一種用于評(píng)價(jià)城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于評(píng)價(jià)城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構(gòu)建方法，包括如下步驟：步驟1)提取單株立木識(shí)別與冠層結(jié)構(gòu)信息；步驟2)基于多光譜影像反演葉面積指數(shù)，構(gòu)建冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型；步驟3)根據(jù)植被蒸騰效益擴(kuò)散過程計(jì)算模型，分別計(jì)算間隔0.5m的連續(xù)高度層面上的綠輻射受益面積之和，繪制三維綠度空間曲線，并基于曲線獲得綠輻射峰、綠輻射峰高度、綠輻射范圍以及綠輻射集中受益范圍等多項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)；步驟4)計(jì)算并繪制間隔0.5m的連續(xù)高度層面上的三維建筑物配置曲線；步驟5)將三維綠度空間曲線與反映各個(gè)高度上建筑面積之和的三維建筑物曲線繪制于同一數(shù)據(jù)框內(nèi)，獲得綠度空間配置曲線，服務(wù)于城市綠度空間評(píng)價(jià)。
【專利說明】一種用于評(píng)價(jià)城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構(gòu)建 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于評(píng)價(jià)城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構(gòu)建方法，本發(fā) 明能夠從城市綠度空間的三維垂直布局出發(fā)，量化建筑物與其鄰接綠度空間的配置關(guān)系， 準(zhǔn)確度量居民與城市綠地的接觸概率。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國城市化我國正處于快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)，城市環(huán) 境問題日益突出?？焖俪鞘谢瘜?dǎo)致了空氣污染蔓延、城市熱島效應(yīng)加劇、水環(huán)境惡化、生物 多樣性喪失等一系列環(huán)境問題，同時(shí)還引發(fā)城市核心地區(qū)土地資源緊張、功能區(qū)結(jié)構(gòu)矛盾 等社會(huì)問題，對(duì)維持區(qū)域生態(tài)平衡和城市可持續(xù)發(fā)展造成極大挑戰(zhàn)。伴隨著城市化進(jìn)程的 加快，加之城市生態(tài)環(huán)境問題的日益突出，人們已越來越認(rèn)識(shí)到城市綠地對(duì)城市生態(tài)環(huán)境 和城市人居環(huán)境的重要價(jià)值，城市居民對(duì)城市生活環(huán)境質(zhì)量要求也越來越高。
[0003] 為準(zhǔn)確描述城市綠地空間分布以及城市居民接觸城市綠地概率上的差異，一些學(xué) 者嘗試建立城市綠地與城市居民間的關(guān)系模型。Ainura Nazarkulova參考地理建?？臻g分 析方法，利用格網(wǎng)法對(duì)綠地類型加權(quán)生成不同植被指數(shù)，并選取城市主要居民點(diǎn)做緩沖區(qū) 分析，分別計(jì)算環(huán)繞其周圍間隔200m的所有環(huán)狀緩沖區(qū)覆蓋的綠地面積大小，從而得到指 定位置可以享受到的綠色空間總量。李小江基于LiDAR數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)建立了每個(gè)單體 建筑物與其周圍綠度空間的接觸模型，構(gòu)建一系列城市綠度空間指數(shù)用于城市綠度空間研 究。
[0004] 但傳統(tǒng)度量方法對(duì)于綠色空間生態(tài)效益的評(píng)估往往限于定性的描述，并不能準(zhǔn)確 的描述綠度空間的生態(tài)效益，對(duì)于城市綠地在改善城市環(huán)境中的作用也只停留在感性的認(rèn) 識(shí)層面，對(duì)于城市綠地的生態(tài)效應(yīng)更無宏觀層面上的量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
[0005] 鑒于以上，本發(fā)明提出三維綠度空間曲線、綠度空間與建筑物三維配置曲線評(píng)價(jià) 模型。通過城市建筑物與其鄰接綠度空間的配置關(guān)系來評(píng)價(jià)人與綠地接觸的概率，以及 接觸概率的空間分布，以期為環(huán)境規(guī)劃、城市綠化、環(huán)境保護(hù)和城市精細(xì)化管理提供參考依 據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出一種用于評(píng)價(jià)城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構(gòu)建方法，用于 客觀定量評(píng)價(jià)建筑物與其鄰接綠度空間的配置關(guān)系，以及居民與綠地的接觸概率。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)步驟實(shí)現(xiàn)：
[0008] 步驟1)基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與高分辨率航空影像，進(jìn)行單株立木識(shí)別與冠層 結(jié)構(gòu)信息提取，其中冠層結(jié)構(gòu)信息主要包括樹頂坐標(biāo)、樹高、樹冠投影邊界、冠層最大橫截 面積、冠徑、冠高、樹冠體積等，進(jìn)而繪制城市范圍內(nèi)的植被三維分布信息；
[0009] 步驟2)基于多光譜影像反演葉面積指數(shù)，并結(jié)合步驟1)所得樹冠體積計(jì)算結(jié)果， 分析二者間相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型；
[0010] 步驟3)根據(jù)植被蒸騰效益擴(kuò)散過程計(jì)算模型，獲得城市綠輻射受益量分布圖，借 助生態(tài)效益源構(gòu)建方法，分別計(jì)算間隔0. 5m的連續(xù)高度層面上的綠輻射受益面積之和，經(jīng) 由正態(tài)分布曲線擬合，繪制三維綠度空間曲線，并基于曲線獲得綠輻射峰、綠輻射峰高度、 綠輻射范圍以及綠輻射集中受益范圍等多項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)；
[0011] 步驟4)使用步驟3)生成的建筑物平均高度、投影面積和體積等參數(shù)，分別計(jì)算并 繪制間隔〇. 5m的連續(xù)高度層面上的三維建筑物配置曲線；
[0012] 步驟5)將三維綠度空間曲線與反映各個(gè)高度上建筑面積之和的三維建筑物曲線 繪制于同一數(shù)據(jù)框內(nèi)，獲得三維配置曲線，通過分析該曲線的形態(tài)走勢(shì)、線下面積與交點(diǎn)情 況，衍生出一系列評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)參數(shù)（綠輻射匱乏層、綠輻射飽和層、綠輻射平衡點(diǎn)、綠度空間 有效服務(wù)比），服務(wù)于城市綠度空間評(píng)價(jià)。
[0013] 進(jìn)一步所述步驟1)的具體方法為：
[0014] a)采用面向?qū)ο蠓诸惙?，生成植被二值掩膜圖像；b)將二維植被分布信息與數(shù)字 高度模型做疊加，構(gòu)建樹冠高度模型；c)在樹冠高度模型基礎(chǔ)上，開展樹頂檢測(cè)、樹冠投影 邊界識(shí)別以及樹冠體積計(jì)算等信息提取步驟。
[0015] 進(jìn)一步所述步驟2)的具體方法為：
[0016] a)首先對(duì)PR0SAIL模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析；b)通過敏感性分析結(jié)果以及植被參 數(shù)實(shí)地測(cè)量確定模型的可變參數(shù)和固定參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建研究區(qū)植被葉面積反演的查找表； c)最后使用成本函數(shù)最小化方法搜索查找表進(jìn)行植被葉面積指數(shù)反演；d)對(duì)葉面積指數(shù) 反演結(jié)果與樹冠體積計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，獲得二者的回歸方程式。
[0017] 進(jìn)一步所述步驟3)的具體方法為：
[0018] a)基于步驟2)所得冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型，構(gòu)建植被生態(tài)效益源；b) 根據(jù)植被蒸騰作用的擴(kuò)散與衰減規(guī)律，估算植被水平蒸散梯度；c)使用步驟1)獲得的數(shù)字 高度模型與植被掩膜圖像，進(jìn)行建筑物三維特征參數(shù)提取；d)基于上述步驟所得參數(shù)，構(gòu) 建模擬植被蒸散效應(yīng)的計(jì)算模型。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為三維綠度空間曲線；
[0020] 圖2為綠度空間與建筑物三維配置曲線（住宅區(qū)）；
[0021] 圖3為綠度空間與建筑物三維配置曲線（商業(yè)區(qū)）；

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明"一種用于評(píng)價(jià)城市綠化三維布局的綠度空間配置曲線構(gòu) 建方法"作進(jìn)一步說明。
[0023](一）植被三維分布信息提取
[0024] 進(jìn)行植被三維結(jié)構(gòu)信息提取所需的數(shù)據(jù)源均為遙感數(shù)據(jù)，且全過程均可以自動(dòng)化 實(shí)現(xiàn)。具體計(jì)算步驟如下：
[0025] 1)在數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)上濾除非植被信息，獲得植被二值掩膜圖像，將其疊加 至數(shù)字高度模型，獲得樹冠高度模型；
[0026] 2)基于活動(dòng)窗口的局部最大值搜索法，從樹冠高度模型中提取研究區(qū)范圍內(nèi)單株 立木的樹頂位置及其高度；
[0027] 3)為獲得諸如樹高、冠層高度、樹冠體積等結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要在樹頂檢測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)之 上進(jìn)行樹冠投影邊界識(shí)別，此處采用傘骨算法識(shí)別樹冠投影邊界；
[0028] 4)最后，借助樹冠最大橫截面積與冠高比信息，估算橢球形樹冠體積，獲得單體樹 冠體積分布圖。
[0029](二）冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型
[0030] 首先采用冠層輻射傳輸模型SAIL的耦合模型PR0SAIL反演葉面積指數(shù)，通過分析 葉面積指數(shù)與樹冠體積的相關(guān)性，構(gòu)建冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型。具體計(jì)算過程 如下：
[0031] 1)通過對(duì)模型生理生化參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析，從而確定對(duì)冠層光譜反射率影響 較為敏感的參數(shù)；
[0032] 2)影響冠層光譜反射率的變動(dòng)參數(shù)包括葉面積指數(shù)、平均葉傾角、葉綠素含量、胡 蘿卜素素含量、等效水厚度和葉片干物質(zhì)，將各個(gè)參數(shù)的變動(dòng)值和固定值代入到PR0SAIL 模型中來模擬冠層光譜反射率，建立冠層葉面積指數(shù)查找表；
[0033] 3)根據(jù)大氣校正后的多光譜影像反射率，在查找表中獲取對(duì)應(yīng)的冠層反射率，并 以代價(jià)函數(shù)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的葉面積指數(shù)作為該像元模擬的葉面積指數(shù)；
[0034] 4)利用葉面積反演結(jié)果繪制樹冠體積與葉面積指數(shù)散點(diǎn)圖，并對(duì)其嘗試多種線性 和非線性回歸分析，最終確定適合的冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型。
[0035] (三）三維綠度空間曲線
[0036] 三維綠度空間曲線是由綠輻射受益量計(jì)算結(jié)果衍生出的一條用于客觀描述城市 綠化空間分布的曲線。其中，綠輻射受益量的計(jì)算過程如下：
[0037] 1)將單株立木的樹冠體積值與LAI反演量相結(jié)合，利用微積分定理，構(gòu)建植被生 態(tài)效益源，用于量化冠層葉面積垂直分布數(shù)量；
[0038] 2)城市綠度空間由生態(tài)效益源和綠輻射空間兩部分構(gòu)成，其中綠輻射空間是指生 態(tài)效益源向外輻射釋放的、對(duì)城市環(huán)境具有積極影響的環(huán)境因子在三維地域空間網(wǎng)格內(nèi)的 含量及分布規(guī)模，多采用儀器測(cè)定法獲得植被蒸騰作用的擴(kuò)散與衰減特征，進(jìn)而估算得出 植被水平蒸散梯度；
[0039] 3)城市建筑物具有一定高程，因而很容易借助高程閾值從濾除植被信息的掩膜圖 像中提取建筑物，后經(jīng)相關(guān)幾何計(jì)算，獲得單體建筑物的位置、體積等三維信息；
[0040] 4)將上述步驟所得參數(shù)代入植被蒸騰效益擴(kuò)散過程計(jì)算模型，生成一系列以 〇. 5m為間隔的不同高度層上的綠輻射受益總量。
[0041] 將連續(xù)高度層上的綠輻射受益總量繪制在二維坐標(biāo)軸下，即獲得三維綠度空間曲 線，如圖1所示，其中X軸表示高度，Y軸表示面積。不同區(qū)域的綠化格局會(huì)生成不同的曲 線形態(tài)，鑒于該曲線的對(duì)稱性形如正態(tài)分布曲線，故在此使用正態(tài)分布函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合， 得到擬合函數(shù)如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于評(píng)價(jià)城市綠化H維布局的綠度空間配置曲線構(gòu)建方法，該曲線的構(gòu)建過程 包括如下步驟： 步驟1)基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與高分辨率航空影像，進(jìn)行單株立木識(shí)別與冠層結(jié)構(gòu) 信息提取，其中冠層結(jié)構(gòu)信息主要包括樹頂坐標(biāo)、樹高、樹冠投影邊界、冠層最大橫截面積、 冠徑、冠高、樹冠體積等，進(jìn)而繪制城市范圍內(nèi)的植被H維分布信息； 步驟2)基于多光譜影像反演葉面積指數(shù)，并結(jié)合步驟1)所得樹冠體積計(jì)算結(jié)果，分析 二者間相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型； 步驟3)根據(jù)植被蒸騰效益擴(kuò)散過程計(jì)算模型，獲得城市綠福射受益量分布圖，借助生 態(tài)效益源構(gòu)建方法，分別計(jì)算間隔0. 5m的連續(xù)高度層面上的綠福射受益面積之和，經(jīng)由正 態(tài)分布曲線擬合，繪制H維綠度空間曲線，并基于曲線獲得綠福射峰、綠福射峰高度、綠福 射范圍W及綠福射集中受益范圍等多項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)； 步驟4)使用步驟3)生成的建筑物平均高度、投影面積和體積等參數(shù)，分別計(jì)算并繪制 間隔0. 5m的連續(xù)高度層面上的H維建筑物配置曲線； 步驟5)將H維綠度空間曲線與反映各個(gè)高度上建筑面積之和的H維建筑物曲線繪制 于同一數(shù)據(jù)框內(nèi)，獲得H維配置曲線，通過分析該曲線的形態(tài)走勢(shì)、線下面積與交點(diǎn)情況， 衍生出一系列評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)參數(shù)（綠福射匿乏層、綠福射飽和層、綠福射平衡點(diǎn)、綠度空間有效 服務(wù)比），服務(wù)于城市綠度空間評(píng)價(jià)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1)的具體方法為： a)采用面向?qū)ο蠓诸惙?，生成植被二值掩膜圖像；b)將二維植被分布信息與數(shù)字高度 模型做疊加，構(gòu)建樹冠高度模型；C)在樹冠高度模型基礎(chǔ)上，開展樹頂檢測(cè)、樹冠投影邊界 識(shí)別W及樹冠體積計(jì)算等信息提取步驟。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)的具體方法為： a)首先對(duì)PROSAIL模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析；b)通過敏感性分析結(jié)果W及植被參數(shù)實(shí) 地測(cè)量確定模型的可變參數(shù)和固定參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建研究區(qū)植被葉面積反演的查找表；C)最 后使用成本函數(shù)最小化方法搜索查找表進(jìn)行植被葉面積指數(shù)反演；d)對(duì)葉面積指數(shù)反演 結(jié)果與樹冠體積計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，獲得二者的回歸方程式。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)的具體方法為： a)基于步驟2)所得冠層空間結(jié)構(gòu)-生態(tài)因子回歸模型，構(gòu)建植被生態(tài)效益源；b)根據(jù) 植被蒸騰作用的擴(kuò)散與衰減規(guī)律，估算植被水平蒸散梯度；C)使用步驟1)獲得的數(shù)字高度 模型與植被掩膜圖像，進(jìn)行建筑物H維特征參數(shù)提?。籨)基于上述步驟所得參數(shù)，構(gòu)建模 擬植被蒸散效應(yīng)的計(jì)算模型。
【文檔編號(hào)】G06T17/30GK104463971SQ201410491578
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】張佳暉, 孟慶巖, 金穎, 楊健, 劉苗, 王春梅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所