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航空遙感數(shù)字化信息在城市綠化精細(xì)調(diào)查中的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用
摘要：當(dāng)前我國(guó)城市的發(fā)展越來(lái)越注重生態(tài)效應(yīng)，城市的綠化狀況倍受關(guān)注。城市綠化的精細(xì)調(diào)查則是進(jìn)一步提高綠化建設(shè)和管理水平的重要基礎(chǔ)。本文以上海市第三輪航空遙感在上海市綠化調(diào)查中的應(yīng)用為例，從光譜特性和綠化信息精確定位、定量等角度論述了應(yīng)用彩紅外航空遙感數(shù)字化信息進(jìn)行綠化精細(xì)調(diào)查，具有高精確性、高可靠性和高效率等突出優(yōu)點(diǎn)，介紹經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的一種應(yīng)用方法，并探討了航空遙感綠化調(diào)查今后的發(fā)展的方向。
關(guān)鍵字： 航空遙感 彩紅外 數(shù)字化 綠化調(diào)查
近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)城市生活環(huán)境的要求也日漸提高，建設(shè)生態(tài)城市的觀點(diǎn)越來(lái)越被受到關(guān)注。上海、天津、哈爾濱、揚(yáng)州、常州、成都等城市紛紛提出建設(shè)生態(tài)城市的目標(biāo)[2]。城市的綠化建設(shè)則是城市生態(tài)化的一個(gè)重要方面，有關(guān)專家指出，加強(qiáng)綠地生態(tài)建設(shè)應(yīng)該是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)“十五”規(guī)劃的重要措施之一，城市綠地生態(tài)建設(shè)要以擴(kuò)大綠地面積、提高綠地覆蓋率、以質(zhì)取勝為目標(biāo)[3]。城市的綠化現(xiàn)狀如何則是進(jìn)一步進(jìn)行綠化規(guī)劃與建設(shè)的直接、重要依據(jù)，在建設(shè)部創(chuàng)建國(guó)家園林城區(qū)的工作中起到了管理與監(jiān)控的作用。因此，開(kāi)展綠化現(xiàn)狀調(diào)查必不可少。要使綠化調(diào)查的結(jié)果更為精確，必須結(jié)合高科技手段。其中，采用彩紅外航空遙感數(shù)字化信息進(jìn)行解譯是一種比較可行的方法。
1．彩紅外航空遙感數(shù)字化信息用于綠化精細(xì)調(diào)查的優(yōu)點(diǎn)
彩紅外航空遙感是一種適用于植被勘察、偽裝偵察和地上資源探測(cè)的航空遙感手段，所采用的光學(xué)成像膠片一般為非真實(shí)彩色反轉(zhuǎn)片，成像光譜范圍介于0.5~0.9μm[1],即處于主要綠光、紅光和近紅外波段，可以有效地減少因空氣分子對(duì)藍(lán)光散射所造成的影像清晰度下降的不良影響，非常適用于捕獲城市地表信息。在彩紅外反轉(zhuǎn)片上，地表植被呈現(xiàn)的是不同飽和度的紅色，而非日常所見(jiàn)的綠色。
彩紅外航空遙感數(shù)字化信息是由兩方面組成的，一是數(shù)字化的彩紅外航空遙感影像，二是在計(jì)算機(jī)內(nèi)解譯的數(shù)字化矢量圖。該數(shù)字化信息用于綠化精細(xì)調(diào)查具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)。
1.1 不同生長(zhǎng)期的植物都能清晰記錄
植物對(duì)不同光譜段能量的反射和吸收的狀況與其葉綠素含量有關(guān)，葉綠素能夠大量反射近紅外能量，而吸收大部份的可見(jiàn)光波段的能量。健康的綠色植物含有大量的葉綠素，通常反射40~50%的近紅外（0.7~1.1μm）波段的能量，吸收將近80~90%的可見(jiàn)光波段（0.4~0.7μm）的能量（詳見(jiàn)圖1）。相反，枯萎和衰老植物的在可見(jiàn)光波段所反射的能量要大大高于健康植物的反射值，而在近紅外波段所反射的能量則要低于健康植物的反射值[1]。因此，在彩紅外影像中，處于成長(zhǎng)期的健康植物呈現(xiàn)出紅色，植物越嫩，紅色越鮮艷；枯萎和衰老的植物則不呈現(xiàn)紅色，而是黃偏紅的顏色。這樣，處于不同生長(zhǎng)期的植物就能明顯地區(qū)分出來(lái)。同時(shí)，城市中的植物和城市的水面、路面、建筑物頂面之間也有很明顯的區(qū)別。水面主要呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色；路面多為灰色、青灰色或藍(lán)黑色；建筑物的頂面多呈現(xiàn)青色、暗黃色或藍(lán)黑色等，即便平時(shí)肉眼所見(jiàn)的紅色屋頂，在彩紅外影像中呈現(xiàn)出黃綠色或暗黃色，很容易與植物區(qū)分開(kāi)。有些平時(shí)肉眼所見(jiàn)的非植被綠色地面或屋頂，由于在近紅外波段所反射的能量很小，所以在彩紅外影像中不會(huì)呈現(xiàn)紅色，而是紫色或其他顏色。
圖1 健康綠草、枯草和干裸土地在0.4~1.1μm波段的光譜反射特征[1]
此外，對(duì)于城市而言，要獲取高清晰度的航空遙感影像，航攝飛行一般選擇在冬季進(jìn)行。在此季節(jié)，許多植物已經(jīng)落葉，但在枝、莖和近根等處依然含有一定的葉綠素，其在近紅外波段仍然有相當(dāng)?shù)姆瓷洌赃@些植物在真彩色航片上可能不易與其他地物或地面分開(kāi)來(lái)，但在彩紅外航片上確較容易識(shí)別。
總之，彩紅外影像既能夠區(qū)分出不同生長(zhǎng)期的植物，又能夠明顯地把城市中的植物和其他地物區(qū)分開(kāi)來(lái)，這對(duì)于綠化的精細(xì)調(diào)查是極為有利的。
1.2 綠化調(diào)查具有高精確性和可信度
利用數(shù)字化的彩紅外航空遙感信息進(jìn)行綠化調(diào)查，主要是在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)數(shù)字化影像進(jìn)行解譯，高精確度和高可信度主要來(lái)自綠化解譯時(shí)影像的高清晰度和解譯后面積統(tǒng)計(jì)的精確性。
經(jīng)過(guò)數(shù)字化的彩紅外航空遙感照片可以獲得大比例尺、高清晰度的影像圖，且在計(jì)算機(jī)內(nèi)可以迅速縮放成不同的比例尺效果，例如，一幅原始比例尺為1:10000的照片以600dpi掃描轉(zhuǎn)換成數(shù)字化影像輸入計(jì)算機(jī)，在圖像處理軟件PhotoShop的支持下，可以在1:10000~1:200的比例尺效果之間迅速縮放（不出現(xiàn)馬賽克效果），這種數(shù)碼顯示比原先僅采用光學(xué)相紙顯示更為靈活方便。同時(shí)，利用數(shù)字化的彩紅外影像可對(duì)調(diào)查地點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)的放大察看，并可以對(duì)陰暗部分、模糊部分進(jìn)行增強(qiáng)處理，以改善視覺(jué)效果，提高解譯的精度，這是僅采用照片解譯所無(wú)法做到的。由于有上述優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)綠化進(jìn)行解譯時(shí)，就能把綠化覆蓋的邊界準(zhǔn)確地勾繪出來(lái)，為統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性打下基礎(chǔ)。另一方面，利用計(jì)算機(jī)對(duì)綠化面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以避免采用求積儀進(jìn)行人工量算時(shí)的操作誤差，從而獲得精確的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
1.3 調(diào)查效率高
利用數(shù)字化航空遙感影像進(jìn)行城市綠化調(diào)查，與人工實(shí)地量算相比，效率大為提高。由于使用數(shù)字化航空影像觀察地物，具有空間快速轉(zhuǎn)移的優(yōu)點(diǎn)，即可以迅速地從不同的角度觀測(cè)到建筑物的不同側(cè)面，或迅速地從一個(gè)調(diào)查地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)調(diào)查地點(diǎn)，如此，既可節(jié)省實(shí)地空間轉(zhuǎn)換所消耗的時(shí)間，又可以即時(shí)發(fā)現(xiàn)遺漏之處。根據(jù)在上海市的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)字化影像進(jìn)行綠化解譯，單人單機(jī)即可獨(dú)立負(fù)責(zé)一片區(qū)域，每天大約可完成0.5平方公里區(qū)域內(nèi)的綠化解譯和面積量算工作；而人工實(shí)地量算，一般需要3人為一個(gè)工作小組， 要完成上述面積區(qū)域內(nèi)的綠化量算工作，至少需要3~4個(gè)小組。也就是說(shuō)，采用數(shù)字化航空遙感影像進(jìn)行城市綠化調(diào)查，相對(duì)于人工實(shí)地量算而言，效率可提高10倍以上。
1.4 易于更新
調(diào)查區(qū)域內(nèi)的綠化遙感信息經(jīng)矢量化成圖后，各個(gè)綠化單元的邊界就被確定下來(lái)。將來(lái)綠化如果有增加和改造，只要在矢量圖上將相應(yīng)的部分做修改，變化信息實(shí)時(shí)地在矢量圖上反映出來(lái)，并能很快獲得新的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)綠化信息的快速更新。
2． 數(shù)字化的彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法
下面介紹在上海市第三輪航空遙感綜合調(diào)查應(yīng)用中探索出的趨于成熟的航空遙感綠化數(shù)字化調(diào)查方法。
2.1 綠化調(diào)查范圍的確定與數(shù)字化影像的獲取
首先確定進(jìn)行綠化調(diào)查的區(qū)域范圍，然后將覆蓋該區(qū)域的彩紅外航片以相同的分辨率進(jìn)行數(shù)字化掃描。
2.2 航片定位校正
這項(xiàng)工作可以在某一地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件中進(jìn)行。將數(shù)字化的影像與矢量地圖進(jìn)行定位匹配和幾何校正運(yùn)算，以便將調(diào)查區(qū)域的影像與地理坐標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，并糾正航片拍攝時(shí)形成的畸變。這樣，一方面可以將
覆蓋調(diào)查區(qū)域的所有航片拼接在一起，便于綠化解譯；另一方面可以使所有校正好的航片的實(shí)際比例尺基本達(dá)到一致，確保綠化矢量多邊形的面積統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。
2.3 陰影內(nèi)綠化的增強(qiáng)處理
陰影區(qū)域內(nèi)地物的光譜分辨率一般會(huì)顯著下降，給地物識(shí)別造成很大的困難，這對(duì)于綠化的精細(xì)解譯是一個(gè)不利的因素。為了能夠識(shí)別出陰影內(nèi)的綠化信息，需要先對(duì)影像進(jìn)行非線性拉伸的亮度增強(qiáng)處理。由于城市的地面多為水泥或其他材料，其所含的水分要大大低于植被，故對(duì)可見(jiàn)光的反射要強(qiáng)于植被。根據(jù)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際應(yīng)用情況表明，在經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后的陰影區(qū)域內(nèi)，植被往往呈現(xiàn)較暗的斑塊，再結(jié)合人工綠化分布的規(guī)律性，基本上能夠較準(zhǔn)確地把陰影內(nèi)的綠化解譯出來(lái)。
2.4 綠化解譯與面積統(tǒng)計(jì)
在某一GIS軟件環(huán)境中，將已經(jīng)定位校正和增強(qiáng)處理好的數(shù)字化影像（航片）以圖層疊置的方式顯示出來(lái)，以這些影像為背景將其中的每一塊綠化沿著其邊緣矢量化成相應(yīng)的多邊形。在解譯時(shí)，針對(duì)某一幢建筑，需要將呈現(xiàn)其不同側(cè)面的航片分別設(shè)置為當(dāng)前活動(dòng)圖層（航向重疊和旁向重疊的航片），這樣便能將建筑物各個(gè)側(cè)面的綠化基本解譯出來(lái)。同時(shí)，還可以根據(jù)要求將不同功能類別的綠化（公共綠地、居住區(qū)綠地、單位綠地、生產(chǎn)綠地、臨時(shí)綠地、行道樹(shù)等）的矢量多邊形分別以不同顏色表示，或者放在不同的層內(nèi)。待調(diào)查區(qū)域內(nèi)所有的綠化都解譯完后，利用GIS軟件中的面積統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算不同功能類別的綠化覆蓋面積和總的綠化覆蓋面積，再結(jié)合土地面積、人口數(shù)可計(jì)算出綠化覆蓋率、綠地率以及人均綠地面積等綠化水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
2.5 覆蓋面積的季節(jié)變化分析
如果航片是冬季所攝，則道樹(shù)中落葉樹(shù)的樹(shù)冠面積要比夏季有明顯減小，可以結(jié)合落葉樹(shù)形態(tài)、生態(tài)習(xí)性加以分析，以便估算出行道樹(shù)在夏季的覆蓋面積。以上海市區(qū)為例，行道樹(shù)中以懸鈴木較為典型，該樹(shù)種屬于落葉樹(shù)，冬季時(shí)絕大部分樹(shù)葉和小樹(shù)枝枯落，同時(shí)某些樹(shù)被修剪，樹(shù)冠直徑縮��；春、夏季時(shí)再生新枝，樹(shù)葉茂盛，覆蓋面積擴(kuò)展，直徑外延。生長(zhǎng)期內(nèi)的樹(shù)枝，一般以向陽(yáng)、向上方式生長(zhǎng)，依據(jù)園林部門的積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，其平面拓展的狀況為樹(shù)冠直徑外延0.5~1米。根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)數(shù)值可以大體估算出夏季行道樹(shù)覆蓋的拓展面積，進(jìn)而得出夏季綠化覆蓋的增加比例。據(jù)上海已進(jìn)行的綠化調(diào)查結(jié)果表明，行道樹(shù)夏季覆蓋面積的拓展對(duì)于整體覆蓋率的提高的影響是十分有限的，一般不超過(guò)0.15% 。
2.6 實(shí)地采樣進(jìn)行誤差分析
采用航空遙感手段進(jìn)行調(diào)查是為了最大限度地減少野外工作量，提高調(diào)查效率，但并不能完全脫離或丟棄實(shí)地調(diào)查工作。事實(shí)上，進(jìn)行實(shí)地采樣是檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)解譯誤差的最好手段。綠化的實(shí)地調(diào)查主要針對(duì)陰影區(qū)域和建筑物密集區(qū)域進(jìn)行，因?yàn)樵诤娇者b感影像上處于這些區(qū)域內(nèi)的綠化容易被遮擋或出現(xiàn)邊界模糊的情況，直接影響到解譯的準(zhǔn)確性。以實(shí)地采樣測(cè)量的綠地面積為衡量標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)解譯的誤差情況及原因做相應(yīng)的評(píng)估，以確定計(jì)算機(jī)內(nèi)綠化解譯結(jié)果是偏大抑或偏小。
2.7 撰寫綠化調(diào)查報(bào)告與制作綠化現(xiàn)狀影像圖
綠化調(diào)查報(bào)告應(yīng)詳細(xì)說(shuō)明各個(gè)類別的綠化覆蓋面積、總體覆蓋面積以及綠化覆蓋率、綠地覆蓋率，還可以列舉出一些特殊綠地的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并分析行道樹(shù)覆蓋面積的季節(jié)變化以及解譯誤差的情況。此外，還可以根據(jù)需要，對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)的綠化分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)綠化建設(shè)提出一些建設(shè)性的意見(jiàn)。
為了直觀反映調(diào)查區(qū)域的綠化現(xiàn)狀，便于綠化管理和規(guī)劃，還需要將數(shù)字化的航空遙感影像做無(wú)縫拼接，制作出航空遙感現(xiàn)狀圖。
3．應(yīng)用與展望
3.1 在上海市四個(gè)區(qū)的綠化調(diào)查應(yīng)用
上海市第三輪航空遙感綜合調(diào)查始于1999年底，至2000年4月份完成航攝，隨后開(kāi)展數(shù)字化和有關(guān)的應(yīng)用工作。從2000年6月至2001年5月，應(yīng)用上述彩紅外航空遙感方法，上海市航空遙感綜合調(diào)查辦公室已先后為上海市閔行區(qū)、長(zhǎng)寧區(qū)、嘉定建城區(qū)、金山建城區(qū)進(jìn)行了綠化的精細(xì)調(diào)查，并獲得了建設(shè)部和委托調(diào)查方的好評(píng)。閔行區(qū)據(jù)此已經(jīng)申報(bào)并成功獲得國(guó)家園林城區(qū)稱號(hào)，金山區(qū)的申報(bào)工作正在進(jìn)行，長(zhǎng)寧和嘉定依據(jù)調(diào)查的結(jié)果，已經(jīng)就進(jìn)一步提高區(qū)內(nèi)的綠化水平做了詳細(xì)的規(guī)劃。
3.2彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法今后的發(fā)展方向
彩紅外航空遙感綠化調(diào)查雖然目前已經(jīng)發(fā)展到數(shù)字化并與GIS軟件結(jié)合的階段，野外量測(cè)與核對(duì)工作大大減少了，效率、準(zhǔn)確率也大為提高，但是，目前國(guó)內(nèi)外遙感軟件的自動(dòng)分類功能尚不十分完善，尤其是對(duì)于陰影內(nèi)的信息自動(dòng)分類顯得無(wú)能為力。因此，用航空遙感進(jìn)行綠化精細(xì)調(diào)查，下一步應(yīng)該朝著半自動(dòng)提取的方向努力，即結(jié)合人工智能進(jìn)行分類，對(duì)于陰影內(nèi)的綠化必須進(jìn)行人機(jī)交互解譯，這也是實(shí)踐得出的重要經(jīng)驗(yàn)。
4．結(jié)語(yǔ)
城市綠化的精細(xì)調(diào)查能為城市綠化的規(guī)劃和建設(shè)提供直接、重要依據(jù)。本文從植被光譜反射特征的角度論述了采用彩紅外航空遙感手段能夠清晰反映處于不同生長(zhǎng)期的植被信息的優(yōu)點(diǎn)，并從數(shù)字化應(yīng)用的角度進(jìn)一步論證了彩紅外航空遙感數(shù)字化信息用于綠化精細(xì)調(diào)查所具有的精確性、可靠性、高效率、易于更新等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹在實(shí)踐中摸索出來(lái)的數(shù)字化的彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法，已經(jīng)先后為上海的四個(gè)區(qū)（建城區(qū)）進(jìn)行了綠化現(xiàn)狀的精細(xì)調(diào)查，并為創(chuàng)建國(guó)家園林城區(qū)的管理與監(jiān)控做出了貢獻(xiàn)。目前的彩紅外航空遙感綠化調(diào)查方法正朝著半自動(dòng)提取的方向發(fā)展。
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