基于多源數(shù)據(jù)的北京市中心城區(qū)綠色空間的定量評(píng)價(jià)*

成超男 楊 易 秦 婧 陸哲明 趙 鳴

1 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

2 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院園藝系 北京 102442

3 中規(guī)院(北京) 規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 北京 100044

城市綠色空間的規(guī)模大小、格局特點(diǎn)、空間活力、服務(wù)水平及景觀品質(zhì)等對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境、滿足人群戶外游憩需求、實(shí)現(xiàn)城市綠色發(fā)展起到關(guān)鍵作用[1－2]。然而，傳統(tǒng)的城市綠色空間品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法主觀性較強(qiáng)，綜合生態(tài)保護(hù)及人群感知的城市綠色空間品質(zhì)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究亦較為不足[3]。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)遙感技術(shù)發(fā)展迅速，基于遙感(RS) 和地理信息系統(tǒng)(GIS) 可視化城市空間動(dòng)態(tài)的技術(shù)蓬勃涌現(xiàn)[4]，而城市綠色空間類型提取及其格局演變特點(diǎn)的研究可基于遙感影像與地理信息系統(tǒng)，結(jié)合信息熵、擴(kuò)展速度或擴(kuò)展系數(shù)等指標(biāo)計(jì)算[5]。氣候變化預(yù)測(cè)表明，隨著氣溫的升高，熱浪的頻率和強(qiáng)度將會(huì)增加，這將對(duì)人類健康和環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[6－7]。近20年的城市地表溫度研究改善了對(duì)空間熱模式的理解，城市綠色空間開(kāi)始被認(rèn)為是有助于減少城市熱效應(yīng)和改善城市地表溫度(Land surface temperature，LST) 最重要的土地利用類型之一[8－9]。因此，基于遙感影像探討城市綠色空間與地表溫度之間關(guān)系的研究亟待深入。此外，隨著多樣化的城市大數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)而生[10]，可依據(jù)個(gè)體行為自下而上地研究城市的宏觀狀態(tài)，其中手機(jī)定位[11]、公交刷卡數(shù)據(jù)[12]、微博簽到數(shù)據(jù)[13]、興趣點(diǎn) (Points of Interest，POI)[14]等大數(shù)據(jù)逐步應(yīng)用于城市綠色空間的定量評(píng)價(jià)研究[15]。

北京市中心城區(qū)面臨巨大的人口和土地壓力，這在一定程度上反映了當(dāng)前中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速發(fā)展背景下城市綠色空間所面臨的問(wèn)題。本研究應(yīng)用RS、GIS、Python等平臺(tái)，從生態(tài)環(huán)境保護(hù)及綠色空間的供給側(cè)視角出發(fā)，一方面探討城市綠色空間與地表溫度之間的關(guān)系，提出改善熱島效應(yīng)及優(yōu)化城市綠色空間格局的策略；另一方面定量評(píng)價(jià)研究區(qū)城市綠色空間的服務(wù)水平及服務(wù)壓力，以期為提升北京綠色空間品質(zhì)提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京位于東經(jīng)115.7°—117.4°，北緯39.4°—41.6°，總面積16 409.28 km2。研究選取北京市中心城區(qū)作為研究對(duì)象，根據(jù)《北京市總體規(guī)劃(2016—2035年) 》 明確北京市中心城區(qū)包括東城區(qū)、西城區(qū)、海淀區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、石景山區(qū)和豐臺(tái)區(qū)。北京市中心城區(qū)是北京高度城市化的地區(qū)，涵蓋5環(huán)路大部分的區(qū)域，其面積共計(jì)1 381 km2，占北京市總面積8%，常駐人口約1 300萬(wàn)，占北京市總?cè)丝?0%[16]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究使用兩個(gè)不同時(shí)間段的遙感影像(分別為2013年5月12日和2018年4月8日的Landsat8 OLI和TIRS C1 Level－2遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù))，空間分辨率為30 m，遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey)；POI數(shù)據(jù)來(lái)源于2018年大眾點(diǎn)評(píng)的開(kāi)源平臺(tái)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)定義坐標(biāo)和投影，刪除個(gè)別異常點(diǎn)，共計(jì)74 259條，采用ArcGIS 10.2平臺(tái)的核密度分析工具分析POI數(shù)據(jù)。

1.3 研究框架

研究基于遙感影像、POI數(shù)據(jù)及土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)RS、GIS、Python等平臺(tái)構(gòu)建研究區(qū)的城市綠色空間評(píng)價(jià)框架(圖1)，從生態(tài)環(huán)境及綠色空間供給側(cè)兩個(gè)方面探討研究區(qū)城市綠色空間對(duì)地表溫度的影響，并分析研究區(qū)城市綠色空間斑塊的服務(wù)水平與服務(wù)壓力，以期為北京市中心城區(qū)城市綠色空間的規(guī)劃與實(shí)踐提供相應(yīng)參考。

圖1 研究框架

1.4 研究方法

1.4.1 遙感數(shù)據(jù)解譯

通過(guò)遙感圖像處理平臺(tái)ENVI5.0對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正、圖像拉伸、邊緣強(qiáng)化和研究區(qū)范圍的裁剪，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方式提取植被覆蓋、不透水表面、水域和其他4類用地；然后通過(guò)野外精度隨機(jī)抽樣調(diào)查，遙感影像提取的正確率分別為92.59%和88.89%，符合遙感解譯的通用規(guī)范。

1.4.2 地表溫度反演

首先，通過(guò)ENVI5.0的輻射定標(biāo)功能將圖像的亮度灰度值轉(zhuǎn)換為絕對(duì)輻射亮度，以得到Band10輻射亮度圖像；利用OLI進(jìn)行大氣校正，參數(shù)為Red:4，Near IR:5。其次，通過(guò)NDVI計(jì)算得到以下4種圖像資料:一是得到植被覆蓋度圖像，進(jìn)而推演出地表比輻射率；二是查詢?cè)撨b感數(shù)據(jù)獲取時(shí)的大氣剖面數(shù)據(jù)，從而計(jì)算同溫度下的黑體輻射亮度圖像；三是根據(jù)大氣剖面數(shù)據(jù)計(jì)算單位為攝氏度的地表溫度圖像；四是通過(guò)遙感數(shù)據(jù)反演得到研究區(qū)的地表溫度[17]。計(jì)算公式如式(1) 至式(4):

式(1) 中，VFC為植被覆蓋度圖像，b1為地表比輻射圖像，gt、lt、ge、le為ENVI波段計(jì)算參數(shù)。

式(2) 中，P為黑體輻射亮度圖像，b1為地表比輻射圖像。

式(3)中，R為地表溫度圖像，a、b、c為遙感數(shù)據(jù)的大氣剖面信息(a為頻段平均大氣傳輸；b為有效通帶上升輻射；c為有效通帶下降輻射)，b1為地表比輻射圖像，b2為Band10輻射亮度圖像。

式(4) 中，T為地表溫度；alog為ENVI波段計(jì)算參數(shù)；c1為同溫度下的黑體輻射亮度圖像。

1.4.3 城市綠色空間服務(wù)水平評(píng)價(jià)

綠地服務(wù)水平評(píng)價(jià) (Park service Quality，PSQ) 用于測(cè)量綠地資源的分配程度，體現(xiàn)城市公共服務(wù)資源的服務(wù)能力，本研究用于評(píng)價(jià)城市綠色空間服務(wù)水平的公式如式(5)[18]:

式(5) 中，PSQi為城市i的城市綠色空間服務(wù)水平，SAi為城市綠色空間斑塊緩沖區(qū)范圍內(nèi)的面積，k為城市綠色空間的斑塊數(shù)，Ai為研究區(qū)范圍的總面積。本研究引入景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建的相關(guān)研究，以支持城市綠色空間的劃分，景觀生態(tài)學(xué)認(rèn)為0～2 hm2為小型斑塊、2～10 hm2為中型斑塊、10 hm2以上為大型斑塊[19]，因此，按照以上斑塊標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)的城市綠色空間劃分為大型、中型和小型斑塊?？紤]到景觀生態(tài)安全要求[20]，又將以上城市綠色空間斑塊分別設(shè)置1 500 m、1 000 m以及500 m的緩沖區(qū)，并排除緩沖區(qū)疊加面積。

1.4.4 城市綠色空間服務(wù)壓力評(píng)價(jià)

選擇合適的大數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析能夠較為精確地反映人口分布特點(diǎn)及城市綠色空間的使用情況，其中手機(jī)信令、交通刷卡、社交網(wǎng)絡(luò)等類型的數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)分析中較為常見(jiàn)[21]。但以上數(shù)據(jù)存在獲取困難、處理繁雜、語(yǔ)義分析不明確等問(wèn)題，而POI數(shù)據(jù)范圍大、覆蓋面廣、較易獲取且易于處理，為評(píng)價(jià)城市綠色空間的服務(wù)壓力提供了可能。選擇適宜的POI因子是評(píng)價(jià)的首要步驟，研究采用2018年大眾點(diǎn)評(píng)的開(kāi)源平臺(tái)數(shù)據(jù)，選取文化娛樂(lè)設(shè)施、居住區(qū)、辦公設(shè)施、大型公共設(shè)施、餐飲設(shè)施5類POI因子作為數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)文獻(xiàn)研究與專家討論得到各類數(shù)據(jù)的權(quán)重(表1)，進(jìn)而得到POI的核密度點(diǎn)。將研究區(qū)域劃分成200 m×200 m的空間單元網(wǎng)格，通過(guò)GIS將POI的核密度點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間化和柵格化，在GIS中進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，然后再將服務(wù)范圍內(nèi)核密度點(diǎn)與研究區(qū)城市綠色空間斑塊面積之比求出，最后得到各個(gè)城市綠色空間斑塊的服務(wù)壓力評(píng)價(jià)。這反映了人群對(duì)城市綠色空間的需求程度，并以數(shù)值方式體現(xiàn)[22]。

表1 POI數(shù)據(jù)與賦值

2 結(jié)果與分析

2.1 土地覆蓋與地表溫度的時(shí)空演變特點(diǎn)

2.1.1 土地覆蓋的時(shí)空演變特點(diǎn)

2013—2018年中4類土地利用變化如圖2所示，植被覆蓋面積逐年增加，而不透水表面的面積逐年遞減。從表2可知，不透水表面所占的百分比雖最高，但其面積所占比從72.45%減少到68.27%；而植被覆蓋、水域與其他這3類土地利用類型的面積所占比均有所增加，其中植被覆蓋面積所占比由25.43%增加到27.71%；水域面積所占比由0.92%增加到1.08%；其他面積所占比由1.20%增加到2.94%。

表2 研究區(qū)土地覆蓋變化（2013—2018年）

2.1.2 植被覆蓋面積增加的政策探討

近年來(lái)，北京市先后出臺(tái)了一些與中心城區(qū)城市綠色空間相關(guān)的政策制度，如2013年北京市發(fā)展改革委編著完成的《北京市級(jí)綠道系統(tǒng)規(guī)劃》，審議通過(guò)了《北京市級(jí)綠道建設(shè)總體方案(2013—2017年) 》；2016年“中軸線申遺”被寫(xiě)入政府報(bào)告，開(kāi)展了天壇公園周邊綠地等位于中軸線上的城市綠色空間改造與提升；同年啟動(dòng)了北京市歷史河道及歷史水系修復(fù)工程。此外，根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年) 》 的要求，中心城區(qū)將建設(shè)“兩道一網(wǎng)”的城市綠色空間格局，即綠道系統(tǒng)、通風(fēng)廊道系統(tǒng)與“藍(lán)網(wǎng)系統(tǒng)”的構(gòu)建，規(guī)劃要求到2020年社區(qū)三級(jí)綠道總長(zhǎng)度由現(xiàn)狀約311 km增加到約400 km；景觀水系岸線長(zhǎng)度由現(xiàn)狀約180 km增加到約300 km；同時(shí)形成5條寬度500 m以上的一級(jí)通風(fēng)廊道，多條寬度80 m以上的二級(jí)通風(fēng)廊道。隨著北京市生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)以及城市綠色空間相關(guān)政策的落實(shí)，北京市中心區(qū)城市綠色空間的規(guī)模在2013—2018年逐年增加。

2.1.3 地表溫度的時(shí)空演變特點(diǎn)

研究時(shí)限內(nèi)研究區(qū)的平均地表溫度約為0～53 ℃ (圖2)。根據(jù)各種土地利用類型的平均地表面溫度可知，研究區(qū)地表溫度較高區(qū)域的分布與不透水表面的分布基本相同，即高溫區(qū)域?qū)?yīng)于不透水面所占百分比較高的地區(qū)，而植被覆蓋區(qū)域?qū)?yīng)的地表溫度相對(duì)較低。2018年不透水面的平均地表溫度比植被覆蓋表面平均高1.54 ℃，表明植被覆蓋率的提高有助于緩解城市熱島效應(yīng)。

2.2 城市綠色空間的服務(wù)水平評(píng)價(jià)結(jié)果

提取研究區(qū)的城市綠色空間斑塊進(jìn)行服務(wù)水平評(píng)價(jià)，其中10 hm2以上的大型斑塊43個(gè)、2～10 hm2的中型斑塊2 143個(gè)、2 hm2以下的小型斑塊12 841個(gè)(圖3)。參照10 hm2以上、2～10 hm2、2 hm2以下的城市綠色空間分別設(shè)置1 500 m、1 000 m、500 m的緩沖區(qū)，城市綠色空間的覆蓋度已達(dá)100%，但各類型的綠色空間斑塊分布不均，大型斑塊分布于研究區(qū)西北地區(qū)，而中心地區(qū)以中型和小型斑塊為主。根據(jù)Park service Quality公式計(jì)算的結(jié)果，中型斑塊的服務(wù)水平值最高，為93.68%；大型斑塊的服務(wù)水平值最低，為54.27%；小型斑塊的服務(wù)水平值為92.25%。這說(shuō)明中型和小型綠色斑塊覆蓋范圍較大，大型綠色斑塊的數(shù)量及其覆蓋范圍有待提升；中型斑塊、較小型斑塊比大型斑塊的服務(wù)水平高，更能滿足人群對(duì)戶外綠色空間的需求。

2.3 城市綠色空間的服務(wù)壓力評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)2018年土地利用分布(圖2) 以及POI數(shù)據(jù)(圖4) 可知，研究范圍內(nèi)所有用地類型的服務(wù)壓力評(píng)價(jià)值為2.12×10－2，服務(wù)壓力較高的區(qū)域由城市中心向外發(fā)散，主要沿北京市“二道綠隔”分布。研究范圍內(nèi)城市綠色空間的服務(wù)壓力評(píng)價(jià)(圖4) 值為1.99×10－2，其中小型斑塊的評(píng)價(jià)值為2.73×10－2、中型斑塊為2.00×10－2、大型斑塊為5.03×10－3。小型斑塊的服務(wù)壓力評(píng)價(jià)結(jié)果得分最高，表明小型斑塊使用情況和頻率較高；而大型斑塊則主要分布在研究區(qū)的西部和北部，其服務(wù)壓力和使用頻率相對(duì)較低。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

研究以北京市中心城區(qū)為例，采用遙感數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，通過(guò)RS、GIS和Python平臺(tái)，從生態(tài)環(huán)境保護(hù)及供給側(cè)兩方面分析城市綠色空間對(duì)地表溫度的影響，評(píng)價(jià)城市綠色空間斑塊的服務(wù)水平及服務(wù)壓力，以期為緩解研究區(qū)的熱島效應(yīng)及優(yōu)化其綠色空間格局提供相應(yīng)參考。研究結(jié)果表明:1) 隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)以及與城市綠色空間相關(guān)政策的落實(shí)，2013—2018年研究區(qū)植被覆蓋表面不斷增加，而不透水表面逐年遞減；2018年不透水面的平均地表溫度比植被覆蓋表面高1.54 ℃，表明植被覆蓋率的提高有助于降低城市地表溫度。2)研究區(qū)城市綠色空間分配不均，中型斑塊比大型斑塊和小型斑塊的服務(wù)水平高。3) 目前研究區(qū)內(nèi)的城市綠色空間服務(wù)壓力較大，其服務(wù)壓力由中心向外逐漸減弱，建議適當(dāng)增加“二道綠隔”內(nèi)城市綠色空間建設(shè)，以滿足人群對(duì)綠色空間的需求，從而提升北京市中心城區(qū)的綠色空間品質(zhì)。

圖2 研究區(qū)土地覆蓋與地表溫度的空間分布（2013—2018年）

圖3 提取研究區(qū)的城市綠色空間斑塊

圖4 城市綠色空間服務(wù)壓力評(píng)價(jià)圖（左）、POI柵格密度圖（右）

3.2 討論

1) 基于人群需求的城市綠色空間評(píng)價(jià)領(lǐng)域亟待拓展。將人群的需求納入城市綠色空間規(guī)劃評(píng)價(jià)中，涉及物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)、模型庫(kù)和專家評(píng)價(jià)系統(tǒng)等技術(shù)體系；需將遙感影像、地理空間數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量信息、個(gè)體行為數(shù)據(jù)、偏好數(shù)據(jù)、公眾參與式的社區(qū)尺度傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲得的個(gè)體感知生態(tài)信息等多源數(shù)據(jù)支撐本研究構(gòu)建的評(píng)價(jià)框架，但本文涉及的人群需求評(píng)價(jià)極為有限，并且研究獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和精確性仍有待提高。因此，基于人群需求的城市綠色空間定量評(píng)價(jià)等相關(guān)研究有待深化與擴(kuò)展。

2) 城市綠色空間的提取與分類有待細(xì)分。本研究模糊了城市綠色空間、城鎮(zhèn)綠色空間以及城鄉(xiāng)綠色空間的概念，認(rèn)為城市綠色空間是植被覆蓋的全部城市用地。研究采用遙感影像和歸一化植被指數(shù)提取研究區(qū)內(nèi)的城市綠色空間，并依據(jù)規(guī)模將提取的城市綠色空間分類，但未將提取結(jié)果按照城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的要求進(jìn)行分類與劃分。因此，提取結(jié)果中可能存在一些不具備游憩功能的綠地，從而影響城市綠色空間服務(wù)水平與服務(wù)壓力的評(píng)價(jià)結(jié)果，在今后的研究中有待進(jìn)一步改善。