城市綠植養(yǎng)護數(shù)字化管護平臺的資源統(tǒng)計方法

江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 丁軍軍

針對城市綠植養(yǎng)護數(shù)字化管理平臺中采用傳統(tǒng)手段對資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計效率低誤差大的問題，本文提出一種通過激光雷達和無人機攝影相結(jié)合的綠化資源統(tǒng)計方法，對城市綠化信息進行自動化獲取和智能化評估，輔助城市綠化日常養(yǎng)護工作以及城市規(guī)劃設計決策。通過多次實地測試對比，本文提出的快速資源統(tǒng)計方法在城市復雜環(huán)境中的林業(yè)信息獲取以及林業(yè)數(shù)據(jù)智能分析任務中表現(xiàn)出色。

園林綠化是城市組成中一個不可缺少的要素，“數(shù)字園林”也是“數(shù)字城市”的一個重要組成部分。2021年04月09日，住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布國家標準《園林綠化工程項目規(guī)范》，自2022年1月1日起實施，對項目和技術(shù)規(guī)范以及對應的要素指標規(guī)范實施做出了強制規(guī)定標準。2021年05月20日，蘇州市召開城市綠化工作推進會，會中回顧“十三五”市城市綠化工作取得的成績的同時，明確了“十四五”的目標任務：以服務人民為初心，加快城市綠化提檔升級；以提升質(zhì)量為中心，加快提升公園建設水平；以行業(yè)監(jiān)管為重心，加快轉(zhuǎn)變面上管理模式；以打造品牌為核心，加快提升城市形象品質(zhì)。2021年06月02日，國辦發(fā)布〔2021〕19號文件，指出要立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局。對地方政府提出要科學編制綠化相關(guān)規(guī)劃，加強對綠化相關(guān)規(guī)劃實施的檢查和督促落實。合理安排綠化用地科學劃定綠化用地，實行精準化管理。可見，隨著城市建設步伐的加快，經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活質(zhì)量的日益提高，城市化水平也逐漸提高，城市綠化管理成為一個城市市容、市貌的重要衡量標準，同時對風景名勝區(qū)、古樹古木的管理水平的高要求、高標準也提上了日程。園林綠化的綜合管理正逐漸受到人們的重視。

1 存在的問題及解決思路

在城市綠化建設快速發(fā)展的同時，對日常維護管理工作也提出了更大的挑戰(zhàn)，目前我國園林綠化管護平臺建設中普遍存在的問題包括：(1)數(shù)據(jù)庫片面缺失，城市發(fā)展進程較快，數(shù)據(jù)資料以紙質(zhì)資料為主且難以及時更新；(2)樹木清點手段粗放，傳統(tǒng)采集方式以人工清點為主，難以準確統(tǒng)計綠化樹木信息且誤差較大；(3)養(yǎng)護處理依賴人員經(jīng)驗，整體養(yǎng)護規(guī)劃性有待提升；(4)工單下發(fā)后監(jiān)管人員的巡查過程不可控，監(jiān)督管理有待深化；(5)信息反饋滯后，園林養(yǎng)護信息主要依靠巡檢人員口述記錄，工作環(huán)節(jié)增多時效率低下；(6)對于綠地系統(tǒng)的格局缺乏系統(tǒng)考慮，“建筑優(yōu)先，綠地填空”現(xiàn)象嚴重；(7)園林綠化規(guī)劃、建設、管理，各自為政，自成體系，缺乏全局性、系統(tǒng)性、規(guī)范性的管理體系；(8)城市園林綠化意識普遍不高，存在“政府熱，公民冷”的現(xiàn)象。

大數(shù)據(jù)、云計算興起，物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)發(fā)力，區(qū)塊鏈備受推崇，人工智能的火熱登場，掀起新一輪技術(shù)革命熱潮，相對于傳統(tǒng)人工采集方式，費時費力，效率低下，激光雷達設備采集系統(tǒng)因其高效、便捷、精準和實用被業(yè)內(nèi)所推崇，可以說，新技術(shù)的應用是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。對比目前各個管理系統(tǒng)中采用的商用地圖，實景三維展示平臺因其建模精度高、紋理清晰，數(shù)據(jù)精準能呈現(xiàn)真實比例的三維場景，成為了新寵。因此，可以說“數(shù)字孿生”是數(shù)字化浪潮的必然產(chǎn)物。因此，運用先進的數(shù)據(jù)采集手段、“互聯(lián)網(wǎng)+”思維和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、信息智能終端等新一代信息技術(shù)，與現(xiàn)代生態(tài)園林相融合，建立智慧園林資源精準數(shù)據(jù)庫是智慧園林綠化養(yǎng)護管理的基礎(chǔ)；統(tǒng)籌項目管養(yǎng)、有效實施管養(yǎng)計劃和提高城市園林綠化的管理水平，是提高日常工作效率和質(zhì)量，提升市政園林綜合監(jiān)管服務水平必要手段。

2 基于LiDAR的綠化資源統(tǒng)計方法

針對目前城市綠化智能管護平臺存在的問題，其中通過對綠化資源快速準確的統(tǒng)計建立精準的數(shù)據(jù)庫才是平臺建設的重中之重，也是平臺能夠高效運行的基本保證。

2.1 資源統(tǒng)計現(xiàn)狀

樹木結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取如群落三維結(jié)構(gòu)、層片結(jié)構(gòu)、樹高、胸徑、冠幅等，是定量化樹木生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、格局與功能的重要前提，在樹木碳源匯估算、樹木管理與經(jīng)營、生物多樣性研究與保護等方面有著重要作用，是完成樹木資源調(diào)查任務的基礎(chǔ)工作。以胸徑、清點和樹冠普查為例：

胸徑是表達樹木生長狀況的重要的因子之一。傳統(tǒng)方式以胸徑尺、輪尺等接觸式測量為主，外業(yè)工作量巨大。完成整體數(shù)據(jù)采集需要花費大量的人力及時間。苗圃清點工作的現(xiàn)狀非常依賴于人工，需要對每顆樹木進行標記等工作，且苗圃種類繁雜，工作量大且工作方式單一，所以傳統(tǒng)的清點方式會耗費大量的人力和時間，而且人為主觀因素容易對結(jié)果造成影響，容易出現(xiàn)錯測、漏測等問題。樹冠作為樹木完成光合作用，為樹木提供養(yǎng)分，對苗圃的調(diào)查結(jié)果有重要的意義。傳統(tǒng)的樹冠測量方式也是以人工為主，工作強度大、效率低、危險性高，而且樹冠也較難分辨，所以樹冠的測量一直都難以解決。

2.2 信息采集設備

采集設備采用無人機載加背包式激光雷達。一方面，可以通過不同的遙感手段，對苗圃內(nèi)部的詳細信息進行及時的掌握，全面、準確、客觀的對苗圃的分布狀況進行有效的掌握；另一方面，利用激光雷達技術(shù)獲取的高精度遙感數(shù)據(jù)，能夠進一步分析處理得到林區(qū)的生物量、蓄積量、冠層高度、冠層覆蓋度、郁閉度/間隙率、林窗參數(shù)、樹密度、甚至林區(qū)單木的位置、高度，可以減少人工調(diào)查工作量，提高林業(yè)資源調(diào)查的效率和準確度。特別是在人員難以到達的地區(qū)，可以大大提高調(diào)查效率。

無人機載+背負式移動激光雷達技術(shù)主要技術(shù)優(yōu)勢在于：數(shù)據(jù)精度高，背負式移動視覺可以達到8mm的精度，機載激光雷達可以達到0.3m左右的精度；主動遙感，以主動測量方式采用激光測距方法，不依賴自然光，其獲取數(shù)據(jù)的精度完全不受影響；植被穿透能力強，由于激光雷達具有多次回波特性，激光脈沖在穿越植被空隙時，可返回樹冠、樹枝、地面等多個高程數(shù)據(jù)，有效克服植被影響，更精確探測地面真實地形；數(shù)據(jù)獲取高效快速，通過無人機載+背包式的方式可以快速高效的獲取三維立體點云，該數(shù)據(jù)可用于森林資源調(diào)查，進行單木分割，提取每棵樹的位置、樹高、胸徑、冠幅等信息；數(shù)據(jù)完整，由于林區(qū)樹木植被茂密，且地形地貌復雜，用一種設備很難獲取完整數(shù)據(jù)，頂部區(qū)域使用無人機載，地面使用背包式的方式即可解決數(shù)據(jù)完整性問題，兩者相互結(jié)合，即可獲取完整的空地一體化的高精度數(shù)據(jù)。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作后，將生成的激光雷達點云數(shù)據(jù)導入計算機進行數(shù)據(jù)處理。使用專業(yè)點云數(shù)據(jù)處理軟件，按照數(shù)據(jù)處理流程依次操作，完成單木分割操作后，即可提取到每一株樹木的編號、坐標、樹高、胸徑、冠徑等林業(yè)數(shù)據(jù)。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程大致分為七個步驟：(1)去除空中噪點提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；(2)從點云數(shù)據(jù)中分離地面點；(3)對地面點數(shù)據(jù)細分類，提高分類精度；(4)對點云進行歸一化，去除地形影響；(5)選擇離地面1.2m處（默認：1.1-1.3m）的點云數(shù)據(jù)，采用擬合圓的方式量提取樹木胸徑（DBH），獲取樹木ID、胸徑和株數(shù)。如果樹木事傾斜生長，需采用擬合圓柱方法；如果樹干為橢圓，則使用點云數(shù)據(jù)的平面坐標利用最小二乘擬合二維橢圓；(6)通過單木篩選工具對擬合結(jié)果進行檢查與編輯，根據(jù)篩選范圍可對DBH擬合結(jié)果進行顯示、隱藏、刪除與提取操作。篩選操作包括：按置信度篩選、按樹ID篩選、按DBH篩選以及按樹高篩選。(7)DBH擬合結(jié)果可以保存為CSV文件，其中包含樹ID、樹的位置和DBH。

2.4 單木分割

面對林地和綠植密集區(qū)域，單木分割技術(shù)的準確性是內(nèi)業(yè)處理效率的關(guān)鍵。單木分割的主要思想是采用K均值聚類算法，依據(jù)激光雷達掃描的環(huán)境點云信息進行單木分割，具體包括4個步驟：(1)結(jié)合地面高度信息對點云進行同一高度分層處理，提取分層面中的點云局部最大值；(2)將提取的點云局部最大值進行聚類算法處理，獲取聚類中心點，計算點云到聚類中心點的距離，根據(jù)所設定閾值結(jié)合點云距中心點的距離進行分類，再次計算新生成類的中心點，如此循環(huán)迭代，最終中心點位置偏差小于設定閾值則結(jié)束聚類；(3)設定不同分層聚類中心點最小距離閾值，對多層點云聚類中心點進行篩選，將符合閾值條件的中心點進行融合，其聚類的點云即為單木分割數(shù)據(jù)；(4)依據(jù)分割后的單木點云信息，計算單木點云最大橫截面積，作為單木冠幅，將離地同等高度樹干點云中心作為單木位置坐標，該類點云的最高點作為單木的樹高。如圖1所示，為常熟某地塊苗圃單木分割效果。與人工清點結(jié)果完全吻合。胸徑誤差均值為1.5cm。軟件中對苗木提取的結(jié)果以三維模型形式直觀顯示，每株苗木會用不同的顏色區(qū)分出來。利用模型可以快速定位到某一棵樹，并顯示出位置、樹高、胸徑等屬性信息。

圖1 單木分割效果圖Fig.1 Single wood segmentation effect diagram

3.2 昆山城市公園綠植數(shù)據(jù)統(tǒng)計驗證

昆山城市公園總面積約為135畝，即90000m。單人外業(yè)采集共計用時2.5小時，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時5小時。本次采集的實物地物類型主要為植物要素，植物要素為喬木、灌木、竹林等。系統(tǒng)快速掃描城市綠化資產(chǎn)，可以實時快速查詢到每一株樹的位置信息和植株基本信息。激光點云采集效果如圖2所示。本次測試采集了昆山市城市公園內(nèi)全部綠植信息，喬木數(shù)量、灌木竹林面積準確，喬木胸徑誤差均值為1.1cm。

圖2 城市公園部分樹木激光點云效果圖Fig.2 Laser point cloud effect diagram of some trees in a city park

3 資源統(tǒng)計驗證分析

3.1 常熟苗圃數(shù)據(jù)統(tǒng)計驗證

采用無人機載結(jié)合背包式設備針對常熟苗圃地塊進行了資源統(tǒng)計。在實測過程中，總計面積約17畝的苗木信息，采集用時25分鐘，其中包括了苗木數(shù)量、位置、樹高、胸徑等信息。設備獲取的苗木高精度點云數(shù)據(jù)，在軟件中進行準確地提取。其中，一號地塊278株，樹高平均6.528m，最高9.762m、最矮3.045m；胸徑平均0.116m，最大0.244m、最小0.082m；冠徑平均4.451m，最大16.793m、最小0.756m。二號地塊567株，樹高平均8.643m，最高16.868m、最矮2.862m；胸徑平均0.17m，最大0.529m、最小0.06m；冠徑平均4.764m，最大20.317m、最小0.511m。從實測結(jié)果來看

為驗證數(shù)據(jù)的精度，在城市公園采用現(xiàn)場實測針對設備測試生成的數(shù)據(jù)進行了驗證，隨機測量了10棵樹的胸徑，并與處理后的點云數(shù)據(jù)成果進行比對，比對結(jié)果如表1所示：

表1 數(shù)據(jù)驗證結(jié)果Tab.1 Data verification results

由以上多次實地測試可以看出，基于LiDAR的綠化資源統(tǒng)計方法能夠極大地減少綠化信息獲取工作量，提高數(shù)據(jù)精度。同時，系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)處理分析算法，為城市綠化管理工作提供林業(yè)資產(chǎn)數(shù)據(jù)和動態(tài)管理方法，用高新技術(shù)手段輔助城市綠化規(guī)劃設計，解決林業(yè)信息化過程中產(chǎn)生的困難。

4 結(jié)語

當下城市綠化建設過程中，傳統(tǒng)綠化管理方式向新技術(shù)手段的綠化信息化管理方式過渡，期間暴露出越來越多的問題亟待解決。因此本文提出一種城市綠化智能管護系統(tǒng)，通過激光雷達和無人機攝影等高新技術(shù)，對城市綠化信息進行自動化獲取和智能化評估，輔助城市綠化日常養(yǎng)護工作以及城市規(guī)劃設計決策。然后在常熟市和昆山市苗圃和城市綠地中展開了多次實地測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以滿足城市綠化復雜環(huán)境下的高效率林業(yè)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)智能分析結(jié)果具有很大的應用價值。在未來的城市綠化建設中將發(fā)揮極大的作用。