北京市主城區城市森林景觀格局特征分析

佟濟宏 王新杰 汪錦 傅鋒

摘?要：城市森林是城市生態文明建設的重要組成部分。該文以北京市五環內城市森林為研究對象，以2016年9月16日的GF-2遙感影像為數據源，依據景觀和生態服務功能將城市森林劃分為附屬庭院美化林、道路河流防護林、城區公園休閑林和城市郊野游憩林四個類型，并運用面向對象法提取不同類型的城市森林數據信息，制作生成專題圖，同時運用Fragstats 4.2軟件對景觀斑塊數量和構成、破碎度指數、分維數、辛普森多樣性指數、辛普森均勻度指數、聚合指數等指標進行計算。結果表明：高分影像在城市森林信息提取上具有優勢，分類總體精度高達90.36%，Kappa系數達0.88;北京主城區城市森林總面積為22 514.79 hm2，林木覆蓋率為32.35%;城市森林斑塊分布不均，大型、特大型斑塊數量占總數比例13.62%，但面積占比高達73.20%，中小斑塊的生態價值有待挖掘;不同城市森林類型特征存在差異，附屬庭院美化林和道路河流防護林為優勢景觀類型，但兩者破碎度高，聚合度差，分布零散，城區公園休閑林和城市郊野游憩林面積占比相對較小，南部城區公園建設薄弱;城市森林景觀指數隨城市拓展呈規律性變化，景觀破碎度自市中心向外逐漸減小，二環內破碎度高達183.50?；谘芯拷Y果，建議北京市在城市森林建設中加強對中小斑塊的資源整合，增建口袋公園;加強道路河流防護林建設，用以連接城區公園休閑林和城市郊野游憩林等大型斑塊，同時加強南部城區公園建設;加強城市森林整體空間調控，對三環內老城區進行補植，對三環以外城市森林優化經營技術，提高整體城市森林覆蓋度和質量。

關鍵詞： 城市森林， 景觀格局， 遙感， 北京主城區， 空間優化

Landscape pattern analysis of urban forest in central Beijing

TONG Jihong， WANG Xinjie*， WANG Jin， FU Feng

（ Key Laboratory of Forest Cultivation and Conservation， Ministry of Education， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China ）

Abstract：Urban forest is one of the most important ecological development in the urban area of a city. Taking the urban forest in central Beijing as research object， we divided it into four types of urban forest according to its ecological service function， including subordinated landscaping forest， road river shelter forest， city park leisure forest and suburban recreation forest. Extracting four types of urban forest using object oriented method and transformed into thematic maps based on GF-2 high-resolution images on September 16， 2016. Then we analyzed the number of patches， patch constitution， fragmentation index， Simpson’s diversity index， Simpson’s dominance index and aggregation index with Fragstats 4.2 software. The results suggested superiority of high resolution remote sensing data， about 32.35% area of central Beijing were covered by urban foreststotal area being 22 514.79 hm2， about 13.62 % of all patches were large patches with area being 73.20%. Unbalanced and irrational distribution on different positions and rings， subordinated forest and road river shelter forest were the dominant landscapes， however， with high fragmented landscape and low aggregation index， the other two kinds of landscapes took small proportion， especially poor in South Beijing. Besides the fragmentation level reduces from the second ring road to the fifth ring road， with the highest fragmentation pattern in the second ring about 183.50. Based on these results， suggestions are promoted as follows， making full use of small patches and build pocket park， strengthening the construction of road river shelter forest in order to connect city park forest and suburban recreation forest， increasing urban forest coverage within the third ring road and improving the quality of urban forest outside the third ring road.

Key words： urban forest， landscape pattern， remote sensing， central Beijing， space optimization

目前，城市森林尚未有統一的定義，多數學者認同城市森林有別于城市綠地，其應以喬木為主體，面積>0.5 hm2，林木樹冠覆蓋度為10%～30%，是城市和森林的有機結合（劉常富等，2003）。城市森林作為城市綠肺，在美化環境、保持水土、涵養水源等方面發揮重要作用，是城市生態文明建設的重要組成部分（Kendal ，2014;王成，2016）。作為首都，北京的生態文明建設在全國范圍內起模范帶頭作用，2017年9月出臺了《北京城市總體規劃（2016—2035年）》，對北京市域綠色空間結構做出明確規劃。優化北京市城市森林景觀格局對健全市域綠色空間體系，建設國際一流的和諧宜居之都具有重要意義。

目前，“3S”技術已成為研究城市景觀格局的重要手段（王野，2014）。Frank & Palmer（1999）以Landsat TM影像為數據源，分析了南非東角大河流域的景觀異質性變化。我國學者付剛等（2017）用TM影像分析了北京市近二十年景觀破碎度;江旻（2013）、陳陽等（2015）采用遙感技術手段對城市綠地景觀格局進行研究;王原（2006）、李志華等（2017）研究了安徽、深圳城市森林景觀格局并提出優化對策。綜合來看，針對北京市城市森林景觀格局的研究相對較少，且當前對城市森林景觀格局的研究多以TM影像為數據源，分辨率偏低。

本研究旨在利用具有更高分辨率的GF-2遙感影像，依據城市森林的景觀和生態功能，結合北京市主城區城市森林現狀將其劃分為不同景觀類型，分別對不同類型城市森林特征，城市森林斑塊構成特征，不同環區、方位城市森林景觀格局特征進行定量研究，揭示北京市城市森林建設現狀及存在問題并提出優化建議。

1?研究區及數據來源

本文以北京市五環內為研究區，涵蓋核心區東城和西城，以及功能拓展區海淀、朝陽、豐臺、石景山的一部分，面積為652.20 km2。

遙感數據源選用2016年9月16日GF-2衛星遙感影像，數據級別為傳感器校正級，無云、無噪聲、無偏色。GF-2影像有4個空間分辨率為2 m的多光譜波段和1個空間分辨率為0.80 m的全色波段。實地調查獲取主城區內各大公園、居住區、道路和河流等周邊的林地位置、面積、現有植被組成、郁閉度和立地條件等相關數據。輔助數據為北京市1∶10 000地形圖和NASA Socio-Economic Data and Application Center的Global Human Influence Index Dataset數據（http：//dx.doi.org/10.7927/H4BP00QC）。

2?研究內容及研究方法

2.1 城市森林景觀類型的確定

目前，我國尚沒有關于城市森林類型劃分的明確定義。本文參考何興元等（2004）劃分城市森林的依據和原則，從城市森林的景觀和生態功能出發，結合北京市城市性質和當前城市森林建設現狀，將五環內城市森林劃分為附屬庭院美化林、道路河流防護林、城區公園休閑林、城市郊野游憩林等四個城市森林類型。

（1）附屬庭院美化林是以美化庭院功能為主，兼顧殺菌防病、改善環境衛生和小氣候條件，分布在城市居住區、企事業單位、北京高校等建筑物附近，林木覆蓋率在10%～30%的城市森林。

（2）道路河流防護林是以防塵減噪、保障交通安全等防護功能為主，兼顧美化市容、減弱城市熱島效應，分布在各級道路、河流兩側的行道樹、分隔帶等，林木覆蓋率在30%以上，寬度不小于3 m的城市森林。

（3）城區公園休閑林是以園林景觀營造等方式為居民提供戶外休閑空間，兼顧水土保持、減弱城市熱島等功能，分布在包括歷史名園、綜合公園和社區公園等各類城區公園內，林木覆蓋率在30%以上的城市森林。

（4）城市郊野游憩林是以滿足多元的公眾游憩需求和城市綠化隔離功能為主，分布在四環和五環附近，分布在原有防護林、苗圃以及在此基礎上經過改造而成的郊野公園內部，林木覆蓋率在30%以上的城市森林。

2.2 遙感圖像處理及城市森林信息提取方法

由于傳感器的外在因素容易導致遙感影像在成像過程中發生畸變和形變，所以首先基于ENVI5.3軟件對GF-2影像進行包括輻射校正、幾何校正、直方圖匹配、灰度調節、鑲嵌及云去除和圖像融合等處理工作;然后根據研究區范圍對圖像進行裁剪和拼接;最后在圖像預處理結果的基礎上，采用面向對象影像分類技術對北京市不同類型的城市森林進行信息提?。愱柕龋?015），同時結合實地調查的數據，對北京城市森林進行分類及精度驗證。

2.3 城市森林景觀格局分析方法

2.3.1 斑塊構成?不同面積等級的斑塊具有不同的生態功能，結合北京城市森林現狀特點，依據面積大小將其劃分為5個等級：0.1 hm2以下為小型斑塊;0.1～0.4 hm2為中小型斑塊;0.4 ～1 hm2為中型斑塊;1 ～10 hm2為大型斑塊;10 hm2以上為特大型斑塊（李洋，2010）。結合人類影響因子分布圖，采用疊加分析法分析在不同人類影響強度下，北京市城市森林斑塊等級的分布特征。

2.3.2 城市森林景觀格局指數的選取?景觀格局指數能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置特征的簡單定量指標（Schumaker，1996）。本文選取的景觀指數如下：

（1） 斑塊密度（PD）： PD=NPA。

式中，NP為某景觀要素總數; A為景觀總面積。

（2） 分維數（FRAC）： F=2log2（Ei/4）log2（Ai）。

式中，Ei為某景觀要素斑塊周長; Ai為某景觀要素斑塊面積。

（3） 辛普森多樣性指數（SIDI）： H=1-ni=1P2i。

式中，Pi為某景觀要素所占斑塊總面積的比例。

（4） 辛普森均勻度指數（SIEI）： E=H1-1n。

式中，H為辛普森多樣性指數; n為景觀要素類型總數。

（5） 聚合度指數（AI）： AI=giimaxgii×100。

式中，gii為某景觀類型像元之間節點數;maxgii為某景觀類型像元之間最大節點數。

將北京市主城區沿二環至五環路劃分為四個環區，沿中軸線方向和長安街方向劃分為四個方位，運用Fragstats 4.2軟件對不同環區、不同方位的城市森林景觀指數進行分析。

3?結果與分析

3.1 城市森林類型特征及分析

采用面向對象法提取北京市五環內城市森林信息，經驗證分類的總體精度為90.36%>85%，Kappa系數為0.88>0.8，得到可靠的分類數據（張安定，2016;岳瑞紅，2010）。據統計，北京市五環內城市森林共27 494個斑塊，總面積22 514.79 hm2，總體林木覆蓋率為32.35%（表1）。附屬庭院美化林共有14 000個斑塊，占林地斑塊總數的49.32%，面積為13 011.66 hm2，占林地總面積的57.79%。其面積和數量比重均最大，零散并均勻分布在五環內建筑周圍，呈碎小塊狀。道路河流防護林的斑塊面積僅次于附屬庭院美化林，總面積為4 663.17 hm2，占林地總面積的20.71%。城市郊野游憩林總面積為3 196.11 hm2，占林地總面積的14.20%，其在五環內分布南多北少（圖1），原因可能是南部城鎮化進程較慢，大面積人工綠色隔離防護林保留完整。城區公園休閑林面積占比最少（為1 643.85 hm2），占林地總面積的7.30%，其分布面積呈現北多南少，南城城區公園休閑林總面積僅為386.82 hm2，不到北城的1/3，說明南城（豐臺，大興）的城區公園建設相對薄弱。這與吳麗娟等（2006）對各城市森林類型特征的研究結果相似，但本研究增加了城市郊野休閑林景觀類型，該類型隨著近幾年北京、上海等一線城市不斷擴張而形成，不僅可以保護城郊環境，防止城市無序擴張，還能為城市居民提供游憩空間。

3.2 城市森林景觀格局特征及分析

3.2.1 斑塊構成分析?北京市五環內小型、中小型城市森林共有19 138個斑塊，占斑塊總數的69.61%，面積占比13.73%;大型、特大型斑塊共有3 745個，占斑塊總數的13.62%，面積占比73.20%（表2）。這與王娟等（2010）的研究結論相似，說明北京市城市森林的大型、超大型斑塊是發揮生態功能的主體。除天壇公園、玉淵潭公園等歷史名園外，大型、超大型斑塊主要分布在四環外人類影響因子較低的地區，說明受人類活動影響，老城區城市森林破壞程度嚴重（圖2）。

3.2.2 城市森林景觀格局分析?北京市五環內城市森林破碎程度自二環至五環依次減弱，二環破碎程度最大，PD值高達183.50，說明中心城區建設用地的增加對城市森林景觀影響較大（付剛等，2017）;SIDI和SIEI從二環至四環依次遞減，但在五環劇增到最大值，分別為0.63和0.84，原因可能是四環至五環增加了城市郊野游憩林景觀類型，同時存在圓明園、奧體等大型城市綜合公園，導致景觀多樣性升高;AI自二環至五環逐漸增大，四環至五環達最大值為57.90%，景觀聚合度最大，原因可能是此地區有大量大面積人工防護林分布;FRAC在各環區差異不大，均在1.57左右，說明不同環區斑塊形狀復雜程度差異不明顯（表3）。

從不同城市森林類型來看，附屬庭院美化林和道路河流防護林為優勢景觀類型。附屬庭院美化林的PD和FRAC值均最大，其景觀破碎度最大，斑塊形狀最復雜;道路防護林聚合度最低，AI值均在40%左右，說明道路河流防護林斑塊分布最分散;城區公園休閑林的PD值在不同環區均為最小，同時AI值最大，二環內AI值高達79.65%，毛小崗等（2012）在研究北京市城市公園分布格局時得出相似結論，原因可能是二環內存在天壇、景山等大型歷史名園，城市郊野游憩林聚合度相對較高，破碎度較低，各項景觀參數與城區公園休閑林相似。城市郊野游憩林和城區公園休閑林的FRAC值均在1.50以下，斑塊形狀相對規則（表4）。

從不同方位來看，北京市五環內南部城市森林破碎度高于北部，西南區PD值最大，高達155.92，說明城市化進行中的豐臺區未能保護好生態空間;北部地區聚合度高于南部，西北地區AI值最大，高達57.04%，岳德鵬等（2003）在研究北京西北地區景觀格局優化時也得出相似結果，可能的原因是海淀區頤和園、圓明園和高校校園等大型城市森林斑塊居多，提升了西北地區景觀聚集度，景觀多樣性和均勻度呈現東西差異，東部高于西部，原因可能是西城區公園數量多， 大型斑塊主導優勢明顯;不同環區和方位上的FRAC值無明顯差異，均在1.55左右（表5）。

4?結論與建議

本文基于GF-2影像提取北京市五環內城市森林信息，經驗證分類的總體精度為90.36%，Kappa系數為0.88，說明高分影像在城市森林信息提取上具有優勢?；诖?，對北京市城市森林景觀格局現狀進行定量分析，并結合《北京城市總體規劃（2016—2035年）》提出優化建議，具體結論和建議如下。

北京市五環內城市森林總面積為22 514.79 hm2，總體林木覆蓋率為32.35%。城市森林斑塊分布不均，大型、特大型斑塊數量占斑塊總數比例13.62%，但面積占比高達73.20%，多分布在外環地區，老城區內分布較少。在規劃中提出了“加強城市修補，創造優良人居環境”，但當前中小斑塊城市森林分布零散，其生態價值還有待挖掘。因此，建議在城市拓展中，一方面加強對大型、特大型城市森林斑塊的保護，保障城市生態空間;另一方面加強中小斑塊的資源整合，逐步打開封閉小區和單位大院，增建口袋公園（陳婷婷等，2017;劉信和居閱時，2017），尤其是在海淀東南部、朝陽西部等人類影響因子高的城區，為創造良好的人居環境奠定基礎。

不同城市森林類型特征存在差異，附屬庭院美化林和道路河流防護林為優勢景觀類型，面積占比分別為57.79%和20.71%，但兩者破碎度高，聚合度差，分布零散。二環內附屬庭院美化林的破碎度高達124.55，道路河流防護林在各環的聚合度均在40%左右。城區公園休閑林和城市郊野游憩林面積占比相對較小，僅占研究區總面積的21.50%，南部（豐臺，大興）城區公園建設薄弱，南部城區公園休閑林總面積僅為386.82 hm2，不到北城的1/3。由此可知，市域綠色空間布局中提到“三環”的第二道綠隔郊野公園環建設相對薄弱，建議加強城市郊野游憩林的建設，尤其是在南部豐臺、大興等地區，將原有防護林和苗圃改造為郊野公園，可以增大南部市民的游憩空間，保護城郊環境，防止城市無序擴張（田園和王樹棟，2013）。同時，規劃中提出了“構建由公園和綠道相互交織的游憩綠地體系”。因此，可以通過加強道路河流防護林建設，完善主城區道路河流林網體系，連接城區公園休閑林和城市郊野游憩林等大型斑塊，最大程度發揮城市森林生態價值。

城市森林隨城市拓展呈現規律性變化，景觀破碎度自市中心向外逐漸減小。在三環以內人類影響因子相對較大的地區，其景觀破碎程度也較大，二環內破碎度高達183.50;在四環和五環等地區人類影響因子較小，其景觀破碎度也相對較小，四環至五環的破碎度僅為110.63。規劃中提出“建設森林城市，提高全市森林覆蓋度”，因此建議加強城市森林的整體空間調控，三環內堅持“留白增綠”，采取見縫插綠、立體綠化等方式進行補植;三環以外城市森林采用優化經營技術，整體提高城市森林覆蓋度和質量，促進城市和森林的和諧有序發展。

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