一種用于評價城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構建方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于評價城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構建方法，包括如下步驟：步驟1)提取單株立木識別與冠層結構信息；步驟2)基于多光譜影像反演葉面積指數，構建冠層空間結構-生態因子回歸模型；步驟3)根據植被蒸騰效益擴散過程計算模型，分別計算間隔0.5m的連續高度層面上的綠輻射受益面積之和，繪制三維綠度空間曲線，并基于曲線獲得綠輻射峰、綠輻射峰高度、綠輻射范圍以及綠輻射集中受益范圍等多項評價參數；步驟4)計算并繪制間隔0.5m的連續高度層面上的三維建筑物配置曲線；步驟5)將三維綠度空間曲線與反映各個高度上建筑面積之和的三維建筑物曲線繪制于同一數據框內，獲得綠度空間配置曲線，服務于城市綠度空間評價。
【專利說明】一種用于評價城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構建 方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于評價城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構建方法，本發 明能夠從城市綠度空間的三維垂直布局出發，量化建筑物與其鄰接綠度空間的配置關系， 準確度量居民與城市綠地的接觸概率。
【背景技術】
[0002] 我國城市化我國正處于快速城鎮化進程中，隨著城鎮化建設的快速推進，城市環 境問題日益突出。快速城市化導致了空氣污染蔓延、城市熱島效應加劇、水環境惡化、生物 多樣性喪失等一系列環境問題，同時還引發城市核心地區土地資源緊張、功能區結構矛盾 等社會問題，對維持區域生態平衡和城市可持續發展造成極大挑戰。伴隨著城市化進程的 加快，加之城市生態環境問題的日益突出，人們已越來越認識到城市綠地對城市生態環境 和城市人居環境的重要價值，城市居民對城市生活環境質量要求也越來越高。
[0003] 為準確描述城市綠地空間分布以及城市居民接觸城市綠地概率上的差異，一些學 者嘗試建立城市綠地與城市居民間的關系模型。Ainura Nazarkulova參考地理建模空間分 析方法，利用格網法對綠地類型加權生成不同植被指數，并選取城市主要居民點做緩沖區 分析，分別計算環繞其周圍間隔200m的所有環狀緩沖區覆蓋的綠地面積大小，從而得到指 定位置可以享受到的綠色空間總量。李小江基于LiDAR數據和多光譜數據建立了每個單體 建筑物與其周圍綠度空間的接觸模型，構建一系列城市綠度空間指數用于城市綠度空間研 究。
[0004] 但傳統度量方法對于綠色空間生態效益的評估往往限于定性的描述，并不能準確 的描述綠度空間的生態效益，對于城市綠地在改善城市環境中的作用也只停留在感性的認 識層面，對于城市綠地的生態效應更無宏觀層面上的量化的評價標準。
[0005] 鑒于以上，本發明提出三維綠度空間曲線、綠度空間與建筑物三維配置曲線評價 模型。通過城市建筑物與其鄰接綠度空間的配置關系來評價人與綠地接觸的概率，以及 接觸概率的空間分布，以期為環境規劃、城市綠化、環境保護和城市精細化管理提供參考依 據。
【發明內容】
[0006] 本發明提出一種用于評價城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構建方法，用于 客觀定量評價建筑物與其鄰接綠度空間的配置關系，以及居民與綠地的接觸概率。
[0007] 本發明的目的通過以下技術步驟實現：
[0008] 步驟1)基于機載激光雷達數據與高分辨率航空影像，進行單株立木識別與冠層 結構信息提取，其中冠層結構信息主要包括樹頂坐標、樹高、樹冠投影邊界、冠層最大橫截 面積、冠徑、冠高、樹冠體積等，進而繪制城市范圍內的植被三維分布信息；
[0009] 步驟2)基于多光譜影像反演葉面積指數，并結合步驟1)所得樹冠體積計算結果， 分析二者間相關系數，構建冠層空間結構-生態因子回歸模型；
[0010] 步驟3)根據植被蒸騰效益擴散過程計算模型，獲得城市綠輻射受益量分布圖，借 助生態效益源構建方法，分別計算間隔0. 5m的連續高度層面上的綠輻射受益面積之和，經 由正態分布曲線擬合，繪制三維綠度空間曲線，并基于曲線獲得綠輻射峰、綠輻射峰高度、 綠輻射范圍以及綠輻射集中受益范圍等多項評價參數；
[0011] 步驟4)使用步驟3)生成的建筑物平均高度、投影面積和體積等參數，分別計算并 繪制間隔〇. 5m的連續高度層面上的三維建筑物配置曲線；
[0012] 步驟5)將三維綠度空間曲線與反映各個高度上建筑面積之和的三維建筑物曲線 繪制于同一數據框內，獲得三維配置曲線，通過分析該曲線的形態走勢、線下面積與交點情 況，衍生出一系列評價統計參數（綠輻射匱乏層、綠輻射飽和層、綠輻射平衡點、綠度空間 有效服務比），服務于城市綠度空間評價。
[0013] 進一步所述步驟1)的具體方法為：
[0014] a)采用面向對象分類法，生成植被二值掩膜圖像；b)將二維植被分布信息與數字 高度模型做疊加，構建樹冠高度模型；c)在樹冠高度模型基礎上，開展樹頂檢測、樹冠投影 邊界識別以及樹冠體積計算等信息提取步驟。
[0015] 進一步所述步驟2)的具體方法為：
[0016] a)首先對PR0SAIL模型參數進行敏感性分析；b)通過敏感性分析結果以及植被參 數實地測量確定模型的可變參數和固定參數，進而構建研究區植被葉面積反演的查找表； c)最后使用成本函數最小化方法搜索查找表進行植被葉面積指數反演；d)對葉面積指數 反演結果與樹冠體積計算結果進行回歸分析，獲得二者的回歸方程式。
[0017] 進一步所述步驟3)的具體方法為：
[0018] a)基于步驟2)所得冠層空間結構-生態因子回歸模型，構建植被生態效益源；b) 根據植被蒸騰作用的擴散與衰減規律，估算植被水平蒸散梯度；c)使用步驟1)獲得的數字 高度模型與植被掩膜圖像，進行建筑物三維特征參數提取；d)基于上述步驟所得參數，構 建模擬植被蒸散效應的計算模型。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為三維綠度空間曲線；
[0020] 圖2為綠度空間與建筑物三維配置曲線（住宅區）；
[0021] 圖3為綠度空間與建筑物三維配置曲線（商業區）；
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發明"一種用于評價城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構 建方法"作進一步說明。
[0023](一）植被三維分布信息提取
[0024] 進行植被三維結構信息提取所需的數據源均為遙感數據，且全過程均可以自動化 實現。具體計算步驟如下：
[0025] 1)在數字地面模型的基礎上濾除非植被信息，獲得植被二值掩膜圖像，將其疊加 至數字高度模型，獲得樹冠高度模型；
[0026] 2)基于活動窗口的局部最大值搜索法，從樹冠高度模型中提取研究區范圍內單株 立木的樹頂位置及其高度；
[0027] 3)為獲得諸如樹高、冠層高度、樹冠體積等結構參數，需要在樹頂檢測結果基礎之 上進行樹冠投影邊界識別，此處采用傘骨算法識別樹冠投影邊界；
[0028] 4)最后，借助樹冠最大橫截面積與冠高比信息，估算橢球形樹冠體積，獲得單體樹 冠體積分布圖。
[0029](二）冠層空間結構-生態因子回歸模型
[0030] 首先采用冠層輻射傳輸模型SAIL的耦合模型PR0SAIL反演葉面積指數，通過分析 葉面積指數與樹冠體積的相關性，構建冠層空間結構-生態因子回歸模型。具體計算過程 如下：
[0031] 1)通過對模型生理生化參數的敏感性進行分析，從而確定對冠層光譜反射率影響 較為敏感的參數；
[0032] 2)影響冠層光譜反射率的變動參數包括葉面積指數、平均葉傾角、葉綠素含量、胡 蘿卜素素含量、等效水厚度和葉片干物質，將各個參數的變動值和固定值代入到PR0SAIL 模型中來模擬冠層光譜反射率，建立冠層葉面積指數查找表；
[0033] 3)根據大氣校正后的多光譜影像反射率，在查找表中獲取對應的冠層反射率，并 以代價函數最小時對應的葉面積指數作為該像元模擬的葉面積指數；
[0034] 4)利用葉面積反演結果繪制樹冠體積與葉面積指數散點圖，并對其嘗試多種線性 和非線性回歸分析，最終確定適合的冠層空間結構-生態因子回歸模型。
[0035] (三）三維綠度空間曲線
[0036] 三維綠度空間曲線是由綠輻射受益量計算結果衍生出的一條用于客觀描述城市 綠化空間分布的曲線。其中，綠輻射受益量的計算過程如下：
[0037] 1)將單株立木的樹冠體積值與LAI反演量相結合，利用微積分定理，構建植被生 態效益源，用于量化冠層葉面積垂直分布數量；
[0038] 2)城市綠度空間由生態效益源和綠輻射空間兩部分構成，其中綠輻射空間是指生 態效益源向外輻射釋放的、對城市環境具有積極影響的環境因子在三維地域空間網格內的 含量及分布規模，多采用儀器測定法獲得植被蒸騰作用的擴散與衰減特征，進而估算得出 植被水平蒸散梯度；
[0039] 3)城市建筑物具有一定高程，因而很容易借助高程閾值從濾除植被信息的掩膜圖 像中提取建筑物，后經相關幾何計算，獲得單體建筑物的位置、體積等三維信息；
[0040] 4)將上述步驟所得參數代入植被蒸騰效益擴散過程計算模型，生成一系列以 〇. 5m為間隔的不同高度層上的綠輻射受益總量。
[0041] 將連續高度層上的綠輻射受益總量繪制在二維坐標軸下，即獲得三維綠度空間曲 線，如圖1所示，其中X軸表示高度，Y軸表示面積。不同區域的綠化格局會生成不同的曲 線形態，鑒于該曲線的對稱性形如正態分布曲線，故在此使用正態分布函數對其進行擬合， 得到擬合函數如下：
【權利要求】
1. 一種用于評價城市綠化H維布局的綠度空間配置曲線構建方法，該曲線的構建過程 包括如下步驟： 步驟1)基于機載激光雷達數據與高分辨率航空影像，進行單株立木識別與冠層結構 信息提取，其中冠層結構信息主要包括樹頂坐標、樹高、樹冠投影邊界、冠層最大橫截面積、 冠徑、冠高、樹冠體積等，進而繪制城市范圍內的植被H維分布信息； 步驟2)基于多光譜影像反演葉面積指數，并結合步驟1)所得樹冠體積計算結果，分析 二者間相關系數，構建冠層空間結構-生態因子回歸模型； 步驟3)根據植被蒸騰效益擴散過程計算模型，獲得城市綠福射受益量分布圖，借助生 態效益源構建方法，分別計算間隔0. 5m的連續高度層面上的綠福射受益面積之和，經由正 態分布曲線擬合，繪制H維綠度空間曲線，并基于曲線獲得綠福射峰、綠福射峰高度、綠福 射范圍W及綠福射集中受益范圍等多項評價參數； 步驟4)使用步驟3)生成的建筑物平均高度、投影面積和體積等參數，分別計算并繪制 間隔0. 5m的連續高度層面上的H維建筑物配置曲線； 步驟5)將H維綠度空間曲線與反映各個高度上建筑面積之和的H維建筑物曲線繪制 于同一數據框內，獲得H維配置曲線，通過分析該曲線的形態走勢、線下面積與交點情況， 衍生出一系列評價統計參數（綠福射匿乏層、綠福射飽和層、綠福射平衡點、綠度空間有效 服務比），服務于城市綠度空間評價。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1)的具體方法為： a)采用面向對象分類法，生成植被二值掩膜圖像；b)將二維植被分布信息與數字高度 模型做疊加，構建樹冠高度模型；C)在樹冠高度模型基礎上，開展樹頂檢測、樹冠投影邊界 識別W及樹冠體積計算等信息提取步驟。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的具體方法為： a)首先對PROSAIL模型參數進行敏感性分析；b)通過敏感性分析結果W及植被參數實 地測量確定模型的可變參數和固定參數，進而構建研究區植被葉面積反演的查找表；C)最 后使用成本函數最小化方法搜索查找表進行植被葉面積指數反演；d)對葉面積指數反演 結果與樹冠體積計算結果進行回歸分析，獲得二者的回歸方程式。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)的具體方法為： a)基于步驟2)所得冠層空間結構-生態因子回歸模型，構建植被生態效益源；b)根據 植被蒸騰作用的擴散與衰減規律，估算植被水平蒸散梯度；C)使用步驟1)獲得的數字高度 模型與植被掩膜圖像，進行建筑物H維特征參數提取；d)基于上述步驟所得參數，構建模 擬植被蒸散效應的計算模型。
【文檔編號】G06T17/30GK104463971SQ201410491578
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月24日 優先權日:2014年9月24日
【發明者】張佳暉, 孟慶巖, 金穎, 楊健, 劉苗, 王春梅 申請人:中國科學院遙感與數字地球研究所