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航空遙感數(shù)字化信息在城市綠化精細調(diào)查中的優(yōu)點與應(yīng)用
摘要：當前我國城市的發(fā)展越來越注重生態(tài)效應(yīng)，城市的綠化狀況倍受關(guān)注。城市綠化的精細調(diào)查則是進一步提高綠化建設(shè)和管理水平的重要基礎(chǔ)。本文以上海市第三輪航空遙感在上海市綠化調(diào)查中的應(yīng)用為例，從光譜特性和綠化信息精確定位、定量等角度論述了應(yīng)用彩紅外航空遙感數(shù)字化信息進行綠化精細調(diào)查，具有高精確性、高可靠性和高效率等突出優(yōu)點，介紹經(jīng)過實踐驗證的一種應(yīng)用方法，并探討了航空遙感綠化調(diào)查今后的發(fā)展的方向。
關(guān)鍵字： 航空遙感 彩紅外 數(shù)字化 綠化調(diào)查
近年來，隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對城市生活環(huán)境的要求也日漸提高，建設(shè)生態(tài)城市的觀點越來越被受到關(guān)注。上海、天津、哈爾濱、揚州、常州、成都等城市紛紛提出建設(shè)生態(tài)城市的目標[2]。城市的綠化建設(shè)則是城市生態(tài)化的一個重要方面，有關(guān)專家指出，加強綠地生態(tài)建設(shè)應(yīng)該是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)“十五”規(guī)劃的重要措施之一，城市綠地生態(tài)建設(shè)要以擴大綠地面積、提高綠地覆蓋率、以質(zhì)取勝為目標[3]。城市的綠化現(xiàn)狀如何則是進一步進行綠化規(guī)劃與建設(shè)的直接、重要依據(jù)，在建設(shè)部創(chuàng)建國家園林城區(qū)的工作中起到了管理與監(jiān)控的作用。因此，開展綠化現(xiàn)狀調(diào)查必不可少。要使綠化調(diào)查的結(jié)果更為精確，必須結(jié)合高科技手段。其中，采用彩紅外航空遙感數(shù)字化信息進行解譯是一種比較可行的方法。
1．彩紅外航空遙感數(shù)字化信息用于綠化精細調(diào)查的優(yōu)點
彩紅外航空遙感是一種適用于植被勘察、偽裝偵察和地上資源探測的航空遙感手段，所采用的光學(xué)成像膠片一般為非真實彩色反轉(zhuǎn)片，成像光譜范圍介于0.5~0.9μm[1],即處于主要綠光、紅光和近紅外波段，可以有效地減少因空氣分子對藍光散射所造成的影像清晰度下降的不良影響，非常適用于捕獲城市地表信息。在彩紅外反轉(zhuǎn)片上，地表植被呈現(xiàn)的是不同飽和度的紅色，而非日常所見的綠色。
彩紅外航空遙感數(shù)字化信息是由兩方面組成的，一是數(shù)字化的彩紅外航空遙感影像，二是在計算機內(nèi)解譯的數(shù)字化矢量圖。該數(shù)字化信息用于綠化精細調(diào)查具有如下幾方面的優(yōu)點。
1.1 不同生長期的植物都能清晰記錄
植物對不同光譜段能量的反射和吸收的狀況與其葉綠素含量有關(guān)，葉綠素能夠大量反射近紅外能量，而吸收大部份的可見光波段的能量。健康的綠色植物含有大量的葉綠素，通常反射40~50%的近紅外（0.7~1.1μm）波段的能量，吸收將近80~90%的可見光波段（0.4~0.7μm）的能量（詳見圖1）。相反，枯萎和衰老植物的在可見光波段所反射的能量要大大高于健康植物的反射值，而在近紅外波段所反射的能量則要低于健康植物的反射值[1]。因此，在彩紅外影像中，處于成長期的健康植物呈現(xiàn)出紅色，植物越嫩，紅色越鮮艷；枯萎和衰老的植物則不呈現(xiàn)紅色，而是黃偏紅的顏色。這樣，處于不同生長期的植物就能明顯地區(qū)分出來。同時，城市中的植物和城市的水面、路面、建筑物頂面之間也有很明顯的區(qū)別。水面主要呈現(xiàn)藍色或綠色；路面多為灰色、青灰色或藍黑色；建筑物的頂面多呈現(xiàn)青色、暗黃色或藍黑色等，即便平時肉眼所見的紅色屋頂，在彩紅外影像中呈現(xiàn)出黃綠色或暗黃色，很容易與植物區(qū)分開。有些平時肉眼所見的非植被綠色地面或屋頂，由于在近紅外波段所反射的能量很小，所以在彩紅外影像中不會呈現(xiàn)紅色，而是紫色或其他顏色。
圖1 健康綠草、枯草和干裸土地在0.4~1.1μm波段的光譜反射特征[1]
此外，對于城市而言，要獲取高清晰度的航空遙感影像，航攝飛行一般選擇在冬季進行。在此季節(jié)，許多植物已經(jīng)落葉，但在枝、莖和近根等處依然含有一定的葉綠素，其在近紅外波段仍然有相當?shù)姆瓷�，所以這些植物在真彩色航片上可能不易與其他地物或地面分開來，但在彩紅外航片上確較容易識別。
總之，彩紅外影像既能夠區(qū)分出不同生長期的植物，又能夠明顯地把城市中的植物和其他地物區(qū)分開來，這對于綠化的精細調(diào)查是極為有利的。
1.2 綠化調(diào)查具有高精確性和可信度
利用數(shù)字化的彩紅外航空遙感信息進行綠化調(diào)查，主要是在計算機內(nèi)對數(shù)字化影像進行解譯，高精確度和高可信度主要來自綠化解譯時影像的高清晰度和解譯后面積統(tǒng)計的精確性。
經(jīng)過數(shù)字化的彩紅外航空遙感照片可以獲得大比例尺、高清晰度的影像圖，且在計算機內(nèi)可以迅速縮放成不同的比例尺效果，例如，一幅原始比例尺為1:10000的照片以600dpi掃描轉(zhuǎn)換成數(shù)字化影像輸入計算機，在圖像處理軟件PhotoShop的支持下，可以在1:10000~1:200的比例尺效果之間迅速縮放（不出現(xiàn)馬賽克效果），這種數(shù)碼顯示比原先僅采用光學(xué)相紙顯示更為靈活方便。同時，利用數(shù)字化的彩紅外影像可對調(diào)查地點進行即時的放大察看，并可以對陰暗部分、模糊部分進行增強處理，以改善視覺效果，提高解譯的精度，這是僅采用照片解譯所無法做到的。由于有上述優(yōu)點，在計算機內(nèi)對綠化進行解譯時，就能把綠化覆蓋的邊界準確地勾繪出來，為統(tǒng)計結(jié)果的準確性打下基礎(chǔ)。另一方面，利用計算機對綠化面積進行統(tǒng)計，可以避免采用求積儀進行人工量算時的操作誤差，從而獲得精確的面積統(tǒng)計結(jié)果。
1.3 調(diào)查效率高
利用數(shù)字化航空遙感影像進行城市綠化調(diào)查，與人工實地量算相比，效率大為提高。由于使用數(shù)字化航空影像觀察地物，具有空間快速轉(zhuǎn)移的優(yōu)點，即可以迅速地從不同的角度觀測到建筑物的不同側(cè)面，或迅速地從一個調(diào)查地點移動到另一個調(diào)查地點，如此，既可節(jié)省實地空間轉(zhuǎn)換所消耗的時間，又可以即時發(fā)現(xiàn)遺漏之處。根據(jù)在上海市的實際操作經(jīng)驗，采用數(shù)字化影像進行綠化解譯，單人單機即可獨立負責一片區(qū)域，每天大約可完成0.5平方公里區(qū)域內(nèi)的綠化解譯和面積量算工作；而人工實地量算，一般需要3人為一個工作小組， 要完成上述面積區(qū)域內(nèi)的綠化量算工作，至少需要3~4個小組。也就是說，采用數(shù)字化航空遙感影像進行城市綠化調(diào)查，相對于人工實地量算而言，效率可提高10倍以上。
1.4 易于更新
調(diào)查區(qū)域內(nèi)的綠化遙感信息經(jīng)矢量化成圖后，各個綠化單元的邊界就被確定下來。將來綠化如果有增加和改造，只要在矢量圖上將相應(yīng)的部分做修改，變化信息實時地在矢量圖上反映出來，并能很快獲得新的統(tǒng)計結(jié)果，從而實現(xiàn)綠化信息的快速更新。
2． 數(shù)字化的彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法
下面介紹在上海市第三輪航空遙感綜合調(diào)查應(yīng)用中探索出的趨于成熟的航空遙感綠化數(shù)字化調(diào)查方法。
2.1 綠化調(diào)查范圍的確定與數(shù)字化影像的獲取
首先確定進行綠化調(diào)查的區(qū)域范圍，然后將覆蓋該區(qū)域的彩紅外航片以相同的分辨率進行數(shù)字化掃描。
2.2 航片定位校正
這項工作可以在某一地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件中進行。將數(shù)字化的影像與矢量地圖進行定位匹配和幾何校正運算，以便將調(diào)查區(qū)域的影像與地理坐標聯(lián)系起來，并糾正航片拍攝時形成的畸變。這樣，一方面可以將
覆蓋調(diào)查區(qū)域的所有航片拼接在一起，便于綠化解譯；另一方面可以使所有校正好的航片的實際比例尺基本達到一致，確保綠化矢量多邊形的面積統(tǒng)計的準確性。
2.3 陰影內(nèi)綠化的增強處理
陰影區(qū)域內(nèi)地物的光譜分辨率一般會顯著下降，給地物識別造成很大的困難，這對于綠化的精細解譯是一個不利的因素。為了能夠識別出陰影內(nèi)的綠化信息，需要先對影像進行非線性拉伸的亮度增強處理。由于城市的地面多為水泥或其他材料，其所含的水分要大大低于植被，故對可見光的反射要強于植被。根據(jù)實驗以及實際應(yīng)用情況表明，在經(jīng)過增強處理后的陰影區(qū)域內(nèi)，植被往往呈現(xiàn)較暗的斑塊，再結(jié)合人工綠化分布的規(guī)律性，基本上能夠較準確地把陰影內(nèi)的綠化解譯出來。
2.4 綠化解譯與面積統(tǒng)計
在某一GIS軟件環(huán)境中，將已經(jīng)定位校正和增強處理好的數(shù)字化影像（航片）以圖層疊置的方式顯示出來，以這些影像為背景將其中的每一塊綠化沿著其邊緣矢量化成相應(yīng)的多邊形。在解譯時，針對某一幢建筑，需要將呈現(xiàn)其不同側(cè)面的航片分別設(shè)置為當前活動圖層（航向重疊和旁向重疊的航片），這樣便能將建筑物各個側(cè)面的綠化基本解譯出來。同時，還可以根據(jù)要求將不同功能類別的綠化（公共綠地、居住區(qū)綠地、單位綠地、生產(chǎn)綠地、臨時綠地、行道樹等）的矢量多邊形分別以不同顏色表示，或者放在不同的層內(nèi)。待調(diào)查區(qū)域內(nèi)所有的綠化都解譯完后，利用GIS軟件中的面積統(tǒng)計功能計算不同功能類別的綠化覆蓋面積和總的綠化覆蓋面積，再結(jié)合土地面積、人口數(shù)可計算出綠化覆蓋率、綠地率以及人均綠地面積等綠化水平的評價指標。
2.5 覆蓋面積的季節(jié)變化分析
如果航片是冬季所攝，則道樹中落葉樹的樹冠面積要比夏季有明顯減小，可以結(jié)合落葉樹形態(tài)、生態(tài)習(xí)性加以分析，以便估算出行道樹在夏季的覆蓋面積。以上海市區(qū)為例，行道樹中以懸鈴木較為典型，該樹種屬于落葉樹，冬季時絕大部分樹葉和小樹枝枯落，同時某些樹被修剪，樹冠直徑縮小；春、夏季時再生新枝，樹葉茂盛，覆蓋面積擴展，直徑外延。生長期內(nèi)的樹枝，一般以向陽、向上方式生長，依據(jù)園林部門的積累的經(jīng)驗數(shù)值，其平面拓展的狀況為樹冠直徑外延0.5~1米。根據(jù)該經(jīng)驗數(shù)值可以大體估算出夏季行道樹覆蓋的拓展面積，進而得出夏季綠化覆蓋的增加比例。據(jù)上海已進行的綠化調(diào)查結(jié)果表明，行道樹夏季覆蓋面積的拓展對于整體覆蓋率的提高的影響是十分有限的，一般不超過0.15% 。
2.6 實地采樣進行誤差分析
采用航空遙感手段進行調(diào)查是為了最大限度地減少野外工作量，提高調(diào)查效率，但并不能完全脫離或丟棄實地調(diào)查工作。事實上，進行實地采樣是檢驗計算機內(nèi)解譯誤差的最好手段。綠化的實地調(diào)查主要針對陰影區(qū)域和建筑物密集區(qū)域進行，因為在航空遙感影像上處于這些區(qū)域內(nèi)的綠化容易被遮擋或出現(xiàn)邊界模糊的情況，直接影響到解譯的準確性。以實地采樣測量的綠地面積為衡量標準，可對計算機內(nèi)解譯的誤差情況及原因做相應(yīng)的評估，以確定計算機內(nèi)綠化解譯結(jié)果是偏大抑或偏小。
2.7 撰寫綠化調(diào)查報告與制作綠化現(xiàn)狀影像圖
綠化調(diào)查報告應(yīng)詳細說明各個類別的綠化覆蓋面積、總體覆蓋面積以及綠化覆蓋率、綠地覆蓋率，還可以列舉出一些特殊綠地的面積統(tǒng)計結(jié)果，并分析行道樹覆蓋面積的季節(jié)變化以及解譯誤差的情況。此外，還可以根據(jù)需要，對調(diào)查區(qū)域內(nèi)的綠化分布特點進行分析，并對綠化建設(shè)提出一些建設(shè)性的意見。
為了直觀反映調(diào)查區(qū)域的綠化現(xiàn)狀，便于綠化管理和規(guī)劃，還需要將數(shù)字化的航空遙感影像做無縫拼接，制作出航空遙感現(xiàn)狀圖。
3．應(yīng)用與展望
3.1 在上海市四個區(qū)的綠化調(diào)查應(yīng)用
上海市第三輪航空遙感綜合調(diào)查始于1999年底，至2000年4月份完成航攝，隨后開展數(shù)字化和有關(guān)的應(yīng)用工作。從2000年6月至2001年5月，應(yīng)用上述彩紅外航空遙感方法，上海市航空遙感綜合調(diào)查辦公室已先后為上海市閔行區(qū)、長寧區(qū)、嘉定建城區(qū)、金山建城區(qū)進行了綠化的精細調(diào)查，并獲得了建設(shè)部和委托調(diào)查方的好評。閔行區(qū)據(jù)此已經(jīng)申報并成功獲得國家園林城區(qū)稱號，金山區(qū)的申報工作正在進行，長寧和嘉定依據(jù)調(diào)查的結(jié)果，已經(jīng)就進一步提高區(qū)內(nèi)的綠化水平做了詳細的規(guī)劃。
3.2彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法今后的發(fā)展方向
彩紅外航空遙感綠化調(diào)查雖然目前已經(jīng)發(fā)展到數(shù)字化并與GIS軟件結(jié)合的階段，野外量測與核對工作大大減少了，效率、準確率也大為提高，但是，目前國內(nèi)外遙感軟件的自動分類功能尚不十分完善，尤其是對于陰影內(nèi)的信息自動分類顯得無能為力。因此，用航空遙感進行綠化精細調(diào)查，下一步應(yīng)該朝著半自動提取的方向努力，即結(jié)合人工智能進行分類，對于陰影內(nèi)的綠化必須進行人機交互解譯，這也是實踐得出的重要經(jīng)驗。
4．結(jié)語
城市綠化的精細調(diào)查能為城市綠化的規(guī)劃和建設(shè)提供直接、重要依據(jù)。本文從植被光譜反射特征的角度論述了采用彩紅外航空遙感手段能夠清晰反映處于不同生長期的植被信息的優(yōu)點，并從數(shù)字化應(yīng)用的角度進一步論證了彩紅外航空遙感數(shù)字化信息用于綠化精細調(diào)查所具有的精確性、可靠性、高效率、易于更新等優(yōu)點。本文介紹在實踐中摸索出來的數(shù)字化的彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法，已經(jīng)先后為上海的四個區(qū)（建城區(qū)）進行了綠化現(xiàn)狀的精細調(diào)查，并為創(chuàng)建國家園林城區(qū)的管理與監(jiān)控做出了貢獻。目前的彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法正朝著半自動提取的方向發(fā)展。
[參考文獻]
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[3] 王祥榮. “十五”規(guī)劃期上海城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的戰(zhàn)略重點與對策.
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