基于無人機(jī)遙感影像和GIS相結(jié)合的城市綠地均勻度分析

吳倩 譚偉 謝剛等

摘要為了全面了解貴州省安順市建成區(qū)城市綠地分布均勻度狀況，運(yùn)用基于無人機(jī)遙感影像和GIS相結(jié)合的方法，對(duì)安順市城市綠地信息進(jìn)行提取和相關(guān)分析。結(jié)果表明：在50 m×50 m、40 m×40 m、30 m×30 m、25 m×25 m、20 m×20 m、15 m×15 m、10 m×10 m、8 m×8 m、5 m×5 m、4 m×4 m和2 m×2 m總共11組數(shù)據(jù)中，隨著格網(wǎng)積減小即格網(wǎng)精度增大，其相應(yīng)基尼系數(shù)增大，即綠地分布更趨于集中；以格網(wǎng)面積作為自變量，基尼系數(shù)作為因變量，格網(wǎng)精度與基尼系數(shù)之間表現(xiàn)出線性關(guān)系；30 m×30 m格網(wǎng)處理分析結(jié)果表明，安順市建成區(qū)綠地分布均勻度基尼系數(shù)為0.23，其公共綠地分布比較均勻。

關(guān)鍵詞無人機(jī)航拍影像；綠地分布均勻度；洛倫茨曲線；基尼系數(shù)

中圖分類號(hào)S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2016）04-314-05

Analysis of the Homogeneity Degree of City Green Space Distribution Based on Combination of UAV Aerial Image and GIS—A Case Study of Anshun City

WU Qian1，TAN Wei1*， XIE Gang1，2 et al （1. Research Center of Forestry Information&Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025； 2. Institute of Mountain Resources，Guizhou Academy of sciences， Guiyang， Guizhou 550025）

AbstractIn order to fully understand the homogeneity degree of city green space distribution in Anshun， Guizhou Province， based on the combination of UAV remote sensing images and GIS method， the city green space information of Anshun was extracted and analyzed. Results showed that in 50 m×50 m， 40 m×40 m， 30 m×30 m， 25 m× 25 m， 20 m×20 m， 15m×15 m， 10 m×10 m， 8 m×8 m， 5 m×5 m ， 4 m× 4 m and 2 m× 2 m of a total of 11 sets of data， with the decrease of grid size， its response gini coefficient increased.The green space distribution tended to be more concentrated； with the grid precision as the independent variable and the Gini coefficient as the dependent variable， there is a linear relationship between grid precision and gini coefficient； 30m×30 m grid processing analysis indicated that gene coefficient of green space distribution in Anshun was 0.23， the public green space distribution was even.

Key wordsUAV aerial image； Green space distribution uniformity； Lorenz curve； Gini coefficient

城市綠地是指用以栽植樹木花草，布置配套設(shè)施，并由綠色植物所覆蓋，且賦以一定功能與用途的場地[1-2]。對(duì)于城市綠地監(jiān)測，傳統(tǒng)的人工普查方法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析法因其資金和人力投入大、數(shù)據(jù)處理周期長和缺乏空間統(tǒng)計(jì)分析功能，很難及時(shí)、全面地得到現(xiàn)狀綠地資料，并且效率低、成本高[3]。遙感技術(shù)作為一種綜合性探測技術(shù)具有快速、高效、范圍大、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，利用高分辨率及多光譜遙感影像提取城市綠地信息可以很好地彌補(bǔ)常規(guī)方法的缺陷[4-5]。

運(yùn)用高分辨率影像和遙感技術(shù)進(jìn)行城市綠地資源的調(diào)查分析，國內(nèi)外已有一些學(xué)術(shù)成果，John Rogan等[6]用遙感技術(shù)來監(jiān)測加州森林生態(tài)系統(tǒng)。李立[7]借助RS和GIS方法調(diào)查了開封市建成區(qū)2003年10月的綠地現(xiàn)狀；趙麗麗等[8]利用Landsat ETM+影像探討了深圳市綠地信息提取的最佳方法；黃慧萍等[9]以多尺度影像分割與面向?qū)ο笥跋穹治龇椒橹饕夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市綠地信息精確獲取與快速更新。城市綠地分布均勻度評(píng)價(jià)是從規(guī)劃定量指標(biāo)方面來揭示城市綠地分布規(guī)律，它能反映綠地本身的空間格局和分布情況，體現(xiàn)城市公共綠地所發(fā)揮的效用?，F(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法可主要?dú)w納為基于公園數(shù)量、景觀生態(tài)學(xué)、空間距離、成本消耗和地理場效應(yīng)5種[10]。城市綠地在空間上的分布和格局，影響著其對(duì)整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[11-12]?？蛇_(dá)性分析是公園綠地均勻度評(píng)價(jià)最常用的方法，筆者以貴州省安順市建成區(qū)為例，利用洛倫茨曲線和基尼系數(shù)來定量計(jì)算城市綠地分布的集中程度[13-14]。

1數(shù)據(jù)來源及方法路線

1.1研究區(qū)概況貴州省安順市建成區(qū)總面積4 831.56 hm2，地處長江水系烏江流域和珠江水系北盤江流域的分水嶺地帶，是世界上典型的喀斯特地貌集中地區(qū)，典型的喀斯特地貌使安順具有多山的特點(diǎn)。安順平均海拔高度為1 102～1 694 m，屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量1 360 mm，年平均氣溫14 ℃，歷史最高氣溫34.3 ℃，最低氣溫-7.6 ℃，年平均相對(duì)濕度80%，年平均風(fēng)速2.4 m/s，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，氣候溫和宜人。安順市是國家最早確定的甲類旅游開放城市之一，全市風(fēng)景區(qū)面積占幅員面積的12%以上，遠(yuǎn)高于全國1%和貴州省4.2%的比例。

1.2數(shù)據(jù)來源及處理該研究使用的主要數(shù)據(jù)為無人機(jī)航拍影像，影像采集時(shí)間為2013年4月。其他資料包括2012年《安順統(tǒng)計(jì)年鑒》等，用以輔助綠地目視解譯和樣本點(diǎn)地類判讀。獲取航拍影像后，后期數(shù)據(jù)處理與分析階段主要分為以下步驟：①遙感影像預(yù)處理，獲取安順市真彩色正射影像圖和近紅外正射影像圖；②對(duì)遙感影像目視解譯，用ArcGIS軟件對(duì)各類綠地詳實(shí)勾繪，某些因各種原因不能確定的區(qū)域進(jìn)行后期現(xiàn)場補(bǔ)測；③拓?fù)湟压蠢L的矢量化數(shù)據(jù)，對(duì)各類地物屬性進(jìn)行賦值，建立安順市建成區(qū)綠地信息空間屬性數(shù)據(jù)庫；④基于ArcGIS軟件隨機(jī)選取0.81 km2區(qū)域，分別進(jìn)行50 m×50 m、40 m×40 m、30 m×30 m、25 m×25 m、20 m×20 m、15 m×15 m、10 m×10 m、8 m×8 m、5 m×5 m、4 m×4 m和2 m×2 m格網(wǎng)化，計(jì)算出相關(guān)系數(shù)導(dǎo)入SPSS軟件分析，得到格網(wǎng)精度與基尼系數(shù)的相關(guān)性。

1.3綠地分類及影像判讀參照中華人民共和國建設(shè)部 2002 年印發(fā)的《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T85-2002），把安順市城市綠地主要分為以下5類：公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護(hù)綠地、附屬綠地和其他綠地。對(duì)植被、農(nóng)田、道路、建筑、水體等5大地類，根據(jù)真彩色和近紅外假彩色影像的特征，并結(jié)合野外調(diào)查，建立安順市城市綠地遙感調(diào)查的影像判讀解譯標(biāo)志，用于地類判讀解譯。無人機(jī)遙感影像分辨率達(dá)到0.1 m，清晰度較高，采用目視解譯能獲得較高精度。

2安順市公共綠地分布均勻度分析

2.1方法概述城市公共綠地的均勻分布，能使居民方便地享受綠地資源，城市公共綠地均勻度正是衡量這一特性的關(guān)鍵指標(biāo)。它是利用洛倫茨曲線和基尼系數(shù)來計(jì)算出城市綠地分布的集中程度。以圖1為例，矩形 A為城市范圍，橢圓形B為公共綠地。將范圍 A 分割成大小等同8×8個(gè)正方格，并逐一編號(hào)，如圖2所示。方格中含有綠地的每個(gè)方格面積記為 1，消去公共綠地，處理后見圖3[20-22]。

3將這些方格按照編號(hào)次序分成相同個(gè)數(shù)的10組，統(tǒng)計(jì)出每組面積總數(shù)及其中公園綠地方格面積總數(shù)，見表1。用上述 10 組數(shù)據(jù)按組內(nèi)公共綠地方格面積由小到大排列， 并統(tǒng)計(jì)出組內(nèi)綠地方格數(shù)和綠地方格累計(jì)數(shù)及百分比累計(jì)值，列入表1。用橫坐標(biāo)表示方格數(shù)累計(jì)百分比， 縱坐標(biāo)表示綠地方格累計(jì)百分比，以坐標(biāo)圖上的10個(gè)點(diǎn)表示10組數(shù)據(jù)的百分比值，得到綠地分布洛倫茨曲線（圖4）。

一般情況下公共綠地的洛倫茨曲線越靠近直線OB， 表明綠地分布越均勻，越向右下方凸出靠近折現(xiàn)OAB，則表明綠地分布越集中。洛倫茨曲線用函數(shù)y=f（x）表示，要對(duì)其進(jìn)行量化分析，可通過對(duì)陰影部分面積進(jìn)行積分計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，公式為：

g=[12-∫10f（x）dx]12（1）

式中，g是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的基尼系數(shù)，它是圖4中陰影面積與三角形OAB面積之比，其數(shù)值越大表明洛倫茨曲線越向右下方凸出， 也就是綠地分布越集中，反之g數(shù)值越小表明公共綠地分布越均勻。參考社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)界基尼系數(shù)的閾值標(biāo)準(zhǔn)：指標(biāo)值在0. 2以下，分布絕對(duì)均勻；指標(biāo)量值為[0.2，0.3），分布比較均勻；指標(biāo)量值為[0.3，0.4），分布比較合理；指標(biāo)量值為[0.4，0.5），分布較為集中；指標(biāo)量值為0.5時(shí)分布絕對(duì)集中。

該研究中，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分組中的綠地方格數(shù)量時(shí)，只要綠地斑塊落在網(wǎng)格內(nèi)，不管其所占面積比例大小，均記為1個(gè)。格網(wǎng)精度增大，格網(wǎng)總數(shù)和綠地方格數(shù)都分別增大，因綠地斑塊形狀多為不規(guī)則多邊形，其邊緣被小面積格網(wǎng)切割劃分得比大面積格網(wǎng)切割得更為均勻。在統(tǒng)計(jì)每個(gè)組綠地?cái)?shù)量時(shí)，各個(gè)分組間的綠地方格數(shù)量差值相應(yīng)增大，導(dǎo)致洛倫茨曲線中陰影面積與三角形OAB面積比值越大，從而綠地分布更為集中。

3結(jié)論與討論

（1）運(yùn)用洛倫茨曲線與基尼系數(shù)來定量分析，相對(duì)其他方法具有明顯優(yōu)勢：洛倫茨曲線以圖像的形式展示城市綠地分布，更加直觀清晰；基尼系數(shù)通過洛倫茨曲線將城市綠地分布格局量化，不是以單個(gè)數(shù)值來評(píng)價(jià)結(jié)果，而是劃定若干個(gè)閾值，通過將計(jì)算結(jié)果和閾值范圍進(jìn)行對(duì)比，來判斷綠地分布均勻度，這樣更加科學(xué)和人性化。因此運(yùn)用此方法來分析城市綠地分布均勻度是比較合理的。

（2） 在GIS的網(wǎng)格面積大小選擇時(shí)，分別嘗試了2 m×2 m、4 m×4 m、5 m×5 m、8 m×8 m、10 m×10 m、15 m×15 m、20 m×20 m、25 m×25 m、30 m×30 m、40 m×40 m、50 m×50 m規(guī)格，隨著格網(wǎng)面積增加即格網(wǎng)精度減少，其響應(yīng)基尼系數(shù)減小，即綠地分布更趨于均勻，可作為日后網(wǎng)格精度選取的依據(jù)。

（3）該研究用30 m×30 m格網(wǎng)來分析安順市建成區(qū)綠地分布均勻度，求得g=1-2∫10f（x）dx=0.23，參考基尼系數(shù)的閾值標(biāo)準(zhǔn)，安順市建成區(qū)公共綠地分布比較均勻。

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