賀 鵬，易正暉，王 佳

(1.河北九華勘查測繪有限責(zé)任公司，河北 保定071051;2.天津城市建設(shè)學(xué)院，天津300384;3.北京林業(yè)大學(xué)測繪與3S技術(shù)中心，北京100083)

一、引 言

“綠量”最早是作為量化植被的生態(tài)效應(yīng)而提出的，是從生態(tài)學(xué)的能量轉(zhuǎn)換和植物莖葉的生理功能出發(fā)的;葉片越多、冠幅越大，其植株進(jìn)行光合作用的幾率越大，其生態(tài)效應(yīng)越高。綠量最早是作為城市園林綠化水平而提出的，稱為“綠化三維量”，指綠色植物莖葉所占據(jù)的空間體積，以單位m3計(jì)算［1-2］。發(fā)展到后期便有從二維的葉面積指數(shù)與三維的三維綠量兩個(gè)方面來研究植被綠量。從量測方法而言，葉面積指數(shù)獲取有兩種方法:直接收獲法和瞬間拍攝法。直接收獲法具有破壞性，無法廣泛執(zhí)行;瞬間拍攝法指用魚眼鏡頭拍攝植被的垂直投影的影像，再由軟件推估葉面積指數(shù)。而三維綠量的量測主要是將樹冠模擬成球面體進(jìn)行估算，此法在后期的研究較多。從量測的手段上，為了大面積測定城區(qū)內(nèi)三維綠量，航空遙感技術(shù)被引入，有3種方法測定三維綠量值:平面量模擬立體量［3］、立體量推算立體量［4］、平面量推算平面量［5］。平面量模擬立體量是從航空二維平面的樹冠影像通過冠幅估測冠高，再推導(dǎo)出樹冠體積;立體量推算立體量是由相鄰兩航片的左右視差確定植被高度，在航片上測出該植被的面積，再根據(jù)一定的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算三維綠量值;平面量推算平面量是由樹冠影像直接推導(dǎo)二維的葉面積指數(shù)，此法簡化了測定過程，所得結(jié)果已不是三維綠量的值。

不管從二維還是三維的角度量測綠量都有一定局限性，二維的葉面積指數(shù)忽略了葉片空間結(jié)構(gòu)，且不利于大面積測量;三維的綠量將樹冠模擬成幾何體，但幾何體內(nèi)葉片所占空間密度被忽略。兩種局限性都主要是因?yàn)榱繙y手段的限制。而隨著測量技術(shù)的不斷更新，精確測量樹冠的體積已完全可以實(shí)現(xiàn)，有學(xué)者將地面激光掃描系統(tǒng)引入到林業(yè)測樹研究中，獲得了高精度的樹木枝干葉參數(shù)［6-8］。本文提出用地面激光掃描系統(tǒng)測定樹木的三維綠量，在計(jì)算植被的體積時(shí)將引入綠視率(指眼睛看到綠化的面積占整個(gè)圓形面積的百分?jǐn)?shù))［9］作為葉片所占空間幾何體的密度研究綠量，旨在提高單木三維綠量模型估計(jì)的精度。

二、試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

樹木三維綠量的測定實(shí)質(zhì)上是樹冠體積的測定，其根本出發(fā)點(diǎn)是樹冠越大，葉面積越大，生態(tài)效益相對(duì)越好。然而樹冠千差萬別，由于樹冠不像樹干有一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)體外形，樹冠有很多空隙，具有大致相同樹冠體積大小的兩棵樹，葉片空間密度不同，因此若以體積統(tǒng)計(jì)計(jì)算三維綠量就會(huì)造成結(jié)果的不準(zhǔn)確。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在地面激光掃描系統(tǒng)測定樹冠體積的基礎(chǔ)上，從各個(gè)掃描角度所成的二維圖像上計(jì)算樹冠的綠視率，三維綠量將等于模擬的體積乘以平均的綠視率，最后對(duì)比兩種方法的不同。

1.樹冠體積估測方法

地面激光掃描成像系統(tǒng)可以獲取樹木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，樹冠不像樹干有一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)體外形，樹冠有很多的空隙，激光束可能穿透樹冠在樹冠內(nèi)進(jìn)行了反射，所以得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不能完全反映樹冠外層的空間特征。

要想得到樹冠的實(shí)體三維模型，可通過兩種方法實(shí)現(xiàn)。一是對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過在Cyclone中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，人工判讀沒有在樹冠表面的點(diǎn)，進(jìn)行剔除;然后根據(jù)剩余的數(shù)據(jù)建立空間的TIN網(wǎng)，根據(jù)空間幾何方法計(jì)算TIN模型的體積近似為樹冠的體積。二是把單木的整個(gè)樹冠看成是由單個(gè)的小的圓臺(tái)組成的立體，通過對(duì)樹冠部分點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量測，求出每個(gè)小圓臺(tái)的體積，然后對(duì)它們求和，就可以算出整個(gè)樹冠在空間所占有的體積。每個(gè)小圓臺(tái)的低面圓也有兩種取值方法，一種是最大半徑圓，另一種為實(shí)際斷面圓。實(shí)際計(jì)算與模擬中，后者較前者用的多。一般樹冠測量方法如圖1所示。

以上兩種方法都會(huì)將三維綠量計(jì)算得比實(shí)際值要大。如圖2所示，對(duì)于葉片空間密度較大的模擬樹而言，實(shí)際值為100%，則第1種體積近似多面體模擬的體積將為110%左右，第2種圓臺(tái)分段模擬的體積將為120%左右。在實(shí)際計(jì)算中，第1種方法實(shí)現(xiàn)比較困難，因?yàn)楸仨毻ㄟ^近似多面體估算體積，多面體越多精度越高;而且軟件在模擬物體時(shí)，能以多面網(wǎng)格精確地逼近物體表面，但計(jì)算體積必須是實(shí)體，多面網(wǎng)格與實(shí)體的轉(zhuǎn)化還沒有比較成熟的模塊實(shí)現(xiàn)。

圖1 一般樹冠測量方法

圖2 兩種方法對(duì)比示意圖

2.綠視率及空間均勻度估算樹木三維綠量

通過以上分析，試驗(yàn)將選取不同樹種若干地面激光掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算每棵樹圖模型的前視圖、側(cè)視圖與俯視圖;二維圖片中葉片所占面積的百分比即綠視率，三維綠量值將等于用圓臺(tái)分段模擬體積模型與不同視圖綠視率的連續(xù)乘積;最后分析不同樹種之間圓臺(tái)模型與綠視率圓臺(tái)模型之間的差異。

在計(jì)算單木的三維綠量時(shí)，本文將談?wù)撊S綠量是否受葉片空間分布的影響。葉片空間分布將影響樹冠體積的大小，即直接對(duì)以體積為量綱的三維綠量產(chǎn)生影響。葉片的空間分布將以空間分布均勻度為測定指標(biāo)。試驗(yàn)將討論樹種、空間分布均勻度、綠視率對(duì)計(jì)算三維綠量的影響。樹種選擇將分為針葉、闊葉樹兩種;空間分布均勻度考慮將樹冠從垂直方向、水平方向各劃分為N1、N2的網(wǎng)格(網(wǎng)格為正方形，維數(shù)根據(jù)冠幅的長寬而定)，每個(gè)網(wǎng)格記錄含有的葉片投影面積所占的百分比(以十進(jìn)制計(jì)算)，結(jié)果將得到兩個(gè)N1×N2的數(shù)組。統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)投影密度的個(gè)數(shù)，并對(duì)各等級(jí)賦予不同的權(quán)重。如密度為1的權(quán)重為0，密度為0的權(quán)重為1。計(jì)算加權(quán)平均和，值越大說明空間中葉片分布越不均勻?？臻g分布均勻度以一個(gè)立方體為單位，考察樹冠的空間分布主要因?yàn)樵跍y量手段上難以用樹冠擬合的幾何體為單位研究分布的均勻性。如圖3所示。

圖3 遼東櫟32號(hào)樹前視、側(cè)視、俯視與全景圖及前視、側(cè)視空間均勻度的計(jì)算表

對(duì)13棵樹進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 地面激光掃描樹冠體積與三維綠量計(jì)算對(duì)比表

從表1可以看出，所計(jì)算的三維綠量值比樹冠的體積要小，主要原因是因?yàn)橐肓饲耙晥D與側(cè)視圖的綠視率。綠視率是以計(jì)算樹冠體積的圓臺(tái)范圍為界，計(jì)算葉片所占的密度。從以上數(shù)據(jù)得出，銳刺櫟32與油松18模擬的樹冠體積比較接近;但實(shí)際中油松18的樹冠有很多的空隙，直接造成綠視率偏小，樹冠的體積并不是接近模擬的樹冠圓臺(tái)。因此三維綠量值比樹冠體積更能準(zhǔn)確地反映植被空間體積量。

對(duì)比闊葉樹與針葉樹的綠視率，得出闊葉樹的平均綠視率(即前視圖與側(cè)視圖的平均值)比針葉樹的高，從而闊葉樹的三維綠量值比針葉樹的偏大。從綠量的含義而言，即希望表征植被進(jìn)行生理光合作用能力的強(qiáng)弱，闊葉樹的光合作用能力普遍比針葉樹強(qiáng)，若以樹冠體積直接代替三維綠量，計(jì)算的結(jié)果將有悖于綠量的含義。但同時(shí)可以看出，即使引入了綠視率，也并非能真正地表征植被的光合作用能力，因?yàn)榇松磉^程還與植被的健康狀況、環(huán)境等因素相關(guān)。

本文所提出的空間分布均勻度目的是研究樹冠空間分布的特點(diǎn)是否對(duì)三維綠量有影響。從定義可以看出，空間中沒有葉片的區(qū)域越多，權(quán)重賦予越大值，最后加權(quán)平均值越大，說明空間分布越不均勻。從分析數(shù)據(jù)表明，空間分布均勻度與三維綠量的關(guān)系并不明顯，相關(guān)系數(shù)為0.075。分析原因是三維綠量受樹高、樹冠各模擬圓臺(tái)半徑值、各視角綠視率的影響，與葉片的空間分布沒有發(fā)現(xiàn)必然關(guān)系。同時(shí)比較冠幅與空間分布均勻度的意義，冠幅分東西、南北量測是為了獲取樹冠粗略的三維信息，而空間分布均勻度從定義本身而言，用兩個(gè)N1×N2的數(shù)組量化樹冠的空間分布，對(duì)數(shù)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，理論上可行。此方法建立在可以精確獲取樹冠點(diǎn)云的量測方法上，將更準(zhǔn)確地反映樹冠的空間分布。對(duì)比闊葉樹與針葉樹的空間分布均勻度發(fā)現(xiàn)，闊葉樹分布均勻度的平均值比針葉樹要大，說明闊葉樹種的葉片在空間中的分布比較均勻，樹冠形狀比較舒展。若研究每種樹種的空間分布規(guī)律，還需要更多的掃描數(shù)據(jù)。

三、結(jié)束語

綜上所述，采用精確的地面激光掃描系統(tǒng)獲取精確測樹因子數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算三維綠量值的方法，相比大致樹冠模擬綠量值法更科學(xué)、更準(zhǔn)確。在利用地面激光掃描系數(shù)測定樹木的綠量過程中，若直接采用圓臺(tái)模擬樹冠體積將造成計(jì)算的結(jié)果并不能準(zhǔn)確地反映三維綠量的含義。本文提出引入綠視率的定義計(jì)算三維綠量，使計(jì)算結(jié)果有別于樹冠體積，更符合綠量的含義。同時(shí)，提出樹冠空間分布均勻度的概念，結(jié)果表明與綠量的相關(guān)性不高，而深入的研究將需要更多的掃描樣本數(shù)據(jù)。

［1］周堅(jiān)華，孫天縱.三維綠色生物量的遙感模式研究與綠化環(huán)境效益估算［J］.環(huán)境遙感，1995，10(3):162-174.

［2］劉立民，劉明.綠量——城市綠化評(píng)估的新概念［J］.中國園林，2000，16(71):32-34.

［3］周堅(jiān)華.城市綠量測算模式及信息系統(tǒng)［J］.地理學(xué)報(bào)，2001，56(1):14-23

［4］劉常富，何興元，陳瑋，等.沈陽城市森林三維綠量測算［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，3(28):32-37.

［5］劉常富，何興元，陳瑋，等.沈陽城市森林綠量測算［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(6):1208-1212.

［6］羅旭.基于地面激光掃描測繪系統(tǒng)的森林計(jì)測學(xué)研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2006.

［7］馮仲科.基于地面激光掃描成像系統(tǒng)的樹冠生物量研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(29):52-56.

［8］熊妮娜.一種基于地面激光掃描系統(tǒng)測量樹冠體積方法的研究—以油松為例［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(29):74-77.

［9］金福宇，曹立科，周大鵬，等.城市綠量研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代園林，2006(5):10-11.

［10］鄭德華，雷偉剛.地面地面激光影像掃描測量技術(shù)［J］.鐵路航測，2003(2):26-28.

［11］范海英，楊倫，邢志輝，等.Cyra地面激光掃描系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究［J］.礦山測量，2004(3):16-18.

［12］張遠(yuǎn)智，胡廣洋，劉玉彤，等.基于工程應(yīng)用的3維激光掃描系統(tǒng)［J］.測繪通報(bào)，2002(1):34-36.