基于空間疊加分析的寒區(qū)高速公路景觀生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)

基于空間疊加分析的寒區(qū)高速公路景觀生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)

近年來，隨著道路交通的發(fā)展，我國公共交通的快速發(fā)展，公路景觀的評(píng)價(jià)越來越受到重視。隨著先進(jìn)的3S技術(shù)——即遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)應(yīng)用的不斷成熟,為公路工程、地層環(huán)境災(zāi)害防治與科學(xué)預(yù)測(cè)提供了新一代觀測(cè)手段。但是國內(nèi)很少有利用3S技術(shù)為輔助手段對(duì)高等級(jí)公路景觀評(píng)價(jià)的研究,或處于探索階段,而且主要側(cè)重于定性分析評(píng)價(jià)公路建設(shè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,很少有利用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)體系進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià),特別是對(duì)高寒區(qū)等級(jí)公路的景觀評(píng)價(jià),幾乎沒有涉及。筆者在已有理論基礎(chǔ)與實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上,運(yùn)用3S技術(shù)和層次分析法,借助于ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能,結(jié)合評(píng)價(jià)模型,對(duì)寒區(qū)等級(jí)公路建設(shè)景觀生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià),探索減少寒區(qū)公路施工期對(duì)周圍環(huán)境破壞的措施,為寒區(qū)高等級(jí)公路生態(tài)恢復(fù)與景觀建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。1研究區(qū)地理位置研究區(qū)位于黑龍江省東部山區(qū),地理坐標(biāo)為128°50′～129°35′E,44°57′～44°60′N,總長度22km,兩側(cè)范圍各為500m,總面積22km2,該研究區(qū)屬于典型的寒區(qū)。研究區(qū)段位于綏滿公路(301國道)黑龍江省境內(nèi)的海林至亞布力(K215至K237)之間(圖1)。該路段地形起伏較大,包括山嶺重丘、平原微丘地形,高填、深挖、高架橋、動(dòng)物通道、隧道等構(gòu)造物;該區(qū)域年均溫3℃,年降雨量500mm,森林動(dòng)、植物資源豐富,具有較強(qiáng)的代表性。因此,確定該區(qū)域?yàn)轫?xiàng)目研究的試驗(yàn)路段(以下簡(jiǎn)稱:試驗(yàn)段)。綏滿公路為一條東西向國道,東起綏芬河,西至滿洲里,是國家公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的主干線,該路是我國對(duì)俄羅斯及東歐、日本開展貿(mào)易的重要通道。2學(xué)習(xí)方法2.1遙感正射校正借助ERDASIMAGINE9.0遙感圖像處理軟件,根據(jù)遙感軟件提供的SPOT5遙感圖像的物理模型(圖2),以1∶10000的地形圖作為地理數(shù)據(jù)參照,并結(jié)合研究區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)(圖3),保證在總體誤差的范圍內(nèi)完成對(duì)研究區(qū)域遙感數(shù)據(jù)(SPOT5)的正射校正,在此基礎(chǔ)上,對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、調(diào)色、鑲嵌等處理。根據(jù)研究需要,在ArcGIS9.0的支持下,對(duì)道路兩側(cè)進(jìn)行500m緩沖區(qū)分析,在此基礎(chǔ)上,對(duì)遙感圖像進(jìn)行裁剪(圖4),進(jìn)而獲取研究區(qū)域的數(shù)據(jù)(圖5)。2.2寒區(qū)動(dòng)物界景觀評(píng)價(jià)的三層次評(píng)價(jià)框架的構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,即評(píng)價(jià)指標(biāo)的全體,它是對(duì)照和衡量各評(píng)價(jià)對(duì)象質(zhì)量的標(biāo)尺,評(píng)價(jià)指標(biāo)體系必須科學(xué)客觀地反映各種因素和信息。根據(jù)研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)、選用評(píng)價(jià)方法的需要以及所獲的數(shù)據(jù)特征,按照綜合性、代表性、實(shí)用性、主導(dǎo)因素和可操作性等相結(jié)合的指標(biāo)選擇原則。寒區(qū)高等級(jí)公路景觀評(píng)價(jià)是一個(gè)多因子高度綜合的評(píng)價(jià)體系,在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中,具體指標(biāo)選擇上因不同項(xiàng)目景觀評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)不同而有所差異。在此次評(píng)價(jià)過程中,根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域的特點(diǎn)和評(píng)價(jià)總體目標(biāo)要求,構(gòu)建了一個(gè)三層次的評(píng)價(jià)體系。第一層次為景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的最終目標(biāo)——總體景觀質(zhì)量,然后分解為能體現(xiàn)該項(xiàng)指標(biāo)的亞指標(biāo),按此原則再次進(jìn)行分解,直至底層的單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),最終構(gòu)建了一個(gè)三層次的公路景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的框架。根據(jù)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》具體內(nèi)容,將構(gòu)成景觀質(zhì)量的一級(jí)指標(biāo)分為3方面內(nèi)容:公路自身景觀、公路兩側(cè)本底景觀、公路兩側(cè)人文景觀。二級(jí)植被根據(jù)本項(xiàng)目即寒區(qū)高等級(jí)公路典型特征而最終確定。二級(jí)指標(biāo)主要是根據(jù)上述因子并參照景觀評(píng)價(jià)原則來進(jìn)行篩選,最后選擇若干因子所組成。三級(jí)指標(biāo)是在二級(jí)指標(biāo)下選擇若干因子組成整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖6～圖9)。2.3評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的確定在明確公路景觀評(píng)價(jià)目標(biāo)的前提下,根據(jù)層次分析法所提供的評(píng)價(jià)體系,在參考文獻(xiàn)資料和借助外業(yè)調(diào)查的技術(shù)上,在ERDASIMAGE9.0的支持下,對(duì)遙感圖像進(jìn)行監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯,在此基礎(chǔ)上,借助于ArcGIS9.0完成對(duì)各個(gè)指標(biāo)信息的提取,最終完成公路景觀質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)。2.4評(píng)分和指標(biāo)體系的權(quán)重(1)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)分級(jí)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要參照國家制定和頒布的有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)參照寒區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用等差值分級(jí)賦值(表1),并運(yùn)用專家定權(quán)方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值(P的大小表示各個(gè)因子相對(duì)重要性的大小)。(2)各因子權(quán)重的確定由于各個(gè)指標(biāo)對(duì)生態(tài)安全的作用不同,因此,需要對(duì)各影響因子進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。研究中按公式(1)并通過專家調(diào)查的方法來確定各因子的權(quán)重。wi=∑i=1xi/m(1)wi=∑i=1xi/m(1)式中:wi為影響寒區(qū)高等級(jí)公路景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的權(quán)重,xi為影響因子i對(duì)景觀生態(tài)環(huán)境影響的相對(duì)重要性,m為參加填表的專家和決策管理的人數(shù)。(3)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重在ArcGIS9.0軟件空間分析模塊(SpatialAnalyst)的支持下,以其強(qiáng)大的空間分析功能為依托,將各個(gè)矢量專題數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格格式(grid)。按因子之間的相互關(guān)聯(lián)性、組合模式,首先根據(jù)各因子的分級(jí)賦值計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的景觀生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù),然后乘以各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,將各指標(biāo)的權(quán)重與其對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,將多個(gè)評(píng)價(jià)因子加權(quán)相加后得到研究區(qū)域等級(jí)公路生態(tài)安全狀況綜合指數(shù)。用E來表示最終得到的評(píng)價(jià)結(jié)果,其計(jì)算公式為:E=∑i=1np(xi)wi(2)E=∑i=1np(xi)wi(2)式中:E為評(píng)價(jià)區(qū)域景觀生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù);p(xi)為各指標(biāo)的景觀生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù);wi為各指標(biāo)的權(quán)重;n為指標(biāo)總項(xiàng)目數(shù),如圖10。2.5自然分布函數(shù)法利用ArcGIS的空間疊加分析功能,參照景觀生態(tài)評(píng)價(jià)模型,計(jì)算出寒區(qū)高等級(jí)公路景觀生態(tài)指數(shù),在最大和最小值之間,采用自然分布函數(shù)法區(qū)劃為不同的景觀生態(tài)區(qū)域。該結(jié)果不僅體現(xiàn)不同等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的分級(jí)空間分布特征,而且還能夠反映環(huán)境狀況的區(qū)域性差異。劃分的5個(gè)等級(jí)為:好(Ⅰ類)、較好(Ⅱ類)、中等(Ⅲ類)、較差(Ⅳ類)和差(Ⅴ類),具體標(biāo)準(zhǔn)見表2。3類區(qū)域在土壤中的分布從圖11和表3可以看出,Ⅱ類區(qū)域面積占到49.853%,所占的比例最大,在整個(gè)研究區(qū)域中占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),分布區(qū)域相對(duì)集中,該區(qū)域森林覆蓋較大,人為破壞較小;其次是Ⅴ類區(qū)域,其分布面積也較大,占21.597%,主要分布在22km試驗(yàn)段兩側(cè),Ⅴ類區(qū)域中主要以城鎮(zhèn)和農(nóng)田為主,其它的區(qū)域多為因修路挖土方形成的裸露地段,土地破壞嚴(yán)重,生境質(zhì)量差;再次是Ⅲ類區(qū)域和Ⅳ類區(qū)域,分布較小,面積分別為14.267%和7.555%,此類區(qū)域分布相對(duì)分散,在某個(gè)局部區(qū)域呈現(xiàn)一定的集中分布,該區(qū)域多為森林分布稀少的灌木地帶和部分農(nóng)田地帶;面積分布最小的為Ⅰ類區(qū)域,僅為6.728%,分布相對(duì)比較分散,該區(qū)域的森林覆蓋度較大,人為干擾較少,生境質(zhì)量好?？傮w而言,研究區(qū)域的景觀生態(tài)質(zhì)量屬于相對(duì)較好的水平。4生態(tài)循環(huán)的復(fù)措施高等級(jí)公路建設(shè)影響研究區(qū)域的土地利用格局和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,主要表現(xiàn)在導(dǎo)致部分區(qū)域的水土流失加劇、加速土壤侵蝕、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化,結(jié)果造成景觀生態(tài)恢復(fù)難度加大。景觀生態(tài)恢復(fù)措施如下:(1)生態(tài)環(huán)境的治理首要任務(wù)是統(tǒng)計(jì)調(diào)查坡度在25°以上的坡耕地,逐步退耕還林還草,恢復(fù)原來景觀生態(tài)環(huán)境。(2)進(jìn)行封山育林,減少外來的人為干擾,逐步恢復(fù)原始的景觀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)其自身恢復(fù)能力。(3)按照因地制宜的原則,逐步治理改造和加強(qiáng)管理,采用喬灌草相結(jié)合的合理種植結(jié)構(gòu),并做到宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草,喬灌草結(jié)合,建立以水源涵養(yǎng)為主的多功能、多效益的防護(hù)體系。(4)盡量減少公路臨時(shí)用地。施工期的臨時(shí)用地盡量選擇在公路征地范圍內(nèi),施工破壞而裸露的土地均應(yīng)在施工結(jié)束后立即整治并恢復(fù)植被。5公路沿線生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)合高速公路路域生態(tài)環(huán)境信息資源,利用層次分析法和GIS技術(shù)分析相結(jié)合對(duì)寒區(qū)高等級(jí)公路景觀進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,