地理信息系統(tǒng)緩沖分析技術(shù)在城市生態(tài)景觀建設(shè)中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)緩沖分析技術(shù)在城市生態(tài)景觀建設(shè)中的應(yīng)用

在特定的空間環(huán)境中，生態(tài)環(huán)境問題的發(fā)生是自然和人為條件下各生態(tài)因素綜合作用的結(jié)果。因此，可以想象用信息系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)來分析和評價(jià)生態(tài)環(huán)境問題的影響?，F(xiàn)在，在整個環(huán)境中，信息系統(tǒng)的應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展?？臻g數(shù)據(jù)的開發(fā)、屬性數(shù)據(jù)的逐步完善、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的鏈接，以及環(huán)境評估、管理和規(guī)劃的便利性。隨著生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生態(tài)環(huán)保意識的提高，越來越多的人開始關(guān)注生態(tài)環(huán)境，減少對自然生態(tài)環(huán)境的干擾。然而，人類對生態(tài)環(huán)境的主觀改造，以及人類生產(chǎn)活動的影響和影響總是模棱兩可、模棱兩可的。它的影響區(qū)域通常是一個趨勢。如何有效、直觀地確定趨勢，即影響范圍的大小是評價(jià)環(huán)境環(huán)境的主要問題。緩沖區(qū)分析法是緩沖區(qū)分析法的重要工具。到目前為止，緩沖區(qū)分析技術(shù)僅用于數(shù)據(jù)的空間搜索，其功能沒有得到充分體現(xiàn)。在本文中，我們討論了緩沖區(qū)分析技術(shù)在生態(tài)環(huán)境評估領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)果表明，該技術(shù)在生態(tài)環(huán)境評估中發(fā)揮著非常重要的作用。1緩沖區(qū)分析的功能緩沖區(qū)實(shí)質(zhì)上是一個圖斑類型的拓?fù)鋽?shù)據(jù),是由離開某一地理目標(biāo)一定距離的多邊形構(gòu)成的面對象.地理目標(biāo)可以是點(diǎn)狀地物、線狀地物或面狀地物;距離是指緩沖區(qū)的寬度或半徑,可以人為設(shè)定或系統(tǒng)默認(rèn).一般以點(diǎn)元存在的地理空間目標(biāo)的緩沖區(qū)是一個圓,以線元存在的地理空間目標(biāo)的緩沖區(qū)是呈條帶狀的面,以面元存在的地理空間目標(biāo)的緩沖區(qū)是一個與該面相似的一個更大的面.將生成的緩沖區(qū)疊置到已有的地理空間數(shù)據(jù)上,通過對緩沖區(qū)內(nèi)有關(guān)各項(xiàng)屬性、空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以便獲得所需要的評價(jià)數(shù)據(jù),使其具有緩沖區(qū)分析的功能.緩沖區(qū)分析是適時模擬的,客觀、具體的,操作性很強(qiáng)的數(shù)字化模型.因此,在分析之前,需要適時更新并完成基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作.從根本上講,緩沖區(qū)分析就是解決一個臨近度的問題,比如公共設(shè)施(商場、郵局、銀行、醫(yī)院、車站、學(xué)校)的服務(wù)范圍;危險(xiǎn)物資的輻射影響范圍;被污染的敏感區(qū)范圍;大型水庫建設(shè)引起的搬遷區(qū)域;公路、鐵路、河流航道對其所穿過區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響力度等.緩沖區(qū)分析的方法多樣,用戶通?？筛鶕?jù)自身的需要,通過進(jìn)一步開發(fā)系統(tǒng)提供的源程序相關(guān)函數(shù)來獲得自己所需要的分析方法.1.1硬件設(shè)備協(xié)同工作硬件需要計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)輸入與輸出設(shè)備、數(shù)據(jù)儲存設(shè)備.這些能夠滿足圖形數(shù)據(jù)的編輯與顯示;可以與各種硬件設(shè)備協(xié)同工作;能兼容操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件或其他應(yīng)用軟件.軟件需要具有實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)分析的良好功能,所以必須選擇具有較強(qiáng)空間分析功能的地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件,以便為用戶提供進(jìn)一步開發(fā)的相關(guān)函數(shù),建立完善的數(shù)據(jù)庫(包括地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)),并盡可能提前充實(shí)、完善分析所需要的相關(guān)數(shù)據(jù).1.2對象集合oi從數(shù)學(xué)的角度看,緩沖區(qū)分析的基本思想是給定一個空間對象或集合,并確定它們的鄰域,鄰域的大小由鄰域半徑R確定.因此定義對象Oi的緩沖區(qū)為:Bi={X:d(X,Oi)≤R},即對象Oi的緩沖區(qū)為距Oi小于R的全部點(diǎn)的集合.式中X表示全部點(diǎn)的集合;d表示點(diǎn)距Oi的距離;對象集合O={Oi,i=1,2,...,n};半徑為R的緩沖區(qū)是各個對象緩沖區(qū)的并集B=B1∪B2∪…∪Bn.在繪制緩沖區(qū)時,系統(tǒng)往往要面臨呈折線狀存在的線狀地物的緩沖區(qū)計(jì)算問題(圖1).當(dāng)凸側(cè)角角度越來越小時,緩沖區(qū)的頂點(diǎn)將遠(yuǎn)離目標(biāo)地物而不能保證雙側(cè)緩沖區(qū)的等寬性,此時需要對轉(zhuǎn)角處進(jìn)行校正.首先在目標(biāo)地物的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處判斷該點(diǎn)的凹凸性,在凸側(cè)用圓弧彌合,在凹側(cè)則用前后兩鄰邊平行線的交點(diǎn)生成對應(yīng)頂點(diǎn),這樣外角以圓弧連接,內(nèi)角直接連接,線段端點(diǎn)以半圓封閉.該方法最大限度地保證了平行曲線的等寬性(圖1b).另外對于形狀比較復(fù)雜或由多個對象集合的緩沖區(qū)計(jì)算,需要注意處理邊線自相交的情況.自相交多邊形分為島嶼多邊形和重疊多邊形(圖1c).當(dāng)存在島嶼和重疊自相交多邊形時,最終計(jì)算的邊線被分為外部邊線和若干島嶼.對于緩沖區(qū)的邊線繪制,只要把外圍邊線和島嶼輪廓繪出即可(圖1d).2數(shù)據(jù)庫的建立在實(shí)際應(yīng)用中,筆者選用國外MapInfor地理信息系統(tǒng)軟件,在分析已有地圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將通過收集獲得的各指標(biāo)量化值充實(shí)到屬性數(shù)據(jù)庫中,用Foxpro3.0加以管理,并且即時更新數(shù)據(jù),以備隨時調(diào)用.為實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的互訪,利用緩沖區(qū)分析技術(shù)對一定范圍內(nèi)的屬性數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計(jì)、分析,其結(jié)果以便于類比的表格形式出現(xiàn).2.1天津市衛(wèi)津河及岸線生態(tài)項(xiàng)目的生態(tài)效應(yīng)評估生態(tài)景觀建設(shè)實(shí)際上是優(yōu)化城市景觀格局、擴(kuò)大綠地,以減輕城市熱島效應(yīng)、水環(huán)境惡化、大氣污染等的影響.生態(tài)景觀是包括地理格局、水文過程、生物活力、人類影響和美學(xué)意義上的和諧程度在內(nèi)的復(fù)合生態(tài)多維景觀.生態(tài)景觀規(guī)劃是一種整體論的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)過程,旨在達(dá)到物理形態(tài)、生態(tài)功能和美學(xué)效果上的創(chuàng)新,遵循整合性、和諧性、流通性、活力、自凈能力、安全性、多樣性和可持續(xù)性等科學(xué)原理.生態(tài)景觀建設(shè)則是對規(guī)劃的實(shí)施,是人類對生態(tài)環(huán)境的主觀改造,通常會產(chǎn)生積極的影響.為了改善天津市的城市生態(tài)環(huán)境,天津市政府結(jié)合城市改造、道路拓寬和景觀河道的治理,花巨資完成了一大批綠化配套工程,使市民切身感受到了河道沿岸空氣的清新、城市品位的提升、河道沿岸房產(chǎn)的增值、城市熱島效應(yīng)的緩解.為了明確綠化工程所帶來的生態(tài)效益,定量分析生態(tài)景觀對周邊環(huán)境的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)影響至關(guān)重要,筆者結(jié)合地理信息系統(tǒng)、生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)等知識對天津市衛(wèi)津河及沿岸生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了評估.2.1.1生態(tài)效應(yīng)評價(jià)天津衛(wèi)津河是一個以線元形式存在的地物,其緩沖區(qū)為具有一定寬度的條帶狀的面.在地理底圖上,按距離衛(wèi)津河道沿岸生態(tài)景觀的遠(yuǎn)近對評價(jià)區(qū)域繪制多重緩沖區(qū),生成幾個不同半徑的條帶狀區(qū)域,比較各區(qū)域的各項(xiàng)評價(jià)因子的綜合變化情況,得出衛(wèi)津河沿岸綠化工程的準(zhǔn)確影響范圍亦即緩沖區(qū)的半徑.通過對影響范圍內(nèi)受影響指標(biāo)的分析,進(jìn)行生態(tài)環(huán)境影響評價(jià).生態(tài)景觀的生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)體系是一組綜合性指標(biāo),指標(biāo)的選取應(yīng)反映評價(jià)目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境三者的綜合協(xié)調(diào)發(fā)展效應(yīng),并具有敏感性和現(xiàn)實(shí)操作性.為了達(dá)到指標(biāo)的完備性,應(yīng)盡量多地選擇指標(biāo),但又不能影響指標(biāo)的獨(dú)立性.為此宜采用主成分分析法,即把多個指標(biāo)壓縮為幾個主要綜合指標(biāo),選出與綜合指標(biāo)相關(guān)系數(shù)較大的具體指標(biāo)進(jìn)行評價(jià).通過篩選確定生態(tài)效應(yīng)指標(biāo),并在垂直河道800m范圍內(nèi)進(jìn)行社會調(diào)查和觀測,以建立各指標(biāo)現(xiàn)狀值及指標(biāo)背景值的屬性數(shù)據(jù)庫,同時實(shí)現(xiàn)與空間數(shù)據(jù)庫的有效鏈接.生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)包括:經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(a1)即房地產(chǎn)價(jià)格變化(a11);社會指標(biāo)(a2)即居民健康狀況的變化(a21)和文化消費(fèi)的變化(a22);環(huán)境指標(biāo)(a3)即空氣質(zhì)量的變化(a31)和環(huán)境衛(wèi)生的變化(a32).其中房地產(chǎn)價(jià)格的變化通過實(shí)地走訪獲得;居民健康狀況(包括居民的精神面貌及居民的身體狀況等)則是先給出一個評價(jià)級尺度即用1.0,0.7,0.4,0.1分別表示很好、較好、不太好、不好.然后通過問卷調(diào)查的方式獲得指標(biāo)值;文化消費(fèi)的變化(包括居民對自身人力資本的提升)則是通過計(jì)算居民利用業(yè)余時間參加系統(tǒng)培訓(xùn)和學(xué)習(xí)、體育鍛煉等所花費(fèi)的時間和資金并統(tǒng)一折合成現(xiàn)行幣值來獲取指標(biāo)值;環(huán)境指標(biāo)則通過實(shí)地觀測,建立評判因素集與評價(jià)集進(jìn)行模糊綜合評價(jià),并將得出的綜合評價(jià)標(biāo)量值作為指標(biāo)值.指標(biāo)的背景值則是通過查閱房產(chǎn)、氣象、環(huán)保部門的歷史資料以及現(xiàn)場調(diào)查的方式獲取.2.1.2各分區(qū)最佳緩沖值的確定及生態(tài)效應(yīng)評價(jià)從基礎(chǔ)空間矢量庫中提取目標(biāo)地物衛(wèi)津河,以該目標(biāo)地物為源文件進(jìn)行緩沖區(qū)繪制,生成距河流生態(tài)景觀不同距離的緩沖區(qū):Ⅰ區(qū),R<100m;Ⅱ區(qū),100m<R<200m;Ⅲ區(qū),200m<R<300m;Ⅳ區(qū),R>300m.將生成的緩沖區(qū)圖斑拓?fù)湮募謩e與基礎(chǔ)空間庫、屬性數(shù)據(jù)庫疊加,分別查詢、統(tǒng)計(jì)各區(qū)的評價(jià)指標(biāo)信息,系統(tǒng)自動建立的表格見表1.比較各分區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)值的動態(tài)變化以及與歷史背景值的差異,若某個區(qū)的指標(biāo)值與背景值相差不大,即可確定該區(qū)的內(nèi)側(cè)邊緣為項(xiàng)目最佳緩沖區(qū)的外圍,如Ⅰa11=Ⅱa11>Ⅲa11=A11,并且其他指標(biāo)也有同樣的表現(xiàn),則R值為200m.有時不一定所有的指標(biāo)有相同反映,則可修正后再確定R值,最后利用最佳緩沖區(qū)的指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)效應(yīng)評價(jià);如果指標(biāo)值與背景值相比較得不出結(jié)果,則可重新調(diào)整R值以生成新的緩沖區(qū),直到有結(jié)果.從表1可知,衛(wèi)津河綠化配套工程的生態(tài)影響范圍為Ⅲ區(qū)的外邊界,即R=300m.房地產(chǎn)價(jià)格、空氣質(zhì)量、環(huán)境衛(wèi)生的影響程度比較明顯,主要是因?yàn)檫@3組數(shù)據(jù)比較客觀;社會指標(biāo)反映的是比較感性的方面,需要予以適當(dāng)?shù)男拚?在此可作為參考.實(shí)際上,以上指標(biāo)的變化還可能受城市其他因素的影響,如交通的通達(dá)狀況、周圍基礎(chǔ)設(shè)施的配套狀況等.因此,要獲取更為準(zhǔn)確的信息以及揭示許多不被人眼見的、非市場的生態(tài)、社會價(jià)值,還必須投入相當(dāng)大的人力、物力、財(cái)力去調(diào)查、監(jiān)測、收集資料.不過以上選取的幾個指標(biāo)足以評價(jià)衛(wèi)津河綠化配套工程的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會效應(yīng),同時,緩沖區(qū)分析功能確實(shí)使評價(jià)更為方便、快捷,可為城市的進(jìn)一步改造、房地產(chǎn)開發(fā)、生態(tài)景觀的布設(shè)提供參考經(jīng)驗(yàn).2.2自然生態(tài)景觀格局的決定自然保護(hù)區(qū)是具有高度空間異質(zhì)性的區(qū)域,它是由許多大小不一、相互作用的斑塊按照一定的規(guī)律組成的.近年來,人類對自然的影響越來越大,往往會導(dǎo)致自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境日益退化.人類活動的強(qiáng)弱與自然生態(tài)景觀的破碎化又表現(xiàn)出一定的相關(guān)性.因此,研究人類活動對自然景觀格局和動植物多樣性的影響是自然保護(hù)區(qū)開展規(guī)劃與建設(shè)工作的首要前提.1995年天津市規(guī)劃局將薊縣確定為天津市的后花園,發(fā)展以旅游為主的文教、度假城.而作為薊縣六大行業(yè)之一的建材礦業(yè)的布局及結(jié)構(gòu)必然對薊縣真正成為山清水秀的后花園產(chǎn)生影響.為了掌握礦業(yè)開發(fā)活動對薊縣北部山區(qū)自然風(fēng)景保護(hù)區(qū)的自然生態(tài)景觀格局的影響,筆者在遙感制圖的基礎(chǔ)上,首先對盤山風(fēng)景區(qū)已有礦業(yè)開發(fā)引起的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化進(jìn)行了分析,然后以采礦區(qū)為目標(biāo)地物進(jìn)行緩沖區(qū)分析,劃定礦產(chǎn)開發(fā)對周圍環(huán)境影響的一般范圍.2.2.1礦渣、廢水污染盤山風(fēng)景區(qū)主要以森林、農(nóng)田、采礦區(qū)、人類居住地和公路為主要景觀類型.采礦區(qū)對生態(tài)環(huán)境景觀類型的影響主要表現(xiàn)在:①產(chǎn)生大量的煙塵、粉塵,加之機(jī)械人為破壞,造成大面積的植被破壞和大量的喬木死亡;②礦區(qū)多位于山前或山溝的兩側(cè),不僅侵占土地,而且礦渣、廢料隨著雨水沖刷到四周,導(dǎo)致土壤質(zhì)地破壞而嚴(yán)重沙化,由于無法重新復(fù)墾從而被廢棄;③礦區(qū)多為露天開采,已造成不同程度的水土流失(龔浩,彭慧.天津市薊縣北部山區(qū)礦產(chǎn)開采對環(huán)境的影響調(diào)查報(bào)告.天津:天津市規(guī)劃與國土資源局,2000).因此通過仔細(xì)權(quán)衡,評價(jià)選取如下指標(biāo):粉塵污染面積、植被的覆蓋率、水土流失的程度、土地資源退化的面積.其中粉塵污染面積通過航測獲得;植被的覆蓋率與土地資源退化的面積可在遙感圖上自動測量;水土流失的程度采用計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)法將水土流失狀況分為重度區(qū)(5000~20000t·km-2·a-1)、中度區(qū)(2000~5000t·km-2·a-1)和輕度區(qū)(500~2000t·km-2·a-1).2.2.2最佳緩沖及最大影響半徑確定據(jù)實(shí)地考察,各采礦點(diǎn)的面積或規(guī)模直接影響緩沖區(qū)的半徑,采礦點(diǎn)面積越大,對周圍生態(tài)環(huán)境影響范圍及影響力度越大,因此生成的緩沖區(qū)大小必須按礦區(qū)面積大小來確定.對開采面積小于1000km2的礦點(diǎn),以各采礦點(diǎn)作為源文件,按照距干擾源遠(yuǎn)近生成緩沖區(qū):Ⅰ區(qū),R<300m;Ⅱ區(qū),300m<R<600m;Ⅲ區(qū),600m<R<900m;Ⅳ區(qū),R>900m.開采面積大于1000km2的礦點(diǎn)則生成R值較大的緩沖區(qū):Ⅰ區(qū),R<400m;Ⅱ區(qū),400m<R<800m;Ⅲ區(qū),800m<R<1200m;Ⅳ區(qū),R>1200m.由于粉塵污染影響較大,可根據(jù)情況適當(dāng)擴(kuò)大緩沖區(qū)半徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì).通過對各個采礦點(diǎn)的4個緩沖區(qū)的指標(biāo)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析,并平均各個采礦點(diǎn)的指標(biāo)信息,然后找出最佳緩沖區(qū)即開礦點(diǎn)的最大影響范圍.結(jié)果表明,盤山風(fēng)景區(qū)采礦工作區(qū)對植被破壞的影響半徑大約為800m(據(jù)礦區(qū)邊緣距離);粉塵污染的影響半徑則達(dá)到2000m;對土地資源的侵占及侵蝕半徑約為700m;水土流失重度區(qū)的影響半徑約為200m,中度區(qū)約為500m,輕度區(qū)約為1000m.可見,采礦點(diǎn)這種人為影響發(fā)生源對于周圍生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)的顯著影響距離為200~2000m.為了保證北部自然風(fēng)景保護(hù)區(qū)的自然生態(tài)景觀格局免受影響,采礦點(diǎn)必須布設(shè)在遠(yuǎn)離自然風(fēng)景保護(hù)區(qū)大于2000m的范圍外.另外,人為影響景觀如公路、人類居住點(diǎn)的空間分布情況對于保護(hù)區(qū)的自然管理工作威脅極大,因此,注意對人為影響景觀的空間布局同樣是保護(hù)區(qū)規(guī)劃與建設(shè)的重要因素.3生態(tài)環(huán)境評價(jià)本文就緩沖區(qū)分析技術(shù)應(yīng)用于城市生態(tài)景觀建設(shè)的效應(yīng)評價(jià),及人類活動對自然生態(tài)景觀的干擾程度進(jìn)行了實(shí)例討論.結(jié)果表明,天津衛(wèi)津河河道整治綠化工程對沿線產(chǎn)生的生態(tài)效益影響范圍是300m左右;盤山風(fēng)景區(qū)采礦點(diǎn)必須設(shè)在距保護(hù)區(qū)2000m以外才能保證自然生態(tài)景觀免遭人類干擾.由此可見,緩沖區(qū)