航空遙感數字化信息在城市綠化精細調查中的優(yōu)點(diǎn)與應用

摘要：

當前我國城市的發(fā)展越來(lái)越注重生態(tài)效應，城市的綠化狀況倍受關(guān)注。城市綠化的精細調查則是進(jìn)一步提高綠化建設和管理水平的重要基礎。本文以上海市第三輪航空遙感在上海市綠化調查中的應用為例，從光譜特性和綠化信息精確定位、定量等角度論述了應用彩紅外航空遙感數字化信息進(jìn)行綠化精細調查，具有高精確性、高可靠性和高效率等突出優(yōu)點(diǎn)，介紹經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗證的一種應用方法，并探討了航空遙感綠化調查今后的發(fā)展的方向。

關(guān)鍵字： 航空遙感 彩紅外 數字化 綠化調查

近年來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟水平的不斷提高，人們對城市生活環(huán)境的要求也日漸提高，建設生態(tài)城市的觀(guān)點(diǎn)越來(lái)越被受到關(guān)注。上海、天津、哈爾濱、揚州、常州、成都等城市紛紛提出建設生態(tài)城市的目標[2]。城市的綠化建設則是城市生態(tài)化的一個(gè)重要方面，有關(guān)專(zhuān)家指出，加強綠地生態(tài)建設應該是城市生態(tài)環(huán)境建設“十五”規劃的重要措施之一，城市綠地生態(tài)建設要以擴大綠地面積、提高綠地覆蓋率、以質(zhì)取勝為目標[3]。城市的綠化現狀如何則是進(jìn)一步進(jìn)行綠化規劃與建設的直接、重要依據，在建設部創(chuàng )建國家園林城區的工作中起到了管理與監控的作用。因此，開(kāi)展綠化現狀調查必不可少。要使綠化調查的結果更為精確，必須結合高科技手段。其中，采用彩紅外航空遙感數字化信息進(jìn)行解譯是一種比較可行的方法。

1．彩紅外航空遙感數字化信息用于綠化精細調查的優(yōu)點(diǎn)

彩紅外航空遙感是一種適用于植被勘察、偽裝偵察和地上資源探測的航空遙感手段，所采用的光學(xué)成像膠片一般為非真實(shí)彩色反轉片，成像光譜范圍介于0.5~0.9μm[1]，即處于主要綠光、紅光和近紅外波段，可以有效地減少因空氣分子對藍光散射所造成的影像清晰度下降的不良影響，非常適用于捕獲城市地表信息。在彩紅外反轉片上，地表植被呈現的是不同飽和度的紅色，而非日常所見(jiàn)的綠色。

彩紅外航空遙感數字化信息是由兩方面組成的，一是數字化的彩紅外航空遙感影像，二是在計算機內解譯的數字化矢量圖。該數字化信息用于綠化精細調查具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 不同生長(cháng)期的植物都能清晰記錄

植物對不同光譜段能量的反射和吸收的狀況與其葉綠素含量有關(guān)，葉綠素能夠大量反射近紅外能量，而吸收大部份的可見(jiàn)光波段的能量。健康的綠色植物含有大量的葉綠素，通常反射40~50%的近紅外（0.7~1.1μm）波段的能量，吸收將近80~90%的可見(jiàn)光波段（0.4~0.7μm）的能量（詳見(jiàn)圖1）。相反，枯萎和衰老植物的在可見(jiàn)光波段所反射的能量要大大高于健康植物的反射值，而在近紅外波段所反射的能量則要低于健康植物的反射值[1]。因此，在彩紅外影像中，處于成長(cháng)期的健康植物呈現出紅色，植物越嫩，紅色越鮮艷；枯萎和衰老的植物則不呈現紅色，而是黃偏紅的顏色。這樣，處于不同生長(cháng)期的植物就能明顯地區分出來(lái)。同時(shí)，城市中的植物和城市的水面、路面、建筑物頂面之間也有很明顯的區別。水面主要呈現藍色或綠色；路面多為灰色、青灰色或藍黑色；建筑物的頂面多呈現青色、暗黃色或藍黑色等，即便平時(shí)肉眼所見(jiàn)的紅色屋頂，在彩紅外影像中呈現出黃綠色或暗黃色，很容易與植物區分開(kāi)。有些平時(shí)肉眼所見(jiàn)的非植被綠色地面或屋頂，由于在近紅外波段所反射的能量很小，所以在彩紅外影像中不會(huì )呈現紅色，而是紫色或其他顏色。

圖1 健康綠草、枯草和干裸土地在0.4~1.1μm波段的光譜反射特征[1]

此外，對于城市而言，要獲取高清晰度的航空遙感影像，航攝飛行一般選擇在冬季進(jìn)行。在此季節，許多植物已經(jīng)落葉，但在枝、莖和近根等處依然含有一定的葉綠素，其在近紅外波段仍然有相當的反射，所以這些植物在真彩色航片上可能不易與其他地物或地面分開(kāi)來(lái)，但在彩紅外航片上確較容易識別。

總之，彩紅外影像既能夠區分出不同生長(cháng)期的植物，又能夠明顯地把城市中的植物和其他地物區分開(kāi)來(lái)，這對于綠化的精細調查是極為有利的。

1.2 綠化調查具有高精確性和可信度

利用數字化的彩紅外航空遙感信息進(jìn)行綠化調查，主要是在計算機內對數字化影像進(jìn)行解譯，高精確度和高可信度主要來(lái)自綠化解譯時(shí)影像的高清晰度和解譯后面積統計的精確性。

經(jīng)過(guò)數字化的彩紅外航空遙感照片可以獲得大比例尺、高清晰度的影像圖，且在計算機內可以迅速縮放成不同的比例尺效果，例如，一幅原始比例尺為1:10000的照片以600dpi掃描轉換成數字化影像輸入計算機，在圖像處理軟件PhotoShop的支持下，可以在1:10000~1:200的比例尺效果之間迅速縮放（不出現馬賽克效果），這種數碼顯示比原先僅采用光學(xué)相紙顯示更為靈活方便。同時(shí)，利用數字化的彩紅外影像可對調查地點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)的放大察看，并可以對陰暗部分、模糊部分進(jìn)行增強處理，以改善視覺(jué)效果，提高解譯的精度，這是僅采用照片解譯所無(wú)法做到的。由于有上述優(yōu)點(diǎn)，在計算機內對綠化進(jìn)行解譯時(shí)，就能把綠化覆蓋的邊界準確地勾繪出來(lái)，為統計結果的準確性打下基礎。另一方面，利用計算機對綠化面積進(jìn)行統計，可以避免采用求積儀進(jìn)行人工量算時(shí)的操作誤差，從而獲得精確的面積統計結果。

1.3 調查效率高

利用數字化航空遙感影像進(jìn)行城市綠化調查，與人工實(shí)地量算相比，效率大為提高。由于使用數字化航空影像觀(guān)察地物，具有空間快速轉移的優(yōu)點(diǎn)，即可以迅速地從不同的角度觀(guān)測到建筑物的不同側面，或迅速地從一個(gè)調查地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)調查地點(diǎn)，如此，既可節省實(shí)地空間轉換所消耗的時(shí)間，又可以即時(shí)發(fā)現遺漏之處。根據在上海市的實(shí)際操作經(jīng)驗，采用數字化影像進(jìn)行綠化解譯，單人單機即可獨立負責一片區域，每天大約可完成0.5平方公里區域內的綠化解譯和面積量算工作；而人工實(shí)地量算，一般需要3人為一個(gè)工作小組， 要完成上述面積區域內的綠化量算工作，至少需要3~4個(gè)小組。也就是說(shuō)，采用數字化航空遙感影像進(jìn)行城市綠化調查，相對于人工實(shí)地量算而言，效率可提高10倍以上。

1.4 易于更新

調查區域內的綠化遙感信息經(jīng)矢量化成圖后，各個(gè)綠化單元的邊界就被確定下來(lái)。將來(lái)綠化如果有增加和改造，只要在矢量圖上將相應的部分做修改，變化信息實(shí)時(shí)地在矢量圖上反映出來(lái)，并能很快獲得新的統計結果，從而實(shí)現綠化信息的快速更新。

2． 數字化的彩紅外航空遙感綠化調查方法

下面介紹在上海市第三輪航空遙感綜合調查應用中探索出的趨于成熟的航空遙感綠化數字化調查方法。

2.1 綠化調查范圍的確定與數字化影像的獲取

首先確定進(jìn)行綠化調查的區域范圍，然后將覆蓋該區域的彩紅外航片以相同的分辨率進(jìn)行數字化掃描。

2.2 航片定位校正

這項工作可以在某一地理信息系統(GIS)軟件中進(jìn)行。將數字化的影像與矢量地圖進(jìn)行定位匹配和幾何校正運算，以便將調查區域的影像與地理坐標聯(lián)系起來(lái)，并糾正航片拍攝時(shí)形成的畸變。這樣，一方面可以將覆蓋調查區域的所有航片拼接在一起，便于綠化解譯；另一方面可以使所有校正好的航片的實(shí)際比例尺基本達到一致，確保綠化矢量多邊形的面積統計的準確性。

2.3 陰影內綠化的增強處理

陰影區域內地物的光譜分辨率一般會(huì )顯著(zhù)下降，給地物識別造成很大的困難，這對于綠化的精細解譯是一個(gè)不利的因素。為了能夠識別出陰影內的綠化信息，需要先對影像進(jìn)行非線(xiàn)性拉伸的亮度增強處理。由于城市的地面多為水泥或其他材料，其所含的水分要大大低于植被，故對可見(jiàn)光的反射要強于植被。根據實(shí)驗以及實(shí)際應用情況表明，在經(jīng)過(guò)增強處理后的陰影區域內，植被往往呈現較暗的斑塊，再結合人工綠化分布的規律性，基本上能夠較準確地把陰影內的綠化解譯出來(lái)。

2.4 綠化解譯與面積統計

在某一GIS軟件環(huán)境中，將已經(jīng)定位校正和增強處理好的數字化影像（航片）以圖層疊置的方式顯示出來(lái)，以這些影像為背景將其中的每一塊綠化沿著(zhù)其邊緣矢量化成相應的多邊形。在解譯時(shí)，針對某一幢建筑，需要將呈現其不同側面的航片分別設置為當前活動(dòng)圖層（航向重疊和旁向重疊的航片），這樣便能將建筑物各個(gè)側面的綠化基本解譯出來(lái)。同時(shí)，還可以根據要求將不同功能類(lèi)別的綠化（公共綠地、居住區綠地、單位綠地、生產(chǎn)綠地、臨時(shí)綠地、行道樹(shù)等）的矢量多邊形分別以不同顏色表示，或者放在不同的層內。待調查區域內所有的綠化都解譯完后，利用GIS軟件中的面積統計功能計算不同功能類(lèi)別的綠化覆蓋面積和總的綠化覆蓋面積，再結合土地面積、人口數可計算出綠化覆蓋率、綠地率以及人均綠地面積等綠化水平的評價(jià)指標。

2.5 覆蓋面積的季節變化分析

如果航片是冬季所攝，則道樹(shù)中落葉樹(shù)的樹(shù)冠面積要比夏季有明顯減小，可以結合落葉樹(shù)形態(tài)、生態(tài)習性加以分析，以便估算出行道樹(shù)在夏季的覆蓋面積。以上海市區為例，行道樹(shù)中以懸鈴木較為典型，該樹(shù)種屬于落葉樹(shù)，冬季時(shí)絕大部分樹(shù)葉和小樹(shù)枝枯落，同時(shí)某些樹(shù)被修剪，樹(shù)冠直徑縮??；春、夏季時(shí)再生新枝，樹(shù)葉茂盛，覆蓋面積擴展，直徑外延。生長(cháng)期內的樹(shù)枝，一般以向陽(yáng)、向上方式生長(cháng)，依據園林部門(mén)的積累的經(jīng)驗數值，其平面拓展的狀況為樹(shù)冠直徑外延0.5~1米。根據該經(jīng)驗數值可以大體估算出夏季行道樹(shù)覆蓋的拓展面積，進(jìn)而得出夏季綠化覆蓋的增加比例。據上海已進(jìn)行的綠化調查結果表明，行道樹(shù)夏季覆蓋面積的拓展對于整體覆蓋率的提高的影響是十分有限的，一般不超過(guò)0.15% 。

2.6 實(shí)地采樣進(jìn)行誤差分析

采用航空遙感手段進(jìn)行調查是為了最大限度地減少野外工作量，提高調查效率，但并不能完全脫離或丟棄實(shí)地調查工作。事實(shí)上，進(jìn)行實(shí)地采樣是檢驗計算機內解譯誤差的最好手段。綠化的實(shí)地調查主要針對陰影區域和建筑物密集區域進(jìn)行，因為在航空遙感影像上處于這些區域內的綠化容易被遮擋或出現邊界模糊的情況，直接影響到解譯的準確性。以實(shí)地采樣測量的綠地面積為衡量標準，可對計算機內解譯的誤差情況及原因做相應的評估，以確定計算機內綠化解譯結果是偏大抑或偏小。

2.7 撰寫(xiě)綠化調查報告與制作綠化現狀影像圖

綠化調查報告應詳細說(shuō)明各個(gè)類(lèi)別的綠化覆蓋面積、總體覆蓋面積以及綠化覆蓋率、綠地覆蓋率，還可以列舉出一些特殊綠地的面積統計結果，并分析行道樹(shù)覆蓋面積的季節變化以及解譯誤差的情況。此外，還可以根據需要，對調查區域內的綠化分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對綠化建設提出一些建設性的意見(jiàn)。

為了直觀(guān)反映調查區域的綠化現狀，便于綠化管理和規劃，還需要將數字化的航空遙感影像做無(wú)縫拼接，制作出航空遙感現狀圖。

3．應用與展望

3.1 在上海市四個(gè)區的綠化調查應用

上海市第三輪航空遙感綜合調查始于1999年底，至2000年4月份完成航攝，隨后開(kāi)展數字化和有關(guān)的應用工作。從2000年6月至2001年5月，應用上述彩紅外航空遙感方法，上海市航空遙感綜合調查辦公室已先后為上海市閔行區、長(cháng)寧區、嘉定建城區、金山建城區進(jìn)行了綠化的精細調查，并獲得了建設部和委托調查方的好評。閔行區據此已經(jīng)申報并成功獲得國家園林城區稱(chēng)號，金山區的申報工作正在進(jìn)行，長(cháng)寧和嘉定依據調查的結果，已經(jīng)就進(jìn)一步提高區內的綠化水平做了詳細的規劃。

3.2彩紅外航空遙感綠化調查方法今后的發(fā)展方向

彩紅外航空遙感綠化調查雖然目前已經(jīng)發(fā)展到數字化并與GIS軟件結合的階段，野外量測與核對工作大大減少了，效率、準確率也大為提高，但是，目前國內外遙感軟件的自動(dòng)分類(lèi)功能尚不十分完善，尤其是對于陰影內的信息自動(dòng)分類(lèi)顯得無(wú)能為力。因此，用航空遙感進(jìn)行綠化精細調查，下一步應該朝著(zhù)半自動(dòng)提取的方向努力，即結合人工智能進(jìn)行分類(lèi)，對于陰影內的綠化必須進(jìn)行人機交互解譯，這也是實(shí)踐得出的重要經(jīng)驗。

4．結語(yǔ)

城市綠化的精細調查能為城市綠化的規劃和建設提供直接、重要依據。本文從植被光譜反射特征的角度論述了采用彩紅外航空遙感手段能夠清晰反映處于不同生長(cháng)期的植被信息的優(yōu)點(diǎn)，并從數字化應用的角度進(jìn)一步論證了彩紅外航空遙感數字化信息用于綠化精細調查所具有的精確性、可靠性、高效率、易于更新等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹在實(shí)踐中摸索出來(lái)的數字化的彩紅外航空遙感綠化調查方法，已經(jīng)先后為上海的四個(gè)區（建城區）進(jìn)行了綠化現狀的精細調查，并為創(chuàng )建國家園林城區的管理與監控做出了貢獻。目前的彩紅外航空遙感綠化調查方法正朝著(zhù)半自動(dòng)提取的方向發(fā)展。

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