城市樹木致傷風險可視化評估：以武漢市中山公園為例

陳鈞澤 鐘 樂 周 桃 龔紫怡 楊勝蘭

城市中的樹木因能提供大量對人類有益的生態系統服務而受到廣泛重視[1]，但城市樹木也有可能產生花粉過敏、基礎設施破壞等危害[2]，卻常常被人們所忽視，樹木風險就是其中的典型。樹木風險是指由樹木倒伏、樹枝墜落等造成人員傷亡和財產損失等的可能性，它源自病害、蟲害、干旱、大風等所導致的樹體結構損傷或機械完整性破壞[3]。以公園為代表的城市綠色開放空間承載著城市人群高頻、高強度的戶外活動，一旦發生樹木倒伏、樹枝墜落等事件，導致人員傷亡的概率較高。為了降低樹木風險，在城市樹木的種植和維護上需要耗費大量的資源。對樹木風險進行有效管控，已成為城市綠色空間品質提升、高質量發展的緊迫議題。

樹木風險評估是進行樹木風險管理的基礎，近幾十年內相關評估方法不斷開發。以評估所需成本為分類依據，可將評估方法分為如下3類。1)樹木解剖評估法，通過對樹木進行局部解剖以了解其內部結構的損壞程度，判斷樹木造成風險的可能性，該方法精度高，但實驗成本較高，會對樹木造成不可逆的損害。2)探測儀器評估法，使用機械滲透系統測量木材密度，并通過破壞性測試評估木材的機械特性[4]，具體包含聲波探測法[5]、地面穿透雷達探測法[6]和紅外熱成像探測法(IRT)[7]等。該方法精度較高，不會對樹體造成不可逆傷害，但由于需要大量經濟投入且對調查人員有較高專業素養要求限制了其推廣應用[7]。3)可視化評估法，通過觀察樹木外表特征快速判斷樹木風險，該方法雖然犧牲了一定精度，但由于具備效率高、成本低、不損傷樹木等優勢，成為國際廣泛認可并采用的樹木健康評估方法[8]。十余年來可視化評估法不斷完善，樹木的樹體結構、力學強度和生物學特征等多方面[9]指標被納入評價體系中，為提升評價精度，在原有基礎上還加入了概率學[10]、風險矩陣[11]、綜合指標[12]等維度的考量。總體而言，目前所開發出的視覺評估方案可分為基礎視覺評估(VB)和詳細視覺評估(VD)兩大類，基于可視化評估理念開發的樹木風險評估方法已得到廣泛推廣并被美國、烏拉圭和中國香港等地的城市綠化管理部門應用，其評估效用得到了較好的實證。

總結樹木風險評估方法的迭代，雖然新方法、技術不斷被開發，更多的變量、參數被納入評估并增加了評估的可變性，但這些方法僅圍繞樹木自身發生損傷事件的嚴重性、可能性而展開，較少研判由于樹木損傷導致人群傷害的可能性。事實上樹木倒伏、墜落屬于正常自然現象，如其影響范圍內并無人群活動，則可以認定為風險較小或無風險。因此，將城市樹木致傷潛力(城市樹木導致人群受傷的可能性)納入評估維度，是更精準、更真實地衡量城市樹木風險的重要途徑。

鑒于此，本文以可視化評估方法為內核，以風險矩陣法為基礎，將人群致傷的可能性納入樹木風險評估，構建包括風險嚴重性、風險可能性和致傷潛力3個維度的城市樹木致傷風險指數(IUTIR)，以武漢市中山公園為例展開樹木致傷風險評估，旨在實現如下目標：1)將人群受傷的可能性納入考量，提出城市樹木致傷風險的評估方法，進行中山公園的樹木致傷風險評估；2)揭示中山公園樹木自身風險、致傷潛力及致傷風險的空間分布特征，探索其空間分布的耦合與分異；3)根據調查研究結果，提出對城市樹木致傷風險進行管控的可行建議。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

武漢市中山公園創建于1910年，地處漢口解放大道旁，總占地面積32.8萬m2，其中綠化覆蓋面積30.5萬m2，綠化率高達93%，共有植物219種，喬木5 281株，灌木50 016株，重點保護樹木140株。全園分為南部園林景觀區、中部休閑文化區和北部生態游樂區3個景區(圖1)。公園整體被商業區及居民區包圍，人流量巨大。

圖1 中山公園平面圖

1.2 研究方法

1.2.1 調查方法

1)樹木調查評估。

樹木是木本植物的總稱，包含喬木、灌木和木質藤本，無論何種類型，其高度體量都是評判其是否易造成人體傷害的重要依據。因此在本研究中，將不囿于植物類型對所有植株超過0.85m的木本植物進行調查評估。

在調查情景的選擇上，考慮到發生洪澇、風暴等自然災害相對而言是小概率事件，同時自然災害場景下人群往往也會躲避較少開展游憩等活動，產生樹木致傷風險反而也較小；真正的樹木致傷事件往往發生于日常情況下，評估非自然災害情境下的樹木致傷風險更具現實意義。鑒于此，將調查時間定為2021年7—9月的晴天，調查對象為武漢市中山公園內的每株樹木，調查內容包括：1)通過集思寶G120專業GNSS手持機記錄受損樹木經緯度數據；2)通過尼康測距儀COOLSHOY 40i測量樹高、樹冠、胸徑值等基礎數據；3)觀察每株樹木并記錄樹種及樹木受損程度，根據其癥狀所造成后果的嚴重性分為4類并對應4個危險等級(表1)。將每株受損樹木的經緯度數據導入ArcGIS 10.6中，并將對應的樹木風險檢測項目和樹木基礎數據與之進行空間連接。

表1 危險程度分數對照表

2)活動人群調查。

采用典型調查法進行活動人群調查。鑒于單日公園內人群活動聚集的空間會隨時間而發生改變，故選擇人群活動頻率最高的時間段進行調查以確保典型性和代表性。為探究人群活動頻率，團隊于2021年10月對中山公園進行預調查，根據調查結果將人群活動頻率最高的8：00—10：00和16：00—18：00確定為調查時間段。2021年11月8日—12月8日，每周選取工作日和休息日各1天開展正式調查，為盡可能減少人群流動的干擾，單次調查時間均控制在30min內，調查后在ArcGIS 10.7中記錄公園中人群的空間分布及數量。

1.2.2 評估方法

1)城市樹木致傷風險指數(IUTIR)評價。

為更精細地評估研究區域內的樹木致傷風險，需先將研究區域均勻劃分成多個面積相等的區域，再分別計算每一區域內的IUTIR。IUTIR建構的原理基礎為風險矩陣法，該方法通過二維評價矩陣進行風險評價。對樹木導致人群受傷的風險而言，其產生應具備2個維度的誘因：一是樹木自身損傷的風險，即由樹體結構損傷或機械完整性受損導致樹木倒伏、樹枝掉落等現象的可能性；二是樹木損傷后對人群造成傷害的概率，即倒伏、掉落的樹體砸中活動人群的可能性。基于此，城市樹木致傷風險指數計算公式為：

式中，IUTIR為城市樹木致傷風險指數；C為樹木致傷潛力指數；RT為樹木自身風險指數，即區域內樹種個體風險系數的總和，計算公式為：

式中，m為區域內受損樹木總數；Ri為第i棵受損樹木的樹種個體風險系數，即單株樹木i發生各類型癥狀的風險嚴重性與風險可能性乘積的總和；k為癥狀類型總數；Sij為第i棵受損樹木發生第j類癥狀類型的風險嚴重性系數；Pij為第i棵受損樹木發生第j類癥狀類型的風險可能性系數。

IUTIR的建構共考慮了風險嚴重性、風險可能性、致傷潛力3個方面，具體如下。

(1)風險嚴重性：指區域內樹木發生倒伏、掉落等風險事件所可能造成的實際損害程度，以癥狀類型的危害程度等級和樹木體積共同衡量，其一，癥狀類型的危害程度不同會導致后果的嚴重性各異，如根系受損導致樹木傾倒(Ⅰ類癥狀)的嚴重性遠大于小枝掉落(Ⅳ類癥狀)；其二，樹木體積越大造成的后果越嚴重，為簡化計算，將樹木體積近似為圓柱體，其直徑為冠幅。計算公式為：

式中，Dij為第i棵受損樹木發生第j類癥狀類型的危害程度等級平均值；Vi為第i棵受損樹木體積的歸一化值；Vmin為區域內最小樹木體積，取值0；Vmax為區域內最大樹木體積；ri為第i棵受損樹木冠幅；Hi為第i棵受損樹木樹高。

(2)風險可能性：指樹木發生某一癥狀類型風險事件的可能性，可用調研結果所反映的該癥狀實際發生頻率來測度，即：

式中，C1為頻率常數，取值10；nij為區域內樹種與i樹相同，并且同樣出現了j癥狀的樹木數量；Ni為區域內與第i棵受損樹木相同樹種的樹木總數。

(3)致傷潛力：指區域內的活動人群遭遇樹木風險事件的可能性的總和，以活動人群數量分布作為指標。若區域內活動人數越多，則樹木對人造成的風險可能性越大，反之，若無人群活動，則不構成樹木風險。可用區域內活動人群數量歸一化值表示，即：

式中，O為區域活動人群數量；Omin為所有區域最小活動人群數量，取值0；Omax為所有區域最大活動人群數量。

將公式(2)～(5)代入公式(1)中，得到城市樹木致傷風險指數IUTIR：

鑒于六邊形蜂窩網格可有效減少網格形狀的邊界效應帶來的樣本偏差，因此使用該方法構建中山公園樹木致傷風險的空間分布圖。利用ArcGIS 10.7的創建漁網和泰森多邊形工具將中山公園劃分為邊長為20m的六邊形蜂窩網格，共計得到371個網格。通過SPSS 25.0對樹木體積和活動人群數量進行max-min歸一化處理，將處理后的數據導入ArcGIS，利用空間連接工具以網格為統計單元，分別計算出樹木自身風險指數、致傷潛力指數和城市樹木致傷風險指數，得到對應空間分布圖。

3)空間自相關分析。

全局空間自相關性常用于分析某一要素所在空間和整個區域的平均關聯程度，常用全局莫蘭指數(Global Moran'sI)作為衡量指標。局部空間自相關性用于分析區域內某一要素局部空間與相鄰空間內要素的關聯程度，常用安瑟倫局部莫蘭指數(AnselinLocal Moran'sI)衡量。在GeoDa軟件中，分別對中山公園的城市樹木致傷風險、樹木自身風險和致傷潛力的空間分布數據進行單變量全局空間自相關分析，比較分析三者的空間分布特征；對樹木自身風險和致傷潛力的空間分布數據進行雙變量局部空間自相關分析，探究兩要素之間的空間分異特征。

2 結果

2.1 樹種個體風險特征

調查結果表明，中山公園內符合體積要求的樹木共有98種、4 739株，其中受損樹木58種、1 280株(占總量的27.01%)，包括Ⅰ類癥狀642株、Ⅱ類628株、Ⅲ類200株和Ⅳ類408株。計算不同樹種的樹種個體風險，結果表明：中山公園內大部分樹種的個體風險較低，而懸鈴木、刺槐、楓楊的樹種個體風險最高，很大程度上取決于樹木體積，且樹木受損情況出現頻率較高，如懸鈴木在5項檢測項目中出現受損概率占據前五(表2)。

表2 中山公園內樹種個體風險和出現各類受損概率最高5種植物

2.2 樹木致傷風險的空間分布特征

1)樹木自身風險的空間分布特征。

繪制樹木自身風險的空間分布圖(圖2)，結果表明：南部的園林景觀區占全園總面積23.2%，但分布著39.1%的受損樹木；北部的生態游樂場區(面積占比47.7%)分布著34.8%的受損樹木；中部的文化休閑區(面積占比29.1%)分布著26.1%的受損樹木。此外，受損樹木表現出親水性分布特征，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅵ類受損樹木分別有47.2%、36.8%、41.0%、35.5%分布在水體岸線周邊的20m范圍內。

圖2 樹木自身風險的空間分布圖

2)樹木致傷潛力的空間分布特征。

在相關的項目負責人接受任務時，必須要對運維的具體內容、具體時間和具體地點進行充分的明確，不能有任何紕漏。

調查結果顯示，工作日的活動高峰時間為上午8：00—10：00，日均高峰期使用者為3 114人，多為老年人，活動方式包括舞蹈、歌唱、運動等，其37.3%分布在園林景觀區；休息日的活動高峰時間為上午8：00—10：00和下午16：00—18：00，日均高峰期使用者為5 202人，上午多為老年人晨練，下午多為年輕人露營、兒童游玩游樂設施等，園林景觀區和生態游樂場區活動人群數量分別占33.5%和44.4%。

基于區域內活動人數，分別繪制樹木致傷潛力在工作日、休息日的空間分布圖，結果表明：(1)在工作日，園林景觀區致傷潛力總值為23.22，均值高達為0.27，該區域致傷潛力較高且較為集中；休閑文化區致傷潛力總值為22.68，均值為0.21；生態游樂區致傷潛力總值高達24.78，但均值為0.14，處于較低水平；(2)在休息日，園林景觀區、休閑文化區和生態游樂區致傷潛力總值分別為39.33、31.43、76.32，均值分別為0.46、0.29、0.43，均屬于較高潛力區域(圖3)。

圖3 致傷潛力空間分布圖

3)樹木致傷風險的空間分布特征。

計算樹木致傷風險指數，并繪制其空間分布圖，根據風險矩陣等級劃定方法，將樹木致傷風險分為微弱風險(IUTIR＜0.2)、低風險(0.2≤IUTIR＜0.5)、中風險(0.5≤IUTIR＜2)和高風險(2≤IUTIR)4個等級。結果表明，公園整體呈現低風險特征，其中81.90%的區域屬于低風險和微弱風險區域(無風險區域占全園面積的65.7%，低風險區域占16.2%)，12.9%的區域屬于中風險區域，僅5.1%的區域屬于高風險區域(圖4)。存在無風險區域的原因主要有2種可能，一是區域內無人群活動，二是區域內無樹木。低風險區域內雖同時分布著活動人群和樹木，但其樹木均未受損。

圖4 樹木致傷風險空間分布圖

4)樹木致傷風險、自身風險、致敏潛力的空間分布關系。

在GeoDa中分別對樹木自身風險、致傷潛力、致傷風險進行全局空間自相關和局部空間自相關分析，探究其空間分布的集聚特征。結果表明三者的空間分布均呈現出明顯的聚集特征和正相關性(p＜0.001，z＞1.96)(表3)，且線性關系一致，大部分落在第一象限(高高集聚型)與第三象限(低低聚集型)內，表明三者越高的區域越趨向于聚集，三者越低的區域也表現出聚集趨勢(圖5)。

表3 空間自相關分析結果

圖5 全局莫蘭指數散點圖

對樹木自身風險和致傷潛力的空間分布數據進行雙變量局部空間自相關分析，結果表明，Moran'sI指數為0.325，樹木自身風險和致傷潛力具有顯著的區域聚集性與細微的區域差異性(p＜0.01，z=10.802)。其中，正相關類型的HH型(兩者均高)區域和LL型(兩者均低)區域共占全園面積的68.7%，負相關類型的LH型(樹木自身風險低但致傷潛力高)和HL型(樹木自身風險高但致傷潛力低)占25.1%，剩余6.2%的區域沒有明顯相關性(圖6)。

圖6 樹木自身風險指數-致傷潛力指數局部空間自相關Lisa聚集圖

3 討論

3.1 樹木自身風險與致傷潛力的空間分異

研究結果顯示，中山公園的城市樹木致傷風險、樹木自身風險和致傷潛力均呈現出集聚關系。在公園的大部分區域，樹木自身風險與致傷潛力的正相關趨勢明顯，其中以水體岸線20m范圍內尤為明顯，樹木自身風險水平與致傷潛力均較高。造成這一現象主要有三方面的可能原因：其一，靠近水體的土壤濕度較高，穩定性相對較差，且易對樹木的根系造成侵蝕，影響樹木的生長態勢，由于武漢城市地勢與結構的特殊性，其多雨、洪澇災害頻繁的特性更放大了這一現象，從而近岸區域具有較高的樹木自身風險；其二，人類具有天生的親水性特征，可接觸的親水區域更容易吸引人群駐留，因此致傷潛力較高；其三，大型樹木容易聚集人群，所帶來的樹干刻字、彎折樹枝等行為，也無疑加大了樹木自身風險。

在公園的局部區域內，樹木自身風險與致傷潛力之間也存在著負相關性，其空間分異特征明顯，大體可分為HL型和LH型2類：1)樹木自身風險高、致傷潛力低(HL型)的區域，主要分布在中山公園南部的園林景觀區，其內雖然分布大面積樹木自身風險較高的群植樹木，但由于樹木數量眾多、種植密集、樹體龐大導致郁閉度過高、空間局促，不利游客活動，且區域內游徑設置較少，也缺乏集中的硬質場地，因此游客罕至，致傷潛力較低；2)樹木自身風險低、致傷潛力高(LH型)的區域，主要分布在北部的生態游樂區，其內分布著大量的大型游樂設施、大面積草坪和大規模活動場地，因此吸引了公園的大部分活動人群，但由于周邊僅分布著提供遮陽功能的行道樹，樹木稀少，因此樹木自身風險較低。

3.2 城市樹木致傷風險管理建議

基于中山公園樹木自身風險、致傷潛力與致傷風險之間表現出的空間耦合和分異關系，提出管理城市樹木致傷風險的建議。1)以樹木自身風險特征為判定標準，進行樹木自身風險的分類、分級，構建覆蓋全園樹木的健康數據庫，形成完備的定期監測系統及警示制度，根據監測結果的反饋對數據庫進行及時調整，針對高風險樹木和已經發生結構性受損的樹木進行精細化的修復、養護管理，控制這2類樹木的樹高及冠幅等，以降低安全隱患。2)依據樹木致傷風險指數評估結果對公園進行精細化管理，將公園劃分為不同等級的致傷風險管控區域。其中高風險區即劃定為管護重點區，一方面，設置明確的風險標識、警示，提升其管護頻率、巡邏頻率、管理強度，并建立健全險情應急預案；另一方面，根據公園活動人群的空間分布特征及行為模式，對此類區域進行合理的改造設計，降低風險等級，或引導活動人群分流前往中、低風險區域活動。3)加強游客的安全教育和管理，對游客進行樹木風險教育，合理采取獎懲措施，引導游客開展文明游覽，規避游客攀爬、折損樹木等行為，降低由于游客活動所導致的樹木受損風險。4)以樹木自身風險為依據，科學選配樹種。在人群聚集處慎重選擇樹體龐大但根系較淺、易受病蟲害影響的自身風險較高的樹種，如懸鈴木、刺槐、楓楊等，此類樹種可增加植物的多樣性，具有重要的生態意義，但宜種植于背風處、人跡罕至處，以盡可能降低對人群的潛在危害，同時，在種植時還應注意綁扎支撐，同時加強日常養護管理；在植物配置上應形成喬灌草復合形式，為自身風險較高的樹種提供庇護，以減少風荷載，形成穩定植物群落，增強樹木對外部環境變化的抗性，提高植物與環境的相適性；如果栽植基址易遭遇洪澇、風暴等自然災害，還應著重考慮植物的抗風性和耐水性。

4 總結

本研究以可視化評估方法為內核，以風險矩陣法為基礎，通過風險嚴重性、風險可能性和致傷潛力3個維度，建構了樹木致傷風險的評價指標IUTIR指數，在樹木風險評估中考量了對人群致傷的可能性，能直觀、精確地展現樹木自身風險、致傷潛力及致傷風險的空間分布關系和空間分異特征，并能進行高精度的樹木致傷風險制圖。本研究所建構的IUTIR指數及其制圖方法能幫助城市管理者制定更科學的城市綠化工作策略和游客管理策略，幫助營建更安全、更和諧的城市人居環境和綠色空間，具有重大的研究和實踐價值。

由于研究以可視化評估方法為內核，雖然有效保障了調研、評估的效率，降低了操作的難度，但對評估人員提出了更高的專業要求，不同專業水平的調查人員對同一棵樹可能會做出不同的判定結果，進而在一定程度上影響評估結果，這也是本研究所存在的局限性。后續研究可針對不同類型的樹木特征，結合城市綠化養護管理工作所長期收集、積累的樹木受損數據，建立綜合的樹木風險數據庫，并且結合不同樹種在不同生長期的基礎數據，進一步提出更為精細、準確的量化評判標準，編制樹木致傷風險評估圖示標準、指南，降低可視化評估中潛在主觀偏差產生的可能性，從而更有效地指導樹木風險管理決策的制定。

注：文中圖片均由作者拍攝或繪制。