不同类型城市绿地的绿量研究

李    露 / LI Lu

周    刚 / ZHOU Gang

姚崇怀*  / YAO Chong-huai

摘要：以武汉都市发展区为研究对象，通过建立叶面积指数(LAI)与植被指数的相关系模型，计算武汉都市发展区的总体绿量和分区绿量，LAI均值由大到小依次为南部新城＞西南新城＞东部新城＞东南新城＞北部新城＞主城区；绿量总值由大到小顺序依次是南部新城＞主城区＞东部新城＞西南新城＞西部新城＞东南新城＞北部新城。城市公园绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地的LAI平均值分别为1.926、1.941、1.276和2.408。

关键词：风景园林；武汉都市发展区；绿量；绿地类型

Abstract: Taking the regression models of Leaf Area Index (LAI) and Normalized Differential Vegetation Index (NDVI), this paper calculated the total green volume and regional green volume of urban developing area of Wuhan city. The results indicated that the order of average LAI is South area > Southwest area > West area > Southwest area > North area > downtown and the order of total amount of green volume is South area > downtown > West area > Southwest area > East area > Southwest area > North area. The average LAI of urban parks, protective green spaces, accessory green spaces and other green spaces in Wuhan are 1.926, 1.941, 1.276 and 2.408 respectively.

Key words: landscape architecture; Wuhan urban developing area; green volume; green space types

城市绿地不仅是市民户外游憩娱乐的绿色空间，同时在维护区域碳氧平衡、调节小气候、净化空气、涵养水源和保护城市生物多样性等方面也具有极其重要的生态功能，这些功能的实现不仅与绿地总量、分布有关，而且与绿地的内部组成、层次结构密切相关，在城市绿地系统评价过程中，传统的绿地率、绿化覆盖率、人均绿地面积、人均公园面积等二维评判指标只能判定城市区域内绿地的有无、面积多少等内容，而对与绿地功能密切相关的内部结构特征无能为力，使城市绿地的结构与功能研究受到了较大的制约，针对这一问题，国内学者提出了三维绿量概念，并进行了大量研究，特别是近年来基于遥感和GIS技术进行绿量研究成果丰富，本文试图从城市三维绿量入手，对武汉市都市发展区各类型绿地绿量进行计测和对比研究，为城市绿地评价提供一种新思路与新方法。

1  研究方法

1.1  研究区域

武汉市都市发展区包括主城区和6个新城区，总用地面积为3 270.6km2，占整个武汉市面积的37%。都市发展区内自然资源丰富，以滨江滨湖、山水相依为特色。区内有长江、汉水等河流穿过，有88个湖泊，140座大小山丘，现有林地大部分依托山体保存良好，城市的主要公园绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地大多分布于都市发展区内。

1.2  绿量计测

1.2.1  绿地信息提取

以2013年8月landsat8卫星影像作为获取植被信息的数据源，以ENVI5.0为技术平台，对遥感影像进行辐射定标、大气矫正之后进行影像的融合和配准，获得同时具有丰富光谱信息和较高分辨率的融合影像。采用K-Means对影像进行初分类，将研究区域地物覆盖分为植被覆盖区和非植被覆盖区，然后在GIS中进一步对植被覆盖区进行矫正，提高植被覆盖信息提取的精度，获取研究区域内绿地分布。

1.2.2  归一化植被指数(NDVI)计算

在遥感影像中提取相应光谱信息，计算NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)并制图。计算公式为：

式中，NIR和R分别为红外波段和红光波段处的反射率值。

1.2.3  叶面积指数(LAI)反演

在武汉市都市发展区范围内分别选取城市公园、街道游园、居住区绿地、高校校园、风景区、森林公园等绿地，设置30m×30m的标准样方553个，样方间间距不小于30m，避免样点重合。运用HEMIVIEW数字冠层分析系统进行叶面积指数实测，剔除掉由于GPS定位偏差较大和水边、建筑密集区域的无效样方，最终获得513个有效样方数据建立LAI—NDVI回归方程，确定最优回归模型后在GIS中利用栅格计算器计算研究区域LAI并制作LAI分布图。

1.3  三维绿量分析

分别计算都市发展区绿地叶面积总量(绿量)、武汉市主城区和6个新城区的LAI均值、绿量总值等指标，分析外围新城区与主城区绿量特征差异。

选取主城区范围内14个市级综合性公园、17个区域级综合公园、10个专类公园、15处防护绿地、16处居住区绿地、13处校园绿地以及新城区范围内的7个森林公园和4个郊野公园及湿地公园，分别进行三维绿量计算，对城市公园绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地的绿量特征进行比较分析。

2  武汉都市发展区绿地绿量分析

2.1  都市发展区NDVI提取

NDVI是和植物蒸腾作用、光合作用以及地表净初级生产力等密切相关的一类植被指数，其结果赋值区间为(-1，1)，负值表示地面为云、水、雪等覆盖，0表示有岩石或裸土等，正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。根据landsat8影像提取武汉都市发展区的NDVI分布见图1，从图中可清楚判断出外围农田、郊野绿地、中心城区内部公园绿地为浅灰色，呈正值，较好地反映出武汉市都市发展区植被覆盖状况。

2.2  LAI反演与绿量分析

2.2.1  LAI—NDVI回归方程的建立

运用HEMIVIEW冠层分析系统进行样地叶面积实测，将实测样点数据导入ArcGIS 10.0并赋予坐标系，与Landsat5 TM影像进行配准， 将数据导入SPSS 19.0，利用曲线回归工具，以实测样方LAI为因变量y，以提取的NDVI数据为自变量x进行回归分析，建立LAI—NDVI回归模型(表1，图2)。

从表1可以看出，在LAI与NDVI回归方程中以三次多项式模型的判定系数(R2)最高，达到0.754；S曲线函数模型判定系数(R2)最低，R2=0.478。

为进一步确定拟合回归方程的精确度，将LAI与NDVI三次多项式回归模型进行拟合精度检验。选取拟合判定系数、拟合线性方程、均方根误差和相对误差这4个指标作为检验拟合回归方程精度的指标，精度检验结果见表2。

从表2可以看出，与二次多项式相比，三次多项式方程y=8.937-46.371x+78.812×2-35.358×3具有较高的精度值，可以用于后续叶面积指数反演。

2.2.2  武汉市都市发展区绿地LAI反演与绿量分析

采用LAI—NDVI回归模型y =8.937-46.371x+78.812×2-35.358×3(R2=0.750)，利用GIS的栅格计算器对武汉市都市发展区绿地的NDVI进行栅格计算，反演得到武汉市都市发展区绿地的LAI分布图(图3)。图中绿色深浅代表代表LAI数值的高低，从图3可以明显看出图像中部南北向的山轴绿廊、南部山体组团、长江两岸绿色轮廓、武汉绕城高速的防护林地具有较高的叶面积指数，中心城区内的大型公园和集中绿地也在LAI分布图上有较为明显的反映。

分区域对都市发展区整体和各个区域绿量进行分析和计算，得到结果如图4和表3所示，通过计算得知，武汉市都市发展区绿地的总绿量值为1. 2 1×10 9m2。6个新城区与主城区的绿量总值由大到小顺序依次是南部新城＞主城区＞东部新城＞西南新城＞西部新城＞东南新城＞北部新城。南部新城有大量的自然山体存在，自然植被覆盖区分布集中，绿量值最高。

对都市发展区叶面积指数进行分区统计排序，得到6个新城区与主城区LAI均值由大到小依次为：南部新城＞西南新城＞东部新城＞东南新城＞北部新城＞主城区。LAI值一定程度上反映了植被群落结构，LAI值越大意味着绿地植物群落结构越复杂，植物密度越大，从计算结果可以看出外围新城的LAI值比主城区高，植物群落结构比主城区复杂。

3 不同绿地类型的三维绿量分析

3.1 不同类型绿地的LAI比较

城市不同绿地类型的绿地因功能不同，绿化结构也有明显差异，这种结构差异可以通过绿地LAI数值不同表现出来，通过分类反演，得到武汉市都市发展区不同类型绿地的LAI值(表4)。对各类绿地样地LAI计算，得出城市公园(G1)的LAI值为1.926，防护绿地(G2)的LAI为1.941，附属绿地(G4)的LAI为1.276，其他绿地(G5)的LAI值为2.408。

3.1.1 公园绿地LAI分析

从表4数据可知：市级公园、区级公园和专类公园的LAI均值分别为1.949、1.789和2.041，专类公园LAI值稍高，对3类公园绿地的LAI均值进行相关分析，结果显示两者之间不相关的双侧显著性值为0.763，远大于0.01的阈值，说明LAI值在市级综合公园、区域性公园和专类公园之间没有显著差异，可以归并为一大类，各样点LAI统计图见图5，41处公园绿地平均LAI值为1.926。

3.1.2 防护绿地LAI分析

选取长江和汉江防护林带、三环线防护绿地及绕城高速的防护林3类防护绿地共15处统计样地进行LAI分析，具体包括白沙洲段3处、临江公园防护绿地、天兴洲段3处、三环线名族大道立交段、三环线长青立交段、三环线姑嫂树立交段、汉江保丰堤防护绿地、汉江襄河堤防护绿地、武汉绕城高速东南、西南、西北地段绿地，分别计算各个地块的LAI最大值、LAI均值等绿量特征，汇总得到防护绿地的LAI均值为1.941，各地块LAI数值统计见图6。

3.1.3 附属绿地LAI分析

1)居住区绿地样地LAI分析。

居住区绿地包括洪山片区内的金地格林、大华南湖公园世家、南湖花园、光谷坐标城；武昌—青山片区的茶港社区、 岳家嘴小区、钢都花园、丽华苑；汉口—江岸片区的百步华庭、怡康苑、香江花园；知音西社区；汉阳片区的香榭丽舍及北部新城常青花园、西部新城兆丰花园、南部新城水云居等16个居住区。统计各个小区样地LAI最大值、LAI均值等绿量特征，LAI最大值最高的为北部新城的常青花园(4.157)，LAI最大值在4.0左右的主要有茶港社区(4.024)、百步华庭及香榭丽舍(3.950)。不同居住区绿地的LAI最大值变化幅度较大，也从侧面反映了不同小区的绿地结构变化。LAI最大值在2.0以下的有金地格林、丽华苑、怡康园和香江花园。居住区绿地LAI均值变化波动较小，LAI的平均值为0.977。

2)高校校园附属绿地LAI分析。

选择市区内13个校区：关山片区的华中科技大学、中国地质大学、武汉职业技术学院、湖北省第二师范学院；南湖片区的华中农业大学、中南财经大学、华中师范大学；江夏区的武汉市江夏区财贸学校、湖北中医药大学黄家湖校区、楚天学院；中心城区的武汉理工大学南湖新区、武汉科技大学、江汉大学汉口校区。 由数据统计得知该类绿地的LAI最大值均在3.0以上，比其他类型绿地波动幅度较小。LAI最大值在4.3以上的有华中农业大学(4.896)、华中科技大学(4.321)、江汉大学(4.414)、湖北中医药大学黄家湖校区(4.536)。LAI均值波动较小，主要分布于1.0~2.0之间，校园绿地的LAI均值为1.575(图7)。

对2类附属绿地的LAI值汇总后计算得到附属绿地的LAI平均值为1.276。

3.1.4 其他绿地LAI分析

其他绿地主要是依托外围山体、水体建成的森林公园、郊野公园、湿地公园等绿地。本文选取九峰山森林公园、龙泉山风景名胜区、青龙山森林公园、八分山森林公园、汤湖郊野公园、睡虎山陵园、青龙山外围郊野绿地、金银湖湿地公园、后官湖湿地公园、杜公湖郊野绿地、藏龙岛郊野绿地等11处绿地进行LAI测算(图8)，图中显示该类型绿地LAI最大值、LAI均值整体较高。以山体为主的森林公园LAI均值整体高于水体主导的湿地、郊野公园；森林公园LAI值均值基本在3.0以上；湿地公园及水体附近绿地LAI最大值、LAI均值较森林公园低。其他类绿地的LAI均值为2.408。

3.2 不同绿地LAI与群落结构关系分析

不同类型绿地在三维绿量上具有明显差异，相应地绿地植物群落结构也与绿量存在着

一定程度的关联。

城市公园绿地所涉及的群落结构繁多，基本上涵盖了自然和人工状态下的各类型群落结构，包括多层次高密度复杂群落结构(背景林等)、层次丰富的上中下3层群落结构(观赏型绿地)、冠幅疏密度较大的覆盖空间(林下活动绿地)，大型植被稀疏、以草地为主的开敞型群落(兼具观赏和游憩功能的疏林草地)等，这些结构类型所对应的LAI值各异。通过对调研的公园样地特征进行分析和比对，得到该类绿地平均LAI值在2.0左右，对应着郁闭度在0.6~0.8，冠层厚度在0~5m之间的群落结构类型。

防护绿地结构相对简单，以单层或乔草结构的纯林为优势结构，调查结果显示防护绿地LAI值在2.0水平上对应群落的特征是郁闭度在0.8以上，冠层厚度为8m以上的群落。

公园绿地与防护绿地LAI均值接近，但以简单的多层乔灌草、灌草形式为主要，呈现出立面丰富、平面稀疏的特征；而防护绿地多以单层的纯林或两层乔草结构为主，在水平布局上有较大的密度，冠层疏密度大，具有平面密集、立面简单的特点。

附属绿地依托建筑空间存在，植物配置模式受建筑、硬质等因素影响大，生长状况也与建筑空间营造的小环境关系密切。LAI值在1.2左右对应郁闭度0.4~0.6之间、冠层厚度在0~3m之间的群落。水平布局上整体覆盖率不高，群落结构疏散，高度不高，以低矮且稀疏的乔灌草多层、灌草两层结构为主。

其他绿地主要指武汉市主城区外围都市发展区范围以内，依托自然山体而建的森林公园和临水而建的郊野、湿地公园。统计结果显示山体主导下的森林公园LAI值(3.196)明显高于水体主导的郊野湿地公园LAI值(1.619)。森林公园的群落结构多为高密度、多层次的复杂的群落，对应着郁闭度0.8以上、冠层厚度在8以上的群落。

 

作者简介：

李 露/1989年生/女/河南南阳人/硕士/珠海市规划设计研究院助理工程师/研究方向为城市绿色开放空间规划(珠海 519000)

周 刚/1986年生/男/湖北天门人/硕士/湖北省交通规划设计院景观工程师/研究方向为景观规划设计(武汉 430051)

姚崇怀/1962年生/男/湖北广水人/硕士/华中农业大学园林系副教授/研究方向为城市绿色开放空间和植物景观设计(武汉 430070)