肖萬娟 唐健靈 駱姚瑤

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，廣西 柳州 545004）

隨著時代的發(fā)展，大學校園綠地對于大學人才培養(yǎng)所承載的功能也發(fā)生了新的變化，各種校園綠地。不僅為師生提供美學景觀和休閑活動場所，更兼具固碳釋氧、降溫增濕等生態(tài)效益，能明顯改善人居環(huán)境。眾多研究表明，綠地生態(tài)效益的好壞與三維綠量有明顯的相關性［1，2］。

三維綠量（living vegetation volume，LVV）又稱綠化三維量，是指樹木樹冠所占據(jù)的空間體積，以m3來計算［3-5］。三維綠量作為城市綠化體系的第一個立體指標，可以更全面、更準確地分析校園綠化的環(huán)境效益以及校園綠化群落布局的合理性。朱文泉等［6］、周堅華［7］、劉常富等［8］以模擬方程法、平面量模擬立體量法、立體量推算立體量法等方法測算了上海、沈陽等城市整體的三維綠量，取得了良好的效果。隨著科學技術的發(fā)展，韋雪花等［9］、王佳等［10］、楊全月等［11］、李肖肖等［12］、劉芳等［13］、徐偉恒等［14］以地面三維激光掃描儀、背包式激光雷達系統(tǒng)等獲取樹木點云數(shù)據(jù)，運用體元模擬法、臺積法、凸包法、冠層葉面積密度法、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN 的原理算法、不規(guī)則體切片分割累加算法等方法實現(xiàn)了樹冠體積的自動化提取，進行了三維綠量的估算。與傳統(tǒng)的野外實測結合“冠徑—冠高—體積”公式計算三維綠量對比而言，基于樹木點云數(shù)據(jù)的三維綠量估算更快捷有效、全面準確、符合實際。

目前國內對生態(tài)效益及其價值評估的研究多集中于省、市等大尺度，小尺度的大學校園綠地研究較少［1］。大學校園綠地存在植物種類多樣，結構層次相對復雜等特點，開展大學校園綠地三維綠量與生態(tài)效益及其價值評估的融合研究，實現(xiàn)用生態(tài)經(jīng)濟學角度評估校園綠地生態(tài)效益及其價值，提高師生的環(huán)保意識，促進生態(tài)補償機制的建立，為大學校園綠地的生態(tài)保護方案和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院是國內首家以“生態(tài)”命名的高職院校，位于廣西壯族自治區(qū)柳州市北部生態(tài)新區(qū)，創(chuàng)辦于1956 年，是全國生態(tài)文明教育特色學校，曾獲廣西壯族自治區(qū)“綠色大學”、“森林校園”等稱號。學校占地面積（含教學實驗林場）1200 hm2，建成區(qū)面積52.07 hm2，現(xiàn)有綠地面積25.3806 hm2，綠地率48.75%，人均綠地面積14.47 m2。學校地處中亞熱帶向南亞熱帶過渡的季風氣候區(qū)，溫度適宜，日光充足，雨量充沛，綠化植物約283 種，隸屬86 科194 屬，構成綠地系統(tǒng)的優(yōu)勢綠化樹種有八月桂（Osmanthussp.）、鐵冬青（Lex rotunda Thunb）、洋紫荊（Bauhinia variegata L.）、羅漢松（Podocarpus macrophyllus（Thunb.）D.Don）、紅花天料木（Homalium hainanense Gagnep.）假檳榔（Archontophoenix alexandrae（F. Muell.）H. Wendl.et Drude）、蒲葵（Livistona chinensis（Jacq.） R. Br.）、海南黃花梨（Dalbergia odorifera T.Chen）、木棉（Bombax ceiba L.）等。學校堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳發(fā)展理念，努力創(chuàng)建國家AAAA 級旅游景區(qū)。

為研究方便，根據(jù)不同的使用功能將校園綠地分為6 個區(qū)，具體見圖1，分別是1 教研文化區(qū)、2教職工住宅區(qū)、3 學生住宿區(qū)、4 體育運動區(qū)、5 休閑游憩區(qū)、6 后勤服務區(qū)（圖1，6 區(qū)占比面積較小，僅點綴少量零星樹木，不納入此次研究范圍）。

圖1 功能分區(qū)圖

1.2 無人機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 無人機

使用大疆M300RTK 無人機平臺掛載大疆禪思L1 激光雷達。大疆經(jīng)緯M300RTK 無人機最大起飛質量9 kg，續(xù)航時間55 min，外形尺寸（長寬高）810 mm×670 mm×430 mm，飛行高度95 m，飛行速度：9 m/s。大疆禪思L1 大?。ㄩL寬高）152 mm×110 mm×169 mm，質量930±10 g，測量平面精度10 cm@50 m，高程精度5 cm@50 m，掃描速度最大480000 點/秒。

1.2.2 采集點云數(shù)據(jù)

于2022 年6 月23 日對校園5 個主要功能區(qū)內的喬、灌木進行點云數(shù)據(jù)采集，根據(jù)樹木疏密程度、分布情況規(guī)劃航線，航線具體參數(shù)：高度95 m，旁向重疊度50 %。部分樹木密集區(qū)域使用單一無人機采集手段無法獲取完整樹冠數(shù)據(jù)，配合使用手持激光雷達從樹下進行點云數(shù)據(jù)采集，并在控制點區(qū)域進行控制采集，用于后續(xù)坐標轉換。

1.2.3 三維激光點云數(shù)據(jù)預處理

使用無人機激光及手持激光采集的GNSS 數(shù)據(jù)、慣導數(shù)據(jù)、SLAM 數(shù)據(jù)分別進行軌跡解算，再由點云原始數(shù)據(jù)通過軌跡數(shù)據(jù)進行融合結算得到點云數(shù)據(jù)，無人機采集的激光數(shù)據(jù)具備CGCS2000 坐標系統(tǒng)，手持激光數(shù)據(jù)通過轉換參數(shù)進行坐標轉換，將兩套點云數(shù)據(jù)融合成一套數(shù)據(jù)，得到整個校園主要功能區(qū)綠地完整的點云數(shù)據(jù)成果。采用柵格法［15］對所得到的校園綠地點云數(shù)據(jù)進行精簡處理，即通過構建基于長方體包圍的三維體素柵格，選擇每個小柵格容納的點云個數(shù)，確定長方體內每個小柵格的邊長及小柵格的重心，以其重心近似該小柵格周圍的所有點云數(shù)據(jù)，所有體素化柵格處理完后得到精簡點云。

1.2.4 樹冠體積與三維綠量計算

以三維激光掃描獲取的樹木點云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated irregular network，TIN）計算各功能區(qū)樹冠冠體體積［13］。不規(guī)則三角網(wǎng)TIN 是將精簡后的樹木點云數(shù)據(jù)建立連續(xù)覆蓋整個研究區(qū)域且互不交叉、互不重疊的不規(guī)則三角形網(wǎng)格，通過不規(guī)則三角形網(wǎng)TIN 原理方法直接實現(xiàn)樹冠體積的自動計算，以此完成各功能區(qū)單株植物三維綠量的計算，此方法具有操作簡單、效率高、適用性強的特點。

草地綠量由草坪面積乘以高度獲得，由于草坪常修剪高度保持在5 cm，以此作為計算的高度。

1.3 樹種數(shù)據(jù)的獲取與處理

以校園內主要功能區(qū)的喬木、灌木為調查對象，利用無人機載激光雷達獲取的三維點云影像（圖2），確定樹木樹冠中心位置，生成X、Y、Z 地理坐標，在對每一株樹木地理坐標定位基礎上，進行校園綠地現(xiàn)場調查，進一步核實確認各個功能區(qū)的基本情況，包括各功能區(qū)綠地面積、喬灌木數(shù)量等指標。

圖2 校園局部綠地三維點云影像圖

1.4 生態(tài)效益及其價值計算

根據(jù)三維綠量計算結果，參考董艷杰等［1］、周堅華等［4］、蘇津［16］總結的基于三維綠量的生態(tài)效益標準換算量，換算出植物的釋放O2量、吸收CO2量、吸收SO2量、滯塵量、夏季蒸騰增濕量，以此評價各功能區(qū)校園綠地的生態(tài)效益。

參考《中國生物多樣性國情研究報告》中森林釋放O2、吸收CO2所消耗的成本計算各功能區(qū)綠地每年釋放O2、吸收CO2的價值；根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》［16］中吸收SO2和清理空氣滯塵的費用標準，分別估算各分區(qū)綠地吸收 SO2和滯塵的價值。按照效益費用分析法［17］和董艷杰等［1］的做法，夏季蒸騰增濕量的成本用灑水車噴灑等量水的成本進行估算，設定柳州市的自來水價格為2.905 元/t，估算夏季蒸騰量，基于三維綠量的綠化環(huán)境效益標準換算量見表1。

表1 基于三維綠量的綠化環(huán)境效益標準換算量

2 結果與分析

2.1 校園綠地三維綠量空間分布特征

研究表明，橋、灌、草等不同生活型對綠地三維綠量有不同影響，其中喬木層，特別是高大的常綠喬木是綠地三維綠量的主要提供者。校園主要功能區(qū)基本情況見表2，由表2 可知，校園內研究區(qū)共有4018株喬灌木，常綠植物3389 株，占比84.35%，落葉植物629 株，占比15.66%；喬木2834 株，占比70.53%，灌木1184 株，占比29.47%。其中教職工住宅區(qū)植株數(shù)為1385 株，占比34.47%，為最高；其次是教研文化區(qū)，共有喬灌木1231 株，占比30.64%；體育運動區(qū)的喬灌木株數(shù)最少，僅為207 株，占比為5.15%。從常綠、落葉樹種上看，5 個功能區(qū)均以常綠樹種為主，教職工住宅區(qū)常綠樹種占比最高，達88.45%，休閑游憩區(qū)常綠樹種占比最低，也達80.03%。在喬灌木上，休閑游憩區(qū)喬木占比最高，達93.18%，體育運動區(qū)喬木占比最低，僅為43.48%。

表2 校園主要功能區(qū)基本情況

校園主要功能區(qū)三維綠量情況見表3，由表3 可知，校園主要功能區(qū)綠地三維綠量為589626.771 m3。在各功能區(qū)三維綠量中，教職工住宅區(qū)三維綠量為240616.993 m3，單位面積綠量為6.697 m3，占40.81%，比重最大。該區(qū)不僅植物株數(shù)多，且種類豐富，有121 種植物，以常綠植物為主，樹木樹冠龐大，生長茂盛，為教職員工的生活、休閑、養(yǎng)生提供了良好的環(huán)境。休閑游憩區(qū)總體三維綠量為157499.934 m3，單位面積綠量為3.793 m3，占比26.71%，排名第二。該區(qū)由樹木園、小花園改造而成，植物129 種，以紅椎、紫檀、智利南洋杉等高大喬木為主，成為了該區(qū)三維綠量的主要來源。教研文化區(qū)三維綠量134547.075 m3，單位面積綠量為1.019 m3，占比22.82%，排名第三，該區(qū)是學校的核心區(qū)域，因學生規(guī)模的增加擴建了區(qū)域面積，植物種類113 種，植株數(shù)也比較多，但新擴建的區(qū)域植株體量偏小，導致整體綠量及單位面積綠量相對偏低。學生住宿區(qū)三維綠量為37681.154 m3，單位面積綠量為1.188 m3，占比6.39%，整體綠量偏低。該區(qū)為學生大多數(shù)時間的生活區(qū)域，區(qū)域內的建筑以學生宿舍和食堂為主，植物種類僅為80 種，配置密度不高，層次不夠豐富，植株相對矮小，導致三維綠量低。體育運動區(qū)植物種類僅為35 種，總三維綠量為19281.615 m3，單位面積綠量為1.532 m3，該區(qū)以灌木為主、喬木為輔營造開敞空間，有效起到滯塵、隔音及抗干擾效果。各功能區(qū)總體三維綠量排序為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>教研文化區(qū)>學生住宿區(qū)>體育運動區(qū)；各功能區(qū)單位面積三維綠量排序為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>體育運動區(qū)>學生住宿區(qū)>教研文化區(qū)。

在校園總體三維綠量中，喬木層三維綠量為564257.621 m3，占比95.70% ；灌木層三維綠量為20487.1003，占比3.47% ；草本層三維綠量為4882.052 m3，占比0.83%（圖2）?？梢?，喬木是綠地三維綠量的主導力量，這與前人研究結論一致［1，16］。

圖2 不同生活型三維綠量分析圖

2.2 校園綠地生態(tài)效益狀況分析

根據(jù)上述的綠量結果，按照表1 對應項目計算綠化環(huán)境生態(tài)效益，換算出各功能區(qū)綠地的產(chǎn)O2、吸收CO2、吸收SO2、滯塵量、夏季蒸騰量方面在不同生活型植物生態(tài)效益、總生態(tài)效益以及單位面積生態(tài)效益，結果見表4、表5、表6。

表4 校園各主要功能區(qū)不同生活型生態(tài)效益

表5 校園各主要功能區(qū)總生態(tài)效益

表6 校園各主要功能區(qū)單位面積生態(tài)效益

校園各主要功能區(qū)不同生活型生態(tài)效益見表4，由表4 可知，教職工住宅區(qū)在產(chǎn)氧量與吸收二氧化碳量方面，常綠植物發(fā)揮的生態(tài)效益是落葉植物的14 倍，體育運動區(qū)達到了13 倍，其它區(qū)域均在7倍以上；在吸收二氧化硫量、滯塵量、夏季蒸騰量方面，教職工住宅區(qū)常綠植物發(fā)揮的生態(tài)效益是落葉植物的8 倍，其它區(qū)域均達到了4 倍。可見，常綠植物在產(chǎn)氧量、吸收二氧化碳、吸收二氧化硫、滯塵、夏季蒸騰量方面發(fā)揮的作用都比落葉植物大，這是因為常綠植物三維綠量的貢獻率比落葉植物大。

校園各功能區(qū)總生態(tài)效益見表5，由表5 可知，教職工住宅區(qū)提供的生態(tài)效益最多，這是因為該區(qū)在植物種類、植株數(shù)、高大喬木數(shù)量等方面比較占優(yōu)勢。在產(chǎn)氧量、吸收CO2量、吸收SO2量、滯塵量、夏季蒸騰量方面，各功能區(qū)排序為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>教研文化區(qū)>學生住宿區(qū)>體育運動區(qū)。

校園各主要功能區(qū)單位面積生態(tài)效益見表6，由表6 可知，單位面積產(chǎn)生的生態(tài)效益，依然是教職工住宅區(qū)最高，其次是休閑游憩區(qū)。在單位面積產(chǎn)氧量、吸收CO2量、吸收SO2量、滯塵量、夏季蒸騰量方面，教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>體育運動區(qū)>學生住宿區(qū)>教研文化區(qū)。教研文化區(qū)單位面積生態(tài)效益最低與其產(chǎn)生的單位面積綠量有關。

2.3 校園綠地生態(tài)效益價值分析

對照表1 綠化環(huán)境生態(tài)效益價值估算方法，計算得出各功能區(qū)的年生態(tài)效益價值見表7。

由表7 可以看出各個功能區(qū)總生態(tài)效益價值，教職工住宅區(qū)（41.97 萬元）最大，體育運動區(qū)（6.15萬元）最小，原因是功能區(qū)總綠量和總生態(tài)效益教職工住宅區(qū)最大、體育運動區(qū)最小。5 個功能區(qū)綠地面積為25.3806 hm2，總生態(tài)效益價值達185.46萬元，每公頃綠地生態(tài)效益價值為7.31 萬元。教職工住宅區(qū)對總生態(tài)效益價值的貢獻率最大，達41.57%，這是因為該區(qū)的單位面積綠量和單位面積生態(tài)效益均大。各功能區(qū)總生態(tài)效益價值的貢獻主要來源于產(chǎn)O2量、吸收CO2量、滯塵量和夏季蒸騰量，吸收SO2量的生態(tài)效益價值很小，產(chǎn)生這種情況的原因是空氣中SO2含量少，每1 萬m3綠量吸收SO2量僅為30.3 kg，吸收能力有限。各功能區(qū)總生態(tài)效益價值排序為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>教研文化區(qū)>學生住宿區(qū)>體育運動區(qū)。同一功能區(qū)各生態(tài)效益價值相同，均為吸收CO2量>產(chǎn)O2量>夏季蒸騰量>滯塵量>吸收SO2量。

各功能區(qū)單位面積生態(tài)效益價值見圖3，由圖3 可知，教職工住宅區(qū)單位面積生態(tài)效益價值最高，教研文化區(qū)最低，這與單位面積綠量和單位面積生態(tài)效益成正相關。在所研究的5 種生態(tài)效益中，樹木在產(chǎn)氧量和吸收二氧化碳方面產(chǎn)生的生態(tài)效益價值遠遠大于其他3 種生態(tài)效益產(chǎn)生的價值，說明林木的光合作用為環(huán)境提供了重要價值。各功能區(qū)單位面積生態(tài)效益價值排序為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>體育運動區(qū)>學生住宿區(qū)>教研文化區(qū)；單位面積的生態(tài)效益價值不同功能區(qū)排序相同，均為吸收CO2量>產(chǎn)O2量>夏季蒸騰量>滯塵量>吸收SO2量。

圖3 各功能區(qū)單位面積生態(tài)效益價值

3 結論

基于激光點云的不規(guī)則三角網(wǎng)法能為校園三維綠量定量研究和動態(tài)監(jiān)測提供技術支持。本研究使用無人機載激光雷達系統(tǒng)配合手持式地面激光掃描系統(tǒng)獲取校園主要功能區(qū)綠地樹木的三維激光點云數(shù)據(jù)，采用柵格法對點云數(shù)據(jù)進行精簡處理，并進一步提取冠層，最后運用不規(guī)則三角網(wǎng)法計算樹木的三維綠量，實現(xiàn)了主要功能區(qū)綠地三維綠量的定量化分析。

三維綠量大小與研究區(qū)的植物種類、植株數(shù)量與大小、喬灌比、常綠落葉比、區(qū)域面積、郁閉度等因素密切相關。校園綠地總體三維綠量為589626.771 m3，在校園總體三維綠量中，教職工住宅區(qū)三維綠量所占比重最大，達到240616.993 m3，占總綠量的40.81%，5 個功能區(qū)三維綠量大小為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>教研文化區(qū)>學生住宿區(qū)>體育運動區(qū)。單位面積三維綠量最大同樣為教職工住宅區(qū)，達6.697 m3，其次為休閑游憩區(qū)，達到3.793 m3，其它3 個區(qū)在1 m3左右，各功能區(qū)排序為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>體育運動區(qū)>學生住宿區(qū)>教研文化區(qū)，上述結論與現(xiàn)場調研一致。教職工住宅區(qū)與休閑游憩區(qū)總三維綠量與單位面積綠量均大，研究表明兩個區(qū)域的植物種類比較豐富，植株數(shù)較多，以高大常綠喬木為主，郁閉度高，因此提供的綠量較大。而植株數(shù)量占比第二多的教研文化區(qū)總三維綠量及單位面積綠量均低，主要是因為區(qū)域的擴建，綠地面積增大，植物體量偏小導致，建議后期加強綠地的養(yǎng)護管理，提高植物增加三維綠量的潛力。

綠地生態(tài)效益及生態(tài)效益價值與三維綠量成正相關，三維綠量越大，其對應的生態(tài)效益及生態(tài)效益價值就越大。從5 個功能區(qū)的5 種生態(tài)效益來看，具體表現(xiàn)為：各功能區(qū)總三維綠量、總生態(tài)效益及其總生態(tài)效益價值均為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>教研文化區(qū)>學生住宿區(qū)>體育運動區(qū)；各功能區(qū)單位面積三維綠量、單位面積生態(tài)效益、單位面積生態(tài)效益價值均為教職工住宅區(qū)>休閑游憩區(qū)>體育運動區(qū)>學生住宿區(qū)>教研文化區(qū)。就生態(tài)效益及生態(tài)效益價值而言，常綠樹種>落葉樹種；喬木>灌木>草本。校園綠地在后期的改建、擴建中，注意考慮這些因素將可以產(chǎn)生更大的生態(tài)效益和生態(tài)效益價值。

綠地單位面積固碳釋氧價值占生態(tài)效益價值比重較大。教研文化區(qū)、教職工住宅區(qū)、學生住宿區(qū)、體育運動區(qū)、休閑游憩區(qū)的單位面積固碳釋氧價值占生態(tài)效益價值比重分別為77.53%、77.61%、77.53%、77.59%、77.50%。說明樹木具有極強的固碳釋氧能力，能夠給校園綠地帶來巨大的生態(tài)效益。建議在校園綠地中多種植固碳釋氧能力強的常綠喬木，如香樟、廣玉蘭、桂花、石楠等，既可以提高綠地三維綠量，同時增強綠地固碳釋氧能力。

4 討論

本研究使用無人機載激光雷達系統(tǒng)配合手持式地面激光掃描系統(tǒng)獲取綠地區(qū)域內樹木的三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)法計算樹木的三維綠量與傳統(tǒng)以測樹學為基礎的冠幅-冠高幾何模型描述冠型計算三維綠量相比，可以消除因實際冠型多樣，難以精確匹配冠幅-冠高幾何公式的顧慮。同時，運用不規(guī)則三角網(wǎng)法計算三維綠量時無需考慮樹形，減少了人為誤差，但對于郁閉度較高的區(qū)域精確度有待進一步研究。使用手持式地面激光掃描系統(tǒng)配合無人機載激光雷達系統(tǒng)共同完成三維點云數(shù)據(jù)的獲取，可以提高捕捉林下垂直結構信息的準確度。本研究采用人工識別樹種，工作量較大，有待進一步加強樹種識別算法工作，以期實現(xiàn)綠地三維綠量的全自動化計算。

關于三維綠量與生態(tài)效益相關性研究，蘇津對泉州市 3 個城市公園植物群落三維綠量及生態(tài)效益進行了評估，董艷杰等基于三維綠量對上海郊野公園的林分進行了生態(tài)效益測算與分析，相關研究成果均表明：綠地三維綠量的大小與植物種類、常綠落葉比等密切相關；三維綠量越大，其對應的生態(tài)效益與生態(tài)效益價值就越大，這與筆者研究結果一致。研究表明，單位面積綠量達3.87 m3以上時，能改善空氣總懸浮顆粒物（TSP）污染的情況［18］，單位面積綠量達3 m3以上能最大限度地發(fā)揮氣溫調控功能［2］?？梢?，三維綠量是影響植物群落發(fā)揮生態(tài)效益最大化的重要因子，單位面積三維綠量越高，改善綠地環(huán)境的能力就越大。在研究的5 個功能區(qū)中，僅有教職工住宅區(qū)和休閑游憩區(qū)單位面積綠量達標。針對現(xiàn)狀，建議從優(yōu)化喬灌比例、篩選抗性強的高大常綠喬木種類等角度入手，提高綠地固碳釋氧能力、夏季蒸騰降溫增濕效應、抗二氧化硫及滯塵能力，最大限度提高綠地整體生態(tài)效益。