基于ArcEngine的城市綠地生態功能動態評估系統的設計與實現

姜珊 李蕾 張麗君 張杰 徐婷 李瑞改

摘 要：當前我國在城市綠地生態系統功能評估方面的研究方興未艾，本研究主要將城市綠地生態功能的主要模型予以實現，可以在不同時間、不同季節條件下，針對居民對城市綠地需求的不同特征，選擇適當的基于氣象因素的綠地生態功能質量動態評估，本研究以哈爾濱市作為研究城市，采集哈爾濱市綠地數據，選擇涉及綠地涵養水源、固碳釋氧、休閑游憩、降低噪聲、凈化大氣五個方面的生態服務評估模型，并簡要闡述系統設計與實現的方法。

關鍵詞：城市綠地；生態功能；動態評估

中圖分類號：TP391.7 文獻標識號：A 文章編號：2095-2163（2014）02-

Design and Implementation of Dynamic Evaluation System of the Ecological Function of Urban Greenland based on ArcEngine

JIANG Shan， LI Lei， ZHANG Lijun， ZHANG Jie， XU Ting， LI Ruigai

（College of Information and Computer Engineer， Northeast Forestry University， Harbin， China， 150040）

Abstract： Our current research in urban greenland ecosystem function evaluation is in the ascendant， and this paper mainly makes the model of urban greenland ecological function to be implemented. The demand of residents for urban greenland changes according to the condition， such as time， season， and weather condition. People could choose the proper model from various model of ecological function quality dynamic assessment about greenland. This paper selects Harbin city as research region， collects Harbin greenland data from RS images， and selects evaluation model involving five aspects include water-source conservation， carbon fixation and oxygen release， leisure and recreation， noise reduction， and purifying atmosphere. This paper also concerns design and implementation method of dynamic evaluation system of the ecological function about urban greenland.

Key words： Urban Greenland； Ecological Function； Dynamic Evaluation

0引 言

近年來，隨著經濟的發展，區域生態環境的質量也有所下降，人地矛盾日益突出。為了解決生態問題，需要對區域內生態結構進行合理規劃，以最大化發揮各要素的生態效益，促進區域生態系統的良性發展。所以，對區域綠地的生態服務功能進行評估，使城市規劃部們能夠及時了解不同區域綠地的生態功能現狀，并以此為依據制定相應的規劃決策，即具有十分重要的現實意義。同時，城市綠地的休閑游憩、凈化空氣等功能，也可以為市民提供一個有益身心的休閑場所。但是，不同季節不同天氣條件下，居民對休閑場所的需求是不斷變化的，所以對于居民來講，城市綠地的生態效益也并非恒定不變的。當前我國在生態系統評估方面已經建立了一系列的評估模型，對其應用方面的研究也已開展得較為深入。但是一般情況下卻都是以生態系統某一時間的靜態數據進行評估，未曾考慮到不同環境條件下隨著居民生態需求的不同，城市綠地的生態效益評估也應有所不同。

本項目的研究意義在于根據區域的季節、氣象條件，選擇適當的綠地生態效益動態評估模型，以從遙感圖像上獲取的生態綠地數據為基礎，采用ArcEngine GIS中間件結合Visual Studio 2008進行二次開發，由此而實現對哈爾濱市區內城市綠地生態效益的靜態、動態評估，以實時提供不同綠地斑塊不同環境條件下綠地生態服務功能的質量差異。本系統主要實現了對空間數據瀏覽、查詢、檢索、測量等功能，并對城市氣象信息進行動態維護，同時有針對性地選擇相應的綠地生態服務功能評估模型（主要針對哈爾濱城市綠地生態系統服務功能中休閑游憩、凈化空氣等功能）進行城市綠地生態服務功能實時評估，而且可將評估結果顯示在系統界面中，利于用戶實時查看不同季節和不同氣象條件下城市內部各綠地單元的生態功能狀況，為其出行和游玩提供最優決策，進而帶動相關產業的發展，還可以用于城市規劃部門的輔助決策。

1系統開發平臺簡介

本項目組通過對當前市面上主流GIS的二次開發平臺進行調研和模擬實驗，最終集成開發環境選擇Microsoft Visual Studio 2008，GIS二次開發平臺選擇ESRI公司的ARCGIS平臺中的開發插件ArcObjects。

在ArcGIS開發平臺中，ArcMap提供兩種類型的地圖視圖，即地理數據視圖（Data View）和地圖布局視圖（Layout View）。本研究利用ArcMap中的地理數據視圖，對地理圖層進行符號化顯示、分析和編輯GIS數據集，再利用地圖布局視圖對在Google earth下載的遙感數據進行空間坐標校正，并可以調整比例。

Microsoft Visual Studio 2008是一款較為全面、穩定的程序開發軟件，可用C、C++、C++.NET、C#、VB.NET、VB.Script等很多語言實現系統開發，且功能已較為完善，本研究主要利用C#語言，結合ArcGIS提供的相關控件而對windows窗體實現二次開發。該款軟件較為便捷之處即是，可以通過ArcGIS提供的一些相關控件直接實現其定制功能，諸如放大、縮小等，如此即提供了更大的便利。

2系統開發初期準備

2.1城市綠地數據采集

本研究選擇以哈爾濱市作為研究區域，對哈爾濱市綠地較為集中的地區如哈爾濱植物園、哈爾濱太陽島風景區等進行實地調研，主要記錄的綠地數據有：樹高、樹種、郁閉度、林種起源、齡組和周邊環境等，通過Google Earth下載哈爾濱市綠地地區的遙感數據，并利用ArcMap對遙感數據進行幾何精校正，再進行人工判斷以獲取相關綠地專題數據。

2.2建立評估模型

模型是本研究系統最為重要的一個環節，首先對實地調研采集的數據屬性（樹高、樹種、郁閉度）進行分析，其次根據不同環境條件下各種森林類型對環境的作用選擇適當的生態功能評估模型，主要分為涵養水源功能、凈化大氣功能、休閑游憩功能、固碳釋氧功能、降低噪聲功能，據此而進行綠地五種單一生態功能評估及綜合生態效益評估。

2.2.1涵養水源功能評估模型

通過國內國外的研究顯示，涵養水源功能主要評估方法是替代工程法，涵養水源總價值由涵養水源總量與水的影子價格決定，評估公式為：

（1）

（2）

其中，Wc是涵養水源總價值，Tw是涵養水源總量，Sp是水的影子價格，Fc是林地涵養水源系數，Ar為林地的面積。

水的影子價格獲得方法有三種，分別是

（1）根據水庫的蓄水成本確定；

（2）根據供用水的價格確定；

（3）根據凈化水質的費用確定[1]。

本研究利用方法（2）獲得水的影子價格。而涵養水源總量由地區的森林類型以及林地所占面積大小決定，不同的林分類型涵養水源量不同，此涵養水源量系數由凋落物層以及土壤蓄水能力等方面進行綜合考慮得到。而經過實地考察，在哈爾濱市大部分地區的林分類型主要是闊葉混交林以及針葉混交林[2]，基于有關文獻分析，幾種不同林種類型的涵養水源系數主要有馬尾松林394.4噸/公頃，柏木林941.6噸/公頃，針葉混交林401.6噸/公頃，闊葉混交林433.0噸/公頃，灌木叢346.8噸/公頃[3]。將涵養水源總價值的結果經過計算之后，即可等差設置為優、良、中、差、劣五個等級。

2.2.2凈化大氣功能評估模型

對于某地區綠地凈化空氣的功能評估主要體現在吸收有毒氣體和滯塵降塵兩個方面。大氣中有毒氣體很多，如二氧化硫、氟化氫、氯氣、氯化氫、二氧化氮、一氧化碳等，但主要以二氧化硫在有害氣體中數量最多，分布地區最廣，同時危害也最大，而綠地凈化空氣一方面是通過葉片吸收大氣的有毒物質，降低大氣中毒物的濃度，另一方面，樹木能使某些毒物在體內分解，轉化為無機物后代謝利用。不同林種對二氧化硫的吸收能力不同，可以通過計算二氧化硫以及粉塵的吸收量來對某地區綠地的凈化空氣功能進行評估，計算公式為：

（3）

（4）

（5）

其中，Cu表示二氧化硫吸收量，Ac表示不同森林吸收二氧化硫的能力，Ar表示林地的面積，Du表示粉塵顆粒吸收量，Dc表示粉塵顆粒吸收的能力，Ta為林地對二氧化硫以及粉塵吸收的總量。根據《中國生物多樣性國情研究報告》可知，闊葉林對二氧化硫的吸收能力值為88.65kg/公頃·年，對粉塵顆粒吸收能力為33.2噸/公頃·年，針葉林對二氧化硫的吸收能力值為215.60kg/公頃·年，對粉塵顆粒吸收能力為10.11噸/公頃·年[4]。通過計算后所得數值按比例等差設置為優、良、中、差、劣五個等級。

2.2.3降低噪聲功能評估模型

城市交通、工廠生產、人民生活等各類事件經常會產生大量噪聲，而綠地植物葉叢具有一定的吸音作用，噪聲波投射到樹木枝葉上，生長方向各異的葉片反射聲波而產生輕微震動，因此可以使噪聲減弱，降低噪聲根據總價值分離法進行估算，計算公式為：

（6）

式中，M為林價，參考林價：650元/m?；a為森林滅菌價值占森林總生態功能價值的比例系數，通常取為20%；q為林木單位儲積量，A為林地面積，x為森林直接實物性使用價值占森林有形和無形總價值的比例系數，一般取15%計算[5]。通過計算每個地區的Ez值，將其分為優、良、中、差、劣五個等級。

2.2.4固碳釋氧功能評估模型

綠地中植物通過光合作用固碳釋氧，可緩解局部缺氧。目前，國內外評價森林生態系統固定二氧化碳和釋放氧氣功能價值的方法主要有：

（1）用溫室效應損失法評價森林的固碳價值；

（2）用造林成本評價森林的固碳和釋氧價值；

（3）用碳稅法評價森林的固碳價值；

（4）用工業制氧價格評價森林的釋氧價值[6]。本項目主要使用造林成本法和工業制氧價格評價森林的釋氧價值，根據應用經濟學中的成本價值法和市場價值法估算固碳和釋氧價值，可以表示為：

（7）

（8）

（9）

其中，Ec和Eo分別是為固碳和釋氧的價值（元/a），Vi為各種樹種對應的蓄積年生長量（m3/a）， Ki為各種樹種蓄積量的年增長率，杉木為10.54%、松木為5.47%、闊葉樹為4.27%；ri為各樹種蓄積量與生物量的轉換系數（t/m3），杉木為0.54、松木為0.56、闊葉樹為1.72；Pi為竹林、經濟林、灌木林的生產力（t/hm2·a），根據各樹種年生長量，通過蓄積量和生物量的轉換系數來計算生產力，竹林為17.16、經濟林為7.09、灌木林為4.18；Si為竹林、經濟林、灌木林的面積（hm2）；Cc表示固碳成本（元/t），采用固碳造林成本規定Cc為273.3元/t；Co表示釋氧價格（元/t），據造林成本，中國森林提供1t氧的造林成本為369.7元，按照400元/t進行計算[7]。通過計算每個地區的E，并將E等差分為優、良、中、差、劣五個等級。

2.2.5休閑游憩功能評估模型

休閑游憩模型可以為居民游玩提供一個輔助參考，主要針對群落結構、景觀視覺效果、游憩開發條件這三個方面構建評鑒指標體系。對于群落組成結構科學合理的林分景觀效果也相應會表現良好，森林組成指標選取森林覆蓋度、樹種組成、林齡、樹種起源四個子項，KellomSki研究認為混交林的美景度較單純林高，Staffelbach則指出針葉混交林和落葉混交林的美景高于針葉純林，并且針葉純林又高于落葉純林[8]；而林齡主要劃分為五個階段，分別為幼齡林、中齡林、近熟林、過熟林，一般同一林齡的美景較不同林齡的林分更受歡迎；經過Hull等對林分景觀進行了比較研究，表明天然林較人工林的視覺效果更好一些。而對于景觀視覺效果，主要在于季相變化以及整體組合狀況對森林景觀的影響，季相變化主要指在不同季節能夠給人以不同的視覺感受，季相變化豐富的林分的景觀效果更好；而整體組合狀況主要是周邊各種景觀與森林景觀的整體效果能夠相互襯托則為最佳，若組合效果一般就會起到削弱作用[9]。而游憩開發條件指標主要是森林景觀周邊的交通、餐飲住宿條件兩個子項，通過問卷調查可以反應人們出行對森林游憩的滿意度。各種指標以及指標對應的分值如表1所示。

通過表1可以得到不同林分休閑游憩服務功能的分值，表中的5、4、3、2、1代表評估指標劃分不同等級的分值，5表示休閑游憩功能等級最高，1表示休閑游憩功能等級最低，這五個值分別對應優、良、中、差、劣五個等級。

2.2.6生態系統綜合評估模型

根據國內外的文獻研究，將綜合五個評估模型綜合在一起得到改進模型，根據五種不同模型得到的等級分值再經過計算公式（7）即可得到綠地生態功能綜合評估結果（Ecological Service Function Quality Index，ESFQI）。具體公式為：

（10）

其中，Rs為各項生態服務等級分值，Wi為不同模型評估的權值，綠地生態系統服務功能這一綜合性指標是由各項單一生態服務功能評估結果集成而來，即項目采用了加權分析的方法，對各指標權重的賦值主要依據專家經驗法，同時參考了指標重要性的分析，各項評價指標的權重見表2所示。根據公式（10）綜合各生態服務功能得到生態服務總評分，最終對總評結果進行五分制等級劃分，最高5分，最低1分，具體劃分方法如表3所示。

3系統設計與實現

3.1系統設計分析

基于系統設計前需求分析可知，本研究是以一種簡單易行的方法開發得到一種實用性較強的評估系統，要求系統使用方便、界面友好、而且方便用戶的操作和使用。據此可得本系統功能模塊設計如圖1所示。

圖1 系統功能模塊圖

Fig.1 System function block diagram

3.2模塊功能實現

系統可分為六大模塊，主要包括文件管理模塊、地圖瀏覽模塊、集成查詢與測量模塊、城市綠地生態系統服務功能評估模塊、數據維護模塊、用戶信息模塊六大模塊。對各個模塊的功能描述如下。

（1）文件管理模塊。主要實現功能是對文件的操作和管理，文件的打開，文件的保存、另存；地圖打印功能，分別實現打印類型的設置、頁面設置、打印預覽、連接打印機并打印的功能；顯示文件的屬性，顯示當前文件的存儲路徑；導出地圖功能是基于矢量格式的輸出，可分為EMF格式、AI格式、PDF格式、BMP格式、TIFF格式、EPS格式、JPEG格式等，并根據不同需要輸出不同格式的數據。退出，即退出當前軟件的使用。

（2）地圖瀏覽模塊。實現功能是利用AE的控件對當前地圖任意地區進行不同的查看操作，可實現自由放大、自由縮小、二倍自動放大、二倍自動縮小、漫游、全景顯示、插入書簽功能，并實現鷹眼圖與主窗口的互動查詢。同時，利用PageLayoutControl控件實現地圖版面視圖功能，而且實現與MapControl的聯動，還可連接打印機進行版面視圖的打印。

（3）集成查詢與測量模塊。可以利用AE控件實現單擊任意區域查詢圖層屬性的功能，并且連接Access數據庫，即可查詢某一地區的詳細綠地信息。具體查詢數據包括：樹種組成、郁閉度、起源、樹高、齡組等，利于專業人員對任意綠地圖層數據進行瀏覽并尋找感興趣的信息；進一步還可以利用AE控件以及GIS建立圖形查詢方式，根據需求用戶可以用直線、多邊形來查詢空間數據和屬性信息。

（4）城市綠地生態系統服務功能評估模塊。根據已建立的城市綠地生態服務功能動態評估模型，在林地和草地兩個空間圖層的屬性表中各添加一個名為result的字段用于存儲生態服務功能動態評估結果，各綠地斑塊的評估結果以五級等級制進行表示，每種評估模型將結果值寫入綠地圖層的result屬性中，并通過對圖層以result值分類設置圖例，以區分不同生態服務功能等級的綠地斑塊的空間分布情況，有利于用戶查看符合獨特需求的綠地斑塊位置。如果用戶查詢哈爾濱地區在某個季節的某個時間哪里適合游玩，可以通過輸入當前天氣和溫度變化情況，系統會根據當前溫度變化、天氣情況選擇適當的游憩功能動態評估模型對每個綠地斑塊進行遍歷，讀取綠地屬性數據，進行動態評估，并將評估結果寫入result屬性中。同時，可將哈爾濱地區的城市綠地斑塊以5種顏色由深到淺逐級顯示在地圖瀏覽界面中，通過顏色即可選取最符合用戶需求的綠地斑塊位置，而通過屬性查詢就能實現對綠地信息的詳細查看。綠地生態系統服務功能評估流程如圖2所示。2013年6月16日哈爾濱城區內城市綠地生態服務功能和草地生態服務功能等級評估結果則如圖3所示。

圖2 綠地生態系統服務功能評估流程

Fig.2 Services evaluation process of greenland ecosystem

圖3 城市綠地生態服務功能評估結果

Fig.3 Eco-service function evaluation of urban greenland

（5）數據維護模塊。氣象信息維護部分，即用戶可以輸入當前溫度以及天氣情況信息，系統即自動將當前天氣信息傳給各個模型，用戶可以查看當前天氣情況下不同模型的信息；而數據更新部分則主要針對系統維護人員，根據哈爾濱市綠地出現不同的變化，如森林的生長、砍伐等發生變化時需要更新Access數據庫中相應圖層數據，即可通過此項進行修改。

4結束語

本系統的研究與實現，一方面有利于哈爾濱市相關林業部門對本城區的城市綠地的生態系統服務功能進行動態評估，并以此為依據制定相應的城市規劃決策，在最大程度上發揮城市綠地的生態效益，另一方面也可為居民出行和游玩提供有效決策，能夠推動城市綠地旅游業以及其他產業的良性發展。在系統開發過程中利用ArcEngine中提供的GIS中間件可以十分快速地完成空間數據的瀏覽、查詢與測量等功能，大大縮短了系統開發周期、降低了開發成本，為相關領域的系統研發提供了有益的參考和借鑒。

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