“美麗中國”和生態(tài)文明建設(shè)是國家發(fā)展的重大需求。如何從空間角度研究城市自然-社會-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)研究的前沿問題。我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的快速發(fā)展是城市精細(xì)化管理、美麗城市建設(shè)、城市學(xué)發(fā)展的重要助推力。在此背景下，我們希望通過促進(jìn)“遙感+生態(tài)+規(guī)劃”的學(xué)科交叉，把城市看得更快、更細(xì)、更準(zhǔn)。城市陸表環(huán)境遙感挖掘天-空-地觀測優(yōu)勢，從綠度、熱度、灰度、濕度、亮度等多維度、多視角研究城市，探索其時空演變規(guī)律、互作機(jī)制，為城市學(xué)研究提供支撐。
01
城市綠度空間研究背景與理念
城市綠度空間是指城市范圍內(nèi)為植被覆蓋且具備一定生態(tài)服務(wù)效益，對城市環(huán)境有積極的影響，具有方便可達(dá)性的區(qū)域，較城市綠地而言更突出其三維特征。如何科學(xué)度量城市綠地分布和城市居民感知綠地的概率以及如何構(gòu)建“遙感+評價+規(guī)劃”多學(xué)科交叉的研究體系已成為解決諸多城市環(huán)境問題的迫切需求?！冻鞘芯G度空間遙感》通過挖掘“衛(wèi)星遙感+航空遙感+近地遙感”的技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建城市植被多維信息提取-多方法綠度空間度量-多尺度感知-空間優(yōu)化配置-遙感綜合評價的完整技術(shù)體系，促進(jìn)城市植被研究由二維向三維立體觀測發(fā)展，可實現(xiàn)對城市植被數(shù)量、質(zhì)量和人文感知量的定量度量。通過開展應(yīng)用示范，促進(jìn)城市綠度空間遙感的實用化、業(yè)務(wù)化，為城市規(guī)劃、園林綠化、環(huán)境保護(hù)和城市精細(xì)化管理提供參考和決策支持。
02
多維度城市植被提取
植被二維信息提?。褐脖恍畔⑻崛∈浅鞘芯G度空間遙感研究的基礎(chǔ)。在遙感影像上，陰影常被視為地物識別的干擾信息，在一些城市植被遙感研究中直接忽略陰影區(qū)域的植被信息，降低了植被信息提取精度。研究分離陰影區(qū)/非陰影區(qū)，分別通過閾值法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實現(xiàn)基于高空間分辨率遙感影像的城市植被二維信息高精度提取。城市植被生態(tài)效益的發(fā)揮不僅與綠地面積有關(guān)，還與植被生理生態(tài)參數(shù)有關(guān)，因此提取植被生物量、葉面積等參數(shù)能更好地指示城市綠度空間。
城市植被三維結(jié)構(gòu)信息提?。撼鞘兄脖谎芯坑啥S向三維立體觀測方向發(fā)展已成重要趨勢。激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging, LiDAR）擁有的全自動、高精度立體掃描技術(shù)，使快速直接獲取地形表面模型成為可能，尤其適合獲取植被等具有三維空間結(jié)構(gòu)且立體形態(tài)不規(guī)則的地物信息。LiDAR技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用正逐步推動城市植被研究由二維向三維立體方向拓展。在此基礎(chǔ)上，提出一套適用于不同單體樹種的樹冠邊緣檢測、樹冠體積估算、冠層結(jié)構(gòu)信息提取的技術(shù)流程。
03
多角度城市綠度感知
城市居民在工作、生活中，通過建筑物接觸城市綠度空間。建筑物周圍植被的數(shù)量、質(zhì)量和分布及建筑物的結(jié)構(gòu)決定了居民享受城市綠度空間的效率。伏案工作時，通過窗戶接觸城市綠度空間，觀看附近植被是接觸自然的重要方式。散步出行時，行道樹的景觀質(zhì)量和空間分布決定著居民出行的舒適度，對行道樹的日常目視接觸可以提升城市居民的積極情緒。對城市綠度空間人文感知量的度量也將從建筑物尺度、樓層尺度和街道尺度展開。
建筑物尺度城市綠度感知：建筑物尺度的綠度感知量與綠地總量、綠地輻射受益量、建筑物高度和密度有關(guān)，通過構(gòu)建建筑物鄰域綠度指數(shù)（Building Neighborhood Green Index, BNGI）模型，反映城市居民在單體建筑物鄰域內(nèi)享受城市綠度空間的程度。通過統(tǒng)計分析每個特征區(qū)域中的BNGI的分布特征，能更好地理解不同區(qū)域居民享受城市綠度空間的效益大小及分布。該模型突破格網(wǎng)法不能客觀指示居民享受城市綠度效益大小的限制，可為城市環(huán)境宜居性研究提供參考。
樓層尺度城市綠度感知：人們喜歡居住在擁有豐富綠地的社區(qū)，但擁擠的城市建筑卻使人們遠(yuǎn)離了自然。針對不同樓層居民在室內(nèi)對綠度空間的感知，提出一種新的指數(shù)------綠色開敞指數(shù)(exposure opportunity index, EOI)，以評估不同樓層的城市綠度開敞水平。該指數(shù)考慮了建筑物樓層和周邊綠地的三維空間關(guān)系，分析計算了研究區(qū)超過200個建筑樓層的EOI，結(jié)果表明該指數(shù)能夠評估居民在室內(nèi)生活環(huán)境方面的綠度感知，并有望成為城市園林規(guī)劃和住宅舒適度評估的有效工具。
生態(tài)學(xué)研究表明，綠地的降溫增濕效應(yīng)與綠量成正相關(guān)，葉面積指數(shù)是決定冠層蒸騰作用的重要參數(shù)，綠地的垂直結(jié)構(gòu)對綠地生態(tài)效應(yīng)有影響。研究構(gòu)建一種模擬植被蒸散效應(yīng)的計算模型，用于描述位于不同緩沖范圍內(nèi)綠輻射受益量在指定高度層上的含量及分布規(guī)模。該模型包括三個基本輸入?yún)?shù)：生態(tài)效益源、擴(kuò)散梯度和阻礙物。融合城市綠度空間的結(jié)構(gòu)性和功能性為一體，在度量時將生態(tài)效益源（葉面積指數(shù)）和綠輻射空間（空間生態(tài)效益）兩部分考慮在內(nèi)，既可以準(zhǔn)確描述城市綠度空間的三維分布特征，同時還能定量區(qū)分城市居民在享受城市綠度空間效益上的差異。故從度量范疇角度判斷，更具參考價值。
街道尺度城市綠度感知：行道樹是指排列分布在城市道路鄰域內(nèi)具有生態(tài)屬性的自然廊道網(wǎng)絡(luò)。目前我國尚缺乏能準(zhǔn)確描述街道級綠地空間分布的指標(biāo)和量化城市居民在街道綠化視覺體驗上的差異的指數(shù)模型。研究以行人的視覺直觀感受為出發(fā)點，探索多源遙感技術(shù)應(yīng)用于出行環(huán)境評估的有效性。
首先，針對街景分類精度低和結(jié)果不確定性問題，提出一種結(jié)合光譜、紋理和空間關(guān)系的街景圖像分類方法，在實現(xiàn)行道樹信息高精度提取的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于街景數(shù)據(jù)的行道樹綠視率計算模型。同時，基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)提出一種用于衡量城市行道樹的綠視面積的綠視量指數(shù)，用于定量描述行人視角下所能捕獲的行道樹綠視面積，以及這種目視接觸概率的空間分布差異。該模型基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)，輔以航空影像，提取樹冠三維結(jié)構(gòu)參數(shù)，還原可視綠色面積主體，并通過視域分析確定目視可及的行道樹位置，基于對行人的目視姿態(tài)估計及其與行道樹的位置關(guān)系，計算行人視角下的行道樹綠視量。
三維綠度空間配置研究：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市住宅建設(shè)與綠地資源的配置矛盾日益凸顯，合理規(guī)劃綠地的空間布局顯得尤為重要。垂直立體綠化已成為發(fā)展趨勢。如何客觀評價城市化過程中城市綠度空間的分布格局與配置關(guān)系，對維持城市區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我們從垂直配置視角出發(fā)，提出“三維配置曲線”，用以描述綠度空間和建筑空間在垂直方向上的數(shù)量差異，突破了傳統(tǒng)度量方式在認(rèn)知綠度空間分布上的局限性。綠度空間與建筑空間配置曲線的多維信息展現(xiàn)，可全方位服務(wù)于城市綠化垂直分布特征及其與建筑物配置關(guān)系的定量分析，可以有效揭示并彌補(bǔ)因認(rèn)知不足而產(chǎn)生的規(guī)劃盲點，為環(huán)境規(guī)劃、城市綠化提供參考依據(jù)。
04
城市綠度空間可達(dá)性研究
針對綠度空間可達(dá)性綜合度量模型缺乏，對中國典型城市綠度空間可達(dá)性研究不足的問題，以遙感植被信息提取為基礎(chǔ)，深入研究基于因子分析的綠度空間景觀格局度量方法，構(gòu)建基于路徑距離，綜合考慮綠度空間數(shù)量、景觀結(jié)構(gòu)和生長狀況的綠度空間可達(dá)性度量模型。以北京市為例，以市中心為圓心，半徑一次增加6km，共布設(shè)20個梯次環(huán)；以北京市1至6環(huán)路為分界線，布設(shè)2環(huán)內(nèi)、2-3環(huán)、3-4環(huán)、4-5環(huán)、5-6環(huán)共5個環(huán)路樣帶。計算各環(huán)帶上的綠度空間可達(dá)性，可以發(fā)現(xiàn)：綠度空間可達(dá)性由城市邊緣向城市中心先增加后減少，呈現(xiàn)“較低-高-低”的分布趨勢。
05
科學(xué)意義與應(yīng)用前景
城市綠度空間遙感為探索人-綠地-建筑物內(nèi)在互作機(jī)理提供了新視角和研究工具，從空間觀測領(lǐng)域科學(xué)認(rèn)知城市發(fā)展，助力于新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，促進(jìn)遙感+城市+環(huán)境+景觀生態(tài)等學(xué)科的融合和交叉。城市綠度空間的準(zhǔn)確度量可以為智慧城市規(guī)劃與建設(shè)決策提供支撐，通過綠度空間結(jié)構(gòu)的分布進(jìn)行評價、定量計算和比較不同城市宜居性。
城市綠度空間是城市規(guī)劃與生態(tài)領(lǐng)域研究和實踐可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)物，多源遙感數(shù)據(jù)也為大尺度空間探測提供了新的視角和研究方向。城市綠度空間遙感研究解決了城市綠地對人居質(zhì)量貢獻(xiàn)度科學(xué)量化度量問題，形成一套完善的城市綠度空間遙感研究與技術(shù)體系，成為城市環(huán)境監(jiān)測的重要手段和決策參考依據(jù)，具有重要研究意義和實用價值。
城市綠度空間遙感可在園林城市評估、生態(tài)城市評估、園林規(guī)劃、支撐智慧城市和生態(tài)城市、城市建筑規(guī)劃以及海綿城市建設(shè)中起到重要作用。可對城市發(fā)展水平與宜居度進(jìn)行評估，在生物量及碳估算、城市景觀規(guī)劃、住宅享綠評價、城市垂直綠化格局評價等方面均有廣泛的應(yīng)用價值。
（本文為城市環(huán)境問題主題論壇暨2020“發(fā)現(xiàn)城市之美”論壇上的主題發(fā)言，作者孟慶巖，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員）
供稿：王莉萍
審核：蔡 峻