童 鳴 佘江峰

（南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用重點實驗室，江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210023）

0.引言

隨著城市化進程加快，綠化建設(shè)已經(jīng)成為提升城市環(huán)境質(zhì)量的重要一環(huán)，綠色植被能有效緩解空氣污染、噪音污染、熱島效應(yīng)[1,2]等環(huán)境問題。街道作為城市居民活動的主要場所，其綠化水平的高低能一定程度上提升居民的步行體驗和身心健康[3]。前人對于城市綠化水平的評價一般通過遙感影像提取植被覆蓋度[4]獲得，但這種評價方法基于俯視視角，僅能反映街道的水平綠化程度，與行人對街道綠化的感受有較大差異。而“綠視率”（Green View Index, GVI）指標可以從行人視角量度街道綠化水平，使得對城市街道綠化的評價結(jié)果更貼近人類感受，成為街道綠化評價的新興方法。

傳統(tǒng)綠視率測量方法使用圖像處理軟件，人工提取街道現(xiàn)場拍攝照片中的植被像素，計算出綠色植被的比例[5,6]。這種方法精度較高，但數(shù)據(jù)獲取和綠視率計算過程費時費力，且研究區(qū)域局限于較小范圍。隨著街景圖像出現(xiàn)及計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，綠視率的計算效率顯著提高，處理范圍可擴展到單座城市甚至多座城市。街景圖像的拍攝角度接近人類視角，能較好地還原行人在街道上的視覺感受，覆蓋范圍廣[7]，數(shù)據(jù)獲取便捷，成本低，為大范圍的街道綠化評價提供了可能。如Long[8]等人利用街景圖像評價了國內(nèi)245 座主要城市中心區(qū)域的綠視率，陳明[9]等人基于街景圖像評價了武漢市綠視率與城市用地類型及綠化覆蓋率的關(guān)系，郝新華[10]等人利用街景圖像評價了成都市的街道綠化水平及其與道路等級、地塊性質(zhì)等因素的關(guān)系。但鮮有學(xué)者進行舊城區(qū)和新城區(qū)的街道綠化對比研究，由于新舊城區(qū)的建設(shè)時代和規(guī)劃理念不同，對兩者分別進行綠化評價，對提升各自的街道綠化質(zhì)量具有借鑒意義。此外，綠視率指標僅能測量綠化量的大小，而許多城市的街道綠化帶存在植物群落層次單一的問題，一些道路的植物配置缺乏層次，只有喬木層，沒有灌木層和草木層的復(fù)層結(jié)構(gòu)[11]，視覺效果較差，導(dǎo)致景觀單調(diào)乏味。喬、灌、草的均衡搭配，可以構(gòu)成復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)，有利于光能的充分利用及多樣化植物景觀的營造[12]。因此，本文針對街道綠化提出植被層次性指標，用于定量研究街道綠化帶中植物配置的層次性問題。

本文基于街景圖像計算了南京市主城區(qū)的街道綠視率，并分析了內(nèi)城與新城的綠視率空間分布差異，以及不同道路等級的綠視率差異。將綠視率與植被層次性指數(shù)結(jié)合，對街道綠化質(zhì)量進行綜合評價。研究結(jié)果可以為南京市道路綠化帶景觀的提升提供參考。

1.研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于南京市主城區(qū)范圍，包括鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、玄武區(qū)、秦淮區(qū)和雨花臺區(qū)東北部，總面積約為408.24km（2如圖1 所示）。其中內(nèi)環(huán)線以內(nèi)的地區(qū)稱為內(nèi)城，內(nèi)環(huán)線以外的地區(qū)稱為外城，河西新城簡稱為新城。

圖1 研究區(qū)

2.數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用OpenStreetMap（OSM）作為研究區(qū)路網(wǎng)數(shù)據(jù)源。根據(jù)OSM 的道路類型屬性，選取6 種類型的道路，即快速路、主干路、二級道路、三級道路、居民區(qū)道路和生活性道路。由于OSM 的分類標準與國內(nèi)道路的分級標準不同，將這些道路重新分為快速路、主干路、次干路、支路4 個等級（如表1 所示），各道路級別的路段數(shù)量、總長度、參考紅線寬度（如表2 所示）。為減少空間誤差對樣本點選取造成的影響，對照騰訊地圖底圖對部分道路的位置和拓撲問題進行修正，將所有道路合并為單線，并沿每個道路交叉口進行道路打斷操作。根據(jù)行人的視線范圍，沿路網(wǎng)每隔50m 選取街景樣本點，并計算樣本點的地理坐標。街景數(shù)據(jù)來源于騰訊地圖應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）服務(wù)，通過請求圖片大小、坐標位置、偏航角（heading）、俯仰角（pitch）及開發(fā)者密鑰（key）等參數(shù)獲取街景圖像。將圖片大小設(shè)置為600x600（px），坐標位置通過樣本點計算得到，偏航角設(shè)置為 00、600、1200、1800、2400、30006 個方向，俯仰角設(shè)置為默認值（00）。共獲取街景圖像有效樣本點21045 個，拍攝年份以2014 年、2015年為主。

表1 OSM 道路分級和國標道路分級對應(yīng)關(guān)系

表2 道路等級及其參數(shù)

2.2 植被提取方法

本文選用圖像語義分割框架PSPNet[13]從街景圖像中提取植被。圖像語義分割是一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算機視覺技術(shù)，它可以將原始圖像中的每一個像素標注為對應(yīng)的類別，如樹木、天空、道路等，實現(xiàn)對圖像特定區(qū)域的語義識別。常用的語義分割框架有FCN、SegNet 和PSPNet 等，其中PSPNet 精度較高，適用于基于街景圖像的植被自動化提取。本文使用的是PSPNet的tensorflow 版本，使用Python 語言編寫，為每一張街景圖片生成語義分割結(jié)果圖。在結(jié)果圖中，每一種顏色代表一種類別，通過RGB 值查找出代表植被的顏色，即可提取出圖像中代表植被的像素（如圖2 所示）：

圖2 街景原圖和語義分割結(jié)果

2.3 綠化指數(shù)計算

本文使用的綠化指數(shù)主要有兩種：一種是綠視率；另一種是植被層次性指數(shù)。綠視率定義為行人視角范圍內(nèi)看到的綠色植物占全部場景元素的比例，即在街景圖像中植被所占的像素數(shù)與圖像的總像素數(shù)之比，其計算公式[14]如式（1）所示：

植被層次性指數(shù)用于衡量綠化帶中喬木層、灌木層和草本層搭配的平衡性，這里使用香農(nóng)—威納（Shannon—Wiener）指數(shù)衡量。Shannon—Wiener 指數(shù)[15]源于信息理論，通常用于衡量群落中物種多樣性的高低。將Shannon—Wiener 指數(shù)應(yīng)用于街道綠化帶上，可以用來評價綠化層次性的高低。綠化層次性SVH（Street Vegetation Hierarchy）的計算公式如式（2）及式（3）所示：

3.街道綠化評價結(jié)果與分析

3.1 綠視率空間分布特征及區(qū)域比較

通過計算街道上各樣本點綠視率的平均值得到各街道綠視率的空間分布（如圖3 所示），其中綠化較好的道路主要集中在3 個區(qū)域：城東紫金山及明故宮附近道路（A），城南雨花臺風(fēng)景區(qū)附近道路（C）及城西秦淮河西岸道路（B）。綠化較差的街道主要分布在兩大火車站附近道路（DG），內(nèi)城道路，新城南部道路（F）及城東白下工業(yè)園區(qū)道路（E）。整體上呈現(xiàn)出內(nèi)城綠視率較低，外城綠視率較高的分布格局，但外城邊緣地帶綠視率較低。

圖3 主城區(qū)綠視率分布

圖4 內(nèi)城綠視率分布

表3 內(nèi)城主要道路綠視率

提取南京市內(nèi)環(huán)線以內(nèi)區(qū)域，得到南京市內(nèi)城的綠視率空間分布（如圖4 所示），并標注了快速路、主干路和次干路的道路名稱。得到內(nèi)城大于2km 道路的綠視率排名（如表3 所示），前十名中有八條道路列于《南京市首批林蔭道名單》[16]中，證明了本文方法計算綠視率的準確性。可以看出內(nèi)城的主干道綠視率較高，次干路中綠視率較高的主要有建鄴路、上海路、廣州路等。由圖4 可看出，大部分支路（圖4 中未標注名稱道路）的綠視率水平不佳，僅在漢中路以北、中山路以西地區(qū)（圖4 中a 點）綠視率較好。中山路—中山南路以東區(qū)域（圖4 中b 點、c 點）綠視率較低，需要適當提升該地區(qū)的街道綠化水平。

各行政區(qū)的綠視率平均值及標準差，以及各綠視率級別所占的比例（如表4 所示）。各行政區(qū)的平均綠視率從高到低分別為玄武區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、雨花臺區(qū)、秦淮區(qū)，標準差從高到低分別為玄武區(qū)、雨花臺區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)。建鄴區(qū)、玄武區(qū)和鼓樓區(qū)的道路中達到“一般綠”等級及以上的超過半數(shù)，“非常綠”等級道路占比最多的為玄武區(qū)，“綠”等級道路占比最多的為鼓樓區(qū)，“一般綠”道路占比最多的為建鄴區(qū)。結(jié)合圖3 可以看出，玄武區(qū)達到“綠”和“非常綠”的道路主要位于紫金山及其以南片區(qū)，而其他片區(qū)綠視率等級較低，這導(dǎo)致了玄武區(qū)的綠視率均值和標準差都較高。鼓樓區(qū)綠視率較高的道路主要位于其西南部，尤其是秦淮河沿岸道路綠視率很高，而該區(qū)東北部道路綠視率較低。建鄴區(qū)中北部道路綠視率要高于其南部道路。秦淮區(qū)僅在其東北部靠近紫金山風(fēng)景區(qū)的地區(qū)有少量綠視率較高的道路，而其他地區(qū)綠視率較低。雨花臺區(qū)北部道路綠視率較高，因為這些道路位于雨花臺烈士陵園周邊，而南部靠近火車站地區(qū)綠視率則較低。

表4 各行政區(qū)綠視率統(tǒng)計

3.2 不同道路等級的綠視率對比

不同等級的道路，有著不同的道路寬度和綠化帶布置，因此綠視率水平會有差異。本文分別計算了南京市主城區(qū)、內(nèi)城和新城中不同等級道路的平均綠視率（如表5 所示）。主城區(qū)快速路的綠視率較低，而其他等級道路的綠視率水平相近。除快速路外，內(nèi)城的主干路綠視率較高，支路綠視率較低；而新城的主干路綠視率較低，支路綠視率較高。三類區(qū)域中，快速路的綠視率均為最低，這是因為快速路的寬度較大，植被離觀察者距離較遠，導(dǎo)致其在視野中的占比較低；此外，快速路多為交通用途的道路，對開闊性要求較高，不適合冠幅較大的喬木種植。在內(nèi)城范圍的道路中，主干路綠視率最高，這與內(nèi)城主干路兩側(cè)種植冠幅較大的懸鈴木有關(guān)，不少主干道為南京市典型的林蔭大道。內(nèi)城的支路綠視率較低，這些道路較為狹窄，且年代久遠，可利用空間有限，植被的種植相對較少。新城的主干路綠視率較低，這是因為新城的主干路相比于內(nèi)城更加寬闊，且植被的生長年齡都不長。而新城次干路和支路的綠視率均高于內(nèi)城，尤其是支路，相比內(nèi)城有更多的植被種植空間。

表5 主城、內(nèi)城和新城不同級別道路的平均綠視率對比

3.3 街道綠化質(zhì)量綜合評價

為了對街道綠化的質(zhì)量進行綜合評價，結(jié)合街道綠視率和植被層次性兩種指標，將綠化質(zhì)量分為四級，評價標準（如表6 所示）。一級街道植被較為充足，且上下層綠化搭配均衡；二級街道植被較為充足，但以喬木為主，缺乏下層綠化；三級街道植被較少，上下層綠化均有配置；四級街道植被較少，且缺乏下層綠化。

表6 街道綠化質(zhì)量等級表

圖5 街道質(zhì)量分布

道路綠化質(zhì)量等級一級到四級的分布圖（如圖5所示）。一級道路在內(nèi)城的分布較少，而在新城中北部分布較多；二級道路則以城市中北部街道為主，在內(nèi)城分布較多，而在新城分布較少；三級道路分布較為分散，其中新城南部、南京南站和白下工業(yè)園區(qū)的分布較為集中；四級道路主要分布在城市中北部，其中內(nèi)城占了較大比重，而在新城的分布數(shù)量稀少。

表7 各道路等級街道質(zhì)量分級統(tǒng)計

對于不同等級的道路，得到四種街道綠化質(zhì)量的比例（如表7 所示）。快速路中三級道路較多，其次是一級道路，其他級別的道路較少；主干路中一級和三級道路較多，其次是二級道路，四級道路較少；次干路中一級道路最多，之后是三級道路和二級道路，四級道路較少；支路中二級道路最多，隨后依次為四級道路、三級道路和一級道路。

結(jié)合實驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）新城區(qū)中北部道路綠化適宜，且能兼顧上下層綠化的平衡，而在紫金山以南片區(qū)、雨花臺片區(qū)、龍江片區(qū)和內(nèi)城的一些道路，雖然綠視率較高，但下層植被較為缺乏；（2）一些交通型道路，如城市快速路、工業(yè)園區(qū)道路、火車站附近道路，以草地和灌木等下層綠化為主，綠視率相對較低；（3）內(nèi)城道路普遍存在缺乏下層綠化的問題，但主干路和次干路綠視率較好，以二級道路為主，而支路則多為四級道路，綠化質(zhì)量需要加強。

4.結(jié)束語

本文使用騰訊街景數(shù)據(jù)和語義分割技術(shù)對南京市主城區(qū)的街道綠視率進行自動化估算，并應(yīng)用GIS方法分析了綠視率的空間分布規(guī)律。將植被層次性指數(shù)應(yīng)用在街道綠化上，評估各街道綠化帶上下層綠化的均衡性。探索了街道綠化在內(nèi)城與新城，以及不同道路等級上的差異，總結(jié)出不同城市區(qū)域和道路等級的綠化特征，得出以下幾點結(jié)論：

（1）總結(jié)出綠視率較高的三大區(qū)域：城東紫金山及明故宮周邊，城南雨花臺風(fēng)景區(qū)及城西秦淮河西岸片區(qū)。這幾大片區(qū)的特點是依山傍水，或者毗鄰歷史文化游覽區(qū)，這符合南京“山水城林”的城市特點。但作為南京市核心區(qū)域的內(nèi)城，街道綠化仍然需要提升，綠化水平較高的道路僅限于中山路、北京東路、漢中路等主干道，而以生活性用途為主的大量支路綠視率水平較低。支路是社區(qū)居民活動的主要場所，支路的綠化提升對于提高居民的步行體驗具有重要的意義。由于內(nèi)城支路空間狹小，難以種植大型喬木，可布置垂直綠化和種植箱綠化來提高綠視率。

（2）綠視率的高低和道路等級有顯著的關(guān)聯(lián)，快速路作為以交通用途為主的道路，需要較好的開闊度，因此在所有道路類型中綠視率最低。對于其他等級的道路，內(nèi)城與新城呈現(xiàn)出相反的分布規(guī)律。內(nèi)城的道路規(guī)劃源自民國時期，一些主次干道兩側(cè)種植大量懸鈴木，營造出“遮天蔽日”之感，因此綠視率較高，這些道路也是南京市林蔭大道的代表。內(nèi)城支路商鋪眾多，人流密集，空間狹小，綠化的改造比較困難。新城的各等級道路都會配置一定的綠化，但新城主干道往往較為寬闊，導(dǎo)致植被在視野中所占的比例會偏??；且新城樹木栽種時間較晚，冠幅尚小，在較寬的道路上無法形成足夠的綠視率。新城支路的綠視率受道路寬度的影響較小，且相比內(nèi)城的支路有更多的植被種植空間。

（3）河西新城中北部的道路能較好地平衡上下層綠化，主城區(qū)中北部的道路需要缺乏下層綠化，而主城區(qū)南部的道路缺乏上層綠化。對于主城區(qū)中北部道路，在土地空間允許的情況下，可適當設(shè)置一些低矮灌木、草地等，增加下層綠化水平；對于主城區(qū)南部道路，大多需要較高的開闊度，種植喬木可能會影響行車視線?？梢赃m當布置一些不影響視線的小型灌木，也可在高架橋橋墩和人行天橋側(cè)面布置一些攀援植物，起到緩解司機和行人視覺疲勞的作用。