèi)整體的規(guī)律相類似，各個(gè)環(huán)內(nèi)，風(fēng)景名勝用地和未分類用地都有著較高的綠地比例；除上述2種功能用地之外，其他功能用地在不同環(huán)內(nèi)有著相對比較一致的綠地比例，一定程度上體現(xiàn)了除風(fēng)景名勝用地形成的綠色團(tuán)簇之外，四環(huán)以內(nèi)綠色空間分布相對比較均勻。

圖5 北京市不同環(huán)區(qū)域各功能用地綠地比例Fig.5 Green space percentage for different functional sub-regions within different zones in Beijing

三環(huán)相比二環(huán)，除工業(yè)用地，其他所有功能用地的綠色空間比例都有所增加，其中風(fēng)景名勝用地和公服用地增長最多，分別達(dá)13.84%和11.99%；而四環(huán)相比三環(huán)，各功能用地中，綠地比例變化幅度較小(均未超過5%)，其中綠地比例增長比較多的2種功能用地為居住用地和未分類用地，增長比例分別為4.15%和4.84%。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 北京市四環(huán)內(nèi)綠地總體情況

本文得到的2019年北京市四環(huán)內(nèi)綠地及其比例結(jié)果與文獻(xiàn)[16]中研究結(jié)論比較一致。文獻(xiàn)[16]使用1.5 m分辨率的SPOT5影像分別制作了2005年和2009年的北京市五環(huán)內(nèi)綠地分布，結(jié)果顯示，五環(huán)以內(nèi)2005—2009年，綠地覆蓋由22.57%增長到28.01%。同樣發(fā)現(xiàn)，盡管不同環(huán)內(nèi)的綠地面積差異較大，但綠地比例差異較小。這也反映了2008年北京奧運(yùn)會(huì)之前大規(guī)模綠地規(guī)劃之后，四環(huán)以內(nèi)近十年來綠地規(guī)模逐漸穩(wěn)定。以后的綠地規(guī)劃中，需要更加重視綠地的維護(hù)、綠地質(zhì)量的提升。

通過遙感影像獲取的綠地比例與園林行業(yè)所定義的綠地率稍有差異[13]，主要涉及土地覆蓋與土地利用的區(qū)別，遙感影像所獲取的綠化率是以觀測的綠色空間為主，而行業(yè)領(lǐng)域的綠地率是以土地使用方式定義的。一種可行的思路是探索以圖像理解的方式從遙感影像進(jìn)行綠化率的自動(dòng)提取技術(shù)[27]。

3.2 北京市四環(huán)內(nèi)各功能用地綠地分析

北京市四環(huán)內(nèi)各功能用地綠地比例相對合理，但局部區(qū)域有待進(jìn)一步優(yōu)化。在城市居民中，人們生活工作主要活動(dòng)在居住用地、商服用地和公服用地。對于居住用地，二環(huán)是25.82%的綠地比例，而三環(huán)和四環(huán)都相對比較理想(都超過了30%)，這與《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50180—93)所規(guī)定的舊城居住用地綠地率一般為25%，規(guī)劃新建居住用地的綠地率不應(yīng)小于30%相吻合；對于公服用地(主要包含行政辦公、醫(yī)療衛(wèi)生、教育科研和文化設(shè)施等用地)，二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)綠地比例分別為24.38%，36.36%和35.79%，而《城市綠化建設(shè)建設(shè)指標(biāo)的規(guī)定》(建城[1993]784號)要求學(xué)校、醫(yī)院、機(jī)關(guān)團(tuán)體和公共文化設(shè)施等單位的綠地率不低于35%，只有二環(huán)的公服用地綠地率低于35%的要求，主要是由于二環(huán)公服用地以政府事業(yè)單位以及大型醫(yī)院為主，其建筑密度相對較高；而對于商服用地，3個(gè)區(qū)域綠地比例都沒有超過30%，主要是由于商服用地主要包含一些大型商場或購物場所(如西單、王府井等區(qū)域)[24]，該區(qū)域綠地覆蓋較低，但最低的綠地比例為二環(huán)的22.89%，仍滿足《城市綠化建設(shè)建設(shè)指標(biāo)的規(guī)定》(建城[1993]784號)對商業(yè)中心等綠地率不低于20%的要求。綜上可見，北京市四環(huán)內(nèi)各功能用地綠地比例相對比較合理。因而在今后城市管理中，首先應(yīng)該有效保護(hù)、保持現(xiàn)有綠地分布；在后續(xù)綠地系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年)》指南，可以考慮在一些重點(diǎn)區(qū)域(如二環(huán)的公服用地等)增加綠地設(shè)計(jì)，并考慮商業(yè)中心區(qū)域的屋頂綠化以及垂直綠化的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化北京市各功能用地綠地比例，完善綠地空間格局，服務(wù)于建設(shè)國際一流和諧宜居之都的戰(zhàn)略目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于SPOT衛(wèi)星影像以及OpenStreetMap數(shù)據(jù)，對城市綠地及其在城市不同功能用地空間格局分析的方法。城市綠地在不同功能用地空間格局的分析成果為后續(xù)的城市園林綠化規(guī)劃與管理提供重要信息。由于缺乏超精細(xì)的人口分布數(shù)據(jù)，本文沒有分析不同功能用地的現(xiàn)有綠地格局能否滿足居民的需求問題。在后續(xù)的研究中，將考慮引入人口分布數(shù)據(jù)，并積極探索綜合使用多源遙感、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息化技術(shù)監(jiān)測綠地格局與質(zhì)量，進(jìn)一步提升城市精細(xì)化管理水平。