易 揚(yáng) 張桂蓮* 張 浪* 邢璐琪 江子堯 鄭諧維 林 勇

三維綠量能反映城市植被的空間分布特征，為城市綠化管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。本文利用上海市閔行區(qū)2014年高分二號遙感影像，運(yùn)用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類方法進(jìn)行植被類型劃分，通過計算植被指數(shù)，提取紋理信息，建立多元線性回歸模型，對研究區(qū)植被三維綠量進(jìn)行反演。結(jié)果表明，研究區(qū)三維綠量總值為0.04 km3，單位面積平均三維綠量為1 073.65 m3/hm2；香樟林是研究區(qū)的主要植被類型，占比58.50%；研究區(qū)北部和南部植被覆蓋較為茂密，中部偏低。

城市植被；遙感；三維綠量；模型反演

遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于植物生理參數(shù)計算、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反演、水資源調(diào)查評估和災(zāi)情監(jiān)測等方面[1-3]。隨著衛(wèi)星和無人機(jī)搭載成像儀的快速發(fā)展，高分遙感影像資料得到廣泛應(yīng)用，為城市植被分布特征、質(zhì)量評估和價值估算提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[4]。三維綠量指綠色植物的莖、葉所占據(jù)的空間體積，是重要的綠化環(huán)境效益評價指標(biāo)[5]。利用遙感技術(shù)定量反演城市植被的三維綠量，能反應(yīng)城市植被的生態(tài)效益水平[6]。周廷剛等建立了植被幾何特征與三維綠量的關(guān)系，并反演了寧波市的三維綠量，建立了常見樹種的相關(guān)模型[7]。謝麗瓊等利用衛(wèi)星影像結(jié)合地面實(shí)測數(shù)據(jù)建立多元線性回歸方程，反演了北京市八達(dá)嶺林場的三維綠量[8]。董艷杰和萬福緒測算了上海市公園綠地典型林分三維綠量與生態(tài)效益之間的關(guān)系，結(jié)果表明林分的生態(tài)效益與綠量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[9]。這些研究都表明利用遙感技術(shù)對城市植被三維綠量進(jìn)行測算，能在大尺度上對城市植被結(jié)構(gòu)組成、空間分布和生態(tài)價值進(jìn)行快速評估，具有時效性強(qiáng)和數(shù)據(jù)采集成本較低的優(yōu)勢。

1. 研究區(qū)域

2. 上海閔行體育公園綠化景觀

本文以上海市閔行區(qū)為研究對象，利用高分二號（GF-2）遙感影像，建立特征樣本，對不同植被類型進(jìn)行分類，統(tǒng)計閔行區(qū)的植被組成情況；利用不同波段計算區(qū)域植被指數(shù)，分析閔行區(qū)植被生長狀況特征；根據(jù)調(diào)查的不同植被參數(shù)，估算和反演研究區(qū)的三維綠量分布特征，對區(qū)域的空間綠化情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。研究結(jié)果為城市綠化工作提供及時、準(zhǔn)確和高效的植被三維綠量信息，對區(qū)域規(guī)劃、綠地管理和決策指導(dǎo)有現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

上海市閔行區(qū)（圖1）位于北緯31°12′、東經(jīng)121°38′，總面積372.56 km2，轄9個鎮(zhèn)、4個街道、1個市級工業(yè)區(qū)、445個居民委員會、128個村民委員會，東臨徐匯區(qū)、南臨奉賢區(qū)、西接松江區(qū)、北靠長寧區(qū)[10]。閔行區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，土壤類型為水稻土，植被類型區(qū)為北亞熱帶常綠和落葉闊葉林。據(jù)中國氣象站1981年至2010年累年數(shù)據(jù)顯示，閔行區(qū)年平均氣溫為16.5 ℃，年平均晴天約為137 d，平均降水量為1 180.7 mm，60%集中在5-9月的汛期，年平均相對濕度為78%，無明顯旱季，具有明顯的季風(fēng)特征，風(fēng)向?yàn)闁|北，平均風(fēng)速為2.8 m/s[11]。據(jù)上海市閔行區(qū)人民政府統(tǒng)計，2018年閔行區(qū)森林覆蓋率為17.14%，新建綠地為150 hm2，城市人均公園綠地面積為10.20 m2/人[12]。研究區(qū)內(nèi)常見樹種主要有香樟（Cinnamomum camphora （L.）Presl）、水杉（Metasequoia glyptostroboides Hu et W. C. Cheng）、雪松（Cedrus deodara （Roxburgh） G. Don）、垂柳（Salix Babylonica）、銀杏（Ginkgo biloba Linn.）、槐（Sophora japonica Linn.）、廣玉蘭（Magnolia grandiflora L.）、泡桐（Paulowinia fortune （seem.）Hemsl.）、落羽杉（Taxodium distichum（Linn.）Rich.）、欒樹（Koelreuteria paniculata Laxm.）等（圖2）。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集和處理

本研究數(shù)據(jù)主要為GF-2遙感影像數(shù)據(jù)（包含1個全色波段、4個多光譜波段）（表1）[13]和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理在ENVI 5.3軟件中完成，主要包括輻射定標(biāo)、正射校正、輻射校正、大氣校正和圖像裁剪拼接；實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合研究區(qū)植物分布特征，選取8種典型植被類型：雪松、香樟、柳樹、水杉、其他杉木、其他針葉類、其他軟闊類和其他硬闊類，收集樣地和樹種的基本情況，主要包括郁閉度、株行距、株數(shù)，不同樹種的樹冠形狀、冠高、冠幅、樹高、胸徑、枝下高等。

表1 高分2號衛(wèi)星影像參數(shù)介紹

2.2 綠量計算

采用面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類方法，結(jié)合樣地調(diào)查，對遙感影像進(jìn)行植被分類。使用2013年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，總體分類結(jié)果的精度為75%，Kappa指數(shù)為0.73。

綠量的計算方法很多，本文采用“立體量推算立體量”的方法，累加單株三維綠量來獲得樣地三維綠量[14]。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，上海市閔行區(qū)常見植物冠型包括球形、半球形、球缺形、圓錐形、圓柱形和卵形6種，三維綠量的計算公式如表2。

表2 常見樹種樹冠幾何形態(tài)及三維綠量方程

2.3 模型建立

模型選取40個因子作為自變量，具體包括4個植被指數(shù)：歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（SR）、大氣阻抗植被指數(shù)（ARVI）和結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù)（SIPI）；4個波段（藍(lán)（B）、綠（G）、紅（R）和近紅外（NIR））的8個紋理特征參數(shù)（均值、方差、協(xié)同性、對比度、相異性、信息熵、二階矩和相關(guān)性）。NDVI可以很好地指示植被的分布特征[15]；ARVI通過對可見光中藍(lán)波段的矯正，能規(guī)避大氣中的散射影響（例如氣溶膠帶來的誤差）[16]；SR是近紅波段和紅波段的比值，對植被生長旺盛、高覆蓋度的植被區(qū)域監(jiān)測具有良好的指示作用[17]；SIPI與類胡蘿卜素和葉綠素有關(guān)，能指示植被冠層脅迫情況[18]。紋理特征參數(shù)值基于灰度共生矩陣提取獲得?；叶裙采仃嚳梢哉宫F(xiàn)像元值在空間的相對位置，通過不同方法對灰度共生矩陣加權(quán)計算后可以得到相應(yīng)的特征統(tǒng)計量來表征紋理空間結(jié)構(gòu)[19]。將波段、植被指數(shù)和紋理特征作為自變量，三維綠量作為因變量，采用逐步回歸方法[20]，建立不同植被類型的三維綠量模型，公式如下：

3 結(jié)果分析

3.1 城市植被空間分布及長勢特征

根據(jù)遙感影像分類（圖3），研究區(qū)植被占地總面積為6 125.39 hm2，不同植被類型按面積從大到小排序依次為：香樟（3 583.42 hm2）、其他軟闊葉類（1 195.64 hm2）、其他硬闊葉類（776.02 hm2）、水杉（184.4 hm2）、雪松（159.19 hm2）、柳樹（91.36 hm2）、其他杉木（80.00 hm2）和其他針葉類（55.36 hm2）。按空間分布特征，香樟主要分布在道路兩旁和小區(qū)建筑周圍，水杉和其他杉木多集中分布在水域旁和公園綠地道路兩旁，柳樹多分布在水域周圍，雪松、其他軟闊葉類、其他硬闊葉類和其他針葉類樹種無序穿插分布在研究區(qū)的各類建筑斑塊中。總體來說，閔行區(qū)的主要植被類型為香樟林，占到整個研究區(qū)植被類型一半以上，是主要綠化類型。

3. 2014年閔行區(qū)植被覆蓋分布特征

4. 2014年閔行區(qū)植被指數(shù)分布特征

植被指數(shù)直觀反映植被長勢特征（圖4），研究區(qū)NDVI變化范圍是0.00-0.72。其中，高值區(qū)域分布在閔行區(qū)的北部、西南和東南區(qū)域（華漕鎮(zhèn)、新虹街道、虹橋鎮(zhèn)、馬橋鎮(zhèn)、吳涇鎮(zhèn)、顓橋鎮(zhèn)、浦錦街道和浦江鎮(zhèn)），這些區(qū)域植被長勢良好且比較茂密。這次GF-2遙感影像受到大氣散射影響不明顯，質(zhì)量較好，因此ARVI運(yùn)算結(jié)果和NDVI基本一致。根據(jù)SR結(jié)果，閔行區(qū)植被蓋度高值區(qū)域主要包含顓橋鎮(zhèn)、浦錦街道和浦江鎮(zhèn)，其中浦江鎮(zhèn)高值分布最為明顯。SIPI指數(shù)表明在新虹街道、吳涇鎮(zhèn)和浦江鎮(zhèn)出現(xiàn)高值，說明有部分植物可能受到生理脅迫，生長狀況出現(xiàn)問題。

表3 單株平均三維綠量計算結(jié)果

3.2 城市植被單株樹木三維綠量

根據(jù)樣地實(shí)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計不同林分特征（表3）。其中，平均冠高從高到低依次為：其他杉木類（8.23 m）、水杉（7.49 m）、雪松（5.95 m）、柳樹（4.73 m）、香樟（3.95 m）、其他軟闊葉類（3.58 m）和其他針葉類（1.77 m）。其他杉木類（3.27 m）、水杉（3.04 m）和柳樹（3.02 m）的平均枝下高相差不大，高于其他植被類型。其他杉木類和水杉的平均樹高最高，為11.50 m和10.53 m，其次為柳樹（7.74m）、雪松（6.81 m）、香樟（6.75m）、其他軟闊葉類（5.22 m）、其他硬闊葉類（5.20 m）和其他針葉類（2.97 m）。不同植被類型中樹種的橫冠和縱冠有所差異，其他杉木類最大（橫冠：5.17 m，縱冠：5.17 m），其他針葉類最?。M冠：2.26 m，縱冠：1.71 m）。研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)樹種的樹冠幾何形態(tài)都是圓錐形，其次為卵形體，最后為球體和球缺形。通過樹冠幾何形態(tài)公式進(jìn)行計算，不同林分類型內(nèi)樹種單株三維綠量從高到低依次為：其他杉木類（57.51 m3）、水杉（27.01 m3）、柳樹（19.19 m3）、香樟（18.28 m3）、其他硬闊葉類（16.97 m3）、雪松（15.97 m3）、其他軟闊葉類（11.92 m3）和其他針葉類（5.29 m3）。

5. 2014年閔行區(qū)三維綠量分布圖

6. 2014年閔行區(qū)三維綠量3D分布圖

7. 上海閔行區(qū)黎安公園

3.3 城市植被區(qū)域三維綠量

三維綠量反演結(jié)果顯示（圖5），閔行區(qū)三維綠量總值為0.04 km3，單位面積三維綠量為1 073.65 m3/hm2。研究區(qū)內(nèi)三維綠量從高到低排序?yàn)椋厚R橋鎮(zhèn)、新虹街道、虹橋鎮(zhèn)、浦江鎮(zhèn)、華漕鎮(zhèn)、江川路街道、七寶鎮(zhèn)、浦錦街道、顓橋鎮(zhèn)、吳涇鎮(zhèn)、莘莊鎮(zhèn)、梅隴鎮(zhèn)、莘莊工業(yè)區(qū)和古美街道，空間分布特征和NDVI指數(shù)計算結(jié)果基本一致。從三維綠量的區(qū)域分布特征來看，整個閔行區(qū)的中部地區(qū)，包括浦錦街道、顓橋鎮(zhèn)、吳涇鎮(zhèn)、莘莊鎮(zhèn)、梅隴鎮(zhèn)、莘莊工業(yè)區(qū)和古美路街道的三維綠量都不高，而西北部的華漕鎮(zhèn)、新虹街道和虹橋鎮(zhèn)，以及南部的馬橋鎮(zhèn)、江川路街道和浦江鎮(zhèn)三維綠量較高。從三維綠量的均勻性來看，中部地區(qū)三維綠量值波動不大，而華漕鎮(zhèn)、馬橋鎮(zhèn)、江川路街道和浦江鎮(zhèn)存在局部高值區(qū)域（圖6）。

4 結(jié)論與討論

上海市閔行區(qū)單位面積的三維綠量為1 073.65 m3/hm2，且分布不均，中部地區(qū)較低，需進(jìn)一步加強(qiáng)城市綠林地管理；華漕鎮(zhèn)、馬橋鎮(zhèn)、江川路街道和浦江鎮(zhèn)存在三維綠量高值區(qū)，植被密度和三維空間體積均較大，可對此區(qū)域內(nèi)的植被進(jìn)行保護(hù)，使其充分發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能。其他研究表明，沈陽城區(qū)、寧波市、南京林業(yè)大學(xué)校園和合肥市環(huán)城公園單位面積的三維綠量分別為3 500 m3/hm2[21]、3 284.4 m3/hm2[7]、1 612.93 m3/hm2[22]和1 519.92 m3/hm2[23]，高于閔行區(qū)單位面積三維綠量。香樟作為長江以南地區(qū)的主要樹種之一，與廣玉蘭、懸鈴木和女貞等植物相比，吸滯重金屬能力最強(qiáng)，且受環(huán)境變化的影響較小，有較強(qiáng)的應(yīng)用普適性[24]；與杜英、黃山欒樹、懸鈴木和無患子相比，滯塵能力最強(qiáng)[25]。上海市閔行區(qū)植物組成情況表現(xiàn)為香樟最多（圖7），占到植被組成的一半以上，說明香樟對研究區(qū)環(huán)境有良好的改善能力，其質(zhì)量和長勢對閔行區(qū)的三維綠量有很大的影響。結(jié)構(gòu)不敏感色素指數(shù)SIPI在新虹街道、吳涇鎮(zhèn)和浦江鎮(zhèn)部分區(qū)域結(jié)果偏高，可能有植物受到生理脅迫，干旱、病蟲害或其他影響植物健康生長的情況發(fā)生，需引起綠化管理者重視。

本文在建立三維綠量模型時，利用樹冠體積估測方法，把不同的樹種視為一個規(guī)則的幾何體來進(jìn)行計算，設(shè)定的研究區(qū)常見植物樹冠形狀，遠(yuǎn)少于實(shí)際類型，且多光譜衛(wèi)星影像在林分類型識別上也有所欠缺[26]。隨著相關(guān)技術(shù)方法不斷深入研究，如高光譜遙感和激光雷達(dá)等技術(shù)手段的結(jié)合應(yīng)用，能準(zhǔn)確獲取樹冠和樹高信息，掌握單株植物的垂直結(jié)構(gòu)情況，提高三維綠量的估測精度[6]，可為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃與管理提供更為科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。