基于3D GIS与LiDAR技术的小岛屿国家道路与建筑材料存量建模研究——以格林纳达为例

　　本研究针对小岛屿国家物质存量(MSA)数据匮乏与管理挑战，利用地理信息系统(GIS)与激光雷达(LiDAR)技术，首次构建了格林纳达道路材料存量模型并评估海平面上升(SLR)风险，开发了集成3D城市模型的WebGIS平台，为资源可持续管理提供精准空间决策支持。

　　

在全球气候变化与城镇化加速的背景下，小岛屿国家面临独特的可持续发展挑战：资源基础狭窄、高度依赖进口材料、极端天气事件频发，且海平面上升(SLR)持续威胁沿海基础设施。格林纳达作为加勒比海地区的典型小岛屿国家，旅游业占GDP比重超40%，其经济高度依赖沿海区域的酒店、道路等基础设施。然而，这类国家长期缺乏高精度的物质存量(Material Stock Accounting, MSA)数据，尤其是非建筑类基础设施（如道路）的存量核算往往被忽视，导致资源管理、灾害风险评估与气候适应规划缺乏科学依据。

为应对这一挑战，Lingfei Ye等人开展了针对格林纳达的道路与建筑材料存量的三维地理信息系统(GIS)建模研究。该研究首次整合了Light Detection and Ranging (LiDAR)数据、道路网络空间数据与建筑足迹数据，采用自下而上(bottom-up)的建模方法，精确估算了2015年格林纳达全国道路材料存量，评估了不同SLR情景下的道路存量暴露风险，并开发了首个集成3D城市模型与物质存量数据的WebGIS应用平台。该研究不仅填补了小岛屿国家道路存量核算的空白，也为高精度资源管理、气候适应规划与公众参与提供了技术范本。

本研究主要依托以下几项关键技术方法：一是基于GIS的道路分类与材料强度(Material Intensity, MI)模型构建，结合路面结构剖面数据计算各类道路的材料密度；二是利用高分辨率LiDAR点云数据（像素尺寸3–5 cm，垂直精度<10 cm）生成数字地形模型(DTM)，采用“bathtub”法模拟SLR淹没区域；三是通过LiDAR建筑点云提取实际建筑高度，替代以往基于用地类型的统一高度假设，提升建筑存量估算精度；四是使用ArcGIS API for JavaScript开发交互式3D WebGIS平台，集成空间查询与SLR情景分析功能。研究区域涵盖格林纳达主岛，其中道路数据来自加勒比风险信息系统(CRIS)，LiDAR数据由格林纳达农业部2017年采集，建筑分类与MI系数参考了Symmes等人(2020)的研究成果。

3.1. Material stocks within the road network

研究估算2015年格林纳达道路网络材料存量总量约为4375千吨（人均40.96吨），其中骨料占比最高（63%），水泥混凝土和沥青混凝土分别占31%和6%。道路存量与建筑存量（14,012.28千吨）的比例约为1:3，道路存量占总物质存量的24%，表明道路基础设施是小岛屿国家物质存量的重要组成部分。空间分析显示，道路与建筑存量高度集中于西南沿海城市（如首都圣乔治）及旅游度假区，道路存量分布相对更分散，起到连接开发区域的枢纽作用。

3.2. Road stocks at risk to sea level rise

通过LiDAR衍生的高精度DTM模拟5种SLR情景（0.25 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m）显示，圣乔治港区道路存量面临严重威胁。当SLR达1.5 m时，港口周边主要道路（如Carenage区和游艇码头）将被淹没；SLR达2.0 m时，约5220米沿海道路及18,188吨道路材料将暴露于风险中。这一结果突显了沿海基础设施的脆弱性及适应规划的紧迫性。

3.3. Comparison of building material stock estimates

在圣乔治样本区，采用LiDAR实测建筑高度（平均高度指标）重新计算建筑存量，结果为1192.99千吨，较De Kroon (2020)基于用地类型假设的估算（1250.07千吨）降低57.08千吨（4.8%）。差异主要源于混凝土材料（占差异总量的80%以上），且74%的建筑在原研究中被高估。空间分布表明，沿海区域及大型建筑（如医院、学院）的差异尤为显著，证实LiDAR数据能更准确捕捉建筑高度异质性，减少存量估算误差。

3.4. 3D WebGIS application

研究开发了格林纳达3D物质存量Web应用平台（https://rb.gy/8rak43），支持用户交互式查询建筑与道路的结构属性、材料存量数据，自定义区域统计及SLR情景模拟。该平台突破了传统静态地图或统计表的局限，为政策制定者与公众提供了直观、可访问的决策支持工具，增强了资源管理的透明性与参与度。

研究结论与讨论

本研究首次系统估算了格林纳达道路材料存量，揭示其占总物质存量的显著比例（24%），强调小岛屿国家需将基础设施纳入存量核算体系。与日本、希腊萨莫色雷斯岛等地区的比较显示，格林纳达道路存量占比处于中等水平，但沿海聚集特征使其更易受SLR威胁。LiDAR数据的应用显著提升了建筑高度与存量估算精度，平均高度指标优于中位数及百分位数，有效克服了用地类型假设导致的均质化误差。

所开发的3D WebGIS平台创新性地整合了物质存量与城市模型，为资源管理、气候适应规划及公众参与提供了实用工具。这一方法对数据匮乏地区具有推广价值，其技术框架可应用于其他小岛屿国家。

研究的局限性包括道路数据更新滞后（仅覆盖至2015年）、LiDAR与建筑足迹数据存在空间偏差（约26.1%点云未对齐），以及建筑模型仅支持LoD1简化表达（忽略屋顶结构）。未来需结合实地勘验更新道路分类系统，利用LiDAR生成更精细的3D建筑模型（如包含屋顶形态），并拓展材料生命周期与回收潜力分析。

该研究为小岛屿国家可持续资源管理提供了科学基础，示范了GIS与遥感技术在高精度存量核算中的应用潜力，对促进联合国可持续发展目标(SDGs)及气候适应战略实施具有重要意义。