童 鳴 佘江峰

（南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

0.引言

隨著城市化進(jìn)程加快，綠化建設(shè)已經(jīng)成為提升城市環(huán)境質(zhì)量的重要一環(huán)，綠色植被能有效緩解空氣污染、噪音污染、熱島效應(yīng)[1,2]等環(huán)境問(wèn)題。街道作為城市居民活動(dòng)的主要場(chǎng)所，其綠化水平的高低能一定程度上提升居民的步行體驗(yàn)和身心健康[3]。前人對(duì)于城市綠化水平的評(píng)價(jià)一般通過(guò)遙感影像提取植被覆蓋度[4]獲得，但這種評(píng)價(jià)方法基于俯視視角，僅能反映街道的水平綠化程度，與行人對(duì)街道綠化的感受有較大差異。而“綠視率”（Green View Index, GVI）指標(biāo)可以從行人視角量度街道綠化水平，使得對(duì)城市街道綠化的評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近人類感受，成為街道綠化評(píng)價(jià)的新興方法。

傳統(tǒng)綠視率測(cè)量方法使用圖像處理軟件，人工提取街道現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片中的植被像素，計(jì)算出綠色植被的比例[5,6]。這種方法精度較高，但數(shù)據(jù)獲取和綠視率計(jì)算過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且研究區(qū)域局限于較小范圍。隨著街景圖像出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，綠視率的計(jì)算效率顯著提高，處理范圍可擴(kuò)展到單座城市甚至多座城市。街景圖像的拍攝角度接近人類視角，能較好地還原行人在街道上的視覺(jué)感受，覆蓋范圍廣[7]，數(shù)據(jù)獲取便捷，成本低，為大范圍的街道綠化評(píng)價(jià)提供了可能。如Long[8]等人利用街景圖像評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)245 座主要城市中心區(qū)域的綠視率，陳明[9]等人基于街景圖像評(píng)價(jià)了武漢市綠視率與城市用地類型及綠化覆蓋率的關(guān)系，郝新華[10]等人利用街景圖像評(píng)價(jià)了成都市的街道綠化水平及其與道路等級(jí)、地塊性質(zhì)等因素的關(guān)系。但鮮有學(xué)者進(jìn)行舊城區(qū)和新城區(qū)的街道綠化對(duì)比研究，由于新舊城區(qū)的建設(shè)時(shí)代和規(guī)劃理念不同，對(duì)兩者分別進(jìn)行綠化評(píng)價(jià)，對(duì)提升各自的街道綠化質(zhì)量具有借鑒意義。此外，綠視率指標(biāo)僅能測(cè)量綠化量的大小，而許多城市的街道綠化帶存在植物群落層次單一的問(wèn)題，一些道路的植物配置缺乏層次，只有喬木層，沒(méi)有灌木層和草木層的復(fù)層結(jié)構(gòu)[11]，視覺(jué)效果較差，導(dǎo)致景觀單調(diào)乏味。喬、灌、草的均衡搭配，可以構(gòu)成復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)，有利于光能的充分利用及多樣化植物景觀的營(yíng)造[12]。因此，本文針對(duì)街道綠化提出植被層次性指標(biāo)，用于定量研究街道綠化帶中植物配置的層次性問(wèn)題。

本文基于街景圖像計(jì)算了南京市主城區(qū)的街道綠視率，并分析了內(nèi)城與新城的綠視率空間分布差異，以及不同道路等級(jí)的綠視率差異。將綠視率與植被層次性指數(shù)結(jié)合，對(duì)街道綠化質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可以為南京市道路綠化帶景觀的提升提供參考。

1.研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于南京市主城區(qū)范圍，包括鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、玄武區(qū)、秦淮區(qū)和雨花臺(tái)區(qū)東北部，總面積約為408.24km（2如圖1 所示）。其中內(nèi)環(huán)線以內(nèi)的地區(qū)稱為內(nèi)城，內(nèi)環(huán)線以外的地區(qū)稱為外城，河西新城簡(jiǎn)稱為新城。

圖1 研究區(qū)

2.數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用OpenStreetMap（OSM）作為研究區(qū)路網(wǎng)數(shù)據(jù)源。根據(jù)OSM 的道路類型屬性，選取6 種類型的道路，即快速路、主干路、二級(jí)道路、三級(jí)道路、居民區(qū)道路和生活性道路。由于OSM 的分類標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)道路的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不同，將這些道路重新分為快速路、主干路、次干路、支路4 個(gè)等級(jí)（如表1 所示），各道路級(jí)別的路段數(shù)量、總長(zhǎng)度、參考紅線寬度（如表2 所示）。為減少空間誤差對(duì)樣本點(diǎn)選取造成的影響，對(duì)照騰訊地圖底圖對(duì)部分道路的位置和拓?fù)鋯?wèn)題進(jìn)行修正，將所有道路合并為單線，并沿每個(gè)道路交叉口進(jìn)行道路打斷操作。根據(jù)行人的視線范圍，沿路網(wǎng)每隔50m 選取街景樣本點(diǎn)，并計(jì)算樣本點(diǎn)的地理坐標(biāo)。街景數(shù)據(jù)來(lái)源于騰訊地圖應(yīng)用程序接口（Application Program Interface，API）服務(wù)，通過(guò)請(qǐng)求圖片大小、坐標(biāo)位置、偏航角（heading）、俯仰角（pitch）及開(kāi)發(fā)者密鑰（key）等參數(shù)獲取街景圖像。將圖片大小設(shè)置為600x600（px），坐標(biāo)位置通過(guò)樣本點(diǎn)計(jì)算得到，偏航角設(shè)置為 00、600、1200、1800、2400、30006 個(gè)方向，俯仰角設(shè)置為默認(rèn)值（00）。共獲取街景圖像有效樣本點(diǎn)21045 個(gè)，拍攝年份以2014 年、2015年為主。

表1 OSM 道路分級(jí)和國(guó)標(biāo)道路分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 道路等級(jí)及其參數(shù)

2.2 植被提取方法

本文選用圖像語(yǔ)義分割框架PSPNet[13]從街景圖像中提取植被。圖像語(yǔ)義分割是一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，它可以將原始圖像中的每一個(gè)像素標(biāo)注為對(duì)應(yīng)的類別，如樹(shù)木、天空、道路等，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像特定區(qū)域的語(yǔ)義識(shí)別。常用的語(yǔ)義分割框架有FCN、SegNet 和PSPNet 等，其中PSPNet 精度較高，適用于基于街景圖像的植被自動(dòng)化提取。本文使用的是PSPNet的tensorflow 版本，使用Python 語(yǔ)言編寫(xiě)，為每一張街景圖片生成語(yǔ)義分割結(jié)果圖。在結(jié)果圖中，每一種顏色代表一種類別，通過(guò)RGB 值查找出代表植被的顏色，即可提取出圖像中代表植被的像素（如圖2 所示）：

圖2 街景原圖和語(yǔ)義分割結(jié)果

2.3 綠化指數(shù)計(jì)算

本文使用的綠化指數(shù)主要有兩種：一種是綠視率；另一種是植被層次性指數(shù)。綠視率定義為行人視角范圍內(nèi)看到的綠色植物占全部場(chǎng)景元素的比例，即在街景圖像中植被所占的像素?cái)?shù)與圖像的總像素?cái)?shù)之比，其計(jì)算公式[14]如式（1）所示：

植被層次性指數(shù)用于衡量綠化帶中喬木層、灌木層和草本層搭配的平衡性，這里使用香農(nóng)—威納（Shannon—Wiener）指數(shù)衡量。Shannon—Wiener 指數(shù)[15]源于信息理論，通常用于衡量群落中物種多樣性的高低。將Shannon—Wiener 指數(shù)應(yīng)用于街道綠化帶上，可以用來(lái)評(píng)價(jià)綠化層次性的高低。綠化層次性SVH（Street Vegetation Hierarchy）的計(jì)算公式如式（2）及式（3）所示：

3.街道綠化評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

3.1 綠視率空間分布特征及區(qū)域比較

通過(guò)計(jì)算街道上各樣本點(diǎn)綠視率的平均值得到各街道綠視率的空間分布（如圖3 所示），其中綠化較好的道路主要集中在3 個(gè)區(qū)域：城東紫金山及明故宮附近道路（A），城南雨花臺(tái)風(fēng)景區(qū)附近道路（C）及城西秦淮河西岸道路（B）。綠化較差的街道主要分布在兩大火車站附近道路（DG），內(nèi)城道路，新城南部道路（F）及城東白下工業(yè)園區(qū)道路（E）。整體上呈現(xiàn)出內(nèi)城綠視率較低，外城綠視率較高的分布格局，但外城邊緣地帶綠視率較低。

圖3 主城區(qū)綠視率分布

圖4 內(nèi)城綠視率分布

表3 內(nèi)城主要道路綠視率

提取南京市內(nèi)環(huán)線以內(nèi)區(qū)域，得到南京市內(nèi)城的綠視率空間分布（如圖4 所示），并標(biāo)注了快速路、主干路和次干路的道路名稱。得到內(nèi)城大于2km 道路的綠視率排名（如表3 所示），前十名中有八條道路列于《南京市首批林蔭道名單》[16]中，證明了本文方法計(jì)算綠視率的準(zhǔn)確性?？梢钥闯鰞?nèi)城的主干道綠視率較高，次干路中綠視率較高的主要有建鄴路、上海路、廣州路等。由圖4 可看出，大部分支路（圖4 中未標(biāo)注名稱道路）的綠視率水平不佳，僅在漢中路以北、中山路以西地區(qū)（圖4 中a 點(diǎn)）綠視率較好。中山路—中山南路以東區(qū)域（圖4 中b 點(diǎn)、c 點(diǎn)）綠視率較低，需要適當(dāng)提升該地區(qū)的街道綠化水平。

各行政區(qū)的綠視率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，以及各綠視率級(jí)別所占的比例（如表4 所示）。各行政區(qū)的平均綠視率從高到低分別為玄武區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、秦淮區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)差從高到低分別為玄武區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)。建鄴區(qū)、玄武區(qū)和鼓樓區(qū)的道路中達(dá)到“一般綠”等級(jí)及以上的超過(guò)半數(shù)，“非常綠”等級(jí)道路占比最多的為玄武區(qū)，“綠”等級(jí)道路占比最多的為鼓樓區(qū)，“一般綠”道路占比最多的為建鄴區(qū)。結(jié)合圖3 可以看出，玄武區(qū)達(dá)到“綠”和“非常綠”的道路主要位于紫金山及其以南片區(qū)，而其他片區(qū)綠視率等級(jí)較低，這導(dǎo)致了玄武區(qū)的綠視率均值和標(biāo)準(zhǔn)差都較高。鼓樓區(qū)綠視率較高的道路主要位于其西南部，尤其是秦淮河沿岸道路綠視率很高，而該區(qū)東北部道路綠視率較低。建鄴區(qū)中北部道路綠視率要高于其南部道路。秦淮區(qū)僅在其東北部靠近紫金山風(fēng)景區(qū)的地區(qū)有少量綠視率較高的道路，而其他地區(qū)綠視率較低。雨花臺(tái)區(qū)北部道路綠視率較高，因?yàn)檫@些道路位于雨花臺(tái)烈士陵園周邊，而南部靠近火車站地區(qū)綠視率則較低。

表4 各行政區(qū)綠視率統(tǒng)計(jì)

3.2 不同道路等級(jí)的綠視率對(duì)比

不同等級(jí)的道路，有著不同的道路寬度和綠化帶布置，因此綠視率水平會(huì)有差異。本文分別計(jì)算了南京市主城區(qū)、內(nèi)城和新城中不同等級(jí)道路的平均綠視率（如表5 所示）。主城區(qū)快速路的綠視率較低，而其他等級(jí)道路的綠視率水平相近。除快速路外，內(nèi)城的主干路綠視率較高，支路綠視率較低；而新城的主干路綠視率較低，支路綠視率較高。三類區(qū)域中，快速路的綠視率均為最低，這是因?yàn)榭焖俾返膶挾容^大，植被離觀察者距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致其在視野中的占比較低；此外，快速路多為交通用途的道路，對(duì)開(kāi)闊性要求較高，不適合冠幅較大的喬木種植。在內(nèi)城范圍的道路中，主干路綠視率最高，這與內(nèi)城主干路兩側(cè)種植冠幅較大的懸鈴木有關(guān)，不少主干道為南京市典型的林蔭大道。內(nèi)城的支路綠視率較低，這些道路較為狹窄，且年代久遠(yuǎn)，可利用空間有限，植被的種植相對(duì)較少。新城的主干路綠視率較低，這是因?yàn)樾鲁堑闹鞲陕废啾扔趦?nèi)城更加寬闊，且植被的生長(zhǎng)年齡都不長(zhǎng)。而新城次干路和支路的綠視率均高于內(nèi)城，尤其是支路，相比內(nèi)城有更多的植被種植空間。

表5 主城、內(nèi)城和新城不同級(jí)別道路的平均綠視率對(duì)比

3.3 街道綠化質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

為了對(duì)街道綠化的質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合街道綠視率和植被層次性兩種指標(biāo)，將綠化質(zhì)量分為四級(jí)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（如表6 所示）。一級(jí)街道植被較為充足，且上下層綠化搭配均衡；二級(jí)街道植被較為充足，但以喬木為主，缺乏下層綠化；三級(jí)街道植被較少，上下層綠化均有配置；四級(jí)街道植被較少，且缺乏下層綠化。

表6 街道綠化質(zhì)量等級(jí)表

圖5 街道質(zhì)量分布

道路綠化質(zhì)量等級(jí)一級(jí)到四級(jí)的分布圖（如圖5所示）。一級(jí)道路在內(nèi)城的分布較少，而在新城中北部分布較多；二級(jí)道路則以城市中北部街道為主，在內(nèi)城分布較多，而在新城分布較少；三級(jí)道路分布較為分散，其中新城南部、南京南站和白下工業(yè)園區(qū)的分布較為集中；四級(jí)道路主要分布在城市中北部，其中內(nèi)城占了較大比重，而在新城的分布數(shù)量稀少。

表7 各道路等級(jí)街道質(zhì)量分級(jí)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于不同等級(jí)的道路，得到四種街道綠化質(zhì)量的比例（如表7 所示）?？焖俾分腥?jí)道路較多，其次是一級(jí)道路，其他級(jí)別的道路較少；主干路中一級(jí)和三級(jí)道路較多，其次是二級(jí)道路，四級(jí)道路較少；次干路中一級(jí)道路最多，之后是三級(jí)道路和二級(jí)道路，四級(jí)道路較少；支路中二級(jí)道路最多，隨后依次為四級(jí)道路、三級(jí)道路和一級(jí)道路。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）新城區(qū)中北部道路綠化適宜，且能兼顧上下層綠化的平衡，而在紫金山以南片區(qū)、雨花臺(tái)片區(qū)、龍江片區(qū)和內(nèi)城的一些道路，雖然綠視率較高，但下層植被較為缺乏；（2）一些交通型道路，如城市快速路、工業(yè)園區(qū)道路、火車站附近道路，以草地和灌木等下層綠化為主，綠視率相對(duì)較低；（3）內(nèi)城道路普遍存在缺乏下層綠化的問(wèn)題，但主干路和次干路綠視率較好，以二級(jí)道路為主，而支路則多為四級(jí)道路，綠化質(zhì)量需要加強(qiáng)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文使用騰訊街景數(shù)據(jù)和語(yǔ)義分割技術(shù)對(duì)南京市主城區(qū)的街道綠視率進(jìn)行自動(dòng)化估算，并應(yīng)用GIS方法分析了綠視率的空間分布規(guī)律。將植被層次性指數(shù)應(yīng)用在街道綠化上，評(píng)估各街道綠化帶上下層綠化的均衡性。探索了街道綠化在內(nèi)城與新城，以及不同道路等級(jí)上的差異，總結(jié)出不同城市區(qū)域和道路等級(jí)的綠化特征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）總結(jié)出綠視率較高的三大區(qū)域：城東紫金山及明故宮周邊，城南雨花臺(tái)風(fēng)景區(qū)及城西秦淮河西岸片區(qū)。這幾大片區(qū)的特點(diǎn)是依山傍水，或者毗鄰歷史文化游覽區(qū)，這符合南京“山水城林”的城市特點(diǎn)。但作為南京市核心區(qū)域的內(nèi)城，街道綠化仍然需要提升，綠化水平較高的道路僅限于中山路、北京東路、漢中路等主干道，而以生活性用途為主的大量支路綠視率水平較低。支路是社區(qū)居民活動(dòng)的主要場(chǎng)所，支路的綠化提升對(duì)于提高居民的步行體驗(yàn)具有重要的意義。由于內(nèi)城支路空間狹小，難以種植大型喬木，可布置垂直綠化和種植箱綠化來(lái)提高綠視率。

（2）綠視率的高低和道路等級(jí)有顯著的關(guān)聯(lián)，快速路作為以交通用途為主的道路，需要較好的開(kāi)闊度，因此在所有道路類型中綠視率最低。對(duì)于其他等級(jí)的道路，內(nèi)城與新城呈現(xiàn)出相反的分布規(guī)律。內(nèi)城的道路規(guī)劃源自民國(guó)時(shí)期，一些主次干道兩側(cè)種植大量懸鈴木，營(yíng)造出“遮天蔽日”之感，因此綠視率較高，這些道路也是南京市林蔭大道的代表。內(nèi)城支路商鋪眾多，人流密集，空間狹小，綠化的改造比較困難。新城的各等級(jí)道路都會(huì)配置一定的綠化，但新城主干道往往較為寬闊，導(dǎo)致植被在視野中所占的比例會(huì)偏??；且新城樹(shù)木栽種時(shí)間較晚，冠幅尚小，在較寬的道路上無(wú)法形成足夠的綠視率。新城支路的綠視率受道路寬度的影響較小，且相比內(nèi)城的支路有更多的植被種植空間。

（3）河西新城中北部的道路能較好地平衡上下層綠化，主城區(qū)中北部的道路需要缺乏下層綠化，而主城區(qū)南部的道路缺乏上層綠化。對(duì)于主城區(qū)中北部道路，在土地空間允許的情況下，可適當(dāng)設(shè)置一些低矮灌木、草地等，增加下層綠化水平；對(duì)于主城區(qū)南部道路，大多需要較高的開(kāi)闊度，種植喬木可能會(huì)影響行車視線?？梢赃m當(dāng)布置一些不影響視線的小型灌木，也可在高架橋橋墩和人行天橋側(cè)面布置一些攀援植物，起到緩解司機(jī)和行人視覺(jué)疲勞的作用。