GIS在景观生态规划中的应用(共6页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上GIS在景观生态规划中的应用王钰GIS在景观生态规划中的应用 【摘要】在简要介绍GIS与景观生态规划的基础上，论述GIS在景观生态规划中的应用现状；详细介绍数字地形模型DEM的表示方法及应用，并通过具体案例介绍，论述其在景观生态规划中的应用。最后综述GIS在景观生态规划中的优势、存在的问题及应用前景问题。【关键词】GIS、景观生态规划、DEM、DTM随着社会的发展、城市经济水平的提高，人们已经逐渐认识到人与自然应最大限度地协调统一，用景观生态规划理念来解决城市资源、环境和发展问题成为当今社会的一个重要课题。合理的景观生态规划是建设生态城市、使城市人文景观符合生态学意义，充满自然性，富有文化内涵的前提。随着景观生态学和计算机学科的快速发展，人们对景观的自然过程及其与人类活动的关系的认识逐渐加深。遥感、地理信息系统和计算机技术在景观规划设计中的广泛应用，使得多属性、大范围的景观空间分析和规划、设计更加具有科学性和合理性。地理信息系（Geographical Information System）作为一种能科学地管理和综合地分析具有空间内涵的地理数据，能提供对规划、管理、决策和研究所需信息的综合性技术系统，是有效地解决环境规划与管理问题的先进的技术工具。因此，能否把科学有效地利用好GIS将成为景观生态规划的前提和基础。1.GIS（Geographical Information System）GIS是计算机硬件，软件及其规划组成的系统，它支持空间数据的获取、管理、分析、模拟及显示，解决复杂的规划及管理问题。如果利用GIS提供的数据的地理属性，就可以将分层、分类叠加在电子地图上，并且地图对象与数据库属性数据建立对应关系，这样通过GIS就可以轻松实现地图与数据库双向查询。因此GIS可以应用在如对投资环境的分析，这种分析需要很多理论方法，包括区位论、城市土地经济理论，城市空间经济学，城市交通经济学，模糊数学等等。仅凭某种方法是不能胜任分析。GIS是能使现代理论和方法统一在一起的唯一的信息系统。2.景观与景观生态规划 从景观生态学出发的对景观的理解更关注与景观要素的特征和形成过程，Forman 按照景观塑造过程中对人类的影响程度，划分了自然景观、经营景观和人工景观，肖笃宁认为人工景观研究重点是 a系统化的空间布局; b显著的经济性和很高的能量效率; c高度特化的功能；d景观的文化特性和视觉多样性的追求。景观生态规划( landscape ecological planning) 是指运用景观生态学原理，以区域景观生态系统整体优化为基本目标，在景观生态分析、综合和评价的基础上，建立区域景观生态系统优化利用的空间结构和模式。景观规划设计的三个层次:大尺度景观规划（landscape planning）中尺度景观设计（landscape design）小尺度景园工程（landscape engineering）不管是以建筑为基底的景观规划学科，还是以农林为基地的风景园林学科，它们都是在生态规划的大前提下进行的实践，而且最终一定会融合成为一门成熟的景观学科，所以拓展以 GIS 为技术手段的景观生态规划的技术研究范围对于加速景观学科的发展大有裨益。3.景观生态规划与GIS3.1景观生态学和GIS的内在联系景观生态学的许多数学方法和GIS存在内在联系。模拟景观格局和过程的计算机模型多采用删格数据格式，与GIS数据模型不谋而合。由于景观生态学对GIS的依赖性，GIS实际上成为景观生态学的研究方法，成为景观生态学学研究的支柱之一。如果将景观生态规划过程分解为：分析和诊断问题，未来预测，解决问题三个方面的话，那么，与传统非计算机和非GIS技术相比，GIS尤其在分析和诊断问题方面具有很大优势，主要反映在其可视化功能，数据管理和空间分析三个方面。3.2GIS在景观生态规划中的应用现状美国的景观生态学学派是当今世界研究景观空间格局最活跃、进展最快的学派，他们把景观生态学研究建立在现代科学和系统生态学基础上，分析景观空间格局，获得控制和管理景观的一整套方法，在此基础上，进行区域生态规划，编制地区自然生态目录和社会生态规划等。地形是景观生态系统空间结构的基础，目前，在景观和植被格局分析中，地形因素的作用已经引起关注。这就需要用到GIS。可以利用GIS从数字高程模型DEM中生成坡度分布图和径流分布图，建立一个基于地形的植被格局模型。我国的吕洪利博士以北京为试验田，应用GIS的空间分析功能在中观尺度上分析了北京市不同的生态环境梯度，不同干扰强度下的景观格局特征。4. 数字地形模型DEM4.1数字地面模型（DTM）与数字地形模型(DEM)数字地面模型（DTM）是描述地面特性的空间分布的有序数值阵列。在一般情况下，地面特性是高程Z，它的空间分布由X、Y水平坐标系统来描述，也可以用经度X、纬度Y来描述海拔的分布。DTM是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。它广泛应用于农、林、牧、水利、交通、军事等多个领域，具体地说，像公路、铁路、输电线的选线、水利工程的选址。土壤侵蚀、土地类型分析都需要运用DTM。 数字地形模型(DEM)是描述地表单元空间位置和地形属性分布的有序集合，它以某一地理范围内的地形数据为基础，通过一定的数学变换，将某一地理范围内的地形地物以三维空间的形式表示在一个二维的画面上，以离散分布的平面点来模拟分布的地形。DEM 是代表地形特征空间分布的一个数组，它可以用 (XYZ)坐标值的阵列来表示。最基本的 DEM 至少包含了相关区域内平面坐标(X，Y)与高程Z之间的映射关系: 即Z=F(X，Y)(X，Y)DEM 所在区域。DEM 模型的建立、管理和应用是地理信息系统的重要组成部分。4.2DEM的表示方法 DEM的表示方法很多,其中用的比较多的表示方法是规则格网和不规则三角网 (TIN)表示法。 1）规则格网表示方法是指DEM 表示成高程矩阵: DEM = Hij,I=1,2,3, m-1,m, j= 1,2,3, n-1 ,n 该方法已成为 GIS 系统中DEM最通用的形式。 2）不规则三角网TIN（Triangulated Irregular Network）表示法TIN是专为产生 DEM 数据而设计的一种采样表示系统，它是由Peuker和他的同事于1978年设计的一个系统。TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置,能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形在平坦地区的数据冗余。 TIN 表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则,把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面TIN常用来拟合连续分布现象的覆盖表面。TIN数据由结点列表、指针列表和三角列表组成。不仅包含高程信息,而且包含了连接关系, 在GIS中有广泛应用，也是 GIS 中较受欢迎的表示法。4.3DEM的应用4.3.1DEM与遥感图像的复合采用等距格网模式的 DEM 数据，类似于专题制图(TM)获得的数字图像信息数据结构,因此，DEM与遥感图像数据之间的复合,在数据格式方面是十分方便的。DEM与TM复合,一方面可以对地形起伏地区消除或减少其所造成的象元位移，减少误差，校正TM数据；另一方面，可以利用地形高程信息，作为资源环境类型划分的辅助参考(如地貌形态、植被、土地利用、土壤、生态景观格局等分类),以提高分类精度。4.3.2DEM 用于制图 DEM 在制图领域的发展潜力正改变着传统的制图理论及方法。DEM的生成可以来自于普通地形图，也可以由各种遥感影像提取。作为一个已建立的数字地形模型，又与各种图形密切相关,被广泛应用在制图学领域。利用 DEM可以自动绘制等高线，将DEM回放，按指定的间距生成等高线，即可绘制出新的等高线图；利用DEM生成三维(3D)透视立体图，是DEM特有的制图功能，用二维平面表示三维现实既方便又逼真；用DEM还可以制作各种数字专题地图以建立数字制图数据库。此外，DEM 还可以用来模拟地形,制作地形起伏影像图,或者模拟机载雷达的扫描图像。 4.3.3数字地形模型 DEM 的地形分析 地形分析是 DEM 模型的基本应用，其它应用均由此扩展。通过DEM可以得到有关区域中任一点的地形情况，计算出任一点的高程，与相邻单元合并分析可进行坡度、坡向、地表粗糙度、山脊线、山谷线和高程变化分析，可进行地貌形态分类及地形剖面图的绘制等。用利DEM这一特性，可以对地球表面作多种空间分析。此外，也可利用DEM可绘制“坡度分析图”, 地面的坡度，即高程的变化率，坡度分析图是表达和了解某一特殊地形结构的手段。利用DEM绘制“坡向分析图”, 坡向分析图将地面坡度的朝向用不同的色调表示。4.4DEM在景观生态规划中的应用4.4.1水土流失评价微观地形指标的确定与提取 根据地貌学原理, 各种地貌形态均可以分解为不同坡度、不同坡向的几何面。根据土壤侵蚀学原理，水土流失过程最初是在坡面上发生的地形的起伏是导致水土流失的最直接因素 , 在大比例尺(坡面尺度)研究中, 坡度将是最主要的指标。因此微观地形指标的确定在校园水土流失评价中具有重要意义。4.4.2地形地势分析 地形条件是景观生态规划条件分析的一个重要因素之一 , 在山地地区地形条件显得尤为重要。地形条件对规划布局、平面结构和空间布置有显著的影响。不同的地形条件对其规划布局 , 道路的走向、线形, 各种工程的建设, 以及建筑的组合布置, 校园的轮廓、形态等都有一定的影响。4.4.3坡度坡向分析地面的坡度,即高程的变化率,利用DEM可绘制“坡度分析图”, 坡度分析图是表达和了解某一特殊地形结构的手段。分析图以斜坡坡度为基准,用不同的色调表示不同的坡度,如深色调 一般代表较大的坡度,而浅色调则代表较缓的坡度。分析图的功能在于它能为某一地区不同坡度的土地利用方式提供决策征据。4.4.4可视性与视觉感量分析可视性分析可以分为两种类型,一种是通视性分析,通过该功能可以显示两点之间的通视情况,从而判断从一个观察点是否可以看到目标物,另一种是可视区分析,它可以确定从一个或多个观察点可以观察到的区域。1）通视性分析的具体操作为:添加DEM专题作为通视性分析的地形表面并激活它;从工具栏中选取通视性分析工具;在出现的通视性分析对话框中输入观察者与目标物距地面的距离即高度。数设置好后按住鼠标左键,将光标从观察点 S 移到目标点P。后释放鼠标 , 在观察点到 目标间将会出现一条视线,其中可视的部分为浅色,不可视部分为深色。同时系统会自动绘出两点之间的通视剖面图。2）可视区分析的具体操作为:添加DEM专题作为可视区分析的地形表面并激活它 ; 从工 具栏中选取可视区分析工具；在出现的可视区分析对话框中分别输入观察者与目标物距地面的距离即高度、观察者的视野角度以及可视的最短与最长距离等参数。参数设置好后按住鼠标左键,从观察点开始向外画直线代表视线正对方向,释放鼠标后,系统自动按照设置参数进行计算,最后将可视区显示出来。4.4.5三维立体直观感受分析利用GIS三维模拟技术可以很快、很方便的生成三维立体透视图,起到沙盘模型的作用,供人们从各种不同的角度观察地形的起伏变化。可以将其它信息如道路、河流、建筑物等在同一画面上显示出来,以便于规划师立体直观的分析建筑物和各环境要素与地形、河流之间是否和谐, 各建筑物之间是否和谐等。同时还可查询建筑的层数、高度、 性质等属性信息。4.5具体案例DEM在森林公园规划中应用 1） 生成立体地图 立体地图所具有的融形象直观性、科学性、艺术性和实用性为一体的特点,与平面地图相比,具有明显的优势,更能直观地反映地形、地势,为森林公园规划、设计提供更大的创意空间,更能有效地提高规划人员的工作质量和效率。同时,为满足森林公园、自然保护区经营管理的要求,提高森林公园的知名度,可结合声、像集成多媒体系统,把鲜为人知的或游人知之不多的森林公园自然景观形象详实地介绍给游客。DEM 的重要功用一是用来生成立体地图或称电子沙盘,DEM 是生成立体地图的基本数据。 2） 进行地形因子分析 利用 DEM 进行诸如坡度、坡向、山脊、 山谷等地形因子的分析,为公园规划提供了客观和科学的依据。设计人员可据此进行小区或景点详细设计,不仅可科学合理地设计道路、游览线,还能进行坡度、工程土石方的计算。 3） 提供地理基础数据 DEM 实际上就是一种电子地图,用 GIS 对地图进行管理和更新,能派生出其它类型地图,以满足公园管理的多种需求。5.GIS在景观生态规划中的优势以GIS 为代表的现代信息技术具有强大的功能，可以代替人类进行各种数据采集、分析和模拟 工作，在景观生态规划中的作用也日益突出，GIS 技术在景观生态规划中有着不可替代的优势，主要体现在以下几个方面: 1）资料收集与数据共享 在RS图像分辨率与影像质量较高的情况下，应用RS与GIS调查效率高，结果准确可靠，能方便的实现图形与数据的相互查询，做出各类专题图，部分具有自动统计分析和相应制表智能输出功能模块，大大减轻了统计制表工作量，有助于提高设计质量。2）空间分析与信息提取现代景观规划中，强调整体性原则， GIS 的叠置技术能够完成各因子与景观单元的关系在空间上进行定量描述。运用图层叠加功能，通过用地属性分解与统计，形成专题图层，根据不同专题图层进行用地开发适宜性评价。 3）景观表达与评价 用 CAD、GIS 等技术可将设计的山、水、树、路、建筑等对象置于基地场景，通过视线分析、光线变化、气 象模拟、植物生长模拟等手段分析设计不足，并进行动态调整。用 RS、GPS 准确地获取的地形、地势、植被、水体、地质等数据通过 GIS 空间分析，可评价景区植被景观质量，自动做出评价图件。内嵌于绘图环境的 DTM 功能及相应三维分析系统，在CAD内部实现了与GIS结合。4）动态监测与管理 RS与 GIS 技术用于城市绿地动态监测，其信息范围广、时相一致、准确性高及分布均匀，容易做出绿地各类信息和图件。用卫星 TM 资料及气象统计资料，结合地图矢量信息，可进行城市热场动态监测和综合分析。 6.GIS 在城市绿地景观生态规划的应用前景及问题 在景观规划工作中，GIS技术的运用，一方面取代了传统的手工作业，节省了大量的时间和精力; 另一方面，借助软件出色且功能多样的分析技术为规划提供了更具科学性、效率更高的决策依据，而且在很多城市之中，技术已经趋于成熟和完善，应用效益十分明显。但是将 GIS 全面应用到景观规划设计当中支持规划决策，就目前的研究还与国际先进水平具有很大的差距，在未来的规划中GIS还需要与传统的规划方法进行更深入的融合，将土地管理、地质水文、生态景观管理众多方面提供决策支持，进行诸如生态演替模拟，景观三维再现，土方填挖等一系列的分析研究。同时我们也必须清醒的认识到，RS 与 GIS 以及 GPS 技术只是进行数据采集和分析的工具，规划的真正主体是人，在规划中要充分发挥人的主导作用，这就要求人们在进行规划时不但要结合专业知识对所获得数据进行判断和分析，而且要将规划者的观点甚至包括美学、文化意识融人到规划方案中不能片面强调规划的生态科学性，也只有这样才能得到一个集生态、美学和文化为一体的现代风格景观。参考文献:1杨佩晔等. RS与GIS在城市绿地景观生态规划中的应用研究J.绵阳师范学院报，Nov.，2011Vol.30 No.112傅伯杰 景观生态学原理及应用M 北京: 科学出版社，2001 73俞孔坚，李迪华 景观与城市的生态设计: 概念与原理 J 中国园林，2001， 6:3 104石军南 DEM 生成及其在森林公园规划中的应用 J 中南林业调查规划，2001， 1:36 415杜军，林孝松 校园环境规划中 DEM 的建立及应用 J 重庆交通学院学报，2004， 12:119 1246车生泉 城市绿地景观结构分析与生态规划M 南京: 东南大学和出版社，2003 17陈洁，张杰 基于 GIS 缓冲区功能的城市绿地影响分析 J 海洋科学进展，2004， 10:231 235专心-专注-专业