基于视觉敏感度的太原市周边山体破坏面景观生态影响评价研究

崔雪琛，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)

现代城市在建设过程中对周边山体造成不同程度的破坏，导致地形地貌改变、土层消失、植被退化、地表裸露，极易引发塌方、滑坡、泥石流等次生灾害和水土流失等生态环境问题，不仅严重影响城市美观，也给城市生态安全带来了严重威胁和隐患[1-2]。如何评价山体破坏面的景观生态影响、区分轻重缓急、制定针对性的科学规划是当前许多城市生态环境建设面临的现实课题任务之一[3]。本世纪初我国学者吴长文、柳长顺等人在深圳市山体破坏面的整治工作中，提出并应用了包括交通、面积、距离3个评价因子和醒目系数的景观影响度评价模型，该模型主要考虑了破坏面的视觉影响，分析城市周边山体破坏面的影响程度，并对破坏面进行分级[4-5]。吴志峰在对珠海市周边土石场进行景观生态影响评价的工作中，以侵蚀强度代替醒目系数，强调山体破坏面的生态影响，明确了各个土石场之间景观生态影响度的强弱差异，并分级进行评价[6]；在后续研究中吴长文的景观影响度评价模型得到了更多应用[7-9]。景观视觉敏感度是更为成熟的视觉评价方法，常用于景区规划保护工作[10-15]。

太原是中国能源、重工业基地之一。截至2013年底，太原已探明矿藏主要有铁、锰、铜、铝、铅、锌等金属矿和煤、硫磺、石膏、钒、硝石、耐火粘土、石英、石灰石、白云石、石英砂等非金属矿，连年的开采已对太原市周边山体造成了严重破坏。在建设国家园林城市的背景下，修复山体破坏面便成为了太原市的迫切要求。其首要问题是研究山体破坏面的景观生态影响，以便对修复工作进行合理的规划。

本研究将视觉敏感度的评价方法引入研究中，建立视觉因子与生态因子相结合的景观生态影响评价，对太原市周边山体破坏面的影响进行定性定量分析，并以此为依据判断修复工作的紧迫程度。

1 研究对象和研究方法

1.1 研究对象概况及数据来源

太原是山西省省会，是中国优秀旅游城市、国家历史文化名城、国家园林城市，东、北、西三面环山，中、南部为河谷平原，整个地形北高南低呈簸箕形。东、西山分布着10个名胜古迹和休闲景区：晋祠胜境、天龙山石窟、蒙山大佛、长风西郊森林公园、万柏林生态园、玉泉山森林公园、崛围山、东山五龙生态森林公园、台骀山景区、采薇庄园等。

研究对象是太原市周边景区视域范围内的山体，被破坏的山体主要分布于太原市东、西两山。

本研究数据来源于地理空间数据云，2017年高分二号卫星影像数据、2018年GDEMDEM 30 m高程影像数据和Landsat 8 OLI_TIRS卫星影像数据。

1.2 研究方法

1.2.1 可视域分析及破坏面的判读 在ArcGIS中，以10个景区的主出入口作为观察点，利用GIS对研究区域的高程图像进行可视域分析。

利用高分卫星影像结合现场对视域内山体破坏面属性进行判读，按破坏面类型分为土质边坡、碎石边坡和岩质边坡3个类型。将破坏面坡度分为平缓坡(≤5°)、斜坡(5°55°)5个等级。3类破坏面5个坡度级组合为15个类型，以此为依据判断立地条件的特征。

1.2.2 视觉敏感度评价 按照地形破坏面划分成95个斑块，选取斑块总体坡度、与景点相对距离、斑块出现概率和显著程度4个指标作为评价因子。其中，斑块总体坡度是斑块内最高点与最低点形成坡面的坡度；斑块出现概率为斑块被观察次数与总观察次数的比值；显著程度以视域内山体未破坏面的平均归一化植被指数(NDVI)与破坏面斑块NDVI的差值来表示。NDVI在ArcGIS中根据公式(1)从Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像数据中提取。

运用模糊层次分析法计算出各个因子的权重，再与各因子进行加权求和，得到山体破坏面的视觉敏感度，并作为景观生态影响评价中的视觉影响因子。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

公式(1)中NIR为近红外光波段，R为红光波段。

1.2.3 景观生态影响评价及分区 视觉敏感度代表破坏面对观察者视觉上的影响程度，敏感度越高则景观生态影响越大；破坏面类型与斑块平均坡度是水土流失的重要影响因素，也是植被生长的基础条件。随着斑块土层的硬化、土壤颗粒和平均坡度的增大，水土流失的效应也相应增大、植被生长环境变差，对景观生态影响也越发严重，斑块面积越大则表示斑块向周边输出水土的能力越大[6]。

将破坏面类型进行分级量化，用赋值1、2、3的大小来表示破坏面类型的影响大小。采用数据标准化的方法(公式2)将视觉敏感度、平均坡度和面积3个因子按比例缩放到1～3的区间直接参与评价，提高结果的科学性和标准性。

再以模糊层次分析法FAHP(Fuzzy AHP)得出权重，与评价因子加权求和进行景观生态影响评价。按照景观生态影响评价结果、地形和行政区划，对破坏面进行分区。

(2)

公式(2)中yi是标准化后的数据，xi是原始数据，xm是原始数据中的最小值，xM是原始数据中的最大值。

1.2.4 模糊层次分析法 在模糊层次分析法(FAHP)的模型中，采用0-1模糊标度法，对各个因子的重要值进行两两比较，通过公式(3)和公式(4)构建模糊判断一致性矩阵，进而通过公式(5)和公式(6)确定各个因子的权重向量ω。其中A、B因子分别代表两两比较的评价因子(表1)。

表1 模糊标度法因子优先性关系Table 1 Priority relationship of 0-1 fuzzy scale factors

(3)

其中r是模糊互补矩阵各因子的标度值，Pi、Pj为第i、j个因子所在行的总和，n是评价因子的总数。

(4)

其中Pij是模糊一致性判断矩阵中各评价因子的标度值。

(5)

ω=[ω1ω2…ωn]T

(6)

2 结果和分析

2.1 各类破坏面判读统计结果和分析

调查判读结果显示，实际出现的类型有11个,见表2。

表2 各类破坏面判读统计Table 2 Reading statistics of various types of damaged surfaces

由表2可知，面积共计1 566.63 hm2。其中27.09%是土质平缓坡，土质良好、坡度平缓，具有较好的植被恢复能力。50.69%是土质斜坡，土层良好、坡度相对较大，只需稍作稳定边坡的处理即可达到理想的植被恢复效果。总体来说，太原市周边山体破坏面具有较大的生态潜力和修复价值。

2.2 评价因子指标权重测算

这里以视觉敏感度为例，通过0-1模糊标度法构建的优先关系矩阵，见表3。通过公式(3)和公式(4)构建的模糊判断一致性矩阵，见表4。进而通过公式(5)和公式(6)确定各个因子的权重向量：ω=[0.26,0.24,0.22,0.28]，通过对其他因子以相同的方式进行计算，最终得到各个因子的权重，如表5所示。

表3 视觉敏感度优先关系矩阵Table 3 Priority matrix of visual sensitivity

表4 视觉敏感度模糊判断一致性矩阵Table 4 Consistency matrix of visual sensitivity fuzzy judgment

表5 太原市周边山体破坏面景观生态影响评价因子权重Table 5 Influence of landscape ecology of thedamaged surface of the surrounding mountains inTaiyuan on weighting of assessment factors

2.3 景观生态影响分区

按照景观生态影响评价、地形和行政区划，破坏面被分为6个片区、3个等级(见图1)。所包括的立地类型见表6。

表6 景观生态影响分区面积统计表

Table 6 Statistical area of different zones influencedby landscape ecology hm2

立地类型Site type一区面积Area of first zone二区面积Area ofsecond zone三区面积Area ofthird zone土质平缓坡265.8197.1261.54土质斜坡551.38159.1383.64土质陡坡109.916.2733.40碎石平缓坡13.7629.710.87碎石斜坡25.4643.57-碎石陡坡4.7612.97-碎石险坡-2.79-岩质平缓坡13.293.81-岩质斜坡26.2011.15-岩质陡坡5.632.20-岩质险坡1.410.84-总计1 017.62369.55179.46

注：-表示无此类型。

图1 景观生态影响分区

Figure 1 Impact of landscape ecology on zoning

由表6可知，一区的景观生态影响最大，共包括10种立地类型，立地类型较多，规划设计难度较大。土质边坡面积占比较高，主要由周边建设取土造成。其中土质斜坡类型面积为551.38 hm2，表明一区大部分地区土质状况良好且坡度较缓，有着较好的立地条件。坡度较大的陡坡及险坡共包括土质陡坡、碎石陡坡、岩质陡坡、岩质险坡4个类型，立地条件较为复杂，施工难度较大。此4个类型的面积共121.71 hm2，相比其他区同类型面积最大，土石方工程量最多。其中土质陡坡面积占了绝大部分，为109.91 hm2，因此一区相较其他区发生水土流失的风险也最大。

二区景观生态影响中等，包括了所有的11种立地类型，相比其他区最多，立地条件复杂，规划设计难度最大。太原周边山体破坏面中大部分的碎石边坡集中于此，共89.04 hm2。形成的主要原因是工业矿渣、建筑废料的堆积。其中坡度较大的碎石陡坡和碎石险坡面积分别为12.97 hm2和2.79 hm2，相比其他区同类型面积最大，因此二区更容易发生落石、塌方等灾害。相比其他区大坡度面积最小但类型最多，土石方工程量最小但施工难度较大。

三区景观生态影响较小，共包括4种立地类型且全部为土质边坡，总面积为179.46 hm2，其中坡度较小的土质平缓坡和土质斜坡占了绝大部分面积，分别为61.54 hm2和83.64 hm2。主要是建设乡村与道路时造成的小面积破坏区域，视觉条件差，因此规划设计优先级和难度均最低，坡度较大的土质陡坡面积为33.4 hm2，相比其他区面积最小，立地条件简单，施工量和难度也最小。

3 结论与讨论

研究结果表明，各景观生态影响分区及其立地特征各有特点，因此修复工作不可盲目进行，应针对各区特点分主次进行：一区应投入更多成本做重点规划设计，优先考虑基于保持水土策略的景观优化，加强雨洪管理措施，降低水土流失风险，提升景观质量；二区应优先进行稳固边坡、改善土质等措施，改善恶劣边坡(碎石、岩质)对景观质量、生态环境和地区安全造成的影响，在此基础上进行适当的景观优化设计，适用人工和自然恢复相结合的方式降低成本。三区修复优先级较低，应对较陡和土层状况较为恶劣的地区进行人工修复，保证其生态功能和地区安全，立地条件较好的地区以自然恢复为主。

从过去山体破坏面的评价研究来看，似乎更注重破坏面的视觉影响，同时选取几个水土流失的主要影响因子来兼顾其生态影响，评价因子的结合方式更是以几何平均数的数学方法为主流。这种数学方法优点在于能够放大高数值因子在评价过程中的贡献，缺点是在以人为主体的评价过程中并不能真实反映人的感受。以层次分析法测算权重的方法自提出以来，加权计算出现在了各界评价决策者的视野中，尤其在景观生态评价领域，其评价内涵也与山体破坏面评价不谋而合[16-18]。近年来视觉敏感度评价法在视觉影响方面更是热门。本研究在以往山体破坏面评价的工作基础上，选用典型的评价因子，与加权计算法结合，利用层次分析法测算权重，基于景观生态评价内涵，以不一样的方法重新审视山体破坏面评价工作。