3S技術在城市森林研究中的應用*

劉光菊 尹 鍇 朱 亮 袁 超 王 強

1 中國科學院遙感應用研究所遙感科學國家重點實驗室 北京 100101 2 南昌大學研究生院 南昌 330031

1 引言

大面積城市森林給經營和管理工作增加了難度，傳統的地面調查和經營管理方法存在工作量大、工作效率低下、精度難以保證等缺點，已不再適應新的形勢，因此3S技術在城市森林中的應用應運而生并日漸成為國內外生態學者的研究熱點之一。

2 3S技術在城市森林中的應用

國內城市森林研究注重城市森林資源調查和信息提取、景觀格局分析、生態價值評估和葉面積指數反演等等［1，2-9］。而國外研究更注重大尺度區域的應用，如次生熱帶干旱森林結構和多樣性估算;或者更小尺度的應用，比如利用葉色素、營養成分和碳組分判別葉片和冠幅的等級等［2］。綜合而言，3S技術在城市森林中的應用大致可以分為4個層次。

2.1 城市森林空間信息提取

最近幾年，國內外已開展了大量的利用遙感技術提取城市森林信息的研究，從最初的目視解譯，之后逐步融入人工智能理論和技術，從傳統的主動遙感到與被動遙感相結合。其應用研究正朝精確、快速、高層次、智能化方向發展。

近年來，利用遙感手段識別城市森林的研究已有較多嘗試 (如表1所示)。整體而言，被動遙感在城市森林的應用較為普遍，而主動遙感案例則較為少見。其中，大多數研究依賴于森林類型的光譜特征，采用混淆矩陣、Kappa系數等來計算用戶精度、生產者精度、總體分類精度，或者通過與已有的成果進行對比來判定信息提取的精度。精度對比分析結果表明，城市森林信息提取精度基本上達到70%以上。

表1 城市森林遙感空間信息提取方法

20世紀90年代以來，國外主要使用被動光學遙感結合植物表面溫度、地形等非遙感要素對地面植被進行識別分類，側重于分類方法 (決策樹法、模糊聚類、逐步回歸、主成分分析法等)、多源數據結合 (多時相、高紋理等相結合)、森林物候特征等方面的研究［10］。我國則主要應用植被指數變化、地物紋理特征等來進行森林信息提取［11］。

目前的城市森林多以其功能進行分類，宋永昌將其分為生態公益林、專項防護林、居所林地、公共園林、生產林地等［12］。誠然，這些分類有其意義，但不能否認，這種分類并不適用于在遙感影像中提取城市森林空間信息。

現階段，主動遙感在城市森林分類信息提取方面的研究報導非常少，主要側重于林木的冠層高度、生物量、碳儲量以及對單木進行分類等。Stephens等利用小光斑機載激光雷達數據對新西蘭人工林的碳儲量進行研究，通過建立碳儲量與激光數據的多元回歸模型，引入冠層結構信息和密度信息，模擬精度高達 87%［13］。

近年來，將多源數據相結合進行土地利用類型信息提取上有所發展。2010年周夢維等在全波形激光雷達和航空影像聯合的基礎上通過決策樹分類法提取甘肅省河西走廊黑河流域中段區域的土地利用信息，該方法被證實在地勢平坦區域精度較高［14］。2011年Li Guo等通過機載激光雷達的多回波與全波形數據和多光譜遙感影像的紅、綠、藍三波段數據結合的方法，用隨機森林 (Random Forests)的決策樹分類法提取德國高密度土地利用的Biberach城市土地利用信息;同時對比了僅用多光譜遙感影像的三波段數據、雷達回波數據、雷達波形數據、雷達回波與波形結合數據以及遙感影像 (RGB三波段數據)與雷達數據 (包括多回波數據和全波形數據)結合提取土地利用信息時的精度，遙感影像和激光雷達數據相結合時提取精度最高，可以達到96%［15］。分析表明，激光雷達數據與多光譜遙感影像結合在城市森林信息空間提取方面更具優勢。

2.2 城市森林生態系統服務制圖

國內外通過遙感影像進行生態功能分區制圖、分類的研究相對較多，而對生態系統服務的制圖研究則相對較少。生態功能分區制圖一般是以專家知識為基礎，基于全國、區域、流域等較大尺度進行大范圍的定性劃分。而生態系統服務的制圖涉及生態系統中各種生態服務類型的定量評估，制圖更為科學、客觀，根據研究需要，范圍可大可小。

城市森林生態系統服務的制圖研究相對較少，這是由于城市森林生態系統服務的綜合制圖涉及多種生態系統服務類型，涵蓋多個相關生態、環境學科，生態系統服務功能指標和體系難以定量造成的。而單項城市森林生態系統服務功能的制圖則相對較為容易實現，如高大偉等通過植被蓋度和生物多樣性兩項指標得到上海閔行區的生境質量分級圖［16］。

隨著遙感和地理信息技術在城市森林研究中的應用，一系列基于Arcview、ArcGIS平臺開發的空間景觀模型已成為城市森林生態系統服務評估不可或缺的重要手段，如結合植被樣地數據、當地氣象數據以及大氣污染物監測數據進行城市森林生態服務功能評估與預測的CITYgreen模型和UFORE模型等［17］。這些空間顯示景觀模型的建立，不僅提供了城市森林生態系統服務評估指標的參照體系，也為今后進行城市森林生態系統服務的制圖研究提供了有益的借鑒。

2.3 城市森林信息系統管理

3S技術的集成已應用于森林的資源調查、自然災害評估、生態規劃等諸多方面，成為實現森林資源合理經營與可持續發展不可缺少的支撐技術。3S技術在森林信息系統方面的應用在一定程度上反映了其森林生態系統管理的水平。所以，及時準確地對城市森林資源時實動態變化進行監測、監督、管理，實現城市森林資源管理的可視化和信息化，不僅是城市建設和管理的迫切需求，而且也是城市森林信息系統管理的現實需要。正是由于城市森林資源管理信息系統的重要作用，國外在城市森林生態系統管理方面均積極引入3S技術。尤其是美國、德國、加拿大等國在進行城市森林資源監測調查時都不同程度地應用了3S技術，并利用GIS繪制各種森林資源信息圖，建立城市森林資源信息系統，以方便對其進行合理的生態系統管理。

我國城市森林信息管理系統研究起步較晚，3S技術在城市森林中的應用還停留在試驗和探索階段。例如，蘇智海等探討了基于3S技術的城市綠地管理信息系統流程，從利用遙感影像獲取城市綠地資源現狀到通過GIS建立城市綠地管理信息系統，最終實現城市綠地數據的快速查詢、統計和分析，以及數據更新與共享［18］。三維綠量作為城市森林生態管理的一個重要內容，城市森林資源信息系統可有效解決城市森林三維綠量研究中工作量大、精度低和數據更新困難等現實問題［19］。

2.4 城市森林景觀規劃設計

如何在有限的城市土地資源上實現城市森林的空間結構優化和合理的布局，使城市森林充分、高效地發揮其生態、社會和經濟效益?城市森林景觀規劃設計為我們提供了答案。自從20世紀60年代哈佛大學的Carl Steinitz教授及其同事將GIS引入景觀規劃以來，許多景觀格局分析的軟件 (如FRAGSTATS、SPAN等)相繼問世;各種景觀指數的使用大大增加了景觀規劃過程的精確性、客觀性和可靠性［20］。目前的城市森林景觀規劃設計，是以景觀生態學理論為指導，基于RS和GIS技術，分析城市森林景觀結構和布局，準確地掌握城市森林資源的動態發展趨勢，并對城市森林資源進行空間配置與優化。而一個成功的城市森林景觀規劃設計方案，則需要以城市森林空間信息提取及其生態系統服務分析與評估為基礎。

目前，3S技術已應用于城市森林景觀規劃設計，但相關定量指標研究及應用還僅處于雛形階段，多為城市森林資源“本底”研究，對于城市景觀布局規劃指導有限［21］。如何確定城市森林景觀要素、物種數量組合及其生態系統服務之間的合理關系，促使城市森林系統走向良性的物質循環、能量流動以及信息轉換［22］，是城市森林最終可持續發展的關鍵，也是在城市森林景觀規劃設計中實現定量化的技術難點。

3 結論與展望

科學合理的城市森林規劃需要以空間上詳盡的植被種類和分布結果作為基礎，同時這些數據應當具有時效性，即提供最新的城市森林資源現狀。這些離不開3S技術的支持。因此，可以預見在不久的將來，以城市森林空間信息提取為基礎的城市森林生態系統服務評估制圖、城市森林信息系統管理和城市森林景觀規劃設計將成為3S技術在城市森林研究領域的熱點。

展望當前3S技術在城市森林中的應用研究，仍存在以下不足:

1)遙感學家與植物生態學家缺乏必要的溝通和聯系。研究者們應該從遙感提取的基本原理方面開展深入研究。增進多學科專家學者的對話與合作，將遙感反演所需的各種數據與生態學的植被特性相結合，并結合傳統的地面觀測技術進行結果驗證將是城市森林遙感研究的發展趨勢。

2)主動遙感在城市森林信息提取上的優勢尚未挖掘。主動遙感對云霧的穿透能力以及全天時、全天候成像能力的優勢彌補了被動遙感的不足。同時，普通光學遙感只能提供森林水平分布信息，而激光雷達作為主動式的現代光學遙感設備，可以同時獲得地球表面的空間特征和物理特性［23］。針對不同傳感器的優點和局限性，融合多源數據以彌補單一數據源的不足是一個重要的研究方向。

3)城市森林生態系統服務制圖應用滯后。究其原因，是由于城市森林生態系統服務制圖涉及眾多生態系統服務類型，其評估缺少相關統一標準，生態系統服務功能指標和體系難以精確度量造成的。應當盡快建立完善的符合中國國情的城市森林生態系統服務綜合評估體系，并在此基礎上攻克生態系統服務相關制圖技術難題，為城市森林建設與規劃提供數據支撐。

4)城市森林生態系統管理中忽視信息系統建設。城市森林信息系統的建立是建設城市森林生態系統高效經營與管理的基礎。目前，我國城市森林信息系統的建立尚未引起有關部門的足夠重視。“數字林業”在中國起步較晚，加上從規劃院到林業局到林業企業，缺乏統一規劃，數據庫結構存在差異，對于新技術，尤其是對林業信息的采集處理到應用3S技術的集成化研究與應用還比較少［24］。相關部門應高度重視，建立完善的城市森林信息管理系統，提高工作效率與生態系統管理水平。

5)城市森林景觀規劃的精確性與客觀性有待提高。迄今為止，大多關于景觀規劃的研究都僅限于方法論的探討［22］，城市森林景觀要素、物種數量組合及其生態系統服務之間的搭配關系尚未明確，已提出的景觀生態學指標在實際規劃和設計工作中并未得到有效應用。現在技術僅停留在資源獲取、數據查詢管理上，不能提供城市綠地景觀規劃所需的最優化選擇、現實模擬、決策分析等功能［18］。因此，必須突破城市森林景觀規劃設計定量化的這一技術難點，提高規劃的精確性與客觀性。

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