三維綠量測(cè)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(wèn)題的日益突出，人們認(rèn)識(shí)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(duì)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(gè)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(lái)評(píng)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(shí)提出三維綠量，指植物在生長(zhǎng)過(guò)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(cè)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(cè)量法、綠量快速估測(cè)法等，這些方法主要通過(guò)航空遙感影像測(cè)量，并未研究其它測(cè)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(cè)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(guò)遙感手段進(jìn)行測(cè)量，篩選近12a與三維綠量測(cè)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(cè)算法，遙感影像測(cè)算法，無(wú)人機(jī)測(cè)算法，三維激光雷達(dá)測(cè)算法。

1 三維綠量測(cè)算方法

1.1 實(shí)地調(diào)查測(cè)算法

實(shí)地調(diào)查獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程，通過(guò)測(cè)高儀、胸徑儀以及皮卷尺等工具，測(cè)量樹(shù)高、胸徑、冠徑、枝下高等形態(tài)因子以及鑒定植物種類，通過(guò)構(gòu)建“冠徑-冠高”方程，根據(jù)樹(shù)冠類型計(jì)算對(duì)應(yīng)樹(shù)種三維綠量。楊陽(yáng)等[4]通過(guò)野外調(diào)查獲取單株樹(shù)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(shù)種三維綠量，對(duì)比了不同樹(shù)種三維綠量值大小，建立回歸模型，分析相關(guān)因子對(duì)綠量的影響，并且計(jì)算相關(guān)樹(shù)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(lái)源計(jì)算三維綠量值，通過(guò)綠量值換算林分植被的生態(tài)效益，估算生態(tài)效益價(jià)值，提高對(duì)公園綠地的管理、經(jīng)營(yíng)水平。陳翠玉等[6]通過(guò)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(shù)木作為研究對(duì)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(shuō)明冠層消光度對(duì)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(zhǎng)等情況，結(jié)果表明，冠層消光度可以用來(lái)表示三維綠量指標(biāo)因子，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)算三維綠量和生態(tài)效益分析。

1.2 遙感影像測(cè)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(guò)電磁波對(duì)地球表面物質(zhì)間的作用，對(duì)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(duì)象所產(chǎn)生的電磁波譜，生成初始圖像，繼而做出識(shí)別和判斷的一種技術(shù)。利用遙感衛(wèi)星影像技術(shù)對(duì)城市植被結(jié)構(gòu)類型、空間分布動(dòng)態(tài)和生態(tài)價(jià)值進(jìn)行快速評(píng)估。谷金英、馮仲科[7]通過(guò)衛(wèi)星獲取了北京市2013年TM遙感影像作為數(shù)據(jù)來(lái)源，結(jié)合地面實(shí)地調(diào)查，對(duì)北京地區(qū)森林植被展開(kāi)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(cè)模型并進(jìn)行反演，對(duì)北京市大尺度的森林區(qū)域三維綠量變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(chǎng)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(cè)算模型，對(duì)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(shù)種建立相應(yīng)模型可以提高測(cè)算精度和測(cè)算速度?；谶b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(duì)沈陽(yáng)市4種功能的城市森林展開(kāi)研究，分別就郁閉度、胸高斷面積、冠幅及胸徑對(duì)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(shì)，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(jí)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(jí)占主要因素，三維綠量影響因子差異帶來(lái)的生態(tài)效益和社會(huì)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(cè)的逆向模型，此方法數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、測(cè)量效率高、使用情況較廣，提高了單株樹(shù)木三維綠化量化的測(cè)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(wú)人機(jī)測(cè)算法

無(wú)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(wú)線機(jī)器設(shè)備和自動(dòng)駕駛情況運(yùn)作的技術(shù)，可以迅速地獲取信息，通過(guò)多光譜成像、紅外線掃描等技術(shù)設(shè)備，可以更快、更自動(dòng)化地獲得信息內(nèi)容。陳荻等[11]通過(guò)小型固定翼無(wú)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(duì)象，通過(guò)圖像分割提取植物冠徑、冠高、樹(shù)高等形態(tài)因子，進(jìn)行樹(shù)冠形狀劃分并計(jì)算對(duì)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(shí)對(duì)校園不同功能區(qū)域的三維綠量分布特征做對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園主要綠化樹(shù)種的定量分析，并評(píng)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(guò)大疆“御”四旋翼無(wú)人機(jī)獲取福州大學(xué)旗山校區(qū)可見(jiàn)光波段無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，結(jié)合樹(shù)高-冠高方程，對(duì)校園內(nèi)不同樹(shù)種的樹(shù)冠形狀進(jìn)行分類，根據(jù)樹(shù)冠對(duì)應(yīng)綠量公式計(jì)算單株樹(shù)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(yíng)管理和生態(tài)效益評(píng)估提供指導(dǎo)。Huilin Lianga等[13]利用無(wú)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(duì)無(wú)人機(jī)正射影像圖進(jìn)行分析，對(duì)上海泡臺(tái)灣濕地公園內(nèi)百余種植物作為研究對(duì)象，得到了樹(shù)木的冠徑-冠高方程以及樹(shù)木的冠高，并對(duì)植物進(jìn)行三維綠量測(cè)算，衡量公園環(huán)境和氣候效益使用無(wú)人機(jī)評(píng)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(cè)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(duì)象形態(tài)數(shù)據(jù)和材質(zhì)信息過(guò)程中具備無(wú)接觸、全方位等優(yōu)勢(shì)。目前包括三維激光掃描儀、背包式激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)、車載測(cè)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(guó)家森林公園樣地單木點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)樣地內(nèi)5種植物進(jìn)行胸徑模擬、樹(shù)冠體積模擬，相較傳統(tǒng)綠量估測(cè)法精度更高，誤差更小。通過(guò)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(cè)算開(kāi)拓了新思路。李肖肖等[15]利用背包式激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)獲取福州大學(xué)國(guó)家科技園三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用濾波算法、聚類算法、競(jìng)爭(zhēng)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(shí)與傳統(tǒng)方法、臺(tái)積法進(jìn)行對(duì)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(cè)算新方法。Cheng He等[16]利用地面激光掃描儀獲取樹(shù)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(duì)象，通過(guò)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(gè)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(píng)價(jià)提供了依據(jù)，而且為其他城市綠地生物量的三維評(píng)價(jià)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(guò)綜述三維綠量測(cè)算方法相關(guān)文獻(xiàn)，在三維綠量測(cè)算過(guò)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(guò)程不同。研究表明，使用遙感影像測(cè)算法的最多，無(wú)人機(jī)測(cè)算法和三維激光雷達(dá)測(cè)算法次之，使用實(shí)地調(diào)查測(cè)算法最少，且每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)以及適用的范圍，見(jiàn)表1。

表1 4類方法對(duì)比

3 結(jié)論

三維綠量測(cè)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(guò)近20a的發(fā)展，三維綠量測(cè)算精度不斷提高，測(cè)算方法不斷提升，測(cè)算過(guò)程不斷優(yōu)化，越來(lái)越多的學(xué)者、研究者對(duì)三維綠量測(cè)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(duì)綠化、環(huán)境、生態(tài)效益的高度認(rèn)識(shí)。未來(lái)，三維綠量將成為彌補(bǔ)二維綠量的一個(gè)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(cè)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(wú)人機(jī)、三維激光雷達(dá)無(wú)法獨(dú)立鑒別植物種類，樹(shù)冠類型，無(wú)法達(dá)到真正全自動(dòng)化。

在三維綠量測(cè)算過(guò)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(guò)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(cè)算大多是針對(duì)單株樹(shù)木或者是林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的植被類型，對(duì)于復(fù)雜植被群落三維綠量測(cè)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(cè)算過(guò)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(píng)估城市生態(tài)效益不準(zhǔn)確。