劉 暢 劉昕岑 岳彩榮

西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 昆明 650000

基于遙感的昆明市城市森林結(jié)構(gòu)合理性分析*

劉 暢 劉昕岑 岳彩榮

西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 昆明 650000

文章利用遙感數(shù)據(jù)，對昆明市城市森林的分布和結(jié)構(gòu)進行研究。結(jié)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(qū)域，且多數(shù)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(fā)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(fā)揮的生態(tài)效益，提出在未來的城市綠地規(guī)劃中，可參考最優(yōu)的權(quán)重，在加大綠化面積的同時更應(yīng)增加三維綠量。

遙感，城市森林，AHP，規(guī)劃

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究學(xué)者使用遙感數(shù)據(jù)對城市森林的類型、分布和結(jié)構(gòu)進行研究，而越來越多的遙感數(shù)據(jù)也為研究城市環(huán)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(shù)結(jié)合樣地調(diào)查分析合肥土地利用類型及樹木分布的格局，并在此基礎(chǔ)上研究了合肥市區(qū)17.6 km2范圍內(nèi)的城市森林景觀特點及與其他景觀單元間的關(guān)系。同年，朱文泉等[5]采用遙感圖像判讀和野外調(diào)查相結(jié)合的方法，定量分析了沈陽樹木園植物群落的物種結(jié)構(gòu)及空間格局。2014年，尹鍇等[6]以海島型城市廈門市為研究區(qū)，利用1987—2007年的TM/ETM+遙感數(shù)據(jù),綜合運用景觀要素遙感解譯、景觀指數(shù)法、生態(tài)服務(wù)價值量法及灰色關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)，以南京市老山林場和紫金山森林為研究對象，通過Ledaps預(yù)處理系統(tǒng)生成地表反射率數(shù)據(jù)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(fù)歷史數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，并對產(chǎn)品進行驗證。

本文以昆明市為研究區(qū)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(qū)按土地用地類型分為五類用地，根據(jù)不同類型用地對森林生態(tài)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(quán)重，對比現(xiàn)有城市森林分布，評價昆明城市森林生態(tài)效益。

1 研究區(qū)概況

昆明市屬低緯高原山地季風(fēng)氣候，地勢北高南低，大部分地區(qū)海拔在1 500～2 800 m。昆明市城區(qū)在滇池盆地北部，南瀕滇池三面環(huán)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(nèi)瓦”。昆明全市范圍是高原紅壤地區(qū)，土壤主要有紅壤、紫色土和水稻土三類。根據(jù)昆明市統(tǒng)計局對外發(fā)布的《2015年昆明市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》數(shù)據(jù)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(qū)一共開通公交運營線路362條。

2 研究數(shù)據(jù)及研究方法

本文使用的數(shù)據(jù)為2015年昆明地區(qū)Landsat8影像，成像時間為5月28日凌晨3點34分及同期市區(qū)內(nèi)真彩色航片。

本文在建立昆明市區(qū)土地利用/覆蓋系統(tǒng)時充分考慮到了昆明市區(qū)土地植被覆蓋特點，并結(jié)合Landsat8遙感影像和基于國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)的一級地類為參照，結(jié)合水體指數(shù)、建筑指數(shù)與植被指數(shù)，并且綜合主成份分析和纓帽變換建立決策樹，將昆明市區(qū)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(jì)70年代由美國著名運籌學(xué)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(jié)合昆明本地的實際情況，構(gòu)建多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。目標(biāo)層即達到昆明市城市森林的最優(yōu)規(guī)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(yǎng)功能、城市用地類型的經(jīng)濟效益以及城市的熱島效應(yīng)為評判標(biāo)準(zhǔn)，作為AHP中的指標(biāo)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(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本文將昆明市區(qū)分為5種用地類型，分別為公共設(shè)施用地、居住用地、工業(yè)用地、道路用地和對外交通用地，并以此作為層次結(jié)構(gòu)的第3層(圖1)。

圖1 森林規(guī)劃評價指標(biāo)體系

確定了以上的層次結(jié)構(gòu)后，即可以通過構(gòu)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(guān)的元素重要性，即相對權(quán)重。在計算了每層中所有的因素對目標(biāo)層的合成權(quán)重后進行排序，進而便可以實現(xiàn)第3層中每個用地類型對目標(biāo)層昆明市的城市森林的需求程度。

3 結(jié)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(jīng)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(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在整個昆明地區(qū)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(guān)，昆明市三面環(huán)山，西山、長蟲山及市區(qū)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(qū)，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(tài)平衡，人口的聚集，人類活動的加劇正是破壞這種生態(tài)平衡的最重要的因素，所以，城市森林更應(yīng)該分布在城市居民集中的地區(qū)。城市森林在城市生態(tài)平衡中起著重要的作用，執(zhí)行自然的納污吐新，而喬灌草3層的立體結(jié)構(gòu)更能將這種功能發(fā)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(huán)境的公共綠地面積較小，且大多為灌叢地，立體結(jié)構(gòu)的綠地更少，不能更好地發(fā)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(qū)地區(qū)，在市區(qū)中心居民分布集中地區(qū)的真彩色航片上，利用ArcGIS軟件在影像圖上對昆明市區(qū)內(nèi)包括西山區(qū)、盤龍區(qū)、五華區(qū)和官渡區(qū)內(nèi)5種類型用地進行目視解(圖3)。

圖3 昆明市區(qū)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(quán)重。表1、表2分別為分配矩陣權(quán)重系數(shù)表與最終權(quán)重系數(shù)表。

表1 分配矩陣權(quán)重系數(shù)表

表2 最終權(quán)重系數(shù)表

表3 昆明市現(xiàn)有綠地面積 m2

由表1和表2可看出，昆明市中公共設(shè)施用地需要城市森林發(fā)揮生態(tài)效益最多。公共設(shè)施用地是指城市管理、生產(chǎn)和生活所需的市級、區(qū)級、居住區(qū)級的公共設(shè)施用地，如金融貿(mào)易用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、文化娛樂用地、體育用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地等。由此可知，該區(qū)域是人口活動最為集中的區(qū)域，產(chǎn)生的各種污染也相對較多，因此該區(qū)域?qū)ι值纳鷳B(tài)需求也最高。居住用地是人類的生存環(huán)境，道路用地和工業(yè)用地會產(chǎn)生大量的污染，所以他們的權(quán)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(yè)并不是城市的主要支撐，所以這3部分的權(quán)重僅為公共設(shè)施用地的一半。對外交通用地是指飛機場、火車站等交通設(shè)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(quán)重最小。

通過ARCGIS對昆明市地區(qū)的綠地進行圈劃，利用數(shù)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(shè)施用地綠地面積最大，工業(yè)用地綠地面積僅次，這是由于工業(yè)用地大多分布在城郊，而昆明的四周環(huán)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(shè)施用地。居住用地和道路用地均為中等綠地分布區(qū)域，次于工業(yè)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(yōu)城市森林規(guī)劃權(quán)重系數(shù)可以明顯看出，昆明市區(qū)的城市森林規(guī)劃并不符合最優(yōu)規(guī)劃。

在昆明，工業(yè)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(qū)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(qū)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(tài)效應(yīng)是有輻射效應(yīng)的，它與本身的結(jié)構(gòu)和距離有關(guān)，一般認(rèn)為高大的喬木且50 m范圍以內(nèi)可以發(fā)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(chǎn)生的生態(tài)效益并不能很好地滿足整個城市所需。

3.3 城市森林規(guī)劃建議

根據(jù)以上分析，可在不同的用地類型中，根據(jù)計算出的權(quán)重，在森林生態(tài)效益需求大且目前無法滿足的區(qū)域，結(jié)合實際情況進行最優(yōu)綠化。

對于公共設(shè)施用地來說，該區(qū)域是人口集中區(qū)，公共設(shè)施多，土地價格昂貴，大面積進行綠化成本高且不太現(xiàn)實，因此，可以考慮豐富城市森林的立體結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的面積上增大綠地的三維綠量來增加城市森林的生態(tài)效益，三維綠量是指所有生長植物的莖葉所占據(jù)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(jié)構(gòu)量值[9-10]，由喬木、灌木和草坪結(jié)合建造的復(fù)層結(jié)構(gòu)綠地，其生態(tài)效益明顯大于雙層或單層結(jié)構(gòu)綠地。

居民用地可考慮在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，以綠地的有效輻射范圍為基準(zhǔn)建立緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)達不到的小區(qū)進行綠化，增大小區(qū)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(jié)合的綠地，主要實現(xiàn)城市森林的休養(yǎng)功能。

道路用地和工業(yè)用地，均是污染程度較大的區(qū)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(chǎn)生極大的危害；工業(yè)區(qū)污染則是包含工業(yè)生產(chǎn)過程中所形成的廢氣、廢水和固體排放物對環(huán)境的污染，這些也會對人體產(chǎn)生巨大的影響，可考慮在道路及工業(yè)區(qū)與居民區(qū)之間、與公共設(shè)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(yīng)是大力提倡的綠化帶種植形式，其環(huán)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(yōu)。

4 結(jié)論

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

2) 基于AHP的方法計算得出，在昆明市，公共設(shè)施區(qū)需要綠地最多，道路用地、居民用地與工業(yè)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(xiàn)有的城市森林結(jié)構(gòu)并不相符；經(jīng)計算現(xiàn)有的綠地面積與結(jié)構(gòu)可知，在昆明，除工業(yè)用地大部分在郊區(qū)，森林面積比較多，因而可以勉強滿足生態(tài)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(shè)施用地建立多層結(jié)構(gòu)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(qū)內(nèi)建立美化的灌草結(jié)構(gòu)，還應(yīng)該加大道路與工業(yè)區(qū)周圍的綠化帶建設(shè)，已阻隔污染對其他區(qū)域的侵害。

[1]MCPHERSON E G,NOWAK D,HEISLER G,et al.Quantifying urban forest structure, function,and value:the Chicago urban forest climate project[J].Urban Ecosystems,1997,1(1):49-61.

[2]DWYER J F,MCPHERSON E G,SCHROEDER H W,et al.Assessing the benefits and costs of the urban forest[J].Transportation Research Economics & Policy，1992,18(4):751-768.

[3]吳澤民,黃成林,白林波,等.合肥城市森林結(jié)構(gòu)分析研究[J].林業(yè)科學(xué),2002,38(4):7-13.

[4]吳澤民,吳文友,高健,等.合肥市區(qū)城市森林景觀格局分析[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(12):2117-2122.

[5]朱文泉,何興元,陳瑋,等.城市森林結(jié)構(gòu)的量化研究:以沈陽樹木園森林群落為例[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003,14(12):2090-2094.

[6]尹鍇,趙千鈞,美平,等.海島型城市森林景觀格局效應(yīng)及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估[J].國土資源遙感,2014,26(2):128-133.

[7]呂瑩瑩,莊義琳,任芯雨,等.南京城市森林干擾及恢復(fù)自動制圖[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2016,27(2):429-435.

[8]GüL A，GEZER A，KANE B.Multi-criteria analysis for locating new urban forests:An example from Isparta,Turkey[J].Urban Forestry & Urban Greening,2006,5(2):57-71.

[9]劉暢,劉兆剛.基于AHP哈爾濱城市森林三維綠量規(guī)劃分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,39(4):52-55.

[10]劉暢.基于3S技術(shù)的哈爾濱城市森林三維綠量的規(guī)劃分析[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2011.

[11]LIVESLEY S J,MCPHERSON G M,CALFAPIETRA C.The urban forest and ecosystem services:impacts on urban water,heat,and pollution cycles at the tree,street,and city scale[J].Journal of Environmental Quality,2016,45(1):119.

[12]NOWAK D J,HOEHN R E I,CRANE D E,et al.Assessing urban forest effects and values,Chicago’s urban forest[M].NY：Northeastern Research Station Usda Forest Service,2014.

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(xué)一流學(xué)科建設(shè)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(yè)遙感。E-mail:CICY198505@163.com

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

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.01.013