多尺度荒野制圖的指標、方法和應用研究綜述

李曉雪 周衛 聶曉嘉 廖凌云 蘭思仁

(福建農林大學 藝術學院 園林學院(合署)，福建 福州 350002)

荒野地(Wilderness Area)是指主要受自然過程控制的生態環境[1]，擁有高度自然性和生態完整性，能有效發揮自然過程的生態功能，具有生態、經濟、社會和文化的多元價值[2-3]。保護荒野能夠保障生物多樣性和維持健康的生態系統，在應對全球氣候變化和城市化發展威脅方面具有重要作用[4]191-199。1994年世界自然保護聯盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)正式將荒野保護地劃定為1b類自然保護地，自此荒野保護理念在世界范圍推廣開來[5]，隨后多個國家在法律層面上認定荒野保護地，荒野保護逐漸成為自然保護地研究的重要內容。依據荒野保護規劃經驗，開展荒野保護首先需要了解荒野地的空間分布，荒野制圖以“荒野連續譜”(wilderness continuum)為概念基礎，將荒野質量(wilderness quality)定義為一個地點遠離和不受人類活動影響的程度[6]，通過對自然度(naturalness)、遙遠度(remoteness)荒野指標綜合評價識別荒野的特征變化及分布格局[7]，是開展荒野保護及管理實踐的重要工具。

隨著世界荒野保護運動的發展，國外已開展多個尺度的荒野制圖研究，涉及地區[7-11]、國家[12-15]、大洲[1]和全球尺度[16-18]，擁有較成熟的荒野制圖技術和方法。隨著荒野保護理念的引入，我國也已逐步開展對國家和地區尺度的荒野制圖研究[19-21]。目前國內的荒野制圖研究尚處于起步階段，借鑒國際經驗尤為重要。鑒于此，本研究結合荒野制圖在指標體系、制圖方法和應用等方面的研究，分析并總結不同尺度荒野制圖在指標體系、制圖方法和應用上的差異，討論荒野制圖研究目前存在的不足，進而提出荒野制圖未來的研究趨勢，以期為荒野制圖研究提供新思路。

1 荒野指標體系

荒野指標體系的構建需要選取最能夠反映荒野特征的指標。根據IUCN提出的荒野的定義，荒野是指“未經修改或稍加修改的大型區域，這些區域保留其自然特征，沒有永久或重要的人類居住地，對其進行保護和管理以保護其自然條件”[5]，反映荒野具有自然、偏遠、遠離人類影響的屬性，因此主要從反映自然、偏遠和人類影響特征的指標中選取。受尺度影響，全球和大洲荒野制圖指標體系較為簡單。Lesslie和Taylor首次基于荒野連續譜開展荒野制圖實踐[6]，在澳大利亞國家荒野調查中識別土地覆蓋的自然度、表觀自然度(現代人工設施的缺乏度)、距聚居點遙遠度和距道路遙遠度四項荒野指標，創建了荒野制圖的經典模型；并繼續應用經典模型，進一步繪制了全球范圍的荒野地圖[4]17-32。隨后的荒野制圖指標試圖更多地反映人類影響，如Sanderson等[17]借助人類足跡(Human Footprint)的概念，將人口密度、聚居點、道路交通、土地利用等9個反映人類影響的全球數據層納入指標分析，基于人類影響程度判斷地區的荒野程度，進而識別了世界每個生物群落的荒野區域。歐洲荒野研究證明山區存有大范圍的荒野，山區生境的粗糙度和異質性越高，其保留原始動植物和棲息地的可能性就越高[1,22]，因此將地形崎嶇度(ruggedness)納入荒野指標體系。

隨著荒野制圖研究的深入，國家和地區尺度荒野制圖開始逐漸納入荒野感知(wilderness perception survey)調查，對經典的荒野制圖模型進行區域化改進，如瑞士根據當地專家調查結果，確定了包括17個指標數據層的4項指標：自然度、遙遠度、未受人類影響程度、地形崎嶇度，以及權重方案[15]；意大利進行公眾調查，調查對象包括當地農民、居民和游客三類利益相關群體，采用訪談的定性證據與問卷的定量數據相結合的方式，最終得到包含14項空間指標的4個荒野指標集：過去和現在的土地利用情況、人工基礎設施的影響、遇到野生生物和其他人類的可能性以及考慮地形和植被覆蓋的區域的大小及其可達性。借助公眾參與的方式能夠識別新興的荒野指標，擴展荒野指標體系，如在荒野指標中增加了時間尺度分析，考慮從過去到現在因人類改造的土地利用變化情況，將1860年至今的多版本的土地利用數據納入到指標分析中；還納入了反映生態價值的數據集，如利用當地指示物種(如狼、熊)點位分布數據進行核密度分析，進而得到遇到本地野生動物的可能性地圖[10]。

綜合比較不同尺度的荒野指標體系構建，可知目前通用的荒野指標包括自然度、遙遠度、未受人類影響的程度及地形崎嶇度，其中地形崎嶇度主要適用于地形復雜的地區[8,15]。在不同尺度上，全球和大洲荒野制圖的可用指標數據有限，荒野指標體系構建較為簡單，指標從這4項通用指標中選取；而國家和地區尺度的荒野制圖根據專家或公眾意見確定指標體系，通過在指標體系中擴展指標數據層或增設二級指標的方式，確定更加科學合理的指標和權重方案。其中專家經驗是目前應用較多的方法，該方法具有一定的靈活性，可根據區域專家的調查結果調整指標體系。但通過自上而下的方式確定的指標及權重具有一定的主觀性，而公眾調查能夠反映利益相關者的意見，提升指標體系的客觀性，從而能更加準確地識別當地荒野保護的沖突區域，為當地荒野保護提供科學合理的建議。因此，提升荒野制圖質量需要對荒野指標進行深入挖掘，識別能反映當地荒野特征的相關數據集，構建更加全面、客觀的荒野指標體系。

2 荒野制圖方法

荒野制圖研究對不同尺度的制圖方法進行了探索，不斷尋找更加科學、準確的制圖方法，以提升荒野地圖的質量。荒野是一個相對的概念，世界上沒有絕對自然、不受人類干擾的區域。Nash提出了“荒野連續譜”的概念，指出連續譜中從一端高度自然的原始野地向另一端受到人類高度改造的現代景觀過渡，荒野位于自然性高的連續譜中，將荒野地圖從是否存在的二重性轉為相對性[23]，為識別荒野提供了堅實的概念基礎。早期的大尺度荒野制圖使用布爾(Boolean)運算，通過簡單的離散標準直接判斷荒野邊界，如McCloskey等[24]在首次荒野制圖研究中，以面積大于4 000平方公里且距離各類人工設施至少6公里的區域為荒野標準，識別了全球陸地表面的三分之一為荒野區；多標準評價(Multi-Criteria Evaluation, MCE)基于“荒野連續譜”的概念基礎對自然度、遙遠度、遠離人類影響程度等多個荒野指標進行加權線性組合，能夠反映荒野的質量變化情況，目前廣泛應用于各個尺度的荒野保護實踐[1,8-15,19-21]。

新數據環境下，眾包數據、大數據的出現填補了缺失指標數據的空白，提升了指標計算結果的準確度，目前已經在全球、國家及地區多尺度運用實踐。如See等[18]借助地理維基(Geo-Wiki)工具，通過眾包(crowdsourcing)的方式在超過10萬個獨特地點收集了超過15萬個人類影響樣本點，從而獲取不同人類影響程度的土地覆蓋數據，使用眾包數據重新繪制全球人類影響地圖；馬爽等利用反映人類流動的騰訊LBS大數據，通過識別沒有人類活動的區域識別荒野地區，對中國大陸荒野制圖結果進行修正，補充指標數據中人類活動影響的屬性特征的描述[25]。國家和地區尺度的荒野指標數據有較高的精度和質量，可通過復雜的空間建模技術提升荒野制圖指標計算的準確度，如蘇格蘭的荒野制圖項目開發了復雜的遙遠度和可視性的模型[8]，利用行走時間模型(travel time models)計算遙遠度，考慮可達性受到坡度、土地覆蓋類型和障礙特征(例如開闊水域和非常陡峭的斜坡)的影響，結合地形和土地覆蓋等數據，通過創建時間成本柵格估計到最近道路的行走時間，利用地理信息系統(GIS)中的成本距離(Cost Distance)工具對偏遠空間可視化；考慮到荒野地區對人類活動及人工基礎設施的存在特別敏感[4]103-116，將可見度模型(visibility models)納入到現代人工設施的缺乏度指標中，結合地形數據和具有視域算法的土地覆蓋數據集，計算可見人工基礎設施的視域范圍，并根據其距離衰減效應的相對大小來計算其對人類視覺的影響。相較于大尺度荒野制圖中基于簡單線性距離的計算方式[6，12]，應用更加貼近實際情況的計算模型能夠提高指標計算結果的準確度，從而得到高質量的荒野地圖。

綜合來看，荒野制圖方法根據目的的不同劃分為兩類：指標計算和指標綜合評價，各方法均有其優缺點(如表1所示)，通過眾包方法收集的數據會依賴數據樣本，需要收集非常多有代表性的數據才能夠保證其可信度，空間建模技術需要考慮各層數據與指標的關系，如何科學地量化其復雜的關系是至關重要的問題。鑒于此，新興數據的應用和模型構建的準確性和科學性尚需進一步驗證。布爾運算和多指標評價在識別荒野中存在一定的互補性：布爾運算能直接判斷荒野邊界，但無法識別荒野質量；而多標準評價可以反映荒野質量變化，但對荒野質量分類尚未有廣泛適用的閾值，對荒野核心區的識別還需要進一步研究，因此未來對制圖方法的科學性和準確性的提升是荒野制圖研究不斷發展的方向。

表1 荒野制圖方法的比較

3 荒野制圖應用

不同尺度的荒野制圖在數據、指標和制圖方法方面存在差異，因而得到不同質量的荒野地圖，顯示不同的應用價值(如表2所示)。全球和大洲荒野制圖的數據可用性低，選擇的指標體系和制圖方法都較為簡單，得到的荒野地圖較粗糙，主要用于識別和監測荒野狀況，為全球或大洲的荒野保護提供信息，如全球人類影響(Human Impact)地圖識別了全球10%的荒野地區，為確定全球的荒野保護目標提供了信息[18]。歐洲環境署(European Environment Agency，EEA)提供了一份最新的歐洲荒野質量地圖[1]，選擇歐洲范圍最佳可用且空間分辨率一致的數據集，基于土地覆蓋和植被的自然度、距聚居點遙遠度、距道路遙遠度、地形崎嶇度四項荒野指標，獲得較高質量的歐洲荒野地圖，能直接為歐洲荒野保護決策及政策的制定提供信息。

表2 荒野制圖應用的比較

而國家和地區荒野制圖的數據質量和精度更高，指標體系更加全面，指標權重更加客觀，指標計算方式也更加復雜，得到較精細的荒野地圖，能有效支持當地荒野保護規劃和管理實踐，甚至可以用于輔助荒野保護政策及相關國家戰略的制定。如蘇格蘭荒野制圖起初的研究對象是Cairngorms和 Loch Lomond and The Trossachs 兩個國家公園[8]，首先根據土地覆蓋的自然度、現代人工設施的缺乏度、距道路遙遠度和地形崎嶇度4項指標繪制荒野連續譜；隨后通過對連續譜重分類確定荒野核心保護區，輸出的荒野地圖可直接為當地荒野保護提供信息，輔助國家公園分區規劃與管理決策的制定，后續也成為蘇格蘭規劃政策的一部分 。

4 研究展望

在全球氣候變化和快速城市化的背景下，保護荒野是維持人與自然和諧相處的有效手段。隨著全球荒野存量的不斷下降，荒野保護成為自然保護的重要議題。荒野制圖研究作為其保護規劃的空間基礎具有重要意義，迫切需要得到進一步的理論研究和實踐發展。而荒野制圖質量與指標數據、指標體系、制圖方法有關，并產生不同的應用價值，因此在未來的研究中，荒野制圖的研究重點應從以下四個方面展開。

4.1 關注新興數據，提高指標數據的可用性

隨著空間信息技術的發展，數據獲取變得越來越容易，數據質量也在不斷提高。由于尺度效應，荒野制圖的結果受數據的限制，尤其是全球和大洲尺度，其指標數據分辨率和完整性都較低，獲得的地圖質量較差。此外，還有部分指標因缺失數據而使用替代指標，造成地圖結果的準確性降低。因此，未來研究應一方面注重獲取高分辨率的指標數據，可借助最新的數據研究成果[26-27]；另一方面，加強眾包數據、大數據等新興數據的應用，填補部分指標數據的缺失，通過提高指標數據的可用性，實現對指標的準確計算，得到更加準確、清晰的荒野地圖。

4.2 注重公眾參與，加強指標體系的客觀性

荒野的內涵包括“生態荒野”和“感知荒野”，然而目前荒野指標的選取更多的是基于地理特征，對社會文化因素考慮較少,對指標權重的確定也主要基于專家調查的方式，構建的荒野指標體系較為主觀片面。為克服這一局限可以選擇納入荒野感知調查，通過公眾參與的方式確定荒野指標和權重方案。當地人的參與能夠給荒野保護提供科學客觀的反饋，對區域保護規劃具有重要意義。在今后的研究中，荒野制圖應加強公眾參與，推廣使用這類自下而上的方法選取荒野指標和確定權重方案，構建更加全面、客觀的荒野指標體系。

4.3 重視方法優化，提升制圖方法的科學性

荒野制圖方法在不同尺度上都存在一定的局限性和適用性，可通過結合不同制圖方法的方式優化制圖方法。如曹越等人采用布爾運算和多標準評價相結合的方式不僅識別了離散的荒野斑塊，還得到荒野質量空間分布情況[20]，這種綜合的方式克服了單一制圖方法應用的局限性。此外，目前荒野指標的計算模型中對相關影響因素的定量研究還存有不足，模型結果的準確性需要進一步驗證。未來應加強對不同影響因素的相關定量研究，不斷對模型進行修正，提高模型計算方法的科學性。總體來說，未來荒野制圖研究需要對制圖方法不斷優化，選擇最為科學合理的制圖方法。

4.4 重視保護實踐，拓展荒野制圖的應用價值

荒野制圖能夠提供有關荒野的空間信息，有著多重應用價值。目前荒野地圖主要通過識別荒野區域為荒野保護規劃和管理提供信息。然而荒野作為生物多樣性和生態完整性較高的區域，荒野制圖的應用不僅僅局限于荒野保護，還有其他方面的潛在應用，如將荒野地圖作為自然保護價值數據，進行國家公園及自然保護區的規劃選址等方面的研究；將荒野地圖作為生態連通性分析的源數據，預測野生動物的生態廊道，開展生態網絡規劃[28]、生態修復等方面的研究。荒野制圖在自然保護方面存有潛在應用，未來研究應將其與自然保護聯系在一起，獲得更廣泛的應用。