崔雪琛，郭晉平

(1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801；2 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 研究生院，山西 太谷 030801)

現(xiàn)代城市在建設(shè)過程中對周邊山體造成不同程度的破壞，導(dǎo)致地形地貌改變、土層消失、植被退化、地表裸露，極易引發(fā)塌方、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害和水土流失等生態(tài)環(huán)境問題，不僅嚴(yán)重影響城市美觀，也給城市生態(tài)安全帶來了嚴(yán)重威脅和隱患[1-2]。如何評價(jià)山體破壞面的景觀生態(tài)影響、區(qū)分輕重緩急、制定針對性的科學(xué)規(guī)劃是當(dāng)前許多城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨的現(xiàn)實(shí)課題任務(wù)之一[3]。本世紀(jì)初我國學(xué)者吳長文、柳長順等人在深圳市山體破壞面的整治工作中，提出并應(yīng)用了包括交通、面積、距離3個(gè)評價(jià)因子和醒目系數(shù)的景觀影響度評價(jià)模型，該模型主要考慮了破壞面的視覺影響，分析城市周邊山體破壞面的影響程度，并對破壞面進(jìn)行分級(jí)[4-5]。吳志峰在對珠海市周邊土石場進(jìn)行景觀生態(tài)影響評價(jià)的工作中，以侵蝕強(qiáng)度代替醒目系數(shù)，強(qiáng)調(diào)山體破壞面的生態(tài)影響，明確了各個(gè)土石場之間景觀生態(tài)影響度的強(qiáng)弱差異，并分級(jí)進(jìn)行評價(jià)[6]；在后續(xù)研究中吳長文的景觀影響度評價(jià)模型得到了更多應(yīng)用[7-9]。景觀視覺敏感度是更為成熟的視覺評價(jià)方法，常用于景區(qū)規(guī)劃保護(hù)工作[10-15]。

太原是中國能源、重工業(yè)基地之一。截至2013年底，太原已探明礦藏主要有鐵、錳、銅、鋁、鉛、鋅等金屬礦和煤、硫磺、石膏、釩、硝石、耐火粘土、石英、石灰石、白云石、石英砂等非金屬礦，連年的開采已對太原市周邊山體造成了嚴(yán)重破壞。在建設(shè)國家園林城市的背景下，修復(fù)山體破壞面便成為了太原市的迫切要求。其首要問題是研究山體破壞面的景觀生態(tài)影響，以便對修復(fù)工作進(jìn)行合理的規(guī)劃。

本研究將視覺敏感度的評價(jià)方法引入研究中，建立視覺因子與生態(tài)因子相結(jié)合的景觀生態(tài)影響評價(jià)，對太原市周邊山體破壞面的影響進(jìn)行定性定量分析，并以此為依據(jù)判斷修復(fù)工作的緊迫程度。

1 研究對象和研究方法

1.1 研究對象概況及數(shù)據(jù)來源

太原是山西省省會(huì)，是中國優(yōu)秀旅游城市、國家歷史文化名城、國家園林城市，東、北、西三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，整個(gè)地形北高南低呈簸箕形。東、西山分布著10個(gè)名勝古跡和休閑景區(qū)：晉祠勝境、天龍山石窟、蒙山大佛、長風(fēng)西郊森林公園、萬柏林生態(tài)園、玉泉山森林公園、崛圍山、東山五龍生態(tài)森林公園、臺(tái)駘山景區(qū)、采薇莊園等。

研究對象是太原市周邊景區(qū)視域范圍內(nèi)的山體，被破壞的山體主要分布于太原市東、西兩山。

本研究數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，2017年高分二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、2018年GDEMDEM 30 m高程影像數(shù)據(jù)和Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 可視域分析及破壞面的判讀 在ArcGIS中，以10個(gè)景區(qū)的主出入口作為觀察點(diǎn)，利用GIS對研究區(qū)域的高程圖像進(jìn)行可視域分析。

利用高分衛(wèi)星影像結(jié)合現(xiàn)場對視域內(nèi)山體破壞面屬性進(jìn)行判讀，按破壞面類型分為土質(zhì)邊坡、碎石邊坡和巖質(zhì)邊坡3個(gè)類型。將破壞面坡度分為平緩坡(≤5°)、斜坡(5°55°)5個(gè)等級(jí)。3類破壞面5個(gè)坡度級(jí)組合為15個(gè)類型，以此為依據(jù)判斷立地條件的特征。

1.2.2 視覺敏感度評價(jià) 按照地形破壞面劃分成95個(gè)斑塊，選取斑塊總體坡度、與景點(diǎn)相對距離、斑塊出現(xiàn)概率和顯著程度4個(gè)指標(biāo)作為評價(jià)因子。其中，斑塊總體坡度是斑塊內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)形成坡面的坡度；斑塊出現(xiàn)概率為斑塊被觀察次數(shù)與總觀察次數(shù)的比值；顯著程度以視域內(nèi)山體未破壞面的平均歸一化植被指數(shù)(NDVI)與破壞面斑塊NDVI的差值來表示。NDVI在ArcGIS中根據(jù)公式(1)從Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中提取。

運(yùn)用模糊層次分析法計(jì)算出各個(gè)因子的權(quán)重，再與各因子進(jìn)行加權(quán)求和，得到山體破壞面的視覺敏感度，并作為景觀生態(tài)影響評價(jià)中的視覺影響因子。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

公式(1)中NIR為近紅外光波段，R為紅光波段。

1.2.3 景觀生態(tài)影響評價(jià)及分區(qū) 視覺敏感度代表破壞面對觀察者視覺上的影響程度，敏感度越高則景觀生態(tài)影響越大；破壞面類型與斑塊平均坡度是水土流失的重要影響因素，也是植被生長的基礎(chǔ)條件。隨著斑塊土層的硬化、土壤顆粒和平均坡度的增大，水土流失的效應(yīng)也相應(yīng)增大、植被生長環(huán)境變差，對景觀生態(tài)影響也越發(fā)嚴(yán)重，斑塊面積越大則表示斑塊向周邊輸出水土的能力越大[6]。

將破壞面類型進(jìn)行分級(jí)量化，用賦值1、2、3的大小來表示破壞面類型的影響大小。采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法(公式2)將視覺敏感度、平均坡度和面積3個(gè)因子按比例縮放到1～3的區(qū)間直接參與評價(jià)，提高結(jié)果的科學(xué)性和標(biāo)準(zhǔn)性。

再以模糊層次分析法FAHP(Fuzzy AHP)得出權(quán)重，與評價(jià)因子加權(quán)求和進(jìn)行景觀生態(tài)影響評價(jià)。按照景觀生態(tài)影響評價(jià)結(jié)果、地形和行政區(qū)劃，對破壞面進(jìn)行分區(qū)。

(2)

公式(2)中yi是標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，xi是原始數(shù)據(jù)，xm是原始數(shù)據(jù)中的最小值，xM是原始數(shù)據(jù)中的最大值。

1.2.4 模糊層次分析法 在模糊層次分析法(FAHP)的模型中，采用0-1模糊標(biāo)度法，對各個(gè)因子的重要值進(jìn)行兩兩比較，通過公式(3)和公式(4)構(gòu)建模糊判斷一致性矩陣，進(jìn)而通過公式(5)和公式(6)確定各個(gè)因子的權(quán)重向量ω。其中A、B因子分別代表兩兩比較的評價(jià)因子(表1)。

表1 模糊標(biāo)度法因子優(yōu)先性關(guān)系Table 1 Priority relationship of 0-1 fuzzy scale factors

(3)

其中r是模糊互補(bǔ)矩陣各因子的標(biāo)度值，Pi、Pj為第i、j個(gè)因子所在行的總和，n是評價(jià)因子的總數(shù)。

(4)

其中Pij是模糊一致性判斷矩陣中各評價(jià)因子的標(biāo)度值。

(5)

ω=[ω1ω2…ωn]T

(6)

2 結(jié)果和分析

2.1 各類破壞面判讀統(tǒng)計(jì)結(jié)果和分析

調(diào)查判讀結(jié)果顯示，實(shí)際出現(xiàn)的類型有11個(gè),見表2。

表2 各類破壞面判讀統(tǒng)計(jì)Table 2 Reading statistics of various types of damaged surfaces

由表2可知，面積共計(jì)1 566.63 hm2。其中27.09%是土質(zhì)平緩坡，土質(zhì)良好、坡度平緩，具有較好的植被恢復(fù)能力。50.69%是土質(zhì)斜坡，土層良好、坡度相對較大，只需稍作穩(wěn)定邊坡的處理即可達(dá)到理想的植被恢復(fù)效果。總體來說，太原市周邊山體破壞面具有較大的生態(tài)潛力和修復(fù)價(jià)值。

2.2 評價(jià)因子指標(biāo)權(quán)重測算

這里以視覺敏感度為例，通過0-1模糊標(biāo)度法構(gòu)建的優(yōu)先關(guān)系矩陣，見表3。通過公式(3)和公式(4)構(gòu)建的模糊判斷一致性矩陣，見表4。進(jìn)而通過公式(5)和公式(6)確定各個(gè)因子的權(quán)重向量：ω=[0.26,0.24,0.22,0.28]，通過對其他因子以相同的方式進(jìn)行計(jì)算，最終得到各個(gè)因子的權(quán)重，如表5所示。

表3 視覺敏感度優(yōu)先關(guān)系矩陣Table 3 Priority matrix of visual sensitivity

表4 視覺敏感度模糊判斷一致性矩陣Table 4 Consistency matrix of visual sensitivity fuzzy judgment

表5 太原市周邊山體破壞面景觀生態(tài)影響評價(jià)因子權(quán)重Table 5 Influence of landscape ecology of thedamaged surface of the surrounding mountains inTaiyuan on weighting of assessment factors

2.3 景觀生態(tài)影響分區(qū)

按照景觀生態(tài)影響評價(jià)、地形和行政區(qū)劃，破壞面被分為6個(gè)片區(qū)、3個(gè)等級(jí)(見圖1)。所包括的立地類型見表6。

表6 景觀生態(tài)影響分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表

Table 6 Statistical area of different zones influencedby landscape ecology hm2

立地類型Site type一區(qū)面積Area of first zone二區(qū)面積Area ofsecond zone三區(qū)面積Area ofthird zone土質(zhì)平緩坡265.8197.1261.54土質(zhì)斜坡551.38159.1383.64土質(zhì)陡坡109.916.2733.40碎石平緩坡13.7629.710.87碎石斜坡25.4643.57-碎石陡坡4.7612.97-碎石險(xiǎn)坡-2.79-巖質(zhì)平緩坡13.293.81-巖質(zhì)斜坡26.2011.15-巖質(zhì)陡坡5.632.20-巖質(zhì)險(xiǎn)坡1.410.84-總計(jì)1 017.62369.55179.46

注：-表示無此類型。

圖1 景觀生態(tài)影響分區(qū)

Figure 1 Impact of landscape ecology on zoning

由表6可知，一區(qū)的景觀生態(tài)影響最大，共包括10種立地類型，立地類型較多，規(guī)劃設(shè)計(jì)難度較大。土質(zhì)邊坡面積占比較高，主要由周邊建設(shè)取土造成。其中土質(zhì)斜坡類型面積為551.38 hm2，表明一區(qū)大部分地區(qū)土質(zhì)狀況良好且坡度較緩，有著較好的立地條件。坡度較大的陡坡及險(xiǎn)坡共包括土質(zhì)陡坡、碎石陡坡、巖質(zhì)陡坡、巖質(zhì)險(xiǎn)坡4個(gè)類型，立地條件較為復(fù)雜，施工難度較大。此4個(gè)類型的面積共121.71 hm2，相比其他區(qū)同類型面積最大，土石方工程量最多。其中土質(zhì)陡坡面積占了絕大部分，為109.91 hm2，因此一區(qū)相較其他區(qū)發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)也最大。

二區(qū)景觀生態(tài)影響中等，包括了所有的11種立地類型，相比其他區(qū)最多，立地條件復(fù)雜，規(guī)劃設(shè)計(jì)難度最大。太原周邊山體破壞面中大部分的碎石邊坡集中于此，共89.04 hm2。形成的主要原因是工業(yè)礦渣、建筑廢料的堆積。其中坡度較大的碎石陡坡和碎石險(xiǎn)坡面積分別為12.97 hm2和2.79 hm2，相比其他區(qū)同類型面積最大，因此二區(qū)更容易發(fā)生落石、塌方等災(zāi)害。相比其他區(qū)大坡度面積最小但類型最多，土石方工程量最小但施工難度較大。

三區(qū)景觀生態(tài)影響較小，共包括4種立地類型且全部為土質(zhì)邊坡，總面積為179.46 hm2，其中坡度較小的土質(zhì)平緩坡和土質(zhì)斜坡占了絕大部分面積，分別為61.54 hm2和83.64 hm2。主要是建設(shè)鄉(xiāng)村與道路時(shí)造成的小面積破壞區(qū)域，視覺條件差，因此規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)和難度均最低，坡度較大的土質(zhì)陡坡面積為33.4 hm2，相比其他區(qū)面積最小，立地條件簡單，施工量和難度也最小。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，各景觀生態(tài)影響分區(qū)及其立地特征各有特點(diǎn)，因此修復(fù)工作不可盲目進(jìn)行，應(yīng)針對各區(qū)特點(diǎn)分主次進(jìn)行：一區(qū)應(yīng)投入更多成本做重點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮基于保持水土策略的景觀優(yōu)化，加強(qiáng)雨洪管理措施，降低水土流失風(fēng)險(xiǎn)，提升景觀質(zhì)量；二區(qū)應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行穩(wěn)固邊坡、改善土質(zhì)等措施，改善惡劣邊坡(碎石、巖質(zhì))對景觀質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境和地區(qū)安全造成的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)木坝^優(yōu)化設(shè)計(jì)，適用人工和自然恢復(fù)相結(jié)合的方式降低成本。三區(qū)修復(fù)優(yōu)先級(jí)較低，應(yīng)對較陡和土層狀況較為惡劣的地區(qū)進(jìn)行人工修復(fù)，保證其生態(tài)功能和地區(qū)安全，立地條件較好的地區(qū)以自然恢復(fù)為主。

從過去山體破壞面的評價(jià)研究來看，似乎更注重破壞面的視覺影響，同時(shí)選取幾個(gè)水土流失的主要影響因子來兼顧其生態(tài)影響，評價(jià)因子的結(jié)合方式更是以幾何平均數(shù)的數(shù)學(xué)方法為主流。這種數(shù)學(xué)方法優(yōu)點(diǎn)在于能夠放大高數(shù)值因子在評價(jià)過程中的貢獻(xiàn)，缺點(diǎn)是在以人為主體的評價(jià)過程中并不能真實(shí)反映人的感受。以層次分析法測算權(quán)重的方法自提出以來，加權(quán)計(jì)算出現(xiàn)在了各界評價(jià)決策者的視野中，尤其在景觀生態(tài)評價(jià)領(lǐng)域，其評價(jià)內(nèi)涵也與山體破壞面評價(jià)不謀而合[16-18]。近年來視覺敏感度評價(jià)法在視覺影響方面更是熱門。本研究在以往山體破壞面評價(jià)的工作基礎(chǔ)上，選用典型的評價(jià)因子，與加權(quán)計(jì)算法結(jié)合，利用層次分析法測算權(quán)重，基于景觀生態(tài)評價(jià)內(nèi)涵，以不一樣的方法重新審視山體破壞面評價(jià)工作。