三維綠量測算方法研究

李江 張繼蘭

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

引言

隨著全球環(huán)境問題的日益突出，人們認(rèn)識到加強(qiáng)綠地生態(tài)建設(shè)、改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要性。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對改善城市生態(tài)效益和環(huán)境質(zhì)量方面具有重要作用，其可以維護(hù)碳氧平衡、調(diào)節(jié)城市小氣候、凈化城市空氣、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性等，使城市和自然達(dá)到和諧統(tǒng)一[1]。傳統(tǒng)的平面二維綠化指標(biāo)在宏觀上反映出一個區(qū)域植被的基本狀況，如綠地率、綠化覆蓋率、人均公園用地面積等，但不能全面準(zhǔn)確反映植被綠化結(jié)構(gòu)的功能和水平，因此引入三維綠量來評估城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[2]。20世紀(jì)80年代周堅(jiān)華在研究上海植被時提出三維綠量，指植物在生長過程中莖、葉所占的空間體積，單位一般用立方米表示[3]。三維綠量指標(biāo)在反映城市綠地空間構(gòu)成以及植被生態(tài)效益水平是準(zhǔn)確的，有利于研究城市綠地與環(huán)境之間的關(guān)系[3]。

目前三維綠量的測算方法種類多樣，主要有平面量模擬立體量法、立體量推算立體量法、立體攝影測量法、綠量快速估測法等，這些方法主要通過航空遙感影像測量，并未研究其它測量手段。在數(shù)據(jù)獲取、研究尺度、精度等方面存在差異。本次研究基于知網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)于三維綠量測算方法進(jìn)行總結(jié)歸類，在知網(wǎng)檢索框內(nèi)輸入“三維綠量”關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，總共檢索到60篇，集中在通過遙感手段進(jìn)行測量，篩選近12a與三維綠量測算方法進(jìn)行綜述，按照三維綠量獲取數(shù)據(jù)方式、尺度進(jìn)行歸類，分為4類：實(shí)地調(diào)查測算法，遙感影像測算法，無人機(jī)測算法，三維激光雷達(dá)測算法。

1 三維綠量測算方法

1.1 實(shí)地調(diào)查測算法

實(shí)地調(diào)查獲取數(shù)據(jù)的過程，通過測高儀、胸徑儀以及皮卷尺等工具，測量樹高、胸徑、冠徑、枝下高等形態(tài)因子以及鑒定植物種類，通過構(gòu)建“冠徑-冠高”方程，根據(jù)樹冠類型計(jì)算對應(yīng)樹種三維綠量。楊陽等[4]通過野外調(diào)查獲取單株樹木冠高、冠幅、胸徑等形態(tài)特征，根據(jù)冠徑-冠高方程計(jì)算城鎮(zhèn)陡坡及人工立面單株樹種三維綠量，對比了不同樹種三維綠量值大小，建立回歸模型，分析相關(guān)因子對綠量的影響，并且計(jì)算相關(guān)樹種生態(tài)效益，得到人工綠化應(yīng)該以常綠與落葉相結(jié)合，喬灌草相結(jié)合的種植模式。董艷杰等[5]利用實(shí)地調(diào)查的方法將上海浦江郊野公園內(nèi)5種典型林分內(nèi)的植物作為數(shù)據(jù)來源計(jì)算三維綠量值，通過綠量值換算林分植被的生態(tài)效益，估算生態(tài)效益價值，提高對公園綠地的管理、經(jīng)營水平。陳翠玉等[6]通過實(shí)地調(diào)查法將柳州市主城區(qū)柳江河岸植物群落和單株樹木作為研究對象，分析二者之間冠層消光度與綠量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)性達(dá)到顯著水平，說明冠層消光度對三維綠量之間有很大影響。冠層消光度是由葉面積指數(shù)和消光系數(shù)組成且可以反映群落結(jié)構(gòu)、生長等情況，結(jié)果表明，冠層消光度可以用來表示三維綠量指標(biāo)因子，建立數(shù)據(jù)庫，測算三維綠量和生態(tài)效益分析。

1.2 遙感影像測算法

遙感技術(shù)是目前研究大尺度植被分類信息的主流手段。通過電磁波對地球表面物質(zhì)間的作用，對較遠(yuǎn)距離的物體和大環(huán)境進(jìn)行分析，記錄和分析目標(biāo)對象所產(chǎn)生的電磁波譜，生成初始圖像，繼而做出識別和判斷的一種技術(shù)。利用遙感衛(wèi)星影像技術(shù)對城市植被結(jié)構(gòu)類型、空間分布動態(tài)和生態(tài)價值進(jìn)行快速評估。谷金英、馮仲科[7]通過衛(wèi)星獲取了北京市2013年TM遙感影像作為數(shù)據(jù)來源，結(jié)合地面實(shí)地調(diào)查，對北京地區(qū)森林植被展開研究。采用多元回歸估計(jì)的方法，建立三維綠量與遙感灰度值、GIS信息之間的估測模型并進(jìn)行反演，對北京市大尺度的森林區(qū)域三維綠量變化進(jìn)行監(jiān)測，為北京綠化工作提供準(zhǔn)確、高效的綠量變化信息。謝麗瓊等[8]以北京市八達(dá)嶺林場TM影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，建立基于TM影像的三維綠量測算模型，對八達(dá)嶺混交林、闊葉林、針葉林等森林進(jìn)行三維綠量估算，利用多元線性回歸分析法分混交林、闊葉林、針葉林的綠量精度，結(jié)果表明，基于TM遙感光譜信息的三維綠量模式可以使用，且分不同樹種建立相應(yīng)模型可以提高測算精度和測算速度。基于遙感光譜因子反演城市森林植被三維綠量方法的可行性。劉常富等[9]利用QuickBird衛(wèi)星影像和實(shí)地調(diào)查的方法對沈陽市4種功能的城市森林展開研究，分別就郁閉度、胸高斷面積、冠幅及胸徑對三維綠量的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，4種不同功能的各類單位面積三維綠量影響因子呈現(xiàn)增大趨勢，平均增幅大于46.06%，最大增幅267.02%，最小增幅46.06%，在相同因子等級下三維綠量總體表現(xiàn)為風(fēng)景游憩林>生態(tài)公益林>附屬林>道路林。影響城市植被三維綠量的關(guān)鍵因子呈現(xiàn)階段性特征，郁閉度等級占主要因素，三維綠量影響因子差異帶來的生態(tài)效益和社會效益各有不同。Feng-xia Li等[10]利用航空遙感和高精度三維激光掃描點(diǎn)云據(jù)，采用微分法建立了估算模型，結(jié)果表明，該模型精度較高，可以作為三維綠量體積估測的逆向模型，此方法數(shù)據(jù)處理自動化、測量效率高、使用情況較廣，提高了單株樹木三維綠化量化的測量精度。研究西安市城市森林的三維綠量，且綠地總量最大的區(qū)域依次為風(fēng)景名勝區(qū)、文教區(qū)、交通要道、居住區(qū)、工業(yè)區(qū)，該方法可用于改善城市設(shè)計(jì)、政策制定和健康的城市森林。

1.3 無人機(jī)測算法

無人機(jī)技術(shù)是目前使用頻率、精度較高的一種高科技產(chǎn)品。根據(jù)無線機(jī)器設(shè)備和自動駕駛情況運(yùn)作的技術(shù)，可以迅速地獲取信息，通過多光譜成像、紅外線掃描等技術(shù)設(shè)備，可以更快、更自動化地獲得信息內(nèi)容。陳荻等[11]通過小型固定翼無人機(jī)遙感系統(tǒng)拍攝南京林業(yè)大學(xué)校園綠地高分辨率影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實(shí)地調(diào)查方法，構(gòu)建三維綠量計(jì)算模型。將校園內(nèi)喬、灌木作為研究對象，通過圖像分割提取植物冠徑、冠高、樹高等形態(tài)因子，進(jìn)行樹冠形狀劃分并計(jì)算對應(yīng)冠形的三維綠量計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)校園范圍內(nèi)綠量的定量分析。同時對校園不同功能區(qū)域的三維綠量分布特征做對比分析，實(shí)現(xiàn)了對校園主要綠化樹種的定量分析，并評估其配置的合理性和可調(diào)性，為校園綠地綠化結(jié)構(gòu)調(diào)整和校園綠地規(guī)劃提供參考依據(jù)。周小成等[12]通過大疆“御”四旋翼無人機(jī)獲取福州大學(xué)旗山校區(qū)可見光波段無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，結(jié)合樹高-冠高方程，對校園內(nèi)不同樹種的樹冠形狀進(jìn)行分類，根據(jù)樹冠對應(yīng)綠量公式計(jì)算單株樹木三維綠量，計(jì)算不同功能區(qū)三維綠量總量，為校園經(jīng)營管理和生態(tài)效益評估提供指導(dǎo)。Huilin Lianga等[13]利用無人駕駛飛行器拍攝的遙感圖像與“冠徑-冠高”方程相結(jié)合的方法，利用ArcGIS對無人機(jī)正射影像圖進(jìn)行分析，對上海泡臺灣濕地公園內(nèi)百余種植物作為研究對象，得到了樹木的冠徑-冠高方程以及樹木的冠高，并對植物進(jìn)行三維綠量測算，衡量公園環(huán)境和氣候效益使用無人機(jī)評估城市綠地，幫助規(guī)劃者和政策制定者改善城市綠地的環(huán)境和氣候效益。

1.4 三維激光雷達(dá)測算法

三維激光雷達(dá)是目前精度最高，機(jī)身樣式最多的一種新型科技產(chǎn)品。在采集對象形態(tài)數(shù)據(jù)和材質(zhì)信息過程中具備無接觸、全方位等優(yōu)勢。目前包括三維激光掃描儀、背包式激光雷達(dá)測量系統(tǒng)、車載測量系統(tǒng)以及機(jī)載激光掃描系統(tǒng)等設(shè)備。寧亮亮等[14]利用三維激光掃描儀采集鷲峰國家森林公園樣地單木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對樣地內(nèi)5種植物進(jìn)行胸徑模擬、樹冠體積模擬，相較傳統(tǒng)綠量估測法精度更高，誤差更小。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型及利用模型進(jìn)行三維綠量估算，使用此方法選取最少的站點(diǎn)，獲取最全面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在一定程度上三維激光掃描技術(shù)將被推廣到生態(tài)、林業(yè)等領(lǐng)域，為城市綠地綠量測算開拓了新思路。李肖肖等[15]利用背包式激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取福州大學(xué)國家科技園三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用濾波算法、聚類算法、競爭算法以及凸包法等流程計(jì)算單木冠層綠量，累加得到區(qū)域三維綠量。同時與傳統(tǒng)方法、臺積法進(jìn)行對比得出三維激光凸包法精度較高，驗(yàn)證方法更科學(xué)等特點(diǎn)，成為探索綠地系統(tǒng)中單位附屬綠地三維綠量快速、精確測算新方法。Cheng He等[16]利用地面激光掃描儀獲取樹木點(diǎn)云數(shù)據(jù)與遙感SPOT5影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，以北京城市森林為研究對象，通過SPSS(統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品和服務(wù)解決方案)、GIS(地理信息系統(tǒng))等工具將采集到的單個材積與SPOT5中的遙感圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而獲得三維綠色生物量。結(jié)果表明，使用此方法與比典型采樣方法精度更高，不僅為北京城市綠地指數(shù)的評價提供了依據(jù)，而且為其他城市綠地生物量的三維評價提供了一種新的方法三維綠色生物量進(jìn)行了估算。

2 結(jié)果與分析

通過綜述三維綠量測算方法相關(guān)文獻(xiàn)，在三維綠量測算過程中，上述方法基本流程為數(shù)據(jù)獲取、處理、分類、信息提取、三維綠量計(jì)算等，區(qū)別在于研究區(qū)域、數(shù)據(jù)精度以及處理過程不同。研究表明，使用遙感影像測算法的最多，無人機(jī)測算法和三維激光雷達(dá)測算法次之，使用實(shí)地調(diào)查測算法最少，且每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)以及適用的范圍，見表1。

表1 4類方法對比

3 結(jié)論

三維綠量測算方法種類多樣化，可以適用于更多復(fù)雜的植被條件，可以更準(zhǔn)確反映城市綠化在空間結(jié)構(gòu)方面的差異。通過近20a的發(fā)展，三維綠量測算精度不斷提高，測算方法不斷提升，測算過程不斷優(yōu)化，越來越多的學(xué)者、研究者對三維綠量測算方法的使用，從最初林學(xué)學(xué)科推廣到今天生態(tài)學(xué)、風(fēng)景園林、景觀生態(tài)學(xué)等學(xué)科。是對綠化、環(huán)境、生態(tài)效益的高度認(rèn)識。未來，三維綠量將成為彌補(bǔ)二維綠量的一個重要指標(biāo)，成為創(chuàng)建宜居城市、生態(tài)城市、美麗城市、園林城市的重要參考。目前存在不足如下。

目前三維綠量的測算技術(shù)不斷成熟，但仍然需要與人工實(shí)地調(diào)查相互結(jié)合，遙感、無人機(jī)、三維激光雷達(dá)無法獨(dú)立鑒別植物種類，樹冠類型，無法達(dá)到真正全自動化。

在三維綠量測算過程中，往往忽略植物內(nèi)部情況，籠統(tǒng)的將其看作某一形狀，通過冠徑-冠高方程計(jì)算三維綠量，結(jié)果存在誤差。

三維綠量的測算大多是針對單株樹木或者是林分結(jié)構(gòu)簡單的植被類型，對于復(fù)雜植被群落三維綠量測算，上述方法存在較大誤差，仍需要探索一種新的適合復(fù)雜條件的方法。

三維綠量測算過程中，只涉及冠部上半部分的三維綠量，而不考慮冠部以下、灌木和草本的綠量，導(dǎo)致評估城市生態(tài)效益不準(zhǔn)確。