吳國(guó)華

(福州市勘測(cè)院，福建 福州 350108)

1 引 言

福州市具有十分豐富的地理自然資源和歷史人文資源，早在2003年就被評(píng)為國(guó)家園林城市。隨著福州市城市建成區(qū)的不斷擴(kuò)展以及城區(qū)綠化改造提升、河岸串珠公園等園林綠化項(xiàng)目的建設(shè)，于2016年提出創(chuàng)建國(guó)家“生態(tài)園林城市”的目標(biāo)。申報(bào)國(guó)家生態(tài)園林城市需依據(jù)《國(guó)家生態(tài)園林城市標(biāo)準(zhǔn)》中各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)掌握福州市園林綠化現(xiàn)狀及歷年指標(biāo)變化情況，以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[1]。為能及時(shí)實(shí)現(xiàn)福州市城市園林綠地?cái)?shù)據(jù)采集與更新，福州市園林中心啟動(dòng)建設(shè)福州規(guī)劃區(qū)城市綠地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并設(shè)立快速提取建庫(kù)及年度更新的目標(biāo)。

2 總體思路

根據(jù)已建設(shè)的 1∶500地形圖庫(kù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)(點(diǎn)云區(qū)域密度為16點(diǎn)/m2)、高分辨率正射影像數(shù)據(jù)，制定綠地面和綠化覆蓋面快速提取構(gòu)建的作業(yè)流程。其中綠地面構(gòu)建的作業(yè)方式相對(duì)傳統(tǒng)，可以從地形圖中直接提取構(gòu)建。綠化覆蓋面構(gòu)建通過(guò)激光點(diǎn)云提取篩選樹木點(diǎn)，然后根據(jù)樹木點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)形成首尾閉合多段線，再利用閉合段線構(gòu)建融合生成綠化覆蓋面，并對(duì)綠化覆蓋面進(jìn)行修復(fù)與效果評(píng)價(jià)。具體流程圖如圖1所示。

3 綠地構(gòu)建

城市綠地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)最主要的建設(shè)內(nèi)容是綠地面和綠化覆蓋面兩部分內(nèi)容，其分別對(duì)應(yīng)生態(tài)園林城市的建成區(qū)綠地率、建成區(qū)人均公共綠地、建成區(qū)綠化覆蓋率等不同統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。其中綠地面積一般理解為綠化占地面積，是指綠地邊界圍合之內(nèi)所有的公共綠地、道路綠地等硬質(zhì)景觀[2]，以及生產(chǎn)綠地、風(fēng)景林地等邊界內(nèi)由于郁閉度原因造成的裸露的土壤都?xì)w為綠地面積[3]；綠化覆蓋面積是相對(duì)于綠化占地面積而言，其不僅包含綠地占地面積還包括高于地面的冠幅垂直投影面，具體是指城市中喬木、灌木、草坪等所有植被的垂直投影面積，包括屋頂綠化植物的垂直投影面積以及零星樹木的垂直投影面積，喬木樹冠下的灌木和草本植物以及灌木樹冠下的草本植物垂直投影面積均不能重復(fù)計(jì)算[4]。二者主要區(qū)別是在喬木、灌木等高大綠植的冠幅投影面積一般大于其綠地占地面積，而相對(duì)于草坪等低矮近地綠植來(lái)說(shuō)綠地面和綠化覆蓋面則是相同的。

圖1 綠地面及綠化覆蓋面構(gòu)建作業(yè)流程圖

3.1 綠地面構(gòu)建

綠地面構(gòu)建方式采用傳統(tǒng)的電子地圖綠地面構(gòu)建方式。首先通過(guò)分層提取城市 1∶500地形圖庫(kù)中的植被相關(guān)數(shù)據(jù)圖層，對(duì)灌木林、疏林、苗圃、竹林、草地、人工綠地、農(nóng)用地、林用地等面狀綠地可直接作為綠地面。然后對(duì)提取的植被點(diǎn)、線數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)面，即可快速完成綠地面的構(gòu)建。

3.2 綠化覆蓋面構(gòu)建

綠化覆蓋面構(gòu)建流程是以福州市機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)(16點(diǎn)/m2)為源數(shù)據(jù)，首先提取點(diǎn)云高于地面一定數(shù)值(此處取高于地面 1.2 m以上)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其次通過(guò)疊加建筑物、構(gòu)筑物等矢量面數(shù)據(jù)剔除建筑物、構(gòu)筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再根據(jù)德洛內(nèi)三角網(wǎng)空外接圓特性對(duì)篩選樹木點(diǎn)集構(gòu)建三角網(wǎng)，最后根據(jù)構(gòu)建的德洛內(nèi)三角網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建多邊形面要素并對(duì)多邊形面要素進(jìn)行相鄰面融合，從而完成綠化冠幅覆蓋面的快速構(gòu)建。

3.2.1 一定高度地物點(diǎn)提取

LiDAR系統(tǒng)直接獲取的是地球表面的三維坐標(biāo)，因此可以用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成數(shù)字表面模型DSM。這樣生成的DSM中包含大量的建筑物點(diǎn)、構(gòu)筑物點(diǎn)、樹木點(diǎn)以及其他非地面點(diǎn)。要想分離提取樹木點(diǎn)，首先需要生成數(shù)字地形模型DTM，采用Vosselman提出的以形態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)的坡度濾波算法，通過(guò)濾波處理，濾掉非地面點(diǎn)，最后使用逐點(diǎn)內(nèi)插法生成DTM然后通過(guò)高程閾值對(duì)地面點(diǎn)與地物點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，可采用原始的DSM減去DTM的方式得到規(guī)則化的DSM(nDSM)[5]。最后根據(jù)建筑物、構(gòu)筑物與樹木都具有一定高程的特性，再利用nDSM的值對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行高程閾值分割提取出地物點(diǎn)。

此處相對(duì)高程的地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，采用FME Workbench作為具體提取操作軟件，可使用Point Cloud Property Extractor、Point Cloud Coercer、Point Raster Value Extractor、Expression Evaluator、Point Cloud Combiner等轉(zhuǎn)換器組合把點(diǎn)云生成的nDSM與DTM進(jìn)行高程計(jì)算生成相對(duì)高程的點(diǎn)云。具體FME Workbench轉(zhuǎn)換器的組合示意圖如圖2所示。

圖2 利用FME提取相對(duì)高程點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換組合示意圖

然后再利用Point Cloud Property Extractor、Point Cloud Spltter等轉(zhuǎn)換器提取一定高度的地物點(diǎn)點(diǎn)云。按福州市喬灌木實(shí)際冠幅高度情況，對(duì)高于地面 1.2 m以上的地物點(diǎn)進(jìn)行提取。具體FME Workbench轉(zhuǎn)換器的組合示意圖如圖3所示，以福州市高新區(qū)一景激光點(diǎn)云(約 9.6 km2)提取的地物點(diǎn)效果部分截圖如圖4所示和局部放大圖如圖5所示。

圖3 提取一定高度的地物點(diǎn)FME轉(zhuǎn)換器示意圖

圖4 提取的地物點(diǎn)一景截屏效果圖 圖5 提取的地物點(diǎn)局部放大效果圖

3.2.2 樹木點(diǎn)篩選提取

通過(guò)3.2.1方式提取的地物點(diǎn)云，主要包含建筑物、構(gòu)筑物點(diǎn)云和樹木點(diǎn)云，而綠化覆蓋面構(gòu)建僅需要對(duì)樹木點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此需要剔除掉建筑物和構(gòu)筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的干擾。樹木點(diǎn)的篩選提取操作可利用FME Workbench的cliper轉(zhuǎn)換器，用提取出的地物點(diǎn)與建筑物、構(gòu)筑物矢量面數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加篩除建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即得到樹木點(diǎn)數(shù)據(jù)。如圖6是地物點(diǎn)與建筑物、構(gòu)筑物面疊加局部放大圖，圖7是通過(guò)篩除建筑物點(diǎn)、構(gòu)筑物點(diǎn)的方式提取的樹木點(diǎn)效果局部放大圖。

圖6 地物點(diǎn)與建筑物、構(gòu)筑物面疊加局部放大圖

圖7 提取的樹木點(diǎn)效果局部放大圖

3.2.3 構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)

德洛內(nèi)(Delaunay)三角網(wǎng)是一系列相連的但不重疊的三角形的集合[6]。Delaunay三角網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)良好，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)冗余度小，存儲(chǔ)效率高，與不規(guī)則的地面特征和諧一致，可以表示線性特征和疊加任意形狀的區(qū)域邊界，可適應(yīng)各種分布密度的數(shù)據(jù)等[7]。正是本身的這些優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于GIS中的網(wǎng)絡(luò)分析中，成為描述地表形態(tài)的一種公認(rèn)方法，是地表(地貌和地物)數(shù)字化表現(xiàn)的重要手段和常用分析工具[8]。

根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)空外接圓特性，以待構(gòu)建樹木點(diǎn)集作為Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建中各個(gè)三角形的頂點(diǎn)來(lái)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)。在構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)的過(guò)程中，構(gòu)建三角網(wǎng)外接圓半徑參數(shù)值的設(shè)置決定了三角網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)精度，需要參照預(yù)處理過(guò)程中樹木點(diǎn)的點(diǎn)間距進(jìn)行測(cè)試設(shè)置。設(shè)置的初始值一般與待處理樹木點(diǎn)集的點(diǎn)間距相近時(shí)構(gòu)建的效果最佳。其原理是通過(guò)Delaunay三角網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)Delaunay三角形的外接圓半徑r進(jìn)行計(jì)算，對(duì)外接圓半徑r值大于設(shè)定初始值alpha的Delaunay三角形進(jìn)行舍棄，并對(duì)組合的網(wǎng)格以單一的三角形為最小單元打散，從而以樹木點(diǎn)集構(gòu)建成覆蓋植被冠幅區(qū)域范圍的Delaunay三角網(wǎng)。

具體操作工具可利用FME平臺(tái)的Point Cloud Property Extractor、Point Cloud Coercer(Individual Point)、Hullaccumulator、Triangulator、Deaggregator等轉(zhuǎn)換器，對(duì)樹木點(diǎn)集通過(guò)形成封閉凸殼，將封閉殼體范圍內(nèi)的幾何對(duì)象分解成三角形單元網(wǎng)格，從而構(gòu)建成覆蓋樹木點(diǎn)集區(qū)域范圍的Delaunay三角網(wǎng)。如圖8是樹木點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)在FME Workbench平臺(tái)的轉(zhuǎn)換器組合示意圖。

圖8 綠化覆蓋點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器組合示意圖

圖9 設(shè)置不同的alpha初始值時(shí)三角網(wǎng)構(gòu)建效果局部示意圖

如圖9是分別設(shè)置外接圓alpha初始值為 0.20 m、0.40 m、 0.80 m時(shí)構(gòu)建的Delaunay三角網(wǎng)效果局部示意圖，從構(gòu)圖效果不難看出alpha初始值為 0.40 m左右時(shí)構(gòu)圖效果較好，alpha初始值過(guò)小則難以構(gòu)成完整圖形，alpha初始值過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)相鄰三角網(wǎng)粘連的情況。

3.2.4 創(chuàng)建拓?fù)涠噙呅蚊嬉?/p>

構(gòu)建的Delaunay三角網(wǎng)中的每一個(gè)三角形都可以認(rèn)為是首尾相連的Polyline(線)，從而經(jīng)過(guò)拓?fù)涮幚砜梢詷?gòu)建成一系列無(wú)縫拼接的Polygon(三角形區(qū)域)[9]。在構(gòu)建的一系列無(wú)縫拼接的Delaunay三角面網(wǎng)中，相鄰接的兩個(gè)三角形面都有一個(gè)公共邊界線，通過(guò)刪除相鄰接三角形公共邊界線來(lái)融合兩個(gè)三角形面要素，從而創(chuàng)建一個(gè)更大的合并四邊形面區(qū)域[10]。利用同樣的方式對(duì)相鄰接的兩個(gè)四邊形面進(jìn)行融合成更大的多邊形面區(qū)域，直至所有相鄰接的Delaunay三角形面融合成一個(gè)完整的區(qū)域。

此處應(yīng)用FME Workbench平臺(tái)中的Line OnLine Overlayer、AreaBuilder等轉(zhuǎn)換器，對(duì)構(gòu)建的三角網(wǎng)多段線進(jìn)行拓?fù)涮幚硪垣@取一系列拓?fù)潢P(guān)系上連接的閉合多段線，然后對(duì)首尾閉合的多段線創(chuàng)建拓?fù)湔_的多邊形面要素，從而生成一系列無(wú)縫拼接的不規(guī)則三角面網(wǎng)。再利用Dissolver轉(zhuǎn)換器，通過(guò)刪除相鄰接多邊形公共邊界來(lái)融合面要素的功能，從而創(chuàng)建更大的合并區(qū)域。對(duì)由Delaunay三角網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建的一系列無(wú)縫鄰接的不規(guī)則三角面網(wǎng)進(jìn)行相鄰面融合合并，最終將Delaunay三角形要素面融合成綠化覆蓋面。具體拓?fù)錁?gòu)建三角面網(wǎng)及鄰接三角面網(wǎng)融合處理的流程圖如圖10所示，以福州市高新區(qū)一景激光點(diǎn)云(約 9.6 km2)融合生成的綠化覆蓋構(gòu)面截屏效果圖如圖11所示，其局部放大效果如圖12所示。

圖10 三角網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)面及面區(qū)域融生成綠化覆蓋面流程圖

圖11 點(diǎn)云融合生成的綠化覆蓋面截屏效果圖

圖12 融合生成的綠化覆蓋面局部放大效果圖

3.2.5 綠化覆蓋面毛刺修復(fù)

激光點(diǎn)云采集及提取篩選中產(chǎn)生的個(gè)別噪點(diǎn)，會(huì)在構(gòu)建綠化覆蓋面邊緣生成尖銳的毛刺，具體如圖13所示。這種毛刺的生成影響綠化覆蓋面的構(gòu)面精度和圖面美觀，需要對(duì)毛刺進(jìn)行消除修復(fù)平滑以提升構(gòu)面效果。此處具體可以采用FME Workbench平臺(tái)中的Geometry Coercer、Spike Remover等轉(zhuǎn)換器，通過(guò)設(shè)置一定角度和長(zhǎng)度值來(lái)消除毛刺以修復(fù)平滑構(gòu)建的綠化覆蓋面。

圖13 綠化覆蓋面邊緣毛刺示意圖

3.2.6 綠化覆蓋面效果評(píng)價(jià)

對(duì)激光點(diǎn)云提取樹木點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建的綠化覆蓋面的構(gòu)面效果驗(yàn)核評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)原理是綠化覆蓋面與同時(shí)期正射影像進(jìn)行疊加分析其數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系一致性情況。具體評(píng)價(jià)因素包括如下三點(diǎn)：

(1)綠化覆蓋面與正射影像中樹木冠幅垂直投影一致性評(píng)價(jià)

對(duì)采用激光點(diǎn)云提取樹木點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建的綠化覆蓋面與同時(shí)期正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加比對(duì)分析，分別對(duì)獨(dú)立灌喬木構(gòu)面、成片灌喬木構(gòu)面、空曠區(qū)域灌喬木構(gòu)面、鄰近建筑物灌喬木構(gòu)面、灌喬木構(gòu)面范圍與正射影像中樹木冠幅垂直投影一致情況、相臨近灌喬木之間粘連構(gòu)面等情況進(jìn)行綜合比對(duì)驗(yàn)核評(píng)價(jià)[11]。發(fā)現(xiàn)自動(dòng)生成的綠化覆蓋面與同時(shí)期正射影像的綠植垂直投影套合基本一致，能夠比較準(zhǔn)確地勾勒出各種情況的綠植垂直投影范圍面。具體疊加效果如圖14所示，局部放大圖如圖15所示。

圖14 激光點(diǎn)云構(gòu)建綠化覆蓋面效果圖

圖15 構(gòu)建綠化覆蓋面疊加正射影像局部放大圖

(2)激光點(diǎn)云中噪點(diǎn)誤構(gòu)面情況評(píng)價(jià)

隨機(jī)選取福州市高新區(qū)9.6 km2范圍的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)拓?fù)錁?gòu)建綠化覆蓋面，然后對(duì)構(gòu)建的綠化覆蓋面進(jìn)行人工比對(duì)篩查統(tǒng)計(jì)共計(jì)構(gòu)建綠化覆蓋面 51 139個(gè)，總計(jì)綠化覆蓋面積 4 166 037.35 m2，篩選出噪點(diǎn)誤構(gòu)面 17 361個(gè)，累計(jì)面積 15 497.65 m2，總的噪點(diǎn)誤構(gòu)面面積占自動(dòng)構(gòu)建綠化覆蓋面面積的0.372%。經(jīng)過(guò)分析激光點(diǎn)云中干擾噪點(diǎn)誤構(gòu)面多為交通桿點(diǎn)、汽車、樹木與建筑邊緣銜接處等噪點(diǎn)，絕大部分噪點(diǎn)誤構(gòu)面面積小于 0.50 m2，可以通過(guò)面積過(guò)濾篩除掉，其他通過(guò)人工比對(duì)檢查可剔除。

(3)激光點(diǎn)云構(gòu)建與傳統(tǒng)人工繪制綠化覆蓋面效率對(duì)比評(píng)價(jià)

綠化覆蓋面?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)方式是以高分辨率正射影像為底圖，進(jìn)行人工判讀繪制綠化覆蓋面。主要存在植被冠幅邊緣判讀精度不高、生產(chǎn)作業(yè)效率相對(duì)較低等問(wèn)題。尤其是生產(chǎn)作業(yè)效率問(wèn)題，一般人均日作業(yè)面積僅 2 km2～3 km2，致使城市綠化建庫(kù)生產(chǎn)更新工期相對(duì)較長(zhǎng)。而采用激光點(diǎn)云提取樹木點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建綠化覆蓋面的方法，相比傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)方式則可以很好地解決以上問(wèn)題，尤其是在生產(chǎn)效率上有指數(shù)級(jí)的提升。

綜上分析，采用激光點(diǎn)云提取樹木點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建綠化覆蓋面的方法，構(gòu)建的植被覆蓋面位置精度更優(yōu)且作業(yè)效率有了極大的提升，能夠更好、更快地滿足國(guó)家園林城市綠化數(shù)據(jù)采集建庫(kù)的應(yīng)用要求。

4 結(jié) 論

相比以往傳統(tǒng)人工影像判讀繪制綠化覆蓋面的作業(yè)方式，采用激光點(diǎn)云提取樹木點(diǎn)拓?fù)錁?gòu)建綠化覆蓋面的方法，大幅提升了城市園林綠地采集建庫(kù)的效率和作業(yè)精度。通過(guò)對(duì)福州市規(guī)劃區(qū)共 677 km2范圍的城市園林綠地采集建庫(kù)實(shí)踐，激光點(diǎn)云自動(dòng)構(gòu)建城市綠地方法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了城市綠化數(shù)據(jù)的快速采集建庫(kù)及年度更新的目標(biāo)。為福州市園林中心及時(shí)掌握規(guī)劃區(qū)園林綠化數(shù)據(jù)現(xiàn)狀和歷年城市園林綠化指標(biāo)的變化提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。