張銀濤，鄭世偉，何勇清，廖麗華

(浙江省慶元縣林業(yè)局，浙江 慶元 323800)

為進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，2017年浙江省第十四次黨代會(huì)提出謀劃“大花園”建設(shè)行動(dòng)，大力推進(jìn)“全域旅游”發(fā)展“旅游+”。慶元縣立足優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境和豐富的森林資源，注重發(fā)展“旅游+林業(yè)”。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(duì)景觀的影響主要體現(xiàn)在對(duì)沿途斑塊的分割，以及由此引發(fā)的邊緣效應(yīng)[1]。

當(dāng)前對(duì)公路景觀的研究多注重于公路廊道內(nèi)部景觀，即公路系統(tǒng)內(nèi)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(cè)帶狀、邊坡、出入口及服務(wù)區(qū)，并對(duì)各景觀區(qū)的綠化和養(yǎng)護(hù)進(jìn)行闡述；胡強(qiáng)等[3]將高速公路沿線景觀林分為線形平地區(qū)域、面狀坡地區(qū)域、村莊區(qū)域、互通立交區(qū)域和隧道洞口區(qū)域5個(gè)典型地形區(qū)域，并對(duì)各地形區(qū)域景觀林營(yíng)造模式和植物配植進(jìn)行分類描述；康建林[4]將美學(xué)原理融入到公路及公路環(huán)境景觀設(shè)計(jì)中；袁黎等[5]對(duì)公路路側(cè)景觀綠化的安全功能、景觀功能及生態(tài)防護(hù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并建立綜合評(píng)價(jià)模型。公路系統(tǒng)不是一個(gè)獨(dú)立體，公路建設(shè)常貫穿于多種地形和自然景觀。因此，在公路景觀設(shè)計(jì)及建設(shè)時(shí)要考慮與沿途自然環(huán)境的協(xié)調(diào)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(píng)價(jià)及更新方法。曹智偉等[10]通過(guò)遙感影像解譯對(duì)西雙版納主干公路沿線兩側(cè)10 km范圍內(nèi)森林景觀格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

本文以浙江省慶元縣主要公路沿線可視范圍內(nèi)林地作為研究對(duì)象，對(duì)其林分現(xiàn)狀及可視性進(jìn)行分析研究。提出“頻率-視距”和“垂直視角”2種可視性測(cè)度指標(biāo)，對(duì)公路沿線可視區(qū)域進(jìn)行重要性分級(jí)，并從經(jīng)營(yíng)管理等方面對(duì)不同的林分類型及現(xiàn)狀提出相應(yīng)的改造方案。

1 研究方法

地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)是對(duì)地理空間信息進(jìn)行描述、采集、處理、存儲(chǔ)、管理、分析和應(yīng)用的一門新興學(xué)科[11]?？梢曈蚍治鲎鳛榈乩硇畔⑾到y(tǒng)的基本分析功能，是一種利用數(shù)字高程模型來(lái)提取和傳輸觀測(cè)點(diǎn)的通視度、可視范圍和阻擋范圍的地形最優(yōu)化處理方法[12-14]。本文采用慶元縣數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)結(jié)合主要公路矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行公路可視域分析，獲取公路沿線可視范圍。疊加研究區(qū)森林資源數(shù)據(jù)對(duì)公路可視域內(nèi)森林景觀現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.1 研究區(qū)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(zhǎng)49 km，東西寬67 km，總面積1898 km2。境內(nèi)主要公路有G25長(zhǎng)深高速(龍慶段)、慶元大道(一級(jí)公路)、S229和S329省道以及通往景區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的縣級(jí)公路等。慶元縣堅(jiān)持生態(tài)立縣，森林資源豐富，森林覆蓋率高達(dá)86%。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)字高程模型(DEM)作為重要的地理地形分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在測(cè)繪、資源與環(huán)境、災(zāi)害防治、國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用[15]。DEM獲取大致可分為地面測(cè)量法、遙感攝影測(cè)量法、雷達(dá)測(cè)量法以及利用地形圖數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)生成慶元縣DEM數(shù)據(jù)。

公路可視域分析將傳統(tǒng)的“公路沿線景觀”的定性描述向定量化轉(zhuǎn)換。研究中將公路分為3類：高速公路及一級(jí)公路(G25長(zhǎng)深高速和慶元大道)、省級(jí)公路(S229和S329)以及主要縣級(jí)公路(以下簡(jiǎn)稱高速、省道和縣道)。在進(jìn)行可視域分析時(shí)，由于各級(jí)公路可視范圍存在重疊現(xiàn)象，研究中按照“高速”>“省道”>“縣道”的優(yōu)先次序?qū)χ丿B部分進(jìn)行剔除處理。各級(jí)公路沿線可視區(qū)域分布見(jiàn)圖1。

圖1 慶元縣主要公路沿線可視區(qū)域分布

1.3 可視性分析

可視域分析所得到的數(shù)據(jù)(圖1)為公路沿線上所有可視區(qū)域。如何對(duì)可視區(qū)域進(jìn)行重要性等級(jí)劃分，對(duì)公路沿線林木景觀規(guī)劃起到重要作用。文中的可視性分析都是基于像素化DEM數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)像元大小為(30，30)。提出公路可視目標(biāo)區(qū)域“垂直視角”及“頻率-視距”2個(gè)可視性測(cè)度指標(biāo)，并結(jié)合傳統(tǒng)的可視頻率(可視次數(shù))和視距(歐氏距離)指數(shù)進(jìn)行比較分析。4種測(cè)度指標(biāo)的說(shuō)明及計(jì)算方法如下。

1)可視頻率(可視次數(shù))：目標(biāo)區(qū)域被看到的頻率是一個(gè)重要的可視性指標(biāo)，可視頻率指公路沿線上可看到目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域次數(shù)。

2)視距(歐氏距離)：視距是指目標(biāo)區(qū)域距離觀察點(diǎn)的距離，文中采用目標(biāo)點(diǎn)到公路上最近點(diǎn)的歐氏距離來(lái)對(duì)視距進(jìn)行近似計(jì)算。由于公路上看到目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的視線距離不是固定值，隨著觀測(cè)點(diǎn)在公路上的移動(dòng)不斷發(fā)生變化，而且目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域可視頻率越高其視線距離的變化越大。因此，歐氏距離計(jì)算結(jié)果小于等于實(shí)際視距。

3)垂直視角：垂直視角對(duì)目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的可視性也至關(guān)重要，垂直角越小對(duì)視覺(jué)的沖擊越小，垂直視角越大對(duì)視覺(jué)的沖擊越大。目標(biāo)點(diǎn)的垂直視角也隨著觀測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)不斷發(fā)生變化，與視距相同文中采用目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域到公路上最近點(diǎn)歐氏距離及目標(biāo)點(diǎn)與公路上最近點(diǎn)的高程差來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算。因此，垂直視角計(jì)算結(jié)果大于等于實(shí)際垂直視角。

垂直視角具體計(jì)算過(guò)程為：首先，計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)高程H1。將公路進(jìn)行像素化，像元大小(30，30)，并提取公路上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程(H1)。對(duì)公路各點(diǎn)高程(H1)進(jìn)行歐氏分配操作，獲取各目標(biāo)像元點(diǎn)對(duì)應(yīng)公路最近點(diǎn)的高程H1′；其次，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)高程差H。采用柵格計(jì)算器對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)(H2)與歐氏分配結(jié)果(H1′)相減，結(jié)果即目標(biāo)點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)的高程差H；最后，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)垂直視角。設(shè)歐氏距離結(jié)果為L(zhǎng)，垂直視角為α，則：tan(α)=(H/L)。

4)頻率-視距指數(shù)：可視頻率和視距2個(gè)指標(biāo)分別從目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的可視次數(shù)及視線距離2個(gè)方面進(jìn)行分析制圖。認(rèn)為目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的可視次數(shù)越多、視距越小，則目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的可視性等級(jí)越高，因此文中提出一種“頻率-視距”指數(shù)。由于可視頻率單位為次數(shù)，而視距單位為m。為統(tǒng)一可視頻率和視距單位，將可視次數(shù)乘以30(像元寬度)即采用公路上可看到目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域理論累計(jì)長(zhǎng)度代替可視頻率進(jìn)行計(jì)算。設(shè)可視頻率為N，視距為L(zhǎng)，頻率-視距指數(shù)為T，則：T=N×30/L。

各指標(biāo)的計(jì)算均分別基于高速、省道和縣道進(jìn)行，最后將處理結(jié)果合并。各可視性指標(biāo)制圖結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 各可視性指標(biāo)制圖

2 結(jié)果與分析

2.1 森林資源疊加分析

由于可視域分析所得數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)，要進(jìn)行疊加分析需要對(duì)可視域進(jìn)行矢量化操作。首先對(duì)可視域分析結(jié)果進(jìn)行重分類操作，分為可視區(qū)域(可視次數(shù)大于0)和不可視區(qū)域(可視次數(shù)等于0)2類，然后利用ArcGIS轉(zhuǎn)換工具對(duì)重分類后數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)面操作，對(duì)可視域數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化。

表1 可視域內(nèi)森林類別統(tǒng)計(jì) hm2

森林資源數(shù)據(jù)采用2017年森林資源二類調(diào)查矢量數(shù)據(jù)。根據(jù)森林不同的主導(dǎo)功能在進(jìn)行森林調(diào)查及森林資源管理中常將森林分為重點(diǎn)公益林、一般公益林、重點(diǎn)商品林和一般商品林。將公路可視域和森林類別數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取公路可視域各森林類別面積統(tǒng)計(jì)(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(tài)公益林面積占36.85%，商品林(地)面積占31.39%。

表2 可視域內(nèi)商品林(地)地類面積統(tǒng)計(jì) hm2

非林地是指林地以外的農(nóng)田、水域、未利用地和建筑用地等。研究中認(rèn)為生態(tài)公益林為受保護(hù)林地，林分結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。因此，本文重點(diǎn)對(duì)可視域內(nèi)商品林(地)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。公路可視域內(nèi)商品林(地)按地類分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)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(nèi)商品林(地)中喬木林按樹種組成及齡組分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。公路可視域內(nèi)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(guò)熟林(4.03%)占55.51%。

表3 可視域內(nèi)喬木林樹種結(jié)構(gòu)及齡組面積統(tǒng)計(jì) hm2

2.2 可視性分析

分位數(shù)分類作為ArcGIS眾多標(biāo)準(zhǔn)分類方法之一，適用于呈線性分布的數(shù)據(jù)，其分類結(jié)果中每個(gè)類均含有相等數(shù)量的要素。為了更直觀地比較4種可視性指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用分位數(shù)分類方法將各可視性指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行分類并提取最優(yōu)的三分之一區(qū)域進(jìn)行制圖。結(jié)果見(jiàn)圖3。

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

為了更直觀地比較各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)各方法所選較優(yōu)三分之一區(qū)域(圖3)進(jìn)行DEM、可視頻率及視距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)制圖，詳見(jiàn)圖4。

各方法所選較優(yōu)區(qū)域DEM統(tǒng)計(jì)(圖4A)顯示，三級(jí)道路對(duì)應(yīng)較優(yōu)區(qū)域高程均值均呈現(xiàn)“視距”法>“頻率-視距”法>“垂直視角”法>“可視頻率”法?！邦l率-視距”法結(jié)果更接近“視距”法，“垂直視角”法次之；可視頻率統(tǒng)計(jì)(圖4B)顯示，三級(jí)道路對(duì)應(yīng)較優(yōu)區(qū)域可視頻率均值亦呈現(xiàn)“可視頻率”法>“頻率-視距”法>“垂直視角”法>“視距”法。“頻率-視距”法結(jié)果更接近“可視頻率”法，“垂直視角”法次之；視距統(tǒng)計(jì)(圖4C)顯示，除縣道對(duì)應(yīng)較優(yōu)區(qū)域視距均值“垂直視角”法<“頻率-視距”法外，三級(jí)道路對(duì)應(yīng)較優(yōu)區(qū)域視距均值均整體呈現(xiàn)“視距”法<“頻率-視距”法<“垂直視角”法<“可視頻率”法。“頻率-視距”法結(jié)果更接近“視距”法，“垂直視角”法次之。

圖3 各可視性指標(biāo)最優(yōu)可視區(qū)域分布圖

圖4 各方法所選較優(yōu)級(jí)區(qū)域內(nèi)DEM、可視頻率及視距統(tǒng)計(jì)

各統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，各方法所選較優(yōu)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差整體表現(xiàn)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(jié)論與討論

公路沿線景觀是城市的“門面”，彰顯一個(gè)城市形象。公路可視分析為公路沿線森林景觀進(jìn)行精準(zhǔn)定位，降低外業(yè)調(diào)查工作量。此外，森林資源數(shù)據(jù)疊加分析，方便快捷獲取公路沿線景觀現(xiàn)狀，為公路沿線景觀現(xiàn)狀調(diào)查及規(guī)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(gè)方面對(duì)可視區(qū)域進(jìn)行重要性評(píng)價(jià)。各方法提取較優(yōu)區(qū)域可視頻率統(tǒng)計(jì)(圖4B)結(jié)果顯示，“可視頻率”法最優(yōu)，“視距”法最差；而各方法提取較優(yōu)區(qū)域視距統(tǒng)計(jì)(圖4C)結(jié)果顯示，“視距”法最優(yōu)，“可視頻率”法最差?！邦l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(yōu)點(diǎn)，能較好地將距離公路較遠(yuǎn)的目標(biāo)區(qū)域以及分布于公路兩側(cè)但可視頻率較低的區(qū)域過(guò)濾掉，該方法在美麗林相建設(shè)改造區(qū)域選擇中具有較高的參考價(jià)值，“垂直視角”法次之。

可視區(qū)域重要性分級(jí)，為美麗林相建設(shè)規(guī)劃選址決策提供參考。本文提出的可視性測(cè)度方法同樣適合于各類景區(qū)點(diǎn)源(如觀景點(diǎn))、線源(如景區(qū)游覽路線)可視域內(nèi)的景觀規(guī)劃參考，也可以逆向利用以景觀點(diǎn)為源進(jìn)行分析指導(dǎo)觀景點(diǎn)位或游覽路線規(guī)劃。林分改造是一項(xiàng)長(zhǎng)期而連續(xù)性的工程，同時(shí)還要考慮山場(chǎng)主的改造意愿、政府政策導(dǎo)向、具體方案實(shí)施等多方面因素。

美麗林相建設(shè)是指通過(guò)森林撫育和林分改造等營(yíng)林技術(shù)措施對(duì)低產(chǎn)、低效、生態(tài)及景觀功能低下的森林進(jìn)行改造，以獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、色彩豐富、富于季相變化的林分，同時(shí)改造過(guò)程中要兼顧森林的生態(tài)功能、景觀功能、經(jīng)濟(jì)效益及改造成本等[17]。美麗林相建設(shè)要以保護(hù)生態(tài)及生物多樣性，培育鄉(xiāng)土樹種、珍貴樹種為原則，構(gòu)建林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的美麗健康森林。

針對(duì)可視域內(nèi)不同的林分結(jié)構(gòu)類型分別從撫育改造及保護(hù)、造林及補(bǔ)植、營(yíng)造針闊混交林及復(fù)層林3個(gè)方面進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)改造方案，因地制宜營(yíng)造多彩闊葉林、針闊混交林及復(fù)層林景觀。①撫育改造及保護(hù)。公路可視域內(nèi)生態(tài)公益林中低產(chǎn)、低效林以撫育改造為主，改造中遵循其生態(tài)保護(hù)功能和保護(hù)生物多樣性原則；商品林內(nèi)喬木林中天然闊葉林以保護(hù)為主，進(jìn)行撫育改造適當(dāng)補(bǔ)植彩色或珍貴樹種調(diào)整樹種結(jié)構(gòu)，對(duì)于連片且符合條件的可以規(guī)劃為生態(tài)公益林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)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(hù)為主適當(dāng)補(bǔ)種耐貧瘠觀賞喬木樹種。毛竹林作為重要的商品林，對(duì)其經(jīng)營(yíng)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(bǔ)植。疏林地是由于自然因素或人為活動(dòng)等原因造成郁閉度較低的林地。宜林地是指規(guī)劃為林地的土地，包括造林失敗地、規(guī)劃造林地和其它宜林地。疏林地和宜林地改造可視情況進(jìn)行補(bǔ)植改造或皆伐更新改造；當(dāng)?shù)靥厥夤嗄玖种饕侵稿F栗(Castaneahenryi(Skam)Rehd.et Wils.)、茶葉(Camelliasinensis(L.)O.Kuntze.)、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)等經(jīng)濟(jì)林，其改造難度較大且成本較高，可通過(guò)補(bǔ)植觀花或觀葉樹種提高其景觀效果。③營(yíng)造針闊混交林及復(fù)層林。根據(jù)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(bǔ)植耐蔭性闊葉樹營(yíng)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(qiáng)的特性，對(duì)針葉成熟林和過(guò)熟林在進(jìn)行采伐后更新樹種應(yīng)以闊葉樹為主；此外，對(duì)針葉近成熟林可采用擇伐方式采伐，并適當(dāng)補(bǔ)植耐蔭樹種，進(jìn)行大徑材培育和營(yíng)造復(fù)層林。此外，鼓勵(lì)開展林下經(jīng)濟(jì)，避免對(duì)針葉林進(jìn)行大面積皆伐作業(yè)，以降低對(duì)林相的破壞。公路沿線可視域內(nèi)商品林(地)喬木林中針葉林占69.94%，針葉林中近熟林、成過(guò)熟林占比高達(dá)82.1%，將面臨大量采伐及更新的問(wèn)題。因此，要對(duì)針葉林的采伐及更新進(jìn)行整體規(guī)劃，盡量減少對(duì)公路沿線林相的破壞。