沈陽市綠地生態(tài)信息獲取與數(shù)據(jù)庫建設(shè)研究

高 暢，石鐵矛 ，劉大鵬，周 媛，郗鳳明

（1.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

在全球氣候變暖等環(huán)境問題的巨大威脅下，城市綠地的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會功能已逐步被人們認(rèn)可[1]。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，綠地在城市生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用越來越大，但是綠地的規(guī)劃與管理手段及方法越來越不適應(yīng)現(xiàn)代社會的發(fā)展。城市綠地的規(guī)劃與管理涉及方方面面，不僅需要多學(xué)科理論支持，更需要多學(xué)科的人才協(xié)同合作,才能保證城市綠地的合理建設(shè)和高效應(yīng)用[2]。在城市綠地的規(guī)劃過程中，采用遙感技術(shù)與地面調(diào)查相結(jié)合的方法，利用計算機(jī)和地理信息系統(tǒng)（GIS）對城市的各類綠地進(jìn)行全面地研究和分析，不僅大大提高了研究結(jié)果的精確度，而且可以提高工作效率，使城市綠地系統(tǒng)定量化分析成為可能[3-4]。

為了快速獲取城市綠地信息，合理地對城市綠地進(jìn)行規(guī)劃管理，擬構(gòu)建一個沈陽市綠地生態(tài)信息空間數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫以沈陽市地理信息為基礎(chǔ)，通過GPS輔助地實(shí)地調(diào)查和遙感影像（RS）技術(shù)來提取綠地信息,然后利用 Microsoft SQL Server 2005、ArcGIS、windows 2003 等軟件為平臺，采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）的系統(tǒng)構(gòu)建方式建立而成，以期為綠地系統(tǒng)的規(guī)劃與管理提供合理的依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

沈陽市，位于 41°11′～42°17′N，122°21′～123°48′E（圖1），屬暖溫帶季風(fēng)氣候，年均溫度7.9℃，年平均降水量727.4 mm。研究區(qū)域?yàn)槿h(huán)以內(nèi)的城區(qū)，包括沈河、皇姑、和平、大東、鐵西5區(qū)和于洪、新城子、東陵3個區(qū)的部分區(qū)域，總面積約為4.56萬hm2，是歷屆沈陽市規(guī)劃的核心區(qū)域。

2 城市綠地生態(tài)信息獲取

2.1 數(shù)據(jù)的來源及預(yù)處理

數(shù)據(jù)源為2005年沈陽三環(huán)以內(nèi)的 Quickbird（QB）影像，以1∶10 000比例的沈陽電子地形圖為地理信息源，用于綠地、道路等信息提取。并以2005年的航片數(shù)據(jù)對云層覆蓋區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，即將航片與QB圖像進(jìn)行對比分析，輔助提取相關(guān)特征要素。首先運(yùn)用ERDAS IMAGE軟件先將影像進(jìn)行幾何校正、配準(zhǔn)，并與地形圖進(jìn)行圖幅拼接、圖層疊加，然后運(yùn)用ArcGIS 9.3對影像進(jìn)行初步解譯，并參照調(diào)查樣方生成1∶10 000的綠地調(diào)研基本底圖，用于樣方調(diào)查。

2.2 影像的解譯與分析

影像解譯依照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)（CJJ/T85-2002）》，結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)，將城市綠地分為5大類，即公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護(hù)綠地、附屬綠地和耕地，并且根據(jù)需要分到了中類和小類共計27個類型。此外，依據(jù)植被覆蓋類型分為草、灌木、喬木、灌草、喬草、喬灌和喬灌草七類（圖2）。應(yīng)用ArcGIS的空間分析功能對解譯結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，沈陽三環(huán)以內(nèi)綠地總面積為4 868.5 hm2，綠地覆蓋率為10.67%，與市域范圍內(nèi)的35%（統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)）相比，綠地覆蓋率低了約25%，綠地數(shù)量和質(zhì)量都有待提高；城區(qū)共有公園27個，總面積1 779.10 hm2，占總用地的3.9%。

2.3 樣方調(diào)查

2.3.1 樣方的設(shè)置 采用均勻分布的方法，在影像解譯圖上，按照城市綠地的分布及類型均勻布點(diǎn)，選擇74個調(diào)查樣地，共371個樣方。調(diào)查樣方的規(guī)格有3種：20m×20m，40m×40m，20m×80m。

2.3.2 樣方調(diào)查內(nèi)容 對每個樣方進(jìn)行GPS定位記錄及編號，與解譯后的影像比對，以獲取準(zhǔn)確的綠地生態(tài)信息。主要調(diào)查樣方內(nèi)的植被和群落特征。植被調(diào)查包括對樣方內(nèi)的樹木進(jìn)行每木檢尺（即對樣方內(nèi)的每株樹木進(jìn)行實(shí)測），記載樹種名稱、地徑、胸徑、健康狀況、樹高、枝下高等內(nèi)容；對樣方內(nèi)的草本植物，記錄植物名稱，并記錄植物的分布比例。群落調(diào)查主要是按照群落學(xué)的常規(guī)調(diào)查方法，對每個樣方內(nèi)的群落層次分布、垂直結(jié)構(gòu)和郁閉度等進(jìn)行調(diào)查并記錄[5]。

2.3.3 數(shù)據(jù)的處理與分析 （1）植被信息數(shù)據(jù)處理與分析。將所調(diào)查樣方內(nèi)的樹種數(shù)據(jù)綜合，獲得樣方內(nèi)每個樹種（喬木、灌木）的平均胸徑，健康狀況，樹高，冠高，冠幅等，以及樹種在不同綠地類型中的分布數(shù)量，統(tǒng)計喬灌草覆蓋狀況和不同類型綠地面積及其所占比例；對各樣方內(nèi)的草本按小樣方統(tǒng)計，獲得整個城區(qū)的草本植物種數(shù)和蓋度的分布。（2）生態(tài)信息數(shù)據(jù)處理與分析。在建設(shè)低碳城市的當(dāng)下，綠地系統(tǒng)中的傳統(tǒng)指標(biāo)如綠地率、覆蓋率、人均綠地面積等已不能準(zhǔn)確地反映出綠地生態(tài)功能。城市綠地生態(tài)功能中的固碳釋氧能力對城市碳氧平衡起著重要作用[6]。陳自新等[7]以建成區(qū)園林植物普查、綠量以及生態(tài)效益量化的研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對城市園林綠地維持碳氧平衡等生態(tài)功能進(jìn)行初步經(jīng)濟(jì)評價。韓煥金[8]對哈爾濱市常見的8種樹種的固碳釋氧量進(jìn)行比較，并對每個樹種在整個生長季固碳釋氧量的趨勢進(jìn)行了分析，為城市綠化樹種選擇、配置提供了依據(jù)。因此，在調(diào)查獲得傳統(tǒng)數(shù)量指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過計算，獲取城市綠地的固碳、釋氧、吸收二氧化硫和滯塵的生態(tài)功能，為城市綠地的規(guī)劃管理提供便利與數(shù)據(jù)支持。根據(jù)樣方調(diào)查結(jié)果，利用Nowak[9]的城市樹木葉面積回歸模型（單株植物葉面積的求算法）進(jìn)行沈陽市城市綠地生態(tài)功能分析，計算公式如下：

式中：Y為總?cè)~面積（m2）；H為樹冠高（m）；D為樹冠直徑（m）；Sh為遮蔭系數(shù)[8]。

以此為依據(jù)計算出單株植物的固碳、釋氧、吸收二氧化硫和滯塵量，推算樣方總量，并以樣方推算樣地的方法得出每塊綠地斑塊的總量以及整個城市綠地的固碳、釋氧、吸收二氧化硫和降塵總量，以提高城市綠地生態(tài)信息數(shù)據(jù)庫的豐富度和實(shí)用性。

3 沈陽市綠地信息空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)

3.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺與系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

3.1.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺 為保證能夠準(zhǔn)確地完成數(shù)據(jù)組織、錄入、分析以及信息系統(tǒng)的研制開發(fā)，確保項(xiàng)目技術(shù)路線的可行性和科學(xué)性，充分考慮了周期、費(fèi)用、人員等諸多因素，確定 windows 2003作為操作系統(tǒng)平臺；采用Microsoft SQL Server 2005為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言；選擇ArcGIS作服務(wù)平臺；以Microsoft的C#作為系統(tǒng)的編程語言；以瀏覽器/服務(wù)器（B/S）的系統(tǒng)構(gòu)建方式初步建成數(shù)據(jù)庫的基本框架（圖3）。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型 沈陽市綠地生態(tài)信息類型主要包括圖形信息、屬性信息以及相互空間關(guān)系信息。圖形信息按其幾何特征可以抽象地分為點(diǎn)、線、面和體四種類型；屬性信息是指目標(biāo)或?qū)嶓w特定的質(zhì)量或數(shù)量特征；空間關(guān)系是指各個實(shí)體或目標(biāo)之間在空間上相互聯(lián)系和相互制約關(guān)系，包括位置關(guān)系、幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系、邏輯關(guān)系等。根據(jù)系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要分為三類：空間數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和專題信息[10]。

3.2 數(shù)據(jù)庫要求

為便于計算機(jī)和系統(tǒng)用戶的靈活調(diào)用、更新及管理，需合理組織空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。只有合理的存儲與管理，才能保障系統(tǒng)正常運(yùn)作。因此，在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建設(shè)過程中有以下幾點(diǎn)要求：

3.2.1 數(shù)據(jù)規(guī)范化 數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)和非空

間數(shù)據(jù)兩大部分，空間數(shù)據(jù)包括柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)采用Shapefile格式，柵格數(shù)據(jù)采用Grid格式，空間數(shù)據(jù)投影方式為Transverse_Mercator投影。

3.2.2 數(shù)據(jù)的分類與分層 數(shù)據(jù)庫中存有大量的數(shù)據(jù)，為提高檢索查詢速度，需將具有相同幾何特征和相同屬性特征的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與分層。為了便于數(shù)據(jù)庫信息的輸入，以每一個用地類型為單位，分別導(dǎo)成不同的Shapefile圖層，數(shù)據(jù)圖層中必須包含地物的絕對位置信息，即經(jīng)、緯度，格式為以度為單位的雙精度類型。

3.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼 將空間要素進(jìn)行歸類后，根據(jù)編碼方法和原則，按不同類型給每一空間實(shí)體賦予唯一標(biāo)識碼，屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)之間相互對應(yīng)。

3.3 數(shù)據(jù)庫功能

數(shù)據(jù)庫的功能除了一般地圖管理系統(tǒng)所具有的對地圖的控制、瀏覽、編輯、出圖等基本功能外，還具有GIS系統(tǒng)特有的空間查詢和空間統(tǒng)計分析功能，提供遙感數(shù)據(jù)顯示控制功能，以及與其他GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能，并有豐富的專題圖，供使用者根據(jù)不同情況挑選所需專題圖。

3.3.1 地圖管理功能 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地圖打開、導(dǎo)入導(dǎo)出、備份、打印等地圖管理功能，支持遙感影像數(shù)據(jù)（柵格數(shù)據(jù)）和各種地圖數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)）多種格式的導(dǎo)入和導(dǎo)出功能。

3.3.2 地圖基本操作功能 可以實(shí)現(xiàn)對地圖的選擇、放大、縮小、漫游、定位、全幅顯示、顯示鷹眼圖等操作，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)支持模塊。

3.3.3 查詢功能 提供空間查詢、屬性查詢、屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)查詢檢索、空間與屬性復(fù)合查詢功能等。

3.3.4 統(tǒng)計功能 本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶選擇統(tǒng)計類型、年份和行政單位來制作用戶需要的統(tǒng)計表，如各類綠地面積統(tǒng)計表、分區(qū)綠地指標(biāo)統(tǒng)計表等。

3.3.5 專題圖定制功能 提供了范圍圖、單值圖、點(diǎn)密度圖、等級符號圖、統(tǒng)計圖、標(biāo)簽圖六大類的常用專題圖制圖模式。豐富的專題圖種類方便了用戶對專題信息的顯示定制，并提供圖例的編輯顯示功能。

3.3.6 綠地系統(tǒng)空間分析功能 提供了疊加分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、量算分析、生態(tài)功能分析等多種空間分析方法，輔助用戶進(jìn)行城市綠地規(guī)劃、管理工作。

4 數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計分析及空間分析示例

運(yùn)用數(shù)據(jù)庫空間-屬性復(fù)合查詢功能，對沈陽市綠地進(jìn)行分類查詢統(tǒng)計，可得出沈陽市三環(huán)以內(nèi)各類綠地的面積、所占比例、植被類型、生態(tài)功能（以固碳、釋氧、滯塵、吸收二氧化硫?yàn)槔┑?，并可根?jù)統(tǒng)計分析結(jié)果得出生態(tài)功能的空間分布（表1）。此外，在以上統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用專題圖定制功能，可以獲得綠地生態(tài)功能空間分布專題圖（圖4），直觀反映了各綠地斑塊的固碳、釋氧、滯塵和吸收二氧化硫能力的大小以及空間分布狀態(tài)。

表1 不同類型沈陽市綠地生態(tài)功能分析

圖4 沈陽市綠地生態(tài)功能及其空間分布

5 討論

綠地系統(tǒng)生態(tài)信息數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，是根據(jù)當(dāng)前城市綠地系統(tǒng)信息化管理存在的不足在利用遙感技術(shù)快速、準(zhǔn)確掌握城市綠地分布信息方面的一個全新探索。通過RS、GIS等技術(shù)結(jié)合實(shí)地調(diào)查的方法進(jìn)行城市綠地調(diào)查，提供了城市綠地現(xiàn)狀的專題圖和相關(guān)數(shù)據(jù)。采用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行綠地信息的分類，可全面地掌握調(diào)查范圍內(nèi)的綠地生態(tài)信息，同時可以使用數(shù)據(jù)、圖像和圖形三種形式來定性、定量描述城市綠地的現(xiàn)狀，豐富了調(diào)查的內(nèi)容，為城市綠地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展、管理與監(jiān)控提供了輔助性的基礎(chǔ)資料?；贏rcGIS平臺建立的數(shù)據(jù)庫可以為城市綠化管理和歷史數(shù)據(jù)整合提供幫助,加強(qiáng)了數(shù)據(jù)結(jié)果的直觀性和可靠性，能夠客觀、準(zhǔn)確地進(jìn)行城市綠化現(xiàn)狀評價。數(shù)據(jù)庫建成使用結(jié)果表明：系統(tǒng)效率高，穩(wěn)定性好，用戶界面友好，易于操作，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能有效地管理不斷變化的城市綠地系統(tǒng)的空間和屬性數(shù)據(jù)。由于地面各種現(xiàn)象的復(fù)雜性，今后在城市綠地信息提取過程中還需進(jìn)一步研究人機(jī)交互的提取方式，以達(dá)到快速、精確的目的。

[1] 劉濱誼，王 鵬.綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的發(fā)展歷程與中國研究前沿[J].中國園林，2010，（3）：1-5.

[2] 姜允芳，劉濱誼，石鐵矛.城市綠地系統(tǒng)多學(xué)科的協(xié)作研究[J].城市問題，2009，（2）：27-31.

[3] 歐陽華，王政權(quán)，王群力，等譯.生態(tài)系統(tǒng)——平衡與管理的科學(xué)[M].北京：中國科學(xué)出版社，2002.179-185.

[4] Jana R，Reshmidevi T V，Arun P S，et al.An Enhanced Technique in Construction of the Discrete Drainage Network from Low-resolution Spatial Database[J].Computers&Geosciences，2007，（33）：717-727.

[5] 劉長富，何興元，陳 瑋，等.森林三維綠量模擬及其影響因子[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2008，19（6）：1173-1178.

[6] Nowak D J，Hoehn R E，Crane D E，et al.Assessing urban forest effects and values，Washington D.C.'s urban forest[R].USA：Resource Bulletin，2006.

[7] 陳自新，蘇雪痕，劉少宗，等.北京城市園林綠化生態(tài)效益的研究（5）[J].中國園林，1998，（5）：57-60.

[8] 韓煥金，城市綠化植物的固碳釋氧效應(yīng)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，33（5）：68-70.

[9] Nowak D J.Urban forest structure：The state of Chicago’s Urban forest[R].USA：Chicago's urban forestecosystem，1994.

[10] 欒 猛，張 欣，王松華.遙感在城市綠地調(diào)查中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，（28）：13815-13818，13821.