基于植被群落特征的大型公共绿地环境效益制图方法

 

摘要：大型公共绿地的环境效益是绿地作为人居环境绿色基础设施的重要价值，也是近年来绿地规划设计建设的研究重点之一。在植被群落尺度进行环境效益的制图分析技术是改善绿地环境效益的重要技术手段。然而，由于缺乏快速获取植被群落环境效益的手段和大型绿地环境效益空间映射方法框架，制图技术往往难以对场地设计层面进行深度指导并帮助决策优化。

采用基于植被群落特征的环境效益评价方法，结合WorldView-3高分辨率遥感影像和地面激光雷达空间数据采集技术，提取绿地的植被类型分布和植被群落特征信息，进而评价碳封存、雨洪调蓄、空气净化、气候调节4个绿地环境效益目标，并进行了空间映射制图和分析。结果显示，基于植被群落特征的环境效益制图技术能够揭示大型公共绿地在植被群落尺度的环境效益空间分布特征，展现不同植物景观区环境效益的异质性。该方法为规划设计提供了更为详细的环境效益量化依据，为大型公共绿地植物景观的环境效益优化提供了高效实用的评价技术。

 

城市公共绿地对于城市环境具有显著的促进作用，能够缓解城市热岛[1]、空气污染[2-4]等一系列的“城市病”。目前公共政策越发重视城市公共绿地所提供的环境改善方面的生态系统服务[5-7]，并希望通过改善绿地的环境效益提升人居环境的生态宜居能力。生态系统服务制图是识别和分析绿地的生态系统服务并将相关研究成果应用于风景园林规划和设计的主要途径[8-9]。

综合性的生态系统服务制图研究重点仍是以土地利用类型作为基本制图单元[8]，将景观格局层面的生态过程机制和土地利用类型当量作为生态系统服务供给的主要途径，很少有研究对公园内部的生态系统服务异质性进行制图评价[8]。因此，生态系统服务制图技术难以应用于面向规划设计的植被群落尺度。

 

城市公共绿地不应被视为同质单元。特别是随着城市生态修复的推进，越来越多的大型公共绿地成为综合生态修复工程的重要组成部分，而大型公共绿地的环境效益在绿地内部具有差异，这种差异主要体现在植被群落尺度。一方面，早已有研究证实了不同类型植被群落由于物种组成、群落空间结构、植被状况等生物物理特性所导致的环境效益差异[10-13]，且利用群落尺度的植被特征判断环境效益的研究也已积累了相当多的成果[10,14-15]，并建立了特征与效益的循证评估框架[16]。

另一方面，以植被群落特征为参数的制图评价方法对绿地设计而言具有很强的参考价值，植物种类选择、群落种植模式、群落空间结构等设计要素都会对植被群落特征产生影响。然而，由于植物作为生物材料在不同区域和时间上所展现的差异性，不同植被群落的环境效益研究成果难以进行普适性推广，因此现场特征数据的采集成为环境效益制图的必要步骤；植被群落特征主要来源于单木尺度的参数，因此在植被群落层面进行大型公共绿地的环境效益制图需要先进行大规模单木数据采集和分析。上述原因导致以植被群落特征为依据的研究成果尚未广泛用于评价环境效益的制图应用。

 

目前在群落尺度进行城市公共绿地的植被环境效益制图研究主要分为以下3个发展方向。

 

1）采用精细化的方法对当地的植被环境效益进行大量实证研究，并结合梯级尺度间的参数耦合映射到更大的空间范围。目前已有针对绿地植被的固碳[17]、气候调节[18]、噪声改善[19]等单个环境效益的制图研究采用这种方法，对植被群落特征和产生的环境效益进行了深入的现场调查研究，但评价方法的时间和物质成本无法估计，较适用于小型绿地或单一效益的精细化评价，难以作为制图手段对大型绿地的植被进行综合制图评价。

 

2）采用普适性植被效益当量和空间植被分类底图结合的方法进行空间制图研究。已有研究对荷兰鹿特丹城市区域[20]、中国深圳市[3]、葡萄牙阿尔马达市的大型公园[21]等城市或大型公共绿地的植被环境效益进行了综合制图和评估。该方法能够快速地采用公共数据库替代指标的方式量化植被群落的环境效益，具有较高的评价效率，但正如上文所提及的，植被群落尺度的差异往往在公共数据的引用过程中被忽视，削弱了制图技术对研究对象独特性的表达能力。

 

3）采用植被遥感光学特征反演的方法，采用高分辨率的遥感影像对群落尺度的植被环境效益进行制图。该方法对于大范围的绿地环境效益具有高效的空间映射和评价能力，例如通过植被指数评价绿地的固碳能力[22]、雨洪调节能力[23]、降温能力[24]以及综合效益[25]，但这种方法常用于宏观尺度的植被环境效益评价，且由于植被指数受到多个植被群落特征的影响，在群落尺度缺乏解释度，难以直观地应用于群落尺度的规划设计辅助决策过程。

 

综上所述，群落尺度的植被环境效益制图主要面临现场植被群落数据采集效率和评价规模之间的权衡，传统的数据采集手段和研究方法虽然无法应对大型绿地的数据采集量，但能够得出差异性更强的评价结果，从而更好地识别效益在空间上的差异；而对于能够快速获取的数据和效益参数（例如公共数据库、遥感影像），则更适合建立综合性和时效性强的评价体系，尽管其可能减弱评价结果在群落尺度的解析能力。随着景观绩效评价、城市体检等公共需求将绿地环境效益评估技术从学术研究引领至公共决策的实践层面[26]，群落尺度的植被环境效益高效制图也逐渐成为当下具有实践意义的研究领域。

 

 

近年来，高精度遥感卫星、无人机倾斜摄影和激光雷达等高效数据采集技术为植被群落特征的大规模采集提供了更多可能性[27-33]，对于以植被群落特征为依据的环境效益制图和评价产生了积极的促进作用。有研究尝试采用激光雷达数据对小范围的城市绿地进行植被环境效益评价[34]，或者采用高分辨率遥感数据对单木和群落级别的植被特征参数进行解译和归纳，但尚未搭建出用高精度数据集对大型城市公共绿地的综合环境效益进行空间映射制图的方法框架。

 

为了实现大型城市公共绿地植被的环境效益在群落尺度的空间映射制图，笔者使用了高分辨率的卫星遥感影像和地基激光雷达2种高精度的大规模植被群落特征采集手段，弥合群落和大型绿地之间的尺度差距。

 

结合基于植被群落特征的环境效益评价指标，建立整合遥感分类和群落特征的综合植被环境效益制图方法，用于实现大型城市公共绿地环境效益制图，进行绿地的环境效益服务评价。本研究设定了2个具体目标：

 

1）根据城市公共绿地的植被群落特征，选取适当的方法和数据构建完善的环境效益制图技术路线；

 

2）结合具体案例探索该方法在环境效益制图上的应用优势和特点。