基于GIS分析的丁香峪景区规划方法研究
关键词：风景园林；山地景区；GIS；空间分析；遥感；量化分析
文章编号：1000-6664(2018)07-0123-06
中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2017-05-09
修回日期：2017-07-26
基金项目：国家自然科学基金面上项目“以景观规划设计为途径的京津冀地区城市自然与人工水循环系统耦合方法研究”(编号5157082403)资助
Abstract: With the development of national tourism, the project of mountainous scenic areas is gradually increasing. However, the complicated terrain, landscape, hydrology, vegetation and other natural conditions of mountainous scenic areas pose great difficulties for designers in scenic design and planning, and meanwhile, the main planning and design method in the scenic areas currently is still a qualitative method. On the basis of technical methods like RS, GIS, ENVI and SWMM, this research has come up with four kinds of planning and design methods for mountainous scenic areas: 1) Platform selection based on multiple-graphic superimposing; 2) Route optimization based on cost grid; 3) Water system pattern optimization based on basin analysis; 4) Plant community improvement based on supervised classification. They are practically applied in Dingxiang Valley Scenic Area of Qianshan Mountain in Liaoning, which leads the planning and design of mountainous scenic areas to transit from the qualitative mode to the quantitative mode.
Key words: landscape architecture; mountainous scenic; GIS; space analysis; RS; quantitative analysis
近年来随着国家经济水平和人民生活水平的提高，人们回归自然亲近自然的需求日益增强。加上《国务院关于加快发展旅游业的意见》《国民旅游休闲纲要(2013—2020年)》等系列条例和推动旅游业发展的政策措施的相继出台，以山地景区为依托的项目逐年增加，旅游开发的力度不断增强。中国作为世界上山地资源最为丰富的国家，山地景区必将成为休闲观光游的重要目的地。由于山地本身复杂的生态环境、起伏的高差变化、丰富的植被分布等场地特征，给其规划设计带来了很多复杂且不可控的因素。因此对山体基本情况分析不足而导致景区生态环境破坏的现象也不断出现。如何科学合理地做好山地景区规划设计，也成了设计师们关注的重要话题。
1 研究区域概况及数据整理
丁香裕景区位于辽宁省鞍山市千山风景区南沟(东经123°08′~123°09′40″，北纬40°59′06″~41°01′27″)，距鞍山市中心17km，西南侧是千山核心景区。基地北侧起始于积翠门，南侧到大安寺，西侧到凤朝观、中会寺、木鱼庵，东侧到丁香峪六大队的东侧山脊线，共756hm2。景区东西临山，形成山谷状的景观空间，水源以山泉和降雨为主。现常住居民有丁香峪4、5、6大队村民和部分养老院(图1)。
选取丁香峪景区作为典型山地景区研究对象的主要原因有：1)景区位于我国北方，一年四季变化明显且植被生长条件较为苛刻，其不仅可以代表北方地区，同时对季节变化不明显，雨量充沛且植物丰富的南方同样具有说服力；2)丁香峪景区独特的地形地貌，涵盖了我国山地中山体、沟壑、谷地、农田、溪泉等基本组成特征。故针对丁香峪景区展开的分析和设计方法可对其他相似景区具有同等的借鉴意义。
本文所用资料包括：丁香峪1:2 000地形图、建设用地范围线、农田范围线。2016年2月和10月2个时间点Landsat8 OLI遥感影像、DEM数据、实地考察数据、千山风景名胜区规划图和说明书等。通过ENVI对遥感影像进行了拼接和波段融合，为后续分析提供数据基础。利用AutoCAD、ArcGIS软件对地形图进行处理和数据转换，形成高程、坡度、坡向等初步分析资料(图2)。
图1 丁香峪景区现状照片
图2 丁香裕景区GIS竖向分析 2 研究方法
2.1 基于叠加分析的平台选址
观景平台的设置从设计角度上要充分考虑到平台的视线[1]、观赏视点、视域范围；从建设施工角度应考虑场地坡度、起伏度、坡向、地基稳定度等。传统平台的位置选择由规划者对场地竖向分析后结合个人经验进行设计，这样的方法主观臆断较多且科学性较弱，容易造成观景效果差或难以实施等问题。GIS系统的介入是通过场地遥感影像和DEM数据进行的较为科学合理的分析，进一步运用人机交互和比较评价得出平台最合理的位置区域，为规划者科学设置平台提供量化依据。
规划目标：以尊重景区生态环境为前提，采取局部开发、部分保留的模式，严格控制景点数量和人工干预。具体为以下3点：1)平台以能看到开阔山景、山谷、溪泉、大安寺、木鱼庵等景点为优先目标；2)建设可行性和土地根基稳定度为次要目标；3)规避观景效果雷同的区域。
本文通过层次分析法(AHP)和GIS相结合的手段进行平台最优选址的量化分析。具体分析方法如下几点。
首先，选取视域宽阔度、坡度、高程3个决策层因子，其中视线并入视域因子中，起伏度并入坡度因子中。构建目标层、决策层、实施层的各级影响因子树状模型(图3)。对决策层内各因子建构判断矩阵，进行多级别权重赋值。判断矩阵运用随机一致性比例(CR)来衡量，如式(1)。CR<0.1，代表判断矩阵符合要求；CR≥0.1，代表矩阵需要调整至符合要求[2]。
式中：CR代表随机一致性比例；λmax为评分最大值；n代表矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标。
通过对丁香峪景区当地居民、游客、景区管理者、景观规划师、旅游规划专家等不同人群的问卷调查，利用Yaahp软件对问卷评分进行统计分析，最终得出影响平台选址的各个因子综合权重：高程0.259 9、坡度0.412 6、视域0.327 5、东/南向0.666 7、西/北向0.333 3(图4)。经过最后指标统计和不同因子组合结果，利用排列组合法将各组合指标数值进行从高至低排列，得出平台布置最佳因素，即各因子权重值大于0.412 6的组合：600m<高程<900m、视域≥15°、0<坡度<12°。
其次，基于2个原则条件：1)视域范围越广，视觉廊道越通透，站在平台上欣赏景观的空间量越多，看得也越远；2)为减轻建设难易度，坡度越小施工越容易。土壤稳定度越高，建设可能性越大。其中特殊位置和极限坡度需要布置平台的情况将后期通过设计师人机交互布置。
最后，将各因子加权指标，在2个原则条件的限制下，利用GIS平台进行数据空间可视化赋值、重分类和空间叠加分析，从而得出适宜建设平台的区域范围(图5)。通过GIS的Sence技术进行三维可视化模拟来验证平台选址的科学性，对不适宜情况进行微调整，最终得出合理的平台位置。
2.2 基于成本栅格的道路选线
山地景区由于地形变化复杂、坡度变化幅度较大等现状特点，使得其道路选线具有一定的难度和复杂程度。传统游览路线的设计方法是设计者对现状高程分析的基础上，在地形图上进行绘制，通过现场踏勘和二次核查修改形成最终方案。这对设计师经验水平要求较高，设计的周期也较长，设计结果的合理性和经济性也只能凭借主观臆断。在条件一致的情况下，不同设计者会有截然不同的线型设计结果。RS、GIS的出现让山地景区道路选线更具科学性。本文基于成本栅格法和最短路径分析法，考虑道路最大纵坡、最大坡长、坡度分级、造价等限制因素，结合场地条件算出最优游览路径。
规划目标：景区内交通以电瓶车、自行车、步行为主要游览方式，村落点和景区出入口处集中设置停车场和疏散广场。具体为以下3点：1)保留现状省道，形成以景区出入口为起始点的游览环线；2)各村口要有可以进入景区环线的接入点；3)考虑土方平衡，选择建设成本低的最优路径。具体分析方法如下所述。
1)前期分析和数据整理。
首先，选线因子权重的确定。基于丁香裕景区DEM数据和观景平台的位置，通过层次分析法确定影响游览路线的判断因子。(1)竖向方面选取高程、坡度、起伏度。由于景区属于山地景观，本次将坡度、高程、起伏程度等对道路建设影响较大的因子权重设置得较高。(2)水体方面选取水系、汇水区、径流区。由于穿越水面的道路在旅游景区中属于观赏性较好的桥梁景观，故水系里的因子影响权重设置较小。(3)植被方面选取农田、常绿乔木、落叶乔木。其中道路可在树木下穿行故权重设置较小，为保证农田完整度所以其权重略高于乔木。(4)土地使用方面选取现状村庄、道路、公共设施。由于基地内部保留部分，其改造和建设成本相对较少，故本次设置的影响权重较低。层次树状模型和权重分析与平台选址中运用的方法一致。
其次，通过GIS的重分类将各个因子权重指标进行空间可视化配对和输入，生成各影响因子可视化分析图。然后将各个决策层因子进行叠加分析，生成竖向、水体、植被、土地利用的综合分析图，作为后面分析的数据基础。
图3 平台选址AHP模型
图4 各因子加权赋值总表2)量化分析和成本计算。
基于前文的平台位置和景区出入口的预先设定，确定整体游览路线的起始点、中间节点、终点[3]。通过成本距离、成本路径的算法，将每个影响因子权重的参数输入。介于景区道路组织的逻辑关系，将每个中间节点就近进行两两之间成本距离换算，最后将整体内部节点进行网状最优成本距离和某单个点返回上一点的方向源的确认。由于出入口南北距离较大，故在中会桥、丁香裕四大队处设置中间连接点，以确保现状省道可随时进出景区环线。多参数的输入将有助于最优路径的选取按照预先约定的限制条件而生成。
3)路径生成和筛选优化。
现有参数生成的路径会有一定的限制性，易导致部分路径不成环线，部分节点没有与相邻节点发生联系等问题。通过进一步人机交互调整，选取最优路径。最后运用GIS转换工具，可将栅格数据转换成矢量数据，通过AutoCAD平台进一步应用[4](图6)。景区游览线路可根据不同因子和不同参数的设定产生不同的结果，故在设计之初就应该充分对场地和项目性质进行很好的分析和梳理，来确定哪些因子对游线的生成有最大影响，尽量多地选取参数进行分析计算，这样生成的结果会无限接近于预期。
2.3 基于盆域分析的水系优化
传统的景区水系规划设计方法存在如下2个方面的不足：1)设计师对景区汇水面积、汇水方向、汇水量、瞬时雨洪量等量化数据不够了解，会造成设计的科学性较差，导致景区水系难以承载雨洪水体的排量压力以及蓄积能力不足等问题；2)对视线、视域的考虑不够充分，使得水系的规划没有很好地配合视觉廊道、视域范围等进行合理布置，形成“见山不见水，见水望不穿”的局面。由此可见，传统设计在方法和技术支撑上都有一定的欠缺和不足，因此GIS、SWMM等技术手段的应用可以很好地解决景区水系规划中所面临的问题，从而得出更为科学合理的规划设计成果[5]。
丁香裕景区四周环山，山谷处地势较低，由于汇水面较大，遭遇强降雨时地表径流量大，对山谷中小溪流量的承载力形成威胁，存在山洪及内涝灾害的隐患。每年遇到强降雨时会造成村口、农田边缘等低洼地段有大面积积水。科学合理的水系规划不仅仅能够解决雨洪调蓄问题，同时为景区的美景度提供良好的帮助。
规划目标：丁香裕景区为郊野自然景观，应以水土保持、生态修复为主要目标。具体为以下3点：1)通过不同生态设施的布置和水系格局的调整，解决10年一遇雨洪灾害；2)景区雨洪水体做到循环利用；3)区内的生活废水科学排放，保证水体质量。具体分析方法如下。
首先，GIS的盆域分析。1)基于前文生成的DEM数据进行水文分析中的填洼分析，其中阈值设置为默认即：填充所有洼地，这样会保证对结果的影响最小；2)进行水文分析下的流向、流量分析，最终形成水累积量栅格；3)运用地图代数工具进行栅格计算器换算，由于丁香裕区域年平均降雨量在400~500mm，故本次累积量阈值选取为400，即大于400的栅格赋值为1，从而得出汇水河流网络栅格；4)盆域分析之前应对汇水网络栅格进行平滑和矢量转变，最后得出丁香裕景区的汇水面积和具体的汇水路径。
其次，SWMM平台的雨洪模拟。千山景区年降雨量在500mm左右，10年一遇瞬时最大降雨量为24h降雨160mm。由于丁香峪景区土壤类型为壤土，故选取3mm作为不透水区洼蓄深度，5mm为透水区洼蓄深度。在GIS合理划分的汇水子区域的基础上，利用SWMM建立雨洪分析模型。得出积翠门附近、中会寺下游、桑树沟下游、部分农田区域、中会桥等15处积水深度较大，深度超过500mm。共有17处水位深度为200~500mm，对部分农田、村口等区域造成较为严重的洪灾。模拟结果如图7所示，其中数字代表该区域积水深度。
最后，通过盆域分析和SWMM模拟分析结果，对丁香峪景区水系格局进行人机交互优化设计。充分考虑高程地形和局部淹没深度，适当布置具有雨洪调蓄功能的生态设施，例如：溢流湖、小型湿地、下凹式绿地、雨水花园等。结合视域分析、平台选址等分析结果为前提，增设10个大面积溢流湖、17个面状下凹式绿地、多个线性草沟等生态设施(图8)。最终再次运用SWMM对设计后的场地进行模拟，验证优化后的场地解决了10年一遇洪灾的雨洪调蓄问题。
2.4 基于监督分类的植被现状数据获取
在传统的植物设计中，大尺度的景区很难做到现状植被分布的细致定位，导致后期植物群落优化的不准确性，从而出现反复修改矫正的费时工作。遥感、ENVI的出现让设计者在高清卫星影像中充分了解场地里面的植被分布情况[6]，季节变化明显区域又可以通过冬夏不同影像区分出常绿和落叶乔木。其中ENVI的土地监督分类法跟GIS结合又可以量化分析出景区植被的具体指标[7]。
规划目标：山林保育是丁香裕景区植被规划的首要目标，通过植被群落优化防止场地水土流失，遏制土地沙化现象，提高景区山林资源的质量和数量。具体以下3点：1)保留现状山林的基础上，做到常绿落叶混合配置来提升季相变化，其中平台视域范围内的植被着重打造；2)部分农田退耕还林，结合观景点主题合理提升植被；3)增加乡土水生、湿生草本植物，提升对雨洪水体的滞留、蓄积和净化效果。具体分析方法如下。
丁香裕景区位于我国辽宁鞍山市，处于四季分明的北方区域，故选择1月和10月植被季相明显的Landsat 8 OLI_TRIS遥感影像。设定常绿、落叶、裸地、农田、乡村建设用地5个分布类别，其中农田和乡村建设用地范围采用更为精确的现场踏勘资料。利用ENVI的土地监督分类进行人机交互识别，对模糊区域通过现场踏勘和人眼识别进行错误纠正。然后运用归一化植被指数(NDVI)分析丁香裕景区现状植被覆盖度和植被群落面积指标，为植物群落的优化提供设计基础和量化依据。NDVI方法在遥感基础上研究植被方面应用较为广泛，他的指数得出是通过遥感影像中2个红外波段Band3、Band4数值差与数值和的比值而得出的[8]。本文通过像元二分模型法将丁香峪景区范围内分成植被和裸地两大类型，去除不必要的像元干预。基于前人研究成果本次采取如下公式：
式中：fc是指ENVI监督分类得出的植被覆盖度，NDVImax、NDVImin是为了避免遥感影像存在的噪声，所采用的最大和最小植被归一化数值。结果显示丁香峪景区的植被覆盖度与NDVI值成正相关。其中NDVI数值在±1之间波动，地面植被覆盖越少，NDVI数值越接近0；反之，植被覆盖越丰富，NDVI数值越接近1。
图5 平台选址综合分析图
图6 最优路径综合图
图7 SWMM模拟分析图
图8 水系优化综合分析图
图9 现状植被分布图
图10 景观规划总平面图
图11 规划格局分析图 将ENVI生成的植被覆盖图导入ArcGIS平台进行分类和指标统计分析，得出植被分布面积指标，其比例大小排序依次为：常绿>落叶>农田>乡村建设用地>裸地，占地面积为：474.01、153.46、65.01、42.33、21.16hm2，各个类型分别占丁香裕景区面积比例为：6 2 . 7 %、20.3%、8.6%、5.6%、2.8%(图9)。由图9可以看出：丁香峪景区主要常绿植被分布在山体北坡，落叶植被主要分布在山体南坡，沟谷中相对平坦区域以农田为主。北侧入口积翠门附近、丁香峪四大队附近、大安寺附近区域落叶植被分布较为集中，其他成点状分布。
通过现状植被量化分析结果，景区植被优化设计应注重：1)北侧积翠门主入口附近应减少农田面积，增强植被组团布置，提升入口区域植被景观的丰富性和层次性，入口区域落叶植被比例较大，应适当提升常绿植被的比例，提升大绿背景，更好地烘托落叶植被景观；2)中部中会寺附近落叶植被群落分布较少，应通过后期优化进行增强；3)适当调整木鱼庵与中会寺附近建设用地范围和面积，增强植被群落配置，减少因建设用地分布较分散而造成景区生态斑块破碎化问题；4)部分观景点位置其对景处植被群落高中低层次较为欠缺，应通过后期植被优化设计保证视觉通廊的视线通透度和对景效果；5)利用GIS对视域范围、水系格局、植被分布进行空间叠加分析[9]，得出需要调整的区域和需要补植的区域，结合丁香裕乡土植物进行人机交互的植被群落优化设计。
综上所述，基于系列量化分析过程，提出丁香裕景区景观规划方法(图10)。1)功能方面。通过平台最佳选址分析设计筛选18个观景平台，结合场地坡度和高程人工调整平台具体面积，并在平台上设置相应休息座椅和休息廊架；现状建设用地进行旅游服务景点改造和提升，增添特色民宿、旅游餐饮、住宿、商业等服务设施；保留现状大安寺、木鱼庵等寺庙景点。2)交通方面。结合最优路径设计宽5m的非机动车和人行环线。在南北两侧主入口设置交通集散场地，中会桥和丁香裕四大队特色民宿村处设置2处小型广场，为观光车和自行车的转换提供平台。3)水系方面。结合水系格局分析增设10处大面积溢流湖、17处下凹式绿地、多处线性草沟，通过不同生态设施的配合解决丁香裕景区雨洪水体的净化和循环利用问题。其中溢流湖和下凹式绿地的面积大小根据场地具体坡度和高程而定。4)植被方面。结合监督分类的现状植被分析，选取千山景区乡土常绿乔木16种、落叶乔木21种、常绿灌木10种、落叶灌木13种进行分区和不同主题性的种植，结合平台的视觉通廊对植被群落进行有针对性的设计提升(图11)。
3 结语
本文通过GIS等跨学科技术的融合推动了山地景区规划设计方法的改变和创新。力求将山地景区的平台、道路、水系、植被设计与计算机量化分析技术进行同步关联，提出：1)多因子加权赋值的平台适宜性选址设计；2)成本栅格的最优道路选线设计；3)汇水面和汇水量计算的雨洪调蓄设计；4)监督分类计算的植被设计。同时文中的数据计算、因子选择、权重平衡等都对类似项目具有较强的参考价值，从而引导山地景区规划设计从定性模式向定量模式转变。 注：文中图片均由作者绘制。
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(编辑/金花)
作者简介：李发明
1985年生/男/辽宁人/天津大学在读博士研究生/研究方向为风景园林规划与设计(天津 300000)
曹磊
1962年生/男/天津人/天津大学风景园林系系主任，教授/研究方向为风景园林规划与设计(天津 300000)
王婷婷
1988年生/女/河北人/天津城建大学城乡规划专业在读硕士研究生/研究方向为风景园林规划与设计(天津 300000)
杨海
1987年生/男/天津人/北京师范大学在读硕士研究生/研究方向为公司金融与财务(北京 100875)
* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: [email protected]