肖万娟 唐健灵 骆姚瑶

（广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004）

随着时代的发展，大学校园绿地对于大学人才培养所承载的功能也发生了新的变化，各种校园绿地。不仅为师生提供美学景观和休闲活动场所，更兼具固碳释氧、降温增湿等生态效益，能明显改善人居环境。众多研究表明，绿地生态效益的好坏与三维绿量有明显的相关性［1，2］。

三维绿量（living vegetation volume，LVV）又称绿化三维量，是指树木树冠所占据的空间体积，以m3来计算［3-5］。三维绿量作为城市绿化体系的第一个立体指标，可以更全面、更准确地分析校园绿化的环境效益以及校园绿化群落布局的合理性。朱文泉等［6］、周坚华［7］、刘常富等［8］以模拟方程法、平面量模拟立体量法、立体量推算立体量法等方法测算了上海、沈阳等城市整体的三维绿量，取得了良好的效果。随着科学技术的发展，韦雪花等［9］、王佳等［10］、杨全月等［11］、李肖肖等［12］、刘芳等［13］、徐伟恒等［14］以地面三维激光扫描仪、背包式激光雷达系统等获取树木点云数据，运用体元模拟法、台积法、凸包法、冠层叶面积密度法、不规则三角网TIN 的原理算法、不规则体切片分割累加算法等方法实现了树冠体积的自动化提取，进行了三维绿量的估算。与传统的野外实测结合“冠径—冠高—体积”公式计算三维绿量对比而言，基于树木点云数据的三维绿量估算更快捷有效、全面准确、符合实际。

目前国内对生态效益及其价值评估的研究多集中于省、市等大尺度，小尺度的大学校园绿地研究较少［1］。大学校园绿地存在植物种类多样，结构层次相对复杂等特点，开展大学校园绿地三维绿量与生态效益及其价值评估的融合研究，实现用生态经济学角度评估校园绿地生态效益及其价值，提高师生的环保意识，促进生态补偿机制的建立，为大学校园绿地的生态保护方案和可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

广西生态工程职业技术学院是国内首家以“生态”命名的高职院校，位于广西壮族自治区柳州市北部生态新区，创办于1956 年，是全国生态文明教育特色学校，曾获广西壮族自治区“绿色大学”、“森林校园”等称号。学校占地面积（含教学实验林场）1200 hm2，建成区面积52.07 hm2，现有绿地面积25.3806 hm2，绿地率48.75%，人均绿地面积14.47 m2。学校地处中亚热带向南亚热带过渡的季风气候区，温度适宜，日光充足，雨量充沛，绿化植物约283 种，隶属86 科194 属，构成绿地系统的优势绿化树种有八月桂（Osmanthussp.）、铁冬青（Lex rotunda Thunb）、洋紫荆（Bauhinia variegata L.）、罗汉松（Podocarpus macrophyllus（Thunb.）D.Don）、红花天料木（Homalium hainanense Gagnep.）假槟榔（Archontophoenix alexandrae（F. Muell.）H. Wendl.et Drude）、蒲葵（Livistona chinensis（Jacq.） R. Br.）、海南黄花梨（Dalbergia odorifera T.Chen）、木棉（Bombax ceiba L.）等。学校坚持生态优先、绿色低碳发展理念，努力创建国家AAAA 级旅游景区。

为研究方便，根据不同的使用功能将校园绿地分为6 个区，具体见图1，分别是1 教研文化区、2教职工住宅区、3 学生住宿区、4 体育运动区、5 休闲游憩区、6 后勤服务区（图1，6 区占比面积较小，仅点缀少量零星树木，不纳入此次研究范围）。

图1 功能分区图

1.2 无人机载激光雷达数据获取

1.2.1 无人机

使用大疆M300RTK 无人机平台挂载大疆禅思L1 激光雷达。大疆经纬M300RTK 无人机最大起飞质量9 kg，续航时间55 min，外形尺寸（长宽高）810 mm×670 mm×430 mm，飞行高度95 m，飞行速度：9 m/s。大疆禅思L1 大小（长宽高）152 mm×110 mm×169 mm，质量930±10 g，测量平面精度10 cm@50 m，高程精度5 cm@50 m，扫描速度最大480000 点/秒。

1.2.2 采集点云数据

于2022 年6 月23 日对校园5 个主要功能区内的乔、灌木进行点云数据采集，根据树木疏密程度、分布情况规划航线，航线具体参数：高度95 m，旁向重叠度50 %。部分树木密集区域使用单一无人机采集手段无法获取完整树冠数据，配合使用手持激光雷达从树下进行点云数据采集，并在控制点区域进行控制采集，用于后续坐标转换。

1.2.3 三维激光点云数据预处理

使用无人机激光及手持激光采集的GNSS 数据、惯导数据、SLAM 数据分别进行轨迹解算，再由点云原始数据通过轨迹数据进行融合结算得到点云数据，无人机采集的激光数据具备CGCS2000 坐标系统，手持激光数据通过转换参数进行坐标转换，将两套点云数据融合成一套数据，得到整个校园主要功能区绿地完整的点云数据成果。采用栅格法［15］对所得到的校园绿地点云数据进行精简处理，即通过构建基于长方体包围的三维体素栅格，选择每个小栅格容纳的点云个数，确定长方体内每个小栅格的边长及小栅格的重心，以其重心近似该小栅格周围的所有点云数据，所有体素化栅格处理完后得到精简点云。

1.2.4 树冠体积与三维绿量计算

以三维激光扫描获取的树木点云数据为数据源，采用不规则三角网（Triangulated irregular network，TIN）计算各功能区树冠冠体体积［13］。不规则三角网TIN 是将精简后的树木点云数据建立连续覆盖整个研究区域且互不交叉、互不重叠的不规则三角形网格，通过不规则三角形网TIN 原理方法直接实现树冠体积的自动计算，以此完成各功能区单株植物三维绿量的计算，此方法具有操作简单、效率高、适用性强的特点。

草地绿量由草坪面积乘以高度获得，由于草坪常修剪高度保持在5 cm，以此作为计算的高度。

1.3 树种数据的获取与处理

以校园内主要功能区的乔木、灌木为调查对象，利用无人机载激光雷达获取的三维点云影像（图2），确定树木树冠中心位置，生成X、Y、Z 地理坐标，在对每一株树木地理坐标定位基础上，进行校园绿地现场调查，进一步核实确认各个功能区的基本情况，包括各功能区绿地面积、乔灌木数量等指标。

图2 校园局部绿地三维点云影像图

1.4 生态效益及其价值计算

根据三维绿量计算结果，参考董艳杰等［1］、周坚华等［4］、苏津［16］总结的基于三维绿量的生态效益标准换算量，换算出植物的释放O2量、吸收CO2量、吸收SO2量、滞尘量、夏季蒸腾增湿量，以此评价各功能区校园绿地的生态效益。

参考《中国生物多样性国情研究报告》中森林释放O2、吸收CO2所消耗的成本计算各功能区绿地每年释放O2、吸收CO2的价值；根据《森林生态系统服务功能评估规范》［16］中吸收SO2和清理空气滞尘的费用标准，分别估算各分区绿地吸收 SO2和滞尘的价值。按照效益费用分析法［17］和董艳杰等［1］的做法，夏季蒸腾增湿量的成本用洒水车喷洒等量水的成本进行估算，设定柳州市的自来水价格为2.905 元/t，估算夏季蒸腾量，基于三维绿量的绿化环境效益标准换算量见表1。

表1 基于三维绿量的绿化环境效益标准换算量

2 结果与分析

2.1 校园绿地三维绿量空间分布特征

研究表明，桥、灌、草等不同生活型对绿地三维绿量有不同影响，其中乔木层，特别是高大的常绿乔木是绿地三维绿量的主要提供者。校园主要功能区基本情况见表2，由表2 可知，校园内研究区共有4018株乔灌木，常绿植物3389 株，占比84.35%，落叶植物629 株，占比15.66%；乔木2834 株，占比70.53%，灌木1184 株，占比29.47%。其中教职工住宅区植株数为1385 株，占比34.47%，为最高；其次是教研文化区，共有乔灌木1231 株，占比30.64%；体育运动区的乔灌木株数最少，仅为207 株，占比为5.15%。从常绿、落叶树种上看，5 个功能区均以常绿树种为主，教职工住宅区常绿树种占比最高，达88.45%，休闲游憩区常绿树种占比最低，也达80.03%。在乔灌木上，休闲游憩区乔木占比最高，达93.18%，体育运动区乔木占比最低，仅为43.48%。

表2 校园主要功能区基本情况

校园主要功能区三维绿量情况见表3，由表3 可知，校园主要功能区绿地三维绿量为589626.771 m3。在各功能区三维绿量中，教职工住宅区三维绿量为240616.993 m3，单位面积绿量为6.697 m3，占40.81%，比重最大。该区不仅植物株数多，且种类丰富，有121 种植物，以常绿植物为主，树木树冠庞大，生长茂盛，为教职员工的生活、休闲、养生提供了良好的环境。休闲游憩区总体三维绿量为157499.934 m3，单位面积绿量为3.793 m3，占比26.71%，排名第二。该区由树木园、小花园改造而成，植物129 种，以红椎、紫檀、智利南洋杉等高大乔木为主，成为了该区三维绿量的主要来源。教研文化区三维绿量134547.075 m3，单位面积绿量为1.019 m3，占比22.82%，排名第三，该区是学校的核心区域，因学生规模的增加扩建了区域面积，植物种类113 种，植株数也比较多，但新扩建的区域植株体量偏小，导致整体绿量及单位面积绿量相对偏低。学生住宿区三维绿量为37681.154 m3，单位面积绿量为1.188 m3，占比6.39%，整体绿量偏低。该区为学生大多数时间的生活区域，区域内的建筑以学生宿舍和食堂为主，植物种类仅为80 种，配置密度不高，层次不够丰富，植株相对矮小，导致三维绿量低。体育运动区植物种类仅为35 种，总三维绿量为19281.615 m3，单位面积绿量为1.532 m3，该区以灌木为主、乔木为辅营造开敞空间，有效起到滞尘、隔音及抗干扰效果。各功能区总体三维绿量排序为教职工住宅区>休闲游憩区>教研文化区>学生住宿区>体育运动区；各功能区单位面积三维绿量排序为教职工住宅区>休闲游憩区>体育运动区>学生住宿区>教研文化区。

在校园总体三维绿量中，乔木层三维绿量为564257.621 m3，占比95.70% ；灌木层三维绿量为20487.1003，占比3.47% ；草本层三维绿量为4882.052 m3，占比0.83%（图2）。可见，乔木是绿地三维绿量的主导力量，这与前人研究结论一致［1，16］。

图2 不同生活型三维绿量分析图

2.2 校园绿地生态效益状况分析

根据上述的绿量结果，按照表1 对应项目计算绿化环境生态效益，换算出各功能区绿地的产O2、吸收CO2、吸收SO2、滞尘量、夏季蒸腾量方面在不同生活型植物生态效益、总生态效益以及单位面积生态效益，结果见表4、表5、表6。

表4 校园各主要功能区不同生活型生态效益

表5 校园各主要功能区总生态效益

表6 校园各主要功能区单位面积生态效益

校园各主要功能区不同生活型生态效益见表4，由表4 可知，教职工住宅区在产氧量与吸收二氧化碳量方面，常绿植物发挥的生态效益是落叶植物的14 倍，体育运动区达到了13 倍，其它区域均在7倍以上；在吸收二氧化硫量、滞尘量、夏季蒸腾量方面，教职工住宅区常绿植物发挥的生态效益是落叶植物的8 倍，其它区域均达到了4 倍。可见，常绿植物在产氧量、吸收二氧化碳、吸收二氧化硫、滞尘、夏季蒸腾量方面发挥的作用都比落叶植物大，这是因为常绿植物三维绿量的贡献率比落叶植物大。

校园各功能区总生态效益见表5，由表5 可知，教职工住宅区提供的生态效益最多，这是因为该区在植物种类、植株数、高大乔木数量等方面比较占优势。在产氧量、吸收CO2量、吸收SO2量、滞尘量、夏季蒸腾量方面，各功能区排序为教职工住宅区>休闲游憩区>教研文化区>学生住宿区>体育运动区。

校园各主要功能区单位面积生态效益见表6，由表6 可知，单位面积产生的生态效益，依然是教职工住宅区最高，其次是休闲游憩区。在单位面积产氧量、吸收CO2量、吸收SO2量、滞尘量、夏季蒸腾量方面，教职工住宅区>休闲游憩区>体育运动区>学生住宿区>教研文化区。教研文化区单位面积生态效益最低与其产生的单位面积绿量有关。

2.3 校园绿地生态效益价值分析

对照表1 绿化环境生态效益价值估算方法，计算得出各功能区的年生态效益价值见表7。

由表7 可以看出各个功能区总生态效益价值，教职工住宅区（41.97 万元）最大，体育运动区（6.15万元）最小，原因是功能区总绿量和总生态效益教职工住宅区最大、体育运动区最小。5 个功能区绿地面积为25.3806 hm2，总生态效益价值达185.46万元，每公顷绿地生态效益价值为7.31 万元。教职工住宅区对总生态效益价值的贡献率最大，达41.57%，这是因为该区的单位面积绿量和单位面积生态效益均大。各功能区总生态效益价值的贡献主要来源于产O2量、吸收CO2量、滞尘量和夏季蒸腾量，吸收SO2量的生态效益价值很小，产生这种情况的原因是空气中SO2含量少，每1 万m3绿量吸收SO2量仅为30.3 kg，吸收能力有限。各功能区总生态效益价值排序为教职工住宅区>休闲游憩区>教研文化区>学生住宿区>体育运动区。同一功能区各生态效益价值相同，均为吸收CO2量>产O2量>夏季蒸腾量>滞尘量>吸收SO2量。

各功能区单位面积生态效益价值见图3，由图3 可知，教职工住宅区单位面积生态效益价值最高，教研文化区最低，这与单位面积绿量和单位面积生态效益成正相关。在所研究的5 种生态效益中，树木在产氧量和吸收二氧化碳方面产生的生态效益价值远远大于其他3 种生态效益产生的价值，说明林木的光合作用为环境提供了重要价值。各功能区单位面积生态效益价值排序为教职工住宅区>休闲游憩区>体育运动区>学生住宿区>教研文化区；单位面积的生态效益价值不同功能区排序相同，均为吸收CO2量>产O2量>夏季蒸腾量>滞尘量>吸收SO2量。

图3 各功能区单位面积生态效益价值

3 结论

基于激光点云的不规则三角网法能为校园三维绿量定量研究和动态监测提供技术支持。本研究使用无人机载激光雷达系统配合手持式地面激光扫描系统获取校园主要功能区绿地树木的三维激光点云数据，采用栅格法对点云数据进行精简处理，并进一步提取冠层，最后运用不规则三角网法计算树木的三维绿量，实现了主要功能区绿地三维绿量的定量化分析。

三维绿量大小与研究区的植物种类、植株数量与大小、乔灌比、常绿落叶比、区域面积、郁闭度等因素密切相关。校园绿地总体三维绿量为589626.771 m3，在校园总体三维绿量中，教职工住宅区三维绿量所占比重最大，达到240616.993 m3，占总绿量的40.81%，5 个功能区三维绿量大小为教职工住宅区>休闲游憩区>教研文化区>学生住宿区>体育运动区。单位面积三维绿量最大同样为教职工住宅区，达6.697 m3，其次为休闲游憩区，达到3.793 m3，其它3 个区在1 m3左右，各功能区排序为教职工住宅区>休闲游憩区>体育运动区>学生住宿区>教研文化区，上述结论与现场调研一致。教职工住宅区与休闲游憩区总三维绿量与单位面积绿量均大，研究表明两个区域的植物种类比较丰富，植株数较多，以高大常绿乔木为主，郁闭度高，因此提供的绿量较大。而植株数量占比第二多的教研文化区总三维绿量及单位面积绿量均低，主要是因为区域的扩建，绿地面积增大，植物体量偏小导致，建议后期加强绿地的养护管理，提高植物增加三维绿量的潜力。

绿地生态效益及生态效益价值与三维绿量成正相关，三维绿量越大，其对应的生态效益及生态效益价值就越大。从5 个功能区的5 种生态效益来看，具体表现为：各功能区总三维绿量、总生态效益及其总生态效益价值均为教职工住宅区>休闲游憩区>教研文化区>学生住宿区>体育运动区；各功能区单位面积三维绿量、单位面积生态效益、单位面积生态效益价值均为教职工住宅区>休闲游憩区>体育运动区>学生住宿区>教研文化区。就生态效益及生态效益价值而言，常绿树种>落叶树种；乔木>灌木>草本。校园绿地在后期的改建、扩建中，注意考虑这些因素将可以产生更大的生态效益和生态效益价值。

绿地单位面积固碳释氧价值占生态效益价值比重较大。教研文化区、教职工住宅区、学生住宿区、体育运动区、休闲游憩区的单位面积固碳释氧价值占生态效益价值比重分别为77.53%、77.61%、77.53%、77.59%、77.50%。说明树木具有极强的固碳释氧能力，能够给校园绿地带来巨大的生态效益。建议在校园绿地中多种植固碳释氧能力强的常绿乔木，如香樟、广玉兰、桂花、石楠等，既可以提高绿地三维绿量，同时增强绿地固碳释氧能力。

4 讨论

本研究使用无人机载激光雷达系统配合手持式地面激光扫描系统获取绿地区域内树木的三维点云数据，根据不规则三角网法计算树木的三维绿量与传统以测树学为基础的冠幅-冠高几何模型描述冠型计算三维绿量相比，可以消除因实际冠型多样，难以精确匹配冠幅-冠高几何公式的顾虑。同时，运用不规则三角网法计算三维绿量时无需考虑树形，减少了人为误差，但对于郁闭度较高的区域精确度有待进一步研究。使用手持式地面激光扫描系统配合无人机载激光雷达系统共同完成三维点云数据的获取，可以提高捕捉林下垂直结构信息的准确度。本研究采用人工识别树种，工作量较大，有待进一步加强树种识别算法工作，以期实现绿地三维绿量的全自动化计算。

关于三维绿量与生态效益相关性研究，苏津对泉州市 3 个城市公园植物群落三维绿量及生态效益进行了评估，董艳杰等基于三维绿量对上海郊野公园的林分进行了生态效益测算与分析，相关研究成果均表明：绿地三维绿量的大小与植物种类、常绿落叶比等密切相关；三维绿量越大，其对应的生态效益与生态效益价值就越大，这与笔者研究结果一致。研究表明，单位面积绿量达3.87 m3以上时，能改善空气总悬浮颗粒物（TSP）污染的情况［18］，单位面积绿量达3 m3以上能最大限度地发挥气温调控功能［2］。可见，三维绿量是影响植物群落发挥生态效益最大化的重要因子，单位面积三维绿量越高，改善绿地环境的能力就越大。在研究的5 个功能区中，仅有教职工住宅区和休闲游憩区单位面积绿量达标。针对现状，建议从优化乔灌比例、筛选抗性强的高大常绿乔木种类等角度入手，提高绿地固碳释氧能力、夏季蒸腾降温增湿效应、抗二氧化硫及滞尘能力，最大限度提高绿地整体生态效益。