基于街景图像的街道绿化质量综合评价——以南京市为例

童 鸣 佘江峰

（南京大学地理与海洋科学学院，自然资源部国土卫星遥感应用重点实验室，江苏省地理信息技术重点实验室，江苏 南京 210023）

0.引言

随着城市化进程加快，绿化建设已经成为提升城市环境质量的重要一环，绿色植被能有效缓解空气污染、噪音污染、热岛效应[1,2]等环境问题。街道作为城市居民活动的主要场所，其绿化水平的高低能一定程度上提升居民的步行体验和身心健康[3]。前人对于城市绿化水平的评价一般通过遥感影像提取植被覆盖度[4]获得，但这种评价方法基于俯视视角，仅能反映街道的水平绿化程度，与行人对街道绿化的感受有较大差异。而“绿视率”（Green View Index, GVI）指标可以从行人视角量度街道绿化水平，使得对城市街道绿化的评价结果更贴近人类感受，成为街道绿化评价的新兴方法。

传统绿视率测量方法使用图像处理软件，人工提取街道现场拍摄照片中的植被像素，计算出绿色植被的比例[5,6]。这种方法精度较高，但数据获取和绿视率计算过程费时费力，且研究区域局限于较小范围。随着街景图像出现及计算机视觉技术的发展，绿视率的计算效率显著提高，处理范围可扩展到单座城市甚至多座城市。街景图像的拍摄角度接近人类视角，能较好地还原行人在街道上的视觉感受，覆盖范围广[7]，数据获取便捷，成本低，为大范围的街道绿化评价提供了可能。如Long[8]等人利用街景图像评价了国内245 座主要城市中心区域的绿视率，陈明[9]等人基于街景图像评价了武汉市绿视率与城市用地类型及绿化覆盖率的关系，郝新华[10]等人利用街景图像评价了成都市的街道绿化水平及其与道路等级、地块性质等因素的关系。但鲜有学者进行旧城区和新城区的街道绿化对比研究，由于新旧城区的建设时代和规划理念不同，对两者分别进行绿化评价，对提升各自的街道绿化质量具有借鉴意义。此外，绿视率指标仅能测量绿化量的大小，而许多城市的街道绿化带存在植物群落层次单一的问题，一些道路的植物配置缺乏层次，只有乔木层，没有灌木层和草木层的复层结构[11]，视觉效果较差，导致景观单调乏味。乔、灌、草的均衡搭配，可以构成复杂的群落结构，有利于光能的充分利用及多样化植物景观的营造[12]。因此，本文针对街道绿化提出植被层次性指标，用于定量研究街道绿化带中植物配置的层次性问题。

本文基于街景图像计算了南京市主城区的街道绿视率，并分析了内城与新城的绿视率空间分布差异，以及不同道路等级的绿视率差异。将绿视率与植被层次性指数结合，对街道绿化质量进行综合评价。研究结果可以为南京市道路绿化带景观的提升提供参考。

1.研究区域概况

研究区位于南京市主城区范围，包括鼓楼区、建邺区、玄武区、秦淮区和雨花台区东北部，总面积约为408.24km（2如图1 所示）。其中内环线以内的地区称为内城，内环线以外的地区称为外城，河西新城简称为新城。

图1 研究区

2.数据与方法

2.1 数据预处理

使用OpenStreetMap（OSM）作为研究区路网数据源。根据OSM 的道路类型属性，选取6 种类型的道路，即快速路、主干路、二级道路、三级道路、居民区道路和生活性道路。由于OSM 的分类标准与国内道路的分级标准不同，将这些道路重新分为快速路、主干路、次干路、支路4 个等级（如表1 所示），各道路级别的路段数量、总长度、参考红线宽度（如表2 所示）。为减少空间误差对样本点选取造成的影响，对照腾讯地图底图对部分道路的位置和拓扑问题进行修正，将所有道路合并为单线，并沿每个道路交叉口进行道路打断操作。根据行人的视线范围，沿路网每隔50m 选取街景样本点，并计算样本点的地理坐标。街景数据来源于腾讯地图应用程序接口（Application Program Interface，API）服务，通过请求图片大小、坐标位置、偏航角（heading）、俯仰角（pitch）及开发者密钥（key）等参数获取街景图像。将图片大小设置为600x600（px），坐标位置通过样本点计算得到，偏航角设置为 00、600、1200、1800、2400、30006 个方向，俯仰角设置为默认值（00）。共获取街景图像有效样本点21045 个，拍摄年份以2014 年、2015年为主。

表1 OSM 道路分级和国标道路分级对应关系

表2 道路等级及其参数

2.2 植被提取方法

本文选用图像语义分割框架PSPNet[13]从街景图像中提取植被。图像语义分割是一种基于卷积神经网络的计算机视觉技术，它可以将原始图像中的每一个像素标注为对应的类别，如树木、天空、道路等，实现对图像特定区域的语义识别。常用的语义分割框架有FCN、SegNet 和PSPNet 等，其中PSPNet 精度较高，适用于基于街景图像的植被自动化提取。本文使用的是PSPNet的tensorflow 版本，使用Python 语言编写，为每一张街景图片生成语义分割结果图。在结果图中，每一种颜色代表一种类别，通过RGB 值查找出代表植被的颜色，即可提取出图像中代表植被的像素（如图2 所示）：

图2 街景原图和语义分割结果

2.3 绿化指数计算

本文使用的绿化指数主要有两种：一种是绿视率；另一种是植被层次性指数。绿视率定义为行人视角范围内看到的绿色植物占全部场景元素的比例，即在街景图像中植被所占的像素数与图像的总像素数之比，其计算公式[14]如式（1）所示：

植被层次性指数用于衡量绿化带中乔木层、灌木层和草本层搭配的平衡性，这里使用香农—威纳（Shannon—Wiener）指数衡量。Shannon—Wiener 指数[15]源于信息理论，通常用于衡量群落中物种多样性的高低。将Shannon—Wiener 指数应用于街道绿化带上，可以用来评价绿化层次性的高低。绿化层次性SVH（Street Vegetation Hierarchy）的计算公式如式（2）及式（3）所示：

3.街道绿化评价结果与分析

3.1 绿视率空间分布特征及区域比较

通过计算街道上各样本点绿视率的平均值得到各街道绿视率的空间分布（如图3 所示），其中绿化较好的道路主要集中在3 个区域：城东紫金山及明故宫附近道路（A），城南雨花台风景区附近道路（C）及城西秦淮河西岸道路（B）。绿化较差的街道主要分布在两大火车站附近道路（DG），内城道路，新城南部道路（F）及城东白下工业园区道路（E）。整体上呈现出内城绿视率较低，外城绿视率较高的分布格局，但外城边缘地带绿视率较低。

图3 主城区绿视率分布

图4 内城绿视率分布

表3 内城主要道路绿视率

提取南京市内环线以内区域，得到南京市内城的绿视率空间分布（如图4 所示），并标注了快速路、主干路和次干路的道路名称。得到内城大于2km 道路的绿视率排名（如表3 所示），前十名中有八条道路列于《南京市首批林荫道名单》[16]中，证明了本文方法计算绿视率的准确性。可以看出内城的主干道绿视率较高，次干路中绿视率较高的主要有建邺路、上海路、广州路等。由图4 可看出，大部分支路（图4 中未标注名称道路）的绿视率水平不佳，仅在汉中路以北、中山路以西地区（图4 中a 点）绿视率较好。中山路—中山南路以东区域（图4 中b 点、c 点）绿视率较低，需要适当提升该地区的街道绿化水平。

各行政区的绿视率平均值及标准差，以及各绿视率级别所占的比例（如表4 所示）。各行政区的平均绿视率从高到低分别为玄武区、鼓楼区、建邺区、雨花台区、秦淮区，标准差从高到低分别为玄武区、雨花台区、鼓楼区、建邺区、秦淮区。建邺区、玄武区和鼓楼区的道路中达到“一般绿”等级及以上的超过半数，“非常绿”等级道路占比最多的为玄武区，“绿”等级道路占比最多的为鼓楼区，“一般绿”道路占比最多的为建邺区。结合图3 可以看出，玄武区达到“绿”和“非常绿”的道路主要位于紫金山及其以南片区，而其他片区绿视率等级较低，这导致了玄武区的绿视率均值和标准差都较高。鼓楼区绿视率较高的道路主要位于其西南部，尤其是秦淮河沿岸道路绿视率很高，而该区东北部道路绿视率较低。建邺区中北部道路绿视率要高于其南部道路。秦淮区仅在其东北部靠近紫金山风景区的地区有少量绿视率较高的道路，而其他地区绿视率较低。雨花台区北部道路绿视率较高，因为这些道路位于雨花台烈士陵园周边，而南部靠近火车站地区绿视率则较低。

表4 各行政区绿视率统计

3.2 不同道路等级的绿视率对比

不同等级的道路，有着不同的道路宽度和绿化带布置，因此绿视率水平会有差异。本文分别计算了南京市主城区、内城和新城中不同等级道路的平均绿视率（如表5 所示）。主城区快速路的绿视率较低，而其他等级道路的绿视率水平相近。除快速路外，内城的主干路绿视率较高，支路绿视率较低；而新城的主干路绿视率较低，支路绿视率较高。三类区域中，快速路的绿视率均为最低，这是因为快速路的宽度较大，植被离观察者距离较远，导致其在视野中的占比较低；此外，快速路多为交通用途的道路，对开阔性要求较高，不适合冠幅较大的乔木种植。在内城范围的道路中，主干路绿视率最高，这与内城主干路两侧种植冠幅较大的悬铃木有关，不少主干道为南京市典型的林荫大道。内城的支路绿视率较低，这些道路较为狭窄，且年代久远，可利用空间有限，植被的种植相对较少。新城的主干路绿视率较低，这是因为新城的主干路相比于内城更加宽阔，且植被的生长年龄都不长。而新城次干路和支路的绿视率均高于内城，尤其是支路，相比内城有更多的植被种植空间。

表5 主城、内城和新城不同级别道路的平均绿视率对比

3.3 街道绿化质量综合评价

为了对街道绿化的质量进行综合评价，结合街道绿视率和植被层次性两种指标，将绿化质量分为四级，评价标准（如表6 所示）。一级街道植被较为充足，且上下层绿化搭配均衡；二级街道植被较为充足，但以乔木为主，缺乏下层绿化；三级街道植被较少，上下层绿化均有配置；四级街道植被较少，且缺乏下层绿化。

表6 街道绿化质量等级表

图5 街道质量分布

道路绿化质量等级一级到四级的分布图（如图5所示）。一级道路在内城的分布较少，而在新城中北部分布较多；二级道路则以城市中北部街道为主，在内城分布较多，而在新城分布较少；三级道路分布较为分散，其中新城南部、南京南站和白下工业园区的分布较为集中；四级道路主要分布在城市中北部，其中内城占了较大比重，而在新城的分布数量稀少。

表7 各道路等级街道质量分级统计

对于不同等级的道路，得到四种街道绿化质量的比例（如表7 所示）。快速路中三级道路较多，其次是一级道路，其他级别的道路较少；主干路中一级和三级道路较多，其次是二级道路，四级道路较少；次干路中一级道路最多，之后是三级道路和二级道路，四级道路较少；支路中二级道路最多，随后依次为四级道路、三级道路和一级道路。

结合实验结果，可以得出以下结论：（1）新城区中北部道路绿化适宜，且能兼顾上下层绿化的平衡，而在紫金山以南片区、雨花台片区、龙江片区和内城的一些道路，虽然绿视率较高，但下层植被较为缺乏；（2）一些交通型道路，如城市快速路、工业园区道路、火车站附近道路，以草地和灌木等下层绿化为主，绿视率相对较低；（3）内城道路普遍存在缺乏下层绿化的问题，但主干路和次干路绿视率较好，以二级道路为主，而支路则多为四级道路，绿化质量需要加强。

4.结束语

本文使用腾讯街景数据和语义分割技术对南京市主城区的街道绿视率进行自动化估算，并应用GIS方法分析了绿视率的空间分布规律。将植被层次性指数应用在街道绿化上，评估各街道绿化带上下层绿化的均衡性。探索了街道绿化在内城与新城，以及不同道路等级上的差异，总结出不同城市区域和道路等级的绿化特征，得出以下几点结论：

（1）总结出绿视率较高的三大区域：城东紫金山及明故宫周边，城南雨花台风景区及城西秦淮河西岸片区。这几大片区的特点是依山傍水，或者毗邻历史文化游览区，这符合南京“山水城林”的城市特点。但作为南京市核心区域的内城，街道绿化仍然需要提升，绿化水平较高的道路仅限于中山路、北京东路、汉中路等主干道，而以生活性用途为主的大量支路绿视率水平较低。支路是社区居民活动的主要场所，支路的绿化提升对于提高居民的步行体验具有重要的意义。由于内城支路空间狭小，难以种植大型乔木，可布置垂直绿化和种植箱绿化来提高绿视率。

（2）绿视率的高低和道路等级有显著的关联，快速路作为以交通用途为主的道路，需要较好的开阔度，因此在所有道路类型中绿视率最低。对于其他等级的道路，内城与新城呈现出相反的分布规律。内城的道路规划源自民国时期，一些主次干道两侧种植大量悬铃木，营造出“遮天蔽日”之感，因此绿视率较高，这些道路也是南京市林荫大道的代表。内城支路商铺众多，人流密集，空间狭小，绿化的改造比较困难。新城的各等级道路都会配置一定的绿化，但新城主干道往往较为宽阔，导致植被在视野中所占的比例会偏小；且新城树木栽种时间较晚，冠幅尚小，在较宽的道路上无法形成足够的绿视率。新城支路的绿视率受道路宽度的影响较小，且相比内城的支路有更多的植被种植空间。

（3）河西新城中北部的道路能较好地平衡上下层绿化，主城区中北部的道路需要缺乏下层绿化，而主城区南部的道路缺乏上层绿化。对于主城区中北部道路，在土地空间允许的情况下，可适当设置一些低矮灌木、草地等，增加下层绿化水平；对于主城区南部道路，大多需要较高的开阔度，种植乔木可能会影响行车视线。可以适当布置一些不影响视线的小型灌木，也可在高架桥桥墩和人行天桥侧面布置一些攀援植物，起到缓解司机和行人视觉疲劳的作用。