楊 帆，魏春雨，李 博，尹 芳

(1．湖南大學(xué) 建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2．中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

隨著國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)建設(shè)的深入以及中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心陸地衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)服務(wù)的開(kāi)放，運(yùn)用ArcGIS技術(shù)對(duì)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model簡(jiǎn)稱DEM)進(jìn)行深層次數(shù)據(jù)挖掘和分析越來(lái)越便捷．基于DEM的景觀研究主要是利用GIS從數(shù)字高程模型中獲取各種地形信息，分析地形對(duì)景觀結(jié)構(gòu)與生成過(guò)程的影響，可為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、資源環(huán)境的保護(hù)、生態(tài)環(huán)境的建設(shè)提供參考.

快速城市化進(jìn)程中，城市規(guī)模的擴(kuò)大匹配增長(zhǎng)迅速的城市人口，城市發(fā)展開(kāi)始郊區(qū)化[1]．但是在湖南等呈現(xiàn)丘陵地形的城市中，除去老城區(qū)相對(duì)較平坦的建設(shè)用地，郊區(qū)往往是丘陵山區(qū)，成為城市擴(kuò)張的主要障礙.其垂直高度和坡度的限制造成該地區(qū)建設(shè)投資費(fèi)用普遍比平地地區(qū)高.山川的隔絕和地形的升降起伏，增加了當(dāng)?shù)亟煌ㄏ到y(tǒng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性與難度，運(yùn)輸環(huán)節(jié)也受到一定的影響[2].景觀和交通的可達(dá)性受到影響.且丘陵城市限建區(qū)較多，宜建地較少，農(nóng)業(yè)用地往往被占用，農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)矛盾突出[3].此外，由于具有特殊的地質(zhì)構(gòu)造，丘陵地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，自然原生災(zāi)害頻繁，并容易誘發(fā)次生災(zāi)害[4].

在此背景下，將DEM數(shù)字高程的可視化分析應(yīng)用于城市空間格局分析、景觀格局定量分析、動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，和地形景觀建構(gòu)模擬數(shù)據(jù)及效果客觀分析，對(duì)具有丘陵地區(qū)生態(tài)特性的城市化建設(shè)起著量化指導(dǎo)作用.

1 DEM應(yīng)用概述

1.1 DEM數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)用于表示區(qū)域D上的三維向量有限序列對(duì)應(yīng)的高程[5]．當(dāng)該序列中各向量的平面點(diǎn)位成規(guī)格網(wǎng)排列時(shí)，則可將其平面坐標(biāo)忽略，從而把三維向量序列轉(zhuǎn)化為一維向量序列的數(shù)據(jù)[6].數(shù)據(jù)主要來(lái)源于等高線、衛(wèi)星切片、相似立體模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插，進(jìn)行計(jì)算后得到模型及數(shù)據(jù)，如圖1所示.

圖1 DEM集成方法

1.2 國(guó)內(nèi)外景觀建構(gòu)中DEM的應(yīng)用

DEM可用于測(cè)繪等高線、坡度、坡向、立體透視圖，軍事上可用于導(dǎo)航、通信和作戰(zhàn)任務(wù)的計(jì)劃等.在環(huán)境與規(guī)劃中可用于土地利用現(xiàn)狀的分析、各種規(guī)劃及洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等.也有學(xué)者用于研究景觀格局和功能，如圖2所示.

本文選取湖南省株洲市為研究區(qū)進(jìn)行建構(gòu)實(shí)驗(yàn)，對(duì)典型的丘陵地形進(jìn)行坡高、坡度及坡向的研究，利用GIS從數(shù)字高程模型中生成坡度分布圖和坡向和高程分布圖，建立了一個(gè)基于地形的景觀格局模型.

圖2 Baikal湖區(qū)DEM高程圖

2 技術(shù)路線

2.1 數(shù)字高程模型的技術(shù)支持

本文采用地形數(shù)字化儀跟蹤現(xiàn)有地形圖中的等高線獲取DEM數(shù)據(jù).用地形圖構(gòu)建研究區(qū)DEM流程圖，見(jiàn)圖3.

圖3 地形圖構(gòu)建研究區(qū)DEM流程圖

2.2 創(chuàng)新性

本文主要從宏觀與中觀尺度上提出丘陵地形景觀建構(gòu)的概念.基于DEM和ArcGIS等技術(shù)進(jìn)行丘陵地區(qū)景觀格局分析(圖4)，提出了丘陵城市景觀建構(gòu)的理論基礎(chǔ)、基本原則與特點(diǎn)，并研究與其相關(guān)的方法體系.探討丘陵地形背景下的景觀建構(gòu)的適應(yīng)性，以及城市化發(fā)展策略調(diào)控機(jī)制，并提出了有利于提高丘陵城市景觀綜合效益的利用對(duì)策.

圖4 景觀建構(gòu)流程圖

3 基于DEM可視化分析下的株洲市景觀地形特征研究

在丘陵地區(qū)的景觀設(shè)計(jì)中，不同的地形其特征也不同，因此它也會(huì)形成不一樣的景觀空間感受[7].在它的基本形式上，我們可以利用地形高程、坡度、高程和平面形式等方面進(jìn)行定位分析.高程、坡度和坡向是測(cè)量地形分化的3個(gè)主要特征，但也是決定景觀分化(如土壤、氣候和水文)的主導(dǎo)因素.在本項(xiàng)研究中，基于地形數(shù)據(jù)的分析，利用2012年的株洲市土地利用景觀格局地圖和地形因子分布圖疊加分析.

3.1 株洲市景觀地形垂直分布

株洲市高程圖見(jiàn)圖5，將高程分為5級(jí)，<500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m，1 500～2 000 m，>2 000 m.可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的景觀類型分布與高程的關(guān)系：水田，水域，住宅區(qū)和工業(yè)用地以及未利用地主要分布在高程為500 m以下的區(qū)域，低海拔區(qū)域分布有大部分的居民點(diǎn)和工礦用地，占其總量的91%；并且水域在500 m以下區(qū)域的分布占總面積的80.12%.除此之外，灌木林地和林地等有將近40%分布在500～1 000 m高程的區(qū)域，但是灌木林地和林地在人口聚集的、高程為500 m以下的區(qū)域分布面積較500～1 000 m高程帶明顯減少，其分布比例為10.66%，13.12%；在500 m以下高程帶內(nèi)旱地的分布比例為52.78%，在500～1 000 m區(qū)域內(nèi)草地的分布比例為44.23%，在高程為1 500 m以上的區(qū)域內(nèi)分布的旱地和草地只占到了整個(gè)區(qū)域這個(gè)類型的景觀很小的比例，分別為2.2%與11.7%.

圖5 株洲市高程圖

從整體上來(lái)看，隨著高程的增加，水田、旱地的比重逐漸減少．當(dāng)高程大于500 m時(shí)，水體面積、居民區(qū)及工礦用地分布、未利用地會(huì)隨之急劇減少；當(dāng)高程小于500 m時(shí)，則在高程帶內(nèi)分布有各種各樣的景觀類型，且面積相對(duì)較大，水體面積占到了80%左右；當(dāng)高程帶處于500～1 000 m區(qū)間時(shí)，分布的景觀類型里，除水域和居民點(diǎn)外，其他類型分布差異較大，其它林地占到了42%，水田則只占到20%；當(dāng)高程大于1 500 m時(shí)，區(qū)域內(nèi)灌木林地占的比例為14%，其次林地與草地占比例也相對(duì)較大，而分布的其他景觀類型比例基本上小于9%；在500～1 000 m高程帶，分布比例最大的是林地和灌木林地，但是當(dāng)高程大于2 000 m時(shí)，區(qū)域水田和居民點(diǎn)以及工礦用地和未利用地幾乎沒(méi)有分布，其中草地分布有5.38%，林地和灌木林地為4%左右，其他類型的景觀很少，比如旱地和水域只占3%的比例，由于地勢(shì)較高而人為干擾較小，各景觀類型分布較集中.

3.2 株洲市景觀地形坡度分布

地形最顯著的特征是坡度，也就是地平面和坡面產(chǎn)生的夾角[8].自古以來(lái)人類對(duì)土地的利用一般會(huì)受限于場(chǎng)地的坡度，地形的坡度越大，對(duì)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)影響越大.根據(jù)現(xiàn)有的資料可知，當(dāng)坡度大于5%時(shí)，在此類地形上鋪設(shè)道路，以及建設(shè)給水工程和供熱工程的時(shí)候，往往在工程技術(shù)上所花費(fèi)的人力和物力明顯高于平原地區(qū)的同類工程.另一方面因?yàn)榈匦蔚钠露瓤梢栽黾拥乇淼拿娣e，延長(zhǎng)道路的長(zhǎng)度，我們可假設(shè)：當(dāng)?shù)匦蔚钠骄露葹?%時(shí)，在地形上的道路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)坡度為5%～10%時(shí)，坡度每增加1%.道路長(zhǎng)度l=2L．由此可見(jiàn)，坡度影響地形，坡度對(duì)工程也是一個(gè)很重要的因素，具體見(jiàn)表1.

以株洲市坡度圖(圖6)為例進(jìn)行坡度分析：

將坡度分為0～5°，5～8°，8～15°，15～25°，25～35°，>35° 6個(gè)級(jí)別進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì).可以得出景觀格局在不同坡度帶中的分布數(shù)據(jù)：城市用地有一半以上分布在0～5°范圍內(nèi)，50%的未利用地分布在該區(qū)域內(nèi)；并且該區(qū)的景觀類型與人類生產(chǎn)生活等活動(dòng)緊密相關(guān)，最容易受到人類的活動(dòng)干擾和破壞；約有70%的水域景觀類型分布在0～5°的坡度區(qū)域范圍之內(nèi)；坡度達(dá)到25°以上時(shí)，區(qū)域內(nèi)分布的景觀類型主要是林地、灌木林地和草地，在這個(gè)坡度范圍內(nèi)的區(qū)域人為影響相對(duì)比較小，所以自然環(huán)境的開(kāi)發(fā)破壞較少.

圖6 株洲市坡度圖

表1 坡地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與建設(shè)可能性的關(guān)系

3.3 株洲市景觀地形坡向分布

具體方法可將株洲市整體地形的坡向分為5種：平坦、東、南、西、北向．由數(shù)據(jù)分析可以直觀得出株洲市地形坡向與景觀空間的分布之間的關(guān)系：在上列的5個(gè)坡向上，所有的景觀類型基本上都有分布．其中，在平坦(稍帶凹陷)的地方水域景觀分布最多；但是林地、灌木林地以及其它林地等景觀類型在無(wú)坡向區(qū)域基本上不分布，說(shuō)明這些區(qū)域因?yàn)楸婚_(kāi)發(fā)，已經(jīng)不再適合上述景觀類型的存在．在各個(gè)坡向上，草地景觀的的分布基本相近，相比較而言，在株洲市地形中東面坡向的草地景觀會(huì)分布稍多；而北面坡向地區(qū)也因?yàn)槠鋮^(qū)域的水分條件相對(duì)較好，所以林地景觀的分布比南面坡向地區(qū)多.此外，在各坡向上分布最平均的是居民點(diǎn)和工礦用地，由此表明：坡向?qū)θ藶楦脑旎顒?dòng)的影響較小，如圖7所示．

圖7 株洲市坡向圖

4 結(jié) 論

4.1 景觀構(gòu)建策略

綜上所述，景觀建構(gòu)分析過(guò)程中利用到的各軟件與技術(shù)以及各步驟的銜接關(guān)系如圖8所示．

圖8 景觀建構(gòu)分析流程圖

丘陵地形因子是丘陵地區(qū)景觀類型分布的基本骨架，在不同程度上影響著各種自然或人為的干擾，使得該地區(qū)景觀的分布規(guī)律與地形因子在空間分布上具備一定的一致性[9].另一方面，作為景觀設(shè)計(jì)中最為基本的因素，地形也是“景”的基本骨架構(gòu)成，由于景觀是處于生態(tài)系統(tǒng)之上，大地理區(qū)域之下的中間尺度，許多土地利用和自然保護(hù)問(wèn)題只有在景觀框架下才能有效地解決[10].因此景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)要依據(jù)丘陵地形高程變化，進(jìn)行多層次空間的塑造，恰當(dāng)解決丘陵地形下不利環(huán)境因素的制約，景觀與地形相互融合從而形成流暢的空間序列，突出丘陵地區(qū)獨(dú)具魅力的景觀特色.

4．1．1 景觀空間格局的形成機(jī)制

景觀格局(Landscape Pattern)：景觀格局一般指宏觀與中觀意義上的景觀的空間格局(SpatialPattern)，是指形狀、屬性及大小不一的景觀空間單元(斑塊)在一定空間上的分布與組合及其組合形態(tài)和組合規(guī)律[11].

分析景觀格局應(yīng)研究各景觀單元的拓?fù)涮卣?，不同城市地理氣候條件下的景觀空間構(gòu)成，及其研究過(guò)程中的可視化清晰表達(dá)．通過(guò)景觀格局指數(shù)表達(dá)景觀格局信息，反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面的特征，揭示景觀空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)過(guò)程的定量關(guān)系，是景觀格局量化研究的主要途徑.目前對(duì)于景觀格局的分析多局限于二維平面，以三維形態(tài)研究景觀空間格局還很少見(jiàn)，結(jié)合地理設(shè)計(jì)的景觀格局研究分析也較為少見(jiàn).根據(jù)DEM數(shù)字地形形態(tài)分析，在尊重地域地形的前提下，建立了一套應(yīng)用景觀格局指數(shù)來(lái)描述景觀格局及變化，聯(lián)系格局與景觀過(guò)程的定量化研究方法十分必要.

4．1．2 景觀建構(gòu)評(píng)價(jià)分析體系的基本層次

景觀格局的建構(gòu)體系，大致可分為描述景觀要素指數(shù)和描述總體特征指數(shù)兩類[12]．本文參考前人的研究成果，從面積和優(yōu)勢(shì)度、空間形態(tài)、聚合度和連接度、多樣性等幾個(gè)方面選取其中有明確指向性的11個(gè)指標(biāo)對(duì)丘陵城市景觀格局進(jìn)行定量分析，研究中使用FRAGSTATS 軟件進(jìn)行計(jì)算.各指標(biāo)的單位和值域見(jiàn)表2．

4.2 宏觀控制策略

在快速發(fā)展的城市化進(jìn)程中，城市發(fā)展在空間上的同一性和認(rèn)同感呈現(xiàn)出衰減之勢(shì)，引發(fā)了城市系統(tǒng)中的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等方面的無(wú)序與分離等問(wèn)題，并造成城市空間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制失衡等并發(fā)癥[13].而自然的山川格局、地形特征、植被形態(tài)等是構(gòu)成丘陵地區(qū)城市風(fēng)貌特色的自然基礎(chǔ)和景觀基質(zhì)，丘陵景觀是鑲嵌在這一自然基質(zhì)之上的嵌體[14]，因此，丘陵地區(qū)城市景觀建構(gòu)必須適應(yīng)丘陵地區(qū)特色的自然生態(tài)系統(tǒng)，基于地形上的城市設(shè)計(jì)也必須滿足地域性要求.在這一建構(gòu)過(guò)程中，城市空間擴(kuò)張的控制、自然資源的保護(hù)、人口容量、資源保護(hù)與再生，乃至城市山水地形肌理的延續(xù)與保護(hù)、城市自組織系統(tǒng)的發(fā)展與完善都將不可避免的受到影響.

表2 各景觀格局指標(biāo)單位與值域

株洲市處于城市高速發(fā)展的階段.建設(shè)用地面積及城市景觀面積大幅度增加，本文以DEM數(shù)字高程模型采用建立在對(duì)單個(gè)柵格點(diǎn)的類型判斷基礎(chǔ)之上的分類方法，對(duì)株洲市的地形、坡度、坡向、高程進(jìn)行了聚合聚類分析，結(jié)合株洲市總規(guī)、綠地系統(tǒng)規(guī)劃和未來(lái)城市土地利用規(guī)劃，分析了以株洲市為代表的湖南淺丘陵地形條件下，坡度、坡相、高程等地形特征與城市景觀開(kāi)發(fā)的協(xié)調(diào)與制約關(guān)系.得出在城市開(kāi)發(fā)及城市景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)該尊重區(qū)域地形，強(qiáng)調(diào)區(qū)域原有的自然基礎(chǔ)和景觀基質(zhì)，采取積極的生態(tài)保護(hù)措施，保護(hù)山水地形的結(jié)論.分類過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn).試驗(yàn)成果與分析對(duì)于景觀格局研究， 城市土地規(guī)劃研究有著重要意義.

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