基于空间体积和叶面积密度的三维绿量复合模型构建研究——以武汉市建成区为例

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在城市化快速发展的进程下,城市生态问题开始逐渐显现,人类开始认识到绿化环境的迫切性和重要性,对城市绿地进行评估分析可以更好的了解城市绿化的质量优劣和生态效益。城市绿地有着不同植被类型和绿化结构,但当前我国与绿地相关的评估标准通常基于二维平面,并不能反映植被的三维空间特征,因此需要利用三维绿量来实现基于三维空间的城市环境质量、绿地特征等评估。目前大尺度下城市三维绿量的相关研究主要局限于二维指标,不能充分表示植被群落结构在垂直空间的分布特征。本研究拟提出一种新的三维绿量量化方法,改善传统平面量反演计算三维绿量的不足,从空间体积出发,由绿化覆盖率转向绿色空间占有量,更加合理地描述植被在三维空间内的分布格局和空间特征。依据武汉城市建设现状,本研究以武汉市三环线内范围作为武汉市建成区研究范围(以下简称武汉市建成区),利用6 m高分辨率遥感数据实现对1 km低分辨率遥感产品的降尺度转换和反演,获取6 m高精度空间分辨率的植被叶面积指数与冠层高度,并利用实测数据验证了转换模型的准确性。进一步对植被叶面积密度和三维体积进行了推演,将城市空间内的植被叶面积与空间体积相结合,从植被的水平方向和垂直方向综合构建了城市三维绿量的量化方法。通过建立完整空间信息的三维绿量复合模型模拟分析了城市、街区、项目三个不同空间尺度下三维绿量的空间特征与影响因素,提出该城市三维绿量模型的潜在应用。经过分析后发现:(1)在不同尺度下三维绿量的量化方式存在差异。在城市尺度下,叶面积密度变化不明显,因此需选取植被体积作为武汉市建成区三维绿量的量化指标,得出武汉市建成区三维绿量共392380605 m~3,平均三维绿量为0.748 m~3/m~2。在街区和项目尺度下,通过叶面积密度和植被体积综合量化了对应的不同用地类型的三维绿量。其中,街区尺度共有植被体积量10416824 m~3,平均植被体积1.008 m~3/m~2,植被叶面积密度共有26708 m~2/m~3,平均叶面积密度0.003 m~2/m~3;项目尺度共有植被体积量912082 m~3,平均植被体积为1.733 m~3/m~2,叶面积密度共有2940 m~2/m~3,平均叶面积密度0.006 m~2/m~3。(2)不同尺度下三维绿量的空间特征细节不同。城市尺度下三维绿量的空间分布主要从城市东西向南北方向扩散,而在街区尺度下三维绿量主要集中在各大公园以及绿化量较高的居住区,在项目尺度下三维绿量则更多的分布在植被种类丰富、围合度强的空间中。(3)不同尺度下三维绿量的影响因素主要为植被和空间两种因素。其中城市尺度下三维绿量主要受植被覆盖度和用地空间体积比例影响较大,街区尺度下影响因素主要为植物的长势和群落层次,而在项目尺度下三维绿量与植被的物种丰富度和种植方式密切相关。(4)三维绿量复合模型的多种潜在应用场景。该模型可以作为三维绿量的量化和分析依据,构建基于三维绿量的相关评价指标,建立三维景观格局指数的指标体系和计算方法,应用于城市绿地空间的演变过程模拟,以及三维空间中城市绿地的多重生态系统服务评估。
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