多源空間數(shù)據(jù)在國(guó)家生態(tài)園林城市綠化普查中的應(yīng)用

陳玲，張迎燕，張樓香

(常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213002)

1 引 言

城市園林綠化作為城市唯一有生命的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境、美化城市生活和工作環(huán)境、創(chuàng)造新的城市園林和生態(tài)景觀起著重要的、不可替代的作用。黨的十九大報(bào)告中指出，要加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國(guó)。建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，提供更多優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品以滿足人民日益增長(zhǎng)的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要。生態(tài)園林城市是城市發(fā)展的必由之路，生態(tài)園林城市建設(shè)正成為這個(gè)時(shí)代的中國(guó)城市發(fā)展的重要標(biāo)桿?！皣?guó)家生態(tài)園林城市”是更高層次的“國(guó)家園林城市”，是體現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成果和城市競(jìng)爭(zhēng)能力的重要榮譽(yù)。

常州市自2005年、2008年分別獲得“江蘇省園林城市”“國(guó)家園林城市”等稱號(hào)。2017年開始啟動(dòng)國(guó)家生態(tài)園林城市創(chuàng)建工作，提出力爭(zhēng)建設(shè)國(guó)家生態(tài)園林城市的奮斗目標(biāo)。為快速、全面、準(zhǔn)確掌握城市綠地建設(shè)現(xiàn)狀情況，摸清“綠色家底”，使創(chuàng)建工作具有針對(duì)性，本項(xiàng)目綠化普查工作將對(duì)常州市中心區(qū)約500平方公里范圍內(nèi)的綠化覆蓋情況及綠化專題數(shù)據(jù)進(jìn)行普查測(cè)繪。另一方面，隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，城市綠地普查的方法也更加先進(jìn)。本文綜合利用多源空間數(shù)據(jù)，應(yīng)用遙感影像解譯、點(diǎn)云分類等技術(shù)進(jìn)行城市綠地覆蓋面積、綠化覆蓋率及相關(guān)專題綠化信息普查等工作，并基于城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)對(duì)綠化普查數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀糾正，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析各行政區(qū)劃內(nèi)綠化建設(shè)現(xiàn)狀，快速、全面、準(zhǔn)確掌握城市綠地建設(shè)情況，使創(chuàng)建工作具有針對(duì)性，對(duì)園林綠化科學(xué)化管理和決策提供輔助支撐。

2 生態(tài)園林城市綠化考核指標(biāo)及綠化普查內(nèi)容

2.1 生態(tài)園林城市綠化考核指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)的要求，其綠地考核指標(biāo)包括建成區(qū)綠地率，建成區(qū)綠化覆蓋率，人均公園綠地面積，公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率，防護(hù)綠地實(shí)施率，道路綠化達(dá)標(biāo)率，林蔭路推廣率，建成區(qū)綠化覆蓋面積中喬、灌木所占比率，城市各城區(qū)綠地率最低值，城市各城區(qū)人均公園綠地面積最低值共計(jì)10項(xiàng)指標(biāo)。綠地面積是指各類綠地實(shí)際種植的占地面積，綠化覆蓋面積是指綠化種植的垂直投影面積。其中“建成區(qū)綠地率”，“林蔭路推廣率”，“公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率”三項(xiàng)為否決項(xiàng)指標(biāo)，是關(guān)系整個(gè)國(guó)家生態(tài)園林申報(bào)是否成功的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)城市綠地質(zhì)量的基本依據(jù)。

2.2 普查內(nèi)容

根據(jù)生態(tài)園林城市考核的主要指標(biāo)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際需求，項(xiàng)目綠化普查內(nèi)容主要由以下幾部分組成。

(1)航空遙感影像及基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)獲取及更新。

(2)城市綠化覆蓋面積及各類綠地面積。按照2000年《國(guó)家園林標(biāo)準(zhǔn)》，綠地包括公共綠地、居住區(qū)綠地、單位附屬綠地、防護(hù)綠地、生產(chǎn)綠地及風(fēng)景林地綠地。

(3)建成區(qū)綠地率，建成區(qū)綠化覆蓋率，公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率，防護(hù)綠地實(shí)施率，道路綠化達(dá)標(biāo)率，林蔭路推廣率，建成區(qū)綠化覆蓋面積中喬、灌木所占比率，城市各城區(qū)綠地率最低值等相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

(4)各區(qū)園林綠化主要指標(biāo)(綠地率、綠化覆蓋率、公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)，以區(qū)、鎮(zhèn)或街道為單元分別統(tǒng)計(jì)，為綠化建設(shè)與提升提供技術(shù)支持與服務(wù)。

3 技術(shù)路線及流程

依據(jù)數(shù)據(jù)分布及采集的特點(diǎn)，為提升工作效率及優(yōu)化技術(shù)流程，經(jīng)多方論證及試驗(yàn)，項(xiàng)目采用遙感影像解譯結(jié)合點(diǎn)云分類及車載激光移動(dòng)掃描的方式進(jìn)行綠地、公園、行道樹等信息數(shù)據(jù)的采集，利用GIS進(jìn)行各類數(shù)據(jù)匯總及指標(biāo)計(jì)算，最后對(duì)各區(qū)、各街道的綠化主要指標(biāo)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析。綜合考慮解譯的效率及精度，項(xiàng)目利用 0.5 m分辨率高景衛(wèi)星影像進(jìn)行遙感解譯，利用 0.2 m分辨率航空影像及城市 1∶1 000地形圖作為檢查和修正數(shù)據(jù)，影像均經(jīng)過(guò)輻射較正及幾何較正。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于深度學(xué)習(xí)的城市綠地遙感解譯

(1)解譯流程。本項(xiàng)目基于深度學(xué)習(xí)的影像解譯，主要使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的圖像特征的提取技術(shù)，基于深度學(xué)習(xí)的影像解譯技術(shù)主要流程如下：

添加彩虹外影像，進(jìn)行多尺度分割→選擇樣本→執(zhí)行深度學(xué)習(xí)→導(dǎo)出樣本→訓(xùn)練模型→模型計(jì)算→進(jìn)行深度學(xué)習(xí)分類。

(2)影像分割提取。選取綠地特征較為明顯的近紅外影像作為解譯分割對(duì)象，真彩色影像輔助檢校后期疊加使用。分割目標(biāo)分為耕地、植被、建筑、水體、道路、空地6類，各類目標(biāo)的解譯標(biāo)志如表1所示。樣本區(qū)選擇在普查范圍內(nèi)均勻分布20個(gè) 1 km2左右的矩形范圍，原則上樣本區(qū)內(nèi)地物較為豐富且具代表性。每個(gè)樣本按6類目標(biāo)分別進(jìn)行采樣訓(xùn)練，農(nóng)田與植被比較容易混淆，從近紅外影像樣本上看，耕地與植被顏色較深，且紋理比較粗糙，但耕地比較規(guī)整，而空地色彩較淺且紋理較光滑。導(dǎo)出樣本進(jìn)行模型訓(xùn)練，軟件通過(guò)深度學(xué)習(xí)分類和模型計(jì)算自動(dòng)提取監(jiān)督分類模型，提取時(shí)通過(guò)調(diào)整差異度來(lái)控制樣本提取的精確度，預(yù)覽得到最佳結(jié)果后進(jìn)行精確提取。最后將各類解譯結(jié)果合并得到最終的解譯結(jié)果。

近紅外影像城市綠化解譯標(biāo)志 表1

(3)解譯結(jié)果修正

利用大多數(shù)不同地物具有不同光譜特性的特點(diǎn)，采用衛(wèi)星影像自動(dòng)提取綠地信息。該方法速度快、自動(dòng)性強(qiáng)，但是由于衛(wèi)星影像獲取的時(shí)間、太陽(yáng)高度角等因素，使得建筑物本身和陰影對(duì)提取綠化信息有很大影響，因此必須進(jìn)行人工干預(yù)，對(duì)影像自動(dòng)解譯的成果進(jìn)行人工修正，可以減少遺漏和錯(cuò)誤的分類。操作時(shí)可根據(jù)分類對(duì)象的特征及屬性進(jìn)行批量修正，如道路的漏分，可根據(jù)道路筆直的特性，將長(zhǎng)寬比大于7的歸入道路；建筑的錯(cuò)分中將近紅外波段1～2大于80的重新提取后歸入綠地等。將自動(dòng)解譯結(jié)果疊加真彩色影像及城市大比例尺地形數(shù)據(jù)，判讀出錯(cuò)分和漏分的區(qū)域并進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)由于云霧及建筑陰影造成的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題的區(qū)域進(jìn)行提取修正。影像解譯結(jié)果如圖2所示。

圖2 影像解譯結(jié)果

4.2 基于點(diǎn)云自動(dòng)分類的植被信息提取

(1)機(jī)載激光雷達(dá)遙感技術(shù)用于園林綠化數(shù)據(jù)自動(dòng)分類

利用多源空間數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感解譯獲取的園林綠化綠地?cái)?shù)據(jù)的同時(shí)，不僅可以獲取植被的分布狀況，還可以通過(guò)點(diǎn)云的精細(xì)分類對(duì)高低植被進(jìn)行區(qū)分。項(xiàng)目對(duì)機(jī)載Lidar所獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云與光學(xué)影像配準(zhǔn)，利用機(jī)載Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行樹木提取，獲取植被層的垂直分布情況。點(diǎn)云精細(xì)分類內(nèi)容和原則如下：

低植被點(diǎn)層：高度低于 1.5 m的低矮灌木、城市低矮綠化植被；

高植被點(diǎn)層：可以明顯區(qū)分樹干和樹冠區(qū)域的成型樹木，如林地、林蔭路等；

混合植被點(diǎn)層：公園區(qū)域等難以區(qū)分密集植被。

通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的植被點(diǎn)快速、準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)相關(guān)植被樹木的高度、寬度，并自動(dòng)計(jì)算不同高度植被的綠化覆蓋率，利用此方法計(jì)算出城市綠化覆蓋面積、林蔭路綠化覆蓋面積、城市中喬、灌木綠化覆蓋面積及城市綠化覆蓋區(qū)域內(nèi)喬、灌木占比等。點(diǎn)云自動(dòng)分類植被信息的獲取如圖3所示，喬木點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測(cè)如圖4所示。

圖3 點(diǎn)云自動(dòng)分類植被信息的獲取

圖4 喬木點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測(cè)

(2)車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)輔助園林綠化數(shù)據(jù)判讀

利用車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)將GPS、IMU、里程計(jì)、相機(jī)、激光等設(shè)備進(jìn)行組合，可以快速獲取道路兩側(cè)綠化信息，輔助判讀綠地的各種分類(如公園綠地、防護(hù)綠地、廣場(chǎng)綠地等)，能夠提高園林綠化調(diào)查工作的效率與精度。移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的高精度點(diǎn)云可以準(zhǔn)確地獲取到主干道路兩側(cè)行道樹的平面位置，并真實(shí)記錄道路兩側(cè)、道路中間綠化帶等的真實(shí)信息，采用后處理軟件自動(dòng)提取行道樹校園和胸徑等信息，在保證成果精度的前提下減少大量人工野外采集作業(yè)，降低人工采集的出錯(cuò)率?？闪繙y(cè)車載移動(dòng)掃描數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 可量測(cè)車載移動(dòng)掃描數(shù)據(jù)

5 普查成果匯總統(tǒng)計(jì)分析

5.1 綠地指標(biāo)測(cè)算

(1)建成區(qū)綠地率

綠地率統(tǒng)計(jì)的綠地包括建成區(qū)內(nèi)所有公園綠地、防護(hù)綠地、廣場(chǎng)綠地、附屬綠地和區(qū)域綠地面積。建成區(qū)綠地率為各類綠地總面積占城市建成區(qū)面積的比率。綠地率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

綠地率計(jì)算結(jié)果表 表2

(2)建成區(qū)綠化覆蓋率

建成區(qū)綠化覆蓋面積是指城市中喬、灌木、草坪等所有植被的垂直投影面積，包括屋頂綠化植物的垂直投影面積以及零星樹木的垂直投影面積，喬木樹冠下的灌木和草本植物不能重復(fù)計(jì)算。綠化覆蓋率計(jì)算結(jié)果如表3所示。

綠化覆蓋率計(jì)算結(jié)果表 表3

(3)公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率

城市公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率是指 5 000 m2(含)以上的公園綠地按照 500 m服務(wù)半徑考核， 2 000 m2(含)- 5 000 m2的公園綠地按照 300 m服務(wù)半徑考核；歷史文化街區(qū)釆用 1 000 m2(含)以上的公園綠地按照 300 m服務(wù)半徑考核；計(jì)算所有公園綠地覆蓋居住用地的百分比。城市公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率計(jì)算結(jié)果如表4所示。

城市公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率計(jì)算結(jié)果表 表4

(4)防護(hù)綠地實(shí)施率

防護(hù)綠地是為了滿足城市對(duì)衛(wèi)生、隔離、安全要求而設(shè)置的，其功能是對(duì)自然災(zāi)害、城市公害等起到一定的防護(hù)或減弱作用，不宜兼作公園綠地使用。城市防護(hù)綠地實(shí)施率是指依《城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃》在建成區(qū)內(nèi)已建成的防護(hù)綠地面積占建成區(qū)內(nèi)防護(hù)綠地規(guī)劃總面積的比例。防護(hù)綠地實(shí)施率計(jì)算結(jié)果如表5所示。

防護(hù)綠地實(shí)施率計(jì)算結(jié)果表 表5

(5)道路綠化達(dá)標(biāo)率

道路綠地率是指道路紅線范圍內(nèi)各種綠帶寬度之和占總寬度的百分比。道路綠化達(dá)標(biāo)率計(jì)算結(jié)果如表6所示。按照現(xiàn)行的《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，道路綠地率達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)的納入統(tǒng)計(jì)：

園林景觀路：綠地率不得小于40%；

紅線寬度大于50 m的道路：綠地率不得小于30%；

紅線寬度在40 m～50 m的道路：綠地率不得小于25%；

紅線寬度小于40 m的道路：綠地率不得小于20%；

道路綠化達(dá)標(biāo)率計(jì)算結(jié)果表 表6

(6)林蔭路推廣率

城市林蔭路推廣率是指城市達(dá)到林蔭路標(biāo)準(zhǔn)的人行道、自行車道長(zhǎng)度占人行道、自行車道總長(zhǎng)度的百分比。林蔭路指綠化覆蓋率達(dá)到90%以上的人行道、自行車道。城市林蔭路推廣率計(jì)算結(jié)果如表7所示。

城市林蔭路推廣率計(jì)算結(jié)果表 表7

(7)建成區(qū)綠化覆蓋面積中喬、灌木所占比率

建成區(qū)綠化覆蓋面積中喬木、灌木所占比率是指建成區(qū)綠化覆蓋面積中喬木、灌木的垂直投影面積占建成區(qū)所有植被的垂直投影面積的比率。綠化覆蓋面積中喬、灌木所占比率計(jì)算結(jié)果如表8所示。

綠化覆蓋面積中喬、灌木所占比率計(jì)算結(jié)果表 表8

(8)城市各城區(qū)綠地率最低值

城市各城區(qū)綠地率是指城市各城區(qū)建成區(qū)內(nèi)各類城市綠地面積占城市各城區(qū)建成區(qū)面積的比率。各城區(qū)綠地率最低值如表9所示。

各城區(qū)綠地率最低值 表9

(9)人均公園綠地面積及城市各城區(qū)人均公園綠地面積最低值

城市人均公園綠地面積是指城區(qū)人口每人擁有的公園綠地面積。

各城區(qū)人均公園綠地面積是指各城區(qū)人口每人擁有的公園綠地面積。

城市人均公園綠地面積和各城區(qū)人均公園綠地面積最低值的計(jì)算，由主管局提供相關(guān)人口數(shù)據(jù)及各城區(qū)建成區(qū)內(nèi)的城區(qū)人口數(shù)量后根據(jù)計(jì)算方法得出相應(yīng)指標(biāo)值。城區(qū)公園綠地面積如表10所示。

城區(qū)公園綠地面積 表10

5.2 成果統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)過(guò)前期的遙感解譯、點(diǎn)云分類及空間位置測(cè)繪等工作，我們獲得了大量園林綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。還需進(jìn)行指標(biāo)分析計(jì)算工作。國(guó)家生態(tài)園林城市綠化考核的10項(xiàng)指標(biāo)的考核要求如表11所示。

從普查成果的統(tǒng)計(jì)情況看出(表12)，各項(xiàng)綠地指標(biāo)基本都符合創(chuàng)建要求，但“建成區(qū)綠地率”目前是33.29%，相對(duì)于要求的35%還未達(dá)標(biāo)，而“建成區(qū)綠地率”屬于重要的三項(xiàng)否決項(xiàng)指標(biāo)之一，為了能確保通過(guò)核查，優(yōu)化城市綠化環(huán)境，還需加強(qiáng)建城區(qū)內(nèi)綠化的建設(shè)，項(xiàng)目對(duì)各區(qū)、鎮(zhèn)或街道為單元分別統(tǒng)計(jì)其指標(biāo)及分布情況，為后期各區(qū)、鎮(zhèn)或街道的綠化建設(shè)及提升工作提供參考，并且針對(duì)各區(qū)綠地現(xiàn)狀及建設(shè)規(guī)劃情況進(jìn)行綜合分析，擬定一批待建綠地及公園，以指導(dǎo)各區(qū)進(jìn)行相應(yīng)綠地建設(shè)。待提升公園綠地分布如圖6所示。

國(guó)家生態(tài)園林城市綠化考核指標(biāo)要求 表11

各區(qū)、鎮(zhèn)或街道主要綠化考核指標(biāo)情況匯總 表12

圖6 待提升公園綠地分布圖

6 結(jié) 語(yǔ)

創(chuàng)建“國(guó)家生態(tài)園林城市”標(biāo)準(zhǔn)高、指標(biāo)面廣，工作量大。如何快速、準(zhǔn)確地摸清“綠色家底”，統(tǒng)計(jì)出相關(guān)指標(biāo)值，然后進(jìn)行分析研究，為創(chuàng)建工作提供精準(zhǔn)、科學(xué)的建設(shè)和改善建議，這部分工作尤其重要?；谏疃葘W(xué)習(xí)的影像解譯技術(shù)研究，移動(dòng)測(cè)量設(shè)備生成的可量測(cè)街景能用于園林綠化相關(guān)綠地?cái)?shù)據(jù)的空間位置測(cè)繪工作，大大提高空間位置測(cè)繪的整體作業(yè)效率，研究并利用Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行樹木提取，以獲取植被層的垂直分布情況，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的目標(biāo)提取，為常州市生態(tài)園林城市專題綠地信息提取提供新思路，新技術(shù)的應(yīng)用為城市綠化普查的科學(xué)性和準(zhǔn)確性積累了經(jīng)驗(yàn)，也為政府相關(guān)職能部門提供了及時(shí)、準(zhǔn)確、優(yōu)質(zhì)和多元化的地理信息服務(wù)。