基于遙感圖像解譯的城市生態廊道研究

李 鹍

（清華大學建筑學院，北京 100084）

基于遙感圖像解譯的城市生態廊道研究

李 鹍

（清華大學建筑學院，北京 100084）

遙感影像解譯是圖像學的前沿技術，將其應用于城市環境問題研究具有交叉學科的意義和較好的效果。該文通過解譯遙感影像并以北京市為例，詳細研究了城市生態廊道的位置、形式和內在結構，并以衛星圖片推導的植被覆蓋度、地表亮溫為指標分析了生態廊道的作用。由此顯示了遙感技術可應用于精確的城市環境分析中，是圖學應用于地學、規劃學的途徑。

工程圖學；生態廊道；圖像解譯；植被指數

城市環境的研究一直以來都是規劃學科的難點，因為城市體量巨大，內部形式復雜，很難從整體上去把握城市的結構。以往的城市環境研究往往需要進行大量的實地調查，并進行大規模的同步測試，由此需要花費大量的人力、物力和財力。

遙感技術具有快速、全方位地獲取不同空間分辨率、多光譜信息的特征，是城市環境研究的有效手段[1]。遙感技術也是圖學的一個重要分支，是圖學技術應用于探討地學、規劃學問題的途徑。它可以通過對地物進行觀測，然后利用數學模型、波段合成等多種處理手段將拍攝的影像進行解譯，得到帶有數據的灰度圖像。這些灰度圖像將可以反映地表的溫度、植被覆蓋、熱物理性質等各種特征。另一方面，遙感衛星處于高空，所拍攝的圖像范圍廣闊，直觀的反映較大區域的地表狀況，適合進行大范圍的對比分析和深入研究。人們通過對經過處理的遙感圖片的識讀，可以非常方便的對城市的整體情況進行探討。隨著科技的發展，遙感技術日益成熟，遙感衛星的精度也大大提升，目前遙感技術已經可以應用到比較精確的城市問題研究中。

因此，這里將利用遙感衛星圖像研究城市生態廊道對城市環境的改善作用。這也是利用圖學前沿技術支持規劃層面的工程性研究的有益實踐，這不僅為規劃學科提供了重要的交叉學科的研究手段，對圖形圖像學科的發展和實際應用也有重要意義。

1 生態廊道介紹

城市生態廊道目前還沒有統一的定義[2-4]。從城市規劃層面來看，如果一個區域具有較大面積生態用地，能夠在城市密集的中心提升人居環境水平，緩解和隔離城市化對生態資源的沖擊，具有一定獨立性和相對完整的生態系統，則可以在廣義上將其認定為一種生態廊道。生態廊道是將城市中孤立的、面積較小的生態資源點聯系成為完整的、具有與城市進行交流功能的生態網絡。

生態廊道的基本構成元素有綠化隔離帶、公園、城市森林、山地、河流、湖泊等。其一般表現為線狀或是帶狀，但是在某些情況下也具有廣義化的、非線性的形態特征。城市生態廊道有著調節城市微氣侯環境、緩解熱島效應、提供景觀和休憩、保護城市生態鏈、限制城市過度發展、保障城市交通等功能，對城市的生產和生活有著重要的作用。因此，需要大力保護和發展城市生態廊道，對其表現形式和內在結構進行認真的研究。

2 實例研究

在本研究中，將通過對北京市的生態廊道進行案例分析，以此來說明城市中存在的生態廊道的具體形式，并通過這些案例了解如何通過對衛星圖像的解讀，研究城市生態廊道的整體性質。

2.1 遙感研究方法

本次研究采用的遙感衛星影像是美國陸地衛星5號衛星（Landsat5，簡稱TM）在2010年6月5日拍攝的在北京地區的影像①本文所用遙感影像由中國科學院中國遙感衛星地面站提供：http：//www.rsgs.ac.cn/。。TM衛星影像具有7個波段，除第六波段熱紅外波段分辨率為120m外，其余波段分辨率為30m，具有良好的對地觀測精度和效果[5]。

利用衛星數據的波段之間進行組合運算可以得到不同的地表信息數據，本次研究主要求取多波段合成圖像（4、3、2波段的合成圖）、NDVI植被指數、地表亮溫3個數據圖。多波段合成圖像主要是從城市整體角度對生態廊道進行直觀描述，而NDVI植被指數圖、地表亮溫圖則是從植被覆蓋、地表熱場的角度來了解生態廊道的分布情況和對熱環境狀況的影響。

多波段合成圖像通過顏色不同直觀體現了地表下墊面的具體情況。城市各種下墊面由于物理性質不同，在合成圖上顯示出不同的顏色。如圖1所示，城市中的建筑呈灰色，道路呈青灰色，植被呈現紅色，而水體呈現為藍色。

NDVI是根據-1到1之間的數值反映植被覆蓋狀況的植被指數[6]。一般水體的NDVI值為負數，植被、道路、房屋等則要根據多次選點，參照地面實際表面情況來決定閾值。植被覆蓋越好，數值越高。NDVI的求取主要利用以下公式[6]

其中 B1是TM影像的第四波段反射率，B2是其第三波段反射率。

地表亮溫反映地表的溫度情況，是分析城市熱環境的重要指標。陳云浩等人(2004)認為[7]“由于城市區域范圍有限，可認為區域水汽狀況基本一致，因而可直接用亮溫表征城市熱場。”地表亮溫的求取利用TM影像的第六波段圖像，其具體計算方法如下[7]

圖1 北京TM影像三波段合成圖（4、3、2波段的合成圖）

圖2、圖3分別是該衛星影像經過計算后得到的地表亮溫分布圖和植被指數NDVI分布圖。

圖2 地表亮溫分布圖

2.2 基于遙感圖像的規劃分析

首先從多波段合成圖來看北京市生態廊道的分布情況。對于主城區來說，建筑和道路占據了大部分的用地，植被分散其間，大部分綠地都呈現小型化和離散化的特點。但是，有幾個生態廊道還是比較明顯的。這些廊道從表面形式看有線狀和面狀兩種，從具體結構來說則有“核心區―緩沖區―城市人工環境”、“節點―紐帶―節點”、“節點―節點”三種結構類型。

圖3 植被指數NDVI分布圖

具體來說，什剎海、前三海等湖泊組成的湖泊廊道在城市中心區非常顯眼，呈線狀特點；由頤和園的昆明湖經京密引水渠、玉淵潭公園、紫竹院公園等公園形成的廊道，將城市西部、南部的主要綠地、水體和河道都連接起來，體現了很明顯的“節點-紐帶-節點”的廊道模式；北京中軸線上的重要區域如故宮、亞運村、奧運村、奧林匹克公園等地物都很清晰，但是其聯系不明顯，符合“節點-節點”式生態廊道的特點；元大都遺址公園體現了線形生態廊道的特點；而圓明園公園、清華大學、北京大學圍繞著圓明園中的湖泊所形成的生態區域也一個是典型的“核心區-緩沖區-城市”模式的生態廊道。

其次，從地表亮溫圖和NDVI植被狀態圖進行綜合分析。從圖2，圖3可以看到，除去水面，生態廊道區域的NDVI一般在0.1到0.35之間，而一般城市建筑區均在0.1以下，顯示生態廊道具有較好的生態效果，植被覆蓋率較高。而從地表亮溫圖上看，生態廊道的區域是市區中溫度比較低的。在衛星拍攝時刻，城市建筑、道路表面的亮溫在24°C以上，而生態廊道區的表面亮溫則低于24°C。其中水體表面溫度最低，一般低于21°C，尤其是大型水面的中心區域溫度在18°C到20°C之間。其它生態廊道的核心區域在20°C～23°C之間，邊緣地區和分散的區域表面亮溫在22°C～24°C之間。而從城市其它區域來看，與生態廊道交接的區域，地表亮溫在24°C到27°C之間，然后再逐步過渡到27°C以上的城市高溫區。由此可見，從生態廊道的核心區到城市建筑密集區，地表亮溫從20°C升至27°C以上，體現了兩種區域之間相互影響，逐步過渡的過程，這也說明了生態廊道對周邊區域有良好的改善作用。另一方面，北京中軸線廊道上的部分節點地表亮溫在24°C～26°C之間，因為像奧運村、亞運村等地方存在著大片區域是以水泥、瀝青地面為主，在白天表面溫度較高。實地考察得知，它們的廊道作用主要表現在作為城市中較大的開放空間以及得益于中軸線較低密度的規劃布局，通風效果較好，是城市重要的通風口和通道。實際上同樣介質的地表，亮溫一般都在27°C以上，正是由于其通風作用，保證其地表亮溫維持在相對低的水平。但是，這也從一個側面表現出這種“節點-節點”型的廊道和不透水下墊面的節點表面介質，其廊道生態效果相對較差。

3 研究總結

經過上述對北京衛星影像的解譯和分析，可以看到城市的生態廊道有其獨特的特色，這些特色也反映了城市的氣候和地域環境。通過上述的分析，也可以看到圖學可以在規劃研究方面起到非常關鍵的作用。

（1） 城市生態廊道的研究對整合城市生態資源、提高城市人居環境有著重要的意義。可以看到目前城市對生態廊道已經有所認識，并在逐步改進城市中生態節點離散化和邊緣化的狀況。但是也該認識到，城市中的生態廊道仍然只占據著較少的面積，對城市人居環境的影響還有很大改進的空間。城市應該努力進行更集中和更大面積的生態圈建設，而不能僅僅滿足于建設較小范圍的生態廊道。

（2） 北京的生態廊道都是以水系作為重要的連接方式，反映出城市中對水的需求是非常迫切的。但是，在城市中心區，大部分的廊道節點和幾乎全部的連接紐帶都是靠水體來實現，生態廊道的同質化比較突出。一般來說，最好的生態廊道形式應該是包含水體、草坪、森林等各種生態資源和各種生物圈，這樣才能在最大限度上保證生態系統的完整。所以在盡可能的情況下，應該增加其它類型的生態廊道所占的比例。

（3） 可以看到，應用遙感圖像進行的北京市生態廊道的研究不僅可以進行直觀的總體分析和定點分析，也可以通過數學解譯深入探討地表區域的特征指標。這不僅節省了大量的調研工作，也可以同時同步對整個城市的所有區域進行各種指標的對比研究，由此顯示了遙感這個圖學前沿技術在城市環境研究中的巨大優勢。在未來的發展中，圖學、地理學、規劃學等學科應該相互借鑒，進一步加強學科的交叉和整合，并應用到解決實際科研問題中。

[1]王文杰, 申文明, 劉曉曼, 等. 基于遙感的北京市城市化發展與城市熱島效應變化關系研究[J]. 環境科學研究, 2006, 19(2)：44-48.

[2]高建強, 趙濱霞. 城市區域生態廊道的含義、功能和模式[J]. 能源與環境, 2007, (6)：77-78.

[3]關英敏. 城市生態廊道建設研究——以廣州市天河區為例[D]. 東北師范大學, 2003.

[4]馬志宇, 黃耀志. 城市生態廊道建設探討[J]. 山西建筑, 2007, 33(13)：6-7.

[5]張兆明, 何國金. Landsat 5 TM數據輻射定標[J]. 科技導報, 2008, 26(7)：54-58.

[6]范文義, 白新源, 馮 欣, 等. 哈爾濱熱島效應與植被指數關系的動態分析[J]. 東北林業大學學報,2009, 37(6)：27-50.

[7]陳云浩, 李 京, 李曉兵. 城市空間熱環境遙感分析——格局、過程、模擬與影響[M]. 北京：科學出版社, 2004. 20-21.

Research on City Ecological Tunnel Based on Remote Sensing Image Interpretation

LI Kun
( School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Interpretation of Remote Sensing image is the frontier technology in Iconology,which is of interdisciplinary meaning and good effect by using it to do the research on city environment problem. This paper studies the position, form and structure of city ecological tunnels by using the satellite image and does the case study of Beijing city. It also uses the indices of NDVI and surface brightness temperature deduced by satellite image to analyze the function of ecological tunnels. It is proved that Remote Sensing can be used into precise analysis of city environment and is the way for the application of Graphics in Geography and Urban Planning.

engineering graphics; ecological tunnel; image interpretation; vegetation index

TB 23

A

1003-0158(2010)06-0161-04

2010-06-17

李 鹍（1978-），男，廣西南寧人，博士后，主要研究方向為綠色建筑與生態城市。