基于GIS的代縣趙杲觀森林公園景觀生態評價研究

呂志宏，張蕓香，郭晉平

（1山西農業大學林學院，山西太谷030801；2山西農業大學研究生院，山西太谷030801）

0 引言

隨著經濟與生活水平的提高，人們更向往自然生活，有更高的精神需求。城市居民最渴望的自然環境是森林、草地；節假日休閑最向往的則是森林公園和郊外的農村田園[1]。森林公園的規劃建設應與保護并重，既充分利用森林的生態效益，又不影響森林正常演替變化。近年森林公園及景觀生態評價的研究成果豐富，發展速度很快，景觀生態評價研究主要基于景觀資源現狀特征、開發利用程度、可持續發展力等方面。早期景觀生態評價的核心參考體系以景觀資源現狀特征以及人類活動的干擾程度為出發點，從景觀美景度、敏感度、可達度、相容度、可居度5個角度構建[2]，后期在不同類型景觀的評價實踐中不斷發展完善，形成傳統景觀生態七度評價體系。隨著人們的生態觀不斷發生變化，景觀生態評價的指標因子選取也有了新的標準，楊尚坤[3]、鄧益亮[4]、胡磊[5]、文帥明[6]等就不同類型景觀的特點開展有針對性的體系構建。而后周銳[7]、吳妍[8]、張錦[9]、楊韜[10]、聶康才[11]、王書琦[12]、曾朝平[13]的研究重點從多指標評價轉向關注某一具體的指標，出發點也轉向人與環境的作用關系以及景觀發展潛力，這也是發展的必然結果。

地理信息系統(GIS)最初是以計算機處理地理信息的綜合技術出現的，是一種為了獲取、存儲、檢索、分析和顯示地理數據而建立的計算機化的數據庫系統[14]。GIS的表面分析功能可以進行較多的分析，通過高程數據集或數字高程模型(DEM)，可以獲得高程、坡度、坡向、山體斷面、表面陰影、土方計算等數據[15]。GIS可以通過圖像和數據的形式表現空間分析，在自然景觀資源管理、土地利用規劃、景觀規劃與評價、生態和公眾參與等方面獲得成功應用[16]。參數化設計、數字景觀概念的出現，使GIS成為景觀規劃過程中的關鍵環節，在景觀評價等研究中成果顯著。

客觀地評價景觀現狀，認識景觀的生態特征，根據景觀資源可開發利用的方式對不同適宜度的區域有針對性地制定規劃方案，是今后景觀規劃的必然發展趨勢。筆者通過對趙杲觀森林公園景觀影響因素的分析，希望能提出公園規劃優化策略，實現規劃設計由傳統粗放模式向科學生態的方式轉變。

1 研究區概況

趙杲觀森林公園地處五臺山支脈天臺山[17]，位于忻州市代縣新高鄉洪寺村，是在國營灘上林場的基礎上建立的，總面積約4700 hm2，38°52′—38°58′N、112°58′—113°04′E。森林公園總體為南北向兩座山夾一條溝，主峰海拔高度為1984 m。屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，年均氣溫4.7℃，年降水量398～773 mm，年均無霜期107天，日照充足，太陽輻射強，山勢變化較大，陽坡和陰坡日照輻射差異明顯。

山體面貌由基巖山區組成，處元古代古北東向構造帶與中生代祁呂—賀蘭山字型構造的東翼復合部位，新華夏系與前期構造的復合干擾，屬多字型構造的五山隆起的部分[18]。區域內地質構造比較堅固，以花崗斑巖與石英斑巖為主。陽坡陡峭，覆土較薄，平均坡度大于45°，最大坡度達到90°；陰坡以土石為主，坡度在15°左右，相對平緩。主要河流為中解河，河水含沙量低，水源質量較好，為中解水庫水源。區域內植物與動物資源豐富，植物區系為五臺山植物區系，原生植被主要為油松和白樺形成的針闊混交林，森林公園邊緣分部多為人工林。

2 研究方法

2.1 基礎數據與圖像分析

研究需要使用的圖像有GDEM 30 m分辨率數字高程數據、Landsat-8TM影像數據，基礎資料包括趙杲觀森林公園植物資源調查及小班區劃資料，以及山西省代縣林業局提供的相關文本資料。

2.1.1 GDEM 30 m分辨率數字高程數據獲得及處理ASTER GDEM是先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型[19]。從地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)下載DEM數字高程數據，在Globalmapper軟件支持下合成DWG格式的等高線地形文件，再利用ArcGIS 10.1將文件數據矢量化，并用3D Analyst導出TIN文件，構建森林公園DEM數字高程模型、坡度分布圖、坡向分布圖和高程分布圖。

2.1.2 Landsat-8TM影像數據獲得及處理 Landsat-8衛星探測的地理數據范圍覆蓋81°N到南緯81.5°N之間區域。從地理空間數據云網站可以獲得30 m分辨率的可見光和紅外光數據文件，在Arcmap程序中進行柵格計算可得到歸一化植物指數(NDVI)數據。

2.2 研究方法

研究主要在GIS平臺分析趙杲觀森林公園的數據信息，對單指標因子分析，再進行綜合分析，采用的軟件為ArcGIS 10.1。

GIS空間分析方法是針對地理空間數據包含的潛在信息來分析和統計的，包括系統的計算分析空間位置關系、分析空間變化規律等內容。研究應用到的GIS的空間分析方法主要包括柵格數據的空間分析方法和矢量數據的空間分析方法以及加權疊加法[20]。

2.2.1 柵格數據的空間分析方法 地圖可以轉化為柵格數據模型，對研究對象依據聚類條件提取信息，劃分出類型，簡化空間模型，還可以針對同一研究區域不同主題層面的信息進行疊加處理，生成新的數據圖層。

2.2.2 矢量數據的空間分析方法 基于矢量數據的空間分析是利用點、線、面的方式表示空間數據，再研究它們的空間關系，矢量數據和柵格數據可以疊加運算，把相關屬性的點集合到一起，重新劃分空間。

2.2.3 加權疊加法 加權疊加法是GIS數據模型中運用最廣泛的方法。先將每個指標的評價等級在柵格圖像中賦值，再與權重值相乘，并逐項累加求出總和，得出加權數據。

2.3 評價指標體系的構建

結合公園實地調研結果和相關研究理論進展，研究選定景觀原生度、視覺敏感度、適宜度和健康度作為趙杲觀森林公園景觀生態評價的指標。

景觀原生度是用來衡量景觀環境受人為干擾程度的指標，人類生活空間日益擴張，可以踏足的區域已經向著原生自然環境不斷深入，人工活動對自然環境造成了不同程度的影響。受干擾強度大的區域原有環境的生態性自然性逐漸下降，原生生物向更適宜的環境遷移或滅絕。在趙杲觀森林公園研究中，按人為活動影響干擾程度將研究范圍分為原生景觀、半原生景觀和人工景觀3個類型，分別計算出各類型的區域面積及占總面積的比例為A1、A2、A3，用各類型比例與權重相乘后累加得出景觀自然度N。

景觀視覺敏感度是一種可能性，即在系統控制條件下，一種變化所引起的系統敏感的、可認知的、持續的且復雜的響應[21]。景觀視覺敏感度是景觀被注意到的程度的量度，景觀敏感度越高，就越引發觀景者的注目，高敏感度的區域即使受到輕微的干擾，都就對景觀造成巨大的沖擊[22]。當產生改變時，能夠很容易地引人關注的景觀，視覺敏感度的程度較高。這類景觀是全園的設計重點，一旦被破壞，對于景觀整體視覺效果影響強烈。景觀視覺敏感度的評價從相對坡度、相對距離、景觀出現概率和醒目程度來進行，將每個方面評價結果在GIS中疊加綜合評價景觀視覺敏感度，如式(2)。先將相對坡度敏感度分級結果Sα與相對距離敏感度分級結果Sd合取分析，再把合取結果與景觀視域機率敏感度Sd合取，最后與醒目程度分級析取。

景觀適宜度是一定土地單元的某種特殊利用方式與其生態環境協調關系的量度，適宜度評價是生態規劃的核心[23]。土地的特性決定了其開發方式與功能，適宜度從高程、坡度、坡向、用地類型和水文因子幾方面評價。通過GIS將各分項因素分析的結果進行加權疊加，得到趙杲觀森林公園景觀適宜度綜合評價。

景觀健康度是指景觀在受到人類適度干擾后仍具有自然調節、自我更新的能力[24]。景觀在一定程度的干擾下生態系統可以保持穩定狀態，自我調節恢復到原狀，如果干擾程度超出可承受的范圍，景觀的生態系統健康就受到破壞。評價指標有景觀的多樣性指數、植被指數以及生態彈性度，方法為在GIS中加權疊加。

將影響趙杲觀森林公園景觀生態評價的因子確定后，建立評價指標體系。

2.4 評價指標權重確定

權重值的大小代表評價指標在綜合評價中的相對重要程度，權重值越大，說明該指標對評價結果影響力越大，相對更重要。為準確確定權重，科學地進行評價工作，在充分研究森林公園生態內涵的前提下，利用層次分析法，定量與定性相結合。根據建立的評價指標體系結構，逐級進行權重確定。首先以景觀生態評價指標體系為判斷依據，將景觀原生度、景觀適宜度、景觀健康度兩兩對比，建立判斷矩陣，對兩者比較結果進行賦值，得出相對權重。再依次以景觀敏感度、適宜度、健康度為判斷依據，子指標兩兩比較重要性。假設判斷因素Ai與Aj的重要程度，比較結果記為Aij，那么Ai與Aj的重要程度有Aij=1/Aji的關系。

利用Yaahp層次分析法軟件，將判斷矩陣建立層次結構模型，得出各指標的權重值Wi（表1）。由于比較結果是專家賦值決定的，專家的主觀經驗會對結論的邏輯性、客觀性產生影響，因此需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。

3 評價結果與分析

3.1 景觀原生度評價

3.1.1 原生度分級與綜合評價 利用GIS空間分析工具對森林公園內不同土地利用類型的區域進行分級分析，并測定區域的面積比例（表2），將各等級比例和權重代入原生度公式計算趙杲觀森林公園的景觀原生度，并得到趙杲觀森林公園原生度保護分級圖（圖1）。

3.1.2 規劃建設策略 一級保護區為原生景觀區域，主要用地類型為林地、灌草、水域、灘涂，分布集中在研究范圍內東西兩側山坡上，交通不便，到達性差，因此受人類活動影響較小。植被生長狀況良好，主要為油松純林和白樺林純林以及原始次生林。這一區域應重點保護，限制或禁止建設開發行為。二級保護區為半原生景觀，以游覽路線附近以及居民點附近的人工樹林為主，景觀受到人為活動的干擾，但干擾程度不大，應控制或限制建設規劃強度。三級保護區以人類生產生活活動主要聚集區農田和居住用地為主，這一區域的優化策略是保障居民生活需要的基礎上退耕還林，提高植被覆蓋面積，向二級保護區過渡。

表1 趙杲觀森林景觀生態評價參數

表2 趙杲觀森林公園景觀原生度等級劃分表

3.2 景觀視覺敏感度評價

3.2.1 景觀視覺敏感度分級與綜合評價

（1）基于相對坡度分析。當地形相對坡度為90°時，相對坡度值sinα為1，景觀觀賞面在游人視線垂直面上投影和面積最大，容易引起游人關注，視覺敏感度高；地形坡度為0°時，相對坡度值為0，景觀觀賞面在游人視線垂直面上投影的面積最小，游人不容易觀賞，視覺敏感度小。利用GIS對趙杲觀森林公園進行坡度空間分析，坡度α＜14.5°，相對坡度值Sα＜1/4，為低敏感度區域，面積約為1039.55 hm2，占森林公園總面積的22.12%；坡度14.5°≤α＜30°，相對坡度值1/4≤Sα＜1/2，為中敏感度區域，面積為2702.24 hm2，占森林公園總面積57.49%；坡度30°≤α＜90°，相對敏感度1/2≤Sα＜1，為高敏度感區域，面積為958.21 hm2，占森林公園總面積20.39%。

圖1 趙杲觀森林公園景觀原生度保護分級圖

（2）基于相對距離分析。參考前人研究成果，結合趙杲觀國家森林公園實際情況，確定游人可以看清楚觀賞景物的最大距離為300 m，以森林公園現狀游覽路線為基礎，按300、600 m距離劃分區域并進行可見性分析，得到趙杲觀森林公園相對距離景觀視覺敏感度分區。游人與景觀之間的距離d≤300 m為近景帶，Sd=1，面積為1989.34 hm2，占到公園總面積的42.33%；300＜d≤600為中景帶，1/2≤Sd＜1，面積為122.56 hm2，占總面積的25.8%；d＞600為遠景帶，0＜Sd＜1/2，面積為696.95 hm2，占總面積的14.83%；不可見區域為鮮見帶，Sd=0，總面積為801.15 hm2，占17.04%。

（3）基于景觀出現概率分析。在趙杲觀森林公園主要游覽路線上每隔100 m確定一個觀景點，以每個觀景點為基礎對全園進行可見性分析，共402個基礎觀景點，最多觀景點觀察的數量為191個。假設觀賞點可觀賞數量為A，128＜A≤191為高可見區，面積為108.99 hm2，僅占公園總面積的2.32%；64＜A≤128為中可見區，面積為723.38 hm2，占公園總面積15.39%；0＜A≤64為低可見區，區域總面積為2983.14 hm2，占總面積63.47%，不可見區域觀賞次數為0，面積884.49 hm2，占總面積18.82%。

（4）醒目程度分析。將趙杲觀森林公園中醒目程度高的景點實地測定地理坐標，并導入GIS繪制景點分布圖。

（5）綜合分析。根據4個指標的單因子評價，將評價結果在GIS中疊加分析，得出趙杲觀森林公園景觀視覺敏感度綜合分區（表3，圖2）。

3.2.2 規劃建設策略

（1）一級敏感區集中在包括趙杲觀景區在內的山峰陽坡坡頂區域兩側，與游人活動范圍較近，且相對坡度大，雖然地勢陡峭、可達性差，但可見性良好，這個區域內的景觀對游人的視覺影響較大，因此要嚴格進行保護管理。趙杲觀景區、探馬石森林度假景區、上莊景區等景區的特殊景觀醒目程度和觀賞價值都較高，要保護景觀自然特性，要嚴格控制人工建設，在不破壞自然景觀的基礎上，滿足基本的旅游服務即可。

表3 趙杲觀森林公園景觀視覺敏感度等級劃分表

圖2 趙杲觀森林公園景觀視覺敏感度保護分級分布圖

（2）二級敏感區與游人距離也較近，景觀敏感度較高，是游人可以與自然直接接觸的區域，自然植被分布較為豐富，趙杲觀森林公園內二級敏感區的比重最大，應當重點進行自然景觀的保護和恢復，控制人工干擾。

（3）三級敏感區主要是距離主要游覽線路600 m以外的可視區域，坡度不大，地形較平坦，景觀視覺敏感度不高。這些區域可以進行配套設施建設，結合區域內村莊發展人文景觀。但在建設中要注意設施規模不能過大，風貌要與森林公園相符，不破壞整體公園景觀。

（4）四級敏感區是公園內不可見區域，多為山坡背面或當前道路無法到達區域，這一區域在趙杲觀森林公園中所占比例不大，敏感度較低，原則上可以在此區域內進行基礎設施建設，增設游覽線路，不會破壞景觀風貌。但趙杲觀森林公園東部區域由于交通不便，自然森林狀況良好，不應過度進行道路等設施建設，要根據實際情況進行規劃。

3.3 景觀適宜度評價

3.3.1 景觀適宜度分級與綜合評價 對趙杲觀森林公園分別就高程、坡度、坡向、用地類型和水文因子進行評價研究，根據結果劃分為5個適宜度等級區域（表4），再利用GIS加權疊加，計算各等級區域評價得分，得到公園景觀適宜度綜合評價結果（表5）和劃分分級區域圖（圖3）。

3.3.2 規劃建設策略 低適宜度區域主要集中在南北走向的山峰上，以林地為主，植被、動物多樣性較高，一旦受到人為干擾會對整個森林生態系統造成影響，因此要限制開發，嚴格進行保護。中適宜度區域對外界的人為干擾有一定的抗性，也有自我調節的能力，在開發利用時要注意開發的范圍和強度，不要超過可耐受限制。高適宜區地勢相對平緩，不容易受到干擾，且自我調節能力強，可以在這一區域進行基礎設施建設。

表4 景觀適宜度等級與各級參數

表5 趙杲觀森林公園景觀適宜度綜合分級表

圖3 趙杲觀森林公園景觀適宜度保護分級圖

3.4 景觀健康度評價

3.4.1 景觀健康度分級與綜合評價

（1）基于NDVI評價。生態系統的活力是指其活動性、初級生產力和新陳代謝能力[25]。由于植被茂盛區域有吸引可見光、反射近紅外光的性質，而植被稀疏區域則反射可見光，基于這一特征，可以計算NDVI值，如式(3)。趙杲觀森林公園區域內NDVI最大值為0.7088，最小值為-0.0357.

（2）基于景觀多樣性評價。針對趙杲觀森林公園實地調研數據，根據Shannon Wiener多樣性指數公式[式(4)]計算不同景觀類型的數量及其所占比例。對結果進行分析統計，在GIS中處理得到基于景觀多樣性指數的景觀健康度分級分布圖。

式(4)中，Pk為不同景觀類型的面積占總面積的比例，n為景觀類型的數量，Shannon多樣性指數越大，說明區域內景觀類型豐富度高（表6）。

（3）基于生態彈性度評價。對趙杲觀森林公園中不同景觀類型用地進行生態彈性度計算，如式(5)。

表6 趙杲觀森林公園景觀類型分析

式(5)中，Di為景觀多樣性指數值，n為景觀類型的數量，Si為景觀類型，Pi為景觀類型的彈性分值，將數據結果（表7）在GIS中處理，得到基于景觀生態彈性度的景觀健康度分級分布情況。

（4）綜合評價。對趙杲觀森林公園分別就NDVI、景觀多樣性和景觀生態彈性度進行評價研究，根據結果劃分為3個健康度等級區域（表8），再利用GIS加權疊加，計算各等級區域評價得分，得到公園景觀健康度綜合評價結果（圖4）。

3.4.2 規劃建設策略 在趙杲觀森林公園景觀健康度綜合評價的基礎上，對公園進行分級保護。高健康度區域整體狀況良好，景觀生態系統較完整，受到外界干擾有一定的恢復能力，后期應保護這一區域的完整性。中健康度區域主要是水域灘涂及耕地，對抗人為活動產生的干擾有一定的恢復性，在這一區域要注意控制人為活動強度，不能超過景觀生態可恢復限度。低健康區域由于大量人為活動已經破壞了生態系統的平衡，要在后期規劃中控制或限制人為活動力度，增加植被面積。

表7 趙杲觀森林公園生態彈性度表

表8 景觀健康度等級與各級參數

4 綜合評價結果與分析

將景觀原生度、景觀視覺敏感度、景觀適宜度、景觀健康度指標的評價結果在GIS中加權疊加，得出趙杲觀森林公園景觀生態評價最高值為3.0655，最低值為1.2071，公園總體生態狀況良好（圖5），結合公園實際狀況對全園分級制定區域保護措施與開發對策。

一級保護區植被原生度較高，主要分布在東西兩側山體和水源區域，植被多為原始林地和灌草。此區域易受人為活動干擾，且干擾后恢復能力弱。應該重點保護，禁止開發建設活動，可在游人主要游覽路線的可視范圍內適當增加景觀綠化樹種，增加景觀視覺敏感度。

二級保護區面積占比最大，主要分布在地形相對平坦，坡度不大的南坡、東南坡和西南坡上，一級保護區范圍除外。這些區域適宜增加旅游服務設施，但要控制開發強度和建設的必要性。

圖4 趙杲觀森林公園景觀健康度保護分級圖

圖5 趙杲觀森林公園景觀生態保護分區圖

三級保護區主要分布在趙杲觀景區、張仙堡景區和探馬石景區等已被旅游開發的區域以及村莊、工礦用地，人為活動對該區域影響已經很大。這一區域景觀適宜度較高，但景觀原生度、景觀健康度較低，要對建設行為合理規劃，進行村莊環境整治與美化，增加植被覆蓋率。

5 討論

面對資源緊缺、環境問題加重的現狀，人們越來越重視生態環境保護，向往回歸自然的生活空間，森林公園可以為人們提供文化、娛樂、生態休閑功能。對于森林公園的建設與規劃，要保護和利用并重，將GIS結合到森林公園的分析研究中逐漸被大家認可并廣泛使用，但還有很大的發展潛力。

（1）本研究各指標因子權重確定采用層次分析法，以定性方法為主，能比較客觀地反映森公園現狀，但受專家的主觀因素較多，可能會有一定的主觀誤差，影響最終的評價結果。

（2）在選擇評價因子的工作中，由于現狀資料仍然不夠全面，指標可能存在片面性，不能全面反映森林公園的狀況。

（3）根據各指標因子分析結果以及綜合評價結果，提出了一些開發與保護的建議，但仍需要進一步探討。

（4）森林公園規劃與開發是一個動態變化的發展過程，在評價體系構建的過程中未將動態化納入其中，在今后研究中需要進一步完善。