沈阳市绿地生态信息获取与数据库建设研究

高 畅，石铁矛 ，刘大鹏，周 媛，郗凤明

（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

在全球气候变暖等环境问题的巨大威胁下，城市绿地的生态、经济和社会功能已逐步被人们认可[1]。随着城市化进程的不断加快，绿地在城市生态系统中发挥的作用越来越大，但是绿地的规划与管理手段及方法越来越不适应现代社会的发展。城市绿地的规划与管理涉及方方面面，不仅需要多学科理论支持，更需要多学科的人才协同合作,才能保证城市绿地的合理建设和高效应用[2]。在城市绿地的规划过程中，采用遥感技术与地面调查相结合的方法，利用计算机和地理信息系统（GIS）对城市的各类绿地进行全面地研究和分析，不仅大大提高了研究结果的精确度，而且可以提高工作效率，使城市绿地系统定量化分析成为可能[3-4]。

为了快速获取城市绿地信息，合理地对城市绿地进行规划管理，拟构建一个沈阳市绿地生态信息空间数据库。该数据库以沈阳市地理信息为基础，通过GPS辅助地实地调查和遥感影像（RS）技术来提取绿地信息,然后利用 Microsoft SQL Server 2005、ArcGIS、windows 2003 等软件为平台，采用浏览器/服务器（B/S）的系统构建方式建立而成，以期为绿地系统的规划与管理提供合理的依据和数据支持。

1 研究区概况

沈阳市，位于 41°11′～42°17′N，122°21′～123°48′E（图1），属暖温带季风气候，年均温度7.9℃，年平均降水量727.4 mm。研究区域为三环以内的城区，包括沈河、皇姑、和平、大东、铁西5区和于洪、新城子、东陵3个区的部分区域，总面积约为4.56万hm2，是历届沈阳市规划的核心区域。

2 城市绿地生态信息获取

2.1 数据的来源及预处理

数据源为2005年沈阳三环以内的 Quickbird（QB）影像，以1∶10 000比例的沈阳电子地形图为地理信息源，用于绿地、道路等信息提取。并以2005年的航片数据对云层覆盖区域进行补充，即将航片与QB图像进行对比分析，辅助提取相关特征要素。首先运用ERDAS IMAGE软件先将影像进行几何校正、配准，并与地形图进行图幅拼接、图层叠加，然后运用ArcGIS 9.3对影像进行初步解译，并参照调查样方生成1∶10 000的绿地调研基本底图，用于样方调查。

2.2 影像的解译与分析

影像解译依照中华人民共和国行业标准《城市绿地分类标准（CJJ/T85-2002）》，结合研究区特点，将城市绿地分为5大类，即公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地和耕地，并且根据需要分到了中类和小类共计27个类型。此外，依据植被覆盖类型分为草、灌木、乔木、灌草、乔草、乔灌和乔灌草七类（图2）。应用ArcGIS的空间分析功能对解译结果进行分析，结果表明，沈阳三环以内绿地总面积为4 868.5 hm2，绿地覆盖率为10.67%，与市域范围内的35%（统计年鉴数据）相比，绿地覆盖率低了约25%，绿地数量和质量都有待提高；城区共有公园27个，总面积1 779.10 hm2，占总用地的3.9%。

2.3 样方调查

2.3.1 样方的设置 采用均匀分布的方法，在影像解译图上，按照城市绿地的分布及类型均匀布点，选择74个调查样地，共371个样方。调查样方的规格有3种：20m×20m，40m×40m，20m×80m。

2.3.2 样方调查内容 对每个样方进行GPS定位记录及编号，与解译后的影像比对，以获取准确的绿地生态信息。主要调查样方内的植被和群落特征。植被调查包括对样方内的树木进行每木检尺（即对样方内的每株树木进行实测），记载树种名称、地径、胸径、健康状况、树高、枝下高等内容；对样方内的草本植物，记录植物名称，并记录植物的分布比例。群落调查主要是按照群落学的常规调查方法，对每个样方内的群落层次分布、垂直结构和郁闭度等进行调查并记录[5]。

2.3.3 数据的处理与分析 （1）植被信息数据处理与分析。将所调查样方内的树种数据综合，获得样方内每个树种（乔木、灌木）的平均胸径，健康状况，树高，冠高，冠幅等，以及树种在不同绿地类型中的分布数量，统计乔灌草覆盖状况和不同类型绿地面积及其所占比例；对各样方内的草本按小样方统计，获得整个城区的草本植物种数和盖度的分布。（2）生态信息数据处理与分析。在建设低碳城市的当下，绿地系统中的传统指标如绿地率、覆盖率、人均绿地面积等已不能准确地反映出绿地生态功能。城市绿地生态功能中的固碳释氧能力对城市碳氧平衡起着重要作用[6]。陈自新等[7]以建成区园林植物普查、绿量以及生态效益量化的研究数据为基础，对城市园林绿地维持碳氧平衡等生态功能进行初步经济评价。韩焕金[8]对哈尔滨市常见的8种树种的固碳释氧量进行比较，并对每个树种在整个生长季固碳释氧量的趋势进行了分析，为城市绿化树种选择、配置提供了依据。因此，在调查获得传统数量指标的基础上，通过计算，获取城市绿地的固碳、释氧、吸收二氧化硫和滞尘的生态功能，为城市绿地的规划管理提供便利与数据支持。根据样方调查结果，利用Nowak[9]的城市树木叶面积回归模型（单株植物叶面积的求算法）进行沈阳市城市绿地生态功能分析，计算公式如下：

式中：Y为总叶面积（m2）；H为树冠高（m）；D为树冠直径（m）；Sh为遮荫系数[8]。

以此为依据计算出单株植物的固碳、释氧、吸收二氧化硫和滞尘量，推算样方总量，并以样方推算样地的方法得出每块绿地斑块的总量以及整个城市绿地的固碳、释氧、吸收二氧化硫和降尘总量，以提高城市绿地生态信息数据库的丰富度和实用性。

3 沈阳市绿地信息空间数据库建设

3.1 数据库开发平台与系统数据类型

3.1.1 数据库开发平台 为保证能够准确地完成数据组织、录入、分析以及信息系统的研制开发，确保项目技术路线的可行性和科学性，充分考虑了周期、费用、人员等诸多因素，确定 windows 2003作为操作系统平台；采用Microsoft SQL Server 2005为数据库管理系统的标准语言；选择ArcGIS作服务平台；以Microsoft的C#作为系统的编程语言；以浏览器/服务器（B/S）的系统构建方式初步建成数据库的基本框架（图3）。

3.1.2 数据库系统数据类型 沈阳市绿地生态信息类型主要包括图形信息、属性信息以及相互空间关系信息。图形信息按其几何特征可以抽象地分为点、线、面和体四种类型；属性信息是指目标或实体特定的质量或数量特征；空间关系是指各个实体或目标之间在空间上相互联系和相互制约关系，包括位置关系、几何关系、拓扑关系、逻辑关系等。根据系统的需求，系统中的数据主要分为三类：空间数据、管理数据和专题信息[10]。

3.2 数据库要求

为便于计算机和系统用户的灵活调用、更新及管理，需合理组织空间数据与属性数据。只有合理的存储与管理，才能保障系统正常运作。因此，在数据库的设计与建设过程中有以下几点要求：

3.2.1 数据规范化 数据库分为空间数据和非空

间数据两大部分，空间数据包括栅格数据和矢量数据，矢量数据采用Shapefile格式，栅格数据采用Grid格式，空间数据投影方式为Transverse_Mercator投影。

3.2.2 数据的分类与分层 数据库中存有大量的数据，为提高检索查询速度，需将具有相同几何特征和相同属性特征的各类数据进行分类与分层。为了便于数据库信息的输入，以每一个用地类型为单位，分别导成不同的Shapefile图层，数据图层中必须包含地物的绝对位置信息，即经、纬度，格式为以度为单位的双精度类型。

3.2.3 数据统一编码 将空间要素进行归类后，根据编码方法和原则，按不同类型给每一空间实体赋予唯一标识码，属性数据和空间数据之间相互对应。

3.3 数据库功能

数据库的功能除了一般地图管理系统所具有的对地图的控制、浏览、编辑、出图等基本功能外，还具有GIS系统特有的空间查询和空间统计分析功能，提供遥感数据显示控制功能，以及与其他GIS数据的转换功能，并有丰富的专题图，供使用者根据不同情况挑选所需专题图。

3.3.1 地图管理功能 该系统能够实现地图打开、导入导出、备份、打印等地图管理功能，支持遥感影像数据（栅格数据）和各种地图数据（矢量数据）多种格式的导入和导出功能。

3.3.2 地图基本操作功能 可以实现对地图的选择、放大、缩小、漫游、定位、全幅显示、显示鹰眼图等操作，是整个系统的基础支持模块。

3.3.3 查询功能 提供空间查询、属性查询、属性数据关联查询检索、空间与属性复合查询功能等。

3.3.4 统计功能 本系统可以根据用户选择统计类型、年份和行政单位来制作用户需要的统计表，如各类绿地面积统计表、分区绿地指标统计表等。

3.3.5 专题图定制功能 提供了范围图、单值图、点密度图、等级符号图、统计图、标签图六大类的常用专题图制图模式。丰富的专题图种类方便了用户对专题信息的显示定制，并提供图例的编辑显示功能。

3.3.6 绿地系统空间分析功能 提供了叠加分析、缓冲区分析、网络分析、量算分析、生态功能分析等多种空间分析方法，辅助用户进行城市绿地规划、管理工作。

4 数据库统计分析及空间分析示例

运用数据库空间-属性复合查询功能，对沈阳市绿地进行分类查询统计，可得出沈阳市三环以内各类绿地的面积、所占比例、植被类型、生态功能（以固碳、释氧、滞尘、吸收二氧化硫为例）等，并可根据统计分析结果得出生态功能的空间分布（表1）。此外，在以上统计分析的基础上，运用专题图定制功能，可以获得绿地生态功能空间分布专题图（图4），直观反映了各绿地斑块的固碳、释氧、滞尘和吸收二氧化硫能力的大小以及空间分布状态。

表1 不同类型沈阳市绿地生态功能分析

图4 沈阳市绿地生态功能及其空间分布

5 讨论

绿地系统生态信息数据库的开发，是根据当前城市绿地系统信息化管理存在的不足在利用遥感技术快速、准确掌握城市绿地分布信息方面的一个全新探索。通过RS、GIS等技术结合实地调查的方法进行城市绿地调查，提供了城市绿地现状的专题图和相关数据。采用遥感数据进行绿地信息的分类，可全面地掌握调查范围内的绿地生态信息，同时可以使用数据、图像和图形三种形式来定性、定量描述城市绿地的现状，丰富了调查的内容，为城市绿地系统的可持续发展、管理与监控提供了辅助性的基础资料。基于ArcGIS平台建立的数据库可以为城市绿化管理和历史数据整合提供帮助,加强了数据结果的直观性和可靠性，能够客观、准确地进行城市绿化现状评价。数据库建成使用结果表明：系统效率高，稳定性好，用户界面友好，易于操作，可扩展性强，能有效地管理不断变化的城市绿地系统的空间和属性数据。由于地面各种现象的复杂性，今后在城市绿地信息提取过程中还需进一步研究人机交互的提取方式，以达到快速、精确的目的。

[1] 刘滨谊，王 鹏.绿地生态网络规划的发展历程与中国研究前沿[J].中国园林，2010，（3）：1-5.

[2] 姜允芳，刘滨谊，石铁矛.城市绿地系统多学科的协作研究[J].城市问题，2009，（2）：27-31.

[3] 欧阳华，王政权，王群力，等译.生态系统——平衡与管理的科学[M].北京：中国科学出版社，2002.179-185.

[4] Jana R，Reshmidevi T V，Arun P S，et al.An Enhanced Technique in Construction of the Discrete Drainage Network from Low-resolution Spatial Database[J].Computers&Geosciences，2007，（33）：717-727.

[5] 刘长富，何兴元，陈 玮，等.森林三维绿量模拟及其影响因子[J].应用生态学报，2008，19（6）：1173-1178.

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[10] 栾 猛，张 欣，王松华.遥感在城市绿地调查中的应用[J].安徽农业科学，2009，（28）：13815-13818，13821.