多源空間數據在福州市生態園林城市綠化現狀采集更新中的應用研究

吳國華

(福州市勘測院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

福州市具有十分豐富的地理自然資源和歷史人文資源，早在2003年就成功入選第七批國家園林城市。隨著福州市城市建成區的不斷擴展以及城區綠化改造提升、拆墻透綠、河岸串珠公園等園林綠化提升項目的大量開展及福州市城區的不斷發展建設，福州市提出創建國家“生態園林城市”的目標。申報國家生態園林城市需依據《國家生態園林城市標準》中各項指標標準，并及時掌握福州市園林綠化現狀及歷年指標變化情況，以及時進行調整優化[1]。基于此福州市啟動建設福州規劃區城市綠地現狀數據采集建庫，并設立年度更新維護的目標。

2 綠化現狀采集及年度更新建設內容

根據國家生態園林城市中各項指標標準，結合福州園林現狀的實際采集及年度更新維護需求，擬定綠化現狀采集、綠化現狀年度維護更新、綠化相關指標統計分析等詳細內容。

2.1 綠化現狀采集內容

根據地形圖數據、激光點云、航空遙感影像獲取綠化占地及綠化現狀覆蓋數據，建設綠化現狀數據庫[2]。

2.2 年度更新維護

根據兩期遙感影像的植被指數(NDVI)差異檢測綠地變化區域，并疊加正射影像、地形圖數據對范圍內的園林綠化數據進行年度更新采集[3]。

2.3 綠化指標統計分析

依據逐年份的園林綠化數據庫更新成果，對建設范圍內綠地率、綠化覆蓋率、人均公園綠地、公園綠地服務半徑覆蓋率等園林綠化指標進行統計測算，并對不同年份綠化指標變化進行時序分析。

3 技術流程

基于園林綠地現狀數據采集建庫及年度動態維護更新的目標，以地形圖庫、激光點云數據庫、高分辨率正射影像數據、電子地圖數據、園林綠化工程數據等多源空間數據為源數據，通過多源空間數據融合的方式制定國家生態園林城市中各類綠化相關數據獲取建庫及年度更新的作業流程，并以此為數據基礎進行園林綠化指標統計及綠化指標變化的時序分析。具體流程如圖1所示：

圖1 綠化現狀采集建庫、更新維護及指標分析流程圖

4 采集及更新維護實例

本文以福州市建成區綠化現狀采集及年度更新維護生產為例，按照生產實施的具體作業步驟來詳細介紹多源空間數據在國家生態園林城市綠化現狀采集、相關指標統計與時序分析中的技術實現。

4.1 數據收集整理

綠化現狀采集、更新、指標統計及時序分析中利用的多源空間數據及相關說明表如表1所示：

表1 綠化數據現狀采集及指標統計源數據說明表

4.2 綠地現狀數據采集

城市綠地數據庫包含綠地面和綠化覆蓋面兩部分內容，其分別對應生態園林城市的建成區綠地率、建成區人均公共綠地、建成區綠化覆蓋率等不同統計指標。其中綠地面積是指綠地邊界圍合之內的公共綠地、道路綠地等的硬質景觀[4]，以及生產綠地、風景林地等邊界內由于郁閉度原因造成的裸露的土壤都歸為綠地面積[5]；綠化覆蓋面積是指城市中喬木、灌木、草坪等所有植被的垂直投影面積，包括屋頂綠化植物的垂直投影面積以及零星樹木的垂直投影面積[6]。二者主要區別是在喬木、灌木等高大綠植的冠幅投影面積一般大于其綠地占地面積，而草坪等低矮近地綠植的綠地面和綠化覆蓋面則是相同的。

4.2.1 綠地面構建

綠地面構建是基于大比例尺地形圖數據，通過數據提取、自動融合、拓撲構面的方式采集構建綠地面。

①數據預處理：提取地形圖庫中的植被相關數據圖層，并對提取的植被點、線數據進行冗余篩除、數據分類、斷線連接等預處理。

②構建Delaunay三角網：根據Delaunay三角網最大化最小角特性，以待構植被線節點集作為Delaunay三角網構建中各個三角形的頂點，具體利用FME平臺的Hullaccumulator、Triangulator、Deaggregator轉換器組合，對植被線節點形成封閉外殼，并將封閉殼體范圍內的幾何對象構建成三角網[7]。如圖2是Delaunay三角網構建流程圖，圖3是構建的Delaunay三角網效果圖。

圖2 Delaunay三角網構建流程圖

圖3 由植被線節點構建的Delaunay三角網效果圖

③拓撲構建植被面：在植被線節點構建三角網的基礎上，利用FME的LineOnLineOverlayer、AreaBuilder、Dissolver轉換器組合，對三角網中的各個三角形的多段線進行拓撲構建、鄰接面要素融合等處理，從而構建生成植被面[8]，融合后的植被面效果如圖4所示。

圖4 綠化面融合效果圖

④綠化覆蓋面驗核：對拓撲構建的綠化面與同時期正射影像疊加比對分析，分別對苗圃、草地、人工綠地等范圍面與正射影像中植被比對驗核。發現自動生成的綠化面與同時期正射影像的綠植范圍套合一致，能夠準確地勾勒出各類綠植范圍面。具體疊加效果如圖5所示。

圖5 自動構建綠化面與同時期正射影像疊加效果圖

4.2.2 綠化覆蓋面構建

綠化覆蓋面構建是以激光點云數據為源數據，以提取的樹木點數據為構網節點拓撲構建三角網，并對構建的三角網進行融合生成綠化覆蓋面。

①植被冠幅提取：LiDAR系統直接獲取的是地球表面的三維坐標，可以直接生成數字表面模型DSM。這樣生成的DSM中包含大量的建筑物點、樹木點以及其他非地面點。要想分離提取樹木點，首先需要生成數字地形模型DTM，采用Vosselman提出的以形態學理論為基礎的坡度濾波算法，通過濾波處理，濾掉非地面點，并使用逐點內插法生成DTM，然后采用原始的DSM減去DTM的方式得到規則化的DSM(nDSM)[9]。最后根據房屋與樹木都具有一定高程的特性，利用nDSM的值對LiDAR數據進行高程閾值分割提取出地物點。按福州市喬灌木實際冠幅高度情況，對高于地面1 m以上的地物點進行提取。具體提取的地物點效果如圖6所示。

圖6 提取一定高度的地物點效果圖

然后用提取出的地物點云(包含建筑物點云和樹木點云)與建筑物矢量面數據進行疊加篩除建筑物點云，即得到樹木點云，如圖7所示。

圖7 篩除建筑物點后的樹木點效果圖

②構建綠化覆蓋面：利用4.2.1綠地面構建過程中②、③同樣的構建原理和方法構建生成綠化覆蓋面[9]，具體構建效果如圖8所示。

圖8 融合生成的綠化覆蓋構效果圖

③噪點剔除：隨機選取1 km2激光點云構建的綠化覆蓋面進行人工比對，篩選出噪點誤構面 1 473個，累計面積 909.23 m2，占所選區域內自動構建綠化覆蓋面面積的 0.265 6%。經分析噪點誤構面多為交通桿點、汽車、樹木與建筑邊緣銜接處等噪點，絕大部分噪點誤構面面積小于 0.50 m2，可以通過面積過濾篩除，其他通過人工比對剔除。

④綠化覆蓋面驗核：對拓撲構建的綠化覆蓋面與同時期正射影像進行疊加比對，發現自動生成的綠化覆蓋面與同期正射影像的綠植垂直投影套合一致，能夠準確地勾勒出各種情況的綠植垂直投影范圍面，疊加效果如圖9所示。

圖9 激光點云構建綠化覆蓋面與同期正射影像疊加效果

4.2.3 綠化數據融合建庫

基于以上步驟完成的綠化現狀空間數據，是綠化現狀數據屬性信息的基礎空間載體，通過空間位置關聯融合的方式從多源空間數據中獲取相關屬性信息，對個別融合、關聯屬性信息存在矛盾沖突的綠地數據需要進行人機對照判斷修改完善。融合后綠化數據的屬性主要包括：綠地ID、綠地名稱、綠地編碼、綠地分類、綠地位置、主管部門、所屬行政區、綠地面積、更新時間等字段。依據這些屬性可以快速便捷地對相關綠化指標進行統計及時序分析。融合建庫后的綠地數據庫空間及屬性信息如圖10所示。

圖10 綠化現狀數據空間分布及屬性信息截圖

4.3 綠化現狀變化檢測及更新維護

綠化現狀數據的年度更新維護是基于不同時相兩期遙感影像的植被差異的變化檢測的方法，首先確定變化區域范圍，然后將變化區域范圍中植被的增、減變化情況依據最新現勢性正射影像數據完成人工解譯更新修測。

4.3.1 基于影像的綠地變化檢測

綠地變化檢測關鍵技術是基于兩期影像中近紅外波段反射值與紅光波段反射值之間的差異性對應體現在土地植被覆蓋的變化情況對比發現、提取植被變化區域的方式。其檢測、提取變化區域的過程是通過計算兩期衛星影像的歸一化植被指數(NDVI)差異實現。NDVI指數是遙感影像中近紅外波段反射值與紅光波段反射值之間的差值與兩者之和的比值，能夠直觀反映土地植被覆蓋的變化狀況，具體計算公式為：

DNVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

公式(1)中NIR為遙感影像中近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。

以2020年綠地變化檢測為例，變化檢測采用歐空局(ESA)提供的sentinel-2影像，利用ENVI軟件中的波段計算器測算兩期影像(2019，2020)的NDVI指數，并通過計算柵格差值的方式快速提取DNVI值增長區域及減少區域圖斑，其分別對應植被增加區域和減少區域。設定圖斑最小面積閾值為 1 000 m2，剔除細碎變化圖斑后得到變化區域輪廓面。選取變化檢測識別出的植被變化區域截圖如圖11(圖中綠色為植被增加區域，紅色為減少區域)。

圖11 基于影像的植被變化檢測區域輪廓編提取截圖

4.3.2 綠化現狀年度更新修測

綠化現狀數據庫的年度更新維護，是在綠化現狀變化檢測的基礎上對植被變化區域進行更新修測，以維護綠化現狀數據庫的現勢性。綠化現狀數據更新修測，是以地形圖數據及年度影像數據為更新基礎進行年度綠化現狀數據更新修測。在綠地現狀空間數據更新修測中，需同步更新綠化現狀數據的屬性信息。具體綠化現狀數據更新修測前后的局部截圖如圖12所示：

圖12 綠化現狀數據更新修測前后的局部截圖

4.4 綠化指標統計及時序分析

各類型園林綠化圖斑常有調整變化，相應指標的統計亦需要同步更新。基于以上統計需求，利用FME中轉換器組合編寫了綠化指標統計工具，可對實時調整變換的各類園林綠化指標數據進行自動分類、區域關聯、指標統計等處理，實現了園林綠化指標的實時快速統計。

4.4.1 綠化指標統計

(1)建成區綠化覆蓋率

城市建成區是城市行政區內實際以成片開發建設、市政公用設施和配套公共設施基本具備的區域。綠化覆蓋率是城市內全部綠化覆蓋面積與區域總面積之比，是反映城市生態環境保護狀況及國家園林城市的重要指標。

建成區綠化覆蓋率(%)=建成區所有植被的垂直投影面積(km2)/建成區面積(km2)×100%

《國家生態園林城市標準》對城市建成區綠化覆蓋率的要求為≥40%，福州市2020年建成區綠化覆蓋率為47.41%，如表2所示，已達到國家生態園林城市標準要求，但受建成區面積大小及區位條件等綜合因素的影響較大，各區綠化覆蓋率呈現不平衡的分布態勢，具體各城區綠化覆蓋率、綠化覆蓋面積占比如圖13所示。

表2 2020年度福州市六城區綠化覆蓋率統計表

圖13 福州市各城區綠化覆蓋率及綠化覆蓋面積占比

(2)建成區綠地率

城市綠地率是城市建成區內各類園林綠化用地總面積占城市建成區總面積的比例。作為刻畫城市綠地建設水平的核心指標之一，城市綠地率直觀反映了城市園林綠化整體建設水平。

建成區綠地率(%)=建成區各類城市綠地面積(km2)/建成區面積(km2)×100%

《國家生態園林城市標準》對城市建成區綠地率的要求為≥35%，且城市各城區綠地率最低值需≥28%。經統計福州市建成區綠地率為41.47%，如表3所示，已達到國家生態園林城市標準。從圖14中不難看出福州市建成區綠地空間分布不均，成規模綠地主要分布于晉安、倉山區范圍內。

表3 2020年福州市各城區綠地率統計表

圖14 福州市各城區綠地率及綠地面積占比

(3)人均公園綠地面積

城市人均公園綠地面積是城市建成區內公園綠地總面積與城區人口之比，反映城市居民的人均公園綠地占有量。

城市人均公園綠地面積(m2/人)=公園綠地面積(m2)/建成區內的城區人口數量(人)

《國家生態園林城市標準》中，對于城市人均公園綠地面積的要求為 ≥10 m2/人，根據2020年統計數據福州市人均公園綠地面積為15.39 m2/人(如表4所示)，已達到國家生態園林城市標準。

表4 2020年福州市人均公園綠地面積統計表

(4)公園綠地服務半徑覆蓋率

公園綠地對于城市居民的公平性和可達性是評價城市公園空間布局是否合理的重要內容。目前對于城市公園綠地空間分布合理性的評價大多采用公園綠地服務半徑覆蓋率作為指標。公園綠地服務半徑覆蓋率是指城市建成區內公園綠地服務半徑覆蓋范圍內的居住用地面積與城市建成區內居住用地總面積之比。

公園綠地服務半徑覆蓋率(%)=公園綠地服務半徑覆蓋的居住用地面積(hm2)/居住用地總面積(hm2)×100%

《國家生態園林城市標準》對于不同面積的公園綠地有著不同的服務范圍劃分，并要求城市公園綠地服務半徑覆蓋率≥90%。經統計2020年福州市建成區公園綠地服務半徑覆蓋率為91.73%，如表5所示，已達到國家生態園林城市標準。但也發現三坊七巷、義序片區等區域覆蓋不足區域，為后繼公園的建設規劃提供了數據依據。

表5 2020年福州市公園綠地服務半徑覆蓋率統計表

4.4.2 綠化指標分析

①園林綠化時序分析

以2015年、2020年園林綠化現狀數據時序分析為例，對比2015年～2020年5年內福州市園林綠化時序變化情況如表6所示。5年內福州市建成區園林綠地總面積增長了 2 910.89公頃，其中建成區公園綠地面積顯著升高，凈增長42%；而建成區防護綠地面積卻減少了約 1 000公頃，是由于5年來福州城市建成區的發展擴張侵占了部分建成區周邊的防護綠地以及部分防護綠地已改造成為公園所致。但同時城市建成區的發展擴張也帶來了新的建設用地內附屬綠地面積的大量增長(由于2015年園林綠地數據與2020年園林綠地數據的分類標準不同，因此除公園綠地、防護綠地及附屬綠地外，其余各類綠地不具可比性)。

表6 園林綠地面積時序分析統計表(單位/公頃)

為更直觀地對比5年中各類園林綠地面積所占比重時序對比效果，選擇2015年及2020年園林綠地中公園綠地、防護綠地、附屬綠地及其余綠地的占比制作柱狀對比效果圖。如圖15所示，2020年福州市建成區防護綠地面積占比顯著下降，公園綠地、附屬綠地面積占比則穩步提升。這與近年來福州市園林中心的“串珠公園建設”“生態公園建設”等一系列城市綠化提升建設工作密不可分。

圖15 2015年、2020年各類園林綠地面積占比

②國家“生態園林城市”相關指標比對

選取福州市2020年各項園林綠化指標數據，對照國家“生態園林城市”標準逐項分析各項指標達標情況如表7所示。福州市2020年建成區綠化覆蓋率、綠地率、人均公園綠地面積、公園綠地服務半徑覆蓋率均已達到“國家生態園林城市”相應標準，僅臺江建成區綠地率為21.48%，尚未達到標準中對于城市各城區綠地率最低值28%的要求。總體來看，福州市2020年建成區各項園林指標已基本符合“國家生態園林城市”標準，為福州市后繼的園林生態規劃調整及“國家生態園林城市”的申報提供了基礎數據支撐。

表7 “生態園林城市”各指標對比情況

5 結 論

本文基于多源空間數據的特點，充分利用已有數據資源優勢，快速完成了福州市建成區園林綠化現狀的全面摸底，并實現了年度動態維護更新。擺脫了一直以來傳統人工解譯繪制采集綠地數據作業方式作業周期長、統計分析數據滯后的困擾，同時也避免了使用單一數據源采集的局限性。為福州市及時掌握建成區園林綠化數據現狀情況和歷年城市園林綠化指標的變化分析提供了及時有效的數據支撐。