基于GIS的代县赵杲观森林公园景观生态评价研究

吕志宏，张芸香，郭晋平

（1山西农业大学林学院，山西太谷030801；2山西农业大学研究生院，山西太谷030801）

0 引言

随着经济与生活水平的提高，人们更向往自然生活，有更高的精神需求。城市居民最渴望的自然环境是森林、草地；节假日休闲最向往的则是森林公园和郊外的农村田园[1]。森林公园的规划建设应与保护并重，既充分利用森林的生态效益，又不影响森林正常演替变化。近年森林公园及景观生态评价的研究成果丰富，发展速度很快，景观生态评价研究主要基于景观资源现状特征、开发利用程度、可持续发展力等方面。早期景观生态评价的核心参考体系以景观资源现状特征以及人类活动的干扰程度为出发点，从景观美景度、敏感度、可达度、相容度、可居度5个角度构建[2]，后期在不同类型景观的评价实践中不断发展完善，形成传统景观生态七度评价体系。随着人们的生态观不断发生变化，景观生态评价的指标因子选取也有了新的标准，杨尚坤[3]、邓益亮[4]、胡磊[5]、文帅明[6]等就不同类型景观的特点开展有针对性的体系构建。而后周锐[7]、吴妍[8]、张锦[9]、杨韬[10]、聂康才[11]、王书琦[12]、曾朝平[13]的研究重点从多指标评价转向关注某一具体的指标，出发点也转向人与环境的作用关系以及景观发展潜力，这也是发展的必然结果。

地理信息系统(GIS)最初是以计算机处理地理信息的综合技术出现的，是一种为了获取、存储、检索、分析和显示地理数据而建立的计算机化的数据库系统[14]。GIS的表面分析功能可以进行较多的分析，通过高程数据集或数字高程模型(DEM)，可以获得高程、坡度、坡向、山体断面、表面阴影、土方计算等数据[15]。GIS可以通过图像和数据的形式表现空间分析，在自然景观资源管理、土地利用规划、景观规划与评价、生态和公众参与等方面获得成功应用[16]。参数化设计、数字景观概念的出现，使GIS成为景观规划过程中的关键环节，在景观评价等研究中成果显著。

客观地评价景观现状，认识景观的生态特征，根据景观资源可开发利用的方式对不同适宜度的区域有针对性地制定规划方案，是今后景观规划的必然发展趋势。笔者通过对赵杲观森林公园景观影响因素的分析，希望能提出公园规划优化策略，实现规划设计由传统粗放模式向科学生态的方式转变。

1 研究区概况

赵杲观森林公园地处五台山支脉天台山[17]，位于忻州市代县新高乡洪寺村，是在国营滩上林场的基础上建立的，总面积约4700 hm2，38°52′—38°58′N、112°58′—113°04′E。森林公园总体为南北向两座山夹一条沟，主峰海拔高度为1984 m。属于温带大陆性气候，四季分明，年均气温4.7℃，年降水量398～773 mm，年均无霜期107天，日照充足，太阳辐射强，山势变化较大，阳坡和阴坡日照辐射差异明显。

山体面貌由基岩山区组成，处元古代古北东向构造带与中生代祁吕—贺兰山字型构造的东翼复合部位，新华夏系与前期构造的复合干扰，属多字型构造的五山隆起的部分[18]。区域内地质构造比较坚固，以花岗斑岩与石英斑岩为主。阳坡陡峭，覆土较薄，平均坡度大于45°，最大坡度达到90°；阴坡以土石为主，坡度在15°左右，相对平缓。主要河流为中解河，河水含沙量低，水源质量较好，为中解水库水源。区域内植物与动物资源丰富，植物区系为五台山植物区系，原生植被主要为油松和白桦形成的针阔混交林，森林公园边缘分部多为人工林。

2 研究方法

2.1 基础数据与图像分析

研究需要使用的图像有GDEM 30 m分辨率数字高程数据、Landsat-8TM影像数据，基础资料包括赵杲观森林公园植物资源调查及小班区划资料，以及山西省代县林业局提供的相关文本资料。

2.1.1 GDEM 30 m分辨率数字高程数据获得及处理ASTER GDEM是先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型[19]。从地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)下载DEM数字高程数据，在Globalmapper软件支持下合成DWG格式的等高线地形文件，再利用ArcGIS 10.1将文件数据矢量化，并用3D Analyst导出TIN文件，构建森林公园DEM数字高程模型、坡度分布图、坡向分布图和高程分布图。

2.1.2 Landsat-8TM影像数据获得及处理 Landsat-8卫星探测的地理数据范围覆盖81°N到南纬81.5°N之间区域。从地理空间数据云网站可以获得30 m分辨率的可见光和红外光数据文件，在Arcmap程序中进行栅格计算可得到归一化植物指数(NDVI)数据。

2.2 研究方法

研究主要在GIS平台分析赵杲观森林公园的数据信息，对单指标因子分析，再进行综合分析，采用的软件为ArcGIS 10.1。

GIS空间分析方法是针对地理空间数据包含的潜在信息来分析和统计的，包括系统的计算分析空间位置关系、分析空间变化规律等内容。研究应用到的GIS的空间分析方法主要包括栅格数据的空间分析方法和矢量数据的空间分析方法以及加权叠加法[20]。

2.2.1 栅格数据的空间分析方法 地图可以转化为栅格数据模型，对研究对象依据聚类条件提取信息，划分出类型，简化空间模型，还可以针对同一研究区域不同主题层面的信息进行叠加处理，生成新的数据图层。

2.2.2 矢量数据的空间分析方法 基于矢量数据的空间分析是利用点、线、面的方式表示空间数据，再研究它们的空间关系，矢量数据和栅格数据可以叠加运算，把相关属性的点集合到一起，重新划分空间。

2.2.3 加权叠加法 加权叠加法是GIS数据模型中运用最广泛的方法。先将每个指标的评价等级在栅格图像中赋值，再与权重值相乘，并逐项累加求出总和，得出加权数据。

2.3 评价指标体系的构建

结合公园实地调研结果和相关研究理论进展，研究选定景观原生度、视觉敏感度、适宜度和健康度作为赵杲观森林公园景观生态评价的指标。

景观原生度是用来衡量景观环境受人为干扰程度的指标，人类生活空间日益扩张，可以踏足的区域已经向着原生自然环境不断深入，人工活动对自然环境造成了不同程度的影响。受干扰强度大的区域原有环境的生态性自然性逐渐下降，原生生物向更适宜的环境迁移或灭绝。在赵杲观森林公园研究中，按人为活动影响干扰程度将研究范围分为原生景观、半原生景观和人工景观3个类型，分别计算出各类型的区域面积及占总面积的比例为A1、A2、A3，用各类型比例与权重相乘后累加得出景观自然度N。

景观视觉敏感度是一种可能性，即在系统控制条件下，一种变化所引起的系统敏感的、可认知的、持续的且复杂的响应[21]。景观视觉敏感度是景观被注意到的程度的量度，景观敏感度越高，就越引发观景者的注目，高敏感度的区域即使受到轻微的干扰，都就对景观造成巨大的冲击[22]。当产生改变时，能够很容易地引人关注的景观，视觉敏感度的程度较高。这类景观是全园的设计重点，一旦被破坏，对于景观整体视觉效果影响强烈。景观视觉敏感度的评价从相对坡度、相对距离、景观出现概率和醒目程度来进行，将每个方面评价结果在GIS中叠加综合评价景观视觉敏感度，如式(2)。先将相对坡度敏感度分级结果Sα与相对距离敏感度分级结果Sd合取分析，再把合取结果与景观视域机率敏感度Sd合取，最后与醒目程度分级析取。

景观适宜度是一定土地单元的某种特殊利用方式与其生态环境协调关系的量度，适宜度评价是生态规划的核心[23]。土地的特性决定了其开发方式与功能，适宜度从高程、坡度、坡向、用地类型和水文因子几方面评价。通过GIS将各分项因素分析的结果进行加权叠加，得到赵杲观森林公园景观适宜度综合评价。

景观健康度是指景观在受到人类适度干扰后仍具有自然调节、自我更新的能力[24]。景观在一定程度的干扰下生态系统可以保持稳定状态，自我调节恢复到原状，如果干扰程度超出可承受的范围，景观的生态系统健康就受到破坏。评价指标有景观的多样性指数、植被指数以及生态弹性度，方法为在GIS中加权叠加。

将影响赵杲观森林公园景观生态评价的因子确定后，建立评价指标体系。

2.4 评价指标权重确定

权重值的大小代表评价指标在综合评价中的相对重要程度，权重值越大，说明该指标对评价结果影响力越大，相对更重要。为准确确定权重，科学地进行评价工作，在充分研究森林公园生态内涵的前提下，利用层次分析法，定量与定性相结合。根据建立的评价指标体系结构，逐级进行权重确定。首先以景观生态评价指标体系为判断依据，将景观原生度、景观适宜度、景观健康度两两对比，建立判断矩阵，对两者比较结果进行赋值，得出相对权重。再依次以景观敏感度、适宜度、健康度为判断依据，子指标两两比较重要性。假设判断因素Ai与Aj的重要程度，比较结果记为Aij，那么Ai与Aj的重要程度有Aij=1/Aji的关系。

利用Yaahp层次分析法软件，将判断矩阵建立层次结构模型，得出各指标的权重值Wi（表1）。由于比较结果是专家赋值决定的，专家的主观经验会对结论的逻辑性、客观性产生影响，因此需要对判断矩阵进行一致性检验。

3 评价结果与分析

3.1 景观原生度评价

3.1.1 原生度分级与综合评价 利用GIS空间分析工具对森林公园内不同土地利用类型的区域进行分级分析，并测定区域的面积比例（表2），将各等级比例和权重代入原生度公式计算赵杲观森林公园的景观原生度，并得到赵杲观森林公园原生度保护分级图（图1）。

3.1.2 规划建设策略 一级保护区为原生景观区域，主要用地类型为林地、灌草、水域、滩涂，分布集中在研究范围内东西两侧山坡上，交通不便，到达性差，因此受人类活动影响较小。植被生长状况良好，主要为油松纯林和白桦林纯林以及原始次生林。这一区域应重点保护，限制或禁止建设开发行为。二级保护区为半原生景观，以游览路线附近以及居民点附近的人工树林为主，景观受到人为活动的干扰，但干扰程度不大，应控制或限制建设规划强度。三级保护区以人类生产生活活动主要聚集区农田和居住用地为主，这一区域的优化策略是保障居民生活需要的基础上退耕还林，提高植被覆盖面积，向二级保护区过渡。

表1 赵杲观森林景观生态评价参数

表2 赵杲观森林公园景观原生度等级划分表

3.2 景观视觉敏感度评价

3.2.1 景观视觉敏感度分级与综合评价

（1）基于相对坡度分析。当地形相对坡度为90°时，相对坡度值sinα为1，景观观赏面在游人视线垂直面上投影和面积最大，容易引起游人关注，视觉敏感度高；地形坡度为0°时，相对坡度值为0，景观观赏面在游人视线垂直面上投影的面积最小，游人不容易观赏，视觉敏感度小。利用GIS对赵杲观森林公园进行坡度空间分析，坡度α＜14.5°，相对坡度值Sα＜1/4，为低敏感度区域，面积约为1039.55 hm2，占森林公园总面积的22.12%；坡度14.5°≤α＜30°，相对坡度值1/4≤Sα＜1/2，为中敏感度区域，面积为2702.24 hm2，占森林公园总面积57.49%；坡度30°≤α＜90°，相对敏感度1/2≤Sα＜1，为高敏度感区域，面积为958.21 hm2，占森林公园总面积20.39%。

图1 赵杲观森林公园景观原生度保护分级图

（2）基于相对距离分析。参考前人研究成果，结合赵杲观国家森林公园实际情况，确定游人可以看清楚观赏景物的最大距离为300 m，以森林公园现状游览路线为基础，按300、600 m距离划分区域并进行可见性分析，得到赵杲观森林公园相对距离景观视觉敏感度分区。游人与景观之间的距离d≤300 m为近景带，Sd=1，面积为1989.34 hm2，占到公园总面积的42.33%；300＜d≤600为中景带，1/2≤Sd＜1，面积为122.56 hm2，占总面积的25.8%；d＞600为远景带，0＜Sd＜1/2，面积为696.95 hm2，占总面积的14.83%；不可见区域为鲜见带，Sd=0，总面积为801.15 hm2，占17.04%。

（3）基于景观出现概率分析。在赵杲观森林公园主要游览路线上每隔100 m确定一个观景点，以每个观景点为基础对全园进行可见性分析，共402个基础观景点，最多观景点观察的数量为191个。假设观赏点可观赏数量为A，128＜A≤191为高可见区，面积为108.99 hm2，仅占公园总面积的2.32%；64＜A≤128为中可见区，面积为723.38 hm2，占公园总面积15.39%；0＜A≤64为低可见区，区域总面积为2983.14 hm2，占总面积63.47%，不可见区域观赏次数为0，面积884.49 hm2，占总面积18.82%。

（4）醒目程度分析。将赵杲观森林公园中醒目程度高的景点实地测定地理坐标，并导入GIS绘制景点分布图。

（5）综合分析。根据4个指标的单因子评价，将评价结果在GIS中叠加分析，得出赵杲观森林公园景观视觉敏感度综合分区（表3，图2）。

3.2.2 规划建设策略

（1）一级敏感区集中在包括赵杲观景区在内的山峰阳坡坡顶区域两侧，与游人活动范围较近，且相对坡度大，虽然地势陡峭、可达性差，但可见性良好，这个区域内的景观对游人的视觉影响较大，因此要严格进行保护管理。赵杲观景区、探马石森林度假景区、上庄景区等景区的特殊景观醒目程度和观赏价值都较高，要保护景观自然特性，要严格控制人工建设，在不破坏自然景观的基础上，满足基本的旅游服务即可。

表3 赵杲观森林公园景观视觉敏感度等级划分表

图2 赵杲观森林公园景观视觉敏感度保护分级分布图

（2）二级敏感区与游人距离也较近，景观敏感度较高，是游人可以与自然直接接触的区域，自然植被分布较为丰富，赵杲观森林公园内二级敏感区的比重最大，应当重点进行自然景观的保护和恢复，控制人工干扰。

（3）三级敏感区主要是距离主要游览线路600 m以外的可视区域，坡度不大，地形较平坦，景观视觉敏感度不高。这些区域可以进行配套设施建设，结合区域内村庄发展人文景观。但在建设中要注意设施规模不能过大，风貌要与森林公园相符，不破坏整体公园景观。

（4）四级敏感区是公园内不可见区域，多为山坡背面或当前道路无法到达区域，这一区域在赵杲观森林公园中所占比例不大，敏感度较低，原则上可以在此区域内进行基础设施建设，增设游览线路，不会破坏景观风貌。但赵杲观森林公园东部区域由于交通不便，自然森林状况良好，不应过度进行道路等设施建设，要根据实际情况进行规划。

3.3 景观适宜度评价

3.3.1 景观适宜度分级与综合评价 对赵杲观森林公园分别就高程、坡度、坡向、用地类型和水文因子进行评价研究，根据结果划分为5个适宜度等级区域（表4），再利用GIS加权叠加，计算各等级区域评价得分，得到公园景观适宜度综合评价结果（表5）和划分分级区域图（图3）。

3.3.2 规划建设策略 低适宜度区域主要集中在南北走向的山峰上，以林地为主，植被、动物多样性较高，一旦受到人为干扰会对整个森林生态系统造成影响，因此要限制开发，严格进行保护。中适宜度区域对外界的人为干扰有一定的抗性，也有自我调节的能力，在开发利用时要注意开发的范围和强度，不要超过可耐受限制。高适宜区地势相对平缓，不容易受到干扰，且自我调节能力强，可以在这一区域进行基础设施建设。

表4 景观适宜度等级与各级参数

表5 赵杲观森林公园景观适宜度综合分级表

图3 赵杲观森林公园景观适宜度保护分级图

3.4 景观健康度评价

3.4.1 景观健康度分级与综合评价

（1）基于NDVI评价。生态系统的活力是指其活动性、初级生产力和新陈代谢能力[25]。由于植被茂盛区域有吸引可见光、反射近红外光的性质，而植被稀疏区域则反射可见光，基于这一特征，可以计算NDVI值，如式(3)。赵杲观森林公园区域内NDVI最大值为0.7088，最小值为-0.0357.

（2）基于景观多样性评价。针对赵杲观森林公园实地调研数据，根据Shannon Wiener多样性指数公式[式(4)]计算不同景观类型的数量及其所占比例。对结果进行分析统计，在GIS中处理得到基于景观多样性指数的景观健康度分级分布图。

式(4)中，Pk为不同景观类型的面积占总面积的比例，n为景观类型的数量，Shannon多样性指数越大，说明区域内景观类型丰富度高（表6）。

（3）基于生态弹性度评价。对赵杲观森林公园中不同景观类型用地进行生态弹性度计算，如式(5)。

表6 赵杲观森林公园景观类型分析

式(5)中，Di为景观多样性指数值，n为景观类型的数量，Si为景观类型，Pi为景观类型的弹性分值，将数据结果（表7）在GIS中处理，得到基于景观生态弹性度的景观健康度分级分布情况。

（4）综合评价。对赵杲观森林公园分别就NDVI、景观多样性和景观生态弹性度进行评价研究，根据结果划分为3个健康度等级区域（表8），再利用GIS加权叠加，计算各等级区域评价得分，得到公园景观健康度综合评价结果（图4）。

3.4.2 规划建设策略 在赵杲观森林公园景观健康度综合评价的基础上，对公园进行分级保护。高健康度区域整体状况良好，景观生态系统较完整，受到外界干扰有一定的恢复能力，后期应保护这一区域的完整性。中健康度区域主要是水域滩涂及耕地，对抗人为活动产生的干扰有一定的恢复性，在这一区域要注意控制人为活动强度，不能超过景观生态可恢复限度。低健康区域由于大量人为活动已经破坏了生态系统的平衡，要在后期规划中控制或限制人为活动力度，增加植被面积。

表7 赵杲观森林公园生态弹性度表

表8 景观健康度等级与各级参数

4 综合评价结果与分析

将景观原生度、景观视觉敏感度、景观适宜度、景观健康度指标的评价结果在GIS中加权叠加，得出赵杲观森林公园景观生态评价最高值为3.0655，最低值为1.2071，公园总体生态状况良好（图5），结合公园实际状况对全园分级制定区域保护措施与开发对策。

一级保护区植被原生度较高，主要分布在东西两侧山体和水源区域，植被多为原始林地和灌草。此区域易受人为活动干扰，且干扰后恢复能力弱。应该重点保护，禁止开发建设活动，可在游人主要游览路线的可视范围内适当增加景观绿化树种，增加景观视觉敏感度。

二级保护区面积占比最大，主要分布在地形相对平坦，坡度不大的南坡、东南坡和西南坡上，一级保护区范围除外。这些区域适宜增加旅游服务设施，但要控制开发强度和建设的必要性。

图4 赵杲观森林公园景观健康度保护分级图

图5 赵杲观森林公园景观生态保护分区图

三级保护区主要分布在赵杲观景区、张仙堡景区和探马石景区等已被旅游开发的区域以及村庄、工矿用地，人为活动对该区域影响已经很大。这一区域景观适宜度较高，但景观原生度、景观健康度较低，要对建设行为合理规划，进行村庄环境整治与美化，增加植被覆盖率。

5 讨论

面对资源紧缺、环境问题加重的现状，人们越来越重视生态环境保护，向往回归自然的生活空间，森林公园可以为人们提供文化、娱乐、生态休闲功能。对于森林公园的建设与规划，要保护和利用并重，将GIS结合到森林公园的分析研究中逐渐被大家认可并广泛使用，但还有很大的发展潜力。

（1）本研究各指标因子权重确定采用层次分析法，以定性方法为主，能比较客观地反映森公园现状，但受专家的主观因素较多，可能会有一定的主观误差，影响最终的评价结果。

（2）在选择评价因子的工作中，由于现状资料仍然不够全面，指标可能存在片面性，不能全面反映森林公园的状况。

（3）根据各指标因子分析结果以及综合评价结果，提出了一些开发与保护的建议，但仍需要进一步探讨。

（4）森林公园规划与开发是一个动态变化的发展过程，在评价体系构建的过程中未将动态化纳入其中，在今后研究中需要进一步完善。