公路沿線森林景觀及可視性分析

張銀濤，鄭世偉，何勇清，廖麗華

(浙江省慶元縣林業局，浙江 慶元 323800)

為進一步加強生態文明建設，2017年浙江省第十四次黨代會提出謀劃“大花園”建設行動，大力推進“全域旅游”發展“旅游+”。慶元縣立足優越的生態環境和豐富的森林資源，注重發展“旅游+林業”。公路作為一種典型的人工廊道，公路廊道具有通道、阻礙雙重作用，其對景觀的影響主要體現在對沿途斑塊的分割，以及由此引發的邊緣效應[1]。

當前對公路景觀的研究多注重于公路廊道內部景觀，即公路系統內部及公路沿線附屬綠地景觀。祝哲[2]將高速公路景觀分為公路中央分隔帶、兩側帶狀、邊坡、出入口及服務區，并對各景觀區的綠化和養護進行闡述；胡強等[3]將高速公路沿線景觀林分為線形平地區域、面狀坡地區域、村莊區域、互通立交區域和隧道洞口區域5個典型地形區域，并對各地形區域景觀林營造模式和植物配植進行分類描述；康建林[4]將美學原理融入到公路及公路環境景觀設計中；袁黎等[5]對公路路側景觀綠化的安全功能、景觀功能及生態防護功能進行評價，并建立綜合評價模型。公路系統不是一個獨立體，公路建設常貫穿于多種地形和自然景觀。因此，在公路景觀設計及建設時要考慮與沿途自然環境的協調性[6-8]。張超等[9]從景觀敏感度方面提出一種公路沿線森林景觀的評價及更新方法。曹智偉等[10]通過遙感影像解譯對西雙版納主干公路沿線兩側10 km范圍內森林景觀格局進行動態分析。

本文以浙江省慶元縣主要公路沿線可視范圍內林地作為研究對象，對其林分現狀及可視性進行分析研究。提出“頻率-視距”和“垂直視角”2種可視性測度指標，對公路沿線可視區域進行重要性分級，并從經營管理等方面對不同的林分類型及現狀提出相應的改造方案。

1 研究方法

地理信息系統(Geographical Information System，GIS)是對地理空間信息進行描述、采集、處理、存儲、管理、分析和應用的一門新興學科[11]。可視域分析作為地理信息系統的基本分析功能，是一種利用數字高程模型來提取和傳輸觀測點的通視度、可視范圍和阻擋范圍的地形最優化處理方法[12-14]。本文采用慶元縣數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)結合主要公路矢量數據，進行公路可視域分析，獲取公路沿線可視范圍。疊加研究區森林資源數據對公路可視域內森林景觀現狀進行分析。

1.1 研究區概況

慶元縣位于浙江省西南部，隸屬于浙江省麗水市。北與龍泉、景寧畬族自治縣接壤，東、西、南與福建省壽寧、松溪、政和三縣交界。全縣南北長49 km，東西寬67 km，總面積1898 km2。境內主要公路有G25長深高速(龍慶段)、慶元大道(一級公路)、S229和S329省道以及通往景區及鄉鎮的縣級公路等。慶元縣堅持生態立縣，森林資源豐富，森林覆蓋率高達86%。

1.2 數據處理

數字高程模型(DEM)作為重要的地理地形分析基礎數據，在測繪、資源與環境、災害防治、國防等領域發揮重大作用[15]。DEM獲取大致可分為地面測量法、遙感攝影測量法、雷達測量法以及利用地形圖數據生成法[1，16]。文中DEM獲取采用后者，利用慶元縣矢量化地形圖數據生成慶元縣DEM數據。

公路可視域分析將傳統的“公路沿線景觀”的定性描述向定量化轉換。研究中將公路分為3類：高速公路及一級公路(G25長深高速和慶元大道)、省級公路(S229和S329)以及主要縣級公路(以下簡稱高速、省道和縣道)。在進行可視域分析時，由于各級公路可視范圍存在重疊現象，研究中按照“高速”>“省道”>“縣道”的優先次序對重疊部分進行剔除處理。各級公路沿線可視區域分布見圖1。

圖1 慶元縣主要公路沿線可視區域分布

1.3 可視性分析

可視域分析所得到的數據(圖1)為公路沿線上所有可視區域。如何對可視區域進行重要性等級劃分，對公路沿線林木景觀規劃起到重要作用。文中的可視性分析都是基于像素化DEM數據，DEM數據像元大小為(30，30)。提出公路可視目標區域“垂直視角”及“頻率-視距”2個可視性測度指標，并結合傳統的可視頻率(可視次數)和視距(歐氏距離)指數進行比較分析。4種測度指標的說明及計算方法如下。

1)可視頻率(可視次數)：目標區域被看到的頻率是一個重要的可視性指標，可視頻率指公路沿線上可看到目標點區域次數。

2)視距(歐氏距離)：視距是指目標區域距離觀察點的距離，文中采用目標點到公路上最近點的歐氏距離來對視距進行近似計算。由于公路上看到目標點區域的視線距離不是固定值，隨著觀測點在公路上的移動不斷發生變化，而且目標點區域可視頻率越高其視線距離的變化越大。因此，歐氏距離計算結果小于等于實際視距。

3)垂直視角：垂直視角對目標點區域的可視性也至關重要，垂直角越小對視覺的沖擊越小，垂直視角越大對視覺的沖擊越大。目標點的垂直視角也隨著觀測點的移動不斷發生變化，與視距相同文中采用目標點區域到公路上最近點歐氏距離及目標點與公路上最近點的高程差來進行近似計算。因此，垂直視角計算結果大于等于實際垂直視角。

垂直視角具體計算過程為：首先，計算觀測點高程H1。將公路進行像素化，像元大小(30，30)，并提取公路上各點對應的高程(H1)。對公路各點高程(H1)進行歐氏分配操作，獲取各目標像元點對應公路最近點的高程H1′；其次，計算目標點與觀測點高程差H。采用柵格計算器對目標點的高程數據(H2)與歐氏分配結果(H1′)相減，結果即目標點與觀測點的高程差H；最后，計算目標點垂直視角。設歐氏距離結果為L，垂直視角為α，則：tan(α)=(H/L)。

4)頻率-視距指數：可視頻率和視距2個指標分別從目標點區域的可視次數及視線距離2個方面進行分析制圖。認為目標點區域的可視次數越多、視距越小，則目標點區域的可視性等級越高，因此文中提出一種“頻率-視距”指數。由于可視頻率單位為次數，而視距單位為m。為統一可視頻率和視距單位，將可視次數乘以30(像元寬度)即采用公路上可看到目標點區域理論累計長度代替可視頻率進行計算。設可視頻率為N，視距為L，頻率-視距指數為T，則：T=N×30/L。

各指標的計算均分別基于高速、省道和縣道進行，最后將處理結果合并。各可視性指標制圖結果見圖2。

圖2 各可視性指標制圖

2 結果與分析

2.1 森林資源疊加分析

由于可視域分析所得數據為柵格數據，要進行疊加分析需要對可視域進行矢量化操作。首先對可視域分析結果進行重分類操作，分為可視區域(可視次數大于0)和不可視區域(可視次數等于0)2類，然后利用ArcGIS轉換工具對重分類后數據進行柵格轉面操作，對可視域數據進行矢量化。

表1 可視域內森林類別統計 hm2

森林資源數據采用2017年森林資源二類調查矢量數據。根據森林不同的主導功能在進行森林調查及森林資源管理中常將森林分為重點公益林、一般公益林、重點商品林和一般商品林。將公路可視域和森林類別數據進行疊加分析，獲取公路可視域各森林類別面積統計(表1)。由表1可以看出，公路可視域中非林地面積占31.76%，生態公益林面積占36.85%，商品林(地)面積占31.39%。

表2 可視域內商品林(地)地類面積統計 hm2

非林地是指林地以外的農田、水域、未利用地和建筑用地等。研究中認為生態公益林為受保護林地，林分結構較穩定。因此，本文重點對可視域內商品林(地)進行統計分析。公路可視域內商品林(地)按地類分類統計結果見表2。其中喬木林面積占72.86%，竹林面積占20.71%，疏林地、特殊灌木林和一般灌木林面積占1.43%，未成造、跡地和宜林地面積占5%。

將公路可視域內商品林(地)中喬木林按樹種組成及齡組分類統計，結果見表3。公路可視域內商品林(地)喬木林中針葉林占69.94%，闊葉林占20.15%，針闊混交林占9.91%。針葉林中中齡林和幼齡林占17.89%，近熟林占26.59%，成熟林(51.48%)和過熟林(4.03%)占55.51%。

表3 可視域內喬木林樹種結構及齡組面積統計 hm2

2.2 可視性分析

分位數分類作為ArcGIS眾多標準分類方法之一，適用于呈線性分布的數據，其分類結果中每個類均含有相等數量的要素。為了更直觀地比較4種可視性指標的優缺點，本文采用分位數分類方法將各可視性指標結果進行分類并提取最優的三分之一區域進行制圖。結果見圖3。

由圖3可以看出“可視頻率”法提取較優區域分布較離散，大部分距離公路較遠，海拔較高的山頂區域被提取；“視距”法提取區域則呈帶狀集中分布于公路兩側。而“垂直視角”法和“頻率-視距”法則離散分布于公路兩側。

為了更直觀地比較各方法的優缺點，對各方法所選較優三分之一區域(圖3)進行DEM、可視頻率及視距進行統計制圖，詳見圖4。

各方法所選較優區域DEM統計(圖4A)顯示，三級道路對應較優區域高程均值均呈現“視距”法>“頻率-視距”法>“垂直視角”法>“可視頻率”法。“頻率-視距”法結果更接近“視距”法，“垂直視角”法次之；可視頻率統計(圖4B)顯示，三級道路對應較優區域可視頻率均值亦呈現“可視頻率”法>“頻率-視距”法>“垂直視角”法>“視距”法。“頻率-視距”法結果更接近“可視頻率”法，“垂直視角”法次之；視距統計(圖4C)顯示，除縣道對應較優區域視距均值“垂直視角”法<“頻率-視距”法外，三級道路對應較優區域視距均值均整體呈現“視距”法<“頻率-視距”法<“垂直視角”法<“可視頻率”法。“頻率-視距”法結果更接近“視距”法，“垂直視角”法次之。

圖3 各可視性指標最優可視區域分布圖

圖4 各方法所選較優級區域內DEM、可視頻率及視距統計

各統計結果顯示，各方法所選較優區域標準差整體表現為“視距”法最小，“可視頻率”法最大，而“頻率-視距”法和“垂直視角”法介于前二者之間。

3 結論與討論

公路沿線景觀是城市的“門面”，彰顯一個城市形象。公路可視分析為公路沿線森林景觀進行精準定位，降低外業調查工作量。此外，森林資源數據疊加分析，方便快捷獲取公路沿線景觀現狀，為公路沿線景觀現狀調查及規劃提供參考。

可視性分析方法中“視距”法和“可視頻率”法分別從視距和可視頻率2個方面對可視區域進行重要性評價。各方法提取較優區域可視頻率統計(圖4B)結果顯示，“可視頻率”法最優，“視距”法最差；而各方法提取較優區域視距統計(圖4C)結果顯示，“視距”法最優，“可視頻率”法最差。“頻率-視距”法和“垂直視角”法則介于前二者間，“頻率-視距”法較好地融合了前2種方法的優點，能較好地將距離公路較遠的目標區域以及分布于公路兩側但可視頻率較低的區域過濾掉，該方法在美麗林相建設改造區域選擇中具有較高的參考價值，“垂直視角”法次之。

可視區域重要性分級，為美麗林相建設規劃選址決策提供參考。本文提出的可視性測度方法同樣適合于各類景區點源(如觀景點)、線源(如景區游覽路線)可視域內的景觀規劃參考，也可以逆向利用以景觀點為源進行分析指導觀景點位或游覽路線規劃。林分改造是一項長期而連續性的工程，同時還要考慮山場主的改造意愿、政府政策導向、具體方案實施等多方面因素。

美麗林相建設是指通過森林撫育和林分改造等營林技術措施對低產、低效、生態及景觀功能低下的森林進行改造，以獲得結構穩定、色彩豐富、富于季相變化的林分，同時改造過程中要兼顧森林的生態功能、景觀功能、經濟效益及改造成本等[17]。美麗林相建設要以保護生態及生物多樣性，培育鄉土樹種、珍貴樹種為原則，構建林分結構穩定的美麗健康森林。

針對可視域內不同的林分結構類型分別從撫育改造及保護、造林及補植、營造針闊混交林及復層林3個方面進行探討，并提出相應的經營改造方案，因地制宜營造多彩闊葉林、針闊混交林及復層林景觀。①撫育改造及保護。公路可視域內生態公益林中低產、低效林以撫育改造為主，改造中遵循其生態保護功能和保護生物多樣性原則；商品林內喬木林中天然闊葉林以保護為主，進行撫育改造適當補植彩色或珍貴樹種調整樹種結構，對于連片且符合條件的可以規劃為生態公益林進行經營管理；一般灌木林多生于土壤貧瘠，喬木樹種難以造林成功的地方，以保護為主適當補種耐貧瘠觀賞喬木樹種。毛竹林作為重要的商品林，對其經營及撫育管理密集，而且毛竹林由于其特有的紋理及色彩及樹形具有一定的觀賞特性。②造林及補植。疏林地是由于自然因素或人為活動等原因造成郁閉度較低的林地。宜林地是指規劃為林地的土地，包括造林失敗地、規劃造林地和其它宜林地。疏林地和宜林地改造可視情況進行補植改造或皆伐更新改造；當地特殊灌木林主要是指錐栗(Castaneahenryi(Skam)Rehd.et Wils.)、茶葉(Camelliasinensis(L.)O.Kuntze.)、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)等經濟林，其改造難度較大且成本較高，可通過補植觀花或觀葉樹種提高其景觀效果。③營造針闊混交林及復層林。根據針葉樹喜光特性，在針葉幼齡林和中齡林采用撫育采伐并補植耐蔭性闊葉樹營造針闊混交林，以提高其抗病蟲害能力和觀賞效果；由于針葉林具有自然更新能力強的特性，對針葉成熟林和過熟林在進行采伐后更新樹種應以闊葉樹為主；此外，對針葉近成熟林可采用擇伐方式采伐，并適當補植耐蔭樹種，進行大徑材培育和營造復層林。此外，鼓勵開展林下經濟，避免對針葉林進行大面積皆伐作業，以降低對林相的破壞。公路沿線可視域內商品林(地)喬木林中針葉林占69.94%，針葉林中近熟林、成過熟林占比高達82.1%，將面臨大量采伐及更新的問題。因此，要對針葉林的采伐及更新進行整體規劃，盡量減少對公路沿線林相的破壞。