绿化隔离带是指在一定规模的城镇或城镇密集区外围，安排较多的绿地或绿化比例较高的相关用地，形成环绕城市建成区的永久性开敞空间(汪永华, 2004)，它是包容性城市开发三大策略中对城市扩展限制作用最强的形式(韩昊英等，2010)。自20世纪30年代末在伦敦城市建设中实施城市绿化隔离带并获得成效以来，该建设策略先后在世界上许多大城市的发展规划中发挥了重要作用，像莫斯科、柏林、维也纳、渥太华、首尔、曼谷、香港等都是非常成功的绿化隔离带实施案例(张怀振等，2005；王旭东等，2014；文萍等，2015)。

北京是我国实施绿化隔离政策最早、持续时间最长的城市。第一道绿化隔离带建设构想于1958年提出，1992年启动建设，2000年全面启动实施(杨小鹏，2009)，2003年基本建设完成于(Yang et al., 2007)。目前，对北京市绿化隔离带研究成果主要集中在宏观规划制定(徐波等，2001；欧阳志云等，2005)、规划实施成效评价(王昊等，2011；Yang et al., 2007；韩昊英等, 2010；甘霖，2012)、土地利用及其开发模式(曾赞荣等，2014)、建设机制(李海琳，2015)、绿地变化分析(张保钢等，2008；孙小鹏等，2012；孟媛等，2015)、游憩开发利用(蓝斌才，2009；郭竹梅等，2009；李玏等，2015)、监测系统设计(刘忠卿等，2008；张良等，2011；刘清丽等，2012)等方面。通过对不同年份一道隔离区内土地覆被现状的遥感解译结果分析认为，一道隔离区实际的建设规模与规划相比，规模萎缩(闵希莹等，2003)，没有起到维护“分散集团式”空间布局的作用(Yang et al., 2007)。由于这些研究工作都是在第一道绿化隔离地区建设高峰刚刚结束之后开展的，其依据的信息源存在2个短板：时效性差和空间分辨率太低，无法全面、准确描述破碎化程度深、景观异质性强的城市区域的地表覆盖状况。随着Quickbird、Worldview高分2号等国内外高分辨率商用遥感影像的普及，这为第一道绿化隔离区建设成效分析提供了重要的技术保障。本研究以2002年和2013年0.5 m分辨率的航、卫片为基本信息源，以城市林木树冠覆盖特征为核心，利用景观生态学的原理与方法，评价其10余年的建设成效，以期为北京市及其他城市未来的生态建设提供借鉴。

1 研究区概况

北京市位于华北平原西北部(115°25′—117°30′E，39°28′—41°05′N)，总面积为1 641 054 hm², 其中山区面积约占62%, 平原区面积约占38%。气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温12.3 ℃，多年平均降水400~600 mm。截止2015年，其建成区面积、常住人口、GDP总量分别达到了1 289.3 km²、2 170.5万人和23 014.6亿元，分别较2002年增加了634.8 km²、747.3万人和18 699.6亿元；城市园林绿化覆盖率从2002年的45.5%增加到了2015年的59%，人均公园绿地面积也从10.66 m²提高到了16 m²。北京地区土壤处于暖温带半湿润地区的褐土地带，褐土分布广泛，占全市土地面积64.65%。全市植被由以栎属(Quercus)、椴属(Tilia)、白蜡树属(Fraxinus)、槭属(Acer)和杨属(Populus)等落叶阔叶乔木树种占优势的落叶阔叶林及以油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)占优势的温性针叶林组成，原始植被较少，绝大多数为次生植被群落。本研究的北京城市第一道绿化隔离区域主要集中在三环路与五环路之间。

2 研究方法 2.1 影像数据

由于北京市绿化隔离建设区域(一道和二道绿化隔离区)全部位于六环路外1 km以内的区域内，本次研究选用了覆盖该区域的分辨率为0.5 m的2002年8—9月真彩色航片，以及2013年8—9月的worldview2卫星影像(包括了0.5 m的全色波与1.8 m多光谱波段)。在ERDAS2014平台下，先对所有影像数据都进行几何精校正和正射校正(校正误差控制在1个像元以内)，之后再对2013年的worldview2卫星影像在ERDAS2014的ATCOR2模块下进行大气校正。

2.2 树冠覆盖为核心的地表覆盖景观斑块分类及其遥感解译

根据美国农业部林务局的定义，城市林木树冠覆盖(Urban tree canopy, UTC)是指当从树木上空垂直观察时，树木叶层、树枝、树干所覆盖的地表面积。树冠覆盖是与城市森林评价及其健康与稳定性优化关联度最大的指标，从20世纪60年代城市森林概念产生与学科建立以来，在欧美这些较早发展城市森林的国家中，一直将其作为评价、监测、规划城市森林的最重要指标。以树冠覆盖为核心的地表覆盖景观斑块分类一般包括林木树冠覆盖、草地、不透水地表、农田、水体和裸土地等6个一级类(贾宝全等，2013)。林木树冠覆盖包括了林地、果园、城市树木和灌木等二级类别；草地包括了草坪草地、天然草地和荒草地；不透水地表包括了建筑物、道路、广场和其他的人造的非泥土质地表；农田包括了种植农作物的土地和菜地；水体包括了河流、湖泊、水库、坑塘和其他一些开阔水面；裸土地主要指泥土质、没有植被覆盖的地表，主要包括果园裸土地、基建裸土地、绿化地带裸土地、水岸裸土地和闲置裸土地。

面向对象的分类技术对于监测城市林木树冠覆盖变化是非常有效的，本研究以eCongnition Developer 9.0软件为解译平台，通过反复试验获取最优分割、解译参数(表 1，2)，以分层解译模式完成研究区域的影像解译工作，通过检验，2002和2013年影像的分类结果总体精度分别达到了92.23%和96.02%，Kappa系数分别达到了0.8613和0.9231。

2.3 景观格局指数

景观格局分析在ARCGIS 10.2.2平台上使用Patch Analyst 5.2软件完成。选用的景观格局指数包括：斑块数目、斑块总面积(hm²)、平均斑块面积(hm²)、平均斑块边缘密度(m)、平均斑块分维数、平均形状指数、斑块面积标准差、香侬多样性指数和香侬均匀度指数。所有格局分析都在整个景观和斑块类型2个尺度上进行。

2.4 景观斑块分级

景观斑块的大小不同，其生态学意义差别很大。目前对于斑块大小的划分不同学者之间因为研究区域、研究对象、研究目标的不同而差异很大。本研究参照了吴泽民(2011)在研究安徽省合肥市城市森林结构时所提出的标准：小斑块≤500 m²、500 m² < 中斑块≤2 000 m²、2 000 m² < 大斑块≤10 000 m²、10 000 m² < 特大斑块≤50 000 m²、巨斑块>50 000 m²。

2.5 数据处理

首先，在arcgis平台下，利用北京市林业局提供的二道绿化隔离区边界矢量图层，对ecognition平台下解译的0.5 m栅格数据文件进行切割操作，形成研究区域内2002和2013年的栅格图层，再利用arcgis的栅格数据重分类功能，将全部的二级分类数据统一归并到一级分类体系下。其次，对重分类后的栅格数据进行两方面的数据操作：一方面，直接利用arcgis空间分析中的列联表(Tabulate Area)分析功能，完成景观转移概率矩阵数据的分析与结果提取；另一方面，利用arcgis中的数据格式转换功能，将研究区域的栅格数据全部转换为shp格式的矢量数据。第三，在arcgis平台上，对上述矢量数据的数据库进行面积与周长计算，在此基础上，利用arcgis平台上的Patch Analyst 5.2模块，完成景观尺度和景观斑块类型尺度上的景观格局指数分析；同时将前述矢量数据中的林木树冠覆盖景观斑块类型单独提取出来，之后再按照斑块大小的分级标准，对其进行重分类，最后对重分类的林木树冠覆盖数据在arcgis平台上进行相关统计。上述所有数据分析的原始结果都以dbf数据库的形式保存，将该数据库数据在Excel软件中打开并重新保存为Excel格式，之后的分析工作都在Excel软件平台上完成。

3 结果与分析 3.1 北京市一道绿化隔离区景观类型总体变化

eCongnition的解译结果见图 1。从图 1可以看出，2013年与2002年相比，明显呈现出“一少两多”的特点，即耕地明显减少，而树冠覆盖与草地则明显增多。从空间分布上看，若以东西长安街轴线分隔南、北来看，北部增减最为明显，呈现了连片成团的分布格局；若以南北中轴线分隔东、西来看，则树冠覆盖和草地增加的总的空间分布要相对均衡一些。从GIS统计数据来看(表 3)，2002—2013年，不透水地表的面积比例从49.58%增加到了50%，虽然增幅不大，但其拥有高的景观连通度，根据景观生态学的“斑块-基质-廊道”范式中的景观基质判别标准(Forman，2006)，其为名副其实的景观基质，对整个区域景观的变化起着主要的控制作用，这表明在整个一道绿化隔离地区内，以不透水地表为标志的城市化过程始终是这一区域最重要的变化过程。

从其他地表覆盖类型的变化过程看，以林木树冠覆盖的增加最为明显，11年间，面积增加了5 262.03 hm²，面积比例增加了20.57%，年均增幅分别达到了478.37 hm²和1.87%，而减少最显著的为裸土地和农田，11年间分别减少了4 117.34和2 156.7 hm²，减少比例分别达到了16.10%和8.43%。

11年间，绿地率(林木树冠覆盖面积与草地覆盖面积之和占区域土地面积比例)从21%增加到了44.94%，净增23.94%；生态用地率(林木树冠覆盖面积、草地面积和水域面积之和占区域土地面积比例)从23.8%增加到了47.91%，净增24.11%，年均净增2.19%；绿色生态空间面积(林木树冠覆盖面积、草地覆盖面积、水面与农田面积之和)(孙海清等，2007)从8 435.11 hm²增加到了12 443.80 hm²，净增4 008.69 hm²，但由于耕地绝对面积减少，导致绿色生态空间的增幅比例不大，只有15.67%。

3.2 景观斑块类型动态变化

景观动态变化是景观生态学的三大核心问题之一，它利用转移概率矩阵分析不同景观要素内部的相互转换过程。北京市一道绿化隔离区2002—2013年各景观斑块类型转移概率矩阵分析结果见表 4。

从表 4和图 2可以看出，第一道绿化隔离区内最稳定的景观斑块类型有3个：林木树冠覆盖、不透水地表和水域，在2002—2013年，其保持不变的概率都在60%以上；而最不稳定的景观类型为裸土地和农田，其变化的概率分别达到了98.93%和94.79%，这也是该区域生态建设用地与城市建设用地最重要的来源类型，其中裸土地的主要变化去向是生态功能更强的林木树冠覆盖类型，该方向的变化面积占该类型总面积的63.58%，而农田向林木树冠覆盖用地和城建用地的变化比例相差不大，分别为38.98%和43.89%。从全部6个景观斑块类型的变化方向看，林木树冠覆盖和不透水地表，其转移概率都在10%以上，而向其他类型变化的概率绝大多数都在5%以内，这既体现出了该区域强烈的城市化变化特征，另一方面也体现出了生态过程得以强化的变化特点。但林木树冠覆盖斑块类型中有33.75%的面积转化为不透水地表，说明一道绿化隔离区内生态建设和生态破坏2个过程同时存在，对于生态建设而言，只有空间上的长期稳定，才能够保障其生态效益的稳定有效发挥，这种情况在今后的城市绿地维护与进一步建设过程中应该引起重视，并尽量予以避免。

3.3 景观格局变化

从整个景观水平来看(表 5)，其呈现出了多样性和均匀度下降的变化特征，与之伴随的是斑块数量从2002年的141 586个，减少到了2013年的71 240个，减少率达到了49.7%，在斑块数量减少的同时，平均斑块面积则从0.181 hm²，增加到了0.359 hm²。从斑块形状指数来看，其从2002年的1.862增加到了2013年的1.890，这说明景观斑块形状越发不规则、斑块越来越离散；从斑块平均边缘密度看，其从190.177 m增加到了339.394 m，这说明景观被边界割裂的程度在升高，景观斑块的空间连通度有所降低；平均斑块分维数从1.645增加到了1.723，这表明景观斑块的复杂性程度在增高，景观斑块的稳定性有所增加。这些不同格局指数的变化表明，整个一道绿化隔离区域内景观的破碎化程度在加深，景观斑块空间分布的均匀化趋势在减弱，景观边缘的生态过程更趋活跃。

从景观斑块类型水平来看，林木树冠覆盖斑块类型的平均斑块分维数和平均斑块形状指数同时呈现了下降的变化趋势，这说明林木树冠覆盖斑块的形状越来越规则，受的人类活动影响程度也越发强烈；草地斑块的景观格局指数变化与整个景观尺度的相关指数的变化趋势保持了高度的一致性；不透水地表与农田的变化趋势一致，除了平均斑块与斑块面积标准差双降低之外，其余景观格局指数与景观尺度水平的格局指数变化同步，这一方面说明这2种景观类型的破碎化程度在加深，另一方面也说明景观斑块类型的面积大小的差异程度在减弱，其分布更趋向于平均值方向；裸土地斑块类型与景观水平的格局指数变化趋势有异的指标只有斑块面积标准差，该指标呈现了微弱降低的变化趋势，这说明2013年该类型景观斑块的大小分布与2002年相比，更趋向于平均斑块大小的趋势；水体景观类型的格局指数只有平均斑块大小的变化趋势与整个景观水平的变化趋势不同，其值从2002年的0.583降低到了2013年的0.573，说明其景观破碎化程度在加深。总体来看，斑块类型尺度的景观格局指数的变化在绝大多数的景观指数上呈现了与整个景观水平一致的变化趋势，除林木树冠覆盖斑块类型外，其变化的差异性主要体现在斑块平均面积的降低与斑块面积标准差的减少上，这表明景观斑块类型水平上的景观破碎化程度要高于景观水平的破碎化程度。

3.4 斑块规模

景观斑块大小是一个重要的景观特征参数，其对景观的能流、物流、物种流有重要影响，因此，植被斑块大小一直是自然保护区建设与城市公园景观设计的关注焦点(Forman et al., 1990；邓毅，2007)。从表 6的数据来看，研究区域的林木树冠覆盖斑块在数量上以小斑块为主，2002和2013年的小斑块数量占比分别达到了88.4%和80.05%，中斑块的数量占比分别为8.11%和13.1%，二者合计的数量占比都达到了90%以上，因此，总体上第一道绿化隔离区的斑块数量上以中、小型斑块为主。但从面积上来看，2个年度的中小型斑块总面积分别占林木树冠覆盖总面积的29.47%和11.36%，而特大型斑块和巨型斑块的面积合计分别达到了48.71%和78.36%，尤其是面积大于50 000 m²的巨型斑块的面积在2002和2013年分别占到了24.27%和65.69%。

从时间动态变化上来看，第一道绿化隔离地区的林木树冠覆盖斑块在2002—2013年间，呈现了斑块数量大幅度下降、斑块面积迅速增长的特点。2002年总的数量为91 848个，2013年全部斑块数量只有48 604个，减幅达47.08%；与此同时，林木树冠覆盖斑块的总面积则从2002年的4 382.98 hm²，增加到了10 094.1 hm²，增幅达到了108.86%。

2013与2002年相比，小、中、大斑块数量分别减少了42 286，1 081和51个，斑块面积则分别减少了186.08，91.24和16.65 hm²，特大型斑块与巨型斑块无论是斑块数量还是斑块面积都呈现了增加的变化特点，2013年斑块数量分别比2002年增加了44和130个，而斑块面积则分别增加了97.33和5 457.75 hm²。

4 讨论 4.1 景观变化的驱动因素

北京市一道隔离区建设从开始就是在强烈的人为意识指导下产生的，因此，它的发展变化一直受到人为影响的制约与促进。对本次研究2002—2013年时段影响较大的人为事件有3个：城市总体规划与2008奥运会的绿色需求、城市公园环建设决策和首都百万亩平原大造林。

从城市规划来看，对其影响较大的分别为1993批复的的《北京市城市建设总体规划(1991—2010)》和2005年批复的《北京市城市建设总体规划(2004—2020)》。1958年的城市规划，虽然首次提出了城市绿化隔离区建设的蓝图构想，并被以后的历次总体规划所继承，但直到1993年的城市总体规划才真正开始了北京绿化隔离地区生态建设的序幕。在1993—1999年间的19个试点单位建设的基础上，2000—2003年间，北京市政府先后出台了30多项针对绿化隔离地区的政策文件，并明确提出了“10年任务3年完成”和“绿化达标、环境优美、经济繁荣、农民致富”的目标，从而掀起了第一道绿化隔离地区建设的高潮，根据北京市园林年鉴资料统计，仅这3年时间内，每年新增的绿化面积都在2 000 hm²左右。另外，虽然原定的规划实施完成期为2003年，但2003年之后，尽管实际的建设规模大幅度降低，但整个建设活动一直持续到了2008年，2004—2008年的5年间，累计完成造林绿化面积1 016.7 hm²，占到了2000—2008年总造林面积的11.84%。

2004年的北京城市总体规划针对第一道绿化隔离地区建设，提出了“围绕中心城以及第一道绿化隔离地区形成公园环”、将其建设成“具有游憩功能的景观绿化带和生态保护带”，2007年正式启动了第一道绿化隔离地区郊野公园环建设，2007—2012年间，先后完成了新建52个郊野公园的建设任务，加上2007年之前就已经存在的28个公园，第一道绿化隔离地区的公园数量达到了81个，占地5 406.87 hm²，形成了初具规模的城市公园环。

除了上述的城市规划因素之外，对北京绿化隔离地区建设具有极其重要意义的事件为2008年第28届奥运会的申请与举办。北京提出的“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大主题中，“绿色奥运”无疑是2000年北京重启第一道绿化隔离带建设，并于2003年提出第二道绿化隔离带建设的最重要原因。

随着2011年第二道绿化隔离地区生态绿化建设工程的收尾，北京市政府在2011年又提出并部署了《北京市百万亩平原大造林工程》项目，在2012—2013年，共在第一道绿化隔离区域的南部、西南部和东北部造林559.29 hm²，其中2012和2013年分别占69.7%和和30.3%。在造林类型中，平原大造林共包括了景观生态林、绿色通道2个类型，没有湿地保护与建设类型，其中景观生态林占84.88%。

4.2 规模与格局变化的过程

1992—2008年TM卫星影像的解译结果显示，第一道绿化隔离区范围内，共完成绿地建设面积7 608 hm²，只占到了140 km²绿化规划目标的一半，并出现了绿地平均斑块面积下降等景观破碎化的发展趋势(甘霖，2012)。由本研究结果来看，第一道隔离区的绿地面积(林木树冠覆盖+草地)已由2002年的5 370 hm²，增加到了2013年的1 1492.43 hm²，占到了规划目标的82.1%，林木树冠覆盖和草地景观斑块类型的平均斑块面积也分别由0.053和0.266 hm²提高到了0.208和1.112 hm²，这一结果既与本研究的数据源分辨率高有极大关系，同时也说明第一道绿化隔离区内绿地斑块的破碎化趋势已经得到了根本逆转。

从不同的景观斑块类型变化情况来看，Yang等(2007)的研究结果显示，1992—2005年间，一道绿化隔离地区的农田、裸土地和水体呈现了面积减少的变化过程，而不透水地表、城市林木和草地呈现了面积增加的变化过程。本研究结果表明，2002—2013年间不同的景观斑块类型也呈现了与前述研究结果相同的变化过程，只是在变化幅度上面存在差异。这一情况表明，以不透水地表增加和农田面积减少为特征的城市化过程一直是北京第一道绿化隔离区域景观变化过程的最重要内在驱动机制，伴随这一过程的则是林木树冠覆盖和草地等强生态功能的景观斑块类型同步增加，其中农田为支撑这一变化起到了决定性作用。由表 4的转移概率矩阵分析结果可以看出，2002—2013年的11年间，2002年的农田面积分别有43.89%和38.98%转变成了建设用地和林木树冠覆盖用地，如果加上转化为草地的7.79%，则农田在该区域转化为这3类用地的面积比例总计高达90%以上。Yang等(2007)研究结果表明，1992—2005年间，建设用地的增幅为10%，而草地和林木覆盖用地的增幅分别只有3%和4%，本研究结果显示，2002—2013年间，建设用地的增幅明显趋缓，只有0.42%；草地增幅为3.36%，与1992—2005年间的变幅基本持平；而林木树冠覆盖类型的增幅则达到了20.57%，远高于1992—2005年间4%的增幅比例，这一差异既有遥感影像分辨率不同而造成的固有误差因素，但高达15%的差异情况另外也说明，随着城市化进程的进一步推进，整个社会对生态环境的重视程度得到了空前的提高，而树冠覆盖面积的大幅度增加，对该区域城市景观格局朝破碎化程度减弱、斑块形状指数增大、斑块平均面积变大和分维数增加的方向发展起到了至为关键的作用。

5 结论

由于城市森林绿地系统具有斑块面积小、破碎化程度高的特点，用中比例尺卫片很难反映其实际的空间状况信息。本研究利用0.5 m的2002和2013年航卫片解译发现，北京市第一道绿化隔离地区林木树冠覆盖从2002年的4 832.98 hm²增加到了2013年的10 095.01hm²，11年间共增加了20.57%，这表明北京市第一道绿化隔离地区的生态建设成效是非常巨大的。

从整个景观尺度来看，其斑块平均分维数和斑块面积形状指数呈现不断增加的特点，这说明随着时间延续，整个第一道隔离地区受人为影响的程度在减弱，其自然化程度在增加；而林木树冠覆盖景观斑块类型的平均斑块分维数和斑块面积形状指数呈现不断降低的变化过程，这表明该类型景观要素斑块所受到的人为活动影响在不断加强。从斑块大小的尺度变化来看，第一道隔离区呈现了小、中、大斑块数量与面积同步减少，而特大斑块与巨型斑块的斑块数量和面积同步增加的变化趋势。

从第一道绿化隔离区树冠覆盖变化的动因来看，《北京市城市建设总体规划(1991—2010)》、《北京市城市建设总体规划(2004—2020)》和“百万亩平原大造林”工程是北京市第一道绿化隔离区景观变化的最重要推手，2008年奥运会举办与2007年的城市公园环建设是造成该区域林木树冠覆盖大幅增加的最重要因素。

根据国外文献，绝大多数情况下，城市林木树冠覆盖主要以乔木为核心，由于乔木的生态功能普遍比灌木大，在土地资源极度紧张的城市地区，更倾向于发展乔木林或者是乔灌草三结合的复层城市森林。本研究受遥感影像分辨率制约，在面向对象的解译过程中，还无法将乔木和灌木纯林完全区别开来，因此，这在一定程度上影响到了分析的完整性。