摘要:綠地是城市生態(tài)資源的重要組成部分，定量評估其時空分布、構(gòu)建多尺度監(jiān)測方法體系，是自然資源管理、生態(tài)文明城市建設(shè)等領(lǐng)域的迫切需求。以城市植被和城市水體為例，從資源的數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)價值3個層次，梳理對比主流的監(jiān)測評價方法，探討這些方法的優(yōu)勢與存在的問題，為我國新時期城市自然資源評估與監(jiān)測提供方法參考。結(jié)果表明:①盡管基于樣方的傳統(tǒng)抽樣方法可獲得城市綠地的數(shù)量信息，但城市綠地高度斑塊化特征限制了樣方結(jié)果尺度推繹;②衛(wèi)星遙感是監(jiān)測城市綠地的有效手段，可準(zhǔn)確獲取綠地空間分布、面積、種類、質(zhì)量變化等信息，但生物量(或蓄積量)、體積等信息需要米級(<5m)遙感數(shù)據(jù)和其他新技術(shù)支持精細(xì)化研究;③無人機(jī)可獲得亞米級(如<5cm)數(shù)據(jù)，滿足精細(xì)化監(jiān)測需求，但受飛行管制、電池續(xù)航能力等限制，數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限，且數(shù)據(jù)拼接等后處理復(fù)雜、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理或反演算法可能不適用于亞米級空間分辨率數(shù)據(jù);④城市綠地對城市熱環(huán)境調(diào)節(jié)功能研究較多，但當(dāng)前100m(及更粗空間分辨率)的熱紅外地表溫度數(shù)據(jù)難以支持綠地蒸騰降溫機(jī)理等精細(xì)化研究。可見，城市綠地的精細(xì)化資源評估與監(jiān)測仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

　　關(guān)鍵詞:自然資源;城市綠地;評估與監(jiān)測;遙感;無人機(jī)

　　0引言

　　城市是人類聚居的重要場所，亦是人類社會發(fā)展水平的重要標(biāo)志。截至2018年，全球55%的人口居住在城市，該比例在2050年預(yù)計將達(dá)到68%[1]，尤其是發(fā)展中國家，正經(jīng)歷不同程度的城市化進(jìn)程。在中國，城市化是目前和未來發(fā)展的基礎(chǔ)與中心任務(wù)[2]。

　　但城市化進(jìn)程在推動社會進(jìn)步與發(fā)展的同時，高強(qiáng)度的人類活動改變了下墊面屬性，不透水建筑等灰色景觀大量增加、自然植被等綠色景觀極大減少，引發(fā)了諸如城市熱島等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，降低了城市環(huán)境的人居質(zhì)量[3-5]。綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，亦是構(gòu)成城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)資源，在提供城市生物棲息地、調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境、豐富城市居民文化等方面發(fā)揮了積極作用[6-9]，是改善城市景觀、提升城市居民健康水平與生活品質(zhì)的重要抓手之一。

　　然而城市用地寸土寸金，城市建設(shè)中通常優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)效益明顯的商業(yè)用地等，擠占綠地空間，減少城市生態(tài)系統(tǒng)的自然組成部分、導(dǎo)致自然生態(tài)功能退化、承載力下降等[5，9]。黨的十八大以來，我國政府高度重視生態(tài)文明建設(shè)、推進(jìn)綠色發(fā)展，提出生態(tài)宜居城市、低碳城市、海綿城市等建設(shè)理念，以期構(gòu)建科學(xué)合理的城市化格局和提升城市品質(zhì)、建設(shè)美麗中國，有效推動了城市綠地的建設(shè)與發(fā)展。我國城市化發(fā)展快速、地域分布廣等特點(diǎn)，決定了該過程必然面臨諸多新問題[10-11]。

　　就資源領(lǐng)域而言，同種資源因管理部門和調(diào)查方法差異，會出現(xiàn)資源評估數(shù)據(jù)不一致等情況，嚴(yán)重影響管理決策。為此，國家調(diào)整組建了自然資源部，以解決山水林田湖草等自然資源的評估與監(jiān)測[12]，面臨的首要問題是如何開展頂層設(shè)計、統(tǒng)一評價與監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)、形成對應(yīng)的技術(shù)體系，準(zhǔn)確獲取各種資源空間布局等基礎(chǔ)資料，服務(wù)于資源保護(hù)與優(yōu)化利用。相比自然生態(tài)系統(tǒng)，城市生態(tài)系統(tǒng)人為干擾程度高，高樓林立、下墊面異質(zhì)性高[13]，綠地呈斑塊化、破碎化分布，增加了評估與監(jiān)測的難度，基于自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的傳統(tǒng)抽樣調(diào)查方法與結(jié)果可能與實際不符[14-15]。

　　為滿足新時期城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求，迫切需要開展精細(xì)化的城市綠地資源監(jiān)測、建立可行的評估方法與監(jiān)測系統(tǒng)，準(zhǔn)確、及時掌握綠地資源的狀況與動態(tài)變化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)城市建設(shè)與管理決策。為此，本文針對國家對城市綠地等自然資源評估與監(jiān)測業(yè)務(wù)需求的緊迫性，以城市綠地中常見的植被和水體為例，從資源的數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)價值3個層次梳理對比主流的監(jiān)測評價方法并分析其優(yōu)勢;在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文作者近期研究成果，討論城市綠地多尺度監(jiān)測與評價方法，為我國新時期城市自然資源管理等工作提供方法支持。

　　1城市植被評估與監(jiān)測方法

　　1.1數(shù)量方面

　　植被數(shù)量評估的傳統(tǒng)方法以樣方調(diào)查為主。理論上，樣方越多、調(diào)查結(jié)果越好(如全面調(diào)查)，但受經(jīng)濟(jì)條件等制約，通常采用抽樣調(diào)查[14]。抽樣調(diào)查的核心問題包括樣方數(shù)量和樣方面積確定[18-19]。最近研究發(fā)現(xiàn)，樣方數(shù)量的多寡明顯影響城市植被調(diào)查結(jié)果[15]，但難點(diǎn)在于確定最佳樣方數(shù)量。類似難點(diǎn)還有確定最佳樣方面積，因為植被群落中的植物種類隨生境面積而變化，只有達(dá)到某個臨界值時(最小面積)，植物種類才趨于飽和[20]。因此，對于喬木、灌木、草本等不同植被類型，采用的抽樣面積變化范圍大(如1～2500m2)[14]。

　　此外，城市綠地植被種類構(gòu)成多是人工配置的結(jié)果，抽樣調(diào)查結(jié)果的代表性也值得商榷。隨著20世紀(jì)下半葉遙感技術(shù)的發(fā)展，從空中監(jiān)測地表成為可能[21-22]，發(fā)展了針對自然生態(tài)系統(tǒng)中森林資源種類判別、面積區(qū)劃的方法等[23-28]。

　　我國從第6次全國森林資源清查開始增加遙感抽樣調(diào)查，以快速、高效地獲取相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評估森林資源[19]。但這些評估方法主要基于中低空間分辨率(<30m)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，難以應(yīng)用于斑塊破碎、面積較小的城市綠地。近20a來高空間分辨率商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的發(fā)展，可提供地表0.5～5m精細(xì)尺度的可見光遙感數(shù)據(jù)[21，29]，城市綠地資源精細(xì)化評估與監(jiān)測成為可能，包括植被種類識別、冠幅大小與數(shù)量等評估[30-33]。尤其是最近的三維激光雷達(dá)，可提取喬木的高度和垂直結(jié)構(gòu)信息，如冠幅、胸徑和樹高、蓄積量/生物量等[34-37]。

　　在高植被覆蓋度的森林區(qū)域，采用定點(diǎn)式激光掃描，以觀測點(diǎn)為圓心360°探測，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，提取各株喬木的三維信息，據(jù)此可獲取樹高、胸徑、蓄積量/生物量等信息，與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)木調(diào)查方法獲取結(jié)果精度相當(dāng)(如胸徑R2=0.99)，且能獲得林分任意樹木的信息及空間位置關(guān)系等，提供更多的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)[35];利用最新研發(fā)的背包式激光雷達(dá)，在行走中探測道路周圍植被的三維信息，根據(jù)點(diǎn)云提取植被相關(guān)信息，無需考慮樣方數(shù)量、樣方面積等問題，有助于調(diào)查斑塊破碎的城市植被，若將該設(shè)備置于車載平臺，可形成車載移動式觀測，具有較好的應(yīng)用前景[38]。

　　1.2生態(tài)功能

　　作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，城市植被具有滯塵、凈化空氣、降溫等生態(tài)功能[39-41]。蒸騰作用貫穿于植被的生活周期，該生理過程需要吸收能量，使植被具有天然的降溫功能。觀測表明，城市植被區(qū)域的溫度比水泥等不透水設(shè)施的溫度低5～20℃[42-46]。

　　考慮到城市獨(dú)特的熱島效應(yīng)[47]及其引發(fā)的高溫?zé)崂说却紊鸀?zāi)害[48-51]嚴(yán)重威脅公眾健康和城市環(huán)境的生態(tài)宜居性，且植被蒸騰及蒸散發(fā)在城市生態(tài)系統(tǒng)中難以定量、研究關(guān)注較少[42-43，52-53]，本文重點(diǎn)探討城市植被蒸騰作用及其降溫功能的評價方法。蒸騰作用受植被生理過程(如氣孔開閉)與外界環(huán)境(如土壤水分含量、大氣溫度與氣流運(yùn)動等)影響，自然生態(tài)系統(tǒng)中植被蒸騰量的精確測算一直是地球系統(tǒng)和全球變化等研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)與難點(diǎn)[21，54-57]。由于組成城市綠地的植被與自然植被差異大(如斑塊破碎程度高、受園林管理措施影響頻繁)，加之城市下墊面異質(zhì)性高、形成獨(dú)特的城市小氣候[13]，適用于自然生態(tài)系統(tǒng)植被蒸騰的測算方法可能失效，增加了城市植被蒸騰量測算的難度，制約了城市綠地降溫功能的準(zhǔn)確量化[44，53]。

　　2城市水體評估與監(jiān)測方法

　　2.1水量評估

　　傳統(tǒng)的水資源數(shù)量評估，以降水、徑流為主要要素，多在流域尺度根據(jù)水量平衡原理開展。若能將城市生態(tài)系統(tǒng)的各水文分量監(jiān)測清楚，可以測算水總量。在僅考慮城市河流、湖泊水庫情況下，具體水量的評估可考慮使用體積描述，即水面面積與水深之積。遙感數(shù)據(jù)測算面積精度非常高、相對容易。

　　此時，僅需獲得水深信息即可。目前數(shù)字高程模型可提供高程信息，如30m空間分辨率的ASTERGDEM，高程精度平均為(7.4±12.7)m。我國最新的高分七號衛(wèi)星可獲取亞米級立體影像，高程精度可望高達(dá)1.5m。為利用高精度遙感信息開展水量評估提供了豐富的數(shù)據(jù)源。基于遙感的水量評估方法，可獲取空間任意位置水量信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水量平衡測算法只能獲取區(qū)域平均值的不足。

　　2.2水質(zhì)評估與監(jiān)測

　　隨著生態(tài)宜居等城市建設(shè)需求，城市水體水質(zhì)成為政府、研究人員與城市居民關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的水質(zhì)評估依賴監(jiān)測斷面定點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，但受到監(jiān)測斷面數(shù)量、采樣頻次等限制，評價結(jié)果通常難以反映水質(zhì)的時空分布信息。遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、快速成像與周期成像的特征，為水質(zhì)時空監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的工具。目前典型的監(jiān)測評估要素包括水溫、葉綠素濃度、總懸浮物、可溶性有機(jī)污染物等[72]。

　　根據(jù)《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，將整治城市黑臭水體2000多個、總長度約5800km，建立城市水質(zhì)監(jiān)測與評估方法必然是治理的重要內(nèi)容之一。本文作者利用30m空間分辨率的Landsat系列數(shù)據(jù)評估廣東省珠海市大鏡山水庫(約1km2)葉綠素濃度時空分布的案例，盡管采用線性回歸算法，卻彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水質(zhì)評估中有限采樣點(diǎn)難以反映水質(zhì)空間分布的不足[73]。考慮到我國中小型水庫(庫容小于106m3)數(shù)量高達(dá)93308座[74]，是未來水質(zhì)與水量監(jiān)測與管理的重點(diǎn)，傳統(tǒng)人工調(diào)查方法難以快速獲取水質(zhì)空間信息、周期更新更難，基于遙感影像的水質(zhì)評估方法可快速、周期性地獲取水質(zhì)時空分布信息，必將發(fā)揮重要作用。

　　水質(zhì)論文范例：焦化行業(yè)廢水水質(zhì)變化影響因素及污染控制

　　3結(jié)論與建議

　　1)盡管基于樣方的傳統(tǒng)抽樣方法可獲得城市綠地的數(shù)量信息，但城市綠地高度斑塊化特征限制了樣方結(jié)果尺度推繹。2)衛(wèi)星遙感是監(jiān)測城市綠地的有效手段，可準(zhǔn)確獲取綠地空間分布、面積、種類、質(zhì)量變化等信息，但生物量(或蓄積量)、體積等信息需要米級(<5m)遙感數(shù)據(jù)和其他新技術(shù)支持精細(xì)化研究。3)無人機(jī)可獲得亞米級(如<5cm)數(shù)據(jù)，滿足精細(xì)化監(jiān)測需求，但受飛行管制、電池續(xù)航能力等限制，數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限，且數(shù)據(jù)拼接等后處理復(fù)雜、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理或反演算法可能不適用于亞米級空間分辨率數(shù)據(jù)。

　　4)城市綠地類型、面積與城市溫度關(guān)系研究較多，但當(dāng)前100m(及更粗空間分辨率)的熱紅外地表溫度數(shù)據(jù)難以支持綠地蒸騰降溫機(jī)理等精細(xì)化研究。可見，城市綠地的精細(xì)化資源評估與監(jiān)測仍面臨諸多挑戰(zhàn)，建議未來加強(qiáng)米級、亞米級遙感數(shù)據(jù)在城市綠地評估與監(jiān)測中的應(yīng)用研究，加強(qiáng)研究多傳感器與無人機(jī)搭載平臺耦合及數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)化流程、研發(fā)適用于城市綠地精細(xì)化管理的反演算法。

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