李鳳霞，宋昆侖，馮曉剛，李 萌

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2.石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050035)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市的社會經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，城市人口高度集中，到2050年，世界城市人口預(yù)計將增加84%[1].城市用地的空間拓展是我國土地利用變化的發(fā)展趨勢[2].占陸地面積2%的城市排放了78%的溫室氣體[3]，部分研究認(rèn)為城市區(qū)域產(chǎn)生的CO2數(shù)量更大，占到了總排放量的96%～98%[4].

如今，城市建筑愈加密集，制約著人們生活質(zhì)量的提高和城市化的進(jìn)一步發(fā)展[5-8].隨著城市環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，加強(qiáng)城市綠地建設(shè)、改善生態(tài)環(huán)境迫在眉睫，許多國家已經(jīng)制定了城市綠化的目標(biāo)[9-10].

城市綠地是維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素，擁有巨大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[11].充分掌握綠地系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能及其生態(tài)價值，可為綠地規(guī)劃和管理打下堅實的基礎(chǔ)[12].城市公園綠地面積較大，對城市生態(tài)的影響更為顯著.國內(nèi)外一些學(xué)者對綠地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能陸續(xù)開展了相關(guān)研究.首先，Holden和 Ehrlich 于1974年提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(ecological service)的概念，探討了生態(tài)服務(wù)功能的內(nèi)容，以及能否用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來替代生態(tài)服務(wù)功能等[13].Hamada等[14]對日本名古屋的研究表明，在溫度調(diào)節(jié)方面，城市綠地發(fā)揮了巨大的作用.Zoulia等[15]雅典城市綠地系統(tǒng)為例，研究指出，在緩解城市熱島效應(yīng)方面，城市綠地具有不可替代的作用.

Mitchell等[16]對綠地的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)綠地對人們的身心健康具有積極的引導(dǎo)和促進(jìn)作用.Chunyang ZHU等[17]的研究指出，城市綠化帶降低了氣溫，增加了氣溫相對濕度，改善了空氣質(zhì)量，為城市規(guī)劃設(shè)計人員實現(xiàn)城市綠地生態(tài)效應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計提高數(shù)據(jù)支持.我國學(xué)者對綠地生態(tài)效益的研究起源于陳自新對園林綠化生態(tài)效益的評價，對不同地方的綠地生態(tài)服務(wù)功能價值進(jìn)行了估算.張超等[18]以南京市為例，估算了2006—2015年的城市綠地生態(tài)價值.楊致遠(yuǎn)等[19]基于延安市1999—2019年退耕還林工程數(shù)據(jù)，對其生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了評估.柳云龍等[20]以上海城市綠地數(shù)量動態(tài)變化及其空間分布狀況為基礎(chǔ)，綜合運用多種生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究方法，對上海城市綠地凈化服務(wù)功能價值進(jìn)行了估算.

張緒良等[21]以青島市為例，定量計算了綠地在滯塵減噪、固碳釋氧方面的生態(tài)服務(wù)價值.于洋等[22]系統(tǒng)地闡述了城市綠地碳匯量的估算方法.綜上所述，在習(xí)近平新時代生態(tài)文明發(fā)展理論的指導(dǎo)下，我國在生態(tài)環(huán)境建設(shè)、碳達(dá)峰碳中和、人居環(huán)境健康發(fā)展等方面取得了長足進(jìn)步.其中，國內(nèi)、國外的學(xué)者們?yōu)榫G地生態(tài)服務(wù)功能價值的精確估算提供了較多的方法和較好的理論框架.但仔細(xì)梳理之后，可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外各項研究不僅比較獨立，其中缺乏一定的關(guān)聯(lián)性，而且綠地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能評價指標(biāo)具有鮮明的地域性特點.研究表明，評價指標(biāo)在城市綠地生態(tài)效益綜合評價中具有十分重要的地位，它不僅與綠地率、綠化覆蓋率、人均公共綠地面積等這些二維指標(biāo)密切相關(guān)，而且與三維指標(biāo)密不可分，比如森林三維綠量、均勻度、生物量等.因此，本研究以西安市興慶宮公園為研究對象，基于城市公園喬木林三維綠量值，對公園綠地生態(tài)服務(wù)功能及其生態(tài)價值進(jìn)行精準(zhǔn)估算，旨在進(jìn)一步提高綠地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能價值的估算精度，有利于督導(dǎo)城市公園綠地生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃，促進(jìn)城鄉(xiāng)人居環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.推進(jìn)多學(xué)科的交叉及融合，發(fā)揮遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)在城市環(huán)境及城鄉(xiāng)規(guī)劃研究與發(fā)展政策制定中的創(chuàng)新作用.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

西安市(東經(jīng)107°40～109°49′，北緯33°42～34°45′)位于我國西北地區(qū)，北瀕渭河，南依秦嶺.主要地貌是渭河平原及秦嶺山地，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季寒冷，夏季炎熱，年平均氣溫11.1～13.3 ℃.該研究區(qū)轄碑林、新城、未央、雁塔、灞橋、蓮湖六區(qū)，面積為822.28 km2.主城區(qū)行政區(qū)劃圖如圖1所示.興慶宮公園屬于西安市碑林區(qū)，位于古城西安明城墻東面，占地面積為52 hm2(即780畝)，其中湖面10 hm2(即150畝)，綠地覆蓋率高達(dá)百分之五十多，是西安市著名的休閑運動公園.該公園樹種豐富，主要包含雪松、楊柳、法桐、三角楓、國槐、大葉女貞、紫葉李等.興慶宮公園的Quickbird遙感影像如圖2所示.

圖1 主城區(qū)行政區(qū)劃圖

圖2 興慶宮公園遙感影像圖

1.2 數(shù)據(jù)源與研究方法

本研究基于高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、三維激光點云數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等.把遙感影像數(shù)據(jù)與三維激光點云數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行高精度三維綠量測量，具體測算流程為(圖3)：使用三維激光掃描儀掃描單棵樹的點云數(shù)據(jù)，再采用微分法估算單木三維綠量，然后應(yīng)用立體量推算立體量法計算所掃描樣地的三維綠量，最后依據(jù)研究區(qū)面積及單位面積三維綠量，測算研究區(qū)總?cè)S綠量.研究樣地設(shè)置為邊長為20 m的正方形，要求相鄰兩個樣地之間大于等于150 m.本研究定量解析西安興慶宮公園綠地三維綠量及其生態(tài)效益，掌握其響應(yīng)機(jī)制，以期為城市園林綠地生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)城鄉(xiāng)人居環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.

圖3 三維綠量測算流程圖

2 模型構(gòu)建方法

2.1 微分法單木三維綠量模型

確定單棵樹的三維點云數(shù)據(jù)的邊界范圍，由此可得三維激光點云數(shù)據(jù)在X、Y、Z上的最大值以及最小值，因此可得到一個邊界長方體.然后依據(jù)單元格長度，把邊界長方體分割成若干個微分單元格.若L、W、H分別為長方體的長、寬、高，d為微分單元格的邊長，一共有M個微分單元格，則

(1)

把外業(yè)掃描的三維激光點云數(shù)據(jù)分別放進(jìn)單元格里，若單元格里面有點云坐標(biāo)，那么這個點被判定為有效格網(wǎng)點，并進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)記，逐一進(jìn)行，待處理完所有的三維點云坐標(biāo)之后，我們可以獲取總的有效格網(wǎng)點，總數(shù)記為N，這樣可以得到微分法估算單棵樹三維綠量的模型，如下所示.

(2)

式中：G為單棵樹三維綠量值；N為有效格網(wǎng)點的總數(shù)；M為微分單元格的數(shù)量；Vbox是由所有的空間單元所形成的最小的外接長方體體積.綜合公式(1)及公式(2)最終獲得微分法測算單棵樹三維綠量的模型[23]為

(3)

2.2 微分法單棵樹三維綠量模型精度檢驗[24]

(1)單棵樹三維綠量模型擬合精度檢驗

該研究所用的單木三維綠量模型，在使用之前對模型做了擬合精度檢驗，如公式(4)所示[25].

(4)

式中：SSEp是單木三維綠量模型回歸的平方和；p是模型擬合精度檢驗中自變量的個數(shù)；SSRp是模型擬合精度檢驗中殘差的平方和.

(5)

(6)

(2)單棵樹三維綠量模型預(yù)估精度檢驗

本研究基于預(yù)留的興慶宮公園樣木數(shù)據(jù)，對單棵樹三維綠量模型的預(yù)估能力進(jìn)行了嚴(yán)格檢驗：

(7)

式中：P是單木三維綠量模型的預(yù)估精度；A是樣地三維綠量實測值；E是估測值.

3 結(jié)果與分析

3.1 城市公園綠地三維綠量估算

本研究首先進(jìn)行樣地實地調(diào)研、外業(yè)實地掃描高精度三維激光點云數(shù)據(jù)，興慶宮公園喬木林外業(yè)掃描共計花費十三天的時間.

然后利用徠卡的Cyclone軟件對三維激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，包括對點云數(shù)據(jù)的拼接處理、去噪處理，最終獲得不同樹種的三維模型如圖4所示.圖4中，第一行是紫葉李的三維模型，第二行是國槐的三維模型，第三行是大葉女貞的三維模型，各樹種三維模型精度較高.

圖4 單木三維點云模型

建立好單木三維點云模型之后，應(yīng)用微分法結(jié)合程序計算出單棵樹三維綠量，再根據(jù)立體量之間互相推算的方法，從而估算出興慶宮公園喬木林樣地三維綠量.最后，基于樣地三維綠量計算城市公園綠地總?cè)S綠量.

本研究使用遙感技術(shù)中常用的遙感軟件——易康(Ecognition)軟件，基于興慶宮公園高分辨率遙感影像，首先進(jìn)行多尺度分割，然后采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǎx擇各類型樣地、分類，將興慶宮公園進(jìn)行土地利用類型分類，結(jié)果如圖5所示.把興慶宮公園土地利用類型劃分為喬木、建設(shè)用地、草地、水體以及裸露地，得到興慶宮公園土地利用類型圖.接下來，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件，比如ARCGIS，進(jìn)行各類型土地利用面積的統(tǒng)計與分析，分析的結(jié)果如表1所示.

表1 興慶宮公園土地利用類型面積

圖5 興慶宮公園土地利用類型圖

所測樣地的總?cè)S綠量值與其面積相除，獲取其單位面積三維綠量值.應(yīng)用地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件得到研究區(qū)的喬木面積，再與單位面積三維綠量相乘，最終得到研究區(qū)域的總?cè)S綠量，如表2所示.由于喬木林是森林植被三維綠量的最主要貢獻(xiàn)者，因此本研究主要分析的是興慶宮公園喬木林三維綠量.以后會進(jìn)一步研究灌木和草地的三維綠量.

表2 西安興慶宮公園三維綠量測算

由表1可知，興慶宮公園的喬木面積最大，其面積總和為19.1×104m2，草地面積比較小，僅有0.5×104m2，建設(shè)用地面積僅次于喬木面積，同時，該公園擁有大面積水域.總體來說，喬木面積>建設(shè)用地面積>裸露地面積>水體面積>草地面積，這與實際情況相符.因為喬木在綠地系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，所占比例高，貢獻(xiàn)最大，所以本研究用喬木面積來計算興慶宮公園總?cè)S綠量值.

本研究在興慶宮公園實測的有效樣方數(shù)是六個.采用立體量推算立體量的方法，計算出的樣地三維綠量是1 876.8 m3，樣地面積為2 400 m2.由表2可以看出，興慶宮公園的單位面積三維綠量較高，為0.782 m3/m2，總?cè)S綠量為149 602.856 m3，三維綠量值比較高，這是因為興慶宮公園內(nèi)的喬木種類豐富，高達(dá)75種，其中，松樹是最主要的常綠喬木.另外，興慶宮公園里的植物配置形式靈活、多樣，樹齡較長，高大植物較多，是西安市民的“后花園”，其產(chǎn)氧量高，一進(jìn)入公園有一種心曠神怡的感覺.同時，興慶宮公園物種豐富，其潛在價值很大，有待進(jìn)一步挖掘.

3.2 城市公園綠地生態(tài)服務(wù)功能及其價值分析

公園綠地的生態(tài)效益主要包括固碳釋氧、滯塵減污、降溫增濕、調(diào)節(jié)局部小氣候等.本研究以綠地的三維綠量為基礎(chǔ)，參考周一凡、周堅華對綠化環(huán)境效益的計算方法(表3)[26-27]，定量計算了西安興慶宮公園綠地生態(tài)效益.

表3 以三維綠量為基準(zhǔn)的生態(tài)效益標(biāo)準(zhǔn)換算量[30-31]

由調(diào)研結(jié)果可知，興慶宮公園的落葉樹種和常綠樹種的比例分別是81.33%和18.67%，依據(jù)表3和表2中的總?cè)S綠量計算結(jié)果，定量分析西安興慶宮公園喬木林的固碳、釋氧、滯塵等生態(tài)服務(wù)功能.再基于固碳量、吸收二氧化硫量、釋氧量、滯塵量，參考《中國生物多樣性國情研究報告》、《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[28-29]估算興慶宮公園生態(tài)服務(wù)功能價值(表4).

表4 西安興慶宮公園綠地生態(tài)效益及其價值

由表4可知，興慶宮公園喬木林2018年固碳效益貢獻(xiàn)率最高，為454.246 t，吸收了453.297 kg二氧化硫量(SO2)，滯塵量(T.S.P.)是164.563 t，年產(chǎn)氧量(O2)為329.494 t，總體來看，固碳量>釋氧量>滯塵量>吸收二氧化硫量.興慶宮公園綠地生態(tài)價值為705 412.466元，吸收CO2、吸收SO2、滯塵、產(chǎn)O2價值比例分別是77.27%、0.08%、3.97%和18.68%.其中，固碳的貨幣值所占比重最大，為545 095.2元/a，其次是釋氧的貨幣值，為131 797.6元/a，興慶宮公園喬木滯塵的生態(tài)價值為27 975.710元，吸收二氧化硫的生態(tài)價值最小，為543.956元.

4 結(jié)論

本文以精確的三維綠量為基礎(chǔ)，估算了西安市興慶宮公園綠地生態(tài)服務(wù)功能及其價值.一方面分析了興慶宮公園喬木林的三維綠量，另一方面實現(xiàn)了興慶宮公園綠地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能的貨幣化，取得的研究成果具有較強(qiáng)的理論現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值，可為園林綠地精準(zhǔn)管理及科學(xué)規(guī)劃提供理論依據(jù).研究結(jié)果表明：

(1)西安市興慶宮公園綠地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值較大，年固碳、釋氧、滯塵、吸收二氧化硫生態(tài)價值為705 412.466元；

(2)從興慶宮公園綠地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值的構(gòu)成來看，各項生態(tài)價值由大到小依次為：固碳量>釋氧量>滯塵量>吸收二氧化硫量；

(3)興慶宮公園綠地系統(tǒng)三維綠量為149 602.856 m3.進(jìn)入公園，最直接的感覺是空氣清新，氧氣充足，被稱為城市的“綠肺”.

在做城市綠地規(guī)劃的時候，建議既要考慮綠地面積，又要兼顧其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，植物種類的配置，樹種的選擇等，從而有效提高其綠地三維綠量，增強(qiáng)其生態(tài)服務(wù)功能，提高市民的幸福生活指數(shù).

本文在估算三維綠量時，考慮到喬木林是森林植被三維綠量的最主要貢獻(xiàn)者，沒有估算灌木和草本的三維綠量，因此，本研究計算的興慶宮公園綠地生態(tài)服務(wù)功能及其價值比實際值低，后續(xù)研究將重點放在喬灌草三種類型的總?cè)S綠量方面.同時，今后還將進(jìn)一步研究城市綠地其他方面的生態(tài)服務(wù)功能及其生態(tài)價值，比如降溫增濕、殺菌、減噪等.該研究方法及研究結(jié)果能夠為公園綠地生態(tài)服務(wù)功能評價提供一定的參考，為城鄉(xiāng)人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐.