DEM形態分析在丘陵地形景觀建構中的應用
——以株洲市為例*

楊 帆，魏春雨，李 博，尹 芳

(1．湖南大學 建筑學院，湖南 長沙 410082；2．中南大學 建筑與藝術學院,湖南 長沙 410075)

隨著國家空間數據基礎設施(NSDI)建設的深入以及中國科學院計算機網絡信息中心陸地衛星(Landsat)數據服務的開放，運用ArcGIS技術對數字高程模型(Digital Elevation Model簡稱DEM)進行深層次數據挖掘和分析越來越便捷．基于DEM的景觀研究主要是利用GIS從數字高程模型中獲取各種地形信息，分析地形對景觀結構與生成過程的影響，可為國民經濟的發展、資源環境的保護、生態環境的建設提供參考.

快速城市化進程中，城市規模的擴大匹配增長迅速的城市人口，城市發展開始郊區化[1]．但是在湖南等呈現丘陵地形的城市中，除去老城區相對較平坦的建設用地，郊區往往是丘陵山區，成為城市擴張的主要障礙.其垂直高度和坡度的限制造成該地區建設投資費用普遍比平地地區高.山川的隔絕和地形的升降起伏，增加了當地交通系統關聯的復雜性與難度，運輸環節也受到一定的影響[2].景觀和交通的可達性受到影響.且丘陵城市限建區較多，宜建地較少，農業用地往往被占用，農業發展和城市建設矛盾突出[3].此外，由于具有特殊的地質構造，丘陵地區生態環境脆弱，自然原生災害頻繁，并容易誘發次生災害[4].

在此背景下，將DEM數字高程的可視化分析應用于城市空間格局分析、景觀格局定量分析、動態模擬實驗，和地形景觀建構模擬數據及效果客觀分析，對具有丘陵地區生態特性的城市化建設起著量化指導作用.

1 DEM應用概述

1.1 DEM數據來源與分析方法

數字高程模型(Digital Elevation Model)用于表示區域D上的三維向量有限序列對應的高程[5]．當該序列中各向量的平面點位成規格網排列時，則可將其平面坐標忽略，從而把三維向量序列轉化為一維向量序列的數據[6].數據主要來源于等高線、衛星切片、相似立體模型，在此基礎上進行數據內插，進行計算后得到模型及數據，如圖1所示.

圖1 DEM集成方法

1.2 國內外景觀建構中DEM的應用

DEM可用于測繪等高線、坡度、坡向、立體透視圖，軍事上可用于導航、通信和作戰任務的計劃等.在環境與規劃中可用于土地利用現狀的分析、各種規劃及洪水險情預報等.也有學者用于研究景觀格局和功能，如圖2所示.

本文選取湖南省株洲市為研究區進行建構實驗，對典型的丘陵地形進行坡高、坡度及坡向的研究，利用GIS從數字高程模型中生成坡度分布圖和坡向和高程分布圖，建立了一個基于地形的景觀格局模型.

圖2 Baikal湖區DEM高程圖

2 技術路線

2.1 數字高程模型的技術支持

本文采用地形數字化儀跟蹤現有地形圖中的等高線獲取DEM數據.用地形圖構建研究區DEM流程圖，見圖3.

圖3 地形圖構建研究區DEM流程圖

2.2 創新性

本文主要從宏觀與中觀尺度上提出丘陵地形景觀建構的概念.基于DEM和ArcGIS等技術進行丘陵地區景觀格局分析(圖4)，提出了丘陵城市景觀建構的理論基礎、基本原則與特點，并研究與其相關的方法體系.探討丘陵地形背景下的景觀建構的適應性，以及城市化發展策略調控機制，并提出了有利于提高丘陵城市景觀綜合效益的利用對策.

圖4 景觀建構流程圖

3 基于DEM可視化分析下的株洲市景觀地形特征研究

在丘陵地區的景觀設計中，不同的地形其特征也不同，因此它也會形成不一樣的景觀空間感受[7].在它的基本形式上，我們可以利用地形高程、坡度、高程和平面形式等方面進行定位分析.高程、坡度和坡向是測量地形分化的3個主要特征，但也是決定景觀分化(如土壤、氣候和水文)的主導因素.在本項研究中，基于地形數據的分析，利用2012年的株洲市土地利用景觀格局地圖和地形因子分布圖疊加分析.

3.1 株洲市景觀地形垂直分布

株洲市高程圖見圖5，將高程分為5級，<500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m，1 500～2 000 m，>2 000 m.可以發現研究區的景觀類型分布與高程的關系：水田，水域，住宅區和工業用地以及未利用地主要分布在高程為500 m以下的區域，低海拔區域分布有大部分的居民點和工礦用地，占其總量的91%；并且水域在500 m以下區域的分布占總面積的80.12%.除此之外，灌木林地和林地等有將近40%分布在500～1 000 m高程的區域，但是灌木林地和林地在人口聚集的、高程為500 m以下的區域分布面積較500～1 000 m高程帶明顯減少，其分布比例為10.66%，13.12%；在500 m以下高程帶內旱地的分布比例為52.78%，在500～1 000 m區域內草地的分布比例為44.23%，在高程為1 500 m以上的區域內分布的旱地和草地只占到了整個區域這個類型的景觀很小的比例，分別為2.2%與11.7%.

圖5 株洲市高程圖

從整體上來看，隨著高程的增加，水田、旱地的比重逐漸減少．當高程大于500 m時，水體面積、居民區及工礦用地分布、未利用地會隨之急劇減少；當高程小于500 m時，則在高程帶內分布有各種各樣的景觀類型，且面積相對較大，水體面積占到了80%左右；當高程帶處于500～1 000 m區間時，分布的景觀類型里，除水域和居民點外，其他類型分布差異較大，其它林地占到了42%，水田則只占到20%；當高程大于1 500 m時，區域內灌木林地占的比例為14%，其次林地與草地占比例也相對較大，而分布的其他景觀類型比例基本上小于9%；在500～1 000 m高程帶，分布比例最大的是林地和灌木林地，但是當高程大于2 000 m時，區域水田和居民點以及工礦用地和未利用地幾乎沒有分布，其中草地分布有5.38%，林地和灌木林地為4%左右，其他類型的景觀很少，比如旱地和水域只占3%的比例，由于地勢較高而人為干擾較小，各景觀類型分布較集中.

3.2 株洲市景觀地形坡度分布

地形最顯著的特征是坡度，也就是地平面和坡面產生的夾角[8].自古以來人類對土地的利用一般會受限于場地的坡度，地形的坡度越大，對場地的設計影響越大.根據現有的資料可知，當坡度大于5%時，在此類地形上鋪設道路，以及建設給水工程和供熱工程的時候，往往在工程技術上所花費的人力和物力明顯高于平原地區的同類工程.另一方面因為地形的坡度可以增加地表的面積，延長道路的長度，我們可假設：當地形的平均坡度為5%時，在地形上的道路長度為L，當坡度為5%～10%時，坡度每增加1%.道路長度l=2L．由此可見，坡度影響地形，坡度對工程也是一個很重要的因素，具體見表1.

以株洲市坡度圖(圖6)為例進行坡度分析：

將坡度分為0～5°，5～8°，8～15°，15～25°，25～35°，>35° 6個級別進行分布統計.可以得出景觀格局在不同坡度帶中的分布數據：城市用地有一半以上分布在0～5°范圍內，50%的未利用地分布在該區域內；并且該區的景觀類型與人類生產生活等活動緊密相關，最容易受到人類的活動干擾和破壞；約有70%的水域景觀類型分布在0～5°的坡度區域范圍之內；坡度達到25°以上時，區域內分布的景觀類型主要是林地、灌木林地和草地，在這個坡度范圍內的區域人為影響相對比較小，所以自然環境的開發破壞較少.

圖6 株洲市坡度圖

表1 坡地分級標準與建設可能性的關系

3.3 株洲市景觀地形坡向分布

具體方法可將株洲市整體地形的坡向分為5種：平坦、東、南、西、北向．由數據分析可以直觀得出株洲市地形坡向與景觀空間的分布之間的關系：在上列的5個坡向上，所有的景觀類型基本上都有分布．其中，在平坦(稍帶凹陷)的地方水域景觀分布最多；但是林地、灌木林地以及其它林地等景觀類型在無坡向區域基本上不分布，說明這些區域因為被開發，已經不再適合上述景觀類型的存在．在各個坡向上，草地景觀的的分布基本相近，相比較而言，在株洲市地形中東面坡向的草地景觀會分布稍多；而北面坡向地區也因為其區域的水分條件相對較好，所以林地景觀的分布比南面坡向地區多.此外，在各坡向上分布最平均的是居民點和工礦用地，由此表明：坡向對人為改造活動的影響較小，如圖7所示．

圖7 株洲市坡向圖

4 結 論

4.1 景觀構建策略

綜上所述，景觀建構分析過程中利用到的各軟件與技術以及各步驟的銜接關系如圖8所示．

圖8 景觀建構分析流程圖

丘陵地形因子是丘陵地區景觀類型分布的基本骨架，在不同程度上影響著各種自然或人為的干擾，使得該地區景觀的分布規律與地形因子在空間分布上具備一定的一致性[9].另一方面，作為景觀設計中最為基本的因素，地形也是“景”的基本骨架構成，由于景觀是處于生態系統之上，大地理區域之下的中間尺度，許多土地利用和自然保護問題只有在景觀框架下才能有效地解決[10].因此景觀規劃設計要依據丘陵地形高程變化，進行多層次空間的塑造，恰當解決丘陵地形下不利環境因素的制約，景觀與地形相互融合從而形成流暢的空間序列，突出丘陵地區獨具魅力的景觀特色.

4．1．1 景觀空間格局的形成機制

景觀格局(Landscape Pattern)：景觀格局一般指宏觀與中觀意義上的景觀的空間格局(SpatialPattern)，是指形狀、屬性及大小不一的景觀空間單元(斑塊)在一定空間上的分布與組合及其組合形態和組合規律[11].

分析景觀格局應研究各景觀單元的拓撲特征，不同城市地理氣候條件下的景觀空間構成，及其研究過程中的可視化清晰表達．通過景觀格局指數表達景觀格局信息，反映景觀結構組成和空間配置某些方面的特征，揭示景觀空間結構與生態過程的定量關系，是景觀格局量化研究的主要途徑.目前對于景觀格局的分析多局限于二維平面，以三維形態研究景觀空間格局還很少見，結合地理設計的景觀格局研究分析也較為少見.根據DEM數字地形形態分析，在尊重地域地形的前提下，建立了一套應用景觀格局指數來描述景觀格局及變化，聯系格局與景觀過程的定量化研究方法十分必要.

4．1．2 景觀建構評價分析體系的基本層次

景觀格局的建構體系，大致可分為描述景觀要素指數和描述總體特征指數兩類[12]．本文參考前人的研究成果，從面積和優勢度、空間形態、聚合度和連接度、多樣性等幾個方面選取其中有明確指向性的11個指標對丘陵城市景觀格局進行定量分析，研究中使用FRAGSTATS 軟件進行計算.各指標的單位和值域見表2．

4.2 宏觀控制策略

在快速發展的城市化進程中，城市發展在空間上的同一性和認同感呈現出衰減之勢，引發了城市系統中的生態、社會和經濟等方面的無序與分離等問題，并造成城市空間競爭機制失衡等并發癥[13].而自然的山川格局、地形特征、植被形態等是構成丘陵地區城市風貌特色的自然基礎和景觀基質，丘陵景觀是鑲嵌在這一自然基質之上的嵌體[14]，因此，丘陵地區城市景觀建構必須適應丘陵地區特色的自然生態系統，基于地形上的城市設計也必須滿足地域性要求.在這一建構過程中，城市空間擴張的控制、自然資源的保護、人口容量、資源保護與再生，乃至城市山水地形肌理的延續與保護、城市自組織系統的發展與完善都將不可避免的受到影響.

表2 各景觀格局指標單位與值域

株洲市處于城市高速發展的階段.建設用地面積及城市景觀面積大幅度增加，本文以DEM數字高程模型采用建立在對單個柵格點的類型判斷基礎之上的分類方法，對株洲市的地形、坡度、坡向、高程進行了聚合聚類分析，結合株洲市總規、綠地系統規劃和未來城市土地利用規劃，分析了以株洲市為代表的湖南淺丘陵地形條件下，坡度、坡相、高程等地形特征與城市景觀開發的協調與制約關系.得出在城市開發及城市景觀規劃設計中應該尊重區域地形，強調區域原有的自然基礎和景觀基質，采取積極的生態保護措施，保護山水地形的結論.分類過程相對簡單且易于實現.試驗成果與分析對于景觀格局研究， 城市土地規劃研究有著重要意義.

[1]蘇偉忠,楊英寶.基于景觀生態學的城市空間結構研究[M].北京:科學出版社,2007.

SU Wei-zhong, YANG Ying-bao. Study on the city spatial structure based on landscape ecology [M].Beijing: Science Press, 2007. (In Chinese)

[2]魏春雨,彭姍妮,焦勝.長株潭"綠心"示范區規劃構想[J]. 湖南大學學報:社會科學版,2010,24(6):156-160.

WEI Chun-yu, PENG Shan-ni, JIAO Sheng. Some conception of the planning of "Green Heart " demonstration district of Chang-Zhu-Tan[J].Journal of Hunan University: Social Sciences, 2010,24(6):156-160. (In Chinese)

[3]方文,劉楊,馬立輝,等.丘陵地區高速公路景觀設計研究[J].成都大學學報:自然科學版,2012,31(4):387-391.

FANG Wen, LIU Yang, MA Li-hui,etal. Research on landscape planning and design of express way in hilly area[J].Journal of Chengdu University: Natural Science,2012,31(4):387-391. (In Chinese)

[4]邵維懿,趙翠薇,謝永生,等.山地丘陵地區城市景觀格局的粒度效應分析[C]//中國地理學會2013年學術年會:西南片區會議論文集. 2013:238-248．

SHAO Wei-yi, ZHAO Cui-wei, WANG Pei-bin,etal. Grain effect of urban landscape pattern in the mountain and hill areas[C]// Chinese Geographical Society 2013 Annual Meeting: Southwest Area Academic Conference Proceedings.2013:238-248. (In Chinese)

[5]丁偉翠.數字高程模型數據庫管理系統開發及在地質制圖中的應用[D].北京：中國地質科學院,2012.

DING Wei-cui. DEM database management system development and its application in geological mapping[D].Beijing:Geological Sciences of China,2012. (In Chinese)

[6]曹子榮.淺談DEM數據匹配編輯及優化技術[J].測繪技術裝備,2013,(3):75-77.

CAO Zi-rong. On the DEM data matching and optimization technology editor [J]. Geomatics Technology and Equipment, 2013,(3): 75-77. (In Chinese)

[7]楊洪曉,王凱榮,逄錦虎.青島丘陵區生態農業園的景觀設計[J].水土保持研究,2011,18(3):194-197.

YANG Hong-xiao,WANG Kai-rong, PANG Jinhu. Land-scape design of ecological agriculture park in Qingdao hilly areas[J].Soil and Water Conservation,2011,18(3):194-197. (In Chinese)

[8]楊存建,趙曦琳,周其林,等.丘陵地區DEM與坡度的尺度效應分析[J].地球信息科學學報,2013,6:814-818.

YANG Cun-jian, ZHAO Xi-lin, ZHOU Qi-lin,etal. Analysis of scale effect characteristics of DEM and slope in hilly areas [J]. Journal of Earth Information Science, 2013,6:814-818. (In Chinese)

[9]劉維東,陳其兵,王甲.丘陵地區城市山地森林景觀營建探究--以四川省三臺縣鳳凰山城市森林公園為例[J].安徽農業科學,2012,40(15):8601-8604.

LIU Wei-dong, CHEN Qi-bing, WANG Jia. Construction of urban mountain forest landscapes in low hilly areas[J].Journal of Anhui Agriculture Science,2012,40(15):8601-8604. (In Chinese)

[10](德)格哈德·庫德斯.城市形態結構設計[M].楊楓翻譯.北京:中國建筑工業出版社, 2006:45-65.

GERHARD CURDES． The design of city morphological structure[M].Yang Feng, translator. Beijing: China Building Industry Press,2006:45-65. (In Chinese)

[11]陳利頂,孫然好,劉海蓮.城市景觀格局演變的生態環境效應研究進展[J]. 生態學報,2013,33(4):1042-1050.

CHEN L D, SUN R H, LIU H L. Eco-environmental effects of urban landscape pattern changes: progresses, problems, and perspectives[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013,33(4):1042-1050. (In Chinese)

[12]彭姍妮,魏春雨.長株潭城市群體空間結構研究及相關建議[J].湖南科技大學學報:社會科學版,2012,15(1):103-107.

PENG Shan-ni, WEI Chun-yu. The spatial structure research of Changsha, Zhuzhou and Xiangtan City Group and some suggestions[J]. Journal of Hunan University of Science and Technology: Social Science Edition, 2012,15(1):103-107. (In Chinese)