孫心雨，田佳榕，徐雁南①，徐 昇,2，李海東

(1.南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學信息科學技術(shù)學院，江蘇 南京 210037；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042)

生態(tài)園林城市在促進健康環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、維持城市生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用[1]。構(gòu)建生態(tài)園林城市的重點在于設(shè)計城市園林景觀，優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境。行道樹不僅能美化道路景觀，還具備降塵減噪、降溫增濕的生態(tài)功能[2]，是城市生態(tài)景觀系統(tǒng)的主要組成之一。通過監(jiān)測行道樹生長，評估城市生態(tài)景觀效益，有利于城市管理者制定合理的城市生態(tài)景觀規(guī)劃，更好地建設(shè)生態(tài)園林城市。行道樹信息的搜集方式多樣，如人工實測[3]、無人機拍攝[2]和雷達掃描等。吳賓等[4]基于車載激光雷達快速獲取行道樹三維點云數(shù)據(jù)，計算參數(shù)信息。然而使用車載激光雷達進行掃描時，數(shù)據(jù)質(zhì)量受車速影響大，點云殘缺率高，其中冠層數(shù)據(jù)缺失率可達50%[5]，大面積的離散點云增加了行道樹參數(shù)提取的難度。

地基激光雷達(terrestrial laser scanning，TLS)作為一種主動遙感工具，可快速采集高密度點云數(shù)據(jù)，穩(wěn)定的采集平臺確保了數(shù)據(jù)采集的精準性[6]，并在精準提取林分垂直結(jié)構(gòu)中有較大優(yōu)勢[7]。大量研究證明TLS在林木結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是樹高、枝下高和冠幅的提取上精度高于90%[8-9]。在數(shù)據(jù)采集較完整的前提下，可將TLS數(shù)據(jù)目視解譯提取的林木結(jié)構(gòu)參數(shù)值視為真實值，用以估算植被生態(tài)景觀效益并進行評價分析，可為實地調(diào)查減少大量人力資源[9]。

目前，關(guān)于道路評價的研究還未形成一個統(tǒng)一的模型。陳芳[10]、關(guān)磊等[11]以及張良等[12]基于已選取的評價指標，采用不同的權(quán)重計算模型，根據(jù)景觀優(yōu)化、生態(tài)影響和健康程度構(gòu)建有關(guān)公路的評價體系，以此提出優(yōu)化建議。林木結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取是建立評價指標模式的基礎(chǔ)，可作為衡量生態(tài)景觀差異的定量指標，使評價結(jié)果更具科學性和合理性。

以TLS為研究工具，通過處理分析點云數(shù)據(jù)、提取林木參數(shù)和構(gòu)建評價體系，量化黃海海濱國家森林公園內(nèi)兩條道路的行道樹生態(tài)景觀效益，為建立生態(tài)園林城市、設(shè)計道路和評價行道樹生態(tài)景觀效益等提供方法指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

黃海海濱國家森林公園于2015年創(chuàng)立，位于江蘇東臺市，地處北緯32°33′～32°57′，東經(jīng)120°07′～120°53′，前身為1965年建立的東臺林場。東臺屬亞熱帶季風性氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，降水量為1 061.2 mm。公園占地0.45萬hm2，地勢平坦，土壤類型為砂質(zhì)壤土，森林覆蓋率達90%，樹種達628種，主要樹種有I-72楊(Populuseuramericanacv. I-72)、銀杏(Ginkgobiloba)和水杉(Metaseguoiaglyptostroboides)等，木材總蓄積量充足。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

于2019年10月采集研究數(shù)據(jù)，選取黃海海濱國家森林公園內(nèi)兩條不同樹種的行道樹道路，其中，針闊混交道路測量長度為50 m，包含13棵圓柏(Sabinachinensis)和12棵黑楊(Populusnigra)，圓柏與黑楊間種，株距為5 m；闊葉道路測量長度為100 m，包含31棵二球懸鈴木(Platanusacerifolia)，株距約為10 m。

根據(jù)選取的研究道路兩側(cè)植被生長好、多為大喬木的特點，選用RIEGL VZ-400i地面三維激光掃描儀。RIEGL VZ-400i具有120萬點·s-1超高激光發(fā)射頻率和50萬點·s-1超高數(shù)據(jù)采集速度，可極大地減少在野外的掃描時間，測量相對精度為5 mm，測距可達80 m。掃描站點架設(shè)見圖1。

黑色點劃線框為研究區(qū)域，黑色虛線為道路中軸線，掃描站點沿道路中央布設(shè)，站點間隔為8～10 m，確保研究區(qū)域內(nèi)每棵行道樹在道路內(nèi)側(cè)的點云量充足。圖1 地基激光雷達(TLS)站點架設(shè)示意Fig.1 Distribution of TLS stations

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Riscan Pro 64 bit v 2.6.1軟件可對各站點的點云數(shù)據(jù)匹配對應(yīng)的全景照片，并對點云進行RGB渲染，使點云著色。相鄰站點間重疊的點云用于拼接，在設(shè)定拼接環(huán)境模式后，軟件將根據(jù)模式內(nèi)允許的誤差范圍進行數(shù)據(jù)自動拼接，對于站點距離間隔較遠或重疊點云數(shù)量較少的情況，手動尋找參照物進行拼接。

在野外調(diào)查中，掃描儀可能因受到人為活動、飛鳥和設(shè)備本身等干擾，接收到很多錯誤的反射信號，在獲取點云數(shù)據(jù)時不可避免地產(chǎn)生很多離群點，即噪點。這些噪點的存在會影響后期數(shù)據(jù)的處理，降低數(shù)據(jù)精度，甚至改變最終結(jié)果[13]。因此，為提高數(shù)據(jù)精度，需要對點云數(shù)據(jù)進行去噪。目前，常見的去噪方法大多來自已有模型或數(shù)字圖像去噪算法，如拉普拉斯算法、雙邊濾波等，筆者以點與點之間距離為主要衡量指標，根據(jù)多次實驗經(jīng)驗，以10個點為鄰域，計算域內(nèi)各點間平均距離的中值和標準差，并以相應(yīng)計算公式限定距離的最大閾值，大于閾值的點視為噪點，保留閾值內(nèi)的點進行后續(xù)計算。相關(guān)計算公式為

Tmax=M10+3×σ。

(1)

式(1)中，Tmax為10個點的閾值；M10為10個點的中值；σ為10個點的標準差。

由于TLS穿透性強，測距遠，掃描的點云數(shù)據(jù)中存在很多非研究對象，如林下灌木、路邊?？寇囕v、道路指示牌、電線桿和道路兩側(cè)的其他綠化植物等，可通過目視解譯對非研究對象進行識別裁剪，保留待研究的行道樹點云數(shù)據(jù)。對裁剪后的數(shù)據(jù)采用改進的漸進加密三角網(wǎng)濾波算法，做地面點分類，并以分離出的地面點進行點云歸一化，消除地形對點云數(shù)據(jù)的影響。點云歸一化公式為

Z高度=Z絕對-Z地面。

(2)

式(2)中，Z高度為歸一化后各點高程；Z絕對為各點真實高程，即絕對高程；Z地面為各點臨近的地面點高程。

2.3 單木分割

所選取的行道樹呈等間距栽植，冠層相互遮擋情況較少，有利于植被的單木分割，提升參數(shù)提取精度。對于闊葉道路，根據(jù)闊葉樹冠層結(jié)構(gòu)分散的特性，將初始種子點手動選在每棵樹的樹頂部分，以相鄰種子點間的水平距離作為閾值，閾值內(nèi)所有點云按照從樹頂至樹根的順序進行聚類分割，對比各點云分別到2個種子點的水平距離，將點云分割給較小距離的種子點[14]。這種分割方式的精度比TLS分割更高。對于針闊混交道路，利用圓柏冠層結(jié)構(gòu)特點，選擇常用的TLS點云分割方式，將各樹樹根部分選作初始種子點，自下而上進行聚類分割。

2.4 參數(shù)提取

歸一化后的點云數(shù)據(jù)可用于測量點云的相對距離，單木分割后，點云的歸屬關(guān)系也得到確定。單木分割存在一定誤差，即無法完全正確分割所有樹木，因此在提取單木參數(shù)時需區(qū)分處理。

對于分割正確的樹木，可根據(jù)單木分割中設(shè)定的初始種子點自動提取樹高，并依據(jù)先前經(jīng)驗測量枝下高。由于測量的站點集中在道路沿線，行道樹的三維點云普遍呈現(xiàn)道路內(nèi)側(cè)完整、道路外側(cè)稀疏的現(xiàn)象，冠層部分的點云缺失率低于20%，不影響冠幅自動提取。當處理分割有誤的行道樹時，根據(jù)點云距離對樹高、冠幅等參數(shù)進行人工提取。最終將所有統(tǒng)計參數(shù)匯總，以便后續(xù)計算三維綠量。

2.5 評價體系構(gòu)建

建立了定性與定量兼顧的評價方法，結(jié)合實地考察及數(shù)據(jù)分析，首先將指標體系劃分為目標層、準則層和因子層3大部分，采用常用園林植物的功能指標值[15-17](由于固碳與釋氧、降溫與增濕相關(guān)性強，未將釋氧和降溫作為評價指標)從生態(tài)和景觀2個方面篩選得到6個指標因子，其中，A1～A3、B1為定量指標，B2、B3為定性指標(表1)。

表1 生態(tài)景觀效益指標構(gòu)建Table 1 Assessment index system of ecological landscape benefits

均方差法是一種權(quán)重賦值方法，可將各指標作為隨機變量，經(jīng)無量綱化后分別求取各指標均值和均方差，并以此求出各指標權(quán)重。權(quán)重反映了信息量的權(quán)數(shù)，指標的標準差越大，其在綜合評價中的作用就越大，權(quán)重也隨之增大。筆者研究中，首先將數(shù)據(jù)無量綱化，其計算公式為

(3)

式(3)中，i為準則層效益；j為各效益下的3個指標；yij為各指標無量綱化結(jié)果；xij為各指標值。

均方差及權(quán)重計算公式為

(4)

(5)

式(4)～(5)中，σ(yi)為各效益的均方差；E(yij)為各效益均值；Wi為最終權(quán)重。

生態(tài)景觀評價值計算公式為

(6)

式(6)中，S為生態(tài)景觀評價值。

綜上所述，該研究設(shè)計思路分為點云數(shù)據(jù)的處理和生態(tài)景觀評價體系的構(gòu)建2個部分。針對點云數(shù)據(jù)，主要步驟為數(shù)據(jù)的預(yù)處理、單木分割和參數(shù)提取。依據(jù)點云數(shù)據(jù)的參數(shù)提取結(jié)果構(gòu)建評價體系，選取合適的指標并統(tǒng)計，最終對不同行道樹道路模式進行評價。

2.6 指標計算

2.6.1三維綠量統(tǒng)計

三維綠量也稱綠量，指樹冠體積，即植物的莖、葉所占空間面積[18]。目前，常用的三維綠量測量方法包括平面量模擬立體量法、立體攝影測量法和立體量模擬立體量法[19]。采用平面量模擬立體量法，將行道樹點云數(shù)據(jù)投影至xy水平坐標系平面，觀察樹冠部分，尋找近似幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)冠幅和冠高計算三維綠量。此種方法具有計算簡單、誤差小的特點。圓柏冠層貼近地面，計算綠量時以樹高代替冠高。二球懸鈴木冠層整體呈闊鐘形，為了減小綠量計算的誤差，可將冠層沿樹高方向分割計算，分割后樹冠可近似看作一個圓錐形和一個圓臺，分段計算三維綠量。常用計算公式見表2。

表2 各行道樹三維綠量計算公式Table 2 Formulas for different street trees three-dimensional green volume

2.6.2生態(tài)效益換算

根據(jù)三維綠量計算結(jié)果，考慮到東臺市與上海市地理環(huán)境的相似性，參考“上海市生態(tài)環(huán)境評價系統(tǒng)”的研究結(jié)果[20](表3)，將綠量換算為CO2吸收量、滯塵量等生態(tài)效益，以此進行生態(tài)效益評價。

表3 每10-4 m3綠量換算的生態(tài)效益Table 3 Per 10-4 m3 green volume′s conversion of ecological benefit indexes t·a-1

CO2是常見溫室氣體，CO2濃度增加會導(dǎo)致城市“熱島效應(yīng)”加劇。植物通過光合作用吸收CO2，釋放O2，達到固碳效果，因此植物固碳量可用CO2吸收量表示。

同理，植物的蒸騰作用體現(xiàn)了其降溫增濕功能。植物經(jīng)過蒸騰作用減少自身水分，并以汽態(tài)水形式揮發(fā)至空氣中，從而增加空氣濕度，轉(zhuǎn)為汽態(tài)水時大量吸熱，可降低環(huán)境溫度。植物的降溫增濕功能在夏季尤為明顯，能給人類提供更為舒適的生活環(huán)境[16]，因此植物增濕量可用夏季蒸騰量表示。

2.6.3景觀效益統(tǒng)計

選取植物美學效益、觀賞效益和景觀融合程度3個指標衡量行道樹景觀效益。其中，植物美學效益可用通過點云數(shù)據(jù)計算得到的道路剖面圖像的綠視率衡量[21]。選取道路中間位置，分別獲取前后兩個方向的點云圖，將其轉(zhuǎn)為柵格后通過目視解譯結(jié)合最大似然法進行監(jiān)督分類，區(qū)分植被與非植被，以此計算植被所占柵格數(shù)，對比總柵格數(shù)得到綠視率。具體計算公式為

Iv,g=Sg/St×100%。

(7)

式(7)中，Iv,g為綠視率；Sg為植被柵格數(shù)；St為圖像柵格數(shù)。

植物的觀賞效益及路旁景觀融合程度由專家評分，分值設(shè)置見表4。

表4 景觀效益指標評分Table 4 The score of landscape benefit indexes

3 結(jié)果與分析

3.1 單木分割

將已分割的點云按種子點順序著色，遍歷分割結(jié)果，在針闊混交道路的25棵樹木中，冠層分割錯誤1棵，分割正確率為96.0%；在闊葉道路的31棵樹木中，冠層分割錯誤1棵，冠層分割不全1棵，分割正確率為93.5%：兩者分割正確率均高于90%，說明分割效果好。針闊混交道路因不同樹種明顯的形態(tài)特征，分割精度高于闊葉道路。

3.2 三維綠量計算

三維綠量統(tǒng)計結(jié)果見圖2，每棵圓柏平均綠量為11.00 m3，每棵黑楊平均綠量為453.06 m3，每棵二球懸鈴木平均綠量為29.01 m3。黑楊、二球懸鈴木作為闊葉樹種，具備寬大的冠層結(jié)構(gòu)，在計算綠量時優(yōu)勢顯著。而黑楊的速生性使得其冠幅、冠高遠超其他樹種，各樹種單株綠量由大到小依次為黑楊、二球懸鈴木和圓柏。

圖2 各棵行道樹參數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Statistics of street trees

以研究道路內(nèi)現(xiàn)有株距為準，每50 m的針闊混交道路內(nèi)共有25棵樹，總綠量約為5 579.03 m3，每50 m長闊葉道路有16棵樹，總綠量約為899.37 m3。對比針闊混交道路，闊葉道路樹種單一，植株間距大。相同道路長度條件下，針闊混交道路株距小，行道樹數(shù)量多，因此在50 m長道路內(nèi)，針闊混交道路總綠量大于闊葉道路。

3.3 生態(tài)效益估算

根據(jù)以上計算結(jié)果，參考上海浦江郊野公園的生態(tài)效益計算過程[18]，換算每50 m長的不同道路固碳量、滯塵量和增濕量等生態(tài)指標，結(jié)果見表5～6。由表5～6可知，單株樹木的固碳量、滯塵量和增濕量與其三維綠量呈正相關(guān)，樹木冠幅越大，冠高越高，其三維綠量越大，單株樹木的固碳量、滯塵量和增濕量就越高，生態(tài)效益越好。因此單株樹木的生態(tài)效益由高到低依次為黑楊、二球懸鈴木和圓柏；從道路角度分析，每50 m內(nèi)，針闊混交道路的固碳量、滯塵量和增濕量均高于闊葉道路，顯然，針闊混交道路的生態(tài)效益更好。

表5 單株行道樹生態(tài)效益Table 5 Ecological benefits of each tree

3.4 景觀效益計算

在美學效益上，計算得到針闊混交道路綠視率為63.0%，闊葉道路綠視率為40.1%，針闊混交道路的植物美學效益更好(表7)。分析實際情況可知，所選取的闊葉道路路面寬，二球懸鈴木尚未進入成熟期，冠層面積普遍較?。会橀熁旖坏缆仿访嬲?，兩側(cè)灌木層植被豐富，所以計算得出的綠視率偏高。

表6 每50 m不同行道樹道路生態(tài)效益Table 6 Per 50 meters ecological benefits of roads with different street trees

表7 不同行道樹道路綠視率情況Table 7 Results of visual green index in different roads

在觀賞效益與景觀融合度上，針闊混交道路與路旁的楊樹林呼應(yīng)，景觀融合度高；高大的楊樹與低矮的圓柏拉伸了道路垂直結(jié)構(gòu)景觀，層次分明；常綠針葉樹種與落葉闊葉樹種的相互搭配賦予了道路豐富的色彩，提升物種豐富度，道路觀賞效益好。闊葉道路營造出道路整齊、路旁景觀統(tǒng)一的景觀效果。在景區(qū)內(nèi)，闊葉道路因其樹種單一難以體現(xiàn)道路垂直結(jié)構(gòu)景觀，觀賞效益略低于針闊混交道路。

根據(jù)各項指標結(jié)果計算均方差，得到各項效益的權(quán)重。根據(jù)建立的評價模型，計算生態(tài)景觀評價值，得到針闊混交道路的生態(tài)景觀評價值為2.44，闊葉道路為0.56，針闊混交道路生態(tài)景觀顯著高于闊葉道路。統(tǒng)計各指標均方差可得，固碳量均方差為0.36，在6個指標中最大，說明固碳量對評價模型影響最大。

4 討論

道路及行道樹的規(guī)劃建設(shè)對建設(shè)生態(tài)園林城市具有重大意義，目前已公開發(fā)表的道路評價研究多以高速公路或城市干道為研究對象[3,22-23]，根據(jù)研究道路的主要特征，主要圍繞生態(tài)、景觀和安全3個功能進行分析。與城市干道和高速公路相比，景區(qū)道路具有路面較窄、來往車輛少、道路安全性好的特點，游客對道路的要求集中在遮陰供氧和游玩觀賞方面。筆者通過參考前人對道路的研究視角，立足研究區(qū)自身特點，綜合考慮游客喜好，分析景區(qū)道路的生態(tài)效益和景觀效益，篩選出6個評價指標構(gòu)建評價體系。

在數(shù)據(jù)的采集與處理上，前人多采用問卷調(diào)查法和樣地實測法。問卷調(diào)查法直觀展現(xiàn)了居民感受[23]，注重人文因素，但缺少定量數(shù)據(jù)作為支撐，研究結(jié)果不具備普適性；樣地實測法需以卷尺、測高儀等工具實地測量公路行道樹[3,24]，獲取的參數(shù)信息精準，但采集花費的時間較多，成本高。筆者采用地基激光雷達儀快速采集數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理提取參數(shù)信息，優(yōu)化采集方法；考慮到游客感受，選取部分定性指標，并結(jié)合定量指標，使評價內(nèi)容更全面。

分析評價結(jié)果，針闊混交道路生態(tài)景觀評價得分為2.44，高于闊葉道路，反映了針闊混交道路在生態(tài)調(diào)節(jié)和游覽觀賞方面更好，原因在于針闊混交道路合理配置不同樹種冠形與樹高，不僅大幅減小行道樹種植間距，而且拉伸了道路的垂直結(jié)構(gòu)。定量生態(tài)指標為固碳量、增濕量和滯塵量，分別從植物光合作用、蒸騰作用及行道樹對環(huán)境的影響方面，反映樹木的生長狀況與生態(tài)功能。3個生態(tài)指標通過三維綠量計算得到，三維綠量是園林生態(tài)功能評價的重要部分[18]。根據(jù)綠量統(tǒng)計結(jié)果，每50 m長的針闊混交道路總綠量為5 579.03 m3，每50 m長的闊葉道路總綠量為899.37 m3，針闊混交道路優(yōu)于闊葉道路，進一步分析發(fā)現(xiàn)，黑楊樹形巨大，顯著提升了整條道路的總綠量，彌補了僅以圓柏作為行道樹的不足，也證實了黑楊作為常見行道樹樹種的生態(tài)原因。對比3個指標可知，針闊混交道路在固碳量、增濕量和滯塵量上均優(yōu)于闊葉道路。植物美學效益、植物觀賞效益和路旁景觀融合程度3個景觀指標的選擇，既涵蓋了人類心理活動，又體現(xiàn)了景觀生態(tài)學在生態(tài)園林城市中的重要地位，對景觀效益指標進行評價可以更好地指導(dǎo)園內(nèi)道路景觀建設(shè)，并為公園的未來發(fā)展提供一種思路。黃海海濱國家森林公園未來可形成一個融合生態(tài)涵養(yǎng)與旅游經(jīng)濟的景觀格局[25]，在確保用材林面積不減少的前提下，適當增加鄉(xiāng)土樹種的種植面積，優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)，建立鄉(xiāng)土樹種生境系統(tǒng)；在旅游經(jīng)濟功能上，優(yōu)化林木產(chǎn)業(yè)鏈，配備不同樹種介紹，游客在觀光的同時還能得到知識的普及，從而提升旅游的文化性。

5 結(jié)論

所構(gòu)建的評價體系能夠以數(shù)字形式對比顯示當前不同道路綠化狀況。評價結(jié)果表明，選取的道路受行道樹栽培時間不同、株距差異等影響，在現(xiàn)階段闊葉道路生態(tài)景觀評價值低于針闊混交道路，具有一定合理性。隨著行道樹逐年生長，道路生態(tài)景觀隨之改變，未來的評價結(jié)果也將發(fā)生變化。筆者構(gòu)建的生態(tài)景觀評價體系可推廣用于分析城市道路的綜合綠化效果，為道路生態(tài)監(jiān)測及景觀調(diào)整提供一種評價方法。結(jié)合研究結(jié)果，針對生態(tài)園林城市建設(shè)提出以下建議：(1)城市中不同功能道路可根據(jù)道路需求種植合適的行道樹。非城市主要干道道路或景區(qū)內(nèi)道路，應(yīng)著重考慮道路生態(tài)效益與景觀效益。針闊混交道路能增加道路垂直空間結(jié)構(gòu)，提升道路觀賞價值；(2)選擇行道樹樹種時應(yīng)以適地適樹為首要原則，以鄉(xiāng)土植物為主，綜合考慮樹木花粉過敏、飛絮等生態(tài)問題，加強后期養(yǎng)護管理，提升道路整體舒適度。

評價體系的模型選擇與調(diào)查數(shù)據(jù)的準確程度直接影響評價結(jié)果，該研究在部分指標的選擇和測量上還有進一步優(yōu)化的空間，未來數(shù)據(jù)采集可考慮采用將無人機影像數(shù)據(jù)與地基數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，以解決行道樹冠層點云數(shù)量缺失的問題，提高參數(shù)提取精度。