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(qū)的不斷擴(kuò)展以及城區(qū)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(qū)的不斷發(fā)展建設(shè)，福州市提出創(chuàng)建國家“生態(tài)園林城市”的目標(biāo)。申報國家生態(tài)園林城市需依據(jù)《國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》中各項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并及時掌握福州市園林綠化現(xiàn)狀及歷年指標(biāo)變化情況，以及時進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[1]?；诖烁Ｖ菔袉咏ㄔO(shè)福州規(guī)劃區(qū)城市綠地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集建庫，并設(shè)立年度更新維護(hù)的目標(biāo)。

2 綠化現(xiàn)狀采集及年度更新建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)國家生態(tài)園林城市中各項指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合福州園林現(xiàn)狀的實際采集及年度更新維護(hù)需求，擬定綠化現(xiàn)狀采集、綠化現(xiàn)狀年度維護(hù)更新、綠化相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計分析等詳細(xì)內(nèi)容。

2.1 綠化現(xiàn)狀采集內(nèi)容

根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)、激光點云、航空遙感影像獲取綠化占地及綠化現(xiàn)狀覆蓋數(shù)據(jù)，建設(shè)綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫[2]。

2.2 年度更新維護(hù)

根據(jù)兩期遙感影像的植被指數(shù)(NDVI)差異檢測綠地變化區(qū)域，并疊加正射影像、地形圖數(shù)據(jù)對范圍內(nèi)的園林綠化數(shù)據(jù)進(jìn)行年度更新采集[3]。

2.3 綠化指標(biāo)統(tǒng)計分析

依據(jù)逐年份的園林綠化數(shù)據(jù)庫更新成果，對建設(shè)范圍內(nèi)綠地率、綠化覆蓋率、人均公園綠地、公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率等園林綠化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計測算，并對不同年份綠化指標(biāo)變化進(jìn)行時序分析。

3 技術(shù)流程

基于園林綠地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集建庫及年度動態(tài)維護(hù)更新的目標(biāo)，以地形圖庫、激光點云數(shù)據(jù)庫、高分辨率正射影像數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)、園林綠化工程數(shù)據(jù)等多源空間數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，通過多源空間數(shù)據(jù)融合的方式制定國家生態(tài)園林城市中各類綠化相關(guān)數(shù)據(jù)獲取建庫及年度更新的作業(yè)流程，并以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行園林綠化指標(biāo)統(tǒng)計及綠化指標(biāo)變化的時序分析。具體流程如圖1所示：

圖1 綠化現(xiàn)狀采集建庫、更新維護(hù)及指標(biāo)分析流程圖

4 采集及更新維護(hù)實例

本文以福州市建成區(qū)綠化現(xiàn)狀采集及年度更新維護(hù)生產(chǎn)為例，按照生產(chǎn)實施的具體作業(yè)步驟來詳細(xì)介紹多源空間數(shù)據(jù)在國家生態(tài)園林城市綠化現(xiàn)狀采集、相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計與時序分析中的技術(shù)實現(xiàn)。

4.1 數(shù)據(jù)收集整理

綠化現(xiàn)狀采集、更新、指標(biāo)統(tǒng)計及時序分析中利用的多源空間數(shù)據(jù)及相關(guān)說明表如表1所示：

表1 綠化數(shù)據(jù)現(xiàn)狀采集及指標(biāo)統(tǒng)計源數(shù)據(jù)說明表

4.2 綠地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集

城市綠地數(shù)據(jù)庫包含綠地面和綠化覆蓋面兩部分內(nèi)容，其分別對應(yīng)生態(tài)園林城市的建成區(qū)綠地率、建成區(qū)人均公共綠地、建成區(qū)綠化覆蓋率等不同統(tǒng)計指標(biāo)。其中綠地面積是指綠地邊界圍合之內(nèi)的公共綠地、道路綠地等的硬質(zhì)景觀[4]，以及生產(chǎn)綠地、風(fēng)景林地等邊界內(nèi)由于郁閉度原因造成的裸露的土壤都?xì)w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(qū)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(gòu)建

綠地面構(gòu)建是基于大比例尺地形圖數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)提取、自動融合、拓?fù)錁?gòu)面的方式采集構(gòu)建綠地面。

①數(shù)據(jù)預(yù)處理：提取地形圖庫中的植被相關(guān)數(shù)據(jù)圖層，并對提取的植被點、線數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余篩除、數(shù)據(jù)分類、斷線連接等預(yù)處理。

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

圖2 Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建流程圖

圖3 由植被線節(jié)點構(gòu)建的Delaunay三角網(wǎng)效果圖

③拓?fù)錁?gòu)建植被面：在植被線節(jié)點構(gòu)建三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用FME的LineOnLineOverlayer、AreaBuilder、Dissolver轉(zhuǎn)換器組合，對三角網(wǎng)中的各個三角形的多段線進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建、鄰接面要素融合等處理，從而構(gòu)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?fù)錁?gòu)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(fā)現(xiàn)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(zhǔn)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(gòu)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(gòu)建

綠化覆蓋面構(gòu)建是以激光點云數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，以提取的樹木點數(shù)據(jù)為構(gòu)網(wǎng)節(jié)點拓?fù)錁?gòu)建三角網(wǎng)，并對構(gòu)建的三角網(wǎng)進(jìn)行融合生成綠化覆蓋面。

①植被冠幅提?。篖iDAR系統(tǒng)直接獲取的是地球表面的三維坐標(biāo)，可以直接生成數(shù)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(shù)字地形模型DTM，采用Vosselman提出的以形態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)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(nèi)插法生成DTM，然后采用原始的DSM減去DTM的方式得到規(guī)則化的DSM(nDSM)[9]。最后根據(jù)房屋與樹木都具有一定高程的特性，利用nDSM的值對LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)建綠化覆蓋面：利用4.2.1綠地面構(gòu)建過程中②、③同樣的構(gòu)建原理和方法構(gòu)建生成綠化覆蓋面[9]，具體構(gòu)建效果如圖8所示。

圖8 融合生成的綠化覆蓋構(gòu)效果圖

③噪點剔除：隨機(jī)選取1 km2激光點云構(gòu)建的綠化覆蓋面進(jìn)行人工比對，篩選出噪點誤構(gòu)面 1 473個，累計面積 909.23 m2，占所選區(qū)域內(nèi)自動構(gòu)建綠化覆蓋面面積的 0.265 6%。經(jīng)分析噪點誤構(gòu)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(gòu)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?fù)錁?gòu)建的綠化覆蓋面與同時期正射影像進(jìn)行疊加比對，發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)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(gòu)建綠化覆蓋面與同期正射影像疊加效果

4.2.3 綠化數(shù)據(jù)融合建庫

基于以上步驟完成的綠化現(xiàn)狀空間數(shù)據(jù)，是綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)屬性信息的基礎(chǔ)空間載體，通過空間位置關(guān)聯(lián)融合的方式從多源空間數(shù)據(jù)中獲取相關(guān)屬性信息，對個別融合、關(guān)聯(lián)屬性信息存在矛盾沖突的綠地數(shù)據(jù)需要進(jìn)行人機(jī)對照判斷修改完善。融合后綠化數(shù)據(jù)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(qū)、綠地面積、更新時間等字段。依據(jù)這些屬性可以快速便捷地對相關(guān)綠化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計及時序分析。融合建庫后的綠地數(shù)據(jù)庫空間及屬性信息如圖10所示。

圖10 綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)空間分布及屬性信息截圖

4.3 綠化現(xiàn)狀變化檢測及更新維護(hù)

綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的年度更新維護(hù)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(qū)域范圍，然后將變化區(qū)域范圍中植被的增、減變化情況依據(jù)最新現(xiàn)勢性正射影像數(shù)據(jù)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(guān)鍵技術(shù)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(yīng)體現(xiàn)在土地植被覆蓋的變化情況對比發(fā)現(xiàn)、提取植被變化區(qū)域的方式。其檢測、提取變化區(qū)域的過程是通過計算兩期衛(wèi)星影像的歸一化植被指數(shù)(NDVI)差異實現(xiàn)。NDVI指數(shù)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(shù)，并通過計算柵格差值的方式快速提取DNVI值增長區(qū)域及減少區(qū)域圖斑，其分別對應(yīng)植被增加區(qū)域和減少區(qū)域。設(shè)定圖斑最小面積閾值為 1 000 m2，剔除細(xì)碎變化圖斑后得到變化區(qū)域輪廓面。選取變化檢測識別出的植被變化區(qū)域截圖如圖11(圖中綠色為植被增加區(qū)域，紅色為減少區(qū)域)。

圖11 基于影像的植被變化檢測區(qū)域輪廓編提取截圖

4.3.2 綠化現(xiàn)狀年度更新修測

綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的年度更新維護(hù)，是在綠化現(xiàn)狀變化檢測的基礎(chǔ)上對植被變化區(qū)域進(jìn)行更新修測，以維護(hù)綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性。綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)更新修測，是以地形圖數(shù)據(jù)及年度影像數(shù)據(jù)為更新基礎(chǔ)進(jìn)行年度綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)更新修測。在綠地現(xiàn)狀空間數(shù)據(jù)更新修測中，需同步更新綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的屬性信息。具體綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)更新修測前后的局部截圖如圖12所示：

圖12 綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)更新修測前后的局部截圖

4.4 綠化指標(biāo)統(tǒng)計及時序分析

各類型園林綠化圖斑常有調(diào)整變化，相應(yīng)指標(biāo)的統(tǒng)計亦需要同步更新?；谝陨辖y(tǒng)計需求，利用FME中轉(zhuǎn)換器組合編寫了綠化指標(biāo)統(tǒng)計工具，可對實時調(diào)整變換的各類園林綠化指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分類、區(qū)域關(guān)聯(lián)、指標(biāo)統(tǒng)計等處理，實現(xiàn)了園林綠化指標(biāo)的實時快速統(tǒng)計。

4.4.1 綠化指標(biāo)統(tǒng)計

(1)建成區(qū)綠化覆蓋率

城市建成區(qū)是城市行政區(qū)內(nèi)實際以成片開發(fā)建設(shè)、市政公用設(shè)施和配套公共設(shè)施基本具備的區(qū)域。綠化覆蓋率是城市內(nèi)全部綠化覆蓋面積與區(qū)域總面積之比，是反映城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)狀況及國家園林城市的重要指標(biāo)。

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

《國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》對城市建成區(qū)綠化覆蓋率的要求為≥40%，福州市2020年建成區(qū)綠化覆蓋率為47.41%，如表2所示，已達(dá)到國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)要求，但受建成區(qū)面積大小及區(qū)位條件等綜合因素的影響較大，各區(qū)綠化覆蓋率呈現(xiàn)不平衡的分布態(tài)勢，具體各城區(qū)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(qū)綠化覆蓋率統(tǒng)計表

圖13 福州市各城區(qū)綠化覆蓋率及綠化覆蓋面積占比

(2)建成區(qū)綠地率

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

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

《國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》對城市建成區(qū)綠地率的要求為≥35%，且城市各城區(qū)綠地率最低值需≥28%。經(jīng)統(tǒng)計福州市建成區(qū)綠地率為41.47%，如表3所示，已達(dá)到國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)。從圖14中不難看出福州市建成區(qū)綠地空間分布不均，成規(guī)模綠地主要分布于晉安、倉山區(qū)范圍內(nèi)。

表3 2020年福州市各城區(qū)綠地率統(tǒng)計表

圖14 福州市各城區(qū)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(qū)內(nèi)公園綠地總面積與城區(qū)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(qū)內(nèi)的城區(qū)人口數(shù)量(人)

《國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》中，對于城市人均公園綠地面積的要求為 ≥10 m2/人，根據(jù)2020年統(tǒng)計數(shù)據(jù)福州市人均公園綠地面積為15.39 m2/人(如表4所示)，已達(dá)到國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)。

表4 2020年福州市人均公園綠地面積統(tǒng)計表

(4)公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率

公園綠地對于城市居民的公平性和可達(dá)性是評價城市公園空間布局是否合理的重要內(nèi)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(wù)半徑覆蓋率作為指標(biāo)。公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率是指城市建成區(qū)內(nèi)公園綠地服務(wù)半徑覆蓋范圍內(nèi)的居住用地面積與城市建成區(qū)內(nèi)居住用地總面積之比。

公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率(%)=公園綠地服務(wù)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(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》對于不同面積的公園綠地有著不同的服務(wù)范圍劃分，并要求城市公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率≥90%。經(jīng)統(tǒng)計2020年福州市建成區(qū)公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率為91.73%，如表5所示，已達(dá)到國家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)。但也發(fā)現(xiàn)三坊七巷、義序片區(qū)等區(qū)域覆蓋不足區(qū)域，為后繼公園的建設(shè)規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

表5 2020年福州市公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率統(tǒng)計表

4.4.2 綠化指標(biāo)分析

①園林綠化時序分析

以2015年、2020年園林綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)時序分析為例，對比2015年～2020年5年內(nèi)福州市園林綠化時序變化情況如表6所示。5年內(nèi)福州市建成區(qū)園林綠地總面積增長了 2 910.89公頃，其中建成區(qū)公園綠地面積顯著升高，凈增長42%；而建成區(qū)防護(hù)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(qū)的發(fā)展擴(kuò)張侵占了部分建成區(qū)周邊的防護(hù)綠地以及部分防護(hù)綠地已改造成為公園所致。但同時城市建成區(qū)的發(fā)展擴(kuò)張也帶來了新的建設(shè)用地內(nèi)附屬綠地面積的大量增長(由于2015年園林綠地數(shù)據(jù)與2020年園林綠地數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)不同，因此除公園綠地、防護(hù)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(tǒng)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?qū)Ρ刃Ч?，選擇2015年及2020年園林綠地中公園綠地、防護(hù)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(qū)防護(hù)綠地面積占比顯著下降，公園綠地、附屬綠地面積占比則穩(wěn)步提升。這與近年來福州市園林中心的“串珠公園建設(shè)”“生態(tài)公園建設(shè)”等一系列城市綠化提升建設(shè)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(tài)園林城市”相關(guān)指標(biāo)比對

選取福州市2020年各項園林綠化指標(biāo)數(shù)據(jù)，對照國家“生態(tài)園林城市”標(biāo)準(zhǔn)逐項分析各項指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況如表7所示。福州市2020年建成區(qū)綠化覆蓋率、綠地率、人均公園綠地面積、公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率均已達(dá)到“國家生態(tài)園林城市”相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，僅臺江建成區(qū)綠地率為21.48%，尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中對于城市各城區(qū)綠地率最低值28%的要求?？傮w來看，福州市2020年建成區(qū)各項園林指標(biāo)已基本符合“國家生態(tài)園林城市”標(biāo)準(zhǔn)，為福州市后繼的園林生態(tài)規(guī)劃調(diào)整及“國家生態(tài)園林城市”的申報提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

表7 “生態(tài)園林城市”各指標(biāo)對比情況

5 結(jié) 論

本文基于多源空間數(shù)據(jù)的特點，充分利用已有數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢，快速完成了福州市建成區(qū)園林綠化現(xiàn)狀的全面摸底，并實現(xiàn)了年度動態(tài)維護(hù)更新。擺脫了一直以來傳統(tǒng)人工解譯繪制采集綠地數(shù)據(jù)作業(yè)方式作業(yè)周期長、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)滯后的困擾，同時也避免了使用單一數(shù)據(jù)源采集的局限性。為福州市及時掌握建成區(qū)園林綠化數(shù)據(jù)現(xiàn)狀情況和歷年城市園林綠化指標(biāo)的變化分析提供了及時有效的數(shù)據(jù)支撐。