賈寶全 ，王 成，邱爾發(fā)，郄光發(fā)

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091;2.林木遺傳育種國家重點實驗室，北京 100091;3.國家林業(yè)局城市林業(yè)研究中心，北京 100091)

城市是物流、人流、信息流、能流最集中、流動最活躍、創(chuàng)造生產(chǎn)力最大、效益聚集最高的區(qū)域。隨著全球與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的人口選擇了城市生活，城市規(guī)模也隨之不斷擴(kuò)大，使得城市用地的變化速率超過了任何一種其他的土地利用類型［1］。根據(jù)2009年聯(lián)合國《世界人口趨勢》報告，2008年全球城市居民人數(shù)首次超過了農(nóng)村居民［2］。目前世界上人口超過千萬的大城市數(shù)量與1950年相比翻了10倍［3］，城市化已經(jīng)成為了現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。

但城市景觀是自然景觀與人工景觀的有機(jī)結(jié)合，具有人類主導(dǎo)性、生態(tài)脆弱性和景觀破碎性等特點［4］。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市人口不斷增多、資源短缺不斷擴(kuò)大、環(huán)境負(fù)荷不斷加重的壓力也愈顯突出，城市環(huán)境污染、景觀破碎化、生態(tài)用地不足等問題也越來越大［5-7］。在城市化進(jìn)程的加速與環(huán)境問題的加劇的矛盾糾葛中，人們也在不斷尋求緩解或消除生態(tài)環(huán)境問題的有效途徑，從而也開始了對植被生態(tài)系統(tǒng)在優(yōu)化城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能中作用的重新審視，人們越來越意識到了城市植被，尤其是城市樹木對改善城市生態(tài)環(huán)境的重要性［8-12］。城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)中具有自凈功能的組成部分，在改善環(huán)境質(zhì)量、維護(hù)生態(tài)平衡、保護(hù)人體健康、美化城市景觀等方面具有其它城市基礎(chǔ)設(shè)施不可替代的地位，在現(xiàn)代生態(tài)城市建設(shè)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。正是在這樣一種背景下，城市森林學(xué)科得以產(chǎn)生，并獲得了越來越大的發(fā)展空間。以城市森林為主體的這些城市綠色空間既是與改善人們城市生活品質(zhì)和解決社會生態(tài)問題至為關(guān)鍵的生態(tài)資源，又是城市區(qū)域支持生物多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的核心所在［13-14］。

我國目前已進(jìn)入了城市化發(fā)展的加速期，城市化率已經(jīng)由1993年的28%提高到了2011年的51.3%，預(yù)計到2020年這一數(shù)字將達(dá)到55%。在當(dāng)前城市建設(shè)用地緊張、可供綠化的土地面積嚴(yán)重不足的情況下，如何在有限的土地上，從城市生態(tài)的視角出發(fā)，科學(xué)合理地評價、規(guī)劃與管理城市森林，已經(jīng)成為了城市森林和城市生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。城市森林建設(shè)主要有兩個方面:量的擴(kuò)張與質(zhì)的提升。從目前世界各地的城市森林實踐看，目下還是以量的擴(kuò)張為主要方面。城市林木樹冠覆蓋既是衡量城市森林建設(shè)成效最重要的指標(biāo)，也是制定城市森林發(fā)展規(guī)劃的最重要目標(biāo)所在，因此，開展城市林木樹冠覆蓋的相關(guān)研究工作，對于指導(dǎo)我國的森林城市建設(shè)具有重要的理論和實踐價值。

1 城市林木樹冠覆蓋研究的意義

城市森林的服務(wù)功能與生態(tài)、社會效益息息相關(guān)，事關(guān)城市居民的社會與健康福祉，是發(fā)展城市森林的最大動力。而監(jiān)測、量化和評價這些效益是城市森林建設(shè)的核心工作，由于城市林木樹冠覆蓋(Urban tree canopy，簡稱UTC，下同)是與城市森林評價及其健康與穩(wěn)定性優(yōu)化關(guān)聯(lián)度最大的指標(biāo)。因此從20世紀(jì)60年代城市森林概念產(chǎn)生與學(xué)科建立以來，在歐美這些較早發(fā)展城市森林的國家中，一直將其作為評價、監(jiān)測、規(guī)劃城市森林的最重要指標(biāo)，來指導(dǎo)城市森林從理論研究向?qū)嵺`活動延伸。

與國外評價、規(guī)劃與管理城市森林的指標(biāo)不同，我們國家在管理體制上存在著城鄉(xiāng)二元格局，即林業(yè)上一直使用森林覆蓋率和森林蓄積量兩個指標(biāo)來評價森林的面積和質(zhì)量，而市政園林綠化部門通常使用綠地率、森林覆蓋率、人均綠地面積等統(tǒng)計指標(biāo)，來評價城市植被的功能效益。雖然城區(qū)以外的森林植被分類與國際接軌，但在城內(nèi)綠地的劃分上，我國沿用了前蘇聯(lián)的分類方法與體系，主要從大功能管理角度上劃分為居住綠地、公園綠地、單位綠地、生產(chǎn)性綠地、防護(hù)性綠地等類型［15］，城市城區(qū)綠化的規(guī)劃與建設(shè)也以此基礎(chǔ)進(jìn)行的。這導(dǎo)致了兩個問題。首先，城區(qū)綠化的分類系統(tǒng)與指標(biāo)，只有量的核定與要求，而沒有質(zhì)的方面的內(nèi)容，在我國城市生態(tài)用地總量嚴(yán)重不足的前提下，不利于通過提高城市綠化樹種中喬木樹種、大樹冠樹種的應(yīng)用，來從三維綠量提高的角度指導(dǎo)目前的城市綠化工作，而這在我國目前的城市城區(qū)綠化中又是最為急迫的關(guān)鍵所在;其二，在目前全球以建設(shè)森林城市、生態(tài)城市為未來城市生態(tài)模式的氛圍下，雖然我們也在提倡建設(shè)森林城市，并結(jié)合我國實際提出了城鄉(xiāng)一體、城鄉(xiāng)同步等理念，但由于目前的城鄉(xiāng)管理二元結(jié)構(gòu)的存在，在具體的城市森林規(guī)劃與建設(shè)過程中，依然是各自為政，難以在城市森林建設(shè)中形成最強(qiáng)合力，在一定程度上也阻礙了我國的城市森林建設(shè)與發(fā)展，已經(jīng)不能滿足我國城市森林實踐的現(xiàn)實需求。

為了正確引導(dǎo)我國的森林城市建設(shè)，從2004年起，我國國家林業(yè)局正式開始了“國家森林城市”創(chuàng)建活動。截止2012年7月9日，已成功舉辦了9屆“城市森林論壇”，先后已有41個城市獲得了“國家森林城市”稱號，目前隨著“創(chuàng)森”活動的深入開展，許多城市都將擴(kuò)大城市森林容量作為市政府工作中的“一把手工程”、“民心工程”，城市森林建設(shè)呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的強(qiáng)勁態(tài)勢。但從各地的城市森林建設(shè)實踐過程來看，目前的焦點依然還處在“增綠”、“擴(kuò)綠”這一層面。而對于如何科學(xué)、合理規(guī)劃城市森林，優(yōu)化利用有限的生態(tài)用地這一層面關(guān)注較少。究其原因，主要還在于城市森林理論研究趕不上實踐活動的步伐，而且缺乏科學(xué)的規(guī)劃理論來指導(dǎo)森林城市建設(shè)實踐。

在2007年出臺的《國家森林城市評價指標(biāo)》及其即將頒布的最新修改文本中，參照國外城市森林建設(shè)的經(jīng)驗，均明確提出了將城市樹木樹冠覆蓋率、道路樹冠覆蓋率和停車場樹冠覆蓋率作為城市內(nèi)部森林建設(shè)的重要考核指標(biāo)。而從目前所有做過的“森林城市建設(shè)總體規(guī)劃”文本來看，均未將城市林木樹冠覆蓋率作為規(guī)劃、評價或管理指標(biāo)予以采用，這說明我們對該指標(biāo)的引進(jìn)、吸收、消化等方面的研究工作還很有限。從目前的國內(nèi)研究上來看，僅在2011年有3篇與之有關(guān)的專門研究文獻(xiàn)出現(xiàn)［16-18］。

因此，無論是我國的城市森林研究還是城市森林規(guī)劃、管理實踐，均迫切需要開展城市林木樹冠覆蓋及相關(guān)的研究工作，只有在實踐活動過程中，充分考慮城市森林建設(shè)的長效性、累積性、不可逆等特點，且具有較高的前瞻性、準(zhǔn)確度之后，才能有效避免造成人、財、物的浪費，以更好地指導(dǎo)我國的城市森林建設(shè)工作。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

2.1 城市林木樹冠覆蓋的概念、分類與評價

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局的定義，城市林木樹冠覆蓋(UTC)指的是，當(dāng)從樹木上面垂直觀察時，樹木葉層、樹枝、樹干所覆蓋的地表面積，在這里，城市林木是由圍繞在房子周圍的居住區(qū)樹木、公園開敞空間的樹木，以及商業(yè)和商務(wù)區(qū)的樹木構(gòu)成的［19］。目前一般將其劃分為現(xiàn)實樹冠覆蓋率(Existing UTC)和潛在樹冠覆蓋率(Possible UTC)。現(xiàn)實樹冠覆蓋率指的是現(xiàn)狀情況下城市內(nèi)部被喬木樹冠覆蓋的土地面積總量;潛在樹冠覆蓋率指的是在城鎮(zhèn)邊界范圍之內(nèi)，能夠被樹冠覆蓋、但目前尚未覆蓋的地表面積的百分?jǐn)?shù)。傳統(tǒng)來講，潛在樹冠覆蓋率指的是目前未被林木覆蓋的可透水地表的總量，包括了所有的草地和裸土地，但不包括像被鋪裝過的停車場和廣場等這些可以通過在不透水地表增加樹木進(jìn)而增加樹冠覆蓋面積的部分。潛在樹冠覆蓋率又包括了兩個部分:植被潛在樹冠和不透水地表潛在樹冠。植被潛在樹冠指的是在城鎮(zhèn)邊界范圍內(nèi)，目前沒有植被但理論上可以被用來栽植樹木從而增加樹冠覆蓋的土地總量，包括了草地和裸土地兩個城市用地類型。不透水表面潛在樹冠指的是除了建筑物、水體和鋪裝的路面之外的，目前還沒有樹木但可以用來增加城市樹冠的土地面積總量，包括了廣場、停車場、人行道等。McPherson則從技術(shù)和市場兩個角度出發(fā)，將潛在樹冠覆蓋劃分為兩種類型:技術(shù)層面的潛在樹冠覆蓋面積和市場層面的潛在覆蓋面積［20］。前者指的是可供種植樹木的空間總量，即現(xiàn)有的樹冠覆蓋加上能夠用來種植林木的透水表面;后者指的是可允許種植樹木的潛在空間量，即需要排除與其他樹木有沖突，或優(yōu)先要保留以備未來要用作運動場、植物園和開發(fā)等的地塊，以及人們希望保留現(xiàn)狀而不予種植樹木的地塊。相對來講，技術(shù)層面的樹冠覆蓋是非常容易測算的，但市場潛在樹冠覆蓋由于涉及到復(fù)雜的社會文化現(xiàn)象，因此截至目前還沒有被很好的研究過［21］。目前，城市林木樹冠覆蓋數(shù)據(jù)的獲取，主要是基于城市用地分類，在上述概念的指導(dǎo)下，再通過對城市用地類型的歸并來取得(表1)。

表1 美國幾個城市與樹冠覆蓋相關(guān)的土地覆蓋分類Table 1 LUCC classification system related with the urban tree canopy in some American city

從目前城市林木樹冠覆蓋率概念應(yīng)用的內(nèi)涵來看，其分類上的差別主要在于是否將城市灌木作為樹冠覆蓋的一部分，目前國外是兩種情況并存，即有的城市將灌木與喬木一起作為城市現(xiàn)存森林樹冠覆蓋對象來解譯統(tǒng)計，另有一部分城市將城市灌木排除在了城市現(xiàn)實森林樹冠覆蓋的統(tǒng)計范圍之外。究其原因，主要與研究工作上所使用的遙感影像信息源有關(guān)。凡是利用航空照片的，由于其分辨率極高，很容易將灌木與喬木分開，所以以此為基礎(chǔ)的城市林木樹冠覆蓋都將灌木單獨提出，并不包括在內(nèi);相反，以衛(wèi)星影像為信息源的，由于目前可以商用的分辨率最高為50cm(航片通常為20cm左右)，喬木樹冠與灌木樹冠有時很難區(qū)分，因此，為了減少研究誤差，以此為基礎(chǔ)的樹冠覆蓋率研究工作中，常將其不加區(qū)分而放在一起。

由于現(xiàn)實的樹冠覆蓋對于城市森林的功能發(fā)揮具有重要意義，而潛在的樹冠覆蓋對于城市森林未來建設(shè)目標(biāo)的制定、地點選擇、建設(shè)效益預(yù)估等方面也具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。作為城市森林規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，林木樹冠覆蓋評價在整個規(guī)劃過程的運作以及保障規(guī)劃的最終成功上，也起著非常關(guān)鍵的作用。因此，城市林木樹冠覆蓋評價也是非常重要的研究內(nèi)容，其核心就是以不同的統(tǒng)計口徑對行政區(qū)內(nèi)更小一級的行政單元或者社區(qū)、宗地等單元內(nèi)的樹冠覆蓋數(shù)量和質(zhì)量及其動態(tài)做出描述，以期更好地從最小單元服務(wù)于整個規(guī)劃。

對城市森林管理最有用的總的結(jié)構(gòu)測度指標(biāo)就是樹冠覆蓋率的總量與空間分布范圍，它是城市森林結(jié)構(gòu)的最基礎(chǔ)測度［22］。在城市森林建設(shè)與管理過程中使用林木樹冠覆蓋這一概念有許多優(yōu)點。首先，它是衡量城市森林范圍的最簡單、最直觀的指標(biāo)。城市林木樹冠覆蓋率可以在不同的時空尺度上進(jìn)行探測，其數(shù)值也可以在一個城市內(nèi)部和不同的城市之間進(jìn)行量化比較，因此，對于城市森林的經(jīng)營與管理而言，它是一個非常好的工作指標(biāo);其次，對于社會大眾而言，由于該概念明晰、簡單，容易被普通民眾所理解和接受，因而常被作為城市森林問題溝通過程中的一個有用工具［23］。第三，社會用樹冠覆蓋作為可測算的城市森林管理目標(biāo)，能夠告知公眾土地開發(fā)、樹木種植和保護(hù)的政策、法令和規(guī)范信息，同時還可以利用該指標(biāo)來作為城市不同功能區(qū)域生態(tài)保障的最低要求。例如在城市內(nèi)部，由于土地利用影響到了可用于植被的空間總量，因此，住宅區(qū)趨向于擁有較高的樹冠覆蓋，而商業(yè)或工業(yè)土地利用則擁有較低的樹冠覆蓋［24］。

通常，城市森林建設(shè)是依靠增加城市林木樹冠覆蓋的需求來驅(qū)動的［25］，因為城市林木樹冠覆蓋的評估具有能夠估算一定區(qū)域內(nèi)的城市森林效益總量的作用，從而使得該指標(biāo)在森林城市的研究與規(guī)劃工作中被普遍采用。通過這些評價，城市可以得到其樹冠覆蓋的總量和分布信息，以及潛在的樹冠覆蓋區(qū)域和面積，進(jìn)而城市管理者可以利用這些評估信息，為未來的與城市樹冠覆蓋相關(guān)的政策和決策提供背景。在現(xiàn)實樹冠覆蓋率的評價過程中，通常將其分為三類:低樹冠覆蓋率(UTC＜20%)、中樹冠覆蓋率(20%≤UTC≤49%)和高樹冠覆蓋率(UTC≥50%)，從而在GIS圖面上可以直觀比較、評價不同區(qū)域的樹冠覆蓋率差異。

2.2 城市林木樹冠覆蓋與城市森林服務(wù)功能

城市森林的服務(wù)功能一直是城市森林功能研究中的核心詞匯，城市林木樹冠覆蓋常被看做樹木和森林為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┡R界服務(wù)程度的指示器。一個國家或城市層面的城市林木樹冠覆蓋評價，可以反映出林木樹冠覆蓋以及由其提供的服務(wù)功能在國內(nèi)不同地方的差異。城市森林的結(jié)構(gòu)決定了城市森林的功能［26］，這些功能又包括了城市森林提供的各種服務(wù)效益，以及城市森林管理所必需的一些有影響的實踐活動［27-28］。根據(jù)相關(guān)研究，在美國，城市森林對比例高達(dá)79%的城市居民提供了各種福利［29-30］。這些福祉包括了身體健康［31］、工作與生活壓力的恢復(fù)［32］、心理健康［33］、社會凝聚力的提高［34］、美學(xué)價值［35］，以及像暴雨徑流和溫度調(diào)節(jié)、固碳釋氧［36］、生物多樣性保護(hù)［37］和房地產(chǎn)增值［38-39］等諸多方面，城市樹木還通過為居民和小汽車提供遮陰服務(wù)進(jìn)而來減輕城市的熱島效應(yīng)［40］。也有報告指出，城市樹木還可以通過其美學(xué)價值來影響人們的行為，從而形成正向的、積極的購物體驗［35］。城市林木提供的這些生態(tài)服務(wù)功能中，大氣污染物的去除、暴雨徑流的減輕、建筑物的節(jié)能等效益的大小直接與城市林木樹冠覆蓋多少和質(zhì)量高低相關(guān)聯(lián)。

在城市景觀中，以城市森林為主體的自然系統(tǒng)以及與之相關(guān)聯(lián)的生態(tài)服務(wù)功能是城市基礎(chǔ)設(shè)施中最為關(guān)鍵的構(gòu)成要素。生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能會隨著時間與城市森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展而變化。根據(jù)國外多年來大量的城市森林研究與實踐活動成果來看，對這種變化的量化監(jiān)測能力而言，它在很大程度上依賴于對城市林木樹冠覆蓋評價的準(zhǔn)確性與及時性，而這種能力也是優(yōu)化城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康并提高其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)［41］。換言之，城市林木樹冠覆蓋率是評價、監(jiān)測、規(guī)劃城市森林的最重要的指標(biāo)。

以植被覆蓋為核心指標(biāo)的城市森林生態(tài)服務(wù)功能評價目前已經(jīng)全部實現(xiàn)了計算機(jī)的快速化計算與可視化，目前最常用的評價軟件模型有兩個:Citygreen和I-tree。Citygreen是美國森林組織(American Forests)于1996年開發(fā)的專門用于城市森林效益評價的軟件，目前已經(jīng)開發(fā)出用于arcview和ArcGis兩種GIS平臺的專用分析模塊。該模型所分析的城市森林效益包括了碳儲存及碳吸收、水土保持、大氣污染物清除、節(jié)能以及提供野生動物生境等5個方面，并能夠?qū)⑸鲜鲂б姘凑帐袌鰞r值法、替代價值法、影子工程法等核算方法折算成直觀的貨幣經(jīng)濟(jì)價值。此外該模型還可以根據(jù)植被現(xiàn)狀，通過生長模擬，對植被所發(fā)揮的生態(tài)效益作出動態(tài)預(yù)測，并可根據(jù)不同的城市森林規(guī)劃方案，預(yù)估其生態(tài)效益，以用之于輔助決策［42-43］。美國的林業(yè)工作者，已經(jīng)使用遙感影像和CITYgreen軟件，制作了樹冠覆蓋變化的歷史圖件，并以此分析城市森林每年提供的服務(wù)價值，像 Atlanta，Georgia，Washington，D.C.，Roanoke，North Carolina等城市都有這方面的成果［44-46］。I-tree則是由美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局，會同其他一些國立或私人林業(yè)機(jī)構(gòu)和其他一些合作者共同開發(fā)的。該軟件的功能比Citygreen更為強(qiáng)大，除了城市森林服務(wù)功能評價模塊之外，它還包括了街道樹木資源分析工具模塊(STRATUM)、移動社區(qū)樹木調(diào)查模塊(MCTI)、暴雨災(zāi)害評價模塊(SDAP)等專項城市森林分析工具，此外它還提供了一定地理范圍內(nèi)適宜樹種的選擇模塊［47］，這些眾多模塊的集成，極大地方便了城市森林的研究與規(guī)劃設(shè)計工作。

與國外研究工作相比，國內(nèi)的研究工作基本上屬于跟蹤研究，在研究內(nèi)容上與國外無差異，在研究的方法上，也經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的野外樣方定位測定，到與3S技術(shù)結(jié)合并利用國外模型分析的階段［48-51］。在模型應(yīng)用上，目前主要是利用了Citygreen［52-56］，而對于i-tree模型的應(yīng)用，國內(nèi)目前還未看到相關(guān)的公開文獻(xiàn)。由于城市林木木樹冠覆蓋數(shù)據(jù)在評價城市森林服務(wù)功能的軟件中僅僅作為重要的輸入?yún)?shù)項出現(xiàn)，因此，國內(nèi)研究雖然對此有所涉獵，但遺憾的是一直未能將其單獨提出，再開展更深入的研究工作。但在我國城市森林研究歷史短、大眾對其缺乏認(rèn)識的歷史背景下，通過這些工作，加深了人們對我國城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的認(rèn)識。

2.3 城市林木樹冠覆蓋的研究方法

在研究方法上，城市林木樹冠覆蓋研究，也經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)野外樣方、樣線、樣地調(diào)查，到這些傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代航空和中低分辨率衛(wèi)星遙感影像相結(jié)合，再到高清晰度衛(wèi)星影像完全解譯這幾個階段。樣線法與樣點法是最早用來估算城市林木樹冠覆蓋的方法［57］，其中森林資源調(diào)查中基于隨機(jī)定點的植被蓋度野外測量技術(shù)，常被用來估算整個城市的樹冠覆蓋情況［58］。但隨著遙感技術(shù)的日漸進(jìn)步，航空相片與衛(wèi)星影像也被越來越多地用于城市林木樹冠覆蓋的測量，遙感技術(shù)的好處是，可以利用不同分辨率的遙感影像，在社區(qū)、區(qū)域甚至國家等不同的空間尺度上來對城市森林的效益進(jìn)行評估。

目前，城市林木樹冠覆蓋數(shù)量信息的獲取，既可以通過航空照片的解譯得到［57，59］，也可以通過高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像獲得［60-62］;另外中尺度衛(wèi)星影像［63-65］和低分辨率衛(wèi)星影像［66-67］的解譯也可以提供數(shù)量化的信息。相對于城市林木樹冠覆蓋的評價而言，不同的技術(shù)和影像格式各有其優(yōu)缺點。

航空照片的解譯是最早用來量化城市林木樹冠覆蓋的遙感方法［57，59］。由于航空照片的覆蓋范圍所限，故其常與地面樣點調(diào)查相結(jié)合，落到每一個樣點上的樹冠覆蓋數(shù)量在統(tǒng)計上代表了研究區(qū)域的城市林木樹冠覆蓋總量。樣方點的標(biāo)準(zhǔn)差也被用來計算樹冠百分率估算的范圍。在許多市政當(dāng)局，隨著數(shù)字化正射影像與GIS的使用，航空照片的解譯也變得非常容易實施。

高分辨率的航空和衛(wèi)星遙感影像已經(jīng)被成功應(yīng)用于美國的Baltimore、Annapolis、Maryland和New York等城市的森林樹冠覆蓋的制圖工作中［60，62，68］。最常用的信息源，是包含4個多光譜波段(近紅外、紅、綠和藍(lán))的高分辨率Quickbird和IKONOS衛(wèi)星影像。由于這些傳感器擁有足夠的光譜范圍，進(jìn)而可被成功應(yīng)用到自動分類算法當(dāng)中。尤其值得一提的是，這種高分辨率影像對于識別城市中的孤立木也是非常有效的，而孤立木在城市的發(fā)展過程中又是極其普遍的。

具有幾十到數(shù)百米空間分辨率的中尺度衛(wèi)星影像，常被用來分析整個城市或區(qū)域城市化地區(qū)的林木樹冠覆蓋。TM(ETM)影像就是最通用的中分辨率衛(wèi)星影像，該影像早已經(jīng)被應(yīng)用于城市林木樹冠覆蓋的制圖工作中［63-64］。美國全國的2001年土地覆蓋數(shù)據(jù)庫中，就有一個基于ETM影像數(shù)據(jù)的林木樹冠覆蓋圖層［69］，該數(shù)據(jù)曾被用于美國林務(wù)局全美森林服務(wù)資源規(guī)劃行動(RPA)項目中。而在此之前，美國曾于1991年基于1km的AVHRR制作了全國范圍的城市樹木覆蓋數(shù)據(jù)［67］。1991年和2001年的這兩個全國性的樹冠覆蓋數(shù)據(jù)，雖然其精度有限，但對于了解不同區(qū)域樹冠覆蓋分布格局及其總體變化趨勢還是非常有用的。

在利用遙感數(shù)據(jù)獲取城市林木樹冠覆蓋信息的過程中，影像的解譯對于相關(guān)研究的成功而言至關(guān)重要，這其中影像的分類最為關(guān)鍵。對于中等分辨率的遙感影像，過去常常采用的是依據(jù)波譜信息的基于像元的或亞像元的分類方法，隨著高分辨率遙感影像在城市森林研究中的應(yīng)用愈來愈多，這些影像解譯方法已經(jīng)遠(yuǎn)不能夠滿足研究精度的需求。在高分辨率影像中，單個象元的大小遠(yuǎn)小于要被分類的目標(biāo)物的尺寸大小，從而導(dǎo)致了不同光譜特征的許多像元組合在同一個目標(biāo)物中。例如，當(dāng)用亞米級像素的影像來觀察樹冠時，樹冠則是由代表來自植被表面的反射率，以及陰影部分的像元來組成，而在單個像元水平上，喬木樹冠與草地地表一般情況下具有相似的光譜響應(yīng)。這種城市林木樹冠覆蓋要素在影像上的不一致性，使得要單獨依據(jù)波譜信號來分類林木樹冠覆蓋變得非常困難。為了解決這一瓶頸，早期的一些研究者采用了影像紋理測量方法，該方法在從植被地表將喬木和灌木識別出來的過程中非常有效［60，62］。另外一個處理方法是應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆诸惣夹g(shù)，在這種分類方法中，它以整個目標(biāo)物為基本單元，已被成功應(yīng)用在以宗地水平為基礎(chǔ)的城市土地覆蓋分類研究中［68，70-71］，目前該方法在城市林木樹冠覆蓋的相關(guān)研究工作中的應(yīng)用才剛剛開始，但已經(jīng)顯示出了巨大的應(yīng)用前景［72］。在個別的研究工作中也將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)(LIDAR)整合進(jìn)分類過程中，用以提取植被高度方面的信息［71］，該技術(shù)為城市空間三維綠量研究開拓了很好的思路和可實現(xiàn)的途徑。

2.4 城市林木樹冠覆蓋與城市森林規(guī)劃

城市森林是城市里面最具生命力的基礎(chǔ)設(shè)施，其管護(hù)成本很高，根據(jù)資料，美國每年城市森林的管理費用就高達(dá)10多億美元［73］。由于城市森林具有高投入、高產(chǎn)出，以及效益外溢化的特點，加之城市地區(qū)又是高度人工化的區(qū)域，城市森林增量很大程度上依賴于人工造林的成果，所以城市森林建設(shè)規(guī)劃的科學(xué)性、合理性與可實施性對于城市森林的管理而言也是至為關(guān)鍵的。

城市地區(qū)，作為最重要的環(huán)境質(zhì)量指示者，樹冠覆蓋率是理解城市森林結(jié)構(gòu)和有效管理城市森林資源知識的最基本要素［20，67］。因此在城市地區(qū)，對于環(huán)境規(guī)劃與生態(tài)管理決策而言，樹冠覆蓋率通常是最基礎(chǔ)的考慮要素。

由于現(xiàn)存城市林木的壽命長短還受到蟲害與病變等外部壓力的影響，為了保持或增加城市樹木覆蓋，設(shè)置合理科學(xué)的城市林木樹冠覆蓋目標(biāo)是非常重要的［74］。這些目標(biāo)，可以允許在城市林木樹冠覆蓋的保護(hù)上面應(yīng)用一些特殊的管理措施。與未來不可預(yù)測的樹冠覆蓋損失相比較，設(shè)置合理的目標(biāo)與管理措施和實施機(jī)制對于城市林木現(xiàn)實樹冠覆蓋具有更為積極的意義。由于區(qū)域氣候和局部土地利用格局對林木樹冠覆蓋具有很大的影響，因此，在制定城市林木樹冠覆蓋目標(biāo)的過程中，氣候是最為重要的考慮因素，因為在降水能很好滿足樹木生長的區(qū)域，一般傾向于擁有更大量的樹冠覆蓋面積。有研究表明，位于自然森林分布區(qū)域的城市，其林木樹冠覆蓋率可以達(dá)到31%，而在草原區(qū)域的城市中該值僅為19%，到了荒漠區(qū)域的城市里面，其林木樹冠覆蓋率則僅為10%［57］。

由于不同城市或同一城市的不同區(qū)域，在資源結(jié)構(gòu)、土地利用格局、氣候、管理實踐和社區(qū)意見等方面存在差異性，使得在任一空間尺度上要設(shè)置出理想的樹冠覆蓋目標(biāo)都是非常困難的。美國森林組織根據(jù)土地利用狀況初步確定了城市不同功能區(qū)的林木樹冠覆蓋目標(biāo)。例如，在市區(qū)和工業(yè)區(qū)該目標(biāo)值為15%，在居住區(qū)與輕度商業(yè)區(qū)為25%，在郊外居住區(qū)為50%［75］。也有研究指出，周期性的樹冠覆蓋率分析，通過將覆蓋率增減存量水平與目標(biāo)值的量化比較，還可以幫助相關(guān)人員與相關(guān)部門評估原來確定的樹冠覆蓋率目標(biāo)的科學(xué)與否［76］。

隨著可用于制圖的遙感信息源的不斷擴(kuò)大，以及新的更快速的分析技術(shù)的發(fā)展，同一地區(qū)類似產(chǎn)品在實踐上的連續(xù)生產(chǎn)現(xiàn)在也成為了現(xiàn)實，相信隨著同一地區(qū)相同或相近尺度下，樹冠覆蓋率產(chǎn)品在時間尺度和數(shù)量上的延長與增加，對于某一地區(qū)理想或科學(xué)合理的樹冠覆蓋率目標(biāo)的制定將會有更多的幫助。

3 城市林木樹冠覆蓋的研究未來趨勢

從國外的相關(guān)研究成果來看，該方面的研究主要呈現(xiàn)出如下的變化趨勢:

首先，城市林木樹冠覆蓋研究，已經(jīng)與城市的生態(tài)建設(shè)和日常生態(tài)、生產(chǎn)管理緊密結(jié)合，甚至成為了城市森林建設(shè)成果與效益評價的最重要考量指標(biāo)。而定期的城市林木樹冠覆蓋監(jiān)測數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為了相關(guān)行政決策部門制定城市森林發(fā)展規(guī)劃、實施城市森林建設(shè)工程最重要的決策參考依據(jù)。尤其是城市林木樹冠覆蓋的空間評價，既清楚給出了未來城市森林發(fā)展的數(shù)量潛力，更給出了潛力的空間分布，極大地增強(qiáng)了相關(guān)決策的科學(xué)性、針對性。

其次，高分辨率(米級以下)衛(wèi)星影像在城市森林樹冠調(diào)查與制圖過程中的應(yīng)用越來越普遍。由于高分辨率衛(wèi)星影像的價格昂貴，因此，在一定程度上影響到了其應(yīng)用的范圍。但對政府管理當(dāng)局而言，其完全有能力承擔(dān)這筆費用，其可以定期制作覆蓋市域或市區(qū)的高分辨率影像，作為共享資源用于城市林木樹冠覆蓋的研究與管理及百姓的查詢工作中。美國的國家農(nóng)業(yè)影像計劃(NAIP)就是一個最成功的例證。其免費提供、可為公眾所利用的超高空間分辨率NAIP影像覆蓋全美，其在時間、空間與光譜特性等方面具有可比性，目前已能用其制作足夠詳盡的土地利用/土地覆蓋地圖［77-78］，美國許多城市的樹冠覆蓋調(diào)查即是以此為基礎(chǔ)信息源的，也取得了很好的實際效果。

第三，隨著3S技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在城市林木樹冠覆蓋的影像解譯上，隨著高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)的像元、亞像元分類方法越來越淡出了相關(guān)的研究工作。相反最新的遙感解譯方法和技術(shù)在相關(guān)研究中的應(yīng)用也越來越普遍。尤其是面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，為城市林木樹冠覆蓋數(shù)據(jù)的獲取提供了最新的、也是最好的技術(shù)支撐;而激光雷達(dá)(LIDAR)技術(shù)與數(shù)據(jù)的融入，更為未來的城市森林3維評價和管理提供了另一種可以預(yù)期的光明前景。新技術(shù)與方法的引入，一方面提高了信息提取結(jié)果的精度，同時也使得我們可以對一些很小的城市特征(像成熟的孤立木或者灌木叢等)進(jìn)行精確制圖［78-79］。

第四，在城市森林建設(shè)的規(guī)劃實施過程中，基于潛在城市林木樹冠覆蓋的研究成果，在實施決策過程中，已經(jīng)初步實現(xiàn)了計算機(jī)輔助人工智能的應(yīng)用。美國德克薩斯州的達(dá)拉斯市2010年開發(fā)的ROADMAP MODEL，已經(jīng)在該市街道的綠化與管理自動化方面發(fā)揮了很大的作用。目前也有些學(xué)者，正在探索具有更廣闊包容性的規(guī)劃管理智能系統(tǒng)［80］，以期實現(xiàn)城市森林建設(shè)規(guī)劃能夠完全落地的目標(biāo)。

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