林錦涵 陳蕓芝 汪小欽

1 福州大學(xué)衛(wèi)星空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心 福州 350116

2 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350116

城市道路綠化是城市綠地系統(tǒng)的重要組成部分，是城市整體形象的體現(xiàn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)城市的綠化指標(biāo)主要集中在綠地率、綠化覆蓋率、人均公園綠地面積，這些指標(biāo)主要通過(guò)遙感衛(wèi)星影像提取以及實(shí)地量測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)[1]。這些二維綠化平面指標(biāo)對(duì)于衡量一個(gè)城市或者區(qū)域的綠化面積大小有積極意義，但缺乏細(xì)粒度綠化空間綠量信息，更無(wú)法表征城市內(nèi)部多維的綠化空間分布信息[2－4]，特別是對(duì)于形態(tài)各異以及疏密不一的城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，單從平面綠化指標(biāo)衡量道路綠化水平無(wú)法滿(mǎn)足城市綠化配置新的要求，因此需要考慮如何結(jié)合三維空間綠量對(duì)城市道路綠化水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

隨著日本學(xué)者開(kāi)始將綠視率作為綠化評(píng)估的重要因素[5]，以及街景圖片在城市研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，諸多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始基于城市街景數(shù)據(jù)對(duì)城市內(nèi)部綠化環(huán)境進(jìn)行多方面的研究[6]。例如，李小江等[7－8]使用谷歌街景圖片評(píng)估城市街道綠化和街道級(jí)城市綠地的空間分布。Lu[9]通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)谷歌街景圖像的綠視率進(jìn)行提取并分析其與城市居民步行行為的相關(guān)性。龍瀛[10]以街景圖片為載體評(píng)判中國(guó)各個(gè)城市中心區(qū)街道綠化水平，以及一些城市的街道空間品質(zhì)。葉宇等[11]利用百度街景數(shù)據(jù)估算了上海市中心街景綠化可見(jiàn)度，并分析了其與植被覆蓋的相關(guān)性。崔喆[12]基于多源街景圖像及SIFT算法剔除秋冬季影像，從多個(gè)尺度對(duì)哈爾濱市的綠視率進(jìn)行分析。陳明[13]基于騰訊街景圖片，采用系統(tǒng)抽樣法、以網(wǎng)格為單位評(píng)估了武漢市江漢區(qū)的綠視率及其與綠化覆蓋率之間的關(guān)系。可見(jiàn)，街景圖片蘊(yùn)含的多元信息對(duì)城市環(huán)境分析和評(píng)估具有巨大潛力，綠視率相較于一些綠化二維平面指標(biāo)，其考量了人在城市空間活動(dòng)中對(duì)城市綠化構(gòu)成的直觀(guān)感受。盡管很多研究已開(kāi)始考慮到綠化的多維性，但是將二維平面綠化指標(biāo)和三維立體綠化指標(biāo)結(jié)合起來(lái)客觀(guān)評(píng)價(jià)城市內(nèi)部的綠化整體水平還有待研究。

本文基于百度街景數(shù)據(jù)，以福州市鼓樓區(qū)為研究區(qū)，基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SegNet圖像語(yǔ)義分割模型提取了街景圖片綠化信息，計(jì)算了福州市鼓樓區(qū)街道的綠化可視率；分析了街景綠視率和遙感影像植被覆蓋度在鼓樓區(qū)內(nèi)部的差異性，并將二者相結(jié)合探究其在城市建成區(qū)綠化環(huán)境精細(xì)化評(píng)估中的應(yīng)用，以期為城市綠地系統(tǒng)的規(guī)劃和管理提供參考及依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

福州市作為國(guó)家森林城市，被譽(yù)為全國(guó)最“綠”的省會(huì)中心城市之一，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季常青，氣候條件好，城市中森林和樹(shù)木總量適宜、分布合理。鼓樓區(qū)坐落于福州市西北部，是福建省唯一一個(gè)國(guó)家級(jí)生態(tài)區(qū)的核心城區(qū)，全區(qū)下轄9個(gè)街道1個(gè)鎮(zhèn)，面積約為35.7 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 技術(shù)路線(xiàn)

基于綠視率的城市道路綠化水平評(píng)價(jià)流程(圖1)為:1)根據(jù)路網(wǎng)矢量獲取等距離觀(guān)測(cè)點(diǎn)；2)Python編程爬取百度街景圖片，利用SegNet模型進(jìn)行圖像分割并計(jì)算其綠視率；3)對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理后，利用像元二分法計(jì)算其植被覆蓋度，獲取每個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度；4)利用熵權(quán)法對(duì)二維平面指標(biāo)植被覆蓋度和三維綠化空間指標(biāo)綠視率確定其熵權(quán)，從而對(duì)綠化水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 基于綠視率的城市道路綠化水平評(píng)價(jià)方法

1.2.2 街景圖片獲取

為了使百度街景的圖片能夠和遙感影像上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，本文在Arcgis中對(duì)福州市鼓樓區(qū)的道路網(wǎng)絡(luò)等間距設(shè)置了17965個(gè)觀(guān)察點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)距離大約為30m，并記錄其經(jīng)緯度坐標(biāo)。在百度街景API的輔助下，依據(jù)百度API提供的接口參數(shù)規(guī)則對(duì)每張圖片設(shè)置了固定的視角及俯仰角，盡可能使街景符合人的視野范圍。將每個(gè)樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)作為唯一標(biāo)識(shí)，依次爬取了每個(gè)采樣點(diǎn)的前視圖(0°)、右視圖 (90°)、后視圖(180°)、左視圖(270°)共71 660張城市街景圖片。通過(guò)編程爬取的每張圖片都和ARCGIS中獲得的采樣點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，并帶有準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息。通過(guò)這種方式采集的4個(gè)角度的街景照片可以對(duì)采樣點(diǎn)的周邊綠化環(huán)境進(jìn)行較好地表達(dá)[13]。

1.2.3 基于深度學(xué)習(xí)模型的圖像分割

圖像分割具有高分割效率且計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以充分挖掘圖像的空間信息[14]。本文使用劍橋大學(xué)學(xué)者提出的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SegNet模型及其訓(xùn)練庫(kù)，基于SegNet的分割模型可以將輸入圖像進(jìn)行像素級(jí)的分類(lèi)，并能保留形狀很小的物體信息[15－16]。圖2為基于SegNet語(yǔ)義分割網(wǎng)絡(luò)對(duì)某觀(guān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)角度的百度街景圖片的分割結(jié)果示意圖，綠色為提取到的植被信息。從圖2中可以看到，利用SegNet模型提取的城市街道的綠化信息整體結(jié)構(gòu)完整，并能較好地保留細(xì)微的綠色植被細(xì)節(jié)，因此，這一工具對(duì)城市街景綠化識(shí)別的效果良好。

圖2 SegNet模型分割結(jié)果示意

1.2.4 街景綠視率及植被覆蓋度的計(jì)算

綠視率[17－19]是視野中綠色植被所占的比例，用于量化城市中植被的視覺(jué)觀(guān)感。通過(guò)對(duì)福州市鼓樓區(qū)共計(jì)17 965個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除空值負(fù)值等無(wú)效數(shù)據(jù)點(diǎn)，獲得17 912個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)；通過(guò)SegNet語(yǔ)義分割模型提取每個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的街景圖4個(gè)角度的植被信息對(duì)其綠視率進(jìn)行計(jì)算。相比于傳統(tǒng)的拍照結(jié)合Photoshop獲取綠視率的方法，基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割模型更適用于大規(guī)模的街景數(shù)據(jù)處理，其耗費(fèi)精力低且處理效率更高。綠視率的計(jì)算公式如式(1):

式(1)中，gij為觀(guān)測(cè)點(diǎn)j在i角度的綠色像素面積，Aij為j點(diǎn)i角度的影像像素面積，Gj為j點(diǎn)綠視率。

植被覆蓋度可以有效反映城市植被覆蓋的情況，本文利用像元二分模型結(jié)合NDVI數(shù)據(jù)估算城市植被覆蓋度[20]。依據(jù)像元二分模型，將NDVI分解為帶有植被信息的NDVIveg和反應(yīng)裸土信息的NDVIsoil，NDVI轉(zhuǎn)換為植被覆蓋度的公式為式(2):

使用2017年4月高分一號(hào)WFV影像估算城市植被覆蓋度，考慮到高分一號(hào)空間分辨率為16 m，且比較容易找到近似純凈像元的植被和裸地，因此以這組像元的NDVI值代替NDVIveg和NDVIsoil，再利用公式(2)較為準(zhǔn)確地估算福州市鼓樓區(qū)的植被覆蓋度。

1.2.5 基于熵權(quán)法的綠化水平評(píng)價(jià)

本文利用熵權(quán)法確定植被覆蓋度和綠視率在綠化水平整體評(píng)價(jià)中的權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀(guān)賦權(quán)的方法，考慮到各個(gè)指標(biāo)的熵值所提供的信息量的大小，利用標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的信息熵計(jì)算出指標(biāo)熵權(quán)，再乘上指標(biāo)對(duì)應(yīng)分值為最終得分[21]。通過(guò)植被覆蓋度指標(biāo)和綠視率指標(biāo)的熵權(quán)計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重Wi與觀(guān)測(cè)點(diǎn)j的指標(biāo)i的對(duì)應(yīng)值xij相乘，并依次累加求和進(jìn)行街景綠化得分Sj計(jì)算。計(jì)算公式如式(3):

2 結(jié)果與分析

2.1 綠視率及植被覆蓋度空間分布特征

福州市鼓樓區(qū)所有道路觀(guān)測(cè)點(diǎn)的平均綠視率為32.44%，平均植被覆蓋度水平為31.32%，其中鼓西街道、洪山鎮(zhèn)、南街街道以及五鳳街道綠視率和植被覆蓋度均高于平均水平，鼓西街道的綠視率及植被覆蓋度均為最高。通過(guò)對(duì)變異系數(shù)(表1)進(jìn)行分析可知，鼓樓區(qū)道路的植被覆蓋度的整體穩(wěn)定性低于綠視率，整體波動(dòng)較大，說(shuō)明不同街道之間的平面綠化水平差異較大，而空間綠化水平則較為連貫。通過(guò)ARCGIS將每個(gè)采樣點(diǎn)的綠視率及植被覆蓋度進(jìn)行可視化(圖3)，結(jié)果表明，高綠視率區(qū)域主要集中在鼓樓區(qū)中部，其他區(qū)域有零星的高值點(diǎn)；而高植被覆蓋度區(qū)域則分布較為均勻，中部及其他區(qū)域都有一定程度的植被覆蓋度高值點(diǎn)，但對(duì)應(yīng)區(qū)域的綠視率卻難以達(dá)到同等水平。

圖3 綠視率及植被覆蓋度空間分布

通常情況下植被覆蓋度高的區(qū)域，其綠視率也會(huì)趨于一個(gè)較高的數(shù)值，主要是因?yàn)榛谄矫娴闹脖桓采w度是一個(gè)區(qū)域綠化水平的整體體現(xiàn)，其值越高，說(shuō)明該區(qū)域能被行人可視的綠色區(qū)域也越高，如洪山鎮(zhèn)和南街街道，二者植被覆蓋度均值相近，其綠視率的水平也相近。但是考慮到植被的立體配置方式各異，在相近的植被覆蓋度條件下不同街道之間的綠視率變化差異較大，所以本文通過(guò)立體綠化配置比(綠視率和對(duì)應(yīng)植被覆蓋率的比值)體現(xiàn)該區(qū)域的綠化植被空間配置水平(表1)。

表1 鼓樓區(qū)不同區(qū)域街景綠視率及植被覆蓋度

例如溫泉街道與華大街道，二者的植被覆蓋度相近，而綠視率的平均水平卻差距較大，二者的立體綠化配置比分別為1.24和1.09，同樣的情況也出現(xiàn)在安泰街道與五鳳街道。還有一些區(qū)域綠視率相近，而植被覆蓋度則有明顯差異，如南街街道及溫泉街道。這也表明不同的街道之間具有綠化空間配置的差異性，可見(jiàn)采用街景綠視率作為補(bǔ)充指標(biāo)能較好地彌補(bǔ)平面綠化指標(biāo)在三維空間綠化評(píng)價(jià)中的不足。

2.2 基于熵權(quán)法的道路綠化水平

通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算得出植被覆蓋度與綠視率對(duì)應(yīng)的熵權(quán)分別為0.632和0.368，通過(guò)加權(quán)計(jì)算最終獲得各采樣點(diǎn)綠化評(píng)價(jià)得分。統(tǒng)計(jì)不同道路對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)，并計(jì)算每條道路的平均綠化得分和各區(qū)域道路綠化平均得分，在ARCGIS中利用自然斷點(diǎn)法劃分綠化等級(jí)并可視化。從各區(qū)域道路的總體得分來(lái)看，鼓西街道的道路相較于其他區(qū)域有更好的綠化平面和多維空間綠化基礎(chǔ)，其街景綠化得分最高，其余各區(qū)域綠化評(píng)價(jià)得分如圖4所示。在鼓樓區(qū)域內(nèi)部的道路中，道路綠化水平得分最高的為北夢(mèng)山路、湖頭街、白馬北路；最低的為八一七中路、上浦路、新權(quán)路(圖5)。

圖4 各區(qū)域內(nèi)道路平均綠化得分柱狀圖

圖5 區(qū)域道路綠化水平

從圖5可以看出，綠化水平最差的3條道路出現(xiàn)在安泰街道和洪山鎮(zhèn)，其中安泰街道的八一七中路主要以道路兩側(cè)細(xì)小隔離帶綠化為主，僅有零散且冠幅較小的喬木，街道整體綠化水平較低。新權(quán)路兩側(cè)也無(wú)規(guī)則帶狀道路綠化，只有零散的點(diǎn)狀街頭綠化，樹(shù)種主要以高山榕為主；盡管冠幅較大，但單點(diǎn)綠化無(wú)法帶動(dòng)整條街道的綠化水平提升。洪山鎮(zhèn)的上浦路主要綠化植被為洋紫荊，因2016年道路拓寬時(shí)種下的洋紫荊冠幅較小、難以有高的平面植被覆蓋度指標(biāo)，其立體綠視率指標(biāo)也較低，該道路整體的綠化水平尚未顯現(xiàn)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)福州市鼓樓區(qū)的綠視率和植被覆蓋度在空間上存在明顯的差異。在鼓樓區(qū)10個(gè)轄區(qū)內(nèi)部觀(guān)測(cè)點(diǎn)中，鼓東街道和五鳳街道的街景平面和立體綠化水平最為穩(wěn)定，街景較為連貫；安泰街道的街景平面和立體綠化水平穩(wěn)定性最差，街景綠色空間連貫性較差。

2)10個(gè)轄區(qū)道路整體綠化平最高的為鼓西街道，其街道綠化基礎(chǔ)好；最低為水部街道，街道綠化配置較為零散，綠化基礎(chǔ)有待提升。

3)在福州市鼓樓區(qū)道路中，受益于平面綠化和立體綠化的合理配置及毗鄰公園，街道綠化水平最高的為鼓西街道的北夢(mèng)山路，而安泰街道的新權(quán)路則最低，二者形成較大差距。

3.2 討論

當(dāng)前結(jié)合街景圖片對(duì)城市建成環(huán)境的研究仍處于探索階段，基于街景圖片的綠視率能夠反映平面指標(biāo)無(wú)法表征的多維綠化空間信息，符合社會(huì)大眾對(duì)城市綠化多維度的人性化需求及期望?；诖烁鶕?jù)福州鼓樓區(qū)實(shí)際情況，從以下幾個(gè)方面提出參考意見(jiàn)。一是合理配置綠化用地資源，在城區(qū)綠化用地?cái)?shù)量有限的條件下，優(yōu)先保證平面綠化要求。二是豐富綠化形式，提升立體綠化在綠化配置形式中的占比，繼續(xù)推進(jìn)墻面、屋頂?shù)榷嘈问降牧Ⅲw綠化。三是加強(qiáng)綠化苗木養(yǎng)護(hù)和綠化建設(shè)水平，在保護(hù)古樹(shù)名木的基礎(chǔ)上因地制宜選擇樹(shù)種，同時(shí)注重植物配置和綜合布局。

未來(lái)隨著空間信息技術(shù)發(fā)展，利用精準(zhǔn)匹配的道路數(shù)據(jù)、分辨率更高的遙感、無(wú)人機(jī)影像以及多時(shí)序街景圖片能夠有效彌補(bǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)存在的時(shí)空精度不足等問(wèn)題。同時(shí)基于空天地一體的傳感器平臺(tái)結(jié)合大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)算法，有望實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自動(dòng)化的城市多維綠化水平評(píng)估，切實(shí)提升城市綠化環(huán)境的評(píng)估準(zhǔn)確度和效率。在綠化評(píng)估中融入對(duì)綠視率的考量有助于從人性化的視角理解市民對(duì)城市綠化的心理需求，更加科學(xué)地規(guī)劃和配置城市綠化，有效地提升城市整體綠化水平，從而因地制宜地推進(jìn)城市精細(xì)化治理在城市綠色建設(shè)中的應(yīng)用。