基于遥感图像解译的城市生态廊道研究

李 鹍

（清华大学建筑学院，北京 100084）

基于遥感图像解译的城市生态廊道研究

李 鹍

（清华大学建筑学院，北京 100084）

遥感影像解译是图像学的前沿技术，将其应用于城市环境问题研究具有交叉学科的意义和较好的效果。该文通过解译遥感影像并以北京市为例，详细研究了城市生态廊道的位置、形式和内在结构，并以卫星图片推导的植被覆盖度、地表亮温为指标分析了生态廊道的作用。由此显示了遥感技术可应用于精确的城市环境分析中，是图学应用于地学、规划学的途径。

工程图学；生态廊道；图像解译；植被指数

城市环境的研究一直以来都是规划学科的难点，因为城市体量巨大，内部形式复杂，很难从整体上去把握城市的结构。以往的城市环境研究往往需要进行大量的实地调查，并进行大规模的同步测试，由此需要花费大量的人力、物力和财力。

遥感技术具有快速、全方位地获取不同空间分辨率、多光谱信息的特征，是城市环境研究的有效手段[1]。遥感技术也是图学的一个重要分支，是图学技术应用于探讨地学、规划学问题的途径。它可以通过对地物进行观测，然后利用数学模型、波段合成等多种处理手段将拍摄的影像进行解译，得到带有数据的灰度图像。这些灰度图像将可以反映地表的温度、植被覆盖、热物理性质等各种特征。另一方面，遥感卫星处于高空，所拍摄的图像范围广阔，直观的反映较大区域的地表状况，适合进行大范围的对比分析和深入研究。人们通过对经过处理的遥感图片的识读，可以非常方便的对城市的整体情况进行探讨。随着科技的发展，遥感技术日益成熟，遥感卫星的精度也大大提升，目前遥感技术已经可以应用到比较精确的城市问题研究中。

因此，这里将利用遥感卫星图像研究城市生态廊道对城市环境的改善作用。这也是利用图学前沿技术支持规划层面的工程性研究的有益实践，这不仅为规划学科提供了重要的交叉学科的研究手段，对图形图像学科的发展和实际应用也有重要意义。

1 生态廊道介绍

城市生态廊道目前还没有统一的定义[2-4]。从城市规划层面来看，如果一个区域具有较大面积生态用地，能够在城市密集的中心提升人居环境水平，缓解和隔离城市化对生态资源的冲击，具有一定独立性和相对完整的生态系统，则可以在广义上将其认定为一种生态廊道。生态廊道是将城市中孤立的、面积较小的生态资源点联系成为完整的、具有与城市进行交流功能的生态网络。

生态廊道的基本构成元素有绿化隔离带、公园、城市森林、山地、河流、湖泊等。其一般表现为线状或是带状，但是在某些情况下也具有广义化的、非线性的形态特征。城市生态廊道有着调节城市微气侯环境、缓解热岛效应、提供景观和休憩、保护城市生态链、限制城市过度发展、保障城市交通等功能，对城市的生产和生活有着重要的作用。因此，需要大力保护和发展城市生态廊道，对其表现形式和内在结构进行认真的研究。

2 实例研究

在本研究中，将通过对北京市的生态廊道进行案例分析，以此来说明城市中存在的生态廊道的具体形式，并通过这些案例了解如何通过对卫星图像的解读，研究城市生态廊道的整体性质。

2.1 遥感研究方法

本次研究采用的遥感卫星影像是美国陆地卫星5号卫星（Landsat5，简称TM）在2010年6月5日拍摄的在北京地区的影像①本文所用遥感影像由中国科学院中国遥感卫星地面站提供：http：//www.rsgs.ac.cn/。。TM卫星影像具有7个波段，除第六波段热红外波段分辨率为120m外，其余波段分辨率为30m，具有良好的对地观测精度和效果[5]。

利用卫星数据的波段之间进行组合运算可以得到不同的地表信息数据，本次研究主要求取多波段合成图像（4、3、2波段的合成图）、NDVI植被指数、地表亮温3个数据图。多波段合成图像主要是从城市整体角度对生态廊道进行直观描述，而NDVI植被指数图、地表亮温图则是从植被覆盖、地表热场的角度来了解生态廊道的分布情况和对热环境状况的影响。

多波段合成图像通过颜色不同直观体现了地表下垫面的具体情况。城市各种下垫面由于物理性质不同，在合成图上显示出不同的颜色。如图1所示，城市中的建筑呈灰色，道路呈青灰色，植被呈现红色，而水体呈现为蓝色。

NDVI是根据-1到1之间的数值反映植被覆盖状况的植被指数[6]。一般水体的NDVI值为负数，植被、道路、房屋等则要根据多次选点，参照地面实际表面情况来决定阈值。植被覆盖越好，数值越高。NDVI的求取主要利用以下公式[6]

其中 B1是TM影像的第四波段反射率，B2是其第三波段反射率。

地表亮温反映地表的温度情况，是分析城市热环境的重要指标。陈云浩等人(2004)认为[7]“由于城市区域范围有限，可认为区域水汽状况基本一致，因而可直接用亮温表征城市热场。”地表亮温的求取利用TM影像的第六波段图像，其具体计算方法如下[7]

图1 北京TM影像三波段合成图（4、3、2波段的合成图）

图2、图3分别是该卫星影像经过计算后得到的地表亮温分布图和植被指数NDVI分布图。

图2 地表亮温分布图

2.2 基于遥感图像的规划分析

首先从多波段合成图来看北京市生态廊道的分布情况。对于主城区来说，建筑和道路占据了大部分的用地，植被分散其间，大部分绿地都呈现小型化和离散化的特点。但是，有几个生态廊道还是比较明显的。这些廊道从表面形式看有线状和面状两种，从具体结构来说则有“核心区―缓冲区―城市人工环境”、“节点―纽带―节点”、“节点―节点”三种结构类型。

图3 植被指数NDVI分布图

具体来说，什刹海、前三海等湖泊组成的湖泊廊道在城市中心区非常显眼，呈线状特点；由颐和园的昆明湖经京密引水渠、玉渊潭公园、紫竹院公园等公园形成的廊道，将城市西部、南部的主要绿地、水体和河道都连接起来，体现了很明显的“节点-纽带-节点”的廊道模式；北京中轴线上的重要区域如故宫、亚运村、奥运村、奥林匹克公园等地物都很清晰，但是其联系不明显，符合“节点-节点”式生态廊道的特点；元大都遗址公园体现了线形生态廊道的特点；而圆明园公园、清华大学、北京大学围绕着圆明园中的湖泊所形成的生态区域也一个是典型的“核心区-缓冲区-城市”模式的生态廊道。

其次，从地表亮温图和NDVI植被状态图进行综合分析。从图2，图3可以看到，除去水面，生态廊道区域的NDVI一般在0.1到0.35之间，而一般城市建筑区均在0.1以下，显示生态廊道具有较好的生态效果，植被覆盖率较高。而从地表亮温图上看，生态廊道的区域是市区中温度比较低的。在卫星拍摄时刻，城市建筑、道路表面的亮温在24°C以上，而生态廊道区的表面亮温则低于24°C。其中水体表面温度最低，一般低于21°C，尤其是大型水面的中心区域温度在18°C到20°C之间。其它生态廊道的核心区域在20°C～23°C之间，边缘地区和分散的区域表面亮温在22°C～24°C之间。而从城市其它区域来看，与生态廊道交接的区域，地表亮温在24°C到27°C之间，然后再逐步过渡到27°C以上的城市高温区。由此可见，从生态廊道的核心区到城市建筑密集区，地表亮温从20°C升至27°C以上，体现了两种区域之间相互影响，逐步过渡的过程，这也说明了生态廊道对周边区域有良好的改善作用。另一方面，北京中轴线廊道上的部分节点地表亮温在24°C～26°C之间，因为像奥运村、亚运村等地方存在着大片区域是以水泥、沥青地面为主，在白天表面温度较高。实地考察得知，它们的廊道作用主要表现在作为城市中较大的开放空间以及得益于中轴线较低密度的规划布局，通风效果较好，是城市重要的通风口和通道。实际上同样介质的地表，亮温一般都在27°C以上，正是由于其通风作用，保证其地表亮温维持在相对低的水平。但是，这也从一个侧面表现出这种“节点-节点”型的廊道和不透水下垫面的节点表面介质，其廊道生态效果相对较差。

3 研究总结

经过上述对北京卫星影像的解译和分析，可以看到城市的生态廊道有其独特的特色，这些特色也反映了城市的气候和地域环境。通过上述的分析，也可以看到图学可以在规划研究方面起到非常关键的作用。

（1） 城市生态廊道的研究对整合城市生态资源、提高城市人居环境有着重要的意义。可以看到目前城市对生态廊道已经有所认识，并在逐步改进城市中生态节点离散化和边缘化的状况。但是也该认识到，城市中的生态廊道仍然只占据着较少的面积，对城市人居环境的影响还有很大改进的空间。城市应该努力进行更集中和更大面积的生态圈建设，而不能仅仅满足于建设较小范围的生态廊道。

（2） 北京的生态廊道都是以水系作为重要的连接方式，反映出城市中对水的需求是非常迫切的。但是，在城市中心区，大部分的廊道节点和几乎全部的连接纽带都是靠水体来实现，生态廊道的同质化比较突出。一般来说，最好的生态廊道形式应该是包含水体、草坪、森林等各种生态资源和各种生物圈，这样才能在最大限度上保证生态系统的完整。所以在尽可能的情况下，应该增加其它类型的生态廊道所占的比例。

（3） 可以看到，应用遥感图像进行的北京市生态廊道的研究不仅可以进行直观的总体分析和定点分析，也可以通过数学解译深入探讨地表区域的特征指标。这不仅节省了大量的调研工作，也可以同时同步对整个城市的所有区域进行各种指标的对比研究，由此显示了遥感这个图学前沿技术在城市环境研究中的巨大优势。在未来的发展中，图学、地理学、规划学等学科应该相互借鉴，进一步加强学科的交叉和整合，并应用到解决实际科研问题中。

[1]王文杰, 申文明, 刘晓曼, 等. 基于遥感的北京市城市化发展与城市热岛效应变化关系研究[J]. 环境科学研究, 2006, 19(2)：44-48.

[2]高建强, 赵滨霞. 城市区域生态廊道的含义、功能和模式[J]. 能源与环境, 2007, (6)：77-78.

[3]关英敏. 城市生态廊道建设研究——以广州市天河区为例[D]. 东北师范大学, 2003.

[4]马志宇, 黄耀志. 城市生态廊道建设探讨[J]. 山西建筑, 2007, 33(13)：6-7.

[5]张兆明, 何国金. Landsat 5 TM数据辐射定标[J]. 科技导报, 2008, 26(7)：54-58.

[6]范文义, 白新源, 冯 欣, 等. 哈尔滨热岛效应与植被指数关系的动态分析[J]. 东北林业大学学报,2009, 37(6)：27-50.

[7]陈云浩, 李 京, 李晓兵. 城市空间热环境遥感分析——格局、过程、模拟与影响[M]. 北京：科学出版社, 2004. 20-21.

Research on City Ecological Tunnel Based on Remote Sensing Image Interpretation

LI Kun
( School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Interpretation of Remote Sensing image is the frontier technology in Iconology,which is of interdisciplinary meaning and good effect by using it to do the research on city environment problem. This paper studies the position, form and structure of city ecological tunnels by using the satellite image and does the case study of Beijing city. It also uses the indices of NDVI and surface brightness temperature deduced by satellite image to analyze the function of ecological tunnels. It is proved that Remote Sensing can be used into precise analysis of city environment and is the way for the application of Graphics in Geography and Urban Planning.

engineering graphics; ecological tunnel; image interpretation; vegetation index

TB 23

A

1003-0158(2010)06-0161-04

2010-06-17

李 鹍（1978-），男，广西南宁人，博士后，主要研究方向为绿色建筑与生态城市。