公路沿線森林景觀評價及更新方法

張 超 余樹全 伊力塔 謝正陳

1 浙江林學院林業與生物技術學院 臨安 311300

2 浙江慶元縣林業局 麗水 323800

公路沿線森林景觀評價及更新方法

張 超1余樹全1伊力塔1謝正陳2

1 浙江林學院林業與生物技術學院 臨安 311300

2 浙江慶元縣林業局 麗水 323800

文章以浙江省慶元縣54省道黃田鎮區段杉木林景觀改造設計為例，嘗試建立公路沿線森林景觀敏感度評價標準體系，為森林景觀更新方案的設計建立相對客觀的判別依據，并基于三維虛擬現實技術模擬不同的方案效果以供對比和檢驗，提出了符合實際的公路沿線森林景觀更新設計方法。

公路景觀帶給公路使用者的第一印象對于地區旅游業發展乃至經濟推動都具有潛在的重大影響[1]，其中公路沿線森林景觀更是因其特殊的視覺敏感性及生態敏感性，在景觀規劃工作中多以嚴格的保護措施為主而鮮有更新。

但是對于公路沿線森林景觀若按傳統的，以大面積皆伐或豎向帶伐的方法進行更新，短時間內勢必會對地區景觀形象造成破壞，因此如何在盡量避免破壞景觀的同時，有效進行闊葉化改造成為亟待解決的問題。

1 研究區域概況

慶元縣地處我國東南沿海的閩浙丘陵區閩浙山地,全縣海拔1 000m以上的山峰連綿不絕，坡度25°以上的面積占3／4，形成坡度陡峭的浙南山地。氣候四季分明，季風影響顯著，潮濕多雨，年平均氣溫17.4℃。全縣土地總面積19.13萬hm2，其中山地92.4%，平原6.4%，河流1.2%。全縣農業耕地面積1.02萬hm2，占5.3%，是典型的“九山半水半分田”地區。原生植被為亞熱帶常綠闊葉林，經多次破壞及近幾十年的天然更新和人工更新后，現在的植被為人工植被和天然次生植被的混合體，主要類型有常綠闊葉林、常綠闊葉混交林、針闊葉混交林、松林、竹林、及人工種植的杉木林等。據調查，全縣常見植物包括杉木、毛竹、馬尾松、楓香、青岡櫟等樹種。

54省道是慶元縣的南北向交通干道，沿途森林景觀對該縣的整體形象影響重大。其兩側杉木林大多為20世紀80年代所造，林分結構相對單一，不少林地因長期種植杉木導致地力退化，加之部分成熟林、過熟林生態效益和經濟效益已逐年降低，因此對這一部分人工林亟需進行闊葉林成分更新。

2 研究過程與分析

目前國內不少學者在進行區域生態規劃時，把景觀敏感度區劃作為基礎，采用因子疊加法[2]，綜合分析區域生態環境對人類活動的敏感性及生態系統的恢復能力[3]。受此啟發，本文借助GIS技術，以浙江省慶元縣54省道“黃田鎮”區段為例，定量地綜合評價了沿途杉木林小班的景觀敏感度，相應制定不同的更新強度及模式，并用3dmax軟件對“曹嶺78、79號”兩塊小班進行建模模擬景觀更新效果，從而為公路沿線森林景觀的保護及改造、森林資源的合理開發及利用提供理論依據和科學指導。

2.1 數據來源與處理

結合G P S獲取的縣域空間坐標數據，使用ArcGIS9. 2的Geo referencing模塊對1:10 000慶元縣森林資源分布圖（2008年浙江省森林資源監測中心編制）進行幾何校正，數字化后建立1m×1m分辨率的數字高程模型（DEM）以及54省道線實體矢量圖層。通過鍵盤輸入將2008年慶元縣森林資源二類調查數據作為屬性數據建立小班面實體矢量圖層。

2.2 景觀更新范圍的確定

由于本項目是對54省道沿線可視范圍內杉木林小班進行景觀更新，所以借助Arc GIS的可視性分析功能劃定明確的規劃范圍是首要工作。

可視性分析是研究觀察點所能觀察到的地形面覆蓋區域，可實現通視性查詢、分析地形的可視化結構等功能。在Arc GIS中，可以計算表面上單點視場或者多個觀測點的公共視場，如果將線作為觀測位置，此時線的節點集合即為觀測點[4]。由此我們以54省道線實體矢量圖為觀測點集合，對沿線可視范圍進行劃定。圖1是54省道“黃田鎮”區段可視范圍內的森林資源分布狀況。

2.3 景觀敏感度因子分析評價

景觀敏感度包括景觀生態敏感度和景觀視覺敏感度，景觀生態敏感度是外界擾動對系統產生的影響程度的量度，生態敏感度越高，環境越脆弱，抗干擾能力越弱；景觀視覺敏感度是景觀被注意到的程度的量度，它是景觀的易見性、可見性、清晰性、景觀醒目程度等的綜合反映[5]。

本研究結合54省道實際情況及現有數據，首先對制約景觀敏感度的主要因素包括可視度、視覺幾率、相對距離、坡度和土壤厚度等5個因子以杉木林小班為空間單位進行分析和量度，分別形成景觀敏感度等級分布圖，然后取其在整個景觀敏感度評價中的權重形成景觀綜合敏感度等級分布圖[6]，其具體的評價指標體系如表1所示。

(1)可視度:由于山體復雜的走勢，相對于公路上的觀測點來說，大片森林景觀的可視范圍內總會含有相當一部分的不可視區域。以一塊杉木林小班為例，其可視部分的多少將在很大程度上決定其對整體森林景觀的影響。通過Arc GIS進行可視性分析，將可見的柵格單元的值賦為1，不可見的賦值為0，使用Zona1 Statistics工具以杉木林小班為統計單位取其平均值，并采用Natura1 Break方法分3級賦值對應不同的景觀敏感度。

(2)視覺幾率：景觀在視野中出現的幾率越大或持續的時間越長，其視域幾率景觀敏感度就越高。在Arc GIS中，視域分析不僅可以判斷三維表面上是否可見的范圍，也可以記錄可視范圍內每一個柵格單元可以被觀察到的次數，每一個柵格單元的值表示沿著觀察路徑該單元可以被看到的次數。被觀察到的次數越多，視域幾率景觀敏感度越高，反之則越小。使用Zona1Statistics工具以杉木林小班為統計單位取其平均值，并采用Natura1 Break方法分3級賦值對應不同的景觀敏感度。

表1 景觀敏感度評價因子及其分級

(3)相對距離：景觀相對于觀景者距離越近或景觀離旅游線路越近，景觀的易見性和清晰度越高，被觀景者觀察的程度也越高，因而景觀敏感度也越高。另外由于54省道大部分路段依山而建，沿途必須有足夠大的片林作為生態緩沖區以保障交通安全，由此結合蘆原義信的“外部模數理論”，選擇200m作為距離分量的第一級景觀敏感度分界限。通過當地實際觀測，公路兩側自1 000m開始山體逐漸顯現黛色直至2 000m左右已然無法分清林木實體，所以選擇1000m作為距離分量的第二級景觀敏感度分界限。

(4)坡度：景觀表面相對于觀景者視線的視角越大，景觀被看到的部位和被注意到的可能性也越大。在54省道上視線以平視和仰視為主，因此可采用景觀表面沿視線方向的投影面積來衡量景觀的敏感度，設杉木林小班的景觀表面積為1，景觀表面與水平面的平均夾角為α（0°≤α≤90°），則投影面積(S)，即相對坡度景觀敏感度的計算公式為: S=sinα。在仰視和平視情況下，α實際上就是地形的坡度。利用GIS的空間分析功能直接從DEM上獲得整個研究區域的坡度分布，使用Zona1 Statistics工具以杉木林小班為統計單位取其平均值，并采用Natura1 Break方法分3級賦值對應不同的景觀敏感度。

(5)土壤厚度：該敏感度指數主要通過2008年慶元縣森林資源二類調查數據獲得，根據薄（＜30c m）、中（30～60c m）、厚（＞60cm）3級進行賦值。

2.4 景觀敏感度的綜合評價及分類

通過對各小班單因子的景觀敏感度分級，采用GIS空間分析方法得出單一景觀敏感度因子分布圖，然后將各單因子景觀敏感度等級按高敏感、中敏感和低敏感分別賦值為5、3和1，結合專家打分法和層次分析法對以上5個影響因子進行賦權，詳見表2。

運用ARC GIS，將以上5個因子進行加權疊加運算，得到54省道“黃田鎮”區段沿途杉木林小班的綜合景觀敏感度評價，將結果進行聚類分級，針對低、中、高3種景觀敏感度相應確定強（35%～50%）、中（20%～35%）、弱（15～20%）3種更新強度。綜合景觀敏感度評價的具體計算模型公式為:S=，式中S是綜合景觀敏感度等級，Wk為第k個評價因素的權重，Xk為第k個評價因素的描述性等級的數量化值。

2.5 三維景觀模擬

在景觀規劃設計過程中需要進行大量的空間形象思維，在方案實施前它往往只存在于設計者的頭腦中和平面效果圖上，難以直觀真實地展現在公眾面前以供評價。通過3dmax實景建模，模擬真人視場將設計方案進行多角度展示，或切換同一視點的不同方案效果進行推敲完善，無疑為設計者及決策者提供了有力的技術考察手段[7]。

本文通過對公路沿線杉木林小班進行景觀敏感度分析進而分類，最終目的在于借此確定不同的景觀更新強度及模式，從而將繁雜的設計工作簡明化程式化。接下來面對復雜的路況、多變的視角以及龐大的規劃尺度等問題，單憑設計者的空間想象能力是遠遠不夠的，只有通過三維景觀模擬才能相對明晰的對具體更新方案進行比較和檢驗。

表2 各景觀敏感度評價因子權重值

3 案例結果展示與討論

3.1 景觀評價及分類

54省道“黃田鎮”區段沿途可視范圍內有森林小班229塊，共計1 617.87hm2，其中杉木林小班90塊，共計555.2hm2占林班總面積的34.32%。如圖2所示過程對杉木林進行綜合景觀敏感度評價及分類可知：低敏感度小班26塊，其分布多以1 000m以外遠離公路的山腰位置為主，計186.07hm2畝占林班總面積的11.5%；中敏感度小班34塊，多分布于200～1 000m較為平緩的山腰位置，計223.6 hm2占林班總面積的13.82%；高敏感度小班30塊，多在距離公路200m左右的山腳分布，計145.53hm2畝占林班總面積的9%。從更新強度來看，低敏感度林班對應高更新強度（35%～50%）2～3次可完成更新，中敏感度林班對應中更新強度（20%～35%）3～4次可完成更新，高敏感度林班對應低更新強度（15%～20%）4～5次可完成更新，由于此區段杉木林班基本上是25齡左右的成熟林，所以至少每年可進行一次更新采伐。

3.2 更新方案設計

由景觀更新強度來看，前兩次更新作業所占比重是最大的。以第一次杉木林景觀更新為例，低敏感度林班約為92 hm2，中敏感度林班約為73.33 hm2，高敏感度林班約為26.67 hm2，共計192 hm2約占林班總面積的11%，占杉木林班總面積的35%，單從數據上看對于公路沿線整體森林景觀的影響程度還是可以接受的。

結合經濟成本需求，對于具體的林班景觀更新技術我們提出了“小塊狀更新”和“15m帶寬沿等高線橫向更新”兩種方案。“小塊狀更新”要求在山頂和山腳各留有至少15m寬保留帶的前提下，每次更新面積必須嚴格控制在0.67 hm2以下，形狀可根據實際地形盡量保持正方形，但更新小塊之間必須保留5m寬的保留帶；“15m帶寬沿等高線橫向更新”要求在山頂和山腳各留有至少20m寬保留帶的前提下，每次更新至少相鄰留有一條15m寬的保留帶，并視具體地段設置5m寬豎向集材道。

以公路沿線“曹嶺78、79號”兩塊小班為例進行景觀更新方案設計。兩塊杉木林小班共占地8.2 hm2計21 898株，平均坡度16°，平均樹齡25年，屬于公路兩側200m范圍區域，具有較高可視度，經綜合分析確定為高景觀敏感度小班，每次更新強度為總面積的15～20%。兩種設計方案在山頂及山腳各保留15m寬林帶的前提下，均計劃分4次完成全部林木更新工作，間隔期至少為1年，具體更新方案詳見圖3。

3.3 方案效果模擬

導入等高線及林班圖形數據，用3dmax軟件按實際場景建模。因場景尺度較大以及計算機運算性能所限，未采用三維樹木仿真模型而以紡錘形樹冠代替。杉木模型取10m平均高度，冠幅寬度取1.5m，結合scatter工具實現森林景觀模擬。

比較而言，“小塊狀更新”方案易于操作，但對沿途整體森林景觀影響較大，更新樹種應以大規格苗木為宜，從而加快森林景觀恢復速度。“15m帶寬橫向更新”方案對整體森林景觀影響較小，更新樹種選擇小規格苗木即可，但其操作相對不便。采用何種方案，可由當地政府組織相關專家及公眾進行討論，權衡成本而定。

4 結語

本文基于GIS空間分析技術，結合數字高程模型，從可視度、視覺幾率、坡度、相對距離、土壤厚度5個方面探討了道路沿線森林景觀敏感度評價的原理和方法，并構建了綜合評價模型，運用AHP法結合專家打分確定了各單項指標的權重，得到杉木林小班的敏感度綜合評價值，從而將公路沿線杉木林小班進行分類，相應制定不同的景觀更新模式。

本文試圖在小班調查的基礎上，提出一個適合城市道路交通沿線森林景觀敏感度評價體系，但由于數據所限，選擇的評價因子是否全面，尚可作進一步的探討。另外本文著重探討的是如何避免林木更新在短時間內對當地森林景觀產生嚴重沖擊，至于更新的同時應采用什么樹種在色彩、林相等方面進行搭配以提高林分的景觀價值，由于篇幅所限未作探討。

利用3dmax軟件平臺進行實地場景建模，采用三維動畫虛擬仿真形式進行實時漫游反映公路沿線森林景觀設計更新情況，從而實現了由靜態的、二維的景觀評價方法到動態的、三維的方向的發展。

[1]王云,風景區公路景觀美學評價與環境保護設計[D].北京:中國科學院研究生院,2007.

[2]祝佳杰,宋峰,包立奎.基于綜合價值評判的風景區村落整治與保護研究:以浙江江郎山風景名勝區為例[J].中國園林,2009(6):30-33.

[3]尹 海 偉 ,徐 建 剛 ,陳昌勇 ,等 .基于GIS的吳江東部地區生態敏感性分析[J].地理科學,2006,26(1):64-69.

[4]湯國安,楊昕.ArcGIS 地理信息系統空間分析實驗教程[J].北京:科學出版社,2006.

[5]覃婕,周志翔,滕明君,等.武漢市九峰城市森林保護區景觀敏感度評價[J].長江流域資源與環境,2009,18(5):453-458.

[6]周銳,李月輝,胡遠滿,等.基于景觀敏感度的森林公園景點評價[J].應用生態學報,2008,19(11):2460-2466.

Methodology for evaluation of roadside forest landscapes and their regeneration

Zhang Chao1, Yu Shuquan1, Yin Lita1, Xie Zhengchen2
(1 School of Forestry and Biotechnology,Zhejiang Forestry College, Lin'an 311300; 2 Qingyuan County Forestry bureau Lishui 323800)

Forest landscapes along highways is seldom regenerated for its special visual and ecological sensitivities,which lead to problems such as forest degeneration and the loss of ecological benefits in many areas. The landscape design of Chinese fi r forests of Huangtian section in Qingyuan No. 54 Provincial Highway was taken as an example,criteria and indicators were developed for the evaluation of landscape sensitivity of forest along the highway, in order to provide a relatively objective evidence for designing regeneration of the forest landscapes, 3D simulations of different regeneration options were used to compare the effectiveness of different designs, and a method of designing forest landscape regeneration along the highway was proposed.

book=49,ebook=79

Landscape sensitivity; Forest landscape; Regeneration design; Chinese fi r forests; GIS; 3D simulation

張超，浙江林學院林業與生物技術學院2008級在讀碩士研究生，研究方向為生態規劃。

2010-03-09

浙江省科技廳重大項目（2006c12060）。