南京紫金山风景林多情境规划方法研究

第31卷第5期 2007年9月南京林业大学学报(自然科学版)JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEdition) Vol.31,No.5

Sep.,2007

南京紫金山风景林多情境规划方法研究

李明阳,申世广,吴 翼,席 庆

(南京林业大学森林资源与环境学院,江苏 南京 210037)

摘 要:以紫金山国家级森林公园为研究对象,以遥感图像处理与地理信息系统软件ERDAS817、ArcGis910

为空间分析平台,分别选取研究地区2000年(IKNOS)、2002年(SPOT5)、2004(QuickBird)3种不同时期的遥

感数据,在监督分类的基础上进行邻域分析,构建风景林未来10年发展的情境。从景观空间格局和景观资源

保护目标两个方面对多情境规划方案进行评价,并制定了风景林的优化情境规划。研究表明:与研究地区

2002年的景观结构相比,优化情境规划方案中农地完全消失,阔叶林、企业机关用地、旅游服务设施用地所占

比重分别下降了18148%、2130%、2185%,而针叶林、园林绿地、混交林的比例分别上升了13126%、14181%、4147%,从而提高了森林公园风景林四季的美景度,满足了风景旅游、森林培育、市民休闲、生物多样

性保护的多种需求。

关键词:风景林;Geomatics;多情境规划;紫金山

中图分类号:S787 文献标识码:A 文章编号:1000-2006(2007)05-0029-05

AStudyonScenarioPlanningofScenicForest

inZijinshanMountainofNanjing

LIMing-yang,SHENSh-iguang,WUYi,XIQing

(CollegeofForestResourcesandEnvironmentNanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)

Abstract:ZijinshanMountainNationalForestParkisselectedasacasestudyarea.Remote

sensingandGISsoftwareErdas817,ArcGis910areemployedasthespatialplatformsofdo-

ingscenarioplanning.Threedifferentperiodsremotesensingdataintheyearsof2000(IK-

NOS)、2002(SPOT5)and2004(QuickBird)areusedtodothesupervisedclassificationand

neighborhoodanalysistobuildthreescenariosofscenicforestintenyears.Aftercompar-i

sonsofthethreescenariosfromtwoaspectsoflandscapespatialpatternandprotection

goals,anoptimizedplanningplanismade.Resultsshowthat,comparedwiththelandscape

patternof2002,farmlanddisappearscompletelyinoptimizedplanningplan.Theproportion

ofbroadleavedforest,industryandmanagementland,landfortouringservicefacilityde-

creasesby18148%,2130%,2185%respectively.Theconifers,gardens,mixedforestin-

creaseby13126%,14181%,4147%respectively.Thescenicbeautygradeofscenicforestin

winterisimproved,themultiplegoalsoflandscapetourism,forestcultivation,supplyingen-

tertainmentplacesforlocalresidents,biodiversityconservationcanbemetatthesametime.

Thusthetheoreticalbasisforsustainablemanagementplanofscenicforestisputforward.

Keywords:Scenicforest;Geomatics;Scenarioplanning;ZijinshanMountain

风景林是/具有较高美学价值,并以满足人们审美需求为目标的森林0的总称,风景林资源是指风景林区内具有旅游观赏价值的各种天然景观、人工设施和其他自然资源的总称[1]。在森林公园、风景区内,风景林或与名胜古迹融为一体,或通过陪衬、背景作用使风景增辉,或与独特的地貌特征相结合直接构成景观资源,风景林已经与景区内的天然景观、人工设施和其他自然资源结合成为一个统一的整体。因此,笔者所称的风景林是指风景林资源。作为城市森林规划、森林公园规划、风景区规划的一个重要 收稿日期:2006-12-05 修回日期:2007-04-14

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30571490)

作者简介:李明阳(1967-),男,副教授,博士,从事风景林调查规划、3S技术应用、森林资源管理学研究。

)

南京林业大学学报(自然科学版) 第31卷 第5期

内容,传统的风景林规划,是一种单情境规划。在景观层次的尺度上进行风景林规划时,由于规划范围空间幅度大且变化缓慢、复杂的空间异质性、缺乏重复性和参照系统、研究资金短缺和取样技术困难方面的问题,加之繁琐的计算、汇总和制图工作,很难进行多方案的比较和选优,即使勉强进行,其成本也非常高。

建立在以3S为核心的Geomatics技术上的多情境规划途径,可以利用计算机进行模拟规划,还可以对各种规划方案进行比较,大大降低了景观规划多方案选优、汇总和制图的工作量,不但将规划由传统的/野外0搬进了实验室,并将规划变成可测试和可验证的过程,为风景林规划这种复杂多因素交互作用控制下不确定问题的决策提供了新型问题识别和辅助决策方法。通过风景林多情境规划方法研究,可有效地协调森林公园发展过程中风景旅游、森林培育、市民休闲、生物多样性保护等多种需求之间的矛盾,对于城市林业、森林旅游业的健康发展具有较为重要的理论和现实意义。

近20多年来,紫金山周边的社会经济条件发生了巨大的变化。随着城市化进程的加快,紫金山已渐渐变成一座/城中之山0,面临着城市扩展蔓延和旅游活动无序开展带来的双重冲击。如何借助于Geomatics技术,通过多情境规划的途径协调风景旅游、市民休闲、生态保护、野生动物保护之间等的诸多矛盾,是摆在森林公园管理者面前的一项紧迫任务。

1 研究区基本概况

紫金山地处南京城区东郊(118b48c00d~118b53c04dE,32b01c57d~32b06c15dN),东西长7111km,南北宽6117km,总面积为300818hm,其最高处头陀岭海拔44818m。属北亚热带季风性气候,全年降雨量900~1000mm,平均气温1517e以上,区内自然条件优越,人文景观丰富,有风景名胜和古迹遗址200余处(包括7处国家级文物,19处省级和市级文物,其中明孝陵为世界文化遗产)。2004年3月1日南京紫金山正式被批准为国家级森林公园。紫金山分布有各类植物600余种,景区内主要有马尾松(Pinusmassoniana)、黑松(Pinusthunbergii)、麻栎(Quercusacutissima)、枫香(Liquidambarformo-sana)、黄连木(Pistaciachinensis)等树种及竹林分布,景区森林覆盖率7012%,占南京市森林面积的1516%,是重要的城市森林绿地。

紫金山风景林的第一个森林经营方案由南京林业大学完成于1953年。1982年在第4次森林经理复查的基础上,重新编制了森林经营方案。2002年在紫金山又进行了一次森林经理调查,但未编制森林经营方案。2004年4月江苏省建设厅颁布实施由东南大学城市规划设计研究院编制了《钟山风景名胜区中山陵园风景区详细规划》,该规划重点划定了核心景区范围,进行了景区功能调整与划分,提出了各片区规划控制要求。2004年8月,南京市规划局公示了由美国易道公司承担的《钟山风景名胜区外围景区规划》(草案),重点对钟山风景名胜区外围的违章搭建、与城市生活密切联系的区域进行了整体规划设计。因规划的目标和编制者专业背景的限制,上述两种规划均未包含森林公园风景林规划内容。[2]22 材料与方法

211 数据源

(1)2000年3月26日美国SpaceImaging公司商业遥感卫星IKNOS数据包(全色+多光谱),全色波段空间分辨率为110m@110m,多光谱波段空间分辨率为410m@410m。(2)2002年11月9日法国国家航天研究中心发射的遥感卫星SPOT5数据包(全色+多光谱),全色波段空间分辨率为215m@215m,多光谱波段空间分辨率为10m@10m。(3)2004年7月4日美国DigitalGlobe公司商业遥感卫星QuickBird数据包(全色+多光谱,以下简称QB),全色波段空间分辨率为016m@016m,多光谱波段空间分辨率为214m@214m。

212 软件平台及技术路线

卫星数据几何精校正、全色波段与多光谱波段的空间分辨率融合、自然色彩变换、研究区域空间子集生成、监督分类、邻域分析、栅格转矢量主要通过Erdas817完成[3]。情境分析景观格局指标平均斑块面积、形状指数、破碎度(斑块密度)是通过Excel的公式和函数功能计算得到。矢量图层的生成与编辑、矢量图层与栅格图层的叠加、情境制图均在ArcGis的ArcMap环境下实现。

多情境规划应用的领域不同,规划的步骤也有所差别[5]。笔者采用的多情境规划的技术路线如下:))[4]

2007年 总第131期 李明阳等:南京紫金山风景林多情境规划方法研究

多情境遥感信息源的选择→图像预处理与监督分类→邻域分析,多情境构建→提取景观格局指标,多情境评价→鼠标屏幕跟踪,形成优化草案→优化方案的确定→优化情境实现途径探讨。

3 数据处理

311 多情境的构建

选择SPOT5、IKNOS、QB高分辨率遥感卫星数据作为风景林情境分析的信息源,采用选择研究地区2000年、2002年、2004年3期的土地利用状况作为情境分析的出发点,采用细胞自动机模型进行多情境构建。

细胞自动机模型是指一类由许多相同单元组成的,根据一些简单的邻域规则即能在系统水平上产生复杂结构和行为的离散型动态模型。细胞自动机模型中的细胞类似于遥感图像中的像元或地理信息系统中的栅格细胞。细胞自动机模型就是由许多这样简单细胞组成的栅格网,其中每个细胞可以具有有限种状态;邻近的细胞按照某些既定规则相互影响,导致局部空间格局的变化,而这些局部变化还可以繁衍、扩展,乃至产生景观水平的复杂空间结构[6]。在生态学模型中,以r=1时(表示只把紧靠像元两边的单元作为相邻者考虑)的VanNeumann(四邻)和Moore(八邻)邻域定义最为普遍[7]。最简单的二维细胞自动机模型可以表示为:

(t+1)(t)(t)(t)(t)Ai,j=<[Ai-1,j,Ai+1,j,Ai,j-1,Ai,j+1],(1)

(t+1)式中,Ai,j是二维栅格细胞在t+1时刻的值,括号中的其他项表示相邻单元在t时刻的取值,<表示与相邻细胞有关的转化规则。

利用Erdas817图像解译模块的邻域分析功能,分别以SPOT5、IKNOS、QB为信息源,在遥感图像几何精校正、全色波段与多光谱波段融合、自然色彩变换、研究区域空间子集生成的基础上,进行监督分类,将研究区域的景观要素类型分为针叶林、阔叶林、农地、草地、建筑用地、水域6种。分别针对3种分类专题图,采用四邻邻域范围、多数值分析函数(Majority)进行邻域分析。再以分析结果作为输入,采用同样的范围和分析函数进行9次邻域分析,分别代表未来10年发展的3种情境。

312 多情境的评价

空间格局决定着资源地理环境的分布、形成和组分,制约着多种生态过程,与干扰能力、恢复能力、系统稳定性、生物多样性有着密切的联系。因此,笔者采用平均斑块面积、平均形状指数、破碎度(斑块密度)3个景观格局指数结合研究区域景观资源保护目标来进行多情境规划方案的综合评价。在邻域分析的基础上,分别对3种情境进行栅格到矢量的转换,将矢量图层的属性表转换为ASCII文件,利用Excel软件进行景观格局指数的计算,计算结果见表1。

表1 多情境分析景观格局指标

Table1 Landscapeindexofscenarioanalysis

景观格局指标

Patternindex

针叶林

阔叶林

农地

水体

草坪

建筑用地平均斑块面积Meanpatcharea/m2IKNOS1686154234815011211793151432751861737136QBSPOT5427114169151371393133917117525312873113320119515591253464181230010917361236088166平均形状指数MeanShapeindexIKNOS113759112951113176216396113001114151QB114228115604115085114251112709118420SPOT5112761113946113516018804111929113927破碎度Patchdensity/(patch#hm-2)IKNOS51894441258081914331170303612502517558QB2314110711771391482614153804915171614134SPOT5015912110903218862413477517596116425

/集中与分散相结合0格局是Forman基于生态空间理论提出的景观生态规划格局,被认为是生态学意义上最优的景观格局[8]。这一模式强调集中使用土地,保持大型植被斑块的完整性,在建成区保留一些小的自然植被和廊道;同时在人类活动区沿自然植被和廊道周围地带,设计一些小的人为斑块,如居住区和农业小斑块等。这种格局有许多生态学上的优越性:一方面,这一格局提高了景观多样性,达到生物多样性的保护;另一方面,大型植被斑块可为人们提供旅游度假和隐居的去处,小的人为斑块可作为人们的工作区和商业集中区,高效的交通网络方便人们的活动。

紫金山南坡景点多为陵墓及其附属纪念性建筑,格局多呈序列性、对称性,紫金山北坡的针阔混交林是紫金山野生动物的栖息地,在紫金山南坡宜配置大面积连续性空间分布的马尾松、黑松、侧柏、雪松等针)

南京林业大学学报(自然科学版) 第31卷 第5期

叶林,以体现庄严肃穆的陵墓文化氛围,北坡宜配置针阔混交林,以维持生物多样性。紫金山山脊坡度较陡,岩石裸露,立地条件较差,马尾松、黑松生长不良,宜配置麻栎、枫香、刺槐等阔叶林。SPOT5情境针叶林、阔叶林、水体的平均斑块面积最大,破碎度最小,3种地类占研究区总面积的75147%。依照/集中与分散相结合0的原则,参照景观资源的保护目标,选择SPOT5情境作为优化情境的备选方案。

313 情景规划方案的优化

优化情境规划方案的制定,除了考虑风景林的空间格局,还需考虑风景区发展要求。根据《森林公园总体设计规范》的基本原则,结合《钟山风景名胜区总体规划》、《钟山风景名胜区中山陵园风景区详细规划》的有关要求,将紫金山众多的住区单位和农民住区分为协调型、控制型、搬迁型、改造型4类。城郊结合部的违章建筑、农民村落、几家生产性企业及与景区氛围不相协调的海底世界等旅游设施全部通过拆迁的方式退出景区,在拆迁原址上建设园林绿地;从历史渊源与未来发展看,与景区保护目标协调的教育科研单位,如紫金山天文台、中山植物园予以保留;与景区保护目标不相一致,而与现状景观风貌比较协调的文化科研单位等机关用地规模予以严格控制;位于景区核心地带的宾馆、酒店、疗养院等迁出景区核心地带,将紫金山外围地带的钟山山庄、都市山庄、帝豪花园别墅改造成旅游服务设施。

根据上述原则,以SPOT5情境为模版,利用ArcMap的编辑模块,采用鼠标屏幕跟踪的方式,形成情境规划优化草案矢量图层。为了便于经营管理,加载预处理过的2004年QB遥感图像,分别与草案矢量图层进行叠加,在此基础上对矢量图层的界线进行编辑、微调,最后形成优化情景规划方案。[9][10]4 结果与分析

411 优化方案景观要素类型的空间布局

在优化情境方案中,紫金山国家森林公园的土地

被分为7种景观要素类型(图1):针叶林、阔叶林、针阔

混交林、服务设施、水域、园林绿地、机关用地。根据优

化情境方案,森林公园内的农业用地将会通过房屋拆

迁、异地安置的方式全部消失,代之以园林绿地,以满

足当地居民日益增长的娱乐健身需求。以马尾松、黑

松、雪松为主的针叶林主要分布在人文古迹聚集的紫

金山南坡,为中山陵、明孝陵、灵古寺等著名景点提供

庄严肃穆的森林背景。针阔混交林主要分布在紫金山

北坡中上部,这里远离居民点和主要交通干道,人为干

扰活动较少,丰富多样的植物可以为紫金山仅有的河

麂(Hydropotesinermis)、艾鼬(Mustelaeversmanni)、

刺猬(Erinaceuseuropaeus)、草兔(Lepuscapensis)等

6种野生哺乳动物提供理想的栖息、繁殖地。阔叶林

主要分布在紫金山西马腰、东马腰等山脊线两侧,该区域坡度较陡,岩石裸露,立地条件较差,通过插植、补植麻栎、枫香、刺槐等阔叶树,可以提高植被覆盖度,防止水土流失。生产性企业、宾馆饭店等旅游服务设施将从森林公园核心地带迁出,留下更多的空间建设市民休闲公园。紫金山外围的帝豪花园别墅、都市山庄、钟山山庄将会通过货币补偿、产权置换的方式改造为旅游服务设施。通过这些调整,紫金山面临的生态环境问题将会得到极大的缓解。

412 优化方案与2002年景观结构的对比分析

2002年,紫金山4种主要的景观要素类型依次为阔叶林、混交林、针叶林、农地,分别占森林公园经营总面积的48186%、12142%、8199%、8194%,而园林绿地的面积仅占7148%[11]。另一方面,企业及管理机关用地、旅游服务设施用地所占比例偏高,分别占森林公园经营面积的5154%、5153%。2002年紫金山风景林资源结构存在着几个主要的缺陷:(1)与阔叶林相比,针叶林比重偏低,当冬季阔叶树落叶之后,紫金山呈现出一派万木肃杀的情景,森林公园的美景度大大降低;(2)企业机关用地和旅游服务设施用地比重偏大,在降低园林绿地比重的同时,在森林公园核心区域容易引起较为严重的水体和空气污染;(3)农地比))

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重高达8194%,种菜、捕鱼、养鸡等农业生产活动与森林公园庄严肃穆的陵墓文化氛围和5A级景区的地位不相符合;(4)园林绿地比重偏低,难以满足南京市民日益增长的娱乐健身需求(表2)。

表2 优化方案与2002年景观结构的对比从表2可以看出,与2002年相比,优化情境方

案的风景林资源结构发生了巨大的变化。在优化情 Table2 Comparisonoflandscapeclassesbetween2002and

optimizedplanning境方案中,42002景观结优化情境方景观要素园林绿地、针叶林、混交林,分别占森林公园经营总类型构Landscape案Optimized

Landscapepatternin2002scenarioplanning面积的30137%、22129%、22125%、16189%。其classes景观要素变化Changeoflandscapeclasses

中,针叶林、园林绿地、混交林的比例分别上升了

13126%、14181%、4147%,从而提高了森林公园风

景林冬季的美景度,为南京市广大市民提供了更多

的休闲健身场所,为紫金山珍稀野生动物提供了更

为丰富多样的栖息、繁殖场所。伴随着针叶林、园林

绿地、混交林面积扩大,阔叶林面积从1469196hm2

2机关用地水域混交林园林绿地服务设施针叶林阔叶林农地面积/hm2(比例%)面积/hm2(比例%)面积/hm2(比例%)166180(5154)97154(3124)-69126(-2130)68140(2127)508131(16189)670165(22129)80164(2168)669144(22125)913182(30137) 0100(0100) 0197(0103) 134148(4147) 445164(14181)-85169(-2185) 398186(13126)-556114(-18148)-268185(-8194) 67142(2124)373183(12142)225101(7148)166133(5153)270158(8199)1469196(48186)268185(8194)下降到913182hm,而农地则完全从森林公园景观要素类型中消失。与2002年相比,企业、机关用地

及旅游服务设施用地所占比重分别下降了2130%、2185%,减少的面积主要用来建造市民休闲公园。值得注意的是,森林公园水域面积变化不大,这是由于缺乏过境河流,紫金山水文条件很不理想,能够用来开发水景资源的土地十分有限。

5 讨 论

(1)在研究过程中,除了高分辨率遥感数据,还收集了研究地区1979年MSS、1988年TM、2006年中巴2号(CBERS2)卫星数据。根据情境分析的基本原则,选取1979年、1988年、2000年、2006年不同历史时期的遥感数据作为多情境规划的信息源更为科学。由于MSS、TM、CBERS2卫星数据空间分辨率较低,为景观要素类型的精确分类带来了极大的困难,如何选择多情境规划的信息源将是成功进行多情境规划的前提。

(2)SPOT5、IKNOS、QB遥感图像具有较高的空间分辨率,可以部分代替航空遥感,给监督分类训练样区的选取带来了极大的方便。但是由于这3种遥感图像的光谱分辨率较低,加之研究地区地形破碎、地类交错、人为干扰严重,总体分类精度分别只有70%、74%、75%。如何借助于遥感软件的专家分类器,进一步提高分类精度,将是进一步研究的内容。

(3)在进行邻域分析构建多情境规划方案时,整个景观采用一种邻域规则(众数函数)的科学性有待验证。针对不同的景观类型,结合景观未来的发展趋势,采用不同的邻域规则,在邻域分析的基础上进行图像镶嵌可能更加科学。邻域范围大小的定义和邻域规则的选择将是继续研究的内容。

(4)基于Geomatics的多情境规划方法仅是风景区规划的一种决策辅助手段,科学适用的风景区规划方案,必须参照国家风景名胜区规划规范的基本原则,结合风景区总体规划和控制性详细规划来制定。

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(责任编辑 郑琰燚))

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