基于3S技术的森林城市景观结构分析

叶 伟，吴荣良，赖日文，谢雪莉，汪 琴，陈思雨

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.晋江市农业局，福建 晋江 362200)

基于3S技术的森林城市景观结构分析

叶 伟1，吴荣良2，赖日文1，谢雪莉1，汪 琴1，陈思雨1

(1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.晋江市农业局，福建 晋江 362200)

以福建省永安市为研究对象，基于3S技术手段，运用景观分析软件Fragstats4.1,计算不同水平上不同景观要素的特征值，对永安市现有城市景观和城市森林景观在类型水平和景观水平上的景观格局进行研究。结果表明：研究区各景观类型分布较为均匀，不存在明显的优势主体；城市森林整体分布不够均衡，研究区还未形成生态功能较为完善的城市森林结构。研究结果可为地区森林城市建设的可持续发展提供决策支持。

3S技术；景观格局；森林结构；城市森林

森林城市作为生态城市的一种发展模式，是以城市为载体、城市森林为主要建设内容，森林景观与人文景观有机结合，森林功能得到充分发挥的复合体系[1-2]。发展城市森林、创建森林城市已经成为提高城市森林体系的生态服务功能、解决日益恶化的生态环境、实现现代社会经济可持续发展的重要手段。Nowak[3]与Gregory[4]就分别对美国的芝加哥和萨克拉曼多市开展城市森林结构与功能系统的研究，韩轶等[5]通过对深圳和珠海植被生态效益的研究。将植被的最佳结构与最佳效益相结合，并从物种选择、层次配置和结构布局等层次上对澳门回归园、滨海公园等主要公园绿地进行规划。李伟[6]采用遥感图像判断和外业实地调查相结合的方法，从定性和定量两个角度对北京市森林布局现状和变化情况进行了系统分析，并结合北京市城市总体规划，提出北京城市森林布局优化方案，以缓解北京市主要环境问题。利用“3S”能够将城市绿化的分析与度量等定性指标定量化，从原来的定性描述发展到定量分析的模型预测，更直观地对城市绿地景观的空间格局进行分析和评价，使人们能够综合地、多层次地对城市景观的空间结构进行分析[7]。

本研究以福建省永安市为研究对象，利用3S技术对该市建成区内的城市景观类型及城市森林景观类型进行划分，在此基础上采用景观分析软件Fragstats4.1计算不同水平上不同景观要素的特征值，对永安市现有城市景观和城市森林景观在类型水平和景观水平上的景观格局进行研究，为森林城市建设的可持续发展提供决策支持。

1 研究区概况

永安市位于闽中偏西，东靠大田县，西邻连城县，南毗漳平市，北与明溪县、三元区接壤。居于武夷山脉和戴云山脉过渡地带，地势四周高，中部低，有沙溪、燕江流贯全域，东经116°56′～117°47′，北纬 25°33′～26°12′。总面积 2 942 km2，总人口33万。永安市森林资源集存量大，林地面积2 551 km2，森林覆盖率达83.2％，为我国南方重点国家园林城市。

2 原理与方法

2.1 数据收集与预处理

收集2010年研究区域QuickBird卫星遥感数据(4波段融合，空间分辨率0.61m)、永安市城市建成区各类绿地现状、调查资料、永安市1∶10 000地形图数据、永安市城市总体规划资料、永安市绿地系统规划资料、永安市道路绿化树种资料等。对遥感图像进行预处理(包括辐射标定、大气校正、几何校正、直方图匹配、灰度调节、镶嵌及云去除等)，最后利用永安市行政区划shp图层对预处理后的影像数据进行裁剪，获得研究区4波段的QuickBird影像。本研究采用的主要软件有：ERDAS9.2、ENVI4.8遥感影像处理软件、ArcGIS9.3地理信息系统软件、Fragstats4.1景观指数计算软件等。

2.2 景观类型的确定

根据研究区域用地的分布情况、QuickBird影像的特点和国土资源局土地类型的划分，参考何春阳等[8]、吴泽民等[9]、秦耀民等[10]、陈铭等[11]关于城市森林景观类型的划分，将永安市城市景观分为城市森林、一般绿地、耕地、建筑物、硬质铺装和道路、水体、裸地等7类，其目视解译标志见表1；并将永安市城市森林景观分为公共城市森林、附属城市森林、道路城市森林、生产城市森林、防护城市森林、其他城市森林等6类。

2.3 信息提取

监督分类等传统的基于像元光谱的分类方法其处理结果往往存在大量噪声、解译精度较低、容易造成错分或漏分的问题，并不适用于QuickBird影像等高分辨率影像。本研究采用面向对象的分类方法，该方法是在将图像分割成各具特性的区域基础上，将每个区域认为是一个对象，这些对象具有不同的形状、纹理和拓扑等特性，通过计算即获得不同对象的面积、周长、与相邻对象的关系等，最后将这些特性参与分类[12-13]，该方法充分考虑了目标地物的形状、尺寸及相互关系等空间信息，高分辨率影像的分类效果得到充分改善[14]。

参考林辉等[15]、曹凯等[16]、邓媛媛等[17]、王卫红等人[18]的研究方法，利用ENVI4.8平台的面向对象特征提取工具(Feature Extraction)将预处理后的研究区影像分为城市森林、一般绿地、耕地、建筑物、硬质铺装和道路、水体、裸地等7级地类，然后结合人工目视解译进行修正，得到研究区土地利用专题图(见图1)；最后，在此基础上，根据实地调查及研究需要通过目视解译将城市森林分为公共城市森林、附属城市森林、道路城市森林、生产城市森林、防护城市森林、其他城市森林等6类，得到城市森林现状分布图(见图2)。

表1 城市景观类型目视解译标志Table 1 Symbol of visualization interpretation on landscape tapes

2.4 景观格局指数的选取

通过计算斑块数量、斑块面积等景观组分的属性特征进行的景观空间格局指数分析是景观格局分析的最主要方法[19-21]，景观指数包括斑块水平指数(patch level index)、斑块类型水平指数(class level index)及景观水平指数(landscape level index)三类[22-24]。考虑到本研究中永安县域城市的总体环境及其城市景观、城市森林景观的特点和所获取数据的局限性，以较易获取为出发点，选取与城市森林结构特征相关性最强的指标进行分析和讨论。选取的指标包括两个方面：一是斑块类型水平指数，如斑块数量、面积、周长等；二是景观水平指数，如优势度指数、多样性指数、破碎化指数等。

图1 研究区土地利用现状Fig.1 Present situation of land utilization in study area

2.4.1 斑块类型水平指数

选择类型斑块数量(NP)、景观面积比例(PLAN)、斑块密度(PD)、平均形状指数(MSI)、最大斑块占景观面积比例(LPI)和平均斑块分维数(MPFD)等景观指数进行分析[25-26]。

2.4.2 景观水平指数

景观水平指数主要选择景观多样性指数(H)、优势度指数(D)、景观均匀度指数(E)、景观形状指数(LSI)等指数进行分析[25-26]。

图2 城市森林现状分布Fig.2 Present situation of city forest distribution

3 结果与分析

3.1 城市景观结构分析

3.1.1 城市景观的类型水平分析

斑块类型水平上的指数计算反映了土地利用类型的现状，是研究景观结构变化、城市化进程的基础数据[27]。利用Fragstats4.1计算永安城市景观类型水平上的景观指数(如表2所示)。

表2 城市景观类型水平上的景观指数Table 2 Landscape index at level of city landscape types

由表2可以看出，建成区范围内总体面积为2 517.045 km2，其中城市森林面积为779.017 km2，占总面积的30.95％；一般绿地面积为219.829 km2，占总面积的8.73％；道路及硬质铺装面积为481.451 km2，占总面积的19.13％；建筑面积为393.696 km2，占总面积的15.64％；水域面积为135.899 km2，占总面积的5.40％；耕地面积为362.277 km2，占总面积的14.39％；裸地面积为144.875 km2，占总面积的5.76％(如图3所示)。由于永安市为南方县域城市，其城市森林覆盖率仍小于《国家森林城市评价标准》规定的“南方城市达到35％，北方城市达到25％”，因此永安城市森林覆盖率有待进一步提高。

在建成区范围内，共有64 540块斑块，各景观类型斑块数量大小依次为：一般绿地＞建筑＞耕地＞道路及硬质铺装＞裸地＞城市森林＞水域，城市森林景观的斑块数量明显较少；且其最大斑块占景观比例达4.601，仅小于道路及硬质铺装，说明城市森林连通性较好；同时，平均面积指数是反映景观破碎度的关键，城市森林的平均面积指数仅小于水域，说明城市森林的破碎度低，大面积城市森林仍稳定在一个较高水平。

一般绿地的斑块数量最多，平均面积指数最小，说明该景观类型各斑块规模较小，其破碎化程度高，这主要是由于建成区建筑密集，用地紧张，其绿化多采用见缝插针的方式进行，但又达不到城市森林的标准，表现为零星分布于中心城区，布局较为均匀。水域的斑块数量最少，平均面积指数最大，其破碎化程度最低，主要是由于永安虽然有巴溪和沙溪横贯而过，但其他水体类型较少，其水网化程度仍有待提高。

图3 城市景观类型面积分布Fig.3 Distribution of city landscape area

3.1.2 城市景观的景观水平分析

景观水平上的指数计算反映了景观总体特征，是研究景观整体结构、空间布局的关键参数。利用Fragstats4.1计算永安城市景观水平上的景观指数(如表3所示)。

表3 城市景观水平上的景观指数Table 3 Landscape index at level of city landscape

整个建成区城市景观的形状指数达到275.277，平均斑块分维指数达到1.356，说明建成区总体景观的斑块形状较为复杂，在发展近自然景观上有较大潜力；景观蔓延度能有效反映景观中不同斑块类型分布的非随机性或聚集程度，建成区的景观蔓延度达45.666，说明各类型斑块分布较为集中；建成区总体景观的丰富度和多样性指数均较高，分别达到25.433和1.783，主要原因是建成区总体景观的组成成分变化较大，各类型景观较为齐全，且各类型景观中斑块面积差异较大；优势度指数为0.278，均匀度指数达0.917，反映出其分布也较为均匀，各类型景观对城市总体景观贡献率基本相当，并无明显的优势景观，即便是略处于优势的城市森林在城市的扩展、景观建设的系统规划过程中，其优势呈逐渐减弱的趋势，因此对城市森林的保护和发展有待进一步加强。

3.2 城市森林景观结构分析

3.2.1 城市森林景观的类型水平分析

从表4中可以看出，在类型斑块面积上，建成区城市森林各类型景观的斑块面积大小依次为：防护城市森林＞公共城市森林＞附属城市森林＞其他城市森林＞道路城市森林，其中防护城市森林面积达293.090 km2，占城市森林总面积的37.62％，而道路城市森林面积仅1.222 km2，占0.16％，公共城市森林、附属城市森林、防护城市森林三者的面积占86.05％。在斑块数量上，附属城市森林明显多于其他类型的城市森林，占总斑块数的86.62％，呈现极显著的优势。在最大斑块占景观比例指数上，公共城市森林和防护城市森林远大于其他类型，但这两类景观的斑块数量并不占明显优势，表明公共城市森林和防护城市森林的连通性较好。在平均面积指数上，由于公共城市森林和防护城市森林以大面积斑块为主，道路城市森林和附属城市森林均以小面积斑块为主，破碎化程度较高，前两类指数值较高，后两类指数值较低；而道路城市森林无论是在斑块面积还是在斑块数量上都小于其他森林景观，反映出研究区的廊道绿化有待进一步加强。

建成区城市森林各类型景观的平均形状指数大小依次为：防护城市森林＞生产城市森林＞公共城市森林＞其他城市森林＞道路城市森林＞附属城市森林。防护城市森林一般分布于中心城区边缘或河流两侧，边界形状复杂，变异系数较大；附属城市森林主要分布于居住小区或单位内，是提高城市森林覆盖度的重点，多以正方形或长方形、圆形为主，结构单一，形状简单，形状差异最小。

表4 城市森林景观类型水平上的景观指数Table 4 Landscape index at level of urban forest landscape type

3.2.2 城市森林景观的景观水平分析

由表5可知：建成区城市森林景观形状指数为113.442，平均斑块分维数为1.341，说明城市森林斑块形状较为复杂，有利于发展近自然式的城市森林、城市生物多样性的建立和保护；城市森林的景观蔓延度为60.395，表明城市森林景观分布较为集中；城市森林景观丰富度为3.655，多样性指数为1.419，其中多样性指数值位于典型森林景观多样性指数范围(1.015～1.590)内[28-29]，反映出建成区各类型城市森林景观较为齐全，并且其多样性可能随着人为干扰的增强而呈现上升趋势；优势度指数为0.937，均匀度指数为0.792，表明整体城市森林类型分布不够均衡，主要是公共城市森林、附属城市森林、防护城市森林主要以大面积斑块存在，在整体城市森林景观中占主要支配地位，并且与道路城市森林、生产城市森林、其他城市森林所占面积比例相差较大，还未形成生态功能较为完善的城市森林结构。

表5 城市森林景观水平上的景观指数Table 5 Landscape index at level of urban forest landscape

4 结 论

(1)对永安市城市景观的类型水平和景观水平的分析表明：研究区各景观类型分布较为均匀，并不存在明显的优势主体，即便是面积最大的城市森林也存在空间布局不够合理、城市森林效应发挥不够等问题；一般绿地破碎化程度高，缺少大面积的一般绿地；水域面积少，斑块数量明显不足，水网化程度有待近一步加强；裸地大面积存在，反映了城市生态环境的保护将面临巨大挑战，城市森林覆盖率提升潜力大。

(2)对永安市城市森林景观的类型水平上和景观水平上的分析表明：永安市整体城市森林分布不够均衡，主要是公共城市森林、附属城市森林、防护城市森林以大面积斑块存在，破碎化程度低，连通性好，在整体城市森林景观中占主要支配地位；道路城市森林和附属城市森林均为小面积斑块为主，破碎化程度较高；研究区还未形成生态功能较为完善的城市森林结构。

[1] 李新平,李文龙.森林城市的研究进展[J].山西林业科技,2011,40(2):32-36.

[2] 朱文泉,何兴元,陈 玮.城市森林研究进展[J].生态学杂志,2001,20(5):55-59.

[3] Nowak D J.Urban forest structure:The state of Chicago’s urban forest[M].Northeastern Forest Experiment Station,General Technical Report NE-18.DC:USDA,1994:3-18.

[4] Gregory M E.Structure and sustainability of Sacramento’s Urban forest[J].Journal of Arboriculture,1998,24(2):174-189.

[5] 韩 轶,李吉跃.城市森林综合评价体系与案例研究[M].北京:中国环境科学出版社,2005.

[6] 李 伟.北京市城市森林布局优化研究[D].北京:中国林业科学研究院,2008.

[7] Ohsawa M,Da I J.Urban Vegetation:its Structure and Dynamics[C]//obarah,H.Integrated Studies in Urban Ecosystems as Basis of Urban Planning.Chiba:Chiba University,1988:137-142.

[8] 何春阳,史培军,陈 晋,等.北京地区土地利用/覆盖变化研究[J].地理研究,2001,12(6):679-687.

[9] 吴泽民,吴文友.合肥市区城市森林景观格局分析[J].应用生态学报,2003,14(12):2117-2122.

[10] 秦耀民,胥彦玲,李怀恩,等.西安市城市森林景观格局分析[J].水土保持通报,2009,29(6):225-229.

[11] 陈 铭,陈其兵,张 健,等.遥感数据分类基础上的成都市城市景观多样性研究[J].四川林业科技,2005,26(4):78-82

[12] Benz U C,Pottier E.Object based analysis of polarimetric SAR Data in Alpha-entropy-anisotropy decomposition using fuzzy classification by ecognition [J].Proceedings of IGARSS 2001,Sydney,Session:Radar Polarimetry,2001(3):1427-1429.

[13] Ketting R L,Landgrebe D A.Computer Classification of Remotely Sensed Multispectral Image Data by Extraction and Classification of Homogeneous Objects [J].IEEE Transactions on Geoscience Electronics,2003(1):19-26.

[14] Mauro C,Eufemia T.Accuracy Assessment of Per-Field Classi fi cation Integrating Very Fine Spatial Resolution Satellite Imagery with Topographic Data[J].Journal of Geospatial Engineering,2001,3(2):127-134.

[15] 林 辉,李际平,莫登奎.QuickBird卫星图像信息识别[J].中国图像图形学报,2005,10(12):1504-1510.

[16] 曹 凯,江 南,吕 恒,等.面向对象的SPOT 5影像城区水体信息提取研究[J].国土资源遥感,2007,(2):27-30.

[17] 邓媛媛,巫兆聪,易俐娜,等.面向对象的高分辨率影像农用地分类[J].国土资源遥感,2010,(4):117-121.

[18] 王卫红,夏列钢.面向对象的遥感影像多层次迭代分类方法研究[J].武汉大学学报:信息科学版,2011,36(10):1154-1158.

[19] Bojie Fu,Keming Ma,Huafeng Zhou,et al.The effect of land use structure on the distribution of soil nutrients in the hilly area of the loess plateau[J].China:Chinese Science Bulletion,1999,43(22):2444-2448.

[20] Mander U,Jagonaegi J,et al.Network of compensative areas as an ecological infrastructure of territories[C].Connectivity in Landscape Ecology,proc.of the end International Seminar of the International Association for Landscape Ecology.Ferdinand Schoningh,Paderborn,1988:35-38.

[21] 肖笃宁,钟林生.景观与评价的生态学原则[J].应用生态学报,1989,(9):217-221.

[22] O’Neil R V,Krummel J R,Gardner R H,et al.Indices of landscape pattern [J].Landscape Ecology,1998(1):153-162.

[23] 李哈滨,伍业刚.景观生态学的数量研究方法:当代生态学博论[M].北京:中国科学技术出版社,1992:209-234.

[24] Hobbs R.Future landscapes and the future of landscape ecology [J].Landscape and Urban Planning,1997,(37):1-9.

[25] 营利荣,李明阳.GIS分析方法在森林景观格局变化中的应用[J].中南林学院学报,2002,22(1):86-89.

[26] 张 彤,梅安新,蔡永立.SPOT遥感数据在崇明东滩景观分类研究中的应用[J].城市环境与城市生态,2004,17(2):45-47.

[27] 兰思仁,唐思晟,张晓萍,等.基于遥感数据的福州景观格局与城市森林体系[J].中国城市林业,2009,7(1):4-7.

[28] 王兮之,Helge B,Michael R,等.基于遥感数据的塔南策勒荒漠绿洲景观格局定量分析[J].生态学报,2002,22(9):1491-1499.

[29] 孙 娟,蓝崇钰,夏汉平,等.基于QuickBird卫星影像的贵港市城市景观格局分析[J].生态学杂志，2006,25(1):50-54.

Analysis on forest city landscape structure based on geomatics technology

YE Wei1,WU Rong-liang2,LAI Ri-wen1,XIE Xue-li1,WANG Qin1,CHEN Si-yu1
(1.College of Forestry,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,Fujian,China;2.Agriculture Bureau of Jinjiang,Jinjiang 362200,Fujian,China)

By taking Yong’an city of Fujian province as the research object,based on geomatics technology,by using the landscape analysis software Fragstats 4.1,the landscape eigenvalues of Yong’an city in different levels and landscape elements were calculated,and further,the landscape patterns of Yong’an city existing urban landscapes and forest landscape were investigated from the class level and landscape level.The results show that the landscape type distribution is uniform,there is no obvious advantage subject; the forest distribution of the whole city is not balanced,the researched area has not yet formeda city forest structure that had more perfect ecological function.The conclusion can provide decision support for the sustainable development of forest city construction area.

geomatics technology; landscape pattern; forest structure; urban forest

S771.8

A

1673-923X(2015)01-0056-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.011

2013-12-11

福建省自然科学基金项目“森林碳储量遥感估测模型构建研究”(2011J01258)

叶 伟，硕士研究生；E-mail：yewei921@sina.com

赖日文，副教授，博士；E-mail：fjlrw@126.com

叶 伟，吴荣良，赖日文，等.基于3S技术的森林城市景观结构分析[J].中南林业科技大学学报,2015,35(1):56-61.

[本文编校：谢荣秀]