熊育久，趙少華，鄢春華，邱國(guó)玉，孫華，王艷林，秦龍君

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510275； 2.廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心，廣州 510275； 3.生態(tài)環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心/國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094； 4.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，深圳 518055； 5.中南林業(yè)科技大學(xué)林業(yè)遙感信息工程研究中心，長(zhǎng)沙 410004； 6.林業(yè)遙感大數(shù)據(jù)與生態(tài)安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004； 7.南方森林資源經(jīng)營(yíng)與監(jiān)測(cè)國(guó)家林業(yè)與草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004；8.廣州市規(guī)劃和自然資源局，廣州 510000)

0 引言

城市是人類(lèi)聚居的重要場(chǎng)所，亦是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。截至2018年，全球55%的人口居住在城市，該比例在2050年預(yù)計(jì)將達(dá)到68%[1]，尤其是發(fā)展中國(guó)家，正經(jīng)歷不同程度的城市化進(jìn)程。在中國(guó)，城市化是目前和未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)與中心任務(wù)[2]。但城市化進(jìn)程在推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展的同時(shí)，高強(qiáng)度的人類(lèi)活動(dòng)改變了下墊面屬性，不透水建筑等灰色景觀(guān)大量增加、自然植被等綠色景觀(guān)極大減少，引發(fā)了諸如城市熱島等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，降低了城市環(huán)境的人居質(zhì)量[3-5]。

綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，亦是構(gòu)成城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)資源，在提供城市生物棲息地、調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境、豐富城市居民文化等方面發(fā)揮了積極作用[6-9]，是改善城市景觀(guān)、提升城市居民健康水平與生活品質(zhì)的重要抓手之一。然而城市用地寸土寸金，城市建設(shè)中通常優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)效益明顯的商業(yè)用地等，擠占綠地空間，減少城市生態(tài)系統(tǒng)的自然組成部分、導(dǎo)致自然生態(tài)功能退化、承載力下降等[5, 9]。黨的十八大以來(lái)，我國(guó)政府高度重視生態(tài)文明建設(shè)、推進(jìn)綠色發(fā)展，提出生態(tài)宜居城市、低碳城市、海綿城市等建設(shè)理念，以期構(gòu)建科學(xué)合理的城市化格局和提升城市品質(zhì)、建設(shè)美麗中國(guó)，有效推動(dòng)了城市綠地的建設(shè)與發(fā)展。

我國(guó)城市化發(fā)展快速、地域分布廣等特點(diǎn)，決定了該過(guò)程必然面臨諸多新問(wèn)題[10-11]。就資源領(lǐng)域而言，同種資源因管理部門(mén)和調(diào)查方法差異，會(huì)出現(xiàn)資源評(píng)估數(shù)據(jù)不一致等情況，嚴(yán)重影響管理決策。為此，國(guó)家調(diào)整組建了自然資源部，以解決山水林田湖草等自然資源的評(píng)估與監(jiān)測(cè)[12]，面臨的首要問(wèn)題是如何開(kāi)展頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)一評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、形成對(duì)應(yīng)的技術(shù)體系，準(zhǔn)確獲取各種資源空間布局等基礎(chǔ)資料，服務(wù)于資源保護(hù)與優(yōu)化利用。相比自然生態(tài)系統(tǒng)，城市生態(tài)系統(tǒng)人為干擾程度高，高樓林立、下墊面異質(zhì)性高[13]，綠地呈斑塊化、破碎化分布，增加了評(píng)估與監(jiān)測(cè)的難度，基于自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的傳統(tǒng)抽樣調(diào)查方法與結(jié)果可能與實(shí)際不符[14-15]。為滿(mǎn)足新時(shí)期城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求，迫切需要開(kāi)展精細(xì)化的城市綠地資源監(jiān)測(cè)、建立可行的評(píng)估方法與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確、及時(shí)掌握綠地資源的狀況與動(dòng)態(tài)變化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)城市建設(shè)與管理決策。

為此，本文針對(duì)國(guó)家對(duì)城市綠地等自然資源評(píng)估與監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求的緊迫性，以城市綠地中常見(jiàn)的植被和水體為例，從資源的數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)價(jià)值3個(gè)層次梳理對(duì)比主流的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法并分析其優(yōu)勢(shì)； 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文作者近期研究成果，討論城市綠地多尺度監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法，為我國(guó)新時(shí)期城市自然資源管理等工作提供方法支持。

1 城市植被評(píng)估與監(jiān)測(cè)方法

本文以城市綠地中常見(jiàn)的植被和水體為例，從資源的數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)價(jià)值3個(gè)層次(圖1)，梳理對(duì)比主流的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，盡管有少量研究關(guān)注城市植被的健康狀態(tài)(質(zhì)量)[16-17]，研究更多關(guān)注城市植被的類(lèi)型組成(數(shù)量特征)與生態(tài)功能(生態(tài)價(jià)值)。

圖1 城市綠地資源不同層次評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)方法Fig.1 Different methods used to assess andmonitor urban green space resources

1.1 數(shù)量方面

植被數(shù)量評(píng)估的傳統(tǒng)方法以樣方調(diào)查為主。理論上，樣方越多、調(diào)查結(jié)果越好(如全面調(diào)查)，但受經(jīng)濟(jì)條件等制約，通常采用抽樣調(diào)查[14]。抽樣調(diào)查的核心問(wèn)題包括樣方數(shù)量和樣方面積確定[18-19]。最近研究發(fā)現(xiàn)，樣方數(shù)量的多寡明顯影響城市植被調(diào)查結(jié)果[15]，但難點(diǎn)在于確定最佳樣方數(shù)量。類(lèi)似難點(diǎn)還有確定最佳樣方面積，因?yàn)橹脖蝗郝渲械闹参锓N類(lèi)隨生境面積而變化，只有達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)(最小面積)，植物種類(lèi)才趨于飽和[20]。因此，對(duì)于喬木、灌木、草本等不同植被類(lèi)型，采用的抽樣面積變化范圍大(如1～2 500 m2)[14]。此外，城市綠地植被種類(lèi)構(gòu)成多是人工配置的結(jié)果，抽樣調(diào)查結(jié)果的代表性也值得商榷。

隨著20世紀(jì)下半葉遙感技術(shù)的發(fā)展，從空中監(jiān)測(cè)地表成為可能[21-22]，發(fā)展了針對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)中森林資源種類(lèi)判別、面積區(qū)劃的方法等[23-28]。我國(guó)從第6次全國(guó)森林資源清查開(kāi)始增加遙感抽樣調(diào)查，以快速、高效地獲取相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評(píng)估森林資源[19]。但這些評(píng)估方法主要基于中低空間分辨率(<30 m)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，難以應(yīng)用于斑塊破碎、面積較小的城市綠地。近20 a來(lái)高空間分辨率商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的發(fā)展，可提供地表0.5～5 m精細(xì)尺度的可見(jiàn)光遙感數(shù)據(jù)[21,29]，城市綠地資源精細(xì)化評(píng)估與監(jiān)測(cè)成為可能，包括植被種類(lèi)識(shí)別、冠幅大小與數(shù)量等評(píng)估[30-33]。尤其是最近的三維激光雷達(dá)，可提取喬木的高度和垂直結(jié)構(gòu)信息，如冠幅、胸徑和樹(shù)高、蓄積量/生物量等[34-37]。圖2為本文作者利用三維激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)評(píng)估喬木資源的案例,圖2(a)和(b)是在高植被覆蓋度的森林區(qū)域，采用定點(diǎn)式激光掃描，以觀(guān)測(cè)點(diǎn)為圓心360°探測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，提取各株喬木的三維信息，據(jù)此可獲取樹(shù)高、胸徑、蓄積量/生物量等信息，與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)木調(diào)查方法獲取結(jié)果精度相當(dāng)(如胸徑R2=0.99)，且能獲得林分任意樹(shù)木的信息及空間位置關(guān)系等，提供更多的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)[35]； 圖2(c)和(d)是利用最新研發(fā)的背包式激光雷達(dá)，在行走中探測(cè)道路周?chē)脖坏娜S信息，根據(jù)點(diǎn)云提取植被相關(guān)信息，無(wú)需考慮樣方數(shù)量、樣方面積等問(wèn)題，有助于調(diào)查斑塊破碎的城市植被，若將該設(shè)備置于車(chē)載平臺(tái)，可形成車(chē)載移動(dòng)式觀(guān)測(cè)，具有較好的應(yīng)用前景[38]。

1.2 生態(tài)功能

作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，城市植被具有滯塵、凈化空氣、降溫等生態(tài)功能[39-41]。蒸騰作用貫穿于植被的生活周期，該生理過(guò)程需要吸收能量，使植被具有天然的降溫功能。觀(guān)測(cè)表明，城市植被區(qū)域的溫度比水泥等不透水設(shè)施的溫度低5～20 ℃[42-46]?？紤]到城市獨(dú)特的熱島效應(yīng)[47]及其引發(fā)的高溫?zé)崂说却紊鸀?zāi)害[48-51]嚴(yán)重威脅公眾健康和城市環(huán)境的生態(tài)宜居性，且植被蒸騰及蒸散發(fā)在城市生態(tài)系統(tǒng)中難以定量、研究關(guān)注較少[42-43, 52-53]，本文重點(diǎn)探討城市植被蒸騰作用及其降溫功能的評(píng)價(jià)方法。

蒸騰作用受植被生理過(guò)程(如氣孔開(kāi)閉)與外界環(huán)境(如土壤水分含量、大氣溫度與氣流運(yùn)動(dòng)等)影響，自然生態(tài)系統(tǒng)中植被蒸騰量的精確測(cè)算一直是地球系統(tǒng)和全球變化等研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)與難點(diǎn)[21，54-57]。由于組成城市綠地的植被與自然植被差異大(如斑塊破碎程度高、受園林管理措施影響頻繁)，加之城市下墊面異質(zhì)性高、形成獨(dú)特的城市小氣候[13]，適用于自然生態(tài)系統(tǒng)植被蒸騰的測(cè)算方法可能失效，增加了城市植被蒸騰量測(cè)算的難度，制約了城市綠地降溫功能的準(zhǔn)確量化[44, 53]。

目前，城市蒸散發(fā)典型的測(cè)算方法包括： ①針對(duì)喬木的樹(shù)干液流計(jì)，用于測(cè)算單株樹(shù)木的蒸騰量[58-59]； ②針對(duì)草本或低矮灌木的稱(chēng)重式蒸滲儀，即根據(jù)水量平衡方程在控制條件下測(cè)量蒸散發(fā)之外的變量，推算蒸散發(fā)[60-61]； ③針對(duì)不同植被類(lèi)型，借助世界糧農(nóng)組織參考作物蒸散發(fā)的概念，根據(jù)彭曼-蒙蒂斯公式與氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得參考蒸散發(fā)，利用植被系數(shù)(landscape or garden coefficient)推算實(shí)際蒸散發(fā)[62-63]。盡管可將單株樹(shù)干液流測(cè)算的蒸騰量推繹到林分或景觀(guān)尺度，但結(jié)果的代表性與精確性值得商榷[64]。水量平衡方法測(cè)算結(jié)果代表某區(qū)域平均值，難以反映區(qū)域內(nèi)蒸散發(fā)的空間差異，且僅在觀(guān)測(cè)條件較好的固定試驗(yàn)場(chǎng)所，才可能準(zhǔn)確測(cè)算水分平衡的各分量。城市區(qū)域高樓林立、對(duì)流強(qiáng)烈、微氣象環(huán)境差異大，彭曼-蒙蒂斯公式僅適用于平坦均質(zhì)地表； 加之植被系數(shù)受多種因素影響，缺乏不同水熱條件下的觀(guān)測(cè)值，亦影響推算的蒸散發(fā)，且同種植被賦予相同的植被系數(shù)，結(jié)果同樣不能反映空間差異。

熱紅外衛(wèi)星遙感的發(fā)展(表1)提供了100 m左右(如Landsat系列數(shù)據(jù)、ASTER數(shù)據(jù))至1 km(如MODIS數(shù)據(jù))的地表溫度[65]，如圖3所示，促進(jìn)了城市景觀(guān)尺度地表溫度空間差異及其與植被關(guān)系的研究[66-67]。但基于衛(wèi)星遙感地表溫度和植被蒸騰機(jī)理探討降溫的研究相對(duì)較少[68-69]，一方面城市中蒸散發(fā)及其植被蒸騰組分定量困難，二是目前較低空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(約100 m)制約了對(duì)城市蒸散發(fā)深入、系統(tǒng)的研究，因?yàn)槌鞘兄脖话邏K破碎、通常在10 m范圍內(nèi)都會(huì)因植被類(lèi)型差異而使蒸散發(fā)具有高異質(zhì)性[70]，用100 m的熱紅外遙感數(shù)據(jù)研究城市全局尺度(104～106m)基本可行，但限制了街區(qū)尺度(<104m)的精細(xì)研究。近年無(wú)人機(jī)的發(fā)展使亞米級(jí)遙感數(shù)據(jù)獲取成為可能，無(wú)人機(jī)光學(xué)數(shù)據(jù)獲取相對(duì)成熟[71]。受傳感器與無(wú)人機(jī)搭載平臺(tái)耦合等制約，高空間分辨率熱紅外數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)獲取仍然面臨較大挑戰(zhàn)，如確定圖像地理空間位置、拼接不同航帶圖像等。本文作者經(jīng)過(guò)前期探索，研發(fā)了基于熱紅外溫度的三溫模型，可測(cè)算城市草坪、灌木、喬木等植被的蒸散發(fā)，與傳統(tǒng)的波文比能量平衡法、樹(shù)干液流法等測(cè)算結(jié)果接近，但可提供蒸散發(fā)空間分布信息、實(shí)現(xiàn)了城市復(fù)雜下墊面蒸散發(fā)精準(zhǔn)估算[42-43, 53]； 提出移動(dòng)式運(yùn)動(dòng)樣帶法，可定量研究條帶狀城市綠地植被對(duì)溫度的影響(圖4)[41]； 近期解決了熱紅外傳感器與無(wú)人機(jī)平臺(tái)兼容搭載、地理坐標(biāo)定位、數(shù)據(jù)拼接處理等，實(shí)現(xiàn)了亞米級(jí)地表溫度及蒸散發(fā)時(shí)空分布數(shù)據(jù)獲取(圖5)，有望為系統(tǒng)評(píng)估城市綠地蒸散發(fā)及其降溫效果提供新方法。

表1 典型的衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)Tab.1 Typical thermal infrared remote sensing data

圖3 基于A(yíng)STER AG100v003產(chǎn)品的廣州市海珠區(qū)2000—2008年平均地表溫度空間分布Fig.3 Distribution of average land surface temperaturebased on ASTER product (AG100v003) for HaizhuDistrict, Guangzhou City during 2000—2008

2 城市水體評(píng)估與監(jiān)測(cè)方法

2.1 水量評(píng)估

傳統(tǒng)的水資源數(shù)量評(píng)估，以降水、徑流為主要要素，多在流域尺度根據(jù)水量平衡原理開(kāi)展。若能將城市生態(tài)系統(tǒng)的各水文分量監(jiān)測(cè)清楚，可以測(cè)算水總量。在僅考慮城市河流、湖泊水庫(kù)情況下，具體水量的評(píng)估可考慮使用體積描述，即水面面積與水深之積。遙感數(shù)據(jù)測(cè)算面積精度非常高、相對(duì)容易。此時(shí)，僅需獲得水深信息即可。目前數(shù)字高程模型可提供高程信息，如30 m空間分辨率的ASTER GDEM，高程精度平均為(7.4±12.7) m。我國(guó)最新的高分七號(hào)衛(wèi)星可獲取亞米級(jí)立體影像，高程精度可望高達(dá)1.5 m。為利用高精度遙感信息開(kāi)展水量評(píng)估提供了豐富的數(shù)據(jù)源。基于遙感的水量評(píng)估方法，可獲取空間任意位置水量信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水量平衡測(cè)算法只能獲取區(qū)域平均值的不足。

2.2 水質(zhì)評(píng)估與監(jiān)測(cè)

隨著生態(tài)宜居等城市建設(shè)需求，城市水體水質(zhì)成為政府、研究人員與城市居民關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)估依賴(lài)監(jiān)測(cè)斷面定點(diǎn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，但受到監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量、采樣頻次等限制，評(píng)價(jià)結(jié)果通常難以反映水質(zhì)的時(shí)空分布信息。遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、快速成像與周期成像的特征，為水質(zhì)時(shí)空監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的工具。目前典型的監(jiān)測(cè)評(píng)估要素包括水溫、葉綠素濃度、總懸浮物、可溶性有機(jī)污染物等[72]。根據(jù)《全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，將整治城市黑臭水體2 000多個(gè)、總長(zhǎng)度約5 800 km，建立城市水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法必然是治理的重要內(nèi)容之一。圖6是本文作者利用30 m空間分辨率的Landsat系列數(shù)據(jù)評(píng)估廣東省珠海市大鏡山水庫(kù)(約1 km2)葉綠素濃度時(shí)空分布的案例，盡管采用線(xiàn)性回歸算法，卻彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水質(zhì)評(píng)估中有限采樣點(diǎn)難以反映水質(zhì)空間分布的不足[73]?？紤]到我國(guó)中小型水庫(kù)(庫(kù)容小于106m3)數(shù)量高達(dá)93 308座[74]，是未來(lái)水質(zhì)與水量監(jiān)測(cè)與管理的重點(diǎn)，傳統(tǒng)人工調(diào)查方法難以快速獲取水質(zhì)空間信息、周期更新更難，基于遙感影像的水質(zhì)評(píng)估方法可快速、周期性地獲取水質(zhì)時(shí)空分布信息，必將發(fā)揮重要作用。城市水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估的難點(diǎn)在于，由于水體渾濁度高，無(wú)機(jī)懸浮顆粒、可溶性有機(jī)污染物的光譜特征與葉綠素重疊，水體光學(xué)特性復(fù)雜，增加了水質(zhì)參數(shù)的反演難度[73]。且衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率與光譜分辨率的博弈，導(dǎo)致多(高)光譜數(shù)據(jù)的低空間分辨率制約城市河流、湖泊、水庫(kù)的識(shí)別，或高空間分辨率影像的低光譜分辨率制約水質(zhì)參數(shù)的精細(xì)化遙感反演。因此，基于無(wú)人機(jī)高光譜、高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)獲取與水質(zhì)反演是未來(lái)城市水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)估的重要手段。

3 結(jié)論與建議

1)盡管基于樣方的傳統(tǒng)抽樣方法可獲得城市綠地的數(shù)量信息，但城市綠地高度斑塊化特征限制了樣方結(jié)果尺度推繹。

2)衛(wèi)星遙感是監(jiān)測(cè)城市綠地的有效手段，可準(zhǔn)確獲取綠地空間分布、面積、種類(lèi)、質(zhì)量變化等信息，但生物量(或蓄積量)、體積等信息需要米級(jí)(< 5 m)遙感數(shù)據(jù)和其他新技術(shù)支持精細(xì)化研究。

3)無(wú)人機(jī)可獲得亞米級(jí)(如< 5 cm)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足精細(xì)化監(jiān)測(cè)需求，但受飛行管制、電池續(xù)航能力等限制，數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限，且數(shù)據(jù)拼接等后處理復(fù)雜、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理或反演算法可能不適用于亞米級(jí)空間分辨率數(shù)據(jù)。

4)城市綠地類(lèi)型、面積與城市溫度關(guān)系研究較多，但當(dāng)前100 m(及更粗空間分辨率)的熱紅外地表溫度數(shù)據(jù)難以支持綠地蒸騰降溫機(jī)理等精細(xì)化研究?？梢?jiàn)，城市綠地的精細(xì)化資源評(píng)估與監(jiān)測(cè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，建議未來(lái)加強(qiáng)米級(jí)、亞米級(jí)遙感數(shù)據(jù)在城市綠地評(píng)估與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，加強(qiáng)研究多傳感器與無(wú)人機(jī)搭載平臺(tái)耦合及數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)化流程、研發(fā)適用于城市綠地精細(xì)化管理的反演算法。