基于無人機載激光雷達的大學校園綠地三維綠量與生態效益研究
——以廣西生態工程職業技術學院為例

肖萬娟 唐健靈 駱姚瑤

（廣西生態工程職業技術學院，廣西 柳州 545004）

隨著時代的發展，大學校園綠地對于大學人才培養所承載的功能也發生了新的變化，各種校園綠地。不僅為師生提供美學景觀和休閑活動場所，更兼具固碳釋氧、降溫增濕等生態效益，能明顯改善人居環境。眾多研究表明，綠地生態效益的好壞與三維綠量有明顯的相關性［1，2］。

三維綠量（living vegetation volume，LVV）又稱綠化三維量，是指樹木樹冠所占據的空間體積，以m3來計算［3-5］。三維綠量作為城市綠化體系的第一個立體指標，可以更全面、更準確地分析校園綠化的環境效益以及校園綠化群落布局的合理性。朱文泉等［6］、周堅華［7］、劉常富等［8］以模擬方程法、平面量模擬立體量法、立體量推算立體量法等方法測算了上海、沈陽等城市整體的三維綠量，取得了良好的效果。隨著科學技術的發展，韋雪花等［9］、王佳等［10］、楊全月等［11］、李肖肖等［12］、劉芳等［13］、徐偉恒等［14］以地面三維激光掃描儀、背包式激光雷達系統等獲取樹木點云數據，運用體元模擬法、臺積法、凸包法、冠層葉面積密度法、不規則三角網TIN 的原理算法、不規則體切片分割累加算法等方法實現了樹冠體積的自動化提取，進行了三維綠量的估算。與傳統的野外實測結合“冠徑—冠高—體積”公式計算三維綠量對比而言，基于樹木點云數據的三維綠量估算更快捷有效、全面準確、符合實際。

目前國內對生態效益及其價值評估的研究多集中于省、市等大尺度，小尺度的大學校園綠地研究較少［1］。大學校園綠地存在植物種類多樣，結構層次相對復雜等特點，開展大學校園綠地三維綠量與生態效益及其價值評估的融合研究，實現用生態經濟學角度評估校園綠地生態效益及其價值，提高師生的環保意識，促進生態補償機制的建立，為大學校園綠地的生態保護方案和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

廣西生態工程職業技術學院是國內首家以“生態”命名的高職院校，位于廣西壯族自治區柳州市北部生態新區，創辦于1956 年，是全國生態文明教育特色學校，曾獲廣西壯族自治區“綠色大學”、“森林校園”等稱號。學校占地面積（含教學實驗林場）1200 hm2，建成區面積52.07 hm2，現有綠地面積25.3806 hm2，綠地率48.75%，人均綠地面積14.47 m2。學校地處中亞熱帶向南亞熱帶過渡的季風氣候區，溫度適宜，日光充足，雨量充沛，綠化植物約283 種，隸屬86 科194 屬，構成綠地系統的優勢綠化樹種有八月桂（Osmanthussp.）、鐵冬青（Lex rotunda Thunb）、洋紫荊（Bauhinia variegata L.）、羅漢松（Podocarpus macrophyllus（Thunb.）D.Don）、紅花天料木（Homalium hainanense Gagnep.）假檳榔（Archontophoenix alexandrae（F. Muell.）H. Wendl.et Drude）、蒲葵（Livistona chinensis（Jacq.） R. Br.）、海南黃花梨（Dalbergia odorifera T.Chen）、木棉（Bombax ceiba L.）等。學校堅持生態優先、綠色低碳發展理念，努力創建國家AAAA 級旅游景區。

為研究方便，根據不同的使用功能將校園綠地分為6 個區，具體見圖1，分別是1 教研文化區、2教職工住宅區、3 學生住宿區、4 體育運動區、5 休閑游憩區、6 后勤服務區（圖1，6 區占比面積較小，僅點綴少量零星樹木，不納入此次研究范圍）。

圖1 功能分區圖

1.2 無人機載激光雷達數據獲取

1.2.1 無人機

使用大疆M300RTK 無人機平臺掛載大疆禪思L1 激光雷達。大疆經緯M300RTK 無人機最大起飛質量9 kg，續航時間55 min，外形尺寸（長寬高）810 mm×670 mm×430 mm，飛行高度95 m，飛行速度：9 m/s。大疆禪思L1 大?。ㄩL寬高）152 mm×110 mm×169 mm，質量930±10 g，測量平面精度10 cm@50 m，高程精度5 cm@50 m，掃描速度最大480000 點/秒。

1.2.2 采集點云數據

于2022 年6 月23 日對校園5 個主要功能區內的喬、灌木進行點云數據采集，根據樹木疏密程度、分布情況規劃航線，航線具體參數：高度95 m，旁向重疊度50 %。部分樹木密集區域使用單一無人機采集手段無法獲取完整樹冠數據，配合使用手持激光雷達從樹下進行點云數據采集，并在控制點區域進行控制采集，用于后續坐標轉換。

1.2.3 三維激光點云數據預處理

使用無人機激光及手持激光采集的GNSS 數據、慣導數據、SLAM 數據分別進行軌跡解算，再由點云原始數據通過軌跡數據進行融合結算得到點云數據，無人機采集的激光數據具備CGCS2000 坐標系統，手持激光數據通過轉換參數進行坐標轉換，將兩套點云數據融合成一套數據，得到整個校園主要功能區綠地完整的點云數據成果。采用柵格法［15］對所得到的校園綠地點云數據進行精簡處理，即通過構建基于長方體包圍的三維體素柵格，選擇每個小柵格容納的點云個數，確定長方體內每個小柵格的邊長及小柵格的重心，以其重心近似該小柵格周圍的所有點云數據，所有體素化柵格處理完后得到精簡點云。

1.2.4 樹冠體積與三維綠量計算

以三維激光掃描獲取的樹木點云數據為數據源，采用不規則三角網（Triangulated irregular network，TIN）計算各功能區樹冠冠體體積［13］。不規則三角網TIN 是將精簡后的樹木點云數據建立連續覆蓋整個研究區域且互不交叉、互不重疊的不規則三角形網格，通過不規則三角形網TIN 原理方法直接實現樹冠體積的自動計算，以此完成各功能區單株植物三維綠量的計算，此方法具有操作簡單、效率高、適用性強的特點。

草地綠量由草坪面積乘以高度獲得，由于草坪常修剪高度保持在5 cm，以此作為計算的高度。

1.3 樹種數據的獲取與處理

以校園內主要功能區的喬木、灌木為調查對象，利用無人機載激光雷達獲取的三維點云影像（圖2），確定樹木樹冠中心位置，生成X、Y、Z 地理坐標，在對每一株樹木地理坐標定位基礎上，進行校園綠地現場調查，進一步核實確認各個功能區的基本情況，包括各功能區綠地面積、喬灌木數量等指標。

圖2 校園局部綠地三維點云影像圖

1.4 生態效益及其價值計算

根據三維綠量計算結果，參考董艷杰等［1］、周堅華等［4］、蘇津［16］總結的基于三維綠量的生態效益標準換算量，換算出植物的釋放O2量、吸收CO2量、吸收SO2量、滯塵量、夏季蒸騰增濕量，以此評價各功能區校園綠地的生態效益。

參考《中國生物多樣性國情研究報告》中森林釋放O2、吸收CO2所消耗的成本計算各功能區綠地每年釋放O2、吸收CO2的價值；根據《森林生態系統服務功能評估規范》［16］中吸收SO2和清理空氣滯塵的費用標準，分別估算各分區綠地吸收 SO2和滯塵的價值。按照效益費用分析法［17］和董艷杰等［1］的做法，夏季蒸騰增濕量的成本用灑水車噴灑等量水的成本進行估算，設定柳州市的自來水價格為2.905 元/t，估算夏季蒸騰量，基于三維綠量的綠化環境效益標準換算量見表1。

表1 基于三維綠量的綠化環境效益標準換算量

2 結果與分析

2.1 校園綠地三維綠量空間分布特征

研究表明，橋、灌、草等不同生活型對綠地三維綠量有不同影響，其中喬木層，特別是高大的常綠喬木是綠地三維綠量的主要提供者。校園主要功能區基本情況見表2，由表2 可知，校園內研究區共有4018株喬灌木，常綠植物3389 株，占比84.35%，落葉植物629 株，占比15.66%；喬木2834 株，占比70.53%，灌木1184 株，占比29.47%。其中教職工住宅區植株數為1385 株，占比34.47%，為最高；其次是教研文化區，共有喬灌木1231 株，占比30.64%；體育運動區的喬灌木株數最少，僅為207 株，占比為5.15%。從常綠、落葉樹種上看，5 個功能區均以常綠樹種為主，教職工住宅區常綠樹種占比最高，達88.45%，休閑游憩區常綠樹種占比最低，也達80.03%。在喬灌木上，休閑游憩區喬木占比最高，達93.18%，體育運動區喬木占比最低，僅為43.48%。

表2 校園主要功能區基本情況

校園主要功能區三維綠量情況見表3，由表3 可知，校園主要功能區綠地三維綠量為589626.771 m3。在各功能區三維綠量中，教職工住宅區三維綠量為240616.993 m3，單位面積綠量為6.697 m3，占40.81%，比重最大。該區不僅植物株數多，且種類豐富，有121 種植物，以常綠植物為主，樹木樹冠龐大，生長茂盛，為教職員工的生活、休閑、養生提供了良好的環境。休閑游憩區總體三維綠量為157499.934 m3，單位面積綠量為3.793 m3，占比26.71%，排名第二。該區由樹木園、小花園改造而成，植物129 種，以紅椎、紫檀、智利南洋杉等高大喬木為主，成為了該區三維綠量的主要來源。教研文化區三維綠量134547.075 m3，單位面積綠量為1.019 m3，占比22.82%，排名第三，該區是學校的核心區域，因學生規模的增加擴建了區域面積，植物種類113 種，植株數也比較多，但新擴建的區域植株體量偏小，導致整體綠量及單位面積綠量相對偏低。學生住宿區三維綠量為37681.154 m3，單位面積綠量為1.188 m3，占比6.39%，整體綠量偏低。該區為學生大多數時間的生活區域，區域內的建筑以學生宿舍和食堂為主，植物種類僅為80 種，配置密度不高，層次不夠豐富，植株相對矮小，導致三維綠量低。體育運動區植物種類僅為35 種，總三維綠量為19281.615 m3，單位面積綠量為1.532 m3，該區以灌木為主、喬木為輔營造開敞空間，有效起到滯塵、隔音及抗干擾效果。各功能區總體三維綠量排序為教職工住宅區>休閑游憩區>教研文化區>學生住宿區>體育運動區；各功能區單位面積三維綠量排序為教職工住宅區>休閑游憩區>體育運動區>學生住宿區>教研文化區。

在校園總體三維綠量中，喬木層三維綠量為564257.621 m3，占比95.70% ；灌木層三維綠量為20487.1003，占比3.47% ；草本層三維綠量為4882.052 m3，占比0.83%（圖2）?？梢?，喬木是綠地三維綠量的主導力量，這與前人研究結論一致［1，16］。

圖2 不同生活型三維綠量分析圖

2.2 校園綠地生態效益狀況分析

根據上述的綠量結果，按照表1 對應項目計算綠化環境生態效益，換算出各功能區綠地的產O2、吸收CO2、吸收SO2、滯塵量、夏季蒸騰量方面在不同生活型植物生態效益、總生態效益以及單位面積生態效益，結果見表4、表5、表6。

表4 校園各主要功能區不同生活型生態效益

表5 校園各主要功能區總生態效益

表6 校園各主要功能區單位面積生態效益

校園各主要功能區不同生活型生態效益見表4，由表4 可知，教職工住宅區在產氧量與吸收二氧化碳量方面，常綠植物發揮的生態效益是落葉植物的14 倍，體育運動區達到了13 倍，其它區域均在7倍以上；在吸收二氧化硫量、滯塵量、夏季蒸騰量方面，教職工住宅區常綠植物發揮的生態效益是落葉植物的8 倍，其它區域均達到了4 倍?？梢?，常綠植物在產氧量、吸收二氧化碳、吸收二氧化硫、滯塵、夏季蒸騰量方面發揮的作用都比落葉植物大，這是因為常綠植物三維綠量的貢獻率比落葉植物大。

校園各功能區總生態效益見表5，由表5 可知，教職工住宅區提供的生態效益最多，這是因為該區在植物種類、植株數、高大喬木數量等方面比較占優勢。在產氧量、吸收CO2量、吸收SO2量、滯塵量、夏季蒸騰量方面，各功能區排序為教職工住宅區>休閑游憩區>教研文化區>學生住宿區>體育運動區。

校園各主要功能區單位面積生態效益見表6，由表6 可知，單位面積產生的生態效益，依然是教職工住宅區最高，其次是休閑游憩區。在單位面積產氧量、吸收CO2量、吸收SO2量、滯塵量、夏季蒸騰量方面，教職工住宅區>休閑游憩區>體育運動區>學生住宿區>教研文化區。教研文化區單位面積生態效益最低與其產生的單位面積綠量有關。

2.3 校園綠地生態效益價值分析

對照表1 綠化環境生態效益價值估算方法，計算得出各功能區的年生態效益價值見表7。

由表7 可以看出各個功能區總生態效益價值，教職工住宅區（41.97 萬元）最大，體育運動區（6.15萬元）最小，原因是功能區總綠量和總生態效益教職工住宅區最大、體育運動區最小。5 個功能區綠地面積為25.3806 hm2，總生態效益價值達185.46萬元，每公頃綠地生態效益價值為7.31 萬元。教職工住宅區對總生態效益價值的貢獻率最大，達41.57%，這是因為該區的單位面積綠量和單位面積生態效益均大。各功能區總生態效益價值的貢獻主要來源于產O2量、吸收CO2量、滯塵量和夏季蒸騰量，吸收SO2量的生態效益價值很小，產生這種情況的原因是空氣中SO2含量少，每1 萬m3綠量吸收SO2量僅為30.3 kg，吸收能力有限。各功能區總生態效益價值排序為教職工住宅區>休閑游憩區>教研文化區>學生住宿區>體育運動區。同一功能區各生態效益價值相同，均為吸收CO2量>產O2量>夏季蒸騰量>滯塵量>吸收SO2量。

各功能區單位面積生態效益價值見圖3，由圖3 可知，教職工住宅區單位面積生態效益價值最高，教研文化區最低，這與單位面積綠量和單位面積生態效益成正相關。在所研究的5 種生態效益中，樹木在產氧量和吸收二氧化碳方面產生的生態效益價值遠遠大于其他3 種生態效益產生的價值，說明林木的光合作用為環境提供了重要價值。各功能區單位面積生態效益價值排序為教職工住宅區>休閑游憩區>體育運動區>學生住宿區>教研文化區；單位面積的生態效益價值不同功能區排序相同，均為吸收CO2量>產O2量>夏季蒸騰量>滯塵量>吸收SO2量。

圖3 各功能區單位面積生態效益價值

3 結論

基于激光點云的不規則三角網法能為校園三維綠量定量研究和動態監測提供技術支持。本研究使用無人機載激光雷達系統配合手持式地面激光掃描系統獲取校園主要功能區綠地樹木的三維激光點云數據，采用柵格法對點云數據進行精簡處理，并進一步提取冠層，最后運用不規則三角網法計算樹木的三維綠量，實現了主要功能區綠地三維綠量的定量化分析。

三維綠量大小與研究區的植物種類、植株數量與大小、喬灌比、常綠落葉比、區域面積、郁閉度等因素密切相關。校園綠地總體三維綠量為589626.771 m3，在校園總體三維綠量中，教職工住宅區三維綠量所占比重最大，達到240616.993 m3，占總綠量的40.81%，5 個功能區三維綠量大小為教職工住宅區>休閑游憩區>教研文化區>學生住宿區>體育運動區。單位面積三維綠量最大同樣為教職工住宅區，達6.697 m3，其次為休閑游憩區，達到3.793 m3，其它3 個區在1 m3左右，各功能區排序為教職工住宅區>休閑游憩區>體育運動區>學生住宿區>教研文化區，上述結論與現場調研一致。教職工住宅區與休閑游憩區總三維綠量與單位面積綠量均大，研究表明兩個區域的植物種類比較豐富，植株數較多，以高大常綠喬木為主，郁閉度高，因此提供的綠量較大。而植株數量占比第二多的教研文化區總三維綠量及單位面積綠量均低，主要是因為區域的擴建，綠地面積增大，植物體量偏小導致，建議后期加強綠地的養護管理，提高植物增加三維綠量的潛力。

綠地生態效益及生態效益價值與三維綠量成正相關，三維綠量越大，其對應的生態效益及生態效益價值就越大。從5 個功能區的5 種生態效益來看，具體表現為：各功能區總三維綠量、總生態效益及其總生態效益價值均為教職工住宅區>休閑游憩區>教研文化區>學生住宿區>體育運動區；各功能區單位面積三維綠量、單位面積生態效益、單位面積生態效益價值均為教職工住宅區>休閑游憩區>體育運動區>學生住宿區>教研文化區。就生態效益及生態效益價值而言，常綠樹種>落葉樹種；喬木>灌木>草本。校園綠地在后期的改建、擴建中，注意考慮這些因素將可以產生更大的生態效益和生態效益價值。

綠地單位面積固碳釋氧價值占生態效益價值比重較大。教研文化區、教職工住宅區、學生住宿區、體育運動區、休閑游憩區的單位面積固碳釋氧價值占生態效益價值比重分別為77.53%、77.61%、77.53%、77.59%、77.50%。說明樹木具有極強的固碳釋氧能力，能夠給校園綠地帶來巨大的生態效益。建議在校園綠地中多種植固碳釋氧能力強的常綠喬木，如香樟、廣玉蘭、桂花、石楠等，既可以提高綠地三維綠量，同時增強綠地固碳釋氧能力。

4 討論

本研究使用無人機載激光雷達系統配合手持式地面激光掃描系統獲取綠地區域內樹木的三維點云數據，根據不規則三角網法計算樹木的三維綠量與傳統以測樹學為基礎的冠幅-冠高幾何模型描述冠型計算三維綠量相比，可以消除因實際冠型多樣，難以精確匹配冠幅-冠高幾何公式的顧慮。同時，運用不規則三角網法計算三維綠量時無需考慮樹形，減少了人為誤差，但對于郁閉度較高的區域精確度有待進一步研究。使用手持式地面激光掃描系統配合無人機載激光雷達系統共同完成三維點云數據的獲取，可以提高捕捉林下垂直結構信息的準確度。本研究采用人工識別樹種，工作量較大，有待進一步加強樹種識別算法工作，以期實現綠地三維綠量的全自動化計算。

關于三維綠量與生態效益相關性研究，蘇津對泉州市 3 個城市公園植物群落三維綠量及生態效益進行了評估，董艷杰等基于三維綠量對上海郊野公園的林分進行了生態效益測算與分析，相關研究成果均表明：綠地三維綠量的大小與植物種類、常綠落葉比等密切相關；三維綠量越大，其對應的生態效益與生態效益價值就越大，這與筆者研究結果一致。研究表明，單位面積綠量達3.87 m3以上時，能改善空氣總懸浮顆粒物（TSP）污染的情況［18］，單位面積綠量達3 m3以上能最大限度地發揮氣溫調控功能［2］?？梢?，三維綠量是影響植物群落發揮生態效益最大化的重要因子，單位面積三維綠量越高，改善綠地環境的能力就越大。在研究的5 個功能區中，僅有教職工住宅區和休閑游憩區單位面積綠量達標。針對現狀，建議從優化喬灌比例、篩選抗性強的高大常綠喬木種類等角度入手，提高綠地固碳釋氧能力、夏季蒸騰降溫增濕效應、抗二氧化硫及滯塵能力，最大限度提高綠地整體生態效益。