基于無人機(jī)影像的城市復(fù)雜三維綠量快捷估算

羅嘉貝　周瑩菲　冷寒冰　孟陳　侯正陽　宋通通　胡正云　張超　奉樹成

關(guān)鍵詞：城市植被;三維綠量;無人機(jī);植物園

中圖分類號：TP751 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2022.01.014

0引言

城市植被是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在環(huán)境維護(hù)、生物多樣性保護(hù)以及城市景觀美化等方面發(fā)揮著重要的功能[1].過去20年，許多學(xué)者在此方面開展了大量研究，如從綠化覆蓋率[2-3]、凈初級生產(chǎn)力[4-5]、生物量[6-7]等指標(biāo)，來監(jiān)測和評價城市植被的生態(tài)功能或效益，但這些工作主要是從二維尺度來開展，缺少植被空間結(jié)構(gòu)的考量，亟須城市生態(tài)空間從二維到三維的評價轉(zhuǎn)變[8-15].三維綠量，起源于葉面積指數(shù)（Leaf Area Index）概念，指的是所有生長植物的莖葉所占據(jù)的空間體積，是準(zhǔn)確描述城市森林的空間結(jié)構(gòu)、體現(xiàn)城市植被生態(tài)效益的綜合指標(biāo)，可以為園林植物合理配置、綠量結(jié)構(gòu)改善以及城市綠地規(guī)劃提供重要依據(jù).但是如何在高度異質(zhì)性的城市生境中精確、快捷地開展三維綠量監(jiān)測，是當(dāng)前城市植被生態(tài)效益評估亟待解決的重要難題.

三維綠量的研究工作主要是近10年開始的，主要針對單株（街道）或城市純林[16]，對于高度異質(zhì)性且具有復(fù)雜群落結(jié)構(gòu)的植被目前沒有見到相關(guān)報道.對前期三維綠量的研究梳理發(fā)現(xiàn)，在研究方法上主要包括：①基于實(shí)地樣方考察的推算法[17]，這種方法主要通過建立不同樹種冠高、冠幅、基徑之間的關(guān)系，結(jié)合航空相片判讀測定樹種、覆蓋面積、株數(shù)、結(jié)構(gòu)類型等特征數(shù)據(jù)和平面量來計算綠量.例如，周堅華等[18]、李祥軍等[19]分別通過建立冠徑—冠高、冠徑—枝干等相關(guān)方程，測算了上海市全市和佳木斯大學(xué)4個院植被的三維綠量.這種方法屬于半自動綠量計算方式，效率相對較低，精度依賴樣方調(diào)查.②利用光譜特征等遙感屬性信息，通過構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測三維綠量[20].例如，孫克紅[21]采用河南省焦作市Landsat8ETM+影像數(shù)據(jù)，利用基于面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行城市綠量分類，并建立了綠量估算模型.孫營偉等[22]、易揚(yáng)等[23]利用了高分2號影像，采用多元回歸分析方式建立了目標(biāo)區(qū)域的三維綠量遙感反演模型.這些方法雖然證明了遙感影像提取城市二維葉面積的可行性，但是在垂直結(jié)構(gòu)方向上無法精確測算，并不適用于高度異質(zhì)性的城市植被的研究.為了解決此問題，也有學(xué)者結(jié)合了激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，嘗試測算垂直結(jié)構(gòu)上的綠量，如陳小祥等[24]利用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)，提取城市綠化區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)并計算綠量.但此方法的建模精度取決于模型的數(shù)學(xué)形式、模型參數(shù)的方差、遙感特征統(tǒng)計量等因素，并且在城市范圍中操作難度比較大，成本較高.而無人機(jī)遙感技術(shù)憑借高精度影像數(shù)據(jù)，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)等很多方面都有較多的應(yīng)用，如陳荻等[25]利用基于低空高分辨率影像的三維綠量計算方法成功實(shí)現(xiàn)了校園范圍內(nèi)的三維綠量的定量分析.相較于傳統(tǒng)的遙感手段，無人機(jī)遙感技術(shù)不僅成本低，而且具有較高的圖像分辨率（可達(dá)厘米級）和時效性，也解決了垂直結(jié)構(gòu)信息的缺陷.

上海作為世界特大型城市之一，根據(jù)《上海市城市總體規(guī)劃（2017—2035年）》[26]，2035年的上海將會成為一座更可持續(xù)的生態(tài)之城，其中城市植被的構(gòu)建、植被結(jié)構(gòu)與功能的完善是生態(tài)城市建設(shè)的重要基礎(chǔ).三維綠量監(jiān)測被認(rèn)為是如何合理建設(shè)城市植被、優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)的參考基礎(chǔ)[27].然而，由于城市植被類型的多樣化與高物種多樣性等特點(diǎn)，如何準(zhǔn)確、高效地開展城市三維綠量監(jiān)測，是綠化管理領(lǐng)域中亟待解決的挑戰(zhàn)，其中一個典型區(qū)域?yàn)樯虾Ｖ参飯@，該園是一個以植物引種馴化和展示、園藝研究及科普教育為主的綜合性典型區(qū)域，其綠地的建設(shè)成效對于上海城市綠地建設(shè)與管理具有標(biāo)桿和示范作用.該園于1974年籌建，1978年正式對外開放，在過去40年里，植物的覆蓋率和物種多樣性等都得到了很大的提高，準(zhǔn)確地度量植物園現(xiàn)有的三維綠量數(shù)值情況及其空間分布的格局，是理解植物園植被建設(shè)成效及開展空間格局優(yōu)化的重要基礎(chǔ).

綜上所述，本研究基于上海植物園的無人機(jī)低空高分辨率影像，利用地面控制點(diǎn)、數(shù)字地表高程等信息構(gòu)建冠層高度模型，然后通過冠層高度模型計算上海植物園的三維綠量，并結(jié)合地面群落調(diào)查數(shù)據(jù)分析三維綠量的空間分布規(guī)律.本研究擬為城市植被綠量估算提供方法參考，并為上海植物園綠量估算與空間格局優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1數(shù)據(jù)與方法

1.1實(shí)驗(yàn)分析

上海植物園（31°08′37″N～31°09′12″N，121°26′27″E～121°26′56″E）位于上海市徐匯區(qū)西南部（圖1）.屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，四季分明，日照充分，雨量充沛.

植物園前身為龍華苗圃，共包括23個專類園區(qū)，邊界的確定都是以道路、河流以及湖泊等為界線.專類園的確定包括兩個步驟：①根據(jù)已有植物園功能區(qū)規(guī)劃（未能全部覆蓋植物園區(qū)域），包括松柏園、蕨類園、木蘭園、牡丹園、杜鵑園、薔薇園、槭樹園、桂花園、竹園、盆景園、草藥園、展覽溫室、蘭室共13個專類園區(qū);②上述13個園區(qū)未覆蓋的地區(qū)，經(jīng)和植物園專家一起實(shí)地考察和討論，仍以道路或河流為劃分邊界，將剩余區(qū)域劃分為科研中心綠地、4號門展示區(qū)、湖景茶園、休閑綠地、3號門展示區(qū)、植物園大樓附屬綠地、單子葉植物綠地、環(huán)境保護(hù)區(qū)綠地、廣玉蘭香樟大道綠地、2號門展示區(qū)共10個專類園區(qū).

目前植物園共有植物3500余種，含6000多個品種.上海植物園總占地面積81.86hm，其中綠地占65.81%，建筑占12.07%，道路占10.94%，水系占10.67%，裸地占0.51%，如圖1.

1.2無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取

1.2.1影像的獲取

使用由四旋翼無人機(jī)、航空攝影相機(jī)、機(jī)載定位系統(tǒng)、航攝計劃設(shè)計軟件和飛行管理系統(tǒng)等集成的航攝系統(tǒng)對上海植物園進(jìn)行低空高分辨率影像獲取.無人機(jī)型號為大疆精靈4PRO，續(xù)航時間30min，航速10m/s;機(jī)載定位系統(tǒng)使用美國天寶公司生產(chǎn)的RTK差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)，額定精度5mm;航空攝影機(jī)選用大疆精靈配套的佳能相機(jī)，焦距為8.9mm，傳感器物理像元大小為2.4μm.實(shí)驗(yàn)于2018年9月20日14：00進(jìn)行，正值夏末季節(jié)植被茂盛時期，成像質(zhì)量較高.共計獲取圖像716張，像素分辨率為3645×5472.

1.2.2航攝基本參數(shù)

本次主航線飛行方向?yàn)闁|西方向，旁向?yàn)槟媳狈较?，以WGS84-51N為坐標(biāo)系統(tǒng).攝區(qū)面積為1.08km;相對航攝高度為90m;航攝比例為1∶200;最終成圖分析采用影像分辨率為0.1m.航向重疊率80%，旁向重疊率60%.

式（1）和式（2）中：L、L表示像幅的邊長，P、P表示航向和旁向重疊影像部分的邊長.

1.2.3地面控制點(diǎn)采集

通過RTK差分GPS采集地面上具有明顯特征的40個標(biāo)志點(diǎn)，見圖2，用于衡量圖像拼接處理的精度.這些點(diǎn)盡可能選在道路交叉口，有明顯輪廓邊界的場地等易于識別的區(qū)域.并且地面控制點(diǎn)在整幅圖像中均勻分布，地面控制點(diǎn)采用UTM投影，WGS84地理坐標(biāo)系統(tǒng).

1.3 綠量計算方法及冠層高度模型

1.3.1綠量計算方法

三維綠量是指所有生長植物的莖和葉所占的空間體積.由于衛(wèi)星影像的高分辨率特點(diǎn)，本文采用傳統(tǒng)的底面積乘以高度的方法對植物園的三維綠量進(jìn)行估算，則有：

式（3）和式（4）中：V（s;t）為植被的三維綠量;s和t為影像的行數(shù)和列數(shù);Δd為影像的分辨率（0.1m×0.1m）;hij為實(shí)際地物高程，H為數(shù)字地表高程;D為各專類園區(qū)的空間范圍.對于三維綠量計算結(jié)果，最后采用分區(qū)統(tǒng)計的方式計算各個專類園區(qū)的三維綠量，便于對植物園建設(shè)提供有利參考.

1.3.2冠層高度模型

由式（3）知，h與H的差是計算綠量的重要指標(biāo).這里定義冠層高度模型（Canopy Height Model，CHM）為實(shí)際地物高程模型（Digital Surface Model，DSM）與數(shù)字地面高程模型（Digital Terrain Model，DTM）之差，見圖3.對于無人機(jī)影像逐像元提取可以獲得DSM;進(jìn)一步通過高斯濾波去除植被與地物信息，獲得DTM;最后將二者相減得到CHM.CHM的分辨率同無人機(jī)影像，為0.1m.

對于CHM，通過實(shí)地測量地物高度的方式進(jìn)行模型精度驗(yàn)證.通過RTK差分GPS采集及標(biāo)志性地物（樓房的轉(zhuǎn)角、窨井蓋中心、道路拐點(diǎn)等）作為標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，這些點(diǎn)在整張圖像中均勻分布.計算誤差的平均值作為精度評價指標(biāo).

1.4群落調(diào)查

為了探究各個專類園的三維綠量與三維綠量密度受哪些因素影響，對植物園內(nèi)每個專類園開展了群落調(diào)查.在無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取后，我們分專類園，選取典型植物群落樣方（樣地面積16m×16m，8m×8m，4m×4m，GF-2號空間分辨率為4m）（共96個群落，喬木群落58個，灌木群落25個，草本群落13個），對于喬木和灌木群落，樣方內(nèi)的采用每木調(diào)查法，使用激光測距儀（TruPulse200，USA）調(diào)查樹高，并用皮尺和游標(biāo)卡尺測量植株胸徑以及冠幅.此后結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)和無人機(jī)影像，判定喬木、灌木和草本的分布區(qū)范圍，計算各個專類園內(nèi)喬木群落、灌木群落、草本群落的面積;使用喬木群落、灌木群落占園區(qū)面積的比例作為加權(quán)因子來計算每個園區(qū)內(nèi)的喬木群落和灌木群落的加權(quán)高度.最后，結(jié)合面積以及加權(quán)高度分析喬木、灌木、草本與綠量之間的關(guān)系.

2結(jié)果

2.1上海植物園無人機(jī)正射影像精度與冠層高度模型精度

利用測量的控制點(diǎn)進(jìn)行空三平差解算，生成研究區(qū)影像.影像色彩自然，樹木、道路、池塘等常見地物輪廓清晰可見.相比于常規(guī)的衛(wèi)星影像，無人機(jī)影像的空間分辨率較高，適合高精度三維綠量計算.影像在x方向的平均誤差為0.108m，y方向?yàn)?.098m，z方向?yàn)?.042m.影像處理的平面和高程誤差越小，冠層模型估算的精度越高.在本研究中，0.1m的數(shù)據(jù)分辨率，平面和高程誤差都控制在0.1m以內(nèi)，可以獲得較優(yōu)的三維綠量測量精度，為準(zhǔn)確構(gòu)建植物冠層高度模型提供保障.

通過實(shí)地測量地物高度的方式，獲得了地物實(shí)際高度、模型高度和經(jīng)緯度坐標(biāo).經(jīng)過計算，CHM模型的平均誤差為0.27m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.58m.

2.2上海植物園三維綠量空間分布特征

根據(jù)上海植物園CHM模型、影像空間分辨率及式（3）與式（4）計算上海植物園的三維綠量，結(jié)果見圖4、表1.由圖可見，上海植物園的綠量分布呈西南部密集、東北部稀疏的格局.北部為兩個園區(qū)入口展示區(qū)以及科研中心綠地，園區(qū)入口處多放置一些欣賞性較高的灌木，如鳳尾蘭（Yucca gloriosa）、玫瑰（Rosa rugosa）等.該區(qū)域?yàn)檎麄€植物園的游覽起到引導(dǎo)作用，植物配置密度較低，層次較為單一.兩入口展示區(qū)和科研中心綠地的平均綠量密度為3.3m/m.植物園的西南部地區(qū)主要分布著各大植物專類園，植物種類豐富，平均綠量密度達(dá)到6.5m/m，所含綠量占植物園總量的88.7%.

上海植物園中綠量最高的3個園區(qū)分別是牡丹園、松柏園與溫室附屬綠地，所對應(yīng)的綠量分別達(dá)到了289491.00m3、338322.10m3與360586.50m3，主要分布在中部和東部位置.綠量密度最高的3個園區(qū)分別為蘭室（9.23m/m）、蕨類園（11.30m/m）與廣玉蘭香樟大道（13.11m/m），位于植物園的南部.

2.3 三維綠量總量/綠量密度的影響因子分析

2.3.1上海植物園各園區(qū)群落調(diào)查結(jié)果

結(jié)合群落調(diào)查結(jié)果以及遙感影像判讀的方式，我們最終獲得了上海植物園各園區(qū)喬木優(yōu)勢種和灌木優(yōu)勢種的面積以及高度信息，見表2.喬木分布面積最多的分別為以水杉、香樟、懸鈴木為優(yōu)勢種的溫室附屬綠地（23510.68m），以香樟水杉、榧樹、落羽杉、柏木為優(yōu)勢種的松柏園（23125.90m）和以香樟、水杉為優(yōu)勢種的蘭室（19239.84m），在它們之中有兩個專類園區(qū)的總?cè)S綠量位于前三;喬木加權(quán)高度最高的分別為以香樟、水杉為優(yōu)勢種的蘭室（12.39m），以三角楓為優(yōu)勢種的槭樹園（11.48m）和以香樟為優(yōu)勢種的環(huán)境保護(hù)區(qū)綠地（11.16m），它們之中并沒有園區(qū)的總?cè)S綠量位于前三.再從灌木優(yōu)勢種的角度分析，灌木分布面積最多的分別為牡丹園（4368.49m）、溫室附屬綠地（3570.26m）和草藥園綠地（2989.92m），它們之中牡丹園的總?cè)S綠量最高;灌木優(yōu)勢種加權(quán)高度最高的分別為牡丹園（0.62m）、3號門綠化（0.52m）和草藥園綠地（0.42m）.

2.3.2三維綠量總量的影響因子分析

結(jié)合2.2節(jié)中獲得的各園區(qū)總綠量結(jié)果以及2.3.1節(jié)中獲得的各園區(qū)優(yōu)勢喬木或灌木的面積及高度等信息，對影響園區(qū)總綠量的因子展開分析.用線性擬合的方式分別擬合各園區(qū)喬木面積、喬木加權(quán)高度、喬木綠量、灌木面積、灌木加權(quán)高度和灌木綠量與各專類園區(qū)三維總綠量之間的關(guān)系，如圖5所示.最終得到的R結(jié)果分別為0.67、0.07、0.69、0.14、–0.049和0.04.總體上看，專類園區(qū)的總?cè)S綠量與專類園區(qū)內(nèi)優(yōu)勢喬木的綠量的線性相關(guān)性最為顯著.

從表2中不難發(fā)現(xiàn)，草藥園的灌木分布面積雖然非常廣，但是草藥園的總體三維綠量在所有園區(qū)的總?cè)S綠量中并不處于高位;相反，高大喬木（水杉、香樟、柏木）分布較多的溫室附屬綠地、松柏園以及蘭室的總?cè)S綠量在所有園區(qū)的總?cè)S綠量中處在非常高的位置.因此，從優(yōu)勢種類別的角度看，園區(qū)的三維綠量受優(yōu)勢喬木的影響遠(yuǎn)大于灌木.

2.3.3三維綠量密度的影響因子分析

同2.3.2節(jié)，用線性擬合的方式分別擬合各園區(qū)喬木面積占比，喬木加權(quán)高度，喬木加權(quán)高度和面積占比乘積，灌木面積占比，灌木加權(quán)高度，灌木加權(quán)高度和面積占比乘積，與各專類園區(qū)三維綠量密度之間的關(guān)系，如圖6所示.最終得到的R結(jié)果分別為0.54、0.61、0.57、–0.008、–0.048、–0.047.總體上看，專類園區(qū)的三維綠量密度與專類園區(qū)內(nèi)喬木的加權(quán)高度的線性相關(guān)性最為顯著，當(dāng)然綠量密度與喬木面積占比以及喬木加權(quán)高度與面積占比的乘積的相關(guān)性也是遠(yuǎn)高于灌木的，這也正說明喬木的種類與形態(tài)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)著植物園三維綠量密度的空間分布.

3討論

綜上，上海植物園的三維綠量存在著空間分布不均勻的情況：牡丹園、松柏園、溫室附屬綠地、蘭室的綠量非常高，主要分布在植物園的中部區(qū)域;薔薇園、休閑綠地、單子葉植物園區(qū)的綠量較低，主要位于植物園中西部區(qū)域，分布在綠量較高的牡丹園、蕨類園、槭樹園之間.

出現(xiàn)綠量空間分布不均勻的原因與多種因素有關(guān)，可以分為歷史原因、功能定位、種類組成和面積大小差異3個部分.由于1974年以前，上海植物園的前身曾是龍華苗圃，原先的地區(qū)植被一直保育良好，植株較為高大茂密，后期擴(kuò)建時選用了一些生長周期較短的苗木，與原先生長較慢的高大喬木形成反差，因此產(chǎn)生了初步的綠量分布空間差異.而出于完善植物園功能布局的目的，部分休閑綠地與園區(qū)入口展示區(qū)的綠量較低，植物園作為以植物引種馴化、植物學(xué)研究、科學(xué)傳播、園藝展示為主的綜合性城市植物園，需要兼顧各方面的建設(shè)需要，在提高園容景觀與植被分布合理性的同時，還需滿足游客的游覽、活動、休閑等需求，因此一般在園區(qū)入口（特別是后期擴(kuò)建區(qū)域的入口）會布置開放空間，供觀賞的花草和灌木布展，零星點(diǎn)綴喬木樹種，這進(jìn)一步擴(kuò)大了植物園不同功能區(qū)綠量的差異.不同園區(qū)的樹種組成和面積大小也是導(dǎo)致綠量空間分布差異的一個重要原因，通過上一章節(jié)的擬合結(jié)果可以看到，影響三維綠量的主要因子是優(yōu)勢喬木的面積與高度（圖5（a）—5（c）），喬木的種類與形態(tài)結(jié)構(gòu)同樣主導(dǎo)著植物園三維綠量密度的空間分布（圖6（a））.如蘭室、溫室附屬綠地的喬木面積占比較高，槭樹園、蕨類園、蘭室、環(huán)境保護(hù)區(qū)綠地、廣玉蘭香樟大道南等區(qū)域喬木的平均高度都超過了10m，這些園區(qū)的綠量普遍都較高;而薔薇園、休閑綠地、單子葉植物園區(qū)等的喬木、灌木樹種的面積和平均高度都較低，因此導(dǎo)致總體綠量水平也偏低.本部分研究表明，增加喬木樹種栽植面積是提高植物園三維綠量的關(guān)鍵，同時對于園區(qū)入口（2號門、4號門）區(qū)域，需要優(yōu)化植被格局，可以結(jié)合灌草生理特征以及景觀美學(xué)，合理配置一些喬木植株.

牡丹園、松柏園和溫室附屬綠地為植物園綠量的主要來源.牡丹園栽種了大量優(yōu)質(zhì)品種的牡丹，包括中原品種群、江南品種群、西北品種群以及日本牡丹種，種植密度高且覆蓋面積大，同時也被樟樹、榆櫟等樹木群落覆蓋;松柏園種植的雪松、龍柏、日本柳杉等50多種裸子植物雖然分布并不密集、地形開闊，但是樹形往往高大挺拔，在利用本研究算法的情況下所得到的綠量結(jié)果較高;溫室附屬綠地的綠量總量雖高，但綠量密度較低，主要是附屬綠地種植的是草本植物以及較為低矮的灌木、小喬木.本研究由于無人機(jī)技術(shù)原因，無法獲取溫室以內(nèi)的植被信息，沒有進(jìn)行溫室內(nèi)部的三維綠量計算，但植物園溫室占植物園總體面積的比例約為0.5%，因此對于植物園整體三維綠量的影響較小.槭樹園、廣玉蘭香樟大道等園區(qū)的綠量密度明顯高于竹園、薔薇園、杜鵑園等園區(qū)，這與建群種的差異密切相關(guān)，如廣玉蘭、香樟等常見高大喬木的生物量明顯高于單子葉植物、小型灌木的生物量.同時，植物園有相當(dāng)面積的薔薇園，目前三維綠量值也較低（圖4、表1），主要是因?yàn)樵灾仓参锸翘?、櫻花等薔薇科植物，目前植株相對較小，對于該區(qū)域植物園需要加強(qiáng)科學(xué)管理（水、肥和病蟲害管理），隨著植物的生長，該專類園植被綠量會增加.

蘭室、蕨類園等小型草本和灌木的園區(qū)綠量密度非常高，分別達(dá)到了9.23m/m和11.3m/m.這是因?yàn)樘m室分為盆栽式展示區(qū)、自然式展示區(qū)和庭院式展示區(qū)，其中的自然式與庭院式展示區(qū)除不同種類的蘭花外，還覆蓋有大片的水杉、池杉等高大喬木，因而提高了綠量的總體密度.而這樣布局的原因是蘭花生長需要一定的陽光和較大的濕度，但陽光不能過強(qiáng)，高大喬木在夏季能夠有效地遮擋陽光，使得蘭室里的光照環(huán)境和溫度不至于太高，同時周邊成片的森林有利于增加濕度，增加散射光.環(huán)境保護(hù)區(qū)綠地與廣玉蘭香樟大道相鄰，綠地周圍密集種植著高大喬木;蕨類植物自身的生物量占比較小，但因蕨類植物多為土生、石生、附生或濕生，喜潮濕溫暖的環(huán)境，在栽種時需在其周圍種植高大的喬木以起到遮蔭的作用，植物園主要栽植在林下以及通過工程方法附著在喬木莖或枝上（成為附生植物）所使用的喬木樹種主要為香樟和水杉，同時在高大喬木上搭建水管定時噴水，這樣才能提供蕨類植物生長所需要的陰濕環(huán)境，如此錯落的層次結(jié)構(gòu)也更顯美觀，在園林設(shè)計中較為常用，因此使得園區(qū)的綠量密度較高.綠量密度較低的區(qū)域主要為科研中心綠地和休閑綠地，綠量密度分別為1.81m/m和1.57m/m，主要是由于喬灌木面積及平均高度都較小.

研究發(fā)現(xiàn)，上海植物園平均綠量密度為6.51m/m，鄭思俊等[28]在對上海臨港新城的研究中，計算得到臨港新城的三維綠量密度為0.46m/m，其綠量和綠量密度的高值主要分布在城區(qū)的西側(cè)，也就是成陸時間較久的區(qū)域，綠量密度可達(dá)6m/m，而東部為綠量密度低值區(qū)，主要為農(nóng)業(yè)用地和林草用地，綠量密度為1～3m/m.潘蓉婷等[29]在對東北典型校園（沈陽工學(xué)院）的研究中，計算得到校園平均綠量密度為0.652m/m.李鳳霞等[30]在對西安主城區(qū)三維綠量的研究中，計算得到西安主城區(qū)的三維綠量為37475294.7m，綠量密度為0.0034m/m，并且由高至低對城市不同區(qū)域提供的三維綠量進(jìn)行了排序：風(fēng)景名勝區(qū)、文化和教育區(qū)、交通路線、居住區(qū)、工業(yè)區(qū).相比而言，上海植物園的綠量密度較好，綠化水平較高，對于城市綠地的建設(shè)具有標(biāo)桿和示范作用.

本文所提取的上海植物園的無人機(jī)影像具有高分辨率性與垂直信息，與LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)計算綠量相比，本文的方法在數(shù)據(jù)采集方面受到的干擾因素相對較小.但是高密度的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以提供樹冠以下部分的每一處位置的高度信息，充分地在三維坐標(biāo)系中還原一株植物.而本文所采用的綠量體積計算方法，沒有將植株整體的形狀考慮進(jìn)去，樹冠以下部分的綠量估算存在偏大的情況.因此，在未來的研究中，我們將基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及地面大樣方調(diào)查，進(jìn)一步提高植物園三維綠量的估算精度.

4結(jié)論

本研究基于無人機(jī)的低空高分辨率影像，通過對無人機(jī)影像進(jìn)行逐像元提取和計算，獲得實(shí)際地物高程模型與冠層高度模型，對上海植物園的三維綠量進(jìn)行了估算.結(jié)果表明，無人機(jī)影像的整體平面和高程精度優(yōu)于0.1m，冠層高度模型精度的平均誤差為0.27m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.58m，具有較好的精度.經(jīng)估算，上海植物園的總綠量為3538944.50m，平均綠量密度為6.51m/m，綠量和綠量密度分布呈東北低西南高的格局.各專類園綠量與喬木群落分布面積、建群種高度以及兩者的乘積顯著相關(guān)，各專類園綠量密度與喬木群落面積占專類園比例、建群種高度以及兩者的乘積顯著相關(guān).本研究可以為城市植被綠量估算提供方法參考，并為上海植物園綠量估算與空間格局優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

致謝 感謝駱博雅、趙琳雅在植物園野外調(diào)查中給予的幫助.

（責(zé)任編輯：李萬會）