基于地面調查與遙感調查協同的城市綠地規模和分布研究
——以青島市為例

李程 張海濤 趙宇豪 俞凌筠

1 研究背景

城市綠地在改善城市生態環境、維護人與自然和諧相處中起著積極的作用。近年來，隨著城市綠地建設力度不斷加大，總量不斷提升，類型不斷豐富，城市綠地調查這項基礎工作的重要性逐步凸顯，是城市綠地系統規劃編制的前置環節，是城市綠地建設和管理的科學依據。城市綠地調查內容翔實、數據準確程度直接影響著城市園林綠化的科學發展[1]。城市綠地調查這項基礎工作不斷創新和發展，其工作方法呈現多元化趨勢。

早期對城市綠地調查主要采取人工普查與數學統計分析相結合的方法，數據以大量的報表表示，主要工作方式為野外實地使用儀器，對城市綠地的各類屬性進行測量并記錄，同時利用專業的制圖軟件繪成標準地形圖，可以保證測量到的地物信息較為精準，但由于城市植被的調查范圍廣，人工調查方法需花費大量的人力、物力與財力，同時，人工調查具有一定主觀性。為解決人工調查結合數理統計分析方法帶來的主觀性問題，在20世紀80年代初，中國就開始應用航空、航天技術監測城市環境、調查土地資源和應用于規劃、管理的嘗試[2]，隨著時間的推移和技術的進步，在傳感設備方面，各類新型技術不斷應用于綠地調查中[3]，如通過無人機對廈門鼓浪嶼的“莫蘭蒂”臺風前后植被覆蓋情況變化進行研究[4]，在拍攝影像精度方面從最初低分辨率的TM影像逐步轉向高分辨率的QuickBird、Worldview影像[5]；在自動提取綠色信息方面，不少學者根據像元的光譜特征提取綠色信息的自動提取技術[6]，如最常用的歸一化植被指數（NDVI指數），逐步探索面向對象的多尺度分割提取技術，如目前前沿的基于領域知識構建提取對象典型地物樣本庫，建立機器深度學習的智能提取技術[7]。在調查內容上除了傳統的三綠指標外，還有綠地服務效率[8]、植被對空氣[9]、溫度[10]影響情況和生態系統演變[11]等。國外在該方面探索更加多樣，如通過智能設備自動提取街道三維綠量[12]，各規模綠地對生態系統的影響[13]和通過GIS系統自動比較居住范圍內部和外部綠地的使用情況[14]。

表1 遙感調查城市綠地解譯標志Tab.1 Interpretation signs of urban green space in remote sensing survey

通過對文獻的總結，目前對于城市綠地調查大體上分為遙感調查和地面調查2種方法，地面調查法雖然能準確地測量城市綠地數據，但面對范圍較廣且分散的城市綠地，測全測準的難度較大；遙感調查法具有時效性強和人工投入少的優勢，經過長期的技術創新和經驗積累，已經能實現綠色信息的高精度提取，但由于園林綠化的特殊性，遙感調查獲得的綠化覆蓋數據大于實際綠地數據。對地面調查和遙感調查兩種調查方式進行比對研究，探索形成一套基于地面調查與遙感調查協同（以下簡稱“協同”）的城市綠地調查的技術方法，同時區別于傳統土地利用分類，而根據城市用地分類進行解譯，為城市園林綠化主管部門進行規劃、建設和養護管理時提供方便。

2 城市綠地調查方法研究

2.1 調查內容

通過地面技術和遙感技術可以多維度對城市綠地進行調查，筆者主要對城市綠地規模和分布進行調查。

地面調查應整理和篩選最新的地形圖，并在此基礎上對一定范圍的城市綠地進行補充調查和分類；遙感調查應選擇一定區域內影像進行處理，在此基礎上，按照《城市綠地分類標準》（CJJ/T 85—2017）規定，城市綠地（G）分為公園綠地（G1）、防護綠地（G2）、廣場用地（G3）、附屬綠地（XG）和區域綠地（EG）五大類綠地的功能和形態特征進行人工解譯和分類（表1）。

2.2 調查方法對比分析

2.2.1 地面調查和遙感調查

1）地面調查主要步驟包括：全野外測量、內業編輯形成地形圖、在地形圖基礎上整理分類城市建設用地和城市綠地；2）遙感調查主要步驟包括：選取合適的遙感影像、對影像進行融合糾正鑲嵌、與地形圖進行配準、機器和人工提取綠色信息、根據影像圖對城市建設用地和城市綠地進行分類。

2.2.2 調查方法優劣勢分析

地面調查和遙感調查作為目前主流的2種調查方法，存在各自的優勢和劣勢（表2），主要從經濟性、時效性和準確性上進行分析。

1）經濟性方面，與遙感調查相比，地面調查成本較高。以建成區調查為例，在精度要求相同的情況下（比例尺1∶5 000），山東省青島市市南區地面調查項目費用約3 600元/km2，遙感調查項目費用1 800元/km2。

2）時效性方面，遙感調查可以選取多種傳感器拍攝的影像拼接而成，以保證時效性，而地面調查受到儀器設備、天氣原因的影響需要較長的時間才能完成，有些區域的城市綠地性質和位置已經發生改變，不能及時更新。

3）準確性方面，在城市綠地調查中最重要的就是準確性，由于園林綠化的特殊性，城市綠化覆蓋面積大于城市綠地面積，而遙感調查提取的綠色信息為城市綠化覆蓋數據，即使100%提取綠色信息，也無法準確獲得城市綠地數據，而且遙感影像存在云層、高層建筑等遮擋，不能準確識別綠色信息；地面調查可以準確測量邊界清晰的城市綠地，但大型且邊界模糊的城市綠地很難準確測量，同時面對分散、破碎和數量龐大的城市綠地，會出現漏測情況。

2.2.3 兩種調查方法誤差分析

地面調查法可以精準測量邊界清晰的城市綠地，如公園綠地（G1）、防護綠地（G2）、廣場用地（G3）；但是對于分布零散的附屬綠地（XG）會有漏測現象，同時大型區域綠地（EG）受地形和邊界不清晰等影響一般不選擇地面測量（表3），因此導致地面調查統計的綠地率比實際偏低。

遙感調查法獲得的綠色信息面積為綠化覆蓋面積，對于綠化覆蓋面積與城市綠地面積基本相同的防護綠地（G3）和區域綠地（EG）可以準確測量，對于綠化覆蓋面積可能小于城市綠地面積的公園綠地（G1）和廣場用地（G2）[按照《公園設計規范》（CJJ 48—1992）要求，公園綠地植被覆蓋面積不得低于65%，廣場植被覆蓋面積不得低于35%]，需要在綠化覆蓋面積的基礎上確定公園邊界，也可以準確測量；但對于綠化覆蓋面積可能大于城市綠地面積的附屬綠地（XG）（以道路附屬綠地為例：成年單株行道樹冠幅約4 m，覆蓋面積為12.56 m2，而行道樹占地面積僅為1.5 m×1.5 m=2.25 m2），附屬綠地占比率比實際偏低；因為附屬綠地占城市綠地比例最大，因此導致遙感調查統計的綠地率比實際偏高。

表2 2種城市綠地調查方法優劣勢分析Tab.2 Advantages and disadvantages of two methods of urban green space survey

表3 兩種城市綠地調查方法與實際誤差分析Tab.3 Two methods of urban green space survey and actual errors

1 城市綠地協同調查技術流程Technical process of synergetic urban green space survey

從2種調查方法獲得數據與實際情況誤差分析中看出，地面調查統計的綠地率比實際偏低，遙感調查統計的綠地率比實際偏高，單獨使用一種方法獲得的數據均不準確，應將地面調查和遙感調查這2種調查方法相結合，形成一套“協同”的城市綠地調查技術方法。

2.3 基于協同的城市綠地調查方法

“協同”的城市綠地調查方法結合2種調查方式，是將地面調查獲得的數據和遙感調查獲得的數據互為底圖，進行協同校核形成初步城市綠地調查數據，篩選該數據中不能準確識別綠地邊界和性質的地塊，進行二次地面調查，在此基礎上核對修改初步調查，形成最終的城市綠地調查數據（圖1）。

2.3.1 地面調查數據與遙感調查數據協同校核

地面調查數據與遙感調查數據各有特點，地面調查“測得準，但測不全”，衛星（遙感）調查數據“測得全，但測不準”，應將2套調查方法所得數據互為底圖，協同校核修正，重復驗證，形成初步“協同”城市綠地調查數據。當2套數據疊加時，在同一區域，會出現以下情況。

1）該種情況為當遙感影像圖和地面測繪圖都有數據時，首先判別綠地類型和范圍，如果為公園綠地、防護綠地、廣場綠地、區域綠地應以遙感數據為準，如果為附屬綠地應以遙感數據為參考，能確認邊界的，以遙感數據為準，不能確認邊界的以地面測繪數據為準；如果無法判斷綠地類型或范圍，如綠化覆蓋率較大的公園從影像圖看和防護綠地相似，應采用其他方式確認。大部分為該種情況，可按照遙感影像判別，節省時間和人力。

2）當遙感影像圖或地面測繪圖只有一種有數據時，應分別討論。如果只地面調查有數據，說明該區域的綠地被移除了，而地面測繪數據沒有及時補充更新，應以遙感調查數據為準；如果只有遙感調查數據，說明該綠地為新建綠地或地面調查時漏掉，應根據遙感影像圖判別綠地類型和范圍，能確定的在影像圖上勾繪，不能確定的應采用其他方式確認。

表4 不同情況下協同校核的處理措施Tab.4 Treatment measures for synergetic verification in different situations

2 3區衛星遙感影像Satellite remote sensing image maps in three areas

3 3區現狀用地Current situation maps in three areas

3）當遙感影像圖被云層、高層建筑傾斜遮擋，造成該區域無法從影像上判別綠地類型和范圍時，應參考地面測繪圖，如果地面測繪圖有相關數據，且與遙感影像圖覆蓋區域周邊比對后，可以判斷數據準確的情況，以地面調查數據為準，如果與遙感影像圖覆蓋區域周邊比對后，仍無法判斷數據準確性的情況，應采用其他方式確認；如果地面測繪圖沒有相關數據，也應采用其他方式確認（表4）。

2.3.2 二次地面調查與校核

在形成初步協同城市綠地調查數據后，依然有無法確認綠地分類和規模情況，應對這些區域進行實地調查，并對初步協同城市綠地調查數據進行補充和修正，形成最終協同城市綠地調查數據。

3 案例分析

3.1 研究樣區及數據情況

本研究，在山東省青島市的市南區、嶗山區、黃島區內，各選出一塊4 km×3 km長方形區域作為樣本區域，上述區域包含了所有城市建設用地類型和城市綠地類型，分別命名為A區域、B區域、C區域（圖2）。

A區域為城市核心區，用地類型較為豐富，包含除工業用地、物流倉儲用地外的各類城市用地；衛星影像選擇的是worldview-3，分辨率為0.5 m，拍攝時間為2017年9月；測繪數據為2015年7月—2017年3月現狀地形圖，比例尺為1∶2 000。

B區域為綠地資源豐富的城市新區，綠地面積較大且包含5類城市綠地；衛星影像選擇的是worldview-2，分辨率為0.5 m，拍攝時間為2017年8月；測繪數據為2015年7月—2017年3月現狀地形圖，比例尺為1∶2 000。

C區域為遠離城市中心的工業區，工業用地、物流倉儲用地、公用設施用地面積較大；衛星影像選擇的是quickbird，分辨率為0.5 m，拍攝時間為2017年6月；測繪數據為2015年7月—2017年3月現狀地形圖，比例尺為1∶2 000。

在選擇上述3個區域時，保證其具有《城市建設用地分類與規劃建設用地標準》（GB 50137—2011）中的八大類城市建設用地，包括：居住用地、公共管理與公共服務設施用地、商業服務業設施用地、工業用地、物流倉儲用地、道路與交通設施用地、公用設施用地和城市綠地和五大類城市綠地（圖3）。

4 3區城市綠地分布Distribution of urban green space in three areas

3.2 規模和分布分析

3.2.1 城市綠地分布分析

根據遙感調查、地面調查和協同調查3種方法，對A、B、C 3個區域城市綠地分布情況進行調查分析（圖4），同一區域用3種調查方式統計出的公園綠地、防護綠地、廣場綠地分布基本相同；附屬綠地分布相對較少；區域綠地只在遙感調查和協同調查中有分布。

3.2.2 指標分析

1）3個區綠地率分析。根據遙感調查、地面調查和協同調查3種方法，對A、B、C 3個區域城市綠地分布和規模進行調查分析，得出3個區域綠地率均是遙感調查值最大，地面調查值最小，協同調查值介于二者之間（圖5）。

2）A、B、C 3區5類綠地綠地率。從A、B、C 3區公園綠地占比情況可以看出，均是地面調查和協同調查數據相近，且略高于遙感調查數據（圖6）。

從A、B、C 3區廣場用地占比情況可以看出，均是地面調查和協同調查數據相近，且高于遙感調查數據（圖7）。

從A、B、C 3區防護綠地占比情況可以看出，均是遙感調查數據最高，地面調查數據最低，協同調查數據介于二者之間（圖8）。

從A、B、C 3區附屬綠地占比情況可以看出，均是地面調查和協同調查數據相近，且高于遙感調查數據（圖9）。

從A、B、C 3區區域綠地占比情況可以看出，均是遙感調查和協同調查數據相近，地面調查缺失相關數據（圖10）。

4 結論

常規單一利用地面調查，有人工投入大、數據不全和時效性差的缺點，利用遙感調查，有與實際數據相比有誤差的缺點，筆者提出一種“協同”調查城市綠地規模和分布準確性的調查方法。主要技術流程包括：形成遙感調查數據、形成地面調查數據、地面調查數據與遙感調查數據協同校核；二次地面調查與校核。這種方法能在城市綠地分布和規模調查時，顯著提高綠地指標測試的準確性。

以青島市三區為例，進行的實例分析顯示，與前文推導結論相同，利用協同的方法在城市綠地規模和分布方面，尤其是公園綠地、附屬綠地上可以提高準確性。未來可以利用這種方法進行綠地系統規劃中綠地資源的摸底調查、綠地和綠線管理等。

5 3區3種調查方法的城市綠地率分析Analysis on green space rate under three urban green space survey methods in three areas

6 3區3種調查方法的城市公園綠地占比分析Analysis on the proportion of park green space under three urban green space survey methods in three areas

7 3區3種調查方法的城市廣場用地占比分析Analysis on the proportion of square green space under three urban green space survey methods in three areas

8 3區3種調查方法的城市防護綠地占比分析Analysis on the proportion of green buffers under three urban green space survey methods in three areas

9 3區3種調查方法的城市附屬綠地占比分析Analysis on the proportion of attached green space under three urban green space survey methods in three areas

10 3區3種調查方法的城市區域綠地占比分析Analysis on the proportion of regional green space under three urban green space survey methods in three areas

5 展望

城市綠地調查作為園林綠化行業的一項重要基礎工作，隨著技術的不斷創新和完善，調查內容豐富性、調查數據準確性和調查方法便捷性將不斷提高，筆者通過遙感調查和地面調查方法協同使用，對青島市城市綠地規模和分布進行調查，提高準確性和時效性。下一步應：1）拓展調查內容，包括各類城市綠地的服務效率、植被屬性與群落變化、城市綠地生態效益等；2）進一步研究城市綠地的提取技術，通過更深入地研究AI深度學習技術，提高城市綠地的多尺度分割自動提取技術的準確性，加強城市綠地調查技術創新性和內容完整性。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1、4～9由作者自繪；圖2引自worldview-2、worldview-3、quickbird衛星影像；圖3根據地形圖繪制而成；表1中圖片來源為worldview-2衛星拍攝的青島影像截取的各類城市綠地，分辨率為0.5 m，拍攝時間為2017年8月；數據來源為根據《城市綠地分類標準》和《公園設計規范》內容總結，作者自繪；表2～4由作者自繪。