基于形態學空間格局方法的北京市六環內城市林木樹冠覆蓋斑塊動態特征*

仇寬彪 李曉婷 成軍鋒 賈寶全

（1. 江蘇農林職業技術學院風景園林學院 鎮江 212400；2. 清華大學建筑學院 北京 100084；3. 陜西千渭之會國家濕地公園管理處 寶雞 721000；4. 中國林業科學研究院林業研究所 北京 100091；5. 國家林業局林木培育重點實驗室 北京 100091；6. 國家林業局城市林業研究中心 北京 100091）

城市林木是城市生態系統的重要組成部分，其所具有的生態系統服務在城市植被所提供的諸項生態服務功能中占主要地位（Mexiaet al., 2018）。城市林木具有局地降溫（Qiuet al., 2020）、污染物吸附（Xinget al., 2019）以及洪水調蓄（Z?lchet al., 2017）等多項生態功能，可有效緩解城市環境問題。同時，城市林木亦能滿足城鎮居民對休憩娛樂與美學觀賞的需求（Denget al., 2017），并可以增進城鎮居民的健康福祉（Gasconet al., 2016）。因此，開展城市林木樹冠覆蓋（urban tree canopy, UTC）研究對于城市植被保護以及提升生態系統服務供給能力具有重要意義。

城市林木空間分布異質性及其動態變化是城市林木樹冠覆蓋相關研究的重要方面。傳統的研究多基于景觀生態學理論，將城市林木樹冠視為內部結構均一的景觀斑塊，運用格局指數、空間分析方法等開展研究（丁圣彥等, 2005; 烏日汗等, 2010; 劉佳等,2019; 儲顯等, 2020）。但是，這種方法忽視了UTC 斑塊之間的差異，如斑塊邊緣效應與內部生境（陳利頂等, 2004），其結果可能不足以揭示UTC 斑塊的空間動態規律。

形態特征是斑塊重要的特征之一，不同形態特征的斑塊所具有的生態功能也存在差異。大型綠地斑塊易形成內部生境，對物種多度有重要影響（Lauranceet al., 1991），而狹長型的斑塊則對物種遷移有引導作用（Forman, 1995）。Vogt 等（2007）基于數學形態學原理提出形態學空間格局分析（morphological spatial pattern analysis, MSPA）方法，通過對柵格圖像空間格局進行度量和分割，將圖像劃分為特定幾何特征的類型，在像元層面識別景觀斑塊不同的形態特征組成，從而更加精確地分辨景觀斑塊類型與結構。當前，MSPA 方法在城市綠色網絡基礎設施構建（于亞平等,2016; 張啟舜等, 2021）、林地和濕地等生態空間（Hernandoet al., 2017; Velázquezet al., 2017）、耕地的連通性（史芳寧等, 2020）以及鎮域植被分布特征識別（Roganet al., 2016）等方面均有較為廣泛的應用。然而，這些基于MSPA 的研究大多著眼于區域連通性網絡的構建，有關城市化進程對UTC 斑塊形態特征時空動態影響還鮮見報道。因此，UTC 斑塊形態特征組成及其變化還有待進一步研究。

北京市是我國的特大城市之一。近年來，北京市實施了包括平原大造林等在內的多項城市綠化工程，城區綠化覆蓋明顯改善。快速的城市化以及大規模的綠化造林，為開展城市UTC 動態研究提供了合適的樣本。因此，本研究擬利用3 期高分影像解譯數據，從斑塊空間形態格局的角度，就近20 年來北京市UTC形態特征動態變化進行定量分析，旨在明晰如下問題：1）北京市城區UTC 斑塊總體形態特點，2）隨城市發展UTC 斑塊形態特征變化的時、空演化特征，以期為今后城區的城市森林建設和現有城市林木保護提供借鑒。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

北京市位于我國華北平原北部（115°25′—117°30′E，39°28′—41°05′N），全市由平原區、山區和盆地區組成。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年降水量600～800 mm。市區自然河流分布較少，水體以湖泊形式存在，主要湖泊有昆明湖、青年湖等。市區土壤以褐土為主。北京市是我國的特大城市，其城區位于平原地區，2019 年建成區面積1 469 km2，涉及東城、西城、朝陽、海淀、石景山、豐臺和昌平等行政區。得益于各項綠化工程及綠色奧運，北京綠地建設成效顯著。六環內建設有大量公園，主要公園有朝陽公園、頤和園、圓明園、紫竹院和奧林匹克森林公園等（圖1），建成區綠化覆蓋率從2002 年的40.6%上升到2019 年的48.5%，人均公園面積也從10.66 m2增加到16 m2。根據調查研究結果，北京市建成區樹種以白蠟（Fraxinus chinensis）、毛白楊（Populus tomentosa）、國槐（Styphnolobium japonicum）、圓柏（Juniperus chinensis）、油松（Pinus tabuliformis）、欒樹（Koelreuteria paniculata）和臭椿（Ailanthus altissima）等樹種為主（種組成（馬杰等, 2019a, b）。北京城市擴展呈現典型的同心圓擴張特征，在個別方向上則沿主要干道延伸。

圖1 研究區位置Fig. 1 Location of the study area

1.2 數據源

本研究選用成像時間分別在2002 年8—9 月間的真彩色航片（0.5 m）、2013 年8—9 月間的Worldview2衛星影像（0.5 m）以及2019 年8—9 月間的北京2 號衛星影像（0.8 m）進行UTC 的提取。在經過幾何校正、地形校正和大氣校正后，以eCongnition Developer 9.0為解譯平臺，采用面向對象的分類技術，以各環路為子區域，應用分層分割及基于規則的分類技術進行城市土地覆蓋分類。城市土地覆蓋主要包括城市林木樹冠覆蓋（urban tree canopy, UTC）、草地、裸土地、不透水地表、水體和農田這6 個類別。2002、2013 和2019 年分類結果總體精度分別達92.23%、96.02%和94.01%，Kappa 系數分別達0.861 3、0.923 1 和0.901 3（宋宜昊, 2016; 李曉婷, 2021）。

1.3 UTC 形態特征

根據景觀斑塊的形態特征，景觀斑塊可分為核心區、孤島、孔隙、邊緣、環道區、橋接區和分支等7 種類型（表1）。本研究基于Guidos 工具劃分各種形態特征。為了兼顧分析精度與計算效率，本研究首先將城市土地覆蓋數據重采樣到10 m× 10 m 空間分辨率；其次，提取出UTC，將其作為前景類型，其他城市土地覆蓋類型則作為背景，生成二值型柵格數據；再次，基于Guidos 軟件，采用8 鄰域和30 m 邊緣寬度進行MSPA 分析（Roganet al., 2016），最終得到互不重疊的7 種形態特征類型。

表1 景觀形狀特征類型及其生態學含義Tab. 1 Types of morphological elements and their definition

1.4 統計方法

為更直觀表征UTC 形態特征系統性轉換的空間分異，通過環路和扇區劃分的40 個子區域，針對UTC形態特征各轉換類型的相對貢獻度（relative contribution index, RCI）進行聚類分析。首先，計算各子區域某種轉換類型的RCI（Wanget al., 2012）：

式中：Asc和As分別表示子區域和整個研究區某種UTC 形態特征轉換類型的面積（km2），Atc和At分別表示子區域和整個研究區的面積（km2）。RCI = 1 表明對于某種UTC 形態特征轉換類型而言，其在子區域內的轉換強度與整個研究區的相同；RCI ＞ 1 表明子區域內該種轉換類型強度大于整個研究區；反之，則小于整個研究區。通過RCI 指標，可表征UTC 形態特征系統性轉換的空間分異特征。其次，根據各子區域RCI，采用系統聚類法開展聚類分析。將40 個子區域劃分為4 類，分別統計各類別UTC 形態特征主要轉換類型的RCI 均值。聚類統計在R4.1.1 中進行。

2 結果與分析

2.1 UTC 分布狀況

2002—2019 年，UTC 從2002 年的387.93 km2增加到2019 年的771.14 km2，在研究區總面積中所占比例也從20.35%增加到40.42%，增幅近1 倍。其中，2002—2013 年間，北京市城區UTC 增幅達282.92 km2，顯著高于2013—2019 年間的97.39 km2。由此可見，近20 年來，北京市六環內生態保護與綠化工作取得明顯成效，但2013 年以后UTC 的增勢放緩。

2.1.1 主要UTC 形態特征 3 期北京六環內UTC 形態特征組成大體相似（圖2）。孤島、橋接區和核心區是北京城區UTC 斑塊主要的形態特征，三者總計占到各期UTC 斑塊總面積的80%。80%。

圖2 2002（a）、2013（b）和2019 年（c）北京市六環內UTC 形態特征空間分布Fig. 2 Morphological elements of UTC patches within the 6th Ring road of Beijing in 2002 (a), 2013 (b) and 2019 (c)

2002 年，UTC 的孤島面積最大，達223.25 km2，占UTC 總量的57.78%，而到2013 年，UTC 的孤島面積則降至188.17 km2，占比也下降到28.11%；到2019 年，UTC 的孤島面積大體維持在188.12 km2，其占比大體在24.5%左右。由此可見，研究期間，北京市六環內UTC 孤島面積減幅明顯，并且前一時段顯著高于后一時段。

UTC 核心區在UTC 總面積中占比較大。2002 年，UTC 核心區面積68.98 km2，占比17.85%，是僅次于UTC 孤島的形態要素；到2013 年，UTC 核心區面積增加到179.07 km2，相比于2002 年增加近1.6 倍，面積占比也升至26.75%；到2019 年，UTC 核心區面積有小幅減少（168.85 km2），占比下降到22.03%。以上分析表明，UTC 核心區在經歷2013 年前的大幅增加后，在2013 年后UTC 核心區變化趨緩。

UTC 橋接是UTC 的另一種主要形態類型。2002年，UTC 橋接面積41.11 km2，占比達10.64%，僅次于UTC 孤島和核心區；到2013 年，UTC 橋接區面積增加122.71 km2，面積占比也增加到24.48%；到2019 年，UTC 面積增值260.58 km2，面積占比達33.99%，成為僅次于UTC 孤島的第2 大形態類型。從年增幅來看，2013 年以后（16.13 km2）高于2013 年以前（11.16 km2）。這表明隨著城市發展，UTC 橋接區面積持續增大。

2.1.2 次要UTC 斑塊形態特征 UTC 的邊緣、環道區及分支等是相對次要的形態類型，3 期其面積占比均值在5%左右。其中，邊緣區面積變化相對較大。2002—2013 年間，邊緣區面積從13.83 km2增加到58.34 km2，面積占比也從3.58%上升到8.72%；而在2013 年以后，UTC 邊緣區僅有小幅減少（減幅5.02 km2），仍占UTC 總面積的7%左右。此外，UTC 的孔隙區占比最小，3 期占比均不足0.5%。

2.2 UTC 形態要素轉換特征

本研究對涉及UTC 的轉換類型進行了分析。結果顯示，2002—2013 年，其他地類與孤島之間的轉換面積較大，兩者面積總和占同期UTC 變化總面積的30%；其次依次為其他地類→橋接區、其他地類→核心區、核心區→核心區和孤島→孤島（圖3a）。2013—2019 年，其他地類→孤島、其他地類→橋接區和孤島→其他地類等類型轉換面積較大，分別占同期UTC轉換總面積的13.63%、11.87%和11.85%；其次依次為核心區→核心區、橋接區→其他地類、橋接區→橋接區（圖3b）。以上分析可知，UTC 的孤島形態與其他地類之間的轉換是研究期內北京市六環內UTC 斑塊主要的動態類型。不過，前后2 個時段，北京市六環內UTC 形態特征的動態類型存在一定差異。前一時段，不論UTC 從其他地類轉為核心區（12.31%），還是保持穩定的核心區（6.85%），都占有較大的面積比重，但在后一時段，從其他地類轉為核心區和保持穩定的核心區的面積比重相對較小（12.31%），顯示后一時段造林綠化活動可能不再傾向于大面積造林方式。而且，后一時段從其他地類轉為橋接區，以及保持穩定的橋接區面積比重（17.40%）高于前一時段（15.44%），表明與前一時段相比，后一時段可能更傾向于UTC 斑塊之間的連接。

圖3 2002—2013 年（a）和2013—2019 年（b）北京市六環內UTC 形態要素轉換面積圖Fig. 3 Transitions area of the morphological elements of UTC patches within the 6th Ring road of Beijing during the period of 2002-2013 (a) and 2013-2019 (b)

2.3 UTC 形態要素轉換的區域差異

UTC 形態特征轉換具有明顯的空間分異特征（圖4）。2002—2013 年，北京市六環內西部與西北部五到六環間UTC 核心區→UTC 核心區RCI 較大，這與該區域內西山森林分布有關。在五環外的其他區域，其他地類→孤島和其他地類→橋接區具有較大的RCI，顯示該時段內其他地類主要轉為孤島與UTC 橋接區。在四環內，UTC 形態特征變化主要與孤島相關，無論是從其他地類轉入，還是孤島轉出，抑或保持穩定，均具有較大的RCI，其中，四環內北部區域更多地表現為UTC 孤島→孤島與UTC 孤島→其他地類，而南部區域則更多的表現為從其他地類→UTC 孤島（圖4a、c）。

圖4 北京市六環內UTC 形態特征轉換類型聚類Fig. 4 Groups for the transition of UTC morphological elements within the 6th Ring road of Beijing

2013—2019 年，北京市環四外多數區域主要與UTC 的橋接區有關，其他地類→橋接區、橋接區→其他地類以及橋接區→橋接區等類型的RCI 較大，顯示在市區外圍UTC 斑塊間連接度變化是其主要特征。在四環內多數區域，尤其是在三環內與UTC 孤島相關的轉換類型RCI 較大，顯示在市中心UTC 孤島斑塊變化占有較大比重。在三到四環間，其他地類→孤島、其他地類→橋接區以及孤島→其他地類的RCI 相對較大，顯示該區域UTC 孤島與橋接區變化較為劇烈，成為市中心UTC 孤島變化為主到外圍以橋接區變化為主之間的過渡區域（圖4b、d）。

3 討論

3.1 UTC 形態特征組成

北京市六環內UTC 斑塊的橋接區和核心區面積比重較大，這與南京市綠色基礎設施（于亞平等,2016）、唐山市生態空間（郭家新等, 2021）、巴中新城（許峰等, 2015）綠地斑塊形態特征組成相似。UTC 斑塊的環道區、分支以及孔隙等形態特征與核心區存在依存關系，其面積也受到核心區制約，因此環道區、分支以及孔隙等面積占比較小。但是，本研究還發現北京市六環內UTC 斑塊的孤島占有一定的面積比重，這與其他城市的研究結果不同。這可能來源于如下兩方面的原因。一方面，城市化發展階段、土地利用方式等對城市林地斑塊景觀格局特征存在影響（朱耀軍等, 2011）。在城市化程度較高的地區，由于土地資源緊張，城市林地多以小型斑塊為主，因此UTC 孤島面積比重較大；而在新興城市化地區，土地資源充裕，可以規劃建設大型綠地，因此UTC 孤島面積比重較小（崔王平等, 2017）。此外，北京市六環內存在多個歷史悠久的公園綠地，如天壇公園等，這些公園綠地內散生的古樹名木較多，這也會增加UTC 孤島面積。另一方面，遙感影像的空間分辨率可能也會對UTC斑塊形態特征識別產生一定影響（McGarigalet al.,2005）。空間分辨率越小，識別散生木樹冠的能力則越強；反之，則僅能識別達到一定面積的林木樹冠。比如，在基于Landsat TM 影像對成都市綠色基礎設施網絡結構特征的研究顯示，孤島面積占比僅為0.2%（吳銀鵬等, 2017）。但遙感影像分辨率對UTC 斑塊形態特征的影響似乎較小。陳泓宇等人（2021）采用Landsat 8 OLI 影像源的30 米土地利用對北京市城區綠地形態特征的研究也發現核心區、孤島及橋接區是主要的形態特征類型。

3.2 UTC 形態特征轉換及其空間分異

UTC 斑塊形態特征動態呈現城鄉梯度特征。本研究發現，相比于城市外圍，市中心UTC 斑塊變化則以與孤島相關的UTC 斑塊變化為主。已有研究顯示，我國多個城市的土地利用變化均呈現相似的城鄉梯度特征（金佳莉等, 2020）。這種城鄉分異特征與人為干擾狀況有關。隨著城市發展，建設用地不斷向外圍呈“攤大餅”式擴張（曹玉紅等, 2019），不斷侵占原先的林草地及耕地等土地利用類型（Domingoet al.,2021），城市擴張也成為城市外圍土地利用變化的主要類型（Zhenget al., 2021），導致城市林地逐漸向人文景觀類型過渡。在城區外圍，人為干擾強度和頻度相對減弱，城市植被斑塊多以大斑塊分布為主（Forman,2015）。而在市中心，盡管中小型林地斑塊更易受到建設用地蔓延擴張的影響（張明娟等, 2006），對人為干擾更為敏感（Pearceet al. , 1992），但由于土地利用則更多表現為土地資源集約化利用或無明顯變化（Zhenget al., 2021），原先的小型林地斑塊可得到有效保護，城市植被斑塊多以碎片化分布為主。實際上，北京市近年來開展“留白增綠”工程，即在城區規劃尚不明確用途，或在完成拆違后短期內不能確定的區域，先行進行綠化建設。這些碎片化區域的綠化建設，勢必導致城區其他地類向UTC 孤島的轉換。但是，在城市外圍，本研究未發現以UTC 核心區為主的UTC 形態變化，反而是與UTC 橋接區相關的形態特征轉換成為主要類型。究其原因，這可能與綠地規劃以及外圍城市林地來源有關。四到五環和五到六環間分別是北京市第1、第2 道綠化隔離帶，是近年來北京市綠地建設的主要區域。而外圍城市林地主要有2 個來源，除一些地區，如海淀唐家嶺、豐臺槐房以及朝陽金盞，通過拆遷騰退造林外，結合水系和路網等廊道開展造林也是重要來源之一，如東北部潮白河和西南部永定河兩岸的防風固沙林建設。這些水系林、道路林的建設顯著提升了外圍與UTC 斑塊橋接區相關轉換類型的空間分布貢獻度。

隨著城市不斷發展，城區綠地建設的重點逐漸從大規模造林轉變為林地斑塊間連接度提升。在土地資源高強度開發及人為干擾漸趨劇烈的背景下，提升連接度則成為緩解和應對外界干擾的關鍵手段之一（金奇豪等, 2021），不同尺度的綠地連接度研究均發現城市綠地連接度有不同程度的提升（于亞平等,2016; 史芳寧等, 2020; 張啟舜等, 2021）。城市林地的建設，遵循“點、線、面、體”相結合的規劃設計方法，以街頭綠地、口袋公園等作為“點”，以道路林、水系林等廊道作為“線”，分別以大型公園綠地以及自然山體作為“面”和“體”。在當前城市土地資源極度緊缺的情況下，大型公園與自然山體的造林已不可能，只有通過“點”與“線”的規劃建設才能有效建設城市森林，實現城市森林的生態系統服務功能最大化。北京也于2012 年開始百萬畝平原大造林工程，在平原區按照“兩環、三帶、九楔、多廊”建設布局開展造林。其中，沿5 環路與6 環路的綠色生態屏障，沿永定河、北運河和潮白河的永久綠化帶。這些重要道路、河道及鐵路兩側的綠色通道，均與城市UTC 橋接區面積占比增大有關。

3.3 對城市森林建設和林木保護的建議

隨著城市化的不斷發展，城市土地資源緊缺，城市內可供用于森林建設的區域逐漸減少，大規模造林幾無可能。今后，城市森林建設的重心需從大規模造林轉移到維持和提升城市森林斑塊之間的連接度上來。城市森林建設可沿交通干線、河流水系等串聯各城市森林斑塊。此外，由于市中心UTC 孤島與其他地類之間的轉換較為頻繁，在今后的林木保護工作中，需強化市中心林木的保護，尤其需要做好古樹名木管護，以及街頭綠地、口袋公園等小微綠地的營造。

3.4 存在不足

本研究從斑塊形態特征的角度對城市林木的動態變化進行分析，為城市林木景觀動態研究提供了一個全新的視角。但同時也應該注意到，斑塊形態特征與研究尺度相關。UTC 像元大小和邊緣寬度均對斑塊形態特征有一定影響。鑒于城區景觀破碎化嚴重這一實際情況，本研究所采用的10 m 柵格大小可能丟失大量的現實信息，對研究結果可能有一定影響。此外，隨著邊緣寬度的增加，景觀斑塊核心區面積減小，而非核心區域增多（史芳寧等, 2020）。今后，尚需對更高空間分辨率的UTC 斑塊，選用不同的邊緣寬度，開展其形態特征的動態變化分析，以深入探究UTC 形態特征的精細變化。

4 結論

本研究基于景觀斑塊形態特征，對2002—2019 年間北京市UTC 斑塊的時空動態開展了研究。結果表明，北京市UTC 斑塊面積有了大幅提升，UTC 斑塊多以孤島、核心區和橋接區等形態特征為主。從時間變化來看，UTC 孤島斑塊與其他地類之間的轉換相對較為劇烈，但與2002—2013 年UTC 斑塊核心區變化較為顯著相比，2013—2019 年間北京UTC 斑塊則以橋接區變化為主。從空間分布來看，四環內UTC 斑塊以孤島變化為主，而4 環外則以核心區與橋接區變化為主。北京市UTC 斑塊形態特征變化與北京市近年來開展的百萬畝平原造林以及“留白增綠”等綠化工程有關。基于斑塊形態特征的UTC 研究可為今后城市植被的動態研究提供另一個視角，對于城市綠色基礎設施及生態網絡建設有直接的指導作用。