张银涛，郑世伟，何勇清，廖丽华

(浙江省庆元县林业局，浙江 庆元 323800)

为进一步加强生态文明建设，2017年浙江省第十四次党代会提出谋划“大花园”建设行动，大力推进“全域旅游”发展“旅游+”。庆元县立足优越的生态环境和丰富的森林资源，注重发展“旅游+林业”。公路作为一种典型的人工廊道，公路廊道具有通道、阻碍双重作用，其对景观的影响主要体现在对沿途斑块的分割，以及由此引发的边缘效应[1]。

当前对公路景观的研究多注重于公路廊道内部景观，即公路系统内部及公路沿线附属绿地景观。祝哲[2]将高速公路景观分为公路中央分隔带、两侧带状、边坡、出入口及服务区，并对各景观区的绿化和养护进行阐述；胡强等[3]将高速公路沿线景观林分为线形平地区域、面状坡地区域、村庄区域、互通立交区域和隧道洞口区域5个典型地形区域，并对各地形区域景观林营造模式和植物配植进行分类描述；康建林[4]将美学原理融入到公路及公路环境景观设计中；袁黎等[5]对公路路侧景观绿化的安全功能、景观功能及生态防护功能进行评价，并建立综合评价模型。公路系统不是一个独立体，公路建设常贯穿于多种地形和自然景观。因此，在公路景观设计及建设时要考虑与沿途自然环境的协调性[6-8]。张超等[9]从景观敏感度方面提出一种公路沿线森林景观的评价及更新方法。曹智伟等[10]通过遥感影像解译对西双版纳主干公路沿线两侧10 km范围内森林景观格局进行动态分析。

本文以浙江省庆元县主要公路沿线可视范围内林地作为研究对象，对其林分现状及可视性进行分析研究。提出“频率-视距”和“垂直视角”2种可视性测度指标，对公路沿线可视区域进行重要性分级，并从经营管理等方面对不同的林分类型及现状提出相应的改造方案。

1 研究方法

地理信息系统(Geographical Information System，GIS)是对地理空间信息进行描述、采集、处理、存储、管理、分析和应用的一门新兴学科[11]。可视域分析作为地理信息系统的基本分析功能，是一种利用数字高程模型来提取和传输观测点的通视度、可视范围和阻挡范围的地形最优化处理方法[12-14]。本文采用庆元县数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)结合主要公路矢量数据，进行公路可视域分析，获取公路沿线可视范围。叠加研究区森林资源数据对公路可视域内森林景观现状进行分析。

1.1 研究区概况

庆元县位于浙江省西南部，隶属于浙江省丽水市。北与龙泉、景宁畲族自治县接壤，东、西、南与福建省寿宁、松溪、政和三县交界。全县南北长49 km，东西宽67 km，总面积1898 km2。境内主要公路有G25长深高速(龙庆段)、庆元大道(一级公路)、S229和S329省道以及通往景区及乡镇的县级公路等。庆元县坚持生态立县，森林资源丰富，森林覆盖率高达86%。

1.2 数据处理

数字高程模型(DEM)作为重要的地理地形分析基础数据，在测绘、资源与环境、灾害防治、国防等领域发挥重大作用[15]。DEM获取大致可分为地面测量法、遥感摄影测量法、雷达测量法以及利用地形图数据生成法[1，16]。文中DEM获取采用后者，利用庆元县矢量化地形图数据生成庆元县DEM数据。

公路可视域分析将传统的“公路沿线景观”的定性描述向定量化转换。研究中将公路分为3类：高速公路及一级公路(G25长深高速和庆元大道)、省级公路(S229和S329)以及主要县级公路(以下简称高速、省道和县道)。在进行可视域分析时，由于各级公路可视范围存在重叠现象，研究中按照“高速”>“省道”>“县道”的优先次序对重叠部分进行剔除处理。各级公路沿线可视区域分布见图1。

图1 庆元县主要公路沿线可视区域分布

1.3 可视性分析

可视域分析所得到的数据(图1)为公路沿线上所有可视区域。如何对可视区域进行重要性等级划分，对公路沿线林木景观规划起到重要作用。文中的可视性分析都是基于像素化DEM数据，DEM数据像元大小为(30，30)。提出公路可视目标区域“垂直视角”及“频率-视距”2个可视性测度指标，并结合传统的可视频率(可视次数)和视距(欧氏距离)指数进行比较分析。4种测度指标的说明及计算方法如下。

1)可视频率(可视次数)：目标区域被看到的频率是一个重要的可视性指标，可视频率指公路沿线上可看到目标点区域次数。

2)视距(欧氏距离)：视距是指目标区域距离观察点的距离，文中采用目标点到公路上最近点的欧氏距离来对视距进行近似计算。由于公路上看到目标点区域的视线距离不是固定值，随着观测点在公路上的移动不断发生变化，而且目标点区域可视频率越高其视线距离的变化越大。因此，欧氏距离计算结果小于等于实际视距。

3)垂直视角：垂直视角对目标点区域的可视性也至关重要，垂直角越小对视觉的冲击越小，垂直视角越大对视觉的冲击越大。目标点的垂直视角也随着观测点的移动不断发生变化，与视距相同文中采用目标点区域到公路上最近点欧氏距离及目标点与公路上最近点的高程差来进行近似计算。因此，垂直视角计算结果大于等于实际垂直视角。

垂直视角具体计算过程为：首先，计算观测点高程H1。将公路进行像素化，像元大小(30，30)，并提取公路上各点对应的高程(H1)。对公路各点高程(H1)进行欧氏分配操作，获取各目标像元点对应公路最近点的高程H1′；其次，计算目标点与观测点高程差H。采用栅格计算器对目标点的高程数据(H2)与欧氏分配结果(H1′)相减，结果即目标点与观测点的高程差H；最后，计算目标点垂直视角。设欧氏距离结果为L，垂直视角为α，则：tan(α)=(H/L)。

4)频率-视距指数：可视频率和视距2个指标分别从目标点区域的可视次数及视线距离2个方面进行分析制图。认为目标点区域的可视次数越多、视距越小，则目标点区域的可视性等级越高，因此文中提出一种“频率-视距”指数。由于可视频率单位为次数，而视距单位为m。为统一可视频率和视距单位，将可视次数乘以30(像元宽度)即采用公路上可看到目标点区域理论累计长度代替可视频率进行计算。设可视频率为N，视距为L，频率-视距指数为T，则：T=N×30/L。

各指标的计算均分别基于高速、省道和县道进行，最后将处理结果合并。各可视性指标制图结果见图2。

图2 各可视性指标制图

2 结果与分析

2.1 森林资源叠加分析

由于可视域分析所得数据为栅格数据，要进行叠加分析需要对可视域进行矢量化操作。首先对可视域分析结果进行重分类操作，分为可视区域(可视次数大于0)和不可视区域(可视次数等于0)2类，然后利用ArcGIS转换工具对重分类后数据进行栅格转面操作，对可视域数据进行矢量化。

表1 可视域内森林类别统计 hm2

森林资源数据采用2017年森林资源二类调查矢量数据。根据森林不同的主导功能在进行森林调查及森林资源管理中常将森林分为重点公益林、一般公益林、重点商品林和一般商品林。将公路可视域和森林类别数据进行叠加分析，获取公路可视域各森林类别面积统计(表1)。由表1可以看出，公路可视域中非林地面积占31.76%，生态公益林面积占36.85%，商品林(地)面积占31.39%。

表2 可视域内商品林(地)地类面积统计 hm2

非林地是指林地以外的农田、水域、未利用地和建筑用地等。研究中认为生态公益林为受保护林地，林分结构较稳定。因此，本文重点对可视域内商品林(地)进行统计分析。公路可视域内商品林(地)按地类分类统计结果见表2。其中乔木林面积占72.86%，竹林面积占20.71%，疏林地、特殊灌木林和一般灌木林面积占1.43%，未成造、迹地和宜林地面积占5%。

将公路可视域内商品林(地)中乔木林按树种组成及龄组分类统计，结果见表3。公路可视域内商品林(地)乔木林中针叶林占69.94%，阔叶林占20.15%，针阔混交林占9.91%。针叶林中中龄林和幼龄林占17.89%，近熟林占26.59%，成熟林(51.48%)和过熟林(4.03%)占55.51%。

表3 可视域内乔木林树种结构及龄组面积统计 hm2

2.2 可视性分析

分位数分类作为ArcGIS众多标准分类方法之一，适用于呈线性分布的数据，其分类结果中每个类均含有相等数量的要素。为了更直观地比较4种可视性指标的优缺点，本文采用分位数分类方法将各可视性指标结果进行分类并提取最优的三分之一区域进行制图。结果见图3。

由图3可以看出“可视频率”法提取较优区域分布较离散，大部分距离公路较远，海拔较高的山顶区域被提取；“视距”法提取区域则呈带状集中分布于公路两侧。而“垂直视角”法和“频率-视距”法则离散分布于公路两侧。

为了更直观地比较各方法的优缺点，对各方法所选较优三分之一区域(图3)进行DEM、可视频率及视距进行统计制图，详见图4。

各方法所选较优区域DEM统计(图4A)显示，三级道路对应较优区域高程均值均呈现“视距”法>“频率-视距”法>“垂直视角”法>“可视频率”法。“频率-视距”法结果更接近“视距”法，“垂直视角”法次之；可视频率统计(图4B)显示，三级道路对应较优区域可视频率均值亦呈现“可视频率”法>“频率-视距”法>“垂直视角”法>“视距”法。“频率-视距”法结果更接近“可视频率”法，“垂直视角”法次之；视距统计(图4C)显示，除县道对应较优区域视距均值“垂直视角”法<“频率-视距”法外，三级道路对应较优区域视距均值均整体呈现“视距”法<“频率-视距”法<“垂直视角”法<“可视频率”法。“频率-视距”法结果更接近“视距”法，“垂直视角”法次之。

图3 各可视性指标最优可视区域分布图

图4 各方法所选较优级区域内DEM、可视频率及视距统计

各统计结果显示，各方法所选较优区域标准差整体表现为“视距”法最小，“可视频率”法最大，而“频率-视距”法和“垂直视角”法介于前二者之间。

3 结论与讨论

公路沿线景观是城市的“门面”，彰显一个城市形象。公路可视分析为公路沿线森林景观进行精准定位，降低外业调查工作量。此外，森林资源数据叠加分析，方便快捷获取公路沿线景观现状，为公路沿线景观现状调查及规划提供参考。

可视性分析方法中“视距”法和“可视频率”法分别从视距和可视频率2个方面对可视区域进行重要性评价。各方法提取较优区域可视频率统计(图4B)结果显示，“可视频率”法最优，“视距”法最差；而各方法提取较优区域视距统计(图4C)结果显示，“视距”法最优，“可视频率”法最差。“频率-视距”法和“垂直视角”法则介于前二者间，“频率-视距”法较好地融合了前2种方法的优点，能较好地将距离公路较远的目标区域以及分布于公路两侧但可视频率较低的区域过滤掉，该方法在美丽林相建设改造区域选择中具有较高的参考价值，“垂直视角”法次之。

可视区域重要性分级，为美丽林相建设规划选址决策提供参考。本文提出的可视性测度方法同样适合于各类景区点源(如观景点)、线源(如景区游览路线)可视域内的景观规划参考，也可以逆向利用以景观点为源进行分析指导观景点位或游览路线规划。林分改造是一项长期而连续性的工程，同时还要考虑山场主的改造意愿、政府政策导向、具体方案实施等多方面因素。

美丽林相建设是指通过森林抚育和林分改造等营林技术措施对低产、低效、生态及景观功能低下的森林进行改造，以获得结构稳定、色彩丰富、富于季相变化的林分，同时改造过程中要兼顾森林的生态功能、景观功能、经济效益及改造成本等[17]。美丽林相建设要以保护生态及生物多样性，培育乡土树种、珍贵树种为原则，构建林分结构稳定的美丽健康森林。

针对可视域内不同的林分结构类型分别从抚育改造及保护、造林及补植、营造针阔混交林及复层林3个方面进行探讨，并提出相应的经营改造方案，因地制宜营造多彩阔叶林、针阔混交林及复层林景观。①抚育改造及保护。公路可视域内生态公益林中低产、低效林以抚育改造为主，改造中遵循其生态保护功能和保护生物多样性原则；商品林内乔木林中天然阔叶林以保护为主，进行抚育改造适当补植彩色或珍贵树种调整树种结构，对于连片且符合条件的可以规划为生态公益林进行经营管理；一般灌木林多生于土壤贫瘠，乔木树种难以造林成功的地方，以保护为主适当补种耐贫瘠观赏乔木树种。毛竹林作为重要的商品林，对其经营及抚育管理密集，而且毛竹林由于其特有的纹理及色彩及树形具有一定的观赏特性。②造林及补植。疏林地是由于自然因素或人为活动等原因造成郁闭度较低的林地。宜林地是指规划为林地的土地，包括造林失败地、规划造林地和其它宜林地。疏林地和宜林地改造可视情况进行补植改造或皆伐更新改造；当地特殊灌木林主要是指锥栗(Castaneahenryi(Skam)Rehd.et Wils.)、茶叶(Camelliasinensis(L.)O.Kuntze.)、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)等经济林，其改造难度较大且成本较高，可通过补植观花或观叶树种提高其景观效果。③营造针阔混交林及复层林。根据针叶树喜光特性，在针叶幼龄林和中龄林采用抚育采伐并补植耐荫性阔叶树营造针阔混交林，以提高其抗病虫害能力和观赏效果；由于针叶林具有自然更新能力强的特性，对针叶成熟林和过熟林在进行采伐后更新树种应以阔叶树为主；此外，对针叶近成熟林可采用择伐方式采伐，并适当补植耐荫树种，进行大径材培育和营造复层林。此外，鼓励开展林下经济，避免对针叶林进行大面积皆伐作业，以降低对林相的破坏。公路沿线可视域内商品林(地)乔木林中针叶林占69.94%，针叶林中近熟林、成过熟林占比高达82.1%，将面临大量采伐及更新的问题。因此，要对针叶林的采伐及更新进行整体规划，尽量减少对公路沿线林相的破坏。