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一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法

阅读：204发布：2021-02-21

IPRDB可以提供一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法，包括如下步骤：步骤1)提取单株立木识别与冠层结构信息；步骤2)基于多光谱影像反演叶面积指数，构建冠层空间结构-生态因子回归模型；步骤3)根据植被蒸腾效益扩散过程计算模型，分别计算间隔0.5m的连续高度层面上的绿辐射受益面积之和，绘制三维绿度空间曲线，并基于曲线获得绿辐射峰、绿辐射峰高度、绿辐射范围以及绿辐射集中受益范围等多项评价参数；步骤4)计算并绘制间隔0.5m的连续高度层面上的三维建筑物配置曲线；步骤5)将三维绿度空间曲线与反映各个高度上建筑面积之和的三维建筑物曲线绘制于同一数据框内，获得绿度空间配置曲线，服务于城市绿度空间评价。，下面是一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法，该曲线的构建过程包括如下步骤：步骤1)基于机载激光雷达数据与高分辨率航空影像，进行单株立木识别与冠层结构信息提取，其中冠层结构信息主要包括树顶坐标、树高、树冠投影边界、冠层最大横截面积、冠径、冠高、树冠体积等，进而绘制城市范围内的植被三维分布信息；

步骤2)基于多光谱影像反演叶面积指数，并结合步骤1)所得树冠体积计算结果，分析二者间相关系数，构建冠层空间结构-生态因子回归模型；

步骤3)根据植被蒸腾效益扩散过程计算模型，获得城市绿辐射受益量分布图，借助生态效益源构建方法，分别计算间隔0.5m的连续高度层面上的绿辐射受益面积之和，经由正态分布曲线拟合，绘制三维绿度空间曲线，并基于曲线获得绿辐射峰、绿辐射峰高度、绿辐射范围以及绿辐射集中受益范围等多项评价参数；

步骤4)使用步骤3)生成的建筑物平均高度、投影面积和体积等参数，分别计算并绘制间隔0.5m的连续高度层面上的三维建筑物配置曲线；

步骤5)将三维绿度空间曲线与反映各个高度上建筑面积之和的三维建筑物曲线绘制于同一数据框内，获得三维配置曲线，通过分析该曲线的形态走势、线下面积与交点情况，衍生出一系列评价统计参数(绿辐射匮乏层、绿辐射饱和层、绿辐射平衡点、绿度空间有效服务比)，服务于城市绿度空间评价。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)的具体方法为：

a)采用面向对象分类法，生成植被二值掩膜图像；b)将二维植被分布信息与数字高度模型做叠加，构建树冠高度模型；c)在树冠高度模型基础上，开展树顶检测、树冠投影边界识别以及树冠体积计算等信息提取步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体方法为：

a)首先对PROSAIL模型参数进行敏感性分析；b)通过敏感性分析结果以及植被参数实地测量确定模型的可变参数和固定参数，进而构建研究区植被叶面积反演的查找表；c)最后使用成本函数最小化方法搜索查找表进行植被叶面积指数反演；d)对叶面积指数反演结果与树冠体积计算结果进行回归分析，获得二者的回归方程式。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)的具体方法为：

a)基于步骤2)所得冠层空间结构-生态因子回归模型，构建植被生态效益源；b)根据植被蒸腾作用的扩散与衰减规律，估算植被水平蒸散梯度；c)使用步骤1)获得的数字高度模型与植被掩膜图像，进行建筑物三维特征参数提取；d)基于上述步骤所得参数，构建模拟植被蒸散效应的计算模型。

说明书全文

一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法，本发明能够从城市绿度空间的三维垂直布局出发，量化建筑物与其邻接绿度空间的配置关系，准确度量居民与城市绿地的接触概率。

背景技术

[0002] 我国城市化我国正处于快速城镇化进程中，随着城镇化建设的快速推进，城市环境问题日益突出。快速城市化导致了空气污染蔓延、城市热岛效应加剧、水环境恶化、生物多样性丧失等一系列环境问题，同时还引发城市核心地区土地资源紧张、功能区结构矛盾等社会问题，对维持区域生态平衡和城市可持续发展造成极大挑战。伴随着城市化进程的加快，加之城市生态环境问题的日益突出，人们已越来越认识到城市绿地对城市生态环境和城市人居环境的重要价值，城市居民对城市生活环境质量要求也越来越高。

[0003] 为准确描述城市绿地空间分布以及城市居民接触城市绿地概率上的差异，一些学者尝试建立城市绿地与城市居民间的关系模型。Ainura Nazarkulova参考地理建模空间分析方法，利用格网法对绿地类型加权生成不同植被指数，并选取城市主要居民点做缓冲区分析，分别计算环绕其周围间隔200m的所有环状缓冲区覆盖的绿地面积大小，从而得到指定位置可以享受到的绿色空间总量。李小江基于LiDAR数据和多光谱数据建立了每个单体建筑物与其周围绿度空间的接触模型，构建一系列城市绿度空间指数用于城市绿度空间研究。

[0004] 但传统度量方法对于绿色空间生态效益的评估往往限于定性的描述，并不能准确的描述绿度空间的生态效益，对于城市绿地在改善城市环境中的作用也只停留在感性的认识层面，对于城市绿地的生态效应更无宏观层面上的量化的评价标准。

[0005] 鉴于以上，本发明提出三维绿度空间曲线、绿度空间与建筑物三维配置曲线评价模型。通过城市建筑物与其邻接绿度空间的配置关系来评价人与绿地接触的概率，以及接触概率的空间分布，以期为环境规划、城市绿化、环境保护和城市精细化管理提供参考依据。

发明内容

[0006] 本发明提出一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法，用于客观定量评价建筑物与其邻接绿度空间的配置关系，以及居民与绿地的接触概率。

[0007] 本发明的目的通过以下技术步骤实现：

[0008] 步骤1)基于机载激光雷达数据与高分辨率航空影像，进行单株立木识别与冠层结构信息提取，其中冠层结构信息主要包括树顶坐标、树高、树冠投影边界、冠层最大横截面积、冠径、冠高、树冠体积等，进而绘制城市范围内的植被三维分布信息；

[0009] 步骤2)基于多光谱影像反演叶面积指数，并结合步骤1)所得树冠体积计算结果，分析二者间相关系数，构建冠层空间结构-生态因子回归模型；

[0010] 步骤3)根据植被蒸腾效益扩散过程计算模型，获得城市绿辐射受益量分布图，借助生态效益源构建方法，分别计算间隔0.5m的连续高度层面上的绿辐射受益面积之和，经由正态分布曲线拟合，绘制三维绿度空间曲线，并基于曲线获得绿辐射峰、绿辐射峰高度、绿辐射范围以及绿辐射集中受益范围等多项评价参数；

[0011] 步骤4)使用步骤3)生成的建筑物平均高度、投影面积和体积等参数，分别计算并绘制间隔0.5m的连续高度层面上的三维建筑物配置曲线；

[0012] 步骤5)将三维绿度空间曲线与反映各个高度上建筑面积之和的三维建筑物曲线绘制于同一数据框内，获得三维配置曲线，通过分析该曲线的形态走势、线下面积与交点情况，衍生出一系列评价统计参数(绿辐射匮乏层、绿辐射饱和层、绿辐射平衡点、绿度空间有效服务比)，服务于城市绿度空间评价。

[0013] 进一步所述步骤1)的具体方法为：

[0014] a)采用面向对象分类法，生成植被二值掩膜图像；b)将二维植被分布信息与数字高度模型做叠加，构建树冠高度模型；c)在树冠高度模型基础上，开展树顶检测、树冠投影边界识别以及树冠体积计算等信息提取步骤。

[0015] 进一步所述步骤2)的具体方法为：

[0016] a)首先对PROSAIL模型参数进行敏感性分析；b)通过敏感性分析结果以及植被参数实地测量确定模型的可变参数和固定参数，进而构建研究区植被叶面积反演的查找表；c)最后使用成本函数最小化方法搜索查找表进行植被叶面积指数反演；d)对叶面积指数反演结果与树冠体积计算结果进行回归分析，获得二者的回归方程式。

[0017] 进一步所述步骤3)的具体方法为：

[0018] a)基于步骤2)所得冠层空间结构-生态因子回归模型，构建植被生态效益源；b)根据植被蒸腾作用的扩散与衰减规律，估算植被水平蒸散梯度；c)使用步骤1)获得的数字高度模型与植被掩膜图像，进行建筑物三维特征参数提取；d)基于上述步骤所得参数，构建模拟植被蒸散效应的计算模型。

附图说明

[0019] 图1为三维绿度空间曲线；

[0020] 图2为绿度空间与建筑物三维配置曲线(住宅区)；

[0021] 图3为绿度空间与建筑物三维配置曲线(商业区)；

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明“一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法”作进一步说明。

[0023] (一)植被三维分布信息提取

[0024] 进行植被三维结构信息提取所需的数据源均为遥感数据，且全过程均可以自动化实现。具体计算步骤如下：

[0025] 1)在数字地面模型的基础上滤除非植被信息，获得植被二值掩膜图像，将其叠加至数字高度模型，获得树冠高度模型；

[0026] 2)基于活动窗口的局部最大值搜索法，从树冠高度模型中提取研究区范围内单株立木的树顶位置及其高度；

[0027] 3)为获得诸如树高、冠层高度、树冠体积等结构参数，需要在树顶检测结果基础之上进行树冠投影边界识别，此处采用伞骨算法识别树冠投影边界；

[0028] 4)最后，借助树冠最大横截面积与冠高比信息，估算椭球形树冠体积，获得单体树冠体积分布图。

[0029] (二)冠层空间结构-生态因子回归模型

[0030] 首先采用冠层辐射传输模型SAIL的耦合模型PROSAIL反演叶面积指数，通过分析叶面积指数与树冠体积的相关性，构建冠层空间结构-生态因子回归模型。具体计算过程如下：

[0031] 1)通过对模型生理生化参数的敏感性进行分析，从而确定对冠层光谱反射率影响较为敏感的参数；

[0032] 2)影响冠层光谱反射率的变动参数包括叶面积指数、平均叶倾角、叶绿素含量、胡萝卜素素含量、等效水厚度和叶片干物质，将各个参数的变动值和固定值代入到PROSAIL模型中来模拟冠层光谱反射率，建立冠层叶面积指数查找表；

[0033] 3)根据大气校正后的多光谱影像反射率，在查找表中获取对应的冠层反射率，并以代价函数最小时对应的叶面积指数作为该像元模拟的叶面积指数；

[0034] 4)利用叶面积反演结果绘制树冠体积与叶面积指数散点图，并对其尝试多种线性和非线性回归分析，最终确定适合的冠层空间结构-生态因子回归模型。

[0035] (三)三维绿度空间曲线

[0036] 三维绿度空间曲线是由绿辐射受益量计算结果衍生出的一条用于客观描述城市绿化空间分布的曲线。其中，绿辐射受益量的计算过程如下：

[0037] 1)将单株立木的树冠体积值与LAI反演量相结合，利用微积分定理，构建植被生态效益源，用于量化冠层叶面积垂直分布数量；

[0038] 2)城市绿度空间由生态效益源和绿辐射空间两部分构成，其中绿辐射空间是指生态效益源向外辐射释放的、对城市环境具有积极影响的环境因子在三维地域空间网格内的含量及分布规模，多采用仪器测定法获得植被蒸腾作用的扩散与衰减特征，进而估算得出植被水平蒸散梯度；

[0039] 3)城市建筑物具有一定高程，因而很容易借助高程阈值从滤除植被信息的掩膜图像中提取建筑物，后经相关几何计算，获得单体建筑物的位置、体积等三维信息；

[0040] 4)将上述步骤所得参数代入植被蒸腾效益扩散过程计算模型，生成一系列以0.5m为间隔的不同高度层上的绿辐射受益总量。

[0041] 将连续高度层上的绿辐射受益总量绘制在二维坐标轴下，即获得三维绿度空间曲线，如图1所示，其中X轴表示高度，Y轴表示面积。不同区域的绿化格局会生成不同的曲线形态，鉴于该曲线的对称性形如正态分布曲线，故在此使用正态分布函数对其进行拟合，得到拟合函数如下：

[0042]

[0043] 式中，a＝5.327×105，μ＝9.552，σ＝4.303。

[0044] 正态分布由参数μ和σ唯一确定。为规范描述曲线形态使其内部间可作对比，特规定如下参数：

[0045] 1)绿辐射峰：指绿辐射受益面积可以达到的最大值，用Smax表示，主要用于表征区域整体绿度空间的绿辐射能力；

[0046] 2)绿辐射峰高度：指到达绿辐射受益面积最大值时所位于的高度面，用μ表示，其值可以体现区域空间集中享受绿辐射的高度位置，其余高度面的绿辐射受益量将从此处开始对称衰减；

[0047] 3)绿辐射范围：指能够直接享受到因城市绿化所带来的生态效益的垂直高度差，用Δh表示，体现了该城市绿度空间在高度维上的实际影响水平。计算方式为Δh＝hmax-hmin。其中，hmin表示绿辐射发生的起始高度，hmax表示终止高度；

[0048] 4)绿辐射集中受益范围：指对称分布在绿辐射峰高度附近，且绿辐射受益量累计之和达总量68.27％的高度范围，即区间[μ-σ，μ+σ]，用于强调城市绿度空间辐射分布概率或集中或离散的特性。

[0049] 三维绿度空间曲线着重用于描绘绿辐射受益量在垂直向上的数量差异。

[0050] (四)三维建筑物配置曲线

[0051] 三维建筑物配置曲线的绘制过程与三维绿度空间曲线近似，首先基于建筑物三维信息生成一系列以0.5m为间隔的不同高度层上的建筑物面积总和，再将其绘制在X轴表示高度、Y轴表示面积的平面直角坐标系下，最终得到三维建筑物配置曲线；

[0052] (五)绿度空间与建筑物三维配置曲线

[0053] 绿度空间与建筑物三维配置曲线将三维绿度空间曲线与反映各个高度上建筑面积之和的三维建筑物曲线绘制在同一数据框内，图2与图3分别代表住宅区和商业区的三维配置曲线。两条非封闭的二维曲线相交，会产生若干交点(此处仅讨论交点为0-2个的可能，绝大多数实际情况也如此)，分别对其向下引垂线，可将三维建筑物曲线所围线下面积划分成三个区域。本发明将分别赋予这三个区域、两个交点不同的评价含义：

[0054] 1)绿辐射匮乏层：即图中黄色虚线围成区域。指在此高度范围内，绿辐射空间总量并未达到建筑群的分布总量，尚不足以满足城市居民对舒适生活环境的要求。绿辐射匮乏层可能存在于城市的整体空间，表明该地区的绿化率极低、绿化效果极差；也可能仅存在于个别高度阶段，通常出现在“近地低空”和“建筑高空”，因为这两处高度位置易受到树木生长情况或城区规划管理的限制；

[0055] 2)绿辐射饱和层：即图中蓝色虚线围成区域，表示处于此高度区间的建筑层与其邻接绿度空间的概率更大，居民可以享受到较为充足的绿辐射，绿度空间与建筑物的空间配比也更合理；

[0056] 3)绿辐射平衡点：分别用红色和黑色圆圈标识。随着高度的增加，代表城市绿度空间的抛物线会与呈递减趋势的建筑物曲线相交生成若干交点，本发明定义低于绿辐射峰高度的交点为“绿辐射增长平衡点”，高于其的交点为“绿辐射衰减平衡点”。绿辐射平衡点是划分绿辐射匮乏层与饱和层的重要参数指标，对于交点有2个的情况，二者高度差越大，表明绿辐射受益面积越广，该城市建筑群接触绿度空间的概率就越大，反之，结果相反；对于只有“绿辐射增长平衡点”的情况，说明区域绿度空间的垂直分布结构已经可以满足高层建筑的绿化需求；对于无交点情况，意味着区内建筑群全部位于绿辐射匮乏层，亟待开展城市绿度空间的布局优化措施；

[0057] 4)绿度空间有效服务比：指三维绿度空间曲线线下面积与三维建筑物曲线线下面积的重合面积占三维绿度空间曲线线下总面积的比例，其值可从一定程度上反映出城市绿化垂直结构的有效空间利用率及其与建筑群高度配置的合理性，防止因绿化结构单一而造成的资源浪费。

[0058] 绿度空间与建筑物三维配置曲线的多维信息展现，可全方位定量评价人与绿地接触的概率，以及接触概率的空间分布。

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一种用于评价城市绿化三维布局的绿度空间配置曲线构建方法

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