基于3S的森林公園游步道設計應用

楊堯蘭，米鴻燕，李銘諾

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650231;2.巴中恩陽區規劃局，四川巴中 636064)

隨著森林公園的開發建設，許多學者將GIS運用于風景區、城市規劃等領域進行研究。廖嶸從風景的空間構成入手，以靈山森林公園總體規劃原則為依據，通過改善客觀空間以及提供不同的主觀感受條件兩條途徑，重新組織、完善了靈山森林旅游的風景空間序列，為靈山森林公園的游覽線路規劃提供依據。付晶等人基于Arc View軟件平臺，以廣東省南昆山七仙湖生態旅游區為例，分析旅游區內各景點之間的最短路徑關系，設計了該旅游區內的5條一日游線路，以此驗證了將GIS技術應用于旅游線路設計時的技術路線的可行性［1］。陳永貴等人通過運用GIS技術的分析功能，對規劃地環境進行空間分析，并結合傳統輔助設計軟件進行科學合理的道路選線及規劃，為解決道路選線規劃過程中所出現的若干問題提供了一種行之有效的方法［2］。

綜上所述，目前我國對于森林公園旅游線路的設計缺乏對地形、地貌、坡向等方面的考慮及研究，同時規劃應用軟件和設計手法上具有一定的局限性，而將GPS定位與GIS最佳路徑分析完美結合應用于森林公園游步道選線的例子更加罕見。為此，筆者以廣東省某森林公園為例，充分考慮高程、坡度等因子對原始森林公園游步道設計的影響，在專家意見的基礎上，充分結合GPS定位系統和GIS最佳路徑選擇，實現森林公園游步道的科學設計。

1 技術路線

選定該森林公園的景點，通過GPS定位獲取各景點坐標，選擇高程、坡度、坡向、地類作為影響游步道選線的因子，咨詢相關專家意見，確定因子之間的重要性，采用層次分析法確定各因子的權重，通過等級賦值法得到影響游步道選線的專題信息圖，結合GIS最佳路徑分析優化，選出最佳游步道。

2 實驗過程

2.1 資料的收集 由三維測繪公司提供廣東省新豐縣某森林公園分辨率為1m的航拍圖和該森林公園的DEM圖。

圖1 森林公園航拍圖

圖2 森林公園DEM圖

2.2 景點的選擇及相應GPS坐標的獲取

2.2.1 GPS采集的方法。根據該森林公園的特點和當地傳說及具體地貌，考慮公園整體發展規劃，結合地形地貌等各要素確定相應景點，并通過GPS采集13個景點坐標。在原始森林公園入口采集第一個景點坐標，然后按照景點順序依次采集坐標，以走走停停的方式，平均每2 min采集一個點，信號穩定之后讀取坐標，每個點采集3次后取平均值［3］。

2.2.2 GPS采集的結果。各景點的名稱及編號坐標見表1。

表1 景點名稱及坐標

2.3 游步道影響因子的選擇和專題信息的提取及賦值 根據因子選取原則，應考慮易操作且穩定性較強的因子，以彌補傳統選線的主觀性，使選線更加合理，節約修建成本，有利于游步道選線及其優化［4］。筆者查閱相關文獻，選取高程、地類、坡度、坡向4個因子，并對其進行分析。

2.3.1 高程因子。根據實地調查可知，森林公園最低海拔為182.7 m，最高海拔597.0 m，兩點高程差為414.3 m，森林的海拔高度主要集中于182.7～348.0 m。高程越低，修建難度和修建成本越低，游覽適宜性就越高，得分越高。通過游步道縱坡的要求，將高程進行分類及等級賦得分值，分值由高到低分別為 10、8、6、4、2。圖 3 為高程得分圖。

2.3.2 地類因子。根據實際情況將森林公園劃分為5類，分別為交通運輸用地、林地、水域及水域設施用地、住宅用地、耕地。該原始森林公園的主要功能是供游客觀賞景觀、休閑娛樂等，因此林地、水域得分較高，住宅用地次之。鑒于森林公園的開發程度較低，交通不便，游步道選線需要和原有交通運輸用地相結合，得分最高。耕地相對于森林公園景觀觀賞的角度，作用不明顯，得分最低。圖4為地類得分圖。

圖3 高程得分

2.3.3 坡度因子。坡度的陡緩程度是影響游步道選擇的重要因子。坡度越低，修建難度和修建成本越低，游覽適宜性就越高，得分越高。根據實地調查結果和一般坡度分類依據，對森林公園進行分類和賦值，其坡度得分結果見圖5。

圖4 地類得分

2.3.4 坡向因子。游步道的日照時間、溫度、濕度和風速受坡向影響，坡向變化度越大，修建的難易程度越大，適宜群體變小，得分越低。根據地形坡向大小和實地調查情況對森林公園進行分類和賦值，圖6為坡向得分圖。

圖5 森林公園坡度得分

圖6 森林公園坡向得分

2.4 因子權重的確定 將影響游步道的指標因子高程、地類、坡度、坡向柵格化，采納專家意見，用層次分析法獲得因子權重及得分。層次分析法把復雜的問題分解成各個組成因素，將這些因素按支配關系分組形成有序的遞階層次結構，通過對這些因素的成對比較，可以得到各因素在層次中的相對重要性，較合理地解決了定性問題定量化的處理過程［5］。

權重計算方法有很多種，該研究采用的是幾何平均法。其計算公式為:

通過計算獲得各因子的權重得分，分別為地類(0.061 0)、高程(0.161 5)、坡度(0.490 5)、坡向(0.287 8)。2.5 影響游步道因子的疊加 通過GIS技術，提取森林公園的高程、地類、坡度、坡向4個因子并將其柵格化，根據研究所確定的各因子權重及得分值，疊加分析獲得每個柵格的累計得分值。具體操作如下:

點擊Spatial Analyst－Raster Calculator進行運算，得到森林公園游步道選線最終累計得分圖(圖7)。

圖7 森林公園游步道選線累計得分

2.6 游步道的選線過程

2.6.1 最佳路徑原理。游步道選線的含義是通過函數獲得從一個源(即目標點或目的地)或一組源出發，到達一個目標地或一組目標地的最佳路徑。

游步道最佳路徑的選擇主要考慮的因子有高程、地類、坡度、坡向。首先要獲取選線因子累計得分，其次執行選線加權距離函數，根據各因子的權重，每個柵格累計值可以表達為一個線形方程:

式中，A為地類因子;B為高程因子;C為坡度因子;D為坡向因子。

2.6.2 選線過程。通過以上闡述，高程、地類、坡度、坡向為游步道最佳選擇的因子。通過層次分析法和等級賦值法獲得因子權重和得分，按因子權重進行柵格形式的因子疊加得到各累計值，計算出每個柵格到景點最近、最少的得分值，最后通過執行最短路徑功能獲得最優路徑［6］。研究所求的最優路徑就是該森林公園所采集的景點1到景點13之間的最優路徑，把這景點按順序標記為1～13。

由累計得分圖可以獲得景點間的游步道，下面以點1到13間的最佳路徑為例，說明其具體過程:

單擊 Spatial Analyst－Distance－Cost Weighted，設置參數，可以得到成本距離圖和方向圖。

單擊Spatial Analyst－Distance－Shortest Path，設置參數，通過函數獲得由點1到13的最佳路徑。使用該方法，可以獲得景區游步道(圖8)。

3 游步道選線結果

圖8 游步道選線

3.1 游覽時間的估計 人一般的步行速度為5～8 km/h，但從公園游憩考慮，一般步行速度為3 km/h。因此，將森林公園徒步的速度設為3 km/h，即50 m/min。游客乘車或駕車到風景區，游步道兩側的景觀對行駛的乘客來說是一道動態風景線。經文獻查找，觀賞風景的最佳車速擬定為30～40 km/h，即 500 m/min。在森林公園游覽中，景點路徑間的距離因受地形因子、坡度、景點分布狀況的影響，將不再是兩點間直線距離，而是一組隨地形變化的曲線段。用ArcGIS測量工具得到的兩個景點間的距離是兩點間的投影距離，需要再次量算在數字化游步道中添加測量出的實際距離［7］。根據上文確定的步行和駕車游覽速度，用“距離=速度×時間”公式，并考慮不同景點的特色，預留景點的停留游憩時間，最后累計游步道的游覽時間。詳細的景點距離、到達時間及停留間隔見表2。

3.2 游覽路線的設計結果 通過森林公園游步道選線得到3條游覽路線，分別為:①路線一，出入口1—觀景亭—松鼠園—天然氧吧—果園—游客休息點—瀑布—桉樹園——出入口2—獅子山—竹林深處—日光寨—桃花園—客家風俗村—出入口;②路線二出入口1—觀景亭—松鼠園—天然氧吧—果園—游客休息點—瀑布—桉樹園——出入口2—原有步道—出入口1;③路線三，出入口1—客家風俗村—桃花園—日光寨—竹林深處—獅子山—出入口2—原有步道—出入口1。

路線一幾乎環繞整個原始森林公園，途經森林茂密區、水庫瀑布區、動物活動區、花圃區、農業種植區和最佳觀景點，適于療養放松健身等游覽;路線二是茂密森林和動物活動區及水域的結合，適于學習和研究型的游覽，比較適合青少年和青年人游覽;路線三有果園和桃花園和可攀爬的山坡，具有適于周末都市人群體驗農業生活和放松等游覽功能(圖9)。

4 總結

森林公園游步道的設計結合了GIS最佳路徑分析和GPS定位技術，確定景點的坐標和最佳游覽路徑。同時，以上兩種技術的結合還可應用于旅游度假村、道路規劃等的設計。

傳統的景區游步道的設計比較注重路線主題的設計。從行為地學的角度或者旅行社的角度出發，使用一些數學模型或運籌規劃模型分析景點之間的關系，總結旅游線路的安排，但是往往對旅游活動量和活動時間的安排不夠重視。以上兩種技術解決了傳統游步道選線的不足。使用GIS技術設計游步道，其優勢在于根據復雜的道路網絡中點到點關系的分析，篩選出路徑通路合理的景點組合，從而避開了人為分析設計的主觀性。這樣組合設計的游步道不僅在時間安排上有可靠的確定性，也增大了實際操作的彈性，而且在旅游活動的結合上也比較豐富、舒適，旅游活動的主題突出，這是較傳統游步道設計更為科學的一大特點。

表2 景點距離時間

圖9 游步道選線結果

［1］龔建周，夏北成，陳健飛，等.基于3S技術的廣州市生態安全景觀格局分析［J］.生態學報，2008，2(9):4323 －4333.

［2］陳永貴，陳英存，楊潤，等.GIS技術支持下森林公園道路選線的輔助設計［J］.西北林學院學報，2008，23(4):184 －188.

［3］吳朝陽，許志華.GPS測量原理及應用簡介［J］.科教文匯，2009(16):262－263.

［4］徐愷.面向城市交通擐佳路徑選擇的嵌入式GIS研究［D］.武漢:武漢科技大學，2007.

［5］張曉，高海清，郭東敏，等.層次分析法在陜北退耕還林可持續發展影響因子評價中的應用［J］.水土保持通報，2010，30(5):147 －151.

［6］卜文娟，陸諍嵐.濕地公園游步道設計的探討——以杭州西溪國家濕地公園為例［J］.人文地理，2009(4):110 －114.

［7］劉桂萍，張曉帆，陳川，等.最短路徑在Arcgis空間分析中的實現［J］.新疆大學學報，2008，25(3):353－355.