沈陽市綠地生態信息獲取與數據庫建設研究

高 暢，石鐵矛 ，劉大鵬，周 媛，郗鳳明

（1.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院研究生院，北京 100049；3.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168）

在全球氣候變暖等環境問題的巨大威脅下，城市綠地的生態、經濟和社會功能已逐步被人們認可[1]。隨著城市化進程的不斷加快，綠地在城市生態系統中發揮的作用越來越大，但是綠地的規劃與管理手段及方法越來越不適應現代社會的發展。城市綠地的規劃與管理涉及方方面面，不僅需要多學科理論支持，更需要多學科的人才協同合作,才能保證城市綠地的合理建設和高效應用[2]。在城市綠地的規劃過程中，采用遙感技術與地面調查相結合的方法，利用計算機和地理信息系統（GIS）對城市的各類綠地進行全面地研究和分析，不僅大大提高了研究結果的精確度，而且可以提高工作效率，使城市綠地系統定量化分析成為可能[3-4]。

為了快速獲取城市綠地信息，合理地對城市綠地進行規劃管理，擬構建一個沈陽市綠地生態信息空間數據庫。該數據庫以沈陽市地理信息為基礎，通過GPS輔助地實地調查和遙感影像（RS）技術來提取綠地信息,然后利用 Microsoft SQL Server 2005、ArcGIS、windows 2003 等軟件為平臺，采用瀏覽器/服務器（B/S）的系統構建方式建立而成，以期為綠地系統的規劃與管理提供合理的依據和數據支持。

1 研究區概況

沈陽市，位于 41°11′～42°17′N，122°21′～123°48′E（圖1），屬暖溫帶季風氣候，年均溫度7.9℃，年平均降水量727.4 mm。研究區域為三環以內的城區，包括沈河、皇姑、和平、大東、鐵西5區和于洪、新城子、東陵3個區的部分區域，總面積約為4.56萬hm2，是歷屆沈陽市規劃的核心區域。

2 城市綠地生態信息獲取

2.1 數據的來源及預處理

數據源為2005年沈陽三環以內的 Quickbird（QB）影像，以1∶10 000比例的沈陽電子地形圖為地理信息源，用于綠地、道路等信息提取。并以2005年的航片數據對云層覆蓋區域進行補充，即將航片與QB圖像進行對比分析，輔助提取相關特征要素。首先運用ERDAS IMAGE軟件先將影像進行幾何校正、配準，并與地形圖進行圖幅拼接、圖層疊加，然后運用ArcGIS 9.3對影像進行初步解譯，并參照調查樣方生成1∶10 000的綠地調研基本底圖，用于樣方調查。

2.2 影像的解譯與分析

影像解譯依照中華人民共和國行業標準《城市綠地分類標準（CJJ/T85-2002）》，結合研究區特點，將城市綠地分為5大類，即公園綠地、生產綠地、防護綠地、附屬綠地和耕地，并且根據需要分到了中類和小類共計27個類型。此外，依據植被覆蓋類型分為草、灌木、喬木、灌草、喬草、喬灌和喬灌草七類（圖2）。應用ArcGIS的空間分析功能對解譯結果進行分析，結果表明，沈陽三環以內綠地總面積為4 868.5 hm2，綠地覆蓋率為10.67%，與市域范圍內的35%（統計年鑒數據）相比，綠地覆蓋率低了約25%，綠地數量和質量都有待提高；城區共有公園27個，總面積1 779.10 hm2，占總用地的3.9%。

2.3 樣方調查

2.3.1 樣方的設置 采用均勻分布的方法，在影像解譯圖上，按照城市綠地的分布及類型均勻布點，選擇74個調查樣地，共371個樣方。調查樣方的規格有3種：20m×20m，40m×40m，20m×80m。

2.3.2 樣方調查內容 對每個樣方進行GPS定位記錄及編號，與解譯后的影像比對，以獲取準確的綠地生態信息。主要調查樣方內的植被和群落特征。植被調查包括對樣方內的樹木進行每木檢尺（即對樣方內的每株樹木進行實測），記載樹種名稱、地徑、胸徑、健康狀況、樹高、枝下高等內容；對樣方內的草本植物，記錄植物名稱，并記錄植物的分布比例。群落調查主要是按照群落學的常規調查方法，對每個樣方內的群落層次分布、垂直結構和郁閉度等進行調查并記錄[5]。

2.3.3 數據的處理與分析 （1）植被信息數據處理與分析。將所調查樣方內的樹種數據綜合，獲得樣方內每個樹種（喬木、灌木）的平均胸徑，健康狀況，樹高，冠高，冠幅等，以及樹種在不同綠地類型中的分布數量，統計喬灌草覆蓋狀況和不同類型綠地面積及其所占比例；對各樣方內的草本按小樣方統計，獲得整個城區的草本植物種數和蓋度的分布。（2）生態信息數據處理與分析。在建設低碳城市的當下，綠地系統中的傳統指標如綠地率、覆蓋率、人均綠地面積等已不能準確地反映出綠地生態功能。城市綠地生態功能中的固碳釋氧能力對城市碳氧平衡起著重要作用[6]。陳自新等[7]以建成區園林植物普查、綠量以及生態效益量化的研究數據為基礎，對城市園林綠地維持碳氧平衡等生態功能進行初步經濟評價。韓煥金[8]對哈爾濱市常見的8種樹種的固碳釋氧量進行比較，并對每個樹種在整個生長季固碳釋氧量的趨勢進行了分析，為城市綠化樹種選擇、配置提供了依據。因此，在調查獲得傳統數量指標的基礎上，通過計算，獲取城市綠地的固碳、釋氧、吸收二氧化硫和滯塵的生態功能，為城市綠地的規劃管理提供便利與數據支持。根據樣方調查結果，利用Nowak[9]的城市樹木葉面積回歸模型（單株植物葉面積的求算法）進行沈陽市城市綠地生態功能分析，計算公式如下：

式中：Y為總葉面積（m2）；H為樹冠高（m）；D為樹冠直徑（m）；Sh為遮蔭系數[8]。

以此為依據計算出單株植物的固碳、釋氧、吸收二氧化硫和滯塵量，推算樣方總量，并以樣方推算樣地的方法得出每塊綠地斑塊的總量以及整個城市綠地的固碳、釋氧、吸收二氧化硫和降塵總量，以提高城市綠地生態信息數據庫的豐富度和實用性。

3 沈陽市綠地信息空間數據庫建設

3.1 數據庫開發平臺與系統數據類型

3.1.1 數據庫開發平臺 為保證能夠準確地完成數據組織、錄入、分析以及信息系統的研制開發，確保項目技術路線的可行性和科學性，充分考慮了周期、費用、人員等諸多因素，確定 windows 2003作為操作系統平臺；采用Microsoft SQL Server 2005為數據庫管理系統的標準語言；選擇ArcGIS作服務平臺；以Microsoft的C#作為系統的編程語言；以瀏覽器/服務器（B/S）的系統構建方式初步建成數據庫的基本框架（圖3）。

3.1.2 數據庫系統數據類型 沈陽市綠地生態信息類型主要包括圖形信息、屬性信息以及相互空間關系信息。圖形信息按其幾何特征可以抽象地分為點、線、面和體四種類型；屬性信息是指目標或實體特定的質量或數量特征；空間關系是指各個實體或目標之間在空間上相互聯系和相互制約關系，包括位置關系、幾何關系、拓撲關系、邏輯關系等。根據系統的需求，系統中的數據主要分為三類：空間數據、管理數據和專題信息[10]。

3.2 數據庫要求

為便于計算機和系統用戶的靈活調用、更新及管理，需合理組織空間數據與屬性數據。只有合理的存儲與管理，才能保障系統正常運作。因此，在數據庫的設計與建設過程中有以下幾點要求：

3.2.1 數據規范化 數據庫分為空間數據和非空

間數據兩大部分，空間數據包括柵格數據和矢量數據，矢量數據采用Shapefile格式，柵格數據采用Grid格式，空間數據投影方式為Transverse_Mercator投影。

3.2.2 數據的分類與分層 數據庫中存有大量的數據，為提高檢索查詢速度，需將具有相同幾何特征和相同屬性特征的各類數據進行分類與分層。為了便于數據庫信息的輸入，以每一個用地類型為單位，分別導成不同的Shapefile圖層，數據圖層中必須包含地物的絕對位置信息，即經、緯度，格式為以度為單位的雙精度類型。

3.2.3 數據統一編碼 將空間要素進行歸類后，根據編碼方法和原則，按不同類型給每一空間實體賦予唯一標識碼，屬性數據和空間數據之間相互對應。

3.3 數據庫功能

數據庫的功能除了一般地圖管理系統所具有的對地圖的控制、瀏覽、編輯、出圖等基本功能外，還具有GIS系統特有的空間查詢和空間統計分析功能，提供遙感數據顯示控制功能，以及與其他GIS數據的轉換功能，并有豐富的專題圖，供使用者根據不同情況挑選所需專題圖。

3.3.1 地圖管理功能 該系統能夠實現地圖打開、導入導出、備份、打印等地圖管理功能，支持遙感影像數據（柵格數據）和各種地圖數據（矢量數據）多種格式的導入和導出功能。

3.3.2 地圖基本操作功能 可以實現對地圖的選擇、放大、縮小、漫游、定位、全幅顯示、顯示鷹眼圖等操作，是整個系統的基礎支持模塊。

3.3.3 查詢功能 提供空間查詢、屬性查詢、屬性數據關聯查詢檢索、空間與屬性復合查詢功能等。

3.3.4 統計功能 本系統可以根據用戶選擇統計類型、年份和行政單位來制作用戶需要的統計表，如各類綠地面積統計表、分區綠地指標統計表等。

3.3.5 專題圖定制功能 提供了范圍圖、單值圖、點密度圖、等級符號圖、統計圖、標簽圖六大類的常用專題圖制圖模式。豐富的專題圖種類方便了用戶對專題信息的顯示定制，并提供圖例的編輯顯示功能。

3.3.6 綠地系統空間分析功能 提供了疊加分析、緩沖區分析、網絡分析、量算分析、生態功能分析等多種空間分析方法，輔助用戶進行城市綠地規劃、管理工作。

4 數據庫統計分析及空間分析示例

運用數據庫空間-屬性復合查詢功能，對沈陽市綠地進行分類查詢統計，可得出沈陽市三環以內各類綠地的面積、所占比例、植被類型、生態功能（以固碳、釋氧、滯塵、吸收二氧化硫為例）等，并可根據統計分析結果得出生態功能的空間分布（表1）。此外，在以上統計分析的基礎上，運用專題圖定制功能，可以獲得綠地生態功能空間分布專題圖（圖4），直觀反映了各綠地斑塊的固碳、釋氧、滯塵和吸收二氧化硫能力的大小以及空間分布狀態。

表1 不同類型沈陽市綠地生態功能分析

圖4 沈陽市綠地生態功能及其空間分布

5 討論

綠地系統生態信息數據庫的開發，是根據當前城市綠地系統信息化管理存在的不足在利用遙感技術快速、準確掌握城市綠地分布信息方面的一個全新探索。通過RS、GIS等技術結合實地調查的方法進行城市綠地調查，提供了城市綠地現狀的專題圖和相關數據。采用遙感數據進行綠地信息的分類，可全面地掌握調查范圍內的綠地生態信息，同時可以使用數據、圖像和圖形三種形式來定性、定量描述城市綠地的現狀，豐富了調查的內容，為城市綠地系統的可持續發展、管理與監控提供了輔助性的基礎資料。基于ArcGIS平臺建立的數據庫可以為城市綠化管理和歷史數據整合提供幫助,加強了數據結果的直觀性和可靠性，能夠客觀、準確地進行城市綠化現狀評價。數據庫建成使用結果表明：系統效率高，穩定性好，用戶界面友好，易于操作，可擴展性強，能有效地管理不斷變化的城市綠地系統的空間和屬性數據。由于地面各種現象的復雜性，今后在城市綠地信息提取過程中還需進一步研究人機交互的提取方式，以達到快速、精確的目的。

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