基于SPOT數據的北京市四環不同功能用地綠地格局研究

馮玉蘭，肖亞卓，陳進勇

(1.中國園林博物館，北京 100072；2.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074)

0 引言

城市綠地具有凈化空氣[1-4]、改善城市小氣候[5-8]、降低城市噪音[9]和休閑娛樂等功能，并具有防災避難、監測環境污染等作用，有利于改善城市生態環境[10]、維護人與自然和諧相處[11]。因而，準確及時地獲取城市綠地現狀信息，并理解其在不同功能用地的空間格局對于城市綠地管理、養護以及進一步的城市綠地系統科學規劃[12]都具有重要意義。

目前有多種技術手段可以獲取城市綠地分布信息。通常采用地面調查與統計分析相結合的方法。雖然這種調查方法能夠獲取比較準確的綠地分布信息，但存在著以下不足：需要花費大量的人力、物力與財力，調查周期較長；調查統計結果的準確性容易受調查人員主觀性影響[13]。作為一種快速、客觀的數據獲取手段，遙感技術已被廣泛應用于國土資源調查、農林監測等多個領域，并較多地應用于城市綠地監測[13-16]?；谶b感影像，通過人工目視解譯并結合實地調查可以有效地獲取城市綠地范圍，極大地提高調查效率和結果的客觀性。隨著圖像分析和機器學習技術的發展，基于遙感影像的綠地自動化提取技術也取得了較大進展[15-18]，也有研究使用眾源地理數據研究城市綠地空間分布，如使用高德地圖興趣點數據POI進行綠地分布提取[19]。

通過不同技術手段獲得綠地分布后，學者們對城市綠地的空間分布格局多有研究。以北京市綠地為例，Qian等[16]基于2005年以及2009年的衛星數據分析了北京市五環以內的綠地情況，并分析了不同環路內的綠地格局變化情況；謝軍飛等[20]分析了北京城市公園景觀格局指數；吳思琦等[21]分析了北京市大型城市公園綠地的演變機制。除了綠地空間分布格局，也有學者嘗試使用眾源數據(社交媒體簽到數據、地圖POI數據等)分析綠地使用情況的空間分布。李方正等[22-23]利用2013年北京市新浪微博簽到數據，分析了北京市中心城區公園綠地的使用現狀，并進一步基于百度地圖POI數據分析了綠地使用情況的時空模式及其背后的驅動因素(如交通方便性、人口密度和商業設施情況等)。

已有研究為城市綠地管理與綠地科學規劃提供了重要信息，但綠地格局分析主要是以城市行政邊界或者主要道路構成的環路為統計單元進行的，目前鮮有研究按照城市功能用地類型進行綠地空間格局分析。城市功能用地的合理組織是城市總體規劃的核心任務，因而在更微觀的尺度上進行城市綠地格局分析具有重要意義。一方面，城市居民生活、工作等活動大都聚集在特定的場所，理解各功能用地的綠地覆蓋情況有助于更加精細化、科學化地管理綠地，從城市行政區域級別的綠地率監管提升到更精細的城市不同功能用地下綠地率監管，精準服務于城市居民對綠地的需求；另一方面，國家部委綠地規劃相關標準規范(如《城市綠化規劃建設指標的規定》(建城[1993]784號)、《城市綠地規劃標準》(GBT 51346-2019))都有對不同功能用地綠地率的指標性要求，因而獲取城市不同功能用地的綠地覆蓋現狀信息，可以進一步提高城市綠地系統的規劃水平和綠地建設水平，優化城市空間格局?；?019年獲取的SPOT遙感數據，本文將：① 提取北京市四環內區域綠地現狀信息；② 進一步結合城市功能用地數據，分析城市綠地在不同功能用地的空間格局，以期為綠地精細管理與后續的綠地科學規劃服務。

1 研究地區及研究方法

1.1 研究區域及數據獲取

研究區為北京市四環內區域，如圖1所示。

圖1 北京市四環內區域SPOT遙感影像(標準假彩色顯示， 即按照近紅外、紅、綠波段顯示；圖中疊加的綠色環線 分別為北京城區二、三、四環線)Fig.1 SPOT remote sensing image within the 4th ring area in Beijing (standard false color,as shown the near infrared,red,and green band;the superposed green lines show the 2nd,3rd,and 4th rings)

首先獲取了2景SPOT數據(其中一景為2019年7月31日的SPOT7衛星數據，另一景為2019年7月23日的SPOT6衛星數據，分別覆蓋北京市城區北部和南部區域；SPOT6和SPOT7具有相同的成像參數，都包含1.5 m全色波段和4個6.0 m多光譜波段(藍、綠、紅和近紅外波段))；并獲取了由中國測繪科學研究院與北京市測繪設計研究院制作的北京市四環內功能用地劃分數據[24]，該數據依據《城市用地分類與規劃建設用地標準(GB50137-2011)》，采用眾源數據(包括POI、OpenStreetMap路網數據、北京市2016年基礎性地理國情要素成果數據等)制作，把北京市城區分類為7種功能用地類型(交通用地、公服用地、商服用地、居住用地、工業用地、風景名勝用地和未分類用地；各類別的詳細描述參見文獻[24])。

1.2 數據預處理

首先基于衛星數據公司提供的有理多項式系數(Rational Polynomial Coefficient，RPC)文件，對SPOT數據進行RPC校正；基于6.0 m分辨率的多光譜數據以及1.5 m的全色影像，利用Gram-Schmidt融合算法得到1.5 m分辨率多光譜數據；使用影像拼接算法對SPOT6和SPOT7數據拼接得到覆蓋整個研究區的影像；選用FLAASH模型對SPOT數據進行大氣校正，以上處理都是基于遙感圖像處理專業軟件ENVI 5.3完成。

由于文獻[24]是以OpenStreetMap的城市路網(主干路、快速路和次干路)將研究區分為不同街區，并以不同的街區為基本單元識別功能用地類型，所以分類結果中并沒有包含城市道路區域。在文獻[24]研究結果基礎上，將OpenStreetMap的城市路網區域歸類到交通用地，獲得更新后的北京市四環內功能用地數據，用于后續分析。以上操作通過ArcGIS 10.2軟件完成。

1.3 分析方法

首先基于SPOT數據計算反映植被狀態的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，并設定閾值獲得綠地信息，進一步結合北京市四環內功能用地數據分析綠地空間分布情況。

1.3.1 歸一化植被指數計算

在遙感圖像上，NDVI是反映植被覆蓋的重要參數[25]，其基本原理是植被葉面在可見光紅色波段有很強的吸收特性，而在近紅外波段有很強的反射特性。因而，NDVI定義為近紅外波段與紅色波段之差與其之和的比值，即：

(1)

式中，ρNIR，ρR分別是SPOT影像近紅外波段、紅色波段反射率。在1.5 m分辨率融合后影像上提取了NDVI。NDVI數值越大代表相應區域植被越綠。

1.3.2 綠地覆蓋提取

在NDVI數據基礎上，進一步提取綠地分布。由于所選用的影像獲取時間為7月底，為北京地區植物生長旺季，而綠地(包含草地、低矮植被以及樹木等)相比其他地物類型具有較高的NDVI值；同時北京四環以內基本上排除了農田的影響。因而，選用了一種閾值分割的方法。首先選取北京市城區不同綠地類型(包括公園內綠地、道路兩旁綠地、居住區內綠地和企事業單位內綠地)區域及相鄰的非綠地區域作為樣本；其次，讀取樣本區域的NDVI值，并建立綠地及非綠地的NDVI分布直方圖；最后，依據統計分析計算得到綠地與非綠地的最佳區分閾值為0.35，即，若NDVI>0.35，則分類為綠地；反之，則分類為非綠地。

1.3.3 綠地提取精度評價及空間格局分析

在ArcGIS軟件中對研究區按照500 m間隔規則生成驗證樣本點，共得到1 221個點；每個點由園林綠化從業人員通過遙感圖像人工判讀得到其是否綠地覆蓋的真實信息，作為驗證數據；把綠地提取結果(分類結果)與驗證數據相對比，得到精度評價混淆矩陣，并計算2個常用的分類精度評價指標：總體分類精度和Kappa系數，其中總體分類精度指被正確分類的類別像元數與總像元數的比值，而Kappa系數是一致性檢驗的指標[26]。

將綠地提取數據與北京市不同環線區域(如圖1綠色環線所示：二環線以內區域定義為二環，二環線與三環線之間的區域定義為三環，三環線與四環線之間的區域定義為四環)以及不同功能用地類型通過疊加分析，進行綠地空間分布的統計分析。

2 結果

2.1 北京市四環內綠地分布總體情況

北京市四環內綠地提取精度評價混淆矩陣如表1所示。由表1可以看出，總體分類精度為91.73%，Kappa系數為0.82，綠地提取結果具有較好的精度。所提取的綠地分布如圖2所示。

表1 北京市四環內綠地提取精度評價混淆矩陣

圖2 北京市四環內區域綠地分布結果(綠色為 綠地覆蓋區域，白色為非綠地區域)Fig.2 Urban green space distribution within the 4th ring area in Beijing (green color denotes the green space,and white color denotes non-green space)

北京市四環內綠地面積總計99.99 km2，占四環內總面積的33.05%。綠地分布相對比較均勻，并在天壇公園、北京市動物園、玉淵潭公園、朝陽公園、紫竹院公園和龍潭湖公園等大型公園處有成片的綠地聚集分布。

不同環內綠地面積差異明顯，但綠地所占其總面積的比例差異較小。二環、三環和四環綠地面積分別為18.55，31.59和49.85 km2，而各個區域內綠地面積占其總面積的比例分別為29.55%，32.84%和34.73%。

2.2 北京市四環內不同功能用地綠地空間格局分析

按照不同的功能用地類型，北京市四環內綠地分布情況如圖3所示。其中，居民用地占用最多的綠地，約43.77 km2，占總綠地的48.03%；其他用地依次為風景名勝用地、公服用地、商服用地、交通用地、工業用地以及未分類用地。

圖3 北京市四環內各功能用地綠地面積Fig.3 Green space area for different functional sub-regions within the 4th ring area in Beijing

各功能用地中，綠地比例(即綠地面積與不同功能用地面積比值)如表2所示。

表2 北京市四環內各功能用地中綠地比例

盡管未分類用地中，綠地面積最少(僅2.09 km2)，但其綠地比例最高，達52.96%，主要原因是文獻[24]中未分類用地主要以道路綠化帶和高架橋等為主，由于興趣點數據在該地帶沒有分布導致無法進行有效分類。此外，風景名勝用地同樣具有較高的綠地比例；公服用地和居住用地具有中等的綠地比例(33%左右)；而商服用地、交通用地和工業用地具有相對較低的綠地比例(25%左右)。

具體到不同環內，不同功能用地的綠地面積分布情況如圖4所示。在二環，風景名勝用地有著最多的綠地，總計6.05 km2，占二環總綠地面積的32.62%；而三環和四環，具有最多綠地的均為居住用地，分別占其總綠地面積的44.02%和48.61%。

圖4 北京市不同環區域各功能用地綠地面積Fig.4 Green space area for different functional sub-regions within different zones in Beijing

不同環內各功能用地中的綠地比例如圖5所示。與四環以內整體的規律相類似，各個環內，風景名勝用地和未分類用地都有著較高的綠地比例；除上述2種功能用地之外，其他功能用地在不同環內有著相對比較一致的綠地比例，一定程度上體現了除風景名勝用地形成的綠色團簇之外，四環以內綠色空間分布相對比較均勻。

圖5 北京市不同環區域各功能用地綠地比例Fig.5 Green space percentage for different functional sub-regions within different zones in Beijing

三環相比二環，除工業用地，其他所有功能用地的綠色空間比例都有所增加，其中風景名勝用地和公服用地增長最多，分別達13.84%和11.99%；而四環相比三環，各功能用地中，綠地比例變化幅度較小(均未超過5%)，其中綠地比例增長比較多的2種功能用地為居住用地和未分類用地，增長比例分別為4.15%和4.84%。

3 結果分析與討論

3.1 北京市四環內綠地總體情況

本文得到的2019年北京市四環內綠地及其比例結果與文獻[16]中研究結論比較一致。文獻[16]使用1.5 m分辨率的SPOT5影像分別制作了2005年和2009年的北京市五環內綠地分布，結果顯示，五環以內2005—2009年，綠地覆蓋由22.57%增長到28.01%。同樣發現，盡管不同環內的綠地面積差異較大，但綠地比例差異較小。這也反映了2008年北京奧運會之前大規模綠地規劃之后，四環以內近十年來綠地規模逐漸穩定。以后的綠地規劃中，需要更加重視綠地的維護、綠地質量的提升。

通過遙感影像獲取的綠地比例與園林行業所定義的綠地率稍有差異[13]，主要涉及土地覆蓋與土地利用的區別，遙感影像所獲取的綠化率是以觀測的綠色空間為主，而行業領域的綠地率是以土地使用方式定義的。一種可行的思路是探索以圖像理解的方式從遙感影像進行綠化率的自動提取技術[27]。

3.2 北京市四環內各功能用地綠地分析

北京市四環內各功能用地綠地比例相對合理，但局部區域有待進一步優化。在城市居民中，人們生活工作主要活動在居住用地、商服用地和公服用地。對于居住用地，二環是25.82%的綠地比例，而三環和四環都相對比較理想(都超過了30%)，這與《城市居住區規劃設計規范》(GB50180—93)所規定的舊城居住用地綠地率一般為25%，規劃新建居住用地的綠地率不應小于30%相吻合；對于公服用地(主要包含行政辦公、醫療衛生、教育科研和文化設施等用地)，二環、三環、四環綠地比例分別為24.38%，36.36%和35.79%，而《城市綠化建設建設指標的規定》(建城[1993]784號)要求學校、醫院、機關團體和公共文化設施等單位的綠地率不低于35%，只有二環的公服用地綠地率低于35%的要求，主要是由于二環公服用地以政府事業單位以及大型醫院為主，其建筑密度相對較高；而對于商服用地，3個區域綠地比例都沒有超過30%，主要是由于商服用地主要包含一些大型商場或購物場所(如西單、王府井等區域)[24]，該區域綠地覆蓋較低，但最低的綠地比例為二環的22.89%，仍滿足《城市綠化建設建設指標的規定》(建城[1993]784號)對商業中心等綠地率不低于20%的要求。綜上可見，北京市四環內各功能用地綠地比例相對比較合理。因而在今后城市管理中，首先應該有效保護、保持現有綠地分布；在后續綠地系統規劃設計時，結合《北京城市總體規劃(2016—2035年)》指南，可以考慮在一些重點區域(如二環的公服用地等)增加綠地設計，并考慮商業中心區域的屋頂綠化以及垂直綠化的設計，進一步優化北京市各功能用地綠地比例，完善綠地空間格局，服務于建設國際一流和諧宜居之都的戰略目標。

4 結束語

本文提出了一種基于SPOT衛星影像以及OpenStreetMap數據，對城市綠地及其在城市不同功能用地空間格局分析的方法。城市綠地在不同功能用地空間格局的分析成果為后續的城市園林綠化規劃與管理提供重要信息。由于缺乏超精細的人口分布數據，本文沒有分析不同功能用地的現有綠地格局能否滿足居民的需求問題。在后續的研究中，將考慮引入人口分布數據，并積極探索綜合使用多源遙感、物聯網等先進信息化技術監測綠地格局與質量，進一步提升城市精細化管理水平。