城市公园碳汇计量中RTK 多光谱遥感技术的应用研究

周恩生，魏维轩，王 南*

（1 南京工业大学建筑学院，江苏南京 211816；2 上海济致建筑规划设计有限公司，上海虹口 200072）

全球变暖为主要特征的气候变化是全球经济面临的重大风险之一。塑造低碳、韧性的经济发展模式是实现可持续发展面临的重大命题。2020 年9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，我国力争于2030 年前二氧化碳排放达峰，努力争取2060 年前实现碳中和。此后，碳达峰目标和碳中和愿景在多个重大国际场合被反复重申并强调要坚决落实。近期召开的中央经济工作会议更是明确将“做好碳达峰、碳中和工作”确定为八项重点任务之一。实现碳中和主要有两种途径：一是节能减排；二是增加生态碳汇（目前以森林碳汇为主）。

《The World Cities Report（2016）》指出，目前大多数人口（54.5%）生活在城市地区，这种现象预计在未来几年持续增加，到2030 年，全世界27%的人集中在人口至少100 万的城市[1]。陈钦等[2]通过调查问卷、现场访谈，获知大部分受访者愿意投资具有使用功能的碳汇林。面对逐渐增多的城市人口，城市公园既是城市居民日常游戏、健步炼体的免费场所，又在固碳和存量方面发挥着关键作用，实现城市公园植被碳汇估测，是现代低碳城市建设的重要抓手[3-5]。

1 城市公园碳汇研究现状

在过去的250 年，城市发展带来的基础设施建设及土地利用方式改变，使得世界各地很多自然绿地消失。虽然陆地生态系统延缓全球气候变暖的能力被高估，但森林仍是普遍认可的最为重要的碳汇[6]。

城市绿地系统拥有固碳释氧、调节城市小气候的重要作用[7-8]。黄土高坡曾是国内重要的碳汇，经过长期的、缓慢的砍伐侵蚀，黄土高坡陷入缺水少绿的地步，针对如此现状，刘滨谊[9]、王南[10-11]等从水、绿、人三要素分析，蓄水造林，以期恢复黄土高坡绿树成荫，改善人居环境。从黄土高坡形成的历史教训中可以了解到对森林碳汇的监测、管理的重要性。

目前，城市公园植被种类繁多、分布复杂，植被碳汇计量相对困难，导致现在针对城市公园碳汇计量的研究相当匮乏。

2 国内外林业碳汇研究现状

2.1 国外林业碳汇发展政策

2.1.1 新加坡。据估测，新加坡90%红树林已消失，森林固碳远远不足以抵消巨大的碳排放量。为此，新加坡开展了绿色城镇计划，已设法使公屋每年的能源消耗减少10%。房屋建设发展局计划通过“绿色城镇计划”，到2030 年，每年的能源消耗再减少15%。根据新加坡国家公园局CUGE 研究中心的研究报告，提出了对于当地常用乔木的种类、树龄、尺寸的固碳能力的基本参数指标，从而为快速统计计算城市林地的碳汇能力提供了计算依据[12]。

2.1.2 英国。2019 年，英国新修订的《气候变化法案》生效，正式确立到2050 年实现温室气体“净零排放”，即碳中和。①建筑材料更替。对于建筑用木材，有可能增加可持续锯材的数量，从而使房屋和非住宅建筑物中新的英国建筑物中的年度碳固存增加。②树木种植计划。英国计划通过既定的自然方法迅速提高植树率，如每年种植面积增加3 万hm2，固碳总值将在十年内增加约5t CO2，以满足英国“净零”计划。除此之外，配合与碳捕集与封存（BECCS）一起使用。③农业碳汇。英国农业“核心”措施主要专注于降低碳排放。主要途径为依靠减少农作物、土壤和牲畜的碳排放。英国“净零排放”计划利用此核心措施，将2050 年的碳排放量降低15%，包括农场在内的核心造林措施可以比2017年减少31%的碳排放量。

2.1.3 德国。德国政府统计发现，森林保护和可持续森林管理是减少温室气体排放的一种适当且具有成本效益的方式。《Climate Action Plan 2050》中详细介绍了德国《气候行动计划》战略中关于碳汇相关政策，主要包含森林木材保护、永久性草地与天然林保护、泥炭地保护三大目标。同时，在农业方面，通过加强森林管理、增加有机农地占比、提高食品等有机物的利用率来实现对气候环境的保护。

2.2 国内林业碳汇计量现状

目前，国内碳汇标准化成果极为丰富，主要集中在森林、湿地、低碳城区、碳金融等领域。碳汇是一项系统工程，涉及城乡各类生态系统（森林、湿地、农田、绿化等），目前湿地、农田、绿化等领域对碳汇监测、计量与评估的研究极多，但尚未正式发布专门的碳汇标准化成果，给碳中和研究工作带来诸多不便，是未来碳汇标准化研究应重点突破的短板。多光谱遥感技术运用广泛，多集中于地质灾害管理、矿产资源、城市建设、海洋领域、气象、农业管理、环境检测等，然而，遥感技术多用于国家森林公园的检测，城市公园等绿地系统少见使用。

3 林业碳汇检测计量研究

3.1 碳汇计量方法研究

生物量法、蓄积量法、涡旋相关法、驰豫涡旋积累法、箱式法及森林土壤碳测定法，是森林碳汇估测的6种传统方法[13]。多年来，国内学者针对特定森林生态系统选用适宜的估算方法完成了碳汇计量。但森林生态系统树种丰富，在衡量森林封碳能力时，需要考虑的影响因素太多，目前仍缺少有效的计量方式。陈先刚[14]、张煜星[15]在森林资源清查资料的基础上，结合国内外研究经验，构建森林碳储量变化模型，能清晰地展示各区域森林碳汇变化，但该方法仍存在局限性，需要更深入、细致的研究。顾凯平等[16]运用植物分子式分析法，确定树种含碳量，并借此估算森林碳汇，该计量方式简单易行，但未考虑森林树种多样性、树木生长阶段及习性等重要影响因素。龙飞等[17]提出云模型、云理论，选用期望值（Ex）、熵（En）和超熵（He）3 个参数，来衡量森林生态系统碳汇变化，但森林生态多样性和物种丰富性，使碳汇估算产生偏差。

3.2 森林固碳能力影响因素分析

森林生态系统的固碳能力与植被数量和物种丰富度密切相关，这也使得植物群落固碳能力的量化指标选择难以确定[18]。对此，Wang 等[19]在研究中阐述了城市植被碳储量估测仍存在4 个主要问题：①参数选择——哪些参数可以有效地表明不同类型植物的碳储量；②植物群体固碳能力——各种植物形态下如何定量估算总碳储量；③阈值选取——采样阈值的选择对树木地上碳（Tree Aboveground Carbon,AGC）估值的可靠性有何影响；④树种封碳能力——什么树种固碳能力更强。

除上述因素，Zhao 等[20]发现，气候变化对全球森林生态系统植被和土壤总碳储存的影响是积极的，在2006-2011 年期间显示出明显的增长。顾韩等[21]以寒地植被群落为研究对象，测算植被的生物量，得出结论：①木本植物碳汇高于草本植物；②同树种、成年期树木的固碳能力更优。程路明等[22]以云杉为研究对象，模型模拟云杉光合作用，发现日照变化和季节更替直接影响树木碳汇，植物通常在碳源与碳汇间转换。

4 多光谱遥感技术研究进展

4.1 RTK 多光谱遥感技术

光谱分析监测操作方便、数据分析快、灵敏度高，随着技术、仪器的发展，光谱技术已广泛应用于地质、冶金、农业、医药、环境保护等领域。RTK（Real-Time Kinematic）载波相位差分技术，结合遥感技术，能够实现野外厘米级定位精度的实时测量数据获取，并通过数据处理、分析，进而获取目标对象属性、空间分布特征或时空变化规律，具有宏观观测能力强、动态监测优势明显、探测手段多样、数据量大、数据具有综合性与可比性。

4.2 多光谱遥感技术应用现状

1970 年，部分国家出现了多光谱摄影技术，通过使用几台摄影机的光谱段，对同一摄影对象同时摄影，然后将拍摄到的几张底片用光学技术合成彩色影像[23]。为获取高精度遥感影像，黄峰[24]、王书涛[25]、成飞飞[26]、Li 等[27]，提出光谱图像融合，用以提高多光谱图像的分辨率。图像分割是高分辨率图像面向对象分析的重要步骤，对信息提取的准确性起着重要作用。改进超像素、标记分水岭的图像分割可提高高分辨率遥感图像面向对象算法分割性能[28]。程三友等[29]提出的高分辨率遥感图像几何精校正技术方法，提高了野外地质填图的工作效率。截至2018 年11 月，中国运营或所有在轨活跃卫星280 颗，其中遥感卫星134 颗，占比47.86%[30]。

随着高新技术的发展，遥感技术监测范围广、时效性强，逐渐广泛应用于林业与农业监测[31]。通过无人机监测，能实时观测农作物长势，便于及时发现问题、解决问题，同时在农作物产量的估算上具有极大的应用潜力[32]。2021 年，程浩[33]、宋勇[34]、石涛[35]使用无人机动态监测农作物冠层叶绿素含量，用于病虫害预警、农作物生长检测。遥感技术运用于森林植被监测，可实现植被威胁区域山火预警[36]。王南等[37-38]以海南日月湾冲浪旅游度假区为研究基地，采用Gopro、Actigraph 三维加速度传感器、无人机等设备客观记录了冲浪游客行为，并采用游客画像法，从冲浪者运动行为角度提出冲浪度假区的量化指标。

5 RTK 多光谱遥感技术在城市公园碳汇估测中的应用

5.1 抓取城市公园植被精确数据

公园的种植种类多、分布复杂、生长状况不一，计算方式较为复杂。通过RTK 多光谱遥感技术，能实现城市公园的全方位监测，实时获取不同植被的相关数据。

5.2 建立多光谱遥感植物数据库

多光谱遥感的组合分析，可以同时研究不同植被类型、植被生长情况与植被健康状态，从而建立多光谱植被质量评价数据库。

5.3 构建公园绿地多光谱碳汇量化估测模型

通过对公园绿化规模、植被组合特征、植被覆盖度、植被生长状况、各类植物的固碳能力、城市热岛效应、养护管理等相关驱动因素进行分析，结合适用于遥感数据的碳汇计算的GLO-PEM（Global Production Efficiency Model）模型、简单的生物圈模型SIB2（Simple Biosphere Model,Version 2）、CASA 模型与森林生态系统碳收支模型（FORCCHN），构建适用于公园尺度与植被特征的多光谱碳汇估测模型。

6 结语

森林植被碳汇作用受到各国政府、研究部门广泛关注。城市公园是城市居民亲近自然的理想媒介，城市公园植被的碳汇作用在低碳城市建设中占据重要地位。运用RTK 多光谱遥感技术，实时获取城市公园植被的精确数据，构建公园绿地多光谱碳汇量化估测模型，可为未来各类城市公园绿地系统展开高效率高精准的公园多光谱数据采集与碳汇量化估测提供依据。