GIS在国外环境及景观规划中的应用

GIS在国外环境及景观规划中的应用GIS即地理信息系统(GeographicInformationSystem)，经过了40年的发展，到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在环境及景观规划项目中发挥着越来越重要的作用。1背景1.1定义的定义是随着其技术的不断进步及应用领域的不断拓宽而在不断地完善的。不同领域也因研究对象及角度的不同而各有侧重，如数据库类GIS、制图出版类GIS、实时监测类GIS以及综合信息处理类GIS等。目前最为广泛接受的定义为：GIS是“一个收集、储存、分析和传播地球上关于某一地区信息的系统，该系统包括相关的硬件、软件、数据、人员、组织及相应的机构安排。”其中“收集、储存、分析和传播”是一个完整的GIS所必须具备的四大功能，即“输入、存贮、操作和分析、表达输出”[1]。1.2发展GIS技术作为一门与计算机相关的技术，在暂短的时间里产生了巨大的进步，主要有如下5个方面的原因[2、3]：(1)计算机硬件价格的不断下降；运行速度的不断提高；存储能力的不断增加以及PC机与工作站的进步。(2)软件技术的发展。操作系统图形界面的出现，使得操作界面更直接，更友好；并且开发出了适用于桌面操作系统的GIS应用程序，而价格也在走向“能够被接受”，如ArcView3.2在美国的价格不超过1200美元。(3)各国家及其各级政府机构，尤其是美国，花费了巨大的人力、物力和财力，不仅成立了相关的信息机构(PLSS、USGS、NSDC、NCGIA)，建立起了庞大的资源信息数据库，提供廉价的信息数据，而且还制定了相应的政策、标准、法令法规(SDTS)。(4)Internet对社会生活的强力渗透，使资源共享成为真正可能。(5)GIS本身提供了一个将信息综合汇总，分析处理，从而使人们更便捷地寻找解决诸如热带雨林消失、城市蔓延、人口过剩等一系列复杂问题的方法。同时，人们意识到，与地理相关的或以地理方式描述表达的信息，始终影响和限制着人们的决策行为。2GIS与环境规划理论主题图及图层的拆分重叠，不仅是GIS产生及展示技术的基础，同时也影响着美国许多环境设计大师的设计理念。因此，某种程度上可以说，GIS技术的发展与某些领域尤其是环境规划设计领域的实践是相互促进的。2.1适应性分析模型与GIS适应性分析模型是土地景观规划及场地设计中应用十分广泛的一种理论及方法。它是由美国当代最具影响力的土地及景观规划大师之一、著名景观建筑师伊安·麦克哈格(IanMcHarg)于20世纪60年代中期提出的。其核心便是对自然、政治、经济、文化等要素进行定量的分析，从而在了解当地情况、现有政策、经济现状、环境科学及在适宜的开发实践的基础上，对土地适于不同开发利用的能力做出相关评价[4]。笔者在阅读有关理论时惊奇地发现，麦克哈格在其理论中所采用的图层重叠系统分析方法——千层饼模式(Layer-cakemodel)与GIS通过空间数据建立主题图层，并利用空间分析功能得出相关结论的理念几乎完全一致：(1)搜集信息建立图层GIS可以就搜集到的有关自然、政治、经济、文化等空间数据信息，建立与项目相关的(植被、水体、地形、土壤、所属权、行政区域划分、规划分区)，以点、线、面对象构成的不同主题图层。并且还可以根据需要，合并、拆分图层及控制图层的可视与否。(2)评价主题显示结果由于GIS视图中，点、线、面对象所代表的，是与之相连的属性数据信息，因此，设计者可以根据自己的专业知识及经验，依据属性，精确地对主题图层中的主题分级、显示，并随意编辑代表这些主题的图例，赋予它们不同的形式(例如线的粗细、形式，点的大小，特殊图案标志)、色彩、图案填充、透明度等。(3)寻求结论利用空间分析功能，GIS可以很容易地将满足一定条件的空间区域连接在一起，组成新的主题图层，而所有相关属性保持不变。(4)动态修正由于在GIS中组成视图的点、线、面对象与数据之间保持着动态的连接，因此可以根据实际情况，将变动的规划大纲数据随时加以调整，对分析结果进行实时修正[5]。2.2环境廊道概念与GIS现WU-MADISON名誉退休教授、著名景观建筑师菲利普·路易斯(Philip.H.Lewis)，是美国另一位颇具影响力的土地及景观规划大师，环境廊道概念(Environmental,Educational,Ecological,Esthetic,ExerciseWay简称E-Way)的提出者。早在50年代中期，他就意识到：如果想为子孙后代保留一分自然及文化遗产，就必须尽快对一些敏感的环境构成进行确认，并建立起一套图纸及资源目录档案。只有这样，人们才能对那些区域实施必要的保护，以使其免遭未来开发的不利影响。因此，他将景观类型分类为：地区性的坡地、湿地、地上水、矿产资源、植被等。路易斯认为，这些基本的类型可以成为指导未来发展的“决定因素”。通过在一个统一的系统里将这些水体、湿地、地形坡度、植被分布等分别绘制成图，然后叠加起来，研究者可以划分出所谓“环境廊道”，然后便可以利用这条环境廊道，建立起有关指导未来发展研究的重点区域[6]。该理论中整个环境廊道由4方面变量来定义：地上水、湿地、陡坡(12.5%)及其他(森林、野生动物栖息地、联邦政府所辖的公园、公/私保护地、冲积平原、草原等)。(1)建立水体层使用GIS中缓冲区分析这一功能，在GIS数据化的线条图中建立环境廊道。即将原有数据信息构成的点、线、面，按一定距离扩展成相应的多边形，比如可以产生一个距某条河流100m的缓冲区，以控制建筑项目、保持水土、保护植被。至于缓冲区的宽度，可以根据水质、流速以及河流本身的宽度等因素来控制。(2)建立湿地层关键要使现有的数字化的湿地系统图与其他主题图层相吻合，包括投影方式、坐标系统、单位、精确度等，这是GIS项目建立的基础。(3)建立陡坡层利用正相图像产生该区域地表模型，并将这一地表模型转化成光栅文件，然后计算出坡度。GIS空间分析功能是完成此项目的关键。利用这一功能，创建栅格网络文件，并直接分析计算栅格网络中的每个格，从而确定相邻栅格的平均坡度。利用坡度图，使用质疑功能，可以建立新的栅格网络来表示具有某一坡度范围的区域(如坡度在12.5%以上的区域)。(4)建立环境廊道以上3个主题层，分别确立了用于创建环境廊道的基本对像要素图形。这样，当将3个主题图层叠加到一起时，重叠部分就构成了特征多样并且鲜明的线形环境廊道。GIS还可以自动连接相邻的其他对象要素，并填充小的间隙，以扩展廊道区域。然后我们就可以利用这个环境廊道图，规划优先保护地区。3GIS在新的环境资源规划中的应用3.1密西根半岛东端景观变迁分析景观模式的分析，已经成为资源管理者及科学家们在探讨当代大范围环境问题时所必须面对的问题。但目前有关这些生态单元的模式、组成及其他特征的定量描述还很缺乏。而定量和定性描述景观结构(模式及组成)将有助于对生态单元的认识，以及具体景观决策的框架体系的确立。GIS强大的数据处理及空间分析功能，使对于景观结构的定量分析变得更加便利、准确、科学。3.1.1背景图1依照自然地理学相似性划分的半岛东端地貌类型组合组团该项目是由美国威斯康星州立大学麦迪逊分校景观园林系珍妮特·休伯纳哥(JanetSilbernagel)教授主持完成的。其目的是在前辈学者研究成果的基础上，通过对景观结构(模式及组成)定量的信息或景观特征指数的收集和总结，补充现存的对于研究区域内地貌组合的定性的描述，并对历史与现在的各种地貌组合组团中景观分布情况加以比较。课题组以地貌组合组团为基本比较单元，来控制大范围的自然地理构成模式，并强调了对于这些单元的认识及它们在景观资源规划管理中的应用价值。课题以密西根半岛东端为研究对象。3.1.2研究方法(1)数据收集①地貌组合的建立通过运用合理的主题选择、重叠图层、临近对象要素分析及融合、亚主题的选择等GIS空间分析功能，对相关数据(地形、地理学、土壤、地方性气候、大湖及开放水系、流域、植被)进行分析，从而在半岛东端的6个生态亚区中划分出100多个地貌组合的大致分区。利用GIS相关功能，将100多个地貌组合按主要的地形特征划分成8个地貌组合组团：岩床组合组团、低地及沙质湖平原组合组团、冰川石碓基础组合组团、冰川砂石地组合组团、泥质湖平原组合组团、地表冰湖石碓组合组团、过渡混合组合组团、内陆湖组合组团(图1)。而该项研究只对其中内部相对稳定的，并且也是反复出现的岩床组合组团、低地及沙质湖平原组合组团、冰川石碓基础组合组团、冰川砂石地组合组团进行分析。②搜集有关现有立地状况及历史立地状况现有立地状况数据来自分辨率为60-m的卫星图片；而历史立地状况数据则来自土地总局的测绘结果。(2)数据分析为了更好地了解景观模式及组成，该项目对那些最能表达各地貌组合组团中或之间景观结构的景观指标作了分析，其中包括景观单元景观指标：斑块数(N)；平均斑块大小(MPS)；斑块大小变化系数(PSCV)；最大斑块指数(LPI)；斑块密度(PD)；多样性指数(SHDI)。分级单元景观指标：分级面积(CA)；斑块数(N)；平均斑块大小(MPS)；景观相似度指数(LSIM)；最大斑块指数(LPI)；斑块密度(PD)；斑块大小变化系数(PSCV)；平均形状指数(MSI)。然后就目前及历史上立地状况分别计算出：①各地貌组合组团中的景观单元指标值：LPI(图2A/B)，PD，SHDI；②各地貌组合组团中地表覆盖类型的LSIM值；③依据地表覆盖类型与地貌组合组团的函数关系计算出的PD值；④依据地表覆盖类型与地貌组合组团的函数关系计算出的MSI值。最终得出相关结论。3.2GIS在用地区域划分审核评估中的应用GIS在用地规划方面的应用，主要集中于建立数据库、扩展数学模型、进行空间分析、回答诸如“如果——那么”之类的问题等。而以GIS为基础的用地规划审核评估过程，不仅使这一流程更综合、更系统，而且也使得某些人为参与过程更经济、更高效。3.2.1背景由于经济的发展及休闲娱乐的需要，位于我国台北地区的YMS国家公园，也像世界上其他国家公园一样，面临着自然资源保护和土地开发之间的尖锐矛盾。整个YMS国家公园分为生态保护区、特殊景观区、休闲娱乐区和开发区4个区域。开发区又分成适合不同程度建设和活动的4个级别。其审核评估标准包括：地理学上不稳定的；坡度大于30°的；水体质量或容量需要保护的地区为4级开发区。现存定居群；主要或2级或普通道路可达到地区为3级开发区。图2A4种地貌类型组合上，三项地被状况的景观系数(过去)图2B4种地貌类型组合上，三项地被状况的景观系数(现在)但由于从前规划者只有一个1∶5000的地形图，而其他许多用于审核评估的数据也十分缺乏；尽管有等高线图纸，但也无法在有限的时间内人工计算出整个公园的坡度；并且有关“可进入地区”、“定居区”的概念也十分模糊、主观。因此造成了旧有的分区标准与土地所有者之间分歧越来越大，致使规划部门不得不对原有规划做新的审核评估。所幸的是，目前许多相关数字化信息都已建立，因此得以利用GIS(ARC/INFO)在现有的规划分区图中确定“可进入地区”、“定居区”及“植被敏感地区”。3.2.2研究方法①可进入地区根据管理者的经验，通常距道路300m之内为可进入距离，据此划出距道路300m的缓冲区作为假定“可进入地区”，并运用空间分析功能将之与3级开发区图重叠。从而发现现分区图中28%的3级开发区不在假定的可进入地区中。因此需要对上述地区进行实地调查，以确定它们在现有分区图上是否被错误地分为3级；是否缺失了一些信息(如未被标注的道路)。②定居区首先确定建筑的中心，然后使用GIS中不规则三角形网络(TIN)分析每一个现有的定居区，结果发现大多数定居区内的建筑距离约为35m。这就可以从GIS角度明确构成定居区的必要条件即建筑之间距离在35m之内。从而确定了定居区的概念。当然建筑数量越多，越应该被视为定居区。但这一决策过程往往是协调政策与土地拥有者之间关系的过程。因此最终的定居区分布图是以35m