城市生态保护的GIS分析方法

1.概念综述

1）概念

地理信息系统（GIS）分析最早由麦克哈格在《设计结合自然》中提出，主要运用地图叠加技术，将地下水层、土地利用、气候、植物、野生动物等要素的单独分析综合成整个景观规划的依据。GIS的空间分析功能可以为景观规划师提供基于自然资源保护和用地适宜性评价的景观分析方法，增加了规划的科学性和合理性。

2）适用范围

GIS因技术受限，其所采集数据的精度不高，因此，较适用于大范围的、数据资源种类较多，数据存在变更的大型的景观规划和单凭人的主观设计难以保证其科学性和合理性的工程项目。如刘滨谊用GIS技术完成了杭州“西湖西进”可行性研究；徐建刚，王全等运用GIS对南京莫愁湖公园景观环境进行了分析与规划。

3）工作步骤

GIS技术分析主要包括三个步骤：第一阶段为基础数据的收集和数据库建立，不同尺度的场地所要求收集的资料及侧重点不同（表10-6）；第二阶段为分析评价，主要依据GIS原理及其技术支持；第三阶段则为模拟预测，主要借助于计算机、多媒体、模型窥镜等技术。

2.面向生态保护的GIS分析

1）基础资料收集

GIS技术的分析建立在对地形、水文、土壤、生物多样性以及社会经济信息等资料的调查基础上，一般是通过各政府部门收集，加上实际调查定点，获得数据资料。但不同尺度的空间、不同研究对象所需要重点收集的资料以及对资料的精度要求不同。从空间尺度来讲，细部和空间尺度对精度要求相对较高，因此其资料需求也要求高，表现在地形数据需求为场地测量1：500等高线，对水文数据的需求为现有水体和季节性径流；对土壤数据的需求为现场土壤样品；对生物多样性的需求为生物数量；尺度不同，对规划资料的需求也不同，GIS在其中的应用也不同（表10-6、表10-7）。从研究对象的因子选择来讲，综合对用地的影响，资源、道路、土壤等因素的影响较大，而小气候、风向等的影响则较小。因此，在选择因子时，要对能够准确或比较准确描述对土地利用方式影响较大的因子进行充分调研。

2）空间数据库建立

（1）图形的输入

根据基地资源的调研，将各个环境因子的位置、形状等图形特征输入到AUTOCAD 中，然后将卫星航拍图叠加在AUTOCAD 地形图之下进行信息的修改与补充，并将绘制后的AUTOCAD 地形图以.dxf为后缀进行保存并调入ArcView 软件中，再存储为Shape文件类型，从而对地理要素的几何关系及要素属性的数据进行GIS管理。

表10-6　适用于不同尺度要求的常见资料实例

表10-7　适用于不同尺度要求的主要GIS应用

续表

（2）对象属性

①名称、面积。在shape文件中对应的表格会在图形绘制结束后自动产生一些属性，如Shape主题下一系列多边形图形属性Polygon，Area主题下对应的面积大小。同时，可以通过对表格的编辑来增添新的内容，不同的因子需要被分为不同的主题，如水、道路、植被等，每个主题对应的表格属性中包含不同的对象内容。

②特性、权值。不同的要素因子对应的特性不同，在Shape文件中对应的表格中，通过添加特性内容来实现对因子的描述。如对保护区的重要程度进行描述包括观赏性的强弱、历史价值的重要程度；水文资源的描述包括清澈程度、生物生长状况、规模大小等。而具体到每个具体因子的情况的评价，即现有场地中因子条件的优劣程度相对应的数值则为权值，根据需要不同，现场因子的条件越好或者影响越大，权值也就越高。权值选取的不同，直接影响到最终的分析结果。由于评价目标与参评因素之间的相互关系十分复杂，理论上难以用严密的数学逻辑关系表达，因此，规划中一般采用专家辅助决策法将非定量的信息定量化表达，以保证评价结论的可靠。

对城市空间的认识，抽象的结构体现是多样的。其中，地形图是最主要的一种形式，目前也是建立城市空间地形数据库的最主要的依据和数据来源。一般选用矢量地形图为基础，应用AutoCAD 建立数字高程数据空间模型（DEM）和其他现状建筑、河流水体、植被状况、道路交通等专项矢量数据模型，即用点、线、面三种主要的图形元素来抽象表示地理对象。然后用Arc-View 的软件CAD Reader模块将矢量数据导入，形成Arc-View GIS空间数据库。

3）资源量化

（1）基于权值上的因子分析

根据对各个环境因子对应表格属性的权重值大小不同，可以在ArcView 软件中根据需要的不同以渐变色或不同色系输出颜色不一的图纸，通过对资源的量化使得图纸的输出成果更具科学性和合理性。同时，如果场地的资源有所调整，如堆土造山、挖土成湖等，则可以通过表格属性的修改进行及时调整，从而更新图纸内容，使分析成果更具时效性。

（2）山地资源量化

①高程图。高程图的生成一般是先在AUTOCAD 中将地形图中的每一根等高线赋以不同的高度数值，然后在ArcView 中生成山体模型，这种模型称为不规则三角网（TIN）模型，在TIN 的基础上生成DEM，并在此基础上进行各项分析。

高程图是DEM 的一项基本属性，即显示出山体的高度，并可以通过图例编辑器的编辑来产生颜色深浅不一的效果。图纸上不同的颜色对应不同的高度，在对象属性中对高度进行修改，则高程图的颜色也会有相应变化。

②坡度。在ArcView 中的DEM 的模型基础上，可以显示并提取不同的坡度范围。地面上某点的坡度表示地表面在该点的倾斜程度，有坡度和坡度百分比两种计算方式。坡度为水平面与地形面之间夹角的正切值，坡度百分比为高程量与水平增量之比的百分数。

分析坡度，一般可根据坡度起伏变化，确定崩塌、泥石流区域或严重的土壤侵蚀区，进而作为确定非建设用地范围的依据；提取平坦区域，作为建设用地选址的依据；基于坡度的土地利用、活动类型的适宜性分级见表10-8。

表10-8　基于坡度的适宜性分级(www.xing528.com)

资料来源：袁飞，赵鹏祥，杨延征.三维GIS技术在城市景观规划设计中的应用［J］.北方园艺.2012（14）：92-95。

③坡向。坡向是山地资源量化的另一个重要指标，分为东、西、南、北、东南、西北、东北、西南八向。建筑朝向以南向和东南向为佳，景观绿化中，不同的植物对光的要求不同，喜阳植物宜种在向阳地带如南、东南坡向，喜阴植物宜种在背阴地带如北、西北坡。

坡向可在数字高程模型DEM 或TIN 数据的基础上提取。

④山体阴影。分析或模拟地面的光照情况，产生山体表面的阴影图。山体阴影（Hillshade）可测定研究区域中给定位置的太阳光强度和光照时间，并且对实际地面进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感。Hillshade采用DEM 或TIN 数据计算得出。

另外，GIS应用费用距离costdistance建立的阻力面还可进行动态模拟分析，包括对地表径流的分析、流域分析、洪水过程分析、视觉过程分析（可视度、视域分析）、可达性分析等资源量化研究。

4）景观规划适宜性分析

（1）用地适宜性分析

目前，GIS技术在用地适宜性评价中得到普及和应用。其工作原理是：确定水文、植被、道路、土壤等适宜性评价因子，在ArcView 中根据各个因子重要程度确定其权重，然后对各个单因素作适宜性评价，统一划分级别，并转换成栅格数据；之后，进行栅格加权叠加运算，最后对综合后的栅格数据重新分类定级，一般分为最适宜建设区域、较适宜建设区域、基本适宜建设区域、不适宜建设区域和不可建设区域，得出用地适宜性综合评价图。

这种基于因子量化基础上的Arcview 分析使成果分析更具科学性和合理性，而且可以针对不同的景观规划目标来改变评价方式，从而得到满足不同需要的适宜性分析结果。根据用地适宜性因子分析，结合景观规划区域的整体情况及规划目的，为确定土地开发适宜方向、环境保护与建设的适宜方向、土地利用配置选择、土地开发顺序、功能布局、结构形态以及环境功能区划等提供科学依据。

（2）环境廊道分析

环境廊道概念是由著名景观规划师菲利普·刘易斯（Philip.H.Lewis）提出，他认为，可持续发展的城市必须对对环境敏感的区域实施保护，并建立一套图纸及资源目录档案，以使其免遭未来开发的影响。他将景观类型划分为地区性坡地、湿地、地上水、矿产资源、植被等。将这些景观绘制成图，叠加得到环境廊道，建立起有关指导未来发展研究的重点区域。

整个环境廊道由4方面变量定义：地表水、湿地、陡坡（12.5%）及其他（森林、野生动物栖息地）。

①建立水体层 使用GIS缓冲区分析功能，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点、线、面，按一定距离扩展成相应的多边形。比如建立距某条河流100m的缓冲区，以控制建筑项目、保持水土、保护植被。

②建立湿地层 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、精度等。

③建立陡坡层 利用正相图像产生该区域地表模型，并将地表模型转化成光栅文件，然后计算出坡度。利用GIS的空间分析功能创建栅格网络文件，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，建立新的栅格网络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 将三个主题层叠加，重叠部分构成了特征多样且鲜明的线形环境廊道。

（3）植被优化分析

高质量植被最明显的特征是物种丰富、结构合理、功能协调，能够充分发挥各项生态服务功能，同时还反映地域特色、强调美学效果。地带性植被是经过长期进化和自然选择保留下来的，适应本区域环境条件，并具有最大的生态功能和环境效益的植物群落，因此，植被优化的原则应以形成地带性植物群落为主的植被类型，并遵守三向地带性规律，即纬向、经向和垂直向的分布规律。确定一个地区的植被性质时，既要以植被区划为依据，还要注意到植物种类，尤其是优势种类的组成，以及小区域生境条件的变化等，这些信息主要靠野外调查经验的积累。

GIS可以对不同的植被种类进行分类编辑，以不同的颜色显示出来。首先可以比较清晰地看到基地中植被的分布状况；其次可以通过不同地形条件下各种植被的统计分析来确定最能反映这个区域地域和气候特色的地带性植被类型和植被群落特征，为用地植被优化提供科学依据。

（4）交通选线分析

GIS为选线提供了三维可视化的选线环境、多种空间数据结构（矢量、栅格、TIN）及其转换功能、准确的空间与属性数据（地形、地质、水文、城市、已有道路管线等）和数据操作方法，并在此基础上集成越来越丰富的选线应用模型，提供了最适宜的道路选线方案。基于GIS的道路选线适宜性方法形式多样，功能不一，从基本空间分析方法的角度可将它们分为互为补充的三类：

①基于数字高程模型的线路设计方法：该类方法出现在基于GIS进行道路选线发展的初期。地形因素始终是道路选线中需要优先考虑的因素，在GIS中利用数字高程模型进行线路设计，是传统人工地形选线在GIS选线中的延伸。GIS提供的数字高程模型TIN 是工程设计中较为理想的数字高程模型。基于数字高程模型的选线，有多种工作模式，可以先人工定线（初始线路平面设计），再利用集成的线路计算程序模块、数字高程模型数据和相关的技术指标与参数等进行线路纵横断面设计与优化以及土石方计算与调配等，也可以直接进行自动的控制点加密、放坡、计算样条曲线等平面设计。单纯的基于GIS数字高程模型的选线模型，并没有完全考虑地质、水文、交通需求、环境影响等因素，没有很好利用和发挥地理信息系统的优势，设计的线路也往往不能满足实际的选线工作，需要与其他模型与方法结合使用。

②基于叠置分析的线路优选方法：该类方法主要用来对已经拟订的多条初选线路方案进行综合评价与优选，其基本思路是根据设计道路的类型、技术等级和具体要求，将线路设计方案综合优选的评价指标体系层次化；在GIS中，按照公路等级对初选线路做一定距离的缓冲区，在多层地理数据的支持下，将线路缓冲区与其他要素图层做叠置分析，提取并计算指标信息，再利用一定的数学方法获取各方案的理论评价值，为优选决策提供依据。线路优选是复杂的多目标决策问题，运用恰当有效的现代数学方法使问题的解决成为可能，同时要求GIS系统中采集和输入完整的分层数据，具备灵活强大的数据编辑和空间分析功能，并具有良好的二次开发接口。

③基于空间分析与模拟的综合选线方法：道路选线由最初的地形选线到后来的地形与地质选线相结合再发展为综合考虑地形、地质、生态及已有道路管线网络等因素的多目标空间决策过程，体现了重视道路本身乃至交通运输、区域社会经济可持续发展的核心思想。基于空间分析与模拟的综合选线方法是指充分利用GIS的空间分析、空间模拟、空间决策支持功能与技术，将道路选线各环节步骤在完备的空间数据和空间可视化基础上归于一体，试图实现GIS选线自动化和集成化的一类方法。

（5）景观视线视域分析

视域是从一个观察点或多个观察点可视的地面范围。景观的视域视线对于规划设计十分重要，不同的视觉范围会带来不同的景观感受。对于视线开敞的设计，通透的视觉给人心旷神怡的平和感觉，有益于舒缓心情；而对于有适当障碍遮挡的设计，“犹抱琵琶半遮面”的感觉能激起游客探索景区的好奇，增加游玩的乐趣。只有将两者运用得当才能满足规划的需求。

GIS中对视线视域的分析一般通过三维拓展模块（3D Analysis）完成，将生成不规则三角网（TIN）的模型与该功能结合，他从不同视点观察表面，从某一观察点查看到另一个点的可见情况，还可将栅格和矢量数据贴在表面以创建一幅真实的透视图。

3.现存问题及应用展望

GIS虽有强大的数据管理、空间分析和建模功能，但在逻辑判断和推理方面尚存在缺陷，且缺乏对水平生态过程的分析。现阶段只能作为人工规划设计的一种辅助手段，并不能起主导作用，在进行景观规划设计中需要辅助一些3D 建模等其他软件。同时，在数据采集、更新方面也存在较大的障碍，数据收集、输入任务重，成本高，数据共享困难。因此，发挥GIS在景观规划设计中的分析能力的同时还应进一步探讨其与其他分析方法和软件的结合。

三维GIS是近年来GIS发展的新方向。与二维GIS相比，三维GIS以立体造型技术给用户展现了三维空间的地理现象，它不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能描述它们间的空间关系，形象客观描述世界。以三维GIS辅助景观规划，不仅可以准确预测、模拟出景观项目建设对拟建区域（地段）各景观要素的改变和影响，而且具有研究数据准确、数据模型丰富科学、图像化的表达直观可视的特点。尤其是与虚拟现实技术的结合，将成为GIS在不同尺度景观规划中的应用新方向。