CN104462741A - 一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，构建过程包括如下步骤：步骤1)提取城市中不同单体树种的冠层结构信息；步骤2)采用经验关系法反演所述基准图中的叶面积指数；步骤3)结合冠层结构信息与叶面积指数反演结果，构建二者之间的回归模型；步骤4)将单株立木的树冠体积值与LAI反演量相结合，获得位于冠层不同高度面上的叶面积含量；步骤5)确定所述基准图中的植被水平蒸散梯度；步骤6)提取建筑物的平均高度、投影面积和体积等参数；步骤7)结合步骤4)、步骤5)、步骤6)中得到的三个基本输入参数，构建城市绿辐射受益量计算模型，获得绿辐射受益量分布图，以及不同高度层所对应的绿辐射受益量分布特征。

Description

一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型

技术领域

本发明涉及一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，本发明能够更好的描述对城市环境具有积极影响的环境因子在三维地域空间网格内的含量及分布规模，有效地揭示城市绿地生态效益服务范围。 

背景技术

城市绿地作为依附于城市土地资源的一种重要的城市基础设施形态，在改善城市生态环境、促进人体健康等方面起着不可或缺的积极作用，其生态意义与环境价值的重要性也正逐渐被人们所关注。城市绿地的生态效益功能主要体现在改善城市气候圈循环(调节气温、增加空气湿度)；净化空气(吸收二氧化碳、释放氧气)、保持水土(涵养水源)；滞留烟尘；降噪隔音；保护物种多样性，提升城市生态系统抗干扰能力等功能。 

目前，国外城市绿地研究多集中于改善城市环境质量、保护生物多样性、提供休闲娱乐和生态系统管理等生态效益方面。随着人们对城市绿地功能认识的提升，以及遥感数据源的多样化，人们不再满足于简单城市植被制图，而是考虑从多角度、多维数开展城市绿色空间度量。 

Hofmann等通过对格网中不同类型的植被赋以一定的权重系数，来度量每个格网的绿量大小。奥地利萨尔茨堡大学利用遥感影像提取了二维植被类型信息，融合进邻接建筑物层高、直线距离等要素，为反映公民福祉与城市绿色生态提供了一种新方法，并认为城市绿地的邻接程度是改善居民生活条件的重要因素。Gupta等对研究区进行土地利用分类及建筑物高度信息，利用格网法分别计算单个格网中建筑物密度、高建筑物密度和绿地的邻接程度等参量并赋权重系数，计算研究区的城市绿色空间指数。20世纪80年代以来，我国一直以城市人均公共绿地面积、绿地率和绿化覆盖率这3项指标来指导我国城市绿地建设。尽管这些指标能从数量上说明一些问题，却难以在空间上描述绿地景观的空间布局，从而真正反映绿地对人民服务的有效性。 

绿地是实际存在三维空间的几何实体，其产生的生态效应及其对环境的动态调节理应也是三维的，考虑到这一问题，本发明试图建立一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，用于定量描述绿辐射受益量在指定高度层上的含量及分布，量化绿地的生态效益服务范围，以期更好地指导城市绿地规划建设。 

发明内容

本发明提出一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，用于描述不同缓冲范围内蒸腾效益因子在指定高度层上的含量及分布特征，揭示城市绿地生态效益服务范围。 

本发明的目的通过以下技术步骤实现： 

步骤1)利用机载激光雷达数据，辅以高分辨率航空影像，提取城市中不同单体树种的冠层结构信息，具体包括树顶位置、树高、树冠投影轮廓、冠径、冠高、树冠体积等参数，绘制冠层结构信息基准图； 

步骤2)采用经验关系法反演所述基准图中的叶面积指数，得到叶面积指数反演结果分布图； 

步骤3)结合冠层结构信息与叶面积指数反演结果，构建二者之间的回归模型，获得基于冠层体积信息的叶面积指数反演模型； 

步骤4)将单株立木的树冠体积值与LAI反演量相结合，经由微积分计算，获得位于冠层不同高度面上的叶面积含量，绘制植被生态效益源分布图； 

步骤5)根据植被水平蒸散影响的最大有效距离，以及不同方位上单位距离内植被温湿度效应的变化梯度观测值，确定所述基准图中的植被水平蒸散梯度； 

步骤6)对LiDAR数据进行预处理，生成数字高度模型与植被掩膜图像，提取建筑物的平均高度、投影面积和体积等参数，绘制建筑物高度分布图与三维建模结果； 

步骤7)基于植物生态场理论，结合步骤4)、步骤5)、步骤6)中得到的三个基本输入参数，构建一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，获得绿辐射受益量分布图，以及不同高度层所对应的绿辐射受益量分布特征。 

进一步所述步骤1)的具体方法为： 

a)采用基于活动窗口的局部最大值搜索法进行树顶位置与树高信息的提取；b)在树顶检测结果基础之上，利用伞骨算法识别树冠投影边界；c)根据树冠的形态特征，使用基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法，引入冠层孔隙率修正系数，获得树冠体积计算结果。 

进一步所述步骤2)的具体方法为： 

a)对多光谱遥感影像进行波段计算，得到NDVI分布图；b)采用表征冠层辐射传输过程的物理模型PROSAIL模拟获得用于拟合模型参数的叶面积指数；c)利用一定数量的LAI参考值与NDVI数据绘制散点图，计算得到经验参数，即获得LAI遥感估算模型。 

进一步所述步骤6)的具体计算过程为： 

a)使用高程阈值从经过植被掩膜后的图像提取建筑物，得到粗略的建筑物提取结果；b)采用中值滤波(Median Filter)消除边界“锯齿现象”，得到边缘整齐的建筑物轮廓；c)经由分区统计和几何计算，得到单个独立建筑物的高度、面积、体积等信息。 

附图说明

图1为树冠三维结构提取结果； 

图2为叶面积指数反演结果； 

图3为树冠三维简化结构示意图； 

图4为城市建筑物高度分布图与三维建模结果； 

图5为总绿辐射受益量分布图； 

图6为1.7m绿辐射受益量分布图； 

图7为12m绿辐射受益量分布图； 

图8为28.5m绿辐射受益量分布图； 

具体实施方式

下面结合附图对本发明“一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型”作进一步说明。 

本发明试图建立一种模拟植被蒸腾扩散过程的计算模型，可用于从二维平面与垂直结构角度描述绿辐射空间的数量及分布特征，界定城市绿度空间的有效生态服务范围，为环境规划、城市绿化指导提供参考。 

(一)单株立木冠层结构信息提取 

城市绿度空间由生态效益源和绿辐射空间两部分构成，其中生态效益源是指可以进行能量转换、发挥生理功能和生态服务效益的客观体，在本实例中特指树冠。本发明首先基于机载激光雷达数据，辅以高分辨率航空影像，提取单株立木冠层结构信息，具体实现步骤如下： 

1)基于单次回波点云数据构建树冠高度模型，在数字地面模型的基础上滤除非植被信息，获得包含仅植被分布及高度信息的基准图； 

2)基于活动窗口的局部最大值搜索法，从所述基准图中提取单株立木的顶点(即局部最高点)； 

3)在树顶检测结果基础之上，采用“伞骨算法”进行树冠投影边界识别， 分离单体树木并确定各自树冠的边界位置，得到树冠边界识别结果； 

4)结合树顶检测结果与树冠边界识别结果，基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法生成单体树冠体积分布图； 

5)通过计算图像平均梯度反演冠层孔隙率，修正因树冠内部枝叶间存在的大量空隙而造成的计算误差，进一步提升步骤4)中的树冠体积反演精度。 

经由上述步骤得到树冠三维结构提取结果，如图1所示。 

(二)叶面积指数反演 

采用经验关系方法反演植被指数。植被指数的经验关系法需要输入3个关键参数：植被指数、经验关系形式和用于模型参数拟合的真实LAI数据。鉴于归一化差值植被指数(NDVI)为最常用的植被指数，且比值形式的NDVI在突出植被信息的同时减小了冠层阴影、土壤背景、大气污染和角度效益等影响。故本发明以NDVI为自变量，LAI为因变量，建立估算模型： 

LAI＝ax²+bx+c $x=\mathrm{NDVI}=\frac{\mathrm{NIR}-R}{\mathrm{NIR}+R}$

式中，R为植被冠层红光波段反射率，NIR为植被冠层近红外波段反射率，a、b、c为经验参数。用于拟合模型参数的叶面积指数采用表征冠层辐射传输过程的物理模型PROSAIL模拟获得。 

最后，利用一定数量的LAI参考值与NDVI数据绘制散点图，计算得到经验参数：a＝9.976，b＝2.8317，c＝0.8418，代入上述公式，获得LAI遥感估算模型。经由模型计算，得到于植被指数经验关系反演叶面积指数的最终结果(图2)。 

(三)冠层空间结构与叶面积指数相关性分析 

利用冠层结构信息与叶面积指数反演所得结果建立研究区树冠体积(按整数段计算均值)与LAI(树冠投影边界范围内的LAI之和)的散点图，鉴于无法事先依照散点的分布明确判定二者之间的定量关系，故对其尝试多种线性和非线性的回归分析，包括一元线性方程、指数方程、对数方程、多项式方程和幂方程。对比由不同回归方程得到的拟合精度，结果显示出叶面积指数与树冠体积的0.2246幂次方有较高的相关性，并由此提出一种基于激光雷达数据的叶面积指数初步反演模型： 

LAI＝21.487·V^0.2246

(四)植被生态效益源构建 

基于冠层空间结构与叶面积指数强相关的理论基础，借助LiDAR数据衍生出的冠层全方位信息，发明一种度量植被生态效益源的方法。该指数将单株立木的树冠体积值与LAI反演量相结合，经由微积分定理，获得位于冠层不同高 度面上的LAI值。具体计算过程如下(算法示意图见图3)： 

1)已知相对于冠层中心点的某一水平割面高度h，以及树冠椭球体的三个基本参量(长半轴a、短半轴b、极半径c)，分别计算位于该高度层上的椭圆割面的长半轴x与短半轴y的长度； 

$\frac{z^2}{c^2}+\frac{x^2}{a^2}=1$   z＝|h|   $x=\sqrt{(1-\frac{h^2}{c^2})\·a^2}$    $\frac{z^2}{c^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$   z＝|h|   $y=\sqrt{(1-\frac{h_2}{c^2})\·b^2}$

2)根据椭圆面积公式，计算求得椭圆割面积S_(h)； 

$S_{\left(h\right)}=\mathrm{\πxy}=\mathrm{\πab}(1-\frac{h^2}{c^2})$

3)由于树冠内部的枝叶间由于存在大量空隙，需要冠层孔隙率系数修正这一误差，故在此乘以该系数ε，得到更为准确的椭圆割面积值S′_(h)； 

$S_{\left(h\right)}^{\′}=\mathrm{\ϵ}\·S_{\left(h\right)}=\mathrm{\ϵ\πab}(1-\frac{h^2}{c^2})$

4)对椭球割面积定积分，或直接使用椭球体积公式，得到修正后的树冠体积计算值V′。 

$V^{\′}=2{\∫}_0^c{S}_{\left(h\right)}^{\′}\mathrm{dh}=\frac{2\mathrm{\ϵab\π}}{c^2}{[c^{2}h-\frac{1}{3}{h}^3]}_0^c=\frac{2\mathrm{\ϵab\π}}{c^2}[c^3-\frac{c^3}{3}]=\frac{4}{3}\mathrm{\ϵabc\π}$

5)已知单体树冠总叶面积指数LAI、椭球割面积S′_(h)以及以及修正后的树冠体积计算值V′，通过比值计算将二者关联起来，最终得到处于树冠不同高度层所拥有的叶面积总和，即LAI_(h)。 

${\mathrm{LAI}}_{\left(h\right)}=\mathrm{LAI}\·\frac{S_{\left(h\right)}^{\′}}{V^{\′}}\mathrm{LAI}\·\frac{4(c^2-h^2)}{{3c}^3}$

(五)植被水平蒸散梯度估算 

城市植物的蒸腾作用以及树冠对日光的遮蔽作用会促使绿地成为一个“冷源”，绿地中冷空气气压高，绿地外气温高形成低压，空气由高压区向低压区流动，冷空气由绿地向外部流动，使其周围的空气湿度明显高于远离树林的地方。已有相关研究表明：水平方向上随着距离的增加，湿冷空气的输送能力将减弱，温差也会逐渐减少，且植被的蒸散效益对周围环境的积极作用将扩散至距离林地15m的范围内，20m处的降温增湿效果已不明显。由此，可以初步推断植被水平蒸散影响的最大有效距离为20m。 

除了植被蒸腾作用的扩散与衰减特征，相关研究还利用仪器定量测定出单 位距离(5m)内植被温湿度效应的变化梯度。由于绿地降温距离的研究尚处于初级阶段，得出的结论仅仅是适用于单个研究区域，差异较大，故此处暂时将植被水平蒸散梯度设为固定值ρ＝0.68。 

(六)建筑物三维特征参数提取 

建筑物作为影响城市绿度空间分布的主要因素之一，也会对植被蒸腾效益的扩散功效产生阻碍作用，改变氧气的扩散速度。因此，提取城市建筑群体的三维特征参数，有助于构建植被蒸腾效益扩散模型，限定植被的蒸散范围。 

本发明基于数据预处理步骤生成的数字高度模型与植被掩膜图像，提取建筑物的平均高度、投影面积和体积等参数。全部操作均可在ArcMap的模型构建器中实现。首先使用高程阈值从经过植被掩膜后的图像提取建筑物，得到粗略的建筑物提取结果。但因粗略提取结果中存在大量的椒盐斑点(这些斑点显然不是建筑物)，导致建筑物的轮廓不清，故采用中值滤波消除边界“锯齿现象”，得到边缘整齐的建筑物轮廓。最后经由一系列分区统计和几何计算，得到单个独立建筑物的高度、面积、体积等信息。对于建筑物的高度模型，考虑到对于每个单体建筑物的不同部位其高度并不是同一高度，此处将每个单体建筑物的高度设置为该单体建筑物的平均高度，这是为了便于模型分析而做出的简化处理。图4为城市建筑物高度分布图与三维建模结果。 

(七)城市绿辐射受益量计算 

基于植被蒸腾作用的扩散和衰减规律，构建融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，该模型包括三个基本输入参数：生态效益源、扩散梯度和阻碍物。建立得到的城市绿辐射受益量计算模型如下：

式中，X表示处于第i层缓冲距离内的绿辐射受益量(缓冲区间距为2m)，LAI_(h)表示h高度层拥有的叶面积总和，p表示第i层缓冲距离的植被水平蒸散梯度。经由模型计算，便可得到全区任意单株树木、不同高度层的绿辐射受益量。本实例以间隔0.5米高差，逐层累加计算全区绿辐射受益量，得到所述基准图的总体绿辐射受益量估算值，具体计算方法如下：

图5为总绿辐射受益量分布图，不同的绿辐射受益量以深浅渐变的绿色区 别表示。此外，若根据楼层与对应待计算高度面的转换公式h＝b*3-1.5，还可以可视化输出若干典型楼层高度所对应水平剖面的绿辐射受益量分布图。图6、图7、图8分别为位于1.7m、12m和28.5m高度层面的绿辐射受益量分布图。 

Claims (4)

1.一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，该模型的构建方法包 

括如下步骤： 

步骤1)获取机载激光雷达数据，结合高分辨率航空影像，提取城市中不同单体树种的冠层结构信息，具体包括树顶位置、树高、树冠投影轮廓、冠径、冠高、树冠体积参数，绘制冠层结构信息基准图； 

步骤2)采用经验关系法反演所述基准图中的叶面积指数，得到叶面积指数反演结果分布图； 

步骤3)结合冠层结构信息与叶面积指数反演结果，构建二者之间的回归模型，获得基于冠层体积信息的叶面积指数反演模型； 

步骤4)将单株立木的树冠体积值与LAI反演量相结合，经由微积分计算，获得位于冠层不同高度面上的叶面积含量，绘制植被生态效益源分布图； 

步骤5)根据植被水平蒸散影响的最大有效距离，以及不同方位上单位距离内植被温湿度效应的变化梯度观测值，确定所述基准图中的植被水平蒸散梯度； 

步骤6)对LiDAR数据进行预处理，生成数字高度模型与植被掩膜图像，提取建筑物的平均高度、投影面积和体积等数，绘制建筑物高度分布图与三维建模结果； 

步骤7)基于植物生态场理论，结合步骤4)、步骤5)、步骤6)中得到的三个基本输入参数，构建一种融合树冠三维结构的城市绿辐射受益量计算模型，获得绿辐射受益量分布图，以及不同高度层所对应的绿辐射受益量分布特征。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)的具体方法为： 

a)采用基于活动窗口的局部最大值搜索法进行树顶位置与树高信息的提取；b)在树顶检测结果基础之上，利用伞骨算法识别树冠投影边界(将伞滑算法识别树冠投影边界的具体内容进行补充，并加入到说明书的相应部分)；c)根据树冠的形态特征，使用基于伸缩圆与冠高比的树冠体积计算方法，引入冠层孔隙率修正系数，获得树冠体积计算结果。 

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体方法为： 

a)对多光谱遥感影像进行波段计算，得到NDVI分布图；b)采用表征冠层辐射传输过程的物理模型PROSAIL模拟获得用于拟合模型参数的叶面积指数；c)利用一定数量的LAI参考值与NDVI数据绘制散点图，计算得到经验参数，即获得LAI遥感估算模型。 

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)的具体方法为： 

a)使用高程阈值从经过植被掩膜后的图像提取建筑物，得到粗略的建筑物提取结果；b)采用中值滤波(Median Filter)消除边界“锯齿现象”，得到边 缘整齐的建筑物轮廓；c)经由分区统计和几何计算，得到单个独立建筑物的高度、面积、体积信息。