3S技術(shù)在城市森林研究中的應(yīng)用*

劉光菊 尹 鍇 朱 亮 袁 超 王 強(qiáng)

1 中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101 2 南昌大學(xué)研究生院 南昌 330031

1 引言

大面積城市森林給經(jīng)營(yíng)和管理工作增加了難度，傳統(tǒng)的地面調(diào)查和經(jīng)營(yíng)管理方法存在工作量大、工作效率低下、精度難以保證等缺點(diǎn)，已不再適應(yīng)新的形勢(shì)，因此3S技術(shù)在城市森林中的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生并日漸成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。

2 3S技術(shù)在城市森林中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)城市森林研究注重城市森林資源調(diào)查和信息提取、景觀格局分析、生態(tài)價(jià)值評(píng)估和葉面積指數(shù)反演等等［1，2-9］。而國(guó)外研究更注重大尺度區(qū)域的應(yīng)用，如次生熱帶干旱森林結(jié)構(gòu)和多樣性估算;或者更小尺度的應(yīng)用，比如利用葉色素、營(yíng)養(yǎng)成分和碳組分判別葉片和冠幅的等級(jí)等［2］。綜合而言，3S技術(shù)在城市森林中的應(yīng)用大致可以分為4個(gè)層次。

2.1 城市森林空間信息提取

最近幾年，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的利用遙感技術(shù)提取城市森林信息的研究，從最初的目視解譯，之后逐步融入人工智能理論和技術(shù)，從傳統(tǒng)的主動(dòng)遙感到與被動(dòng)遙感相結(jié)合。其應(yīng)用研究正朝精確、快速、高層次、智能化方向發(fā)展。

近年來(lái)，利用遙感手段識(shí)別城市森林的研究已有較多嘗試 (如表1所示)。整體而言，被動(dòng)遙感在城市森林的應(yīng)用較為普遍，而主動(dòng)遙感案例則較為少見(jiàn)。其中，大多數(shù)研究依賴于森林類型的光譜特征，采用混淆矩陣、Kappa系數(shù)等來(lái)計(jì)算用戶精度、生產(chǎn)者精度、總體分類精度，或者通過(guò)與已有的成果進(jìn)行對(duì)比來(lái)判定信息提取的精度。精度對(duì)比分析結(jié)果表明，城市森林信息提取精度基本上達(dá)到70%以上。

表1 城市森林遙感空間信息提取方法

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外主要使用被動(dòng)光學(xué)遙感結(jié)合植物表面溫度、地形等非遙感要素對(duì)地面植被進(jìn)行識(shí)別分類，側(cè)重于分類方法 (決策樹(shù)法、模糊聚類、逐步回歸、主成分分析法等)、多源數(shù)據(jù)結(jié)合 (多時(shí)相、高紋理等相結(jié)合)、森林物候特征等方面的研究［10］。我國(guó)則主要應(yīng)用植被指數(shù)變化、地物紋理特征等來(lái)進(jìn)行森林信息提?。?1］。

目前的城市森林多以其功能進(jìn)行分類，宋永昌將其分為生態(tài)公益林、專項(xiàng)防護(hù)林、居所林地、公共園林、生產(chǎn)林地等［12］。誠(chéng)然，這些分類有其意義，但不能否認(rèn)，這種分類并不適用于在遙感影像中提取城市森林空間信息。

現(xiàn)階段，主動(dòng)遙感在城市森林分類信息提取方面的研究報(bào)導(dǎo)非常少，主要側(cè)重于林木的冠層高度、生物量、碳儲(chǔ)量以及對(duì)單木進(jìn)行分類等。Stephens等利用小光斑機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)新西蘭人工林的碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，通過(guò)建立碳儲(chǔ)量與激光數(shù)據(jù)的多元回歸模型，引入冠層結(jié)構(gòu)信息和密度信息，模擬精度高達(dá) 87%［13］。

近年來(lái)，將多源數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行土地利用類型信息提取上有所發(fā)展。2010年周夢(mèng)維等在全波形激光雷達(dá)和航空影像聯(lián)合的基礎(chǔ)上通過(guò)決策樹(shù)分類法提取甘肅省河西走廊黑河流域中段區(qū)域的土地利用信息，該方法被證實(shí)在地勢(shì)平坦區(qū)域精度較高［14］。2011年Li Guo等通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)的多回波與全波形數(shù)據(jù)和多光譜遙感影像的紅、綠、藍(lán)三波段數(shù)據(jù)結(jié)合的方法，用隨機(jī)森林 (Random Forests)的決策樹(shù)分類法提取德國(guó)高密度土地利用的Biberach城市土地利用信息;同時(shí)對(duì)比了僅用多光譜遙感影像的三波段數(shù)據(jù)、雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、雷達(dá)波形數(shù)據(jù)、雷達(dá)回波與波形結(jié)合數(shù)據(jù)以及遙感影像 (RGB三波段數(shù)據(jù))與雷達(dá)數(shù)據(jù) (包括多回波數(shù)據(jù)和全波形數(shù)據(jù))結(jié)合提取土地利用信息時(shí)的精度，遙感影像和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)相結(jié)合時(shí)提取精度最高，可以達(dá)到96%［15］。分析表明，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與多光譜遙感影像結(jié)合在城市森林信息空間提取方面更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖

國(guó)內(nèi)外通過(guò)遙感影像進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)制圖、分類的研究相對(duì)較多，而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的制圖研究則相對(duì)較少。生態(tài)功能分區(qū)制圖一般是以專家知識(shí)為基礎(chǔ)，基于全國(guó)、區(qū)域、流域等較大尺度進(jìn)行大范圍的定性劃分。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的制圖涉及生態(tài)系統(tǒng)中各種生態(tài)服務(wù)類型的定量評(píng)估，制圖更為科學(xué)、客觀，根據(jù)研究需要，范圍可大可小。

城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的制圖研究相對(duì)較少，這是由于城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合制圖涉及多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，涵蓋多個(gè)相關(guān)生態(tài)、環(huán)境學(xué)科，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)和體系難以定量造成的。而單項(xiàng)城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的制圖則相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)，如高大偉等通過(guò)植被蓋度和生物多樣性兩項(xiàng)指標(biāo)得到上海閔行區(qū)的生境質(zhì)量分級(jí)圖［16］。

隨著遙感和地理信息技術(shù)在城市森林研究中的應(yīng)用，一系列基于Arcview、ArcGIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)的空間景觀模型已成為城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估不可或缺的重要手段，如結(jié)合植被樣地?cái)?shù)據(jù)、當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)以及大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行城市森林生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估與預(yù)測(cè)的CITYgreen模型和UFORE模型等［17］。這些空間顯示景觀模型的建立，不僅提供了城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估指標(biāo)的參照體系，也為今后進(jìn)行城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的制圖研究提供了有益的借鑒。

2.3 城市森林信息系統(tǒng)管理

3S技術(shù)的集成已應(yīng)用于森林的資源調(diào)查、自然災(zāi)害評(píng)估、生態(tài)規(guī)劃等諸多方面，成為實(shí)現(xiàn)森林資源合理經(jīng)營(yíng)與可持續(xù)發(fā)展不可缺少的支撐技術(shù)。3S技術(shù)在森林信息系統(tǒng)方面的應(yīng)用在一定程度上反映了其森林生態(tài)系統(tǒng)管理的水平。所以，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)城市森林資源時(shí)實(shí)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)、監(jiān)督、管理，實(shí)現(xiàn)城市森林資源管理的可視化和信息化，不僅是城市建設(shè)和管理的迫切需求，而且也是城市森林信息系統(tǒng)管理的現(xiàn)實(shí)需要。正是由于城市森林資源管理信息系統(tǒng)的重要作用，國(guó)外在城市森林生態(tài)系統(tǒng)管理方面均積極引入3S技術(shù)。尤其是美國(guó)、德國(guó)、加拿大等國(guó)在進(jìn)行城市森林資源監(jiān)測(cè)調(diào)查時(shí)都不同程度地應(yīng)用了3S技術(shù)，并利用GIS繪制各種森林資源信息圖，建立城市森林資源信息系統(tǒng)，以方便對(duì)其進(jìn)行合理的生態(tài)系統(tǒng)管理。

我國(guó)城市森林信息管理系統(tǒng)研究起步較晚，3S技術(shù)在城市森林中的應(yīng)用還停留在試驗(yàn)和探索階段。例如，蘇智海等探討了基于3S技術(shù)的城市綠地管理信息系統(tǒng)流程，從利用遙感影像獲取城市綠地資源現(xiàn)狀到通過(guò)GIS建立城市綠地管理信息系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)城市綠地?cái)?shù)據(jù)的快速查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，以及數(shù)據(jù)更新與共享［18］。三維綠量作為城市森林生態(tài)管理的一個(gè)重要內(nèi)容，城市森林資源信息系統(tǒng)可有效解決城市森林三維綠量研究中工作量大、精度低和數(shù)據(jù)更新困難等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題［19］。

2.4 城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)

如何在有限的城市土地資源上實(shí)現(xiàn)城市森林的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理的布局，使城市森林充分、高效地發(fā)揮其生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益?城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)為我們提供了答案。自從20世紀(jì)60年代哈佛大學(xué)的Carl Steinitz教授及其同事將GIS引入景觀規(guī)劃以來(lái)，許多景觀格局分析的軟件 (如FRAGSTATS、SPAN等)相繼問(wèn)世;各種景觀指數(shù)的使用大大增加了景觀規(guī)劃過(guò)程的精確性、客觀性和可靠性［20］。目前的城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)，是以景觀生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)，基于RS和GIS技術(shù)，分析城市森林景觀結(jié)構(gòu)和布局，準(zhǔn)確地掌握城市森林資源的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)城市森林資源進(jìn)行空間配置與優(yōu)化。而一個(gè)成功的城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，則需要以城市森林空間信息提取及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析與評(píng)估為基礎(chǔ)。

目前，3S技術(shù)已應(yīng)用于城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)，但相關(guān)定量指標(biāo)研究及應(yīng)用還僅處于雛形階段，多為城市森林資源“本底”研究，對(duì)于城市景觀布局規(guī)劃指導(dǎo)有限［21］。如何確定城市森林景觀要素、物種數(shù)量組合及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的合理關(guān)系，促使城市森林系統(tǒng)走向良性的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)以及信息轉(zhuǎn)換［22］，是城市森林最終可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也是在城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)定量化的技術(shù)難點(diǎn)。

3 結(jié)論與展望

科學(xué)合理的城市森林規(guī)劃需要以空間上詳盡的植被種類和分布結(jié)果作為基礎(chǔ)，同時(shí)這些數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)具有時(shí)效性，即提供最新的城市森林資源現(xiàn)狀。這些離不開(kāi)3S技術(shù)的支持。因此，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，以城市森林空間信息提取為基礎(chǔ)的城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估制圖、城市森林信息系統(tǒng)管理和城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)將成為3S技術(shù)在城市森林研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

展望當(dāng)前3S技術(shù)在城市森林中的應(yīng)用研究，仍存在以下不足:

1)遙感學(xué)家與植物生態(tài)學(xué)家缺乏必要的溝通和聯(lián)系。研究者們應(yīng)該從遙感提取的基本原理方面開(kāi)展深入研究。增進(jìn)多學(xué)科專家學(xué)者的對(duì)話與合作，將遙感反演所需的各種數(shù)據(jù)與生態(tài)學(xué)的植被特性相結(jié)合，并結(jié)合傳統(tǒng)的地面觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證將是城市森林遙感研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2)主動(dòng)遙感在城市森林信息提取上的優(yōu)勢(shì)尚未挖掘。主動(dòng)遙感對(duì)云霧的穿透能力以及全天時(shí)、全天候成像能力的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了被動(dòng)遙感的不足。同時(shí)，普通光學(xué)遙感只能提供森林水平分布信息，而激光雷達(dá)作為主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，可以同時(shí)獲得地球表面的空間特征和物理特性［23］。針對(duì)不同傳感器的優(yōu)點(diǎn)和局限性，融合多源數(shù)據(jù)以彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的不足是一個(gè)重要的研究方向。

3)城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖應(yīng)用滯后。究其原因，是由于城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖涉及眾多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型，其評(píng)估缺少相關(guān)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)和體系難以精確度量造成的。應(yīng)當(dāng)盡快建立完善的符合中國(guó)國(guó)情的城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估體系，并在此基礎(chǔ)上攻克生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)制圖技術(shù)難題，為城市森林建設(shè)與規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

4)城市森林生態(tài)系統(tǒng)管理中忽視信息系統(tǒng)建設(shè)。城市森林信息系統(tǒng)的建立是建設(shè)城市森林生態(tài)系統(tǒng)高效經(jīng)營(yíng)與管理的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)城市森林信息系統(tǒng)的建立尚未引起有關(guān)部門(mén)的足夠重視?！皵?shù)字林業(yè)”在中國(guó)起步較晚，加上從規(guī)劃院到林業(yè)局到林業(yè)企業(yè)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)存在差異，對(duì)于新技術(shù)，尤其是對(duì)林業(yè)信息的采集處理到應(yīng)用3S技術(shù)的集成化研究與應(yīng)用還比較少［24］。相關(guān)部門(mén)應(yīng)高度重視，建立完善的城市森林信息管理系統(tǒng)，提高工作效率與生態(tài)系統(tǒng)管理水平。

5)城市森林景觀規(guī)劃的精確性與客觀性有待提高。迄今為止，大多關(guān)于景觀規(guī)劃的研究都僅限于方法論的探討［22］，城市森林景觀要素、物種數(shù)量組合及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的搭配關(guān)系尚未明確，已提出的景觀生態(tài)學(xué)指標(biāo)在實(shí)際規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作中并未得到有效應(yīng)用?，F(xiàn)在技術(shù)僅停留在資源獲取、數(shù)據(jù)查詢管理上，不能提供城市綠地景觀規(guī)劃所需的最優(yōu)化選擇、現(xiàn)實(shí)模擬、決策分析等功能［18］。因此，必須突破城市森林景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)定量化的這一技術(shù)難點(diǎn)，提高規(guī)劃的精確性與客觀性。

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