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    基于GIS技术的景观视觉吸收力评价研究——以九寨沟自然保护区为例

    关键词:风景园林;视觉吸收力;景观质量;GIS技术;九寨沟

    Key words:landscape architecture; visual absorption capability; landscape quality; GIS technology; Jiuzhaigou

    摘要:以九寨沟自然保护区为例,基于生物物理因素,提出景观视觉吸收力评价体系(VAC)。运用Delphi法建立各指标权重,分析了景观基底中坡度、坡向、地形起伏度、植被丰富度、植被格局和土壤稳定性六要素对景观视觉吸收力的影响。结果发现,保护区不同区域带给游客的视觉感受差异很大,其中以纳西寨和树正寨区域VAC最好;公路沿线的中景范围不同路段VAC变化较为稳定,且较近景范围的值高。景观视觉吸收力最直接的影响因素是植被丰富度,植物群落成分越丰富、结构越复杂,VAC也越高。客观评估景观视觉吸收力可以指导相关部门更好地进行景观规划和开发决策。

    Abstract:This paper takes Jiuzhaigou Nature Reserve as an example tostudy and constructthe landscape visual absorption evaluation system (VAC) based on biophysical factors. It uses Delphi method to establish the weight of each index, and analyzes the influence of slope, aspect, relief amplitude of terrain, vegetation richness, vegetation pattern and soil stability on landscape visual absorption. The results show that visitors' visual experiences in different regions of Jiuzhaigou Nature Reserve are vastly different, with the VAC of Naxizhai and Shuzhengzhai being the greatest. The VAC of different sections along the middle distance range (1500m) is relatively stable and the value is higher than the close distance range (500m). The most direct influencing factor is the richness of vegetation, that is, the richer the composition of the plant community, the more complex its structure, the higher the VAC. The purpose of giving an objective assessment of VAC is to guide relevant departments to make better decisions on landscape planning and development.

    内容:

    长久以来,国外学者形成了景观质量评价四大学派:专家学派、心理物理学派、认知学派和经验学派,也有专门的机构与人员对景观的视觉质量、景观以及环境问题进行研究。其中,景观视觉的量化评价一直是个棘手的问题。传统视觉吸收力评价主要是通过透视手绘、照片的方法进行研究,难以克服时空的局限性。视觉吸收力(Visual Absorption Capability,以下简称VAC)是研究景观维持其总体视觉特征和质量不发生改变的前提下,容纳自然变化的能力[1]。对VAC来说,景观的实质承载力提供了发展及维持其原有视觉的特性。视觉穿透力和景观的复杂性程度影响这种承载力[2]。引入VAC作用于视觉风景敏感性的影响,可以对景观质量进行评估[3]。而今,遥感、GIS、3D建模分析等技术都已经广泛应用于景观视觉评估中。谢菲尔德大学景观系Eckart Lange, Ian Bishop[4]一直致力于推广3D景观可视化在视觉景观分析中的应用研究以及技术研发。
    国内学者从20世纪70年代开始相继参与景观视觉评价方面的研究。俞孔坚、刘滨谊、王晓俊[5-7]等学者为我国视觉景观分析的理论与方法研究奠定了基础。20世纪90年代以来,景观视觉评价的研究快速发展,但是相对比国外研究来看,软件和技术手段相对较窄,没有太大的突破。吴必虎和李咪咪[8]从旅游者体验风景道品质的特定要求出发,用等距离专家组目视评测法(EDVATA)对小兴安岭风景道旅游景观进行了评价,建立了由地形、视觉质量、视域、景观被及沿途典型景观照片构成的数据库。Koon-Kwai Wong, Manfred Domroes[9]调查分析了香港九龙公园内风景视觉质量。中国台湾学者曹正[10]的《视觉景观理论》一书较为系统地梳理出基于视觉资源概念下的景观界定、分类、调查分析、评价及管理方法体系。张瑞英[11]搭建了青藏铁路沿线旅游动态景观评价指标体系,从游客视角进行了青藏铁路沿线旅游动态景观评价研究。唐真和刘滨谊[12]整理了国内外视觉景观评估研究的进展,认为目前视觉景观质量评估主要可以分为基于专家和基于公众的视角进行研究,并朝着多感官体验、多尺度多角度模拟、用户评估简便化的方向发展。同时,指出研究从理论、方法及技术方面都有很大的发展,然而由于研究的复杂性和综合性,仍未出现一个成熟的评估框架。
    VAC研究进展中所述的影响因素可分为三大类(Forestry Commission of Tasmania, 2006),包括客观的生物物理因素、与观察者相关的感知因素和与管理活动相关的拟建活动因素。后两者受人的主观活动影响较大,设定在条件一致和管理活动稳定的前提下,本文尝试将构建景观视觉吸收力评价体系(VAC)限制在生物物理因素,选择九寨沟自然保护区景观基底中客观的景观特性,坡度、坡向、地形起伏度、植被丰富度、植被格局和土壤稳定性六要素,通过数学模型和3S予以量化进行模糊综合评价,从而更为客观地研究景观视觉吸收力的影响,探究引发人们不同的景观感受的基本规律。

    1  研究区概况与数据来源
    1.1  研究区概况
    九寨沟国家级自然保护区位于四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县境内,其地理位置103°46′~104°05′E、23°46′~104°05,地处青藏高原东缘岷山山脉南段尕尔纳峰北麓,是长江水系嘉陵江源头的一条大支沟, 流域面积约651.34km2(图1)。因沟内有树正、荷叶、则查洼等9个藏族村寨而得名,是中国第一个以保护自然风景为主要目的的自然保护区,同时,也是中国著名风景名胜区和全国文明风景旅游区示范点。九寨沟流域最大相对高差达2 768m,最大高差之间的水平距离约46km,在不同区域内形成不同的地形、地貌、植被和水文组合,从而形成不同自然景观和人文景观。已开通的树正、日则、则查洼、扎如4条旅游风景线,景观分布在树正、诺日朗、剑岩、长海、扎如、天海六大景区,以三沟一百一十八海为代表,包括五滩十二瀑、十流数十泉等水景为主要景点,与九寨十二峰联合组成高山河谷自然景观,被誉为“美丽的童话世界”。
    1.2  数据来源及预处理
    研究采用2012年资源三号卫星影像,将2.1m高分辨率影像CCD数据和5.8m多光谱数据进行融合,选择4、3、2波段合成假彩色图像。通过ArcGIS软件将九寨沟管理局提供的2004年1:50 000数字地形图进行等高线和高程点数据提取,生成研究区DEM数据,并按图像分辨率10m重新采样。其他数据包括2010年的九寨沟国家自然保护区卫片解译植被图和土壤类型图,以及现场考察采集的保护区主要景点、重要地物等经纬度坐标数据和游线轨迹。

    2  评价体系与方法
    2.1  评价方法
    本文采用Delphi法确定景观视觉吸收力评价指标和权重,并采用空间模糊评价方法,利用GIS软件将各指标进行分级后叠加进行评价。由于目前我国对景观视觉吸收力系统性研究较少,各分量分级标准按照相关文献资料并参考已有的研究成果[13-17],再咨询专家确定,通过问卷征询15位有关专家意见,建立层次的递阶结构模型,自上而下对指标进行两两比较判断,确定指标及重要程度,并计算指标权重。通过前面确定的方法计算指标及权重,通过一致性检验,最终选取九寨沟自然保护区景观基底中的坡度Va、坡向Vb、地形起伏Vt、植被丰富度Vr、植被格局Vp和土壤稳定性Vs共6项指标,对应权重分别是0.17、0.11、0.17、0.22、0.21、0.12。各因子等级界定及分级赋值见表1。
    景观视觉吸收力评价过程是根据各单一因素评价和吸收力分量的函数。首先,将各分量叠置S=f(Va, Vb, Vt, Vr, Vp, Vs),计算是根据吸收力分量的分级结果的加权叠加,根据最大化隶属原则,得到景观视觉吸收力综合分级数据分析结果[18]。其次,构建评价集B={一级,二级、三级、四级、五级},将景观视觉吸收力评价分为5级,即对应的景观视觉吸收力高级、中高级、中级、中低级、低级5个级别,每个等级界定及标准见表2。
    2.2  评价指标内涵与计算
    坡度(Va): VAC数值高的景观一般地形复杂,即使影响到视觉景观,其破坏范围也较小。坡度越陡,所暴露的视觉面积越大,视觉破坏影响程度也越大,而VAC则越低。本因子通过DEM数据计算获取并处理。
    坡向(Vb): 坡向是指朝向一个视点的土地的倾斜,它具有水平和垂直分量。研究区背阳面的光线朦胧,景物暗淡,土壤稳定,即使有视觉破坏也不明显,因此水平“坡向”朝北VAC一般优于朝南VAC。本因子通过DEM数据计算获取并处理。
    地形起伏度(Vt): 地形越复杂,视觉受景观改变的影响越小,VAC就越高。本文引入地形起伏度来对地形的复杂程度进行评价。地势起伏度被定义为某一确定面积内最高和最低点之高差,按照地貌发育的基本理论,一种地貌类型存在一个使最大高差达到相对稳定的最佳分析面积[19]。本文利用DEM数据,应用GIS窗口递增分析法来计算最佳统计单元[20],为7×7模式,提取地势起伏度并按起伏特征分级。
    植被丰富度(Vr): 植被状况与植被丰富程度、地形、气候、和季相等因素有关。植物种类丰富,群落结构复杂,地形复杂,景观受人为影响就少,抗外界干扰能力强,生态系统平衡,视觉破坏则越小,视觉恢复能力则越强。本因子根据九寨沟国家自然保护区卫片解译植被图按植被类型进行处理。
    植被格局(Vp): 植被多样性高的土地(由于森林和疏林的混合)比陆地覆被统一植被的地方更容易吸收改变,并因此具有较高的VAC。此外,从视觉角度观看景观时,高大茂密的森林将有助于掩护,并给予很高的VAC。本因子根据九寨沟国家自然保护区卫片解译植被图按植被类型进行处理。
    土壤稳定性(Vs):土壤裸露程度对土壤稳定性和抗蚀能力有重要影响。土壤越稳定,水土流失就越小,视觉破坏就越小,阈值也就越高。土壤因严重侵蚀而极不稳定且复原力较差;土壤侵蚀较弱而相对稳定并具良好的复原力。这里引入土壤亮度指数来反映土壤的裸露程度。常用的土壤亮度指数有归一化差值地面指数(NDSI)[21]和基于缨帽变换产生的土壤亮度指数(BI)。其中,NDSI是根据图像在可见光红光波段与绿光波段对土壤的响应特征与植被、水体等相反的特性提出的[22],其针对资源三号卫星图像的计算公式为:
    NDSI=(ρRED-ρGREEN)/(ρRED +ρGREEN)
    式中:ρRED为红波段的地物反射率,ρGREEN为绿波段的地物反射率;NDSI为土壤亮度指数。

    3  评价结果与分析
    参照评价指标分级标准,处理得到景观视觉吸收力各评价指标分级分布图,结果见图2~7。
    通过对研究区指标的模糊综合评价法隶属函数数据分析得到综合评价分级分布图(图8)。
    结果显示,研究区扎如沟和树正沟景观吸收力最为突出,这跟这些区域植被茂密,林地分布较广,土壤稳定,生态环境保护良好有关。则查洼沟和日则沟和丹祖沟总体呈现阶梯式,诺日朗游客中心附近的各大景区范围内VAC很强,随着海拔的增高,植被分布较少,坡度变陡,VAC逐渐由强变弱。
    结合不同海拔、距离带空间区域和景点情况进一步分析景观视觉吸收力空间分布特征,结果见表3。
    3.1  基于垂直方向的VAC分析(不同海拔高度范围)
    景观视觉质量高的地方,主要分布沿公路、沿沟谷1 500m水平距离,高程低于3 000m的范围内。这个区域以油松、辽东栎混交林、针阔叶混交林为主,混生有珍珠梅、刺揪、柳和悬钩子等,植被覆盖丰富多样,具有很好的屏蔽作用,土壤稳定性强,具有很高的景观吸收能力。在3 000~3 500m是寒温带针叶林带,分布了岷江冷杉、粗枝云杉、鳞皮云杉、紫果云杉、红桦等,林下灌木以紫箭竹占优势,因此在图表上也反映了部分较强的VAC,但是3 500m以上,由于坡陡土瘠,植被发育不良,主要是高山灌丛草甸,相应的表现很低的景观视觉吸收能力。
    另一方面,沟内公路周边的谷底、漫水滩是低VAC区域,这个区域是南坪青杨和柳类为主的水生灌丛,浅水湖区为芦苇类与挺水植物。保护区内栈道及休息平台的建设和维护中,对栈道的基础、线形走向、平整度、位置以及与自然环境的协调一致等都严格要求,充分考虑景观视觉吸收能力在场地开放中的影响,使得游客观景的方便、舒适,同时栈道及休息平台和天然景观相得益彰,既为人们充分欣赏大自然鬼斧神工的一条捷径,又不愧为九寨沟的一大佳景。九寨沟自然保护区60km的安全、舒适、美观的木质步游栈道为对减小景区环境承载力、实现人车分流、便于游人与大自然亲密接触起到了重要作用。
    将VAC评价结果与植被解译叠加,可以看出高山、湖泊和河谷景观能够抗干扰的能力最弱,自我恢复能力也最弱,当有轻微扰动时就容易引起此种景观类型的强烈反应。次生林、灌草丛和草甸景观的视觉吸收能力一般,有一定的抗干扰能力。VAC最好的是森林景观,以林地、混交林为主,能够抵抗人为造成的局部影响。
    3.2  基于水平方向的VAC分析(不同距离带范围)
    500m近景距离带,公路两边景观视觉吸收力总体呈现减弱趋势,各沟深入后变化又有差异。其中,扎如沟呈现先降低再升高的趋势,这跟植被的分布和格局有很大关系。整个树正沟路段吸收力随路段数的增加而降低,这跟地势的急剧升高有关。
    在中景带1 500m距离尺度上,沟口、扎如沟和树正沟的吸收力水平保持平缓。日则沟整体情况依然平衡,只有最后一个路段吸收力水平变高,说明在中景尺度上,原始森林的植被覆被对吸收力起了重要作用。
    总体来说,近景范围内变化差异更为明显,中景范围内吸收力变化较为稳定。因此,在近景范围的允许开展活动的范围和强度有限,景观保护要优先考虑。
    3.3  基于采样点的VAC分析(不同景点)
    对景区主要乘车点和景点(沟口、盆景滩、火花海、树正瀑布、犀牛海、诺日朗瀑布、诺日朗中心站、五彩池、长海、镜海、珍珠滩、五花海、熊猫海、箭竹海、天鹅海、原始森林)的景观视觉吸收力进行分析发现,各乘车点景观视觉吸收力的分值差异不是太大,相对来说,盆景滩、火花海、树正群海和五花海这4个景点的乘车点位置所见区域景观视觉吸收能力最强,说明在乘车点所见的景观稳定,可以接受的变动较大,如有建筑设施的建造,在小范围内不会改变景观质量。但除犀牛海景点外,其余景点所见范围内景观视觉吸收力相对较差,这些区域可能是植被不够丰富,不能有效屏蔽干扰,或者是由于坡度较多变,使得其可见面积变大,而导致可接受的景观变动变小。

    4  结论与讨论
    本文基于GIS技术的景观视觉吸收力评价,选择景观基底的坡度、坡向、地形起伏度、植被丰富度、植被格局和土壤稳定性6个指标,建立景观视觉吸收力评价体系,并以九寨沟自然保护区为例进行了实证。研究发现,影响VAC的最直接的因素是植被,植物群落成分越丰富、结构越复杂,群落的自调节能力就越强,VAC也越高。在自然条件下,植物群落及其生境条件又明显地受到坡度、坡向等地形因素的制约。
    此结论对游客旅游活动、当地旅游管理和建设、对自然保护区保护和修复活动都有一定的借鉴意义。对游客而言,景观视觉吸收力高的景点往往也是景观资源较为丰富的地方,可以成为优选的旅游目的地;对旅游管理者而言,可以指导其进行合理的旅游规划和改建;对于景观视觉吸收力强、吸收力稳定的地方,小范围内不会改变景观质量,在阈值接受的范围内,可适当进行旅游设施的建造。较为频繁的人类活动,未来的规划过程中要注意人为活动可能带来强烈或大面积的生态和视觉冲击。视觉范围内,生态上比较脆弱,视觉上不具茂密的林灌,强度较大的场地建设对景观视觉的影响很大,建议设施和建筑需要从线性、形式、色彩上加以平衡和协调。景观视觉吸收力能够衡量景观单元抵抗外界干扰,保护景观内在特征和结构稳定及景观受到破坏后的自我修复能力。作为一个重要的自然保护区,研究有助于发现生态上极脆弱、视觉上不具较强遮掩能力的林地、峭壁、裸岩和水体,轻度或局部的人为活动都可能带来强烈的或大面积的生态和视觉冲击,要重视生态育林和水土流失。
    由于数据和资料的收集条件有限,此次评价选择限制在生物物理因素进行,欠细致和深刻,但原本“不可捉摸”感性的景观视觉,有了可以衡量价值量化方法,也具有可视化表达的优势,是一个新的探索。随着新技术、新设备的出现,以及资料和数据库的充实与完善,将更深入地探究景观视觉结合景区不同时空因素、景观结构和格局异质性、人类活动主观心理因素等参与评价分析,进一步完善景观视觉的质量评价体系,实现感性与量化的融合。

    注:文中图片均由裘亦书绘制。

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