基于地面调查与遥感调查协同的城市绿地规模和分布研究
——以青岛市为例

李程 张海涛 赵宇豪 俞凌筠

1 研究背景

城市绿地在改善城市生态环境、维护人与自然和谐相处中起着积极的作用。近年来，随着城市绿地建设力度不断加大，总量不断提升，类型不断丰富，城市绿地调查这项基础工作的重要性逐步凸显，是城市绿地系统规划编制的前置环节，是城市绿地建设和管理的科学依据。城市绿地调查内容翔实、数据准确程度直接影响着城市园林绿化的科学发展[1]。城市绿地调查这项基础工作不断创新和发展，其工作方法呈现多元化趋势。

早期对城市绿地调查主要采取人工普查与数学统计分析相结合的方法，数据以大量的报表表示，主要工作方式为野外实地使用仪器，对城市绿地的各类属性进行测量并记录，同时利用专业的制图软件绘成标准地形图，可以保证测量到的地物信息较为精准，但由于城市植被的调查范围广，人工调查方法需花费大量的人力、物力与财力，同时，人工调查具有一定主观性。为解决人工调查结合数理统计分析方法带来的主观性问题，在20世纪80年代初，中国就开始应用航空、航天技术监测城市环境、调查土地资源和应用于规划、管理的尝试[2]，随着时间的推移和技术的进步，在传感设备方面，各类新型技术不断应用于绿地调查中[3]，如通过无人机对厦门鼓浪屿的“莫兰蒂”台风前后植被覆盖情况变化进行研究[4]，在拍摄影像精度方面从最初低分辨率的TM影像逐步转向高分辨率的QuickBird、Worldview影像[5]；在自动提取绿色信息方面，不少学者根据像元的光谱特征提取绿色信息的自动提取技术[6]，如最常用的归一化植被指数（NDVI指数），逐步探索面向对象的多尺度分割提取技术，如目前前沿的基于领域知识构建提取对象典型地物样本库，建立机器深度学习的智能提取技术[7]。在调查内容上除了传统的三绿指标外，还有绿地服务效率[8]、植被对空气[9]、温度[10]影响情况和生态系统演变[11]等。国外在该方面探索更加多样，如通过智能设备自动提取街道三维绿量[12]，各规模绿地对生态系统的影响[13]和通过GIS系统自动比较居住范围内部和外部绿地的使用情况[14]。

表1 遥感调查城市绿地解译标志Tab.1 Interpretation signs of urban green space in remote sensing survey

通过对文献的总结，目前对于城市绿地调查大体上分为遥感调查和地面调查2种方法，地面调查法虽然能准确地测量城市绿地数据，但面对范围较广且分散的城市绿地，测全测准的难度较大；遥感调查法具有时效性强和人工投入少的优势，经过长期的技术创新和经验积累，已经能实现绿色信息的高精度提取，但由于园林绿化的特殊性，遥感调查获得的绿化覆盖数据大于实际绿地数据。对地面调查和遥感调查两种调查方式进行比对研究，探索形成一套基于地面调查与遥感调查协同（以下简称“协同”）的城市绿地调查的技术方法，同时区别于传统土地利用分类，而根据城市用地分类进行解译，为城市园林绿化主管部门进行规划、建设和养护管理时提供方便。

2 城市绿地调查方法研究

2.1 调查内容

通过地面技术和遥感技术可以多维度对城市绿地进行调查，笔者主要对城市绿地规模和分布进行调查。

地面调查应整理和筛选最新的地形图，并在此基础上对一定范围的城市绿地进行补充调查和分类；遥感调查应选择一定区域内影像进行处理，在此基础上，按照《城市绿地分类标准》（CJJ/T 85—2017）规定，城市绿地（G）分为公园绿地（G1）、防护绿地（G2）、广场用地（G3）、附属绿地（XG）和区域绿地（EG）五大类绿地的功能和形态特征进行人工解译和分类（表1）。

2.2 调查方法对比分析

2.2.1 地面调查和遥感调查

1）地面调查主要步骤包括：全野外测量、内业编辑形成地形图、在地形图基础上整理分类城市建设用地和城市绿地；2）遥感调查主要步骤包括：选取合适的遥感影像、对影像进行融合纠正镶嵌、与地形图进行配准、机器和人工提取绿色信息、根据影像图对城市建设用地和城市绿地进行分类。

2.2.2 调查方法优劣势分析

地面调查和遥感调查作为目前主流的2种调查方法，存在各自的优势和劣势（表2），主要从经济性、时效性和准确性上进行分析。

1）经济性方面，与遥感调查相比，地面调查成本较高。以建成区调查为例，在精度要求相同的情况下（比例尺1∶5 000），山东省青岛市市南区地面调查项目费用约3 600元/km2，遥感调查项目费用1 800元/km2。

2）时效性方面，遥感调查可以选取多种传感器拍摄的影像拼接而成，以保证时效性，而地面调查受到仪器设备、天气原因的影响需要较长的时间才能完成，有些区域的城市绿地性质和位置已经发生改变，不能及时更新。

3）准确性方面，在城市绿地调查中最重要的就是准确性，由于园林绿化的特殊性，城市绿化覆盖面积大于城市绿地面积，而遥感调查提取的绿色信息为城市绿化覆盖数据，即使100%提取绿色信息，也无法准确获得城市绿地数据，而且遥感影像存在云层、高层建筑等遮挡，不能准确识别绿色信息；地面调查可以准确测量边界清晰的城市绿地，但大型且边界模糊的城市绿地很难准确测量，同时面对分散、破碎和数量庞大的城市绿地，会出现漏测情况。

2.2.3 两种调查方法误差分析

地面调查法可以精准测量边界清晰的城市绿地，如公园绿地（G1）、防护绿地（G2）、广场用地（G3）；但是对于分布零散的附属绿地（XG）会有漏测现象，同时大型区域绿地（EG）受地形和边界不清晰等影响一般不选择地面测量（表3），因此导致地面调查统计的绿地率比实际偏低。

遥感调查法获得的绿色信息面积为绿化覆盖面积，对于绿化覆盖面积与城市绿地面积基本相同的防护绿地（G3）和区域绿地（EG）可以准确测量，对于绿化覆盖面积可能小于城市绿地面积的公园绿地（G1）和广场用地（G2）[按照《公园设计规范》（CJJ 48—1992）要求，公园绿地植被覆盖面积不得低于65%，广场植被覆盖面积不得低于35%]，需要在绿化覆盖面积的基础上确定公园边界，也可以准确测量；但对于绿化覆盖面积可能大于城市绿地面积的附属绿地（XG）（以道路附属绿地为例：成年单株行道树冠幅约4 m，覆盖面积为12.56 m2，而行道树占地面积仅为1.5 m×1.5 m=2.25 m2），附属绿地占比率比实际偏低；因为附属绿地占城市绿地比例最大，因此导致遥感调查统计的绿地率比实际偏高。

表2 2种城市绿地调查方法优劣势分析Tab.2 Advantages and disadvantages of two methods of urban green space survey

表3 两种城市绿地调查方法与实际误差分析Tab.3 Two methods of urban green space survey and actual errors

1 城市绿地协同调查技术流程Technical process of synergetic urban green space survey

从2种调查方法获得数据与实际情况误差分析中看出，地面调查统计的绿地率比实际偏低，遥感调查统计的绿地率比实际偏高，单独使用一种方法获得的数据均不准确，应将地面调查和遥感调查这2种调查方法相结合，形成一套“协同”的城市绿地调查技术方法。

2.3 基于协同的城市绿地调查方法

“协同”的城市绿地调查方法结合2种调查方式，是将地面调查获得的数据和遥感调查获得的数据互为底图，进行协同校核形成初步城市绿地调查数据，筛选该数据中不能准确识别绿地边界和性质的地块，进行二次地面调查，在此基础上核对修改初步调查，形成最终的城市绿地调查数据（图1）。

2.3.1 地面调查数据与遥感调查数据协同校核

地面调查数据与遥感调查数据各有特点，地面调查“测得准，但测不全”，卫星（遥感）调查数据“测得全，但测不准”，应将2套调查方法所得数据互为底图，协同校核修正，重复验证，形成初步“协同”城市绿地调查数据。当2套数据叠加时，在同一区域，会出现以下情况。

1）该种情况为当遥感影像图和地面测绘图都有数据时，首先判别绿地类型和范围，如果为公园绿地、防护绿地、广场绿地、区域绿地应以遥感数据为准，如果为附属绿地应以遥感数据为参考，能确认边界的，以遥感数据为准，不能确认边界的以地面测绘数据为准；如果无法判断绿地类型或范围，如绿化覆盖率较大的公园从影像图看和防护绿地相似，应采用其他方式确认。大部分为该种情况，可按照遥感影像判别，节省时间和人力。

2）当遥感影像图或地面测绘图只有一种有数据时，应分别讨论。如果只地面调查有数据，说明该区域的绿地被移除了，而地面测绘数据没有及时补充更新，应以遥感调查数据为准；如果只有遥感调查数据，说明该绿地为新建绿地或地面调查时漏掉，应根据遥感影像图判别绿地类型和范围，能确定的在影像图上勾绘，不能确定的应采用其他方式确认。

表4 不同情况下协同校核的处理措施Tab.4 Treatment measures for synergetic verification in different situations

2 3区卫星遥感影像Satellite remote sensing image maps in three areas

3 3区现状用地Current situation maps in three areas

3）当遥感影像图被云层、高层建筑倾斜遮挡，造成该区域无法从影像上判别绿地类型和范围时，应参考地面测绘图，如果地面测绘图有相关数据，且与遥感影像图覆盖区域周边比对后，可以判断数据准确的情况，以地面调查数据为准，如果与遥感影像图覆盖区域周边比对后，仍无法判断数据准确性的情况，应采用其他方式确认；如果地面测绘图没有相关数据，也应采用其他方式确认（表4）。

2.3.2 二次地面调查与校核

在形成初步协同城市绿地调查数据后，依然有无法确认绿地分类和规模情况，应对这些区域进行实地调查，并对初步协同城市绿地调查数据进行补充和修正，形成最终协同城市绿地调查数据。

3 案例分析

3.1 研究样区及数据情况

本研究，在山东省青岛市的市南区、崂山区、黄岛区内，各选出一块4 km×3 km长方形区域作为样本区域，上述区域包含了所有城市建设用地类型和城市绿地类型，分别命名为A区域、B区域、C区域（图2）。

A区域为城市核心区，用地类型较为丰富，包含除工业用地、物流仓储用地外的各类城市用地；卫星影像选择的是worldview-3，分辨率为0.5 m，拍摄时间为2017年9月；测绘数据为2015年7月—2017年3月现状地形图，比例尺为1∶2 000。

B区域为绿地资源丰富的城市新区，绿地面积较大且包含5类城市绿地；卫星影像选择的是worldview-2，分辨率为0.5 m，拍摄时间为2017年8月；测绘数据为2015年7月—2017年3月现状地形图，比例尺为1∶2 000。

C区域为远离城市中心的工业区，工业用地、物流仓储用地、公用设施用地面积较大；卫星影像选择的是quickbird，分辨率为0.5 m，拍摄时间为2017年6月；测绘数据为2015年7月—2017年3月现状地形图，比例尺为1∶2 000。

在选择上述3个区域时，保证其具有《城市建设用地分类与规划建设用地标准》（GB 50137—2011）中的八大类城市建设用地，包括：居住用地、公共管理与公共服务设施用地、商业服务业设施用地、工业用地、物流仓储用地、道路与交通设施用地、公用设施用地和城市绿地和五大类城市绿地（图3）。

4 3区城市绿地分布Distribution of urban green space in three areas

3.2 规模和分布分析

3.2.1 城市绿地分布分析

根据遥感调查、地面调查和协同调查3种方法，对A、B、C 3个区域城市绿地分布情况进行调查分析（图4），同一区域用3种调查方式统计出的公园绿地、防护绿地、广场绿地分布基本相同；附属绿地分布相对较少；区域绿地只在遥感调查和协同调查中有分布。

3.2.2 指标分析

1）3个区绿地率分析。根据遥感调查、地面调查和协同调查3种方法，对A、B、C 3个区域城市绿地分布和规模进行调查分析，得出3个区域绿地率均是遥感调查值最大，地面调查值最小，协同调查值介于二者之间（图5）。

2）A、B、C 3区5类绿地绿地率。从A、B、C 3区公园绿地占比情况可以看出，均是地面调查和协同调查数据相近，且略高于遥感调查数据（图6）。

从A、B、C 3区广场用地占比情况可以看出，均是地面调查和协同调查数据相近，且高于遥感调查数据（图7）。

从A、B、C 3区防护绿地占比情况可以看出，均是遥感调查数据最高，地面调查数据最低，协同调查数据介于二者之间（图8）。

从A、B、C 3区附属绿地占比情况可以看出，均是地面调查和协同调查数据相近，且高于遥感调查数据（图9）。

从A、B、C 3区区域绿地占比情况可以看出，均是遥感调查和协同调查数据相近，地面调查缺失相关数据（图10）。

4 结论

常规单一利用地面调查，有人工投入大、数据不全和时效性差的缺点，利用遥感调查，有与实际数据相比有误差的缺点，笔者提出一种“协同”调查城市绿地规模和分布准确性的调查方法。主要技术流程包括：形成遥感调查数据、形成地面调查数据、地面调查数据与遥感调查数据协同校核；二次地面调查与校核。这种方法能在城市绿地分布和规模调查时，显著提高绿地指标测试的准确性。

以青岛市三区为例，进行的实例分析显示，与前文推导结论相同，利用协同的方法在城市绿地规模和分布方面，尤其是公园绿地、附属绿地上可以提高准确性。未来可以利用这种方法进行绿地系统规划中绿地资源的摸底调查、绿地和绿线管理等。

5 3区3种调查方法的城市绿地率分析Analysis on green space rate under three urban green space survey methods in three areas

6 3区3种调查方法的城市公园绿地占比分析Analysis on the proportion of park green space under three urban green space survey methods in three areas

7 3区3种调查方法的城市广场用地占比分析Analysis on the proportion of square green space under three urban green space survey methods in three areas

8 3区3种调查方法的城市防护绿地占比分析Analysis on the proportion of green buffers under three urban green space survey methods in three areas

9 3区3种调查方法的城市附属绿地占比分析Analysis on the proportion of attached green space under three urban green space survey methods in three areas

10 3区3种调查方法的城市区域绿地占比分析Analysis on the proportion of regional green space under three urban green space survey methods in three areas

5 展望

城市绿地调查作为园林绿化行业的一项重要基础工作，随着技术的不断创新和完善，调查内容丰富性、调查数据准确性和调查方法便捷性将不断提高，笔者通过遥感调查和地面调查方法协同使用，对青岛市城市绿地规模和分布进行调查，提高准确性和时效性。下一步应：1）拓展调查内容，包括各类城市绿地的服务效率、植被属性与群落变化、城市绿地生态效益等；2）进一步研究城市绿地的提取技术，通过更深入地研究AI深度学习技术，提高城市绿地的多尺度分割自动提取技术的准确性，加强城市绿地调查技术创新性和内容完整性。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1、4～9由作者自绘；图2引自worldview-2、worldview-3、quickbird卫星影像；图3根据地形图绘制而成；表1中图片来源为worldview-2卫星拍摄的青岛影像截取的各类城市绿地，分辨率为0.5 m，拍摄时间为2017年8月；数据来源为根据《城市绿地分类标准》和《公园设计规范》内容总结，作者自绘；表2～4由作者自绘。