基于SPOT数据的北京市四环不同功能用地绿地格局研究

冯玉兰，肖亚卓，陈进勇

(1.中国园林博物馆，北京 100072；2.湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074)

0 引言

城市绿地具有净化空气[1-4]、改善城市小气候[5-8]、降低城市噪音[9]和休闲娱乐等功能，并具有防灾避难、监测环境污染等作用，有利于改善城市生态环境[10]、维护人与自然和谐相处[11]。因而，准确及时地获取城市绿地现状信息，并理解其在不同功能用地的空间格局对于城市绿地管理、养护以及进一步的城市绿地系统科学规划[12]都具有重要意义。

目前有多种技术手段可以获取城市绿地分布信息。通常采用地面调查与统计分析相结合的方法。虽然这种调查方法能够获取比较准确的绿地分布信息，但存在着以下不足：需要花费大量的人力、物力与财力，调查周期较长；调查统计结果的准确性容易受调查人员主观性影响[13]。作为一种快速、客观的数据获取手段，遥感技术已被广泛应用于国土资源调查、农林监测等多个领域，并较多地应用于城市绿地监测[13-16]。基于遥感影像，通过人工目视解译并结合实地调查可以有效地获取城市绿地范围，极大地提高调查效率和结果的客观性。随着图像分析和机器学习技术的发展，基于遥感影像的绿地自动化提取技术也取得了较大进展[15-18]，也有研究使用众源地理数据研究城市绿地空间分布，如使用高德地图兴趣点数据POI进行绿地分布提取[19]。

通过不同技术手段获得绿地分布后，学者们对城市绿地的空间分布格局多有研究。以北京市绿地为例，Qian等[16]基于2005年以及2009年的卫星数据分析了北京市五环以内的绿地情况，并分析了不同环路内的绿地格局变化情况；谢军飞等[20]分析了北京城市公园景观格局指数；吴思琦等[21]分析了北京市大型城市公园绿地的演变机制。除了绿地空间分布格局，也有学者尝试使用众源数据(社交媒体签到数据、地图POI数据等)分析绿地使用情况的空间分布。李方正等[22-23]利用2013年北京市新浪微博签到数据，分析了北京市中心城区公园绿地的使用现状，并进一步基于百度地图POI数据分析了绿地使用情况的时空模式及其背后的驱动因素(如交通方便性、人口密度和商业设施情况等)。

已有研究为城市绿地管理与绿地科学规划提供了重要信息，但绿地格局分析主要是以城市行政边界或者主要道路构成的环路为统计单元进行的，目前鲜有研究按照城市功能用地类型进行绿地空间格局分析。城市功能用地的合理组织是城市总体规划的核心任务，因而在更微观的尺度上进行城市绿地格局分析具有重要意义。一方面，城市居民生活、工作等活动大都聚集在特定的场所，理解各功能用地的绿地覆盖情况有助于更加精细化、科学化地管理绿地，从城市行政区域级别的绿地率监管提升到更精细的城市不同功能用地下绿地率监管，精准服务于城市居民对绿地的需求；另一方面，国家部委绿地规划相关标准规范(如《城市绿化规划建设指标的规定》(建城[1993]784号)、《城市绿地规划标准》(GBT 51346-2019))都有对不同功能用地绿地率的指标性要求，因而获取城市不同功能用地的绿地覆盖现状信息，可以进一步提高城市绿地系统的规划水平和绿地建设水平，优化城市空间格局。基于2019年获取的SPOT遥感数据，本文将：① 提取北京市四环内区域绿地现状信息；② 进一步结合城市功能用地数据，分析城市绿地在不同功能用地的空间格局，以期为绿地精细管理与后续的绿地科学规划服务。

1 研究地区及研究方法

1.1 研究区域及数据获取

研究区为北京市四环内区域，如图1所示。

图1 北京市四环内区域SPOT遥感影像(标准假彩色显示， 即按照近红外、红、绿波段显示；图中叠加的绿色环线 分别为北京城区二、三、四环线)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)

首先获取了2景SPOT数据(其中一景为2019年7月31日的SPOT7卫星数据，另一景为2019年7月23日的SPOT6卫星数据，分别覆盖北京市城区北部和南部区域；SPOT6和SPOT7具有相同的成像参数，都包含1.5 m全色波段和4个6.0 m多光谱波段(蓝、绿、红和近红外波段))；并获取了由中国测绘科学研究院与北京市测绘设计研究院制作的北京市四环内功能用地划分数据[24]，该数据依据《城市用地分类与规划建设用地标准(GB50137-2011)》，采用众源数据(包括POI、OpenStreetMap路网数据、北京市2016年基础性地理国情要素成果数据等)制作，把北京市城区分类为7种功能用地类型(交通用地、公服用地、商服用地、居住用地、工业用地、风景名胜用地和未分类用地；各类别的详细描述参见文献[24])。

1.2 数据预处理

首先基于卫星数据公司提供的有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficient，RPC)文件，对SPOT数据进行RPC校正；基于6.0 m分辨率的多光谱数据以及1.5 m的全色影像，利用Gram-Schmidt融合算法得到1.5 m分辨率多光谱数据；使用影像拼接算法对SPOT6和SPOT7数据拼接得到覆盖整个研究区的影像；选用FLAASH模型对SPOT数据进行大气校正，以上处理都是基于遥感图像处理专业软件ENVI 5.3完成。

由于文献[24]是以OpenStreetMap的城市路网(主干路、快速路和次干路)将研究区分为不同街区，并以不同的街区为基本单元识别功能用地类型，所以分类结果中并没有包含城市道路区域。在文献[24]研究结果基础上，将OpenStreetMap的城市路网区域归类到交通用地，获得更新后的北京市四环内功能用地数据，用于后续分析。以上操作通过ArcGIS 10.2软件完成。

1.3 分析方法

首先基于SPOT数据计算反映植被状态的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，并设定阈值获得绿地信息，进一步结合北京市四环内功能用地数据分析绿地空间分布情况。

1.3.1 归一化植被指数计算

在遥感图像上，NDVI是反映植被覆盖的重要参数[25]，其基本原理是植被叶面在可见光红色波段有很强的吸收特性，而在近红外波段有很强的反射特性。因而，NDVI定义为近红外波段与红色波段之差与其之和的比值，即：

(1)

式中，ρNIR，ρR分别是SPOT影像近红外波段、红色波段反射率。在1.5 m分辨率融合后影像上提取了NDVI。NDVI数值越大代表相应区域植被越绿。

1.3.2 绿地覆盖提取

在NDVI数据基础上，进一步提取绿地分布。由于所选用的影像获取时间为7月底，为北京地区植物生长旺季，而绿地(包含草地、低矮植被以及树木等)相比其他地物类型具有较高的NDVI值；同时北京四环以内基本上排除了农田的影响。因而，选用了一种阈值分割的方法。首先选取北京市城区不同绿地类型(包括公园内绿地、道路两旁绿地、居住区内绿地和企事业单位内绿地)区域及相邻的非绿地区域作为样本；其次，读取样本区域的NDVI值，并建立绿地及非绿地的NDVI分布直方图；最后，依据统计分析计算得到绿地与非绿地的最佳区分阈值为0.35，即，若NDVI>0.35，则分类为绿地；反之，则分类为非绿地。

1.3.3 绿地提取精度评价及空间格局分析

在ArcGIS软件中对研究区按照500 m间隔规则生成验证样本点，共得到1 221个点；每个点由园林绿化从业人员通过遥感图像人工判读得到其是否绿地覆盖的真实信息，作为验证数据；把绿地提取结果(分类结果)与验证数据相对比，得到精度评价混淆矩阵，并计算2个常用的分类精度评价指标：总体分类精度和Kappa系数，其中总体分类精度指被正确分类的类别像元数与总像元数的比值，而Kappa系数是一致性检验的指标[26]。

将绿地提取数据与北京市不同环线区域(如图1绿色环线所示：二环线以内区域定义为二环，二环线与三环线之间的区域定义为三环，三环线与四环线之间的区域定义为四环)以及不同功能用地类型通过叠加分析，进行绿地空间分布的统计分析。

2 结果

2.1 北京市四环内绿地分布总体情况

北京市四环内绿地提取精度评价混淆矩阵如表1所示。由表1可以看出，总体分类精度为91.73%，Kappa系数为0.82，绿地提取结果具有较好的精度。所提取的绿地分布如图2所示。

表1 北京市四环内绿地提取精度评价混淆矩阵

图2 北京市四环内区域绿地分布结果(绿色为 绿地覆盖区域，白色为非绿地区域)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)

北京市四环内绿地面积总计99.99 km2，占四环内总面积的33.05%。绿地分布相对比较均匀，并在天坛公园、北京市动物园、玉渊潭公园、朝阳公园、紫竹院公园和龙潭湖公园等大型公园处有成片的绿地聚集分布。

不同环内绿地面积差异明显，但绿地所占其总面积的比例差异较小。二环、三环和四环绿地面积分别为18.55，31.59和49.85 km2，而各个区域内绿地面积占其总面积的比例分别为29.55%，32.84%和34.73%。

2.2 北京市四环内不同功能用地绿地空间格局分析

按照不同的功能用地类型，北京市四环内绿地分布情况如图3所示。其中，居民用地占用最多的绿地，约43.77 km2，占总绿地的48.03%；其他用地依次为风景名胜用地、公服用地、商服用地、交通用地、工业用地以及未分类用地。

图3 北京市四环内各功能用地绿地面积Fig.3 Green space area for different functional sub-regions within the 4th ring area in Beijing

各功能用地中，绿地比例(即绿地面积与不同功能用地面积比值)如表2所示。

表2 北京市四环内各功能用地中绿地比例

尽管未分类用地中，绿地面积最少(仅2.09 km2)，但其绿地比例最高，达52.96%，主要原因是文献[24]中未分类用地主要以道路绿化带和高架桥等为主，由于兴趣点数据在该地带没有分布导致无法进行有效分类。此外，风景名胜用地同样具有较高的绿地比例；公服用地和居住用地具有中等的绿地比例(33%左右)；而商服用地、交通用地和工业用地具有相对较低的绿地比例(25%左右)。

具体到不同环内，不同功能用地的绿地面积分布情况如图4所示。在二环，风景名胜用地有着最多的绿地，总计6.05 km2，占二环总绿地面积的32.62%；而三环和四环，具有最多绿地的均为居住用地，分别占其总绿地面积的44.02%和48.61%。

图4 北京市不同环区域各功能用地绿地面积Fig.4 Green space area for different functional sub-regions within different zones in Beijing

不同环内各功能用地中的绿地比例如图5所示。与四环以内整体的规律相类似，各个环内，风景名胜用地和未分类用地都有着较高的绿地比例；除上述2种功能用地之外，其他功能用地在不同环内有着相对比较一致的绿地比例，一定程度上体现了除风景名胜用地形成的绿色团簇之外，四环以内绿色空间分布相对比较均匀。

图5 北京市不同环区域各功能用地绿地比例Fig.5 Green space percentage for different functional sub-regions within different zones in Beijing

三环相比二环，除工业用地，其他所有功能用地的绿色空间比例都有所增加，其中风景名胜用地和公服用地增长最多，分别达13.84%和11.99%；而四环相比三环，各功能用地中，绿地比例变化幅度较小(均未超过5%)，其中绿地比例增长比较多的2种功能用地为居住用地和未分类用地，增长比例分别为4.15%和4.84%。

3 结果分析与讨论

3.1 北京市四环内绿地总体情况

本文得到的2019年北京市四环内绿地及其比例结果与文献[16]中研究结论比较一致。文献[16]使用1.5 m分辨率的SPOT5影像分别制作了2005年和2009年的北京市五环内绿地分布，结果显示，五环以内2005—2009年，绿地覆盖由22.57%增长到28.01%。同样发现，尽管不同环内的绿地面积差异较大，但绿地比例差异较小。这也反映了2008年北京奥运会之前大规模绿地规划之后，四环以内近十年来绿地规模逐渐稳定。以后的绿地规划中，需要更加重视绿地的维护、绿地质量的提升。

通过遥感影像获取的绿地比例与园林行业所定义的绿地率稍有差异[13]，主要涉及土地覆盖与土地利用的区别，遥感影像所获取的绿化率是以观测的绿色空间为主，而行业领域的绿地率是以土地使用方式定义的。一种可行的思路是探索以图像理解的方式从遥感影像进行绿化率的自动提取技术[27]。

3.2 北京市四环内各功能用地绿地分析

北京市四环内各功能用地绿地比例相对合理，但局部区域有待进一步优化。在城市居民中，人们生活工作主要活动在居住用地、商服用地和公服用地。对于居住用地，二环是25.82%的绿地比例，而三环和四环都相对比较理想(都超过了30%)，这与《城市居住区规划设计规范》(GB50180—93)所规定的旧城居住用地绿地率一般为25%，规划新建居住用地的绿地率不应小于30%相吻合；对于公服用地(主要包含行政办公、医疗卫生、教育科研和文化设施等用地)，二环、三环、四环绿地比例分别为24.38%，36.36%和35.79%，而《城市绿化建设建设指标的规定》(建城[1993]784号)要求学校、医院、机关团体和公共文化设施等单位的绿地率不低于35%，只有二环的公服用地绿地率低于35%的要求，主要是由于二环公服用地以政府事业单位以及大型医院为主，其建筑密度相对较高；而对于商服用地，3个区域绿地比例都没有超过30%，主要是由于商服用地主要包含一些大型商场或购物场所(如西单、王府井等区域)[24]，该区域绿地覆盖较低，但最低的绿地比例为二环的22.89%，仍满足《城市绿化建设建设指标的规定》(建城[1993]784号)对商业中心等绿地率不低于20%的要求。综上可见，北京市四环内各功能用地绿地比例相对比较合理。因而在今后城市管理中，首先应该有效保护、保持现有绿地分布；在后续绿地系统规划设计时，结合《北京城市总体规划(2016—2035年)》指南，可以考虑在一些重点区域(如二环的公服用地等)增加绿地设计，并考虑商业中心区域的屋顶绿化以及垂直绿化的设计，进一步优化北京市各功能用地绿地比例，完善绿地空间格局，服务于建设国际一流和谐宜居之都的战略目标。

4 结束语

本文提出了一种基于SPOT卫星影像以及OpenStreetMap数据，对城市绿地及其在城市不同功能用地空间格局分析的方法。城市绿地在不同功能用地空间格局的分析成果为后续的城市园林绿化规划与管理提供重要信息。由于缺乏超精细的人口分布数据，本文没有分析不同功能用地的现有绿地格局能否满足居民的需求问题。在后续的研究中，将考虑引入人口分布数据，并积极探索综合使用多源遥感、物联网等先进信息化技术监测绿地格局与质量，进一步提升城市精细化管理水平。