CN113177744A - 一种城市绿地系统碳汇量估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市绿地系统碳汇量估算方法及系统，包括：构建乔灌木碳汇量与其影响因素树高、冠幅、胸径及垂直投影面积的多元回归方程；通过抽样实地测量，获取植被数据包括树高、胸径、冠幅及乔灌草垂直投影面积；利用既有方法计算各个样方内的碳汇量；通过方案指标查询以及实测数据和样方碳汇量的多元回归分析等，得到相关参数；将不同绿地类型相关参数代入多元回归方程，得到总体规划的城市绿地系统碳汇量，并进行可视化呈现。本发明为城市建成区尺度下的总体规划层面绿地的碳汇量估算提供了一种可操作性强的方法。

Description

一种城市绿地系统碳汇量估算方法及系统

技术领域

本发明属于城市规划领域，具体涉及一种城市绿地系统碳汇量估算方法及系统。

背景技术

目前，针对城市绿地碳汇量估算的方法主要分为样地清查法、遥感反演法和面积法、涡度相关法等。

其中，样地清查法是通过设立样地，运用皆伐法、平均生物量法、维量分析法、光合速率法等测树学方法对森林生态系统各组成部分生物量的测定估算森林碳储量的方法。样地清查法基于大规模的野外实地调查，得到的结果精度高，且相关参数研究较为全面；缺点在于耗时长，耗费人力巨大。

遥感反演法如CASA模型等多用于大尺度区域碳汇量估算方法，其主要原因在于遥感影像的精度和相关参数确定的精度难以适用于小尺度的城市绿地。近年来，结合调研与遥感反演建立回归模型也较为常见。遥感估算法利用卫星遥感图像获得待测区域内各植被状态参数，再结合地面调查完成植被的空间分类和时间序列分析，之后再分析森林生态系统的碳积累量以及碳的时空和动态分布。遥感反演法所需数据，包括遥感数据：遥感影像、气候数据、太阳辐射数据，以及样地调查数据等，较为复杂，需要花费较多人力物力，不适宜用于城市绿地系统规划过程中快速的估算要求。

面积法是通过碳汇系数(单位面积的碳汇量)乘以面积得到碳汇量的快速估算方法，该种方法适合于已知种植类型及其对应种植面积的绿化区，而不同气候区种植类型不同，其碳汇系数也不同，面积法可控制的变量较少，是一种较为粗略的计算方法。

涡度相关法需要用精明的仪器对树冠层CO2浓度和风速风向进行监测，从而推算所研究的生态系统固定或放出的CO2量。涡度相关法精度高，可以用于实时监测，但成本高，技术要求高，不适宜规划使用。

在实际的城市绿地系统规划设计中，要考虑绿地发挥碳汇功能，对于规划师和设计师而言，上述三类方法中，样地清查和遥感反演法过于复杂，所需数据、参数以及计算过程较多，不适宜用于实践项目应用，而面积法目前没有适用于城市建成区尺度的系数值，且较为粗略，因此，建立一种能够在城市建成环境绿地系统规划设计层面快速使用的估算城市绿地碳汇量的方法十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市绿地系统碳汇量估算方法及系统，以解决上述存在的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种城市绿地系统碳汇量估算方法，包括以下步骤：

构建乔灌木碳汇量与其影响因素树高、冠幅、胸径及垂直投影面积的多元回归方程；

对城市总体规划层面的绿地碳储量进行抽样实地测量，从而得到城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S数据；

计算各个样方内的城市绿地碳储量，样方内的城市绿地碳汇量为样方内的个体碳汇量之和；

将获取的城市绿地碳汇量与获取的样地乔灌草平均树高Hi、平均胸径Di、平均冠幅Ci以及乔灌草垂直投影面积Si与碳汇量分别进行多元回归分析，得到常数项a0、b0和c0以及回归系数ai、bi和ci(i＝1,2,3……,n)；

将获得的乔灌木平均冠幅Ci、平均胸径Di、平均树高Hi以及通过规划方案指标查询或遥感识别的绿地垂直投影面积Si，代入多元回归方程，分别得到乔灌草的碳汇量，最后将其相加得到总体规划的城市绿地系统碳汇总量W；

其中，W为城市绿地系统碳汇总量；i表示第i类绿地类型；n表示绿地类型总数。

进一步的，多元回归方程，具体为以下公式：

W_乔＝a₀+a₁S₁+a₂C₁+a₃D₁+a₄H₁

W_灌＝b₀+b₁S₂+b₂C₂+b₃D₂+b₄H₂

W_草＝c₀+c₁S₃

其中，a₀、b₀和c₀为常数项；a_i、b_i和c_i(i＝1,2,3……,n)是回归系数；C₁为乔木平均冠幅，C₂为灌木平均冠幅，D₁为乔木平均胸径，D₂为灌木平均胸径；H₁为乔木平均树高，H₂为灌木平均树高；S₁为乔木垂直投影面积，S₂为灌木垂直投影面积；S₃为草地垂直投影面积。

进一步的，城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S数据：利用ArcGIS空间分析软件采用分层随机采样的方式选取30m×30m样方，采用GPS系统对各个样方的位置进行定位，进而针对样方内的树木进行测量；该样地边界范围不包括树干在外树冠在内的情况，需调研数据包括样地中各类树种的树高H、冠幅C、胸径D，以及乔灌木的垂直投影面积S。

进一步的，不同绿地类型划分上，当模型用于总体规划层面绿地碳汇量估算时，利用landsat-8卫星影像进行监督分类，提取出绿地信息，叠加总体规划图，通过目视判断法对绿地信息进行分类。

进一步的，个体碳汇量计算方法如下：

样方内的个体碳汇量＝0.5×0.8×B；

其中，B为各类型树种的生物量，可对应国际常用IPCC排放清单或生物量异速方程中相关参数进行计算。

进一步的，对于乔灌草比例的确定：乔灌草比应为样方中的乔灌草比的平均值，乔木比例＝乔木垂直投影面积/样方面积；灌木比例＝灌木垂直投影面积/样方面积；草地比例＝草地垂直投影面积/样方面积。

进一步的，对乔木垂直投影面积S₁、灌木垂直投影面积S₂和草地垂直投影面积S₃的确定：S₁＝绿化覆盖率×绿地面积×乔木比例，S₂＝绿化覆盖率×绿地面积×灌木比例，S₃＝绿化覆盖率×绿地面积×草地比例。

进一步的，碳汇量计算中，通过对总规层面城市不同绿地类型各个地块的计算得到碳汇总量的可视化图。

进一步的，一种城市绿地系统碳汇量估算系统，包括

多元回归方程构建模块用于，构建乔灌木碳汇量与其影响因素树高、冠幅、胸径及垂直投影面积的多元回归方程；

城市主要树种乔灌数据获得模块用于，对城市总体规划层面的绿地碳储量进行抽样实地测量，从而得到城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S数据；

样方内的城市绿地碳储量计算模块用于，计算各个样方内的城市绿地碳储量，样方内的城市绿地碳汇量为样方内的个体碳汇量之和；

常数项和回归系数获得模块用于，将获取的城市绿地碳汇量与获取的样地乔灌草平均树高Hi、平均胸径Di、平均冠幅Ci以及乔灌草垂直投影面积Si与碳汇量分别进行多元回归分析，得到常数项a0、b0和c0以及回归系数ai、bi和ci(i＝1,2,3……,n)；

城市绿地系统碳汇总量获得模块用于，将获得的乔灌木平均冠幅Ci、平均胸径Di、平均树高Hi以及通过规划方案指标查询或遥感识别的绿地垂直投影面积Si，代入多元回归方程，分别得到乔灌草的碳汇量，最后将其相加得到总体规划的城市绿地系统碳汇总量W。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明适用于城市的建成环境整体尺度。方法从碳汇量以影响程度较大的要素：树木的树高、胸径、冠幅以及绿地的垂直投影面积为自变量，与样地实测的碳汇量进行多元回归模型的建立，从而得到估算绿地乔灌草碳汇量的估算公式。通过本方法，可以快速代入城市乔灌木平均树高、胸径、冠幅等数据，以及通过查询方案或遥感识别的方法确定绿地的垂直投影面积，快速估算出城市绿地碳汇量，弥补了遥感反演法难以获取高精度遥感数据而造成城市建成区尺度碳汇量估算的误差。

2、本发明通用性和可操作性强，适用于城市总体规划的方案阶段。方法考虑了总体规划层面绿地的分类和差别，通过采集不同绿地类型的参数代入步骤1所述公式，可以获得城市绿地在总体规划层面的碳汇量可视化图，可以使用于城市规划中规划师快速估算绿地碳汇量以及碳汇量的空间可视化，从而为城市低碳化规划方案调整提供指导意义。

附图说明

图1是本发明的一种适用总体规划的城市绿地系统碳汇量估算方法的操作流程图；

图2是本发明中样地实测碳汇量结果图；

图3是本发明估算方法得到的总体规划层面城市绿地系统碳汇量可视化图；

图4是本发明样地碳汇量实测值和估算值对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改和替换，这些修改和替换均属于本发明的保护范围内。

请参考图1，本发明的一种适用总体规划的城市绿地系统碳汇量估算方法，包括以下步骤：

步骤1、构建城市规划层面各个绿地类型的乔木、灌木、草地的碳汇量多元回归模型，具体公式如下：

W_乔＝a₀+a₁S₁+a₂C₁+a₃D₁+a₄H₁

W_灌＝b₀+b₁S₂+b₂C₂+b₃D₂+b₄H₂

W_草＝c₀+c₁S₃

其中，a₀、b₀和c₀为常数项；a_i、b_i和c_i(i＝1,2,3……,n)是回归系数；C₁为乔木平均冠幅，C₂为灌木平均冠幅，D₁为乔木平均胸径，D₂为灌木平均胸径；H₁为乔木平均树高，H₂为灌木平均树高；S₁为乔木垂直投影面积，S₂为灌木垂直投影面积；S₃为草地垂直投影面积。

步骤1中C、D、H、S都是碳汇量估算模型的因变量，其是根据现有相关研究提取得到的。

步骤2、对城市总体规划层面的绿地碳储量进行抽样实地测量，从而得到步骤1中城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S等数据。

步骤2需通过实地调研，利用ArcGIS空间分析软件采用分层随机采样的方式选取30m×30m样方，采用GPS系统对各个样方的位置进行定位，进而针对样方内的树木进行测量。该样地边界范围不包括树干在外树冠在内的情况，调研数据包括样地中各类树种的树高H、冠幅C、胸径D，以及乔灌木的垂直投影面积S；各样方统计数据表如下：

在调研中，利用landsat-8卫星影像进行总体规划层面绿地监督分类，提取出绿地信息，叠加总体规划图，通过目视判断法对绿地信息进行分类；

步骤3、计算各个样方内的城市绿地碳储量，样方内的城市绿地碳汇量为样方内的个体碳汇量之和。个体碳汇量计算方法如下：

样方内的个体碳汇量＝0.5×0.8×B；

其中，B为各类型树种的生物量，可对应国际常用IPCC排放清单或生物量异速方程中相关参数(如下表)进行计算。

步骤4、将步骤3所获取的样地乔灌草碳汇量与步骤2获取的样地乔灌草平均树高Hi、平均胸径D_i、平均冠幅C_i以及乔灌草垂直投影面积S_i与碳汇量分别进行多元回归分析，得到步骤1中常数项a₀、b₀和c₀以及回归系数a_i、b_i和c_i(i＝1,2,3……,n)。

步骤4中乔灌草垂直投影面积S_i的确定可以通过方案既有指标确定，也可用现状卫星遥感图进行监督分类识别，提取出研究区植被覆盖范围。绿化覆盖率＝植被垂直投影面积/绿地面积。乔灌草比应为样方中的乔灌草比的平均值。乔木比例＝乔木垂直投影面积/样方面积；灌木比例＝灌木垂直投影面积/样方面积；草地比例＝草地垂直投影面积/样方面积。S₁＝绿化覆盖率×绿地面积×乔木比例，S₂＝绿化覆盖率×绿地面积×灌木比例，S₃＝绿化覆盖率×绿地面积×草地比例。

步骤5、将步骤2获得的乔灌木平均冠幅C_i、平均胸径D_i、平均树高H_i以及通过规划方案指标查询或遥感识别的绿地垂直投影面积S_i，代入步骤1的公式，分别得到乔灌草的碳汇量。最后将其相加得到总体规划的城市绿地系统碳汇总量W。

其中，W为城市绿地系统碳汇总量；i表示第i类绿地类型；n表示绿地类型总数。

结合总体规划图，通过对总规层面城市不同绿地类型各个地块的计算，最终可以得到碳汇总量的可视化图。

实施例：

选取西安市中心城区的绿地系统，对其总体规划层面绿地碳汇量进行估算，其方法包括：

(1)构建城市规划层面各个绿地类型的乔木、灌木、草地的碳汇量多元回归模型，具体公式如下：

W_乔＝a₀+a₁S₁+a₂C₁+a₃D₁+a₄H₁

W_灌＝b₀+b₁S₂+b₂C₂+b₃D₂+b₄H₂

W_草＝c₀+c₁S₃

其中，a₀、b₀和c₀为常数项；a_i、b_i和c_i(i＝1,2,3……,n)是回归系数；C₁为乔木平均冠幅，C₂为灌木平均冠幅，D₁为乔木平均胸径，D₂为灌木平均胸径；H₁为乔木平均树高，H₂为灌木平均树高；S₁为乔木垂直投影面积，S₂为灌木垂直投影面积；S₃为草地垂直投影面积。

(2)对城市总体规划层面的绿地碳储量进行抽样，利用ArcGIS空间分析软件采用分层随机采样的方式选取30m×30m样方，采用GPS系统对各个样方的位置进行定位，选取样方225个。对样方内的树木进行测量，从而得到步骤1中城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S等数据。据调研，西安市城市绿地的乔木树高分布在3～9m，平均树高为5.84m；冠幅分布在2～6m，平均冠幅为3.64；胸径在10～20cm，平均胸径为16.98cm；2)不同绿地的乔灌木比例。公园绿地乔木占绿地垂直投影面积的64％，防护绿地71.6％，广场绿地53.52％，灌木占绿地垂直投影面积的6.184％，25.887％，8.883％；草地占绿地的投影面积比例为公园内绿地42.16％，防护绿地30.96％，广场绿地36.41％。

(3)计算各个样方内的城市绿地碳储量，样方内的城市绿地碳汇量为样方内的个体碳汇量之和，计算结果如图2。个体碳汇量计算方法如下：

样方内的个体碳汇量＝0.5×0.8×B；

其中，B为各类型树种的生物量，可对应国际常用IPCC排放清单或生物量异速方程中相关参数进行计算。

(4)将步骤3所获取的样地乔灌草碳汇量与步骤2获取的样地乔灌草平均树高H_i、平均胸径D_i、平均冠幅C_i以及乔灌草垂直投影面积S_i碳汇量分别进行多元回归分析，得到步骤1中常数项a₀、b₀和c₀以及回归系数a_i、b_i和c_i(i＝1,2,3……,n)。得到结果如下：

W_乔＝445.903H₁+126.922D₁+1.051S₁-722.610C₁-1440.677

其中，W乔为乔木总体碳汇量，H₁，D₁，C₁分别为平均树高，胸径和冠幅，S₁为乔木总的垂直投影面积；

W_灌＝0.722S₂+18.179

其中，W_灌为灌木总体碳汇量，S₂为灌木总的垂直投影面积；

W_草＝0.06*S3

其中，W_草为草地总体碳汇量，S₃为灌木总的垂直投影面积。

(5)将步骤2获得的乔灌木平均冠幅C_i、平均胸径D_i、平均树高H_i以及通过规划方案指标查询或遥感识别的绿地垂直投影面积S_i，代入步骤1的公式，分别得到乔灌草的碳汇量。最后将其相加得到总体规划的城市绿地系统碳汇总量W：57236002kg。其中，防护绿地：17773988kg；公园绿地：39301582kg；广场绿地：160432kg。

其中，W为城市绿地系统碳汇总量；i表示第i类绿地类型；n表示绿地类型总数。

结合总体规划图，通过对总规层面城市不同绿地类型各个地块的计算，最终可以得到碳汇总量的可视化图(图3)。

本发明建立了一种适用总体规划的城市绿地系统碳汇量估算方法，实现了估算城市建成区尺度下的绿地碳汇量估算，建立了树木测量数据与实测碳汇量的多元回归模型，规划师通过代入城市乔灌木平均树高、胸径、冠幅等数据，以及通过查询方案或遥感识别的方法确定绿地的垂直投影面积，从而快速估算出城市绿地碳汇量，并通过结合总体规划图和绿地分类，计算出各个绿地地块碳汇量，从而实现了城市绿地碳汇量的空间可视化。

Claims (9)

1.一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建乔灌木碳汇量与其影响因素树高、冠幅、胸径及垂直投影面积的多元回归方程；

对城市总体规划层面的绿地碳储量进行抽样实地测量，从而得到城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S数据；

计算各个样方内的城市绿地碳储量，样方内的城市绿地碳汇量为样方内的个体碳汇量之和；

将获取的城市绿地碳汇量与获取的样地乔灌草平均树高Hi、平均胸径Di、平均冠幅Ci以及乔灌草垂直投影面积Si与碳汇量分别进行多元回归分析，得到常数项a0、b0和c0以及回归系数ai、bi和ci(i＝1,2,3……,n)；

将获得的乔灌木平均冠幅Ci、平均胸径Di、平均树高Hi以及通过规划方案指标查询或遥感识别的绿地垂直投影面积Si，代入多元回归方程，分别得到乔灌草的碳汇量，最后将其相加得到总体规划的城市绿地系统碳汇总量W；

其中，W为城市绿地系统碳汇总量；i表示第i类绿地类型；n表示绿地类型总数。

2.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，多元回归方程，具体为以下公式：

W_乔＝a₀+a₁S₁+a₂C₁+a₃D₁+a₄H₁

W_灌＝b₀+b₁S₂+b₂C₂+b₃D₂+b₄H₂

W_草＝c₀+c₁S₃

其中，a₀、b₀和c₀为常数项；a_i、b_i和c_i(i＝1,2,3……,n)是回归系数；C₁为乔木平均冠幅，C₂为灌木平均冠幅，D₁为乔木平均胸径，D₂为灌木平均胸径；H₁为乔木平均树高，H₂为灌木平均树高；S₁为乔木垂直投影面积，S₂为灌木垂直投影面积；S₃为草地垂直投影面积。

3.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S数据：利用ArcGIS空间分析软件采用分层随机采样的方式选取30m×30m样方，采用GPS系统对各个样方的位置进行定位，进而针对样方内的树木进行测量；该样地边界范围不包括树干在外树冠在内的情况，需调研数据包括样地中各类树种的树高H、冠幅C、胸径D，以及乔灌木的垂直投影面积S。

4.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，不同绿地类型划分上，当模型用于总体规划层面绿地碳汇量估算时，利用landsat-8卫星影像进行监督分类，提取出绿地信息，叠加总体规划图，通过目视判断法对绿地信息进行分类。

5.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，个体碳汇量计算方法如下：

样方内的个体碳汇量＝0.5×0.8×B；

其中，B为各类型树种的生物量，可对应国际常用IPCC排放清单或生物量异速方程中相关参数进行计算。

6.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，对于乔灌草比例的确定：乔灌草比应为样方中的乔灌草比的平均值，乔木比例＝乔木垂直投影面积/样方面积；灌木比例＝灌木垂直投影面积/样方面积；草地比例＝草地垂直投影面积/样方面积。

7.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，对乔木垂直投影面积S₁、灌木垂直投影面积S₂和草地垂直投影面积S₃的确定：S₁＝绿化覆盖率×绿地面积×乔木比例，S₂＝绿化覆盖率×绿地面积×灌木比例，S₃＝绿化覆盖率×绿地面积×草地比例。

8.根据权利要求1所述的一种城市绿地系统碳汇量估算方法，其特征在于，碳汇量计算中，通过对总规层面城市不同绿地类型各个地块的计算得到碳汇总量的可视化图。

9.一种城市绿地系统碳汇量估算系统，其特征在于，包括

多元回归方程构建模块用于，构建乔灌木碳汇量与其影响因素树高、冠幅、胸径及垂直投影面积的多元回归方程；

城市主要树种乔灌数据获得模块用于，对城市总体规划层面的绿地碳储量进行抽样实地测量，从而得到城市主要树种乔灌木树高H、胸径D、冠幅C以及总规层面各类绿地乔灌草垂直投影面积S数据；

样方内的城市绿地碳储量计算模块用于，计算各个样方内的城市绿地碳储量，样方内的城市绿地碳汇量为样方内的个体碳汇量之和；

常数项和回归系数获得模块用于，将获取的城市绿地碳汇量与获取的样地乔灌草平均树高Hi、平均胸径Di、平均冠幅Ci以及乔灌草垂直投影面积Si与碳汇量分别进行多元回归分析，得到常数项a0、b0和c0以及回归系数ai、bi和ci(i＝1,2,3……,n)；

城市绿地系统碳汇总量获得模块用于，将获得的乔灌木平均冠幅Ci、平均胸径Di、平均树高Hi以及通过规划方案指标查询或遥感识别的绿地垂直投影面积Si，代入多元回归方程，分别得到乔灌草的碳汇量，最后将其相加得到总体规划的城市绿地系统碳汇总量W。

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