城市森林三维绿量研究现状与展望

第２１卷第４期　２００８年８月　世界林业研究　

Ｗｏｒｌｄ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｖｏ１．２１　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００８　

城市森林三维绿量研究现状与展望　李伟　，　，。　贾宝全　，　王成　，　郄光发　，　（１中国林业科学研究院林业研究所，北京１０００９１；２国家林业局城市林业研究中心，北京１０００９１；　３北京清华城市规划设计研究院，北京１０００８４）　

摘要：三维绿量是指所有生长植物的茎叶所占据的空间体积。城市三维绿量的测算是城市森林生态功能研　究和环境效益评价的基本前提，也是城市生态系统研究的重要内容之一。文中主要在进一步明确城市森林　三维绿量概念及提出意义的基础上，对目前三维绿量的主要测算方法进行阐述与总结，并指出现有三维绿量　测算方法中存在的主要问题，同时对测算方法的发展趋势进行了展望。希望通过对城市森林三维绿量的研　究丰富城市森林评价指标，为城市森林生态功能和环境效益研究以及城市森林布局优化提供有价值的参考。　关键词：三维绿量，定量测算，城市森林，遥感　分类号：Ｓ　７３１．２，ＴＵ　９８６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４２４１（２００８）０４—００３１—０４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　３　Ｄ　Ｇｒｅｅｎ　Ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｌｉ　Ｗｅｉ　＇　＇。Ｊｉａ　Ｂａｏｑｕａｎ　·　Ｗａｎｇ　Ｃｈｅｎｇ　，　Ｑｉｅ　Ｇｕａｎｇｆａ　’　

（１　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ，ａｅｌｊｉｎｇ　１０００９１，Ｃｈｉｎａ；　２　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｒｅ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ，Ｓｔａｔｅ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９１，Ｃｈｉｎａ；　３　Ｂｅｒｉｎｇ　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｒｂａｎ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｒｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｇｒｅｅｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｒｅｆｅｒｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｐａｔｉａｌ　ｖｏｌｕｍｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｂｙ　ｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｌｅａｆ　ｏｆ　ａ　ｐｌａｎｔ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｇｒｅｅｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｉｓ　ａ　ｂａｓｉｓ　ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｅｓｃｅｎｃｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｆｏｒｅｓｔｒｙ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｆｏｒ　ｕｒｂａｎ　ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｄｖａｎｃｅ　ｏｎ　

ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｇｒｅｅｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｃｅｐｔ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｍａｉｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　３　Ｄ　

ｇｒｅｅｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ，ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ３Ｄ　ｇｒｅｅｎ　ｑｕａｎｔｉｔｉｖｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　３　Ｄ　ｇｒｅｅｎ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｄｅｘ　ｆ０ｒ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｆｏｒｅｓｔ．ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｏｆ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｆｏｒｅｓｔ．ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｆｏｒｅｓｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：３　Ｄ　Ｇｒｅｅｎ　Ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｕｒｂａｎ　ｆｏｒｅｓｔ，ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｉｍａｇｅ　

１　引言　随着城市环境问题的日益突出，城市森林生　态功能的重要性也日益凸现，作为城市生态系统　的重要组成部分，城市森林在维护碳氧平衡、净　化环境、调节气候、涵养水源和保护生物多样性　等方面具有重要的生态功能＿１　Ｊ。过去我们对　城市森林进行评价时往往使用二维面积作为评　价标准，比如绿地率、绿化覆盖率、人均绿地面积　等，这些指标统称为二维绿化指标＿９］。二维绿化　指标可以在宏观上表示一个城市或地区城市森　林的基本状况及水平，在指导城市森林规划、衡　

｝收稿日期：２００８—０３—１４　基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目城市人居生态林优化布局技术研究（２００６ＢＡＤ０３Ａ０６）　作者简介：李伟（１９７７－），男，博士，主要研究方向：城市森林规划、景观生态规划，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｗｅｉ７７９１３＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｉｎ　通讯作者：贾宝全（１９６４－），男，博士，研究员，主要研究方向：景观生态学和城市森林　

维普资讯 http://www.cqvip.com ３２　世界林业研究　第２１卷　量城市森林基本状况与发展等方面发挥了巨大　的作用，因此至今仍作为城市森林规划、评价的　有效指标。　但在城市森林研究中，特别是对城市森林生　态功能和环境效益进行研究与评价时，仅仅使用　二维绿化指标很难反映城市森林不同植物种类、　不同绿化结构的功能水平，尤其是在系统统计分　析城市森林的生态效益时，很难对其进行准确的　测算　］。因为城市森林的生态功能与环境效益　不仅取决于城市森林的覆盖面积，还取决于树种　组成、空间结构以及植被的生长状况等因素。在　这种情况下，对原有的二维绿化指标进行相应的　补充，发展三维绿化指标，成为城市森林发展与　评价的迫切需要，“三维绿量”作为城市森林的三　维立体指标，越来越多地引起人们的重视。　２三维绿量的含义　三维绿量（１ｉｖｉｎｇ　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ　ｖｏｌｕｍｅ，简称“绿　量”，又称“三维绿色生物量”、“绿化三维量”等，　ＬＶＶ），是指所有生长中植物茎叶所占据的空间　体积，单位一般用立方米表示，是城市绿化指标　体系的第一立体指标　。　三维绿量的概念是从生态学能量转换利用　与植物茎叶生理功能关系这一基点出发的，通过　对茎叶体积的计算，来揭示植物绿色三维体积　（或者叶面积指数）与植物生态功能水平的相关　性，进而来说明植物体本身、植物群落乃至城市　森林的生态功能和环境效益。三维绿量作为绿　化指标突破了原有二维绿化指标的局限性，针对　不同植物种类、不同城市森林结构间差异，以植　物占据的绿色空间体积作为评价标准，使城市森　林绿化指标由二维向三维迈出了重要的一步。　三维绿量指标可以更加准确地反映城市森林空　间构成的合理性和生态效益水平，有助于准确地　描述城市森林的空间结构和定量研究城市森林　与环境的相关关系　卜挖］。　３城市森林三维绿量的研究现状　与传统森林相比，城市森林树种多样、结构　多变、类型复杂，具有种植不规则、人工修剪与植　物自然生长相结合的特点，而且常常埋藏于建筑　物之间，信息提取比较困难。因此传统森林三维　绿量测定的常用方法，如单纯依靠遥感技术、高　光谱技术等无法满足城市森林三维绿量测定的　要求［１　］，对城市森林三维绿量进行准确的定量　研究，必须使用更精确和特殊的方法。　近几年，北京、上海、沈阳、武汉等城市围绕　城市森林三维绿量研究做了大量的工作，其中以　陈自新等通过建立城市主要绿化树种叶面积回　归方程对北京城市绿地三维绿量进行的系列研　究和周坚华等利用航片通过计算机模拟获得的　上海市总三维绿量最具有代表性。通过对城市　森林三维绿量测算研究现状的分析发现，目前其　测定方法主要分为以下几个步骤　引：　１）确定城市森林主要植物种类；　２）根据三维绿量的计算需要，实地采集主要　植物种类的叶面积、冠径、冠下高、树冠形态等样　本数据；　３）建立不同树种的回归模型，如叶面积回归　模型、径一高模型等；　４）为树种选配适当的立体几何图形，建立三　维绿量计算方程；　５）通过遥感图像获得的各有关原始数据，按　以上系列模型计算城市森林三维绿量。　

４三维绿量主要研究方法　４．１模拟方程法ｕ　即通过对植物植株进行大量的实地测量，采　用模拟方程测算城市森林主要树木树种绿量，根　据测算结果估计城市森林三维绿量。首先确定　城市森林主要组成树种；然后根据不同植物个体　的叶面积与胸径、冠高或冠幅的相关关系（有些　研究采用植物个体冠径与冠高的相关关系），建　立不同植株个体绿量的回归模型；最后根据城市　森林植物的组成结构、植株大小，应用回归模型　计算城市森林三维绿量。陈自新于１９９８年对北　京最常用的并具有代表性的３７种园林植物（植　株数占全市总数的８１％，包括１５种乔木、１７种　灌木和５类草本植物）建立植物叶面积的回归模　型，对北京市城市绿化三维绿量及其生态功能进　行了系列研究。　４．２　以平面量模拟立体量　］　“以平面量模拟立体量”方法首先选择城市　主要绿化植物种类作为建模树种，实地采集植物　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　李伟，贾宝全，王成，等：城市森林三维绿量研究　３３　的冠径、冠高、冠下高、树冠形态等样本数据，通　过回归分析建立树种的树冠和冠下“径一高”方　程；然后为树种选配适当的立体几何图形，建立　绿量计算方程；再通过航空图像判读和测定树　种、覆盖面积、株数、结构类型等特征数据和平面　量，最后由计算机模拟计算冠径、冠高，进而求出　绿量。周坚华等利用航片在分树种逐株测算的　基础上，通过计算机模拟，“以平面量模拟立体　量”的方法对上海市三维绿量进行测定，获得了　上海市的总三维绿量，实现了全面系统地对整个　城市三维绿量的测算。　４．３以立体量推算立体量　刘常富等采用“立体量推算立体量”的方法，　对沈阳市城市森林三维绿量进行测算：首先利用　分层抽样原理，借助常规分辨率下航片和ＡＲＣ／　ＧＩＳ及ＧＰＳ定位确定样方；然后通过实测样方的　立体三维绿量，最后确定不同类型不同郁闭度等　级的城市森林立体三维绿量；结合航片解译结　果，推算沈阳城市森林三维绿量。　４．４绿量快速测算模式　绿量快速测算模式是在“以平面量模拟立体　量”的方法上发展而来的。为了免除“以平面量　模拟立体量”方法中树种判读的步骤，在分树种　“径一高”（分为冠高和冠下层）方程的基础上，　按树种比例加权归纳、微调，得到模糊“径一高”　方程；通过对遥感图像的处理和信息提取，得到　乔灌草分类、树冠边界周长与面积比等信息；再　通过相关分析得到边界一面积比与冠径相关方　程，进而求取绿量。　５存在的问题及展望　５．１工作量　目前三维绿量的测算大都属于“半自动”模　式，测算三维绿量所需要的一些原始数据必须经　过人工的采集和判读（如主要树种的确定，树高、　冠径、叶面积的测量，遥感图像判读等），这些工　作耗时、繁琐、工作量大，与后期的计算机模拟计　算形成强烈的反差。如一个５～６人的工作小组　需要６～８个月才能完成上海市三维绿量测算所　需要的遥感图像判读和原始数据采集，而绿量的　模拟计算在电脑上只需要１　ｒａｉｎ的时间＿ｌ　。　要使三维绿量成为一个可以推广的绿化定　量指标，必须解决模拟计算自动化与原始数据采集　人工化的矛盾，实现三维绿量测算的总体自动化。　５．２精度　城市森林三维绿量的测算精度主要取决于　模拟计算的可靠程度，实地抽样调查的精确度与　航片分析的精度直接影响测算精度。以上介绍的　研究方法中，“以平面量模拟立体量”计算的植冠　高度平均误差为６．２５％；“以立体量推算立体量”　在９５％和９９％的置信度下精度分别为８５．５０％和　８０．７１％；“绿量快速测算模式”三维绿量测算误　差比“以立体量推算立体量”低约７．６％Ｉ１４，１６－１７］。