Sử dụng dữ liệu LiDAR độ phân giải cao để định lượng cấu trúc ba chiều của thảm thực vật trong không gian xanh đô thị

Springer Science and Business Media LLC - Tập 19 - Trang 1749-1765 - 2016
Rhiannon J. C. Caynes1, Matthew G. E. Mitchell1, Dan Sabrina Wu1, Kasper Johansen1, Jonathan R. Rhodes1
1School of Geography, Planning and Environmental Management, The University of Queensland, Brisbane, Australia

Tóm tắt

Cách sắp xếp không gian và cấu trúc đứng của thảm thực vật trong các không gian xanh đô thị là những yếu tố chính quyết định loại lợi ích mà các công viên đô thị mang lại cho người dân. Điều này bao gồm cả cơ hội cho hoạt động giải trí, sự thỏa mãn tinh thần và bảo tồn đa dạng sinh học. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về cách phân bố cấu trúc không gian và đứng của thảm thực vật ở quy mô nhỏ trong các công viên đô thị, chủ yếu là do những hạn chế trong phương pháp thực hiện. Chúng tôi đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển một phương pháp sử dụng dữ liệu Phát hiện và Đo lường Ánh sáng (LiDAR) để lập bản đồ, với độ phân giải cao, về độ che phủ của cây xanh, sự sắp xếp không gian của thảm thực vật và cấu trúc đứng của thảm thực vật. Sau đó, chúng tôi đã áp dụng phương pháp này cho các công viên đô thị ở Brisbane, Australia. Chúng tôi nhận thấy rằng các công viên thay đổi chủ yếu về lượng độ che phủ cây xanh và sự sắp xếp không gian của nó, nhưng cũng về cấu trúc đứng của thảm thực vật. Điều thú vị là, cấu trúc đứng của thảm thực vật chủ yếu độc lập với độ che phủ và sự sắp xếp không gian của nó. Điều này gợi ý rằng cấu trúc đứng có thể đang được quản lý độc lập với độ che phủ cây xanh để cung cấp những lợi ích khác nhau cho các công viên đô thị với các mức độ che phủ cây khác nhau. Cuối cùng, chúng tôi đã phân loại các công viên thành ba lớp riêng biệt, xem xét rõ ràng cả cấu trúc không gian và cấu trúc đứng của độ che phủ cây. Cách tiếp cận của chúng tôi trong việc lập bản đồ cấu trúc ba chiều của thảm thực vật trong không gian xanh đô thị cung cấp một mô tả tinh vi và chức năng hơn về các công viên đô thị so với những gì đã có trước đây. Nghiên cứu trong tương lai hiện nay cần thiết để định lượng các mối quan hệ giữa cấu trúc thảm thực vật và những lợi ích thực tế mà con người thu được từ không gian xanh đô thị.

Từ khóa

#thảm thực vật đô thị #dữ liệu LiDAR #cấu trúc ba chiều #không gian xanh #công viên đô thị #thảm thực vật #bảo tồn đa dạng sinh học

Tài liệu tham khảo

Anderson BJ, Armsworth PR, Eigenbrod F, Thomas CD, Gillings S, Heinemeyer A, et al. (2009) Spatial covariance between biodiversity and other ecosystem service priorities. J Appl Ecol 46(4):888–896 Argüelles M, Benavides C, Fernández I (2014) A new approach to the identification of regional clusters: hierarchical clustering on principal components. Appl Econ 46(21):2511–2519 Armston JD, Danaher TJ, Scarth PF, Moffiet TN, Denham RJ (2009) Prediction and validation of foliage projective cover from Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ imagery. J Appl Remote Sens 3(1):033540 Atiqul Haq SM (2011) Urban green spaces and an integrative approach to sustainable environment. J Environ Prot 2(5):601–608 Australian Bureau of Statistics. (2015). National Regional Profile: Brisbane from http://stat.abs.gov.au/itt/r.jsp?RegionSummary&region=31000&dataset=ABS_REGIONAL_LGA&geoconcept=REGION&maplayerid=LGA2013&measure=ME Barbosa O, Tratalos JA, Armsworth PR, Davies RG, Fuller RA, Johnson P, Gaston KJ (2007) Who benefits from access to green space? A case study from Sheffield, UK. Landsc Urban Plan 83(2):187–195 Bjerke T, Østdahl T, Thrane C, Strumse E (2006) Vegetation density of urban parks and perceived appropriateness for recreation. Urban For Urban Green 5(1):35–44 Bolund P, Hunhammar S (1999) Ecosystem services in urban areas. Ecol Econ 29(2):293–301 Bradbury RB, Hill RA, Mason DC, Hinsley SA, Wilson JD, Balzter H, et al. (2005) Modelling relationships between birds and vegetation structure using airborne LiDAR data: a review with case studies from agricultural and woodland environments. Ibis 147(3):443–452 Brisbane City Council. (2006). Park Classification System Guide. Brisbane Brisbane City Council. (2014). Brisbane City Plan 2014. Brisbane. Cranz G (1982) The politics of park design. A history of urban parks in America. MIT Press, Cambridge, Mass Cranz G, Boland M (2004) Defining the sustainable park: a fifth model for urban parks. Landsc J 23(2):102–120 Culbert PD, Radeloff VC, Flather CH, Kellndorfer JM, Rittenhouse CD, Pidgeon AM (2013) The influence of vertical and horizontal habitat structure on nationwide patterns of avian biodiversity. Auk 130(4):656–665 Davies AB, Asner GP (2014) Advances in animal ecology from 3D-LiDAR ecosystem mapping. Trends Ecol Evol 29(12):681–691 Davies RG, Barbosa O, Fuller RA, Tratalos J, Burke N, Lewis D, et al. (2008) City-wide relationships between green spaces, urban land use and topography. Urban Ecosystems 11(3):269–287 Development Core Team R (2010) R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria Dobbs C, Kendal D, Nitschke C (2013) The effects of land tenure and land use on the urban forest structure and composition of Melbourne. Urban For Urban Green 12(4):417–425 Fischer J, Lindenmayer DB (2007) Landscape modification and habitat fragmentation: a synthesis. Glob Ecol Biogeogr 16(3):265–280 Fuller RA, Gaston KJ (2009) The scaling of green space coverage in European cities. Biol Lett 5(3):352–355 Fuller RA, Irvine KN, Devine-Wright P, Warren PH, Gaston KJ (2007) Psychological benefits of greenspace increase with biodiversity. Biol Lett 3(4):390–394 Gibb H, Hochuli DF (2002) Habitat fragmentation in an urban environment: large and small fragments support different arthropod assemblages. Biol Conserv 106(1):91–100 Gobster PH, Westphal LM (2004) The human dimensions of urban greenways: planning for recreation and related experiences. Landsc Urban Plan 68(2):147–165 Goddard MA, Dougill AJ, Benton TG (2010) Scaling up from gardens: biodiversity conservation in urban environments. Trends Ecol Evol 25(2):90–98 Goodwin NR, Coops NC, Tooke TR, Christen A, Voogt JA (2009) Characterizing urban surface cover and structure with airborne lidar technology. Can J Remote Sens 35(3):297–309 Gordon C, Manson R, Sundberg J, Cruz-Angón A (2007) Biodiversity, profitability, and vegetation structure in a Mexican coffee agroecosystem. Agric Ecosyst Environ 118(1):256–266 Han W, Zhao S, Feng X, Chen L (2014) Extraction of multilayer vegetation coverage using airborne LiDAR discrete points with intensity information in urban areas: a case study in Nanjing City, China. Int J Appl Earth Obs Geoinf 30:56–64 Helzer CJ, Jelinski DE (1999) The relative importance of patch area and perimeter-area ratio to grassland breeding birds. Ecol Appl 9(4):1448–1458 Höfle B, Hollaus M, Hagenauer J (2012) Urban vegetation detection using radiometrically calibrated small-footprint full-waveform airborne LiDAR data. ISPRS J Photogramm Remote Sens 67:134–147 Holm S (2000) Use and importance of urban parks. Forest & Landscape Research-Forskningscentret for Skov & Landskab 28:284 Huang Y, Zhou J, Hu C, Tan W, Hu Z, Wu J (2013) Toward automatic estimation of urban green volume using airborne LiDAR data and high resolution remote sensing images. Frontiers of Earth Science 7(1):43–54 Husson F, Josse J, Pages J (2010) Principal component methods-hierarchical clustering-partitional clustering: why would we need to choose for visualizing data. Agrocampus Quest. https://cran.rproject.org/web/packages/FactoMineR/vignettes/clustering.pdf. Kendal D, Williams NSG, Williams KJH (2012) Drivers of diversity and tree cover in gardens, parks and streetscapes in an Australian city. Urban For Urban Green 11(3):257–265 Kong F, Nakagoshi N (2005) Changes of urban green spaces and their driving forces: a case study of Jinan city. China J Int Dev Cooperat 11:97–109 Kong F, Yin H, Nakagoshi N, Zong Y (2010) Urban green space network development for biodiversity conservation: identification based on graph theory and gravity modeling. Landsc Urban Plan 95(1):16–27 LaPaix R, Freedman B (2010) Vegetation structure and composition within urban parks of Halifax regional municipality, Nova Scotia, Canada. Landsc Urban Plan 98(2):124–135 Lê S, Josse J, Husson F (2008) FactoMineR: an R package for multivariate analysis. J Stat Softw 25(1):1–18 Lefsky MA, Cohen WB, Parker GG, Harding DJ (2002) Lidar remote sensing for ecosystem studies. Bioscience 51(1):19–30 Lehmann I, Mathey J, Rößler S, Bräuer A, Goldberg V (2014) Urban vegetation structure types as a methodological approach for identifying ecosystem services–application to the analysis of micro-climatic effects. Ecol Indic 42:58–72 Lin BB, Fuller RA (2013) FORUM: sharing or sparing? How should we grow the world's cities? J Appl Ecol 50(5):1161–1168 Lin BB, Fuller RA, Bush R, Gaston KJ, Shanahan DF (2014) Opportunity or orientation? Who uses urban parks and why. PLoS One 9(1):e87422 Lu F, Li Z (2003) A model of ecosystem health and its application. Ecol Model 170(1):55–59 Luck GW, Davidson P, Boxall D, Smallbone L (2011) Relations between urban bird and plant communities and human well-being and connection to nature. Conserv Biol 25(4):816–826 Maas J, Van Dillen SME, Verheij RA, Groenewegen PP (2009) Social contacts as a possible mechanism behind the relation between green space and health. Health & Place 15(2):586–595 MacArthur RH, MacArthur JW (1961) On bird species diversity. Ecology 42(3):594–598 McCormack GR, Rock M, Toohey AM, Hignell D (2010) Characteristics of urban parks associated with park use and physical activity: a review of qualitative research. Health & Place 16(4):712–726 McGarigal K, Cushman SA, Neel MC, Ene E (2002) FRAGSTATS: spatial pattern analysis program for categorical maps. Mitchell MGE, Suarez-Castro AF, Martinez-Harms M, Maron M, McAlpine C, Gaston KJ, et al. (2015) Reframing landscape fragmentation's effects on ecosystem services. Trends Ecol Evol 30(4):190–198 Miura N, Jones SD (2010) Characterizing forest ecological structure using pulse types and heights of airborne laser scanning. Remote Sens Environ 114(5):1069–1076 Morsdorf F, Kötz B, Meier E, Itten KI, Allgöwer B (2006) Estimation of LAI and fractional cover from small footprint airborne laser scanning data based on gap fraction. Remote Sens Environ 104(1):50–61 Phalan B, Onial M, Balmford A, Green RE (2011) Reconciling food production and biodiversity conservation: land sharing and land sparing compared. Science 333(6047):1289–1291 Ruiz-Jaén MC, Aide TM (2005) Vegetation structure, species diversity, and ecosystem processes as measures of restoration success. For Ecol Manag 218(1):159–173 Sadler J, Bates A, Hale J, James P (2010) Bringing cities alive: the importance of urban green spaces for people and biodiversity. Urban ecology. Cambridge University Press, Cambridge, pp. 230–260 Sandström UG, Angelstam P, Mikusiński G (2006) Ecological diversity of birds in relation to the structure of urban green space. Landsc Urban Plan 77(1):39–53 Scarth P, Armston J, Danaher T (2008) On the relationship between crown cover, foliage projective cover and leaf area index. Paper presented at the 14th Australasian Remote Sensing and Photogrammetry Conference, Bartolo R., Edwards A., Spatial Sciences Institute, Australia. Seavy NE, Viers JH, Wood JK (2009) Riparian bird response to vegetation structure: a multiscale analysis using LiDAR measurements of canopy height. Ecol Appl 19(7):1848–1857 Shanahan DF, Lin BB, Gaston KJ, Bush R, Fuller RA (2014) Socio-economic inequalities in access to nature on public and private lands: a case study from Brisbane, Australia. Landsc Urban Plan 130:14–23 Shanahan DF, Lin BB, Gaston KJ, Bush R, Fuller RA (2015) What is the role of trees and remnant vegetation in attracting people to urban parks? Landsc Ecol 30(1):153–165 Simonson WD, Allen HD, Coomes DA (2014) Applications of airborne lidar for the assessment of animal species diversity. Methods Ecol Evol 5(8):719–729 Threlfall CG, Law B, Banks PB (2013) Roost selection in suburban bushland by the urban sensitive bat Nyctophilus Gouldi. J Mammal 94(2):307–319 Tooke TR, Coops NC, Goodwin NR, Voogt JA (2009) Extracting urban vegetation characteristics using spectral mixture analysis and decision tree classifications. Remote Sens Environ 113:398–407 Turner MG (1989) Landscape ecology: the effect of pattern on process. Annu Rev Ecol Syst 20:171–197 Tzoulas K, Korpela K, Venn S, Yli-Pelkonen V, Kaźmierczak A, Niemela J, James P (2007) Promoting ecosystem and human health in urban areas using green infrastructure: a literature review. Landsc Urban Plan 81(3):167–178 Van Herzele A, Wiedemann T (2003) A monitoring tool for the provision of accessible and attractive urban green spaces. Landsc Urban Plan 63(2):109–126 Van Leeuwen E, Nijkamp P, de Noronha Vaz T (2010) The multifunctional use of urban greenspace. Int J Agric Sustain 8(1–2):20–25 Vierling KT, Vierling LA, Gould WA, Martinuzzi S, Clawges RM (2008) Lidar: shedding new light on habitat characterization and modeling. Front Ecol Environ 6(2):90–98 Voigt A, Kabisch N, Wurster D, Haase D, Breuste J (2014) Structural diversity: a multi-dimensional approach to assess recreational services in urban parks. Ambio 43(4):480–491 Wang X, Blanchet FG, Koper N (2014) Measuring habitat fragmentation: an evaluation of landscape pattern metrics. Methods in Ecology and Evolution 5(7): 634–646 Ward JH Jr (1963) Hierarchical grouping to optimize an objective function. J Am Stat Assoc 58(301):236–244 Wing BM, Ritchie MW, Boston K, Cohen WB, Gitelman A, Olsen MJ (2012) Prediction of understory vegetation cover with airborne lidar in an interior ponderosa pine forest. Remote Sens Environ 124:730–741 Zhou W, Troy A (2008) An object-oriented approach for analysing and characterizing urban landscape at the parcel level. Int J Remote Sens 29(11):3119–3135 Zimble DA, Evans DL, Carlson GC, Parker RC, Grado SC, Gerard PD (2003) Characterizing vertical forest structure using small-footprint airborne LiDAR. Remote Sens Environ 87(2):171–182