基于遙感的昆明市城市森林結構合理性分析*

劉 暢 劉昕岑 岳彩榮

西南林業大學林學院 昆明 650000

基于遙感的昆明市城市森林結構合理性分析*

劉 暢 劉昕岑 岳彩榮

西南林業大學林學院 昆明 650000

文章利用遙感數據，對昆明市城市森林的分布和結構進行研究。結果表明，昆明市雖然整體綠地面積較大，但是大多分布在城市周圍的自然區域，且多數為灌叢林，高大的喬木相對較少；城市中心綠地分布少且相對集中，不能很好滿足城市發展的需求。采用AHP的方法計算了昆明市中心不同用地類型所需要城市森林發揮的生態效益，提出在未來的城市綠地規劃中，可參考最優的權重，在加大綠化面積的同時更應增加三維綠量。

遙感，城市森林，AHP，規劃

隨著遙感技術的發展，越來越多的研究學者使用遙感數據對城市森林的類型、分布和結構進行研究，而越來越多的遙感數據也為研究城市環境提供了重要的信息源[1-2]。2003年，吳澤民等[3-4]利用遙感技術結合樣地調查分析合肥土地利用類型及樹木分布的格局，并在此基礎上研究了合肥市區17.6 km2范圍內的城市森林景觀特點及與其他景觀單元間的關系。同年，朱文泉等[5]采用遙感圖像判讀和野外調查相結合的方法，定量分析了沈陽樹木園植物群落的物種結構及空間格局。2014年，尹鍇等[6]以海島型城市廈門市為研究區，利用1987—2007年的TM/ETM+遙感數據,綜合運用景觀要素遙感解譯、景觀指數法、生態服務價值量法及灰色關聯分析方法，定量評價了森林景觀。2016年，呂瑩瑩等[7]使用1987—2011年Landsat TM/ETM+稠密時間序列數據，以南京市老山林場和紫金山森林為研究對象，通過Ledaps預處理系統生成地表反射率數據集，采用植被變化追蹤模型(VCT)得到南京城市森林的干擾及恢復歷史數據庫產品，并對產品進行驗證。

本文以昆明市為研究區域，利用遙感影像，對城市地物進行分類，提取城市森林信息，同時將昆明市區按土地用地類型分為五類用地，根據不同類型用地對森林生態功能的不同需求，利用層次分析法計算不同類型用地所需城市森林權重，對比現有城市森林分布，評價昆明城市森林生態效益。

1 研究區概況

昆明市屬低緯高原山地季風氣候，地勢北高南低，大部分地區海拔在1 500～2 800 m。昆明市城區在滇池盆地北部，南瀕滇池三面環山。年平均氣溫為14.5 ℃，年平均降水量1 035 mm，相對濕度74%，且降雪年份極少有。由于溫濕度適宜，日照長，霜期短，能見度良好，鮮花常年不謝，草木四季長青，故有“春城”的美譽，是世界上少有的全天候旅游城市，被人們譽為東方的“日內瓦”。昆明全市范圍是高原紅壤地區，土壤主要有紅壤、紫色土和水稻土三類。根據昆明市統計局對外發布的《2015年昆明市國民經濟和社會發展統計公報》數據顯示，截止到2015年末，昆明常住人口有667.7萬人，全市機動車保有量達215.07萬輛，主城5區一共開通公交運營線路362條。

2 研究數據及研究方法

本文使用的數據為2015年昆明地區Landsat8影像，成像時間為5月28日凌晨3點34分及同期市區內真彩色航片。

本文在建立昆明市區土地利用/覆蓋系統時充分考慮到了昆明市區土地植被覆蓋特點，并結合Landsat8遙感影像和基于國家標準化管理委員會發布的《土地利用現狀分類》標準的一級地類為參照，結合水體指數、建筑指數與植被指數，并且綜合主成份分析和纓帽變換建立決策樹，將昆明市區土地利用分為建筑用地、林地、水體、裸地及未利用土地和灌叢地5類。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)簡稱AHP，是20個世紀70年代由美國著名運籌學家Saaty教授提出的一種利用定量分析解決定性問題的方法。本文采用此方法，結合昆明本地的實際情況，構建多層次的分析結構模型。目標層即達到昆明市城市森林的最優規劃；以人口的密集程度、城市的污染程度、城市森林具備的休養功能、城市用地類型的經濟效益以及城市的熱島效應為評判標準，作為AHP中的指標層；由于不同的土地利用類型對城市森林的需求功能不同，因此參照《城市用地分類與規劃建設用地標準》的規定，本文將昆明市區分為5種用地類型，分別為公共設施用地、居住用地、工業用地、道路用地和對外交通用地，并以此作為層次結構的第3層(圖1)。

圖1 森林規劃評價指標體系

確定了以上的層次結構后，即可以通過構造兩兩比較的判斷矩陣來判斷對于上一個層次中的某個因素本層次中的與其相關的元素重要性，即相對權重。在計算了每層中所有的因素對目標層的合成權重后進行排序，進而便可以實現第3層中每個用地類型對目標層昆明市的城市森林的需求程度。

3 結果與分析

3.1 昆明市土地利用分布

通過ENVI 建立決策樹模型，經過合并和分類處理，并且歸并碎小圖斑，進行主/次分析處理后，最終的分類結果如圖2所示。

由圖2可知，在整個昆明地區灌叢地面積最大，其次是林地面積，這與昆明周邊的自然條件有關，昆明市三面環山，西山、長蟲山及市區中心的五華山、圓通山，林地保存較好，面積也比較大，因此大部分的林地與灌叢地都分布于此。

圖2 2015年昆明土地利用分布圖

對于城中心的建筑用地大范圍集中的地區，綠地分布較少，且大部分為灌叢地。昆明市人口大多集中在城中心的建筑用地部分，城市需要維持一種生態平衡，人口的聚集，人類活動的加劇正是破壞這種生態平衡的最重要的因素，所以，城市森林更應該分布在城市居民集中的地區。城市森林在城市生態平衡中起著重要的作用，執行自然的納污吐新，而喬灌草3層的立體結構更能將這種功能發揮到最大，但是從圖中可以看出，在市中心高大喬木的分布非常稀少，更多的是草坪，這遠遠不能夠滿足城市的需求。

由此可見，昆明市雖然整體林地與灌叢地分布面積較大，但是反映城市居民生活環境的公共綠地面積較小，且大多為灌叢地，立體結構的綠地更少，不能更好地發揮城市森林的效益。

3.2 基于AHP所得理想的城市森林分布

去除昆明市周圍山區地區，在市區中心居民分布集中地區的真彩色航片上，利用ArcGIS軟件在影像圖上對昆明市區內包括西山區、盤龍區、五華區和官渡區內5種類型用地進行目視解(圖3)。

圖3 昆明市區地類分布圖

由AHP法可計算出各類型用地對城市森林的需求權重。表1、表2分別為分配矩陣權重系數表與最終權重系數表。

表1 分配矩陣權重系數表

表2 最終權重系數表

表3 昆明市現有綠地面積 m2

由表1和表2可看出，昆明市中公共設施用地需要城市森林發揮生態效益最多。公共設施用地是指城市管理、生產和生活所需的市級、區級、居住區級的公共設施用地，如金融貿易用地、商業服務業用地、文化娛樂用地、體育用地、醫療衛生用地等。由此可知，該區域是人口活動最為集中的區域，產生的各種污染也相對較多，因此該區域對森林的生態需求也最高。居住用地是人類的生存環境，道路用地和工業用地會產生大量的污染，所以他們的權重相對均等，但是因為昆明市是著名的旅游城市，流動人口較多，工業并不是城市的主要支撐，所以這3部分的權重僅為公共設施用地的一半。對外交通用地是指飛機場、火車站等交通設施用地，其本身面積相對其他用地而言較小，因此盡管這部分人口較多，但是總體權重最小。

通過ARCGIS對昆明市地區的綠地進行圈劃，利用數字化方法計算出各類型用地綠地面積及總面積和單位綠地面積(表3)。其中公共設施用地綠地面積最大，工業用地綠地面積僅次，這是由于工業用地大多分布在城郊，而昆明的四周環山，森林分布很廣，所以盡管其面積比較小，但綠地面積僅次于公共設施用地。居住用地和道路用地均為中等綠地分布區域，次于工業用地的綠地面積。對外交通用地綠地面積最少。對比表1和表2，由AHP計算的昆明城市森林最優城市森林規劃權重系數可以明顯看出，昆明市區的城市森林規劃并不符合最優規劃。

在昆明，工業用地比較少，污染程度不高，且由于處在森林分布較為廣泛的區域，因此以目前的綠地分布來看還算合理。而對于其他類型用地，由于昆明市區大范圍的綠地分布都在植物園、世博園、森林公園等地方。城市森林的生態效應是有輻射效應的，它與本身的結構和距離有關，一般認為高大的喬木且50 m范圍以內可以發揮最好的效果，所以昆明市集中分布并且大多為灌木的綠地所產生的生態效益并不能很好地滿足整個城市所需。

3.3 城市森林規劃建議

根據以上分析，可在不同的用地類型中，根據計算出的權重，在森林生態效益需求大且目前無法滿足的區域，結合實際情況進行最優綠化。

對于公共設施用地來說，該區域是人口集中區，公共設施多，土地價格昂貴，大面積進行綠化成本高且不太現實，因此，可以考慮豐富城市森林的立體結構，在現有的面積上增大綠地的三維綠量來增加城市森林的生態效益，三維綠量是指所有生長植物的莖葉所占據的空間體積，單位一般用m3，相對于平面量，三維綠量反映了城市森林的空間結構量值[9-10]，由喬木、灌木和草坪結合建造的復層結構綠地，其生態效益明顯大于雙層或單層結構綠地。

居民用地可考慮在現有基礎上，以綠地的有效輻射范圍為基準建立緩沖區，在緩沖區達不到的小區進行綠化，增大小區綠化面積，考慮到高大植株過多會遮擋居民住房的陽光，可以建造造型美觀的灌木和草地相結合的綠地，主要實現城市森林的休養功能。

道路用地和工業用地，均是污染程度較大的區域。道路污染主要是汽車的尾氣排放及噪音污染，會對人體產生極大的危害；工業區污染則是包含工業生產過程中所形成的廢氣、廢水和固體排放物對環境的污染，這些也會對人體產生巨大的影響，可考慮在道路及工業區與居民區之間、與公共設施用地之間修建綠地帶，因為土地面積限制，三維綠量大、以喬木為主的綠化帶應是大力提倡的綠化帶種植形式，其環境效益最為明顯，主干高3.5 m以上，樹下可種植耐陰草坪和花卉，美化效果更優。

4 結論

城市環境是人類利用、改造自然的產物，隨著城市化進程的加劇，在城市中已很少見到自然環境的蹤影，這使城市環境逐漸惡化，影響到居民的生活[11-12]。本文結合遙感影像與真彩色航空像片及實地收集的數據，對昆明的城市森林進行研究得出如下結論：

1) 昆明整體綠地面積較大，但是大部分的城市森林分布在昆明周圍的自然山區，在城中心的建筑用地大范圍集中、人口分布較為密集的地區，綠地分布較少；在城市中心的綠地大多為灌叢林，高大的喬木林地相對較少，這不能很好地發揮城市森林的生態效益。

2) 基于AHP的方法計算得出，在昆明市，公共設施區需要綠地最多，道路用地、居民用地與工業用地所需的綠地大致相等，而對外交通用地所需綠地比較少，這與昆明市現有的城市森林結構并不相符；經計算現有的綠地面積與結構可知，在昆明，除工業用地大部分在郊區，森林面積比較多，因而可以勉強滿足生態需求外，對于其他用地來講均無法滿足。

3) 可以考慮在公共設施用地建立多層結構的森林體系，增大三維綠量來解決綠地面積的限制，而對于居住用地就要考慮在小區內建立美化的灌草結構，還應該加大道路與工業區周圍的綠化帶建設，已阻隔污染對其他區域的侵害。

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Analysis of Urban Forest Structure Rationality in Kunming Based on Remote Sensing

Liu Chang Liu Xincen Yue Cairong

(College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650000, Yunnan, China)

The paper studied the distribution and structure of the urban forests in Kunming by using remote sensing data. The results indicated that Kunming had a large area of green space, but most of them are shrubs distributed in natural areas around the city while tall trees are relatively few; Less green spaces are distributed in the core area of the city, which cannot satisfy the development of urban development. The ecological benefits from urban forest which are demanded by different landuse types in the core area of Kunming was calculated using AHP, and it was proposed that the future urban green space planning could take reference to the optimal weight of each type of landuse to consider the increase of 3-dimensional green quantity at the same time of increasing green area.

remote sensing, urban forest, AHP, planning

2016-12-21

云南省林學一流學科建設項目(51600625)；校博士啟動資金(111442)

劉 暢(1985-)，女，博士，講師，研究方向為林業遙感。E-mail:CICY198505@163.com

岳彩榮(1964-)，男，教授，博士生導師，研究方向為林業遙感和GIS研究。E-mail:cryue@163.com

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.01.013