地理信息系统缓冲分析技术在城市生态景观建设中的应用

地理信息系统缓冲分析技术在城市生态景观建设中的应用

在特定的空间环境中，生态环境问题的发生是自然和人为条件下各生态因素综合作用的结果。因此，可以想象用信息系统的相关技术来分析和评价生态环境问题的影响。现在，在整个环境中，信息系统的应用得到了蓬勃发展。空间数据的开发、属性数据的逐步完善、空间数据与属性数据的链接，以及环境评估、管理和规划的便利性。随着生态环境问题的出现、科学技术的进步和人们生态环保意识的提高，越来越多的人开始关注生态环境，减少对自然生态环境的干扰。然而，人类对生态环境的主观改造，以及人类生产活动的影响和影响总是模棱两可、模棱两可的。它的影响区域通常是一个趋势。如何有效、直观地确定趋势，即影响范围的大小是评价环境环境的主要问题。缓冲区分析法是缓冲区分析法的重要工具。到目前为止，缓冲区分析技术仅用于数据的空间搜索，其功能没有得到充分体现。在本文中，我们讨论了缓冲区分析技术在生态环境评估领域的应用。结果表明，该技术在生态环境评估中发挥着非常重要的作用。1缓冲区分析的功能缓冲区实质上是一个图斑类型的拓扑数据,是由离开某一地理目标一定距离的多边形构成的面对象.地理目标可以是点状地物、线状地物或面状地物;距离是指缓冲区的宽度或半径,可以人为设定或系统默认.一般以点元存在的地理空间目标的缓冲区是一个圆,以线元存在的地理空间目标的缓冲区是呈条带状的面,以面元存在的地理空间目标的缓冲区是一个与该面相似的一个更大的面.将生成的缓冲区叠置到已有的地理空间数据上,通过对缓冲区内有关各项属性、空间数据进行统计,以便获得所需要的评价数据,使其具有缓冲区分析的功能.缓冲区分析是适时模拟的,客观、具体的,操作性很强的数字化模型.因此,在分析之前,需要适时更新并完成基础地理空间数据和属性数据的准备工作.从根本上讲,缓冲区分析就是解决一个临近度的问题,比如公共设施(商场、邮局、银行、医院、车站、学校)的服务范围;危险物资的辐射影响范围;被污染的敏感区范围;大型水库建设引起的搬迁区域;公路、铁路、河流航道对其所穿过区域经济发展的影响力度等.缓冲区分析的方法多样,用户通常可根据自身的需要,通过进一步开发系统提供的源程序相关函数来获得自己所需要的分析方法.1.1硬件设备协同工作硬件需要计算机、数据输入与输出设备、数据储存设备.这些能够满足图形数据的编辑与显示;可以与各种硬件设备协同工作;能兼容操作系统、数据库软件或其他应用软件.软件需要具有实现缓冲区分析的良好功能,所以必须选择具有较强空间分析功能的地理信息系统(GIS)软件,以便为用户提供进一步开发的相关函数,建立完善的数据库(包括地理空间数据和属性数据),并尽可能提前充实、完善分析所需要的相关数据.1.2对象集合oi从数学的角度看,缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合,并确定它们的邻域,邻域的大小由邻域半径R确定.因此定义对象Oi的缓冲区为:Bi={X:d(X,Oi)≤R},即对象Oi的缓冲区为距Oi小于R的全部点的集合.式中X表示全部点的集合;d表示点距Oi的距离;对象集合O={Oi,i=1,2,...,n};半径为R的缓冲区是各个对象缓冲区的并集B=B1∪B2∪…∪Bn.在绘制缓冲区时,系统往往要面临呈折线状存在的线状地物的缓冲区计算问题(图1).当凸侧角角度越来越小时,缓冲区的顶点将远离目标地物而不能保证双侧缓冲区的等宽性,此时需要对转角处进行校正.首先在目标地物的转折点处判断该点的凹凸性,在凸侧用圆弧弥合,在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点,这样外角以圆弧连接,内角直接连接,线段端点以半圆封闭.该方法最大限度地保证了平行曲线的等宽性(图1b).另外对于形状比较复杂或由多个对象集合的缓冲区计算,需要注意处理边线自相交的情况.自相交多边形分为岛屿多边形和重叠多边形(图1c).当存在岛屿和重叠自相交多边形时,最终计算的边线被分为外部边线和若干岛屿.对于缓冲区的边线绘制,只要把外围边线和岛屿轮廓绘出即可(图1d).2数据库的建立在实际应用中,笔者选用国外MapInfor地理信息系统软件,在分析已有地图数据的基础上,将通过收集获得的各指标量化值充实到属性数据库中,用Foxpro3.0加以管理,并且即时更新数据,以备随时调用.为实现空间数据与属性数据的互访,利用缓冲区分析技术对一定范围内的属性数据加以统计、分析,其结果以便于类比的表格形式出现.2.1天津市卫津河及岸线生态项目的生态效应评估生态景观建设实际上是优化城市景观格局、扩大绿地,以减轻城市热岛效应、水环境恶化、大气污染等的影响.生态景观是包括地理格局、水文过程、生物活力、人类影响和美学意义上的和谐程度在内的复合生态多维景观.生态景观规划是一种整体论的学习和设计过程,旨在达到物理形态、生态功能和美学效果上的创新,遵循整合性、和谐性、流通性、活力、自净能力、安全性、多样性和可持续性等科学原理.生态景观建设则是对规划的实施,是人类对生态环境的主观改造,通常会产生积极的影响.为了改善天津市的城市生态环境,天津市政府结合城市改造、道路拓宽和景观河道的治理,花巨资完成了一大批绿化配套工程,使市民切身感受到了河道沿岸空气的清新、城市品位的提升、河道沿岸房产的增值、城市热岛效应的缓解.为了明确绿化工程所带来的生态效益,定量分析生态景观对周边环境的经济、社会、生态影响至关重要,笔者结合地理信息系统、生态学、生态经济学等知识对天津市卫津河及沿岸生态建设项目的生态效应进行了评估.2.1.1生态效应评价天津卫津河是一个以线元形式存在的地物,其缓冲区为具有一定宽度的条带状的面.在地理底图上,按距离卫津河道沿岸生态景观的远近对评价区域绘制多重缓冲区,生成几个不同半径的条带状区域,比较各区域的各项评价因子的综合变化情况,得出卫津河沿岸绿化工程的准确影响范围亦即缓冲区的半径.通过对影响范围内受影响指标的分析,进行生态环境影响评价.生态景观的生态效应指标体系是一组综合性指标,指标的选取应反映评价目标的经济、社会、环境三者的综合协调发展效应,并具有敏感性和现实操作性.为了达到指标的完备性,应尽量多地选择指标,但又不能影响指标的独立性.为此宜采用主成分分析法,即把多个指标压缩为几个主要综合指标,选出与综合指标相关系数较大的具体指标进行评价.通过筛选确定生态效应指标,并在垂直河道800m范围内进行社会调查和观测,以建立各指标现状值及指标背景值的属性数据库,同时实现与空间数据库的有效链接.生态效应指标包括:经济指标(a1)即房地产价格变化(a11);社会指标(a2)即居民健康状况的变化(a21)和文化消费的变化(a22);环境指标(a3)即空气质量的变化(a31)和环境卫生的变化(a32).其中房地产价格的变化通过实地走访获得;居民健康状况(包括居民的精神面貌及居民的身体状况等)则是先给出一个评价级尺度即用1.0,0.7,0.4,0.1分别表示很好、较好、不太好、不好.然后通过问卷调查的方式获得指标值;文化消费的变化(包括居民对自身人力资本的提升)则是通过计算居民利用业余时间参加系统培训和学习、体育锻炼等所花费的时间和资金并统一折合成现行币值来获取指标值;环境指标则通过实地观测,建立评判因素集与评价集进行模糊综合评价,并将得出的综合评价标量值作为指标值.指标的背景值则是通过查阅房产、气象、环保部门的历史资料以及现场调查的方式获取.2.1.2各分区最佳缓冲值的确定及生态效应评价从基础空间矢量库中提取目标地物卫津河,以该目标地物为源文件进行缓冲区绘制,生成距河流生态景观不同距离的缓冲区:Ⅰ区,R<100m;Ⅱ区,100m<R<200m;Ⅲ区,200m<R<300m;Ⅳ区,R>300m.将生成的缓冲区图斑拓扑文件分别与基础空间库、属性数据库叠加,分别查询、统计各区的评价指标信息,系统自动建立的表格见表1.比较各分区经济、社会、环境效应指标值的动态变化以及与历史背景值的差异,若某个区的指标值与背景值相差不大,即可确定该区的内侧边缘为项目最佳缓冲区的外围,如Ⅰa11=Ⅱa11>Ⅲa11=A11,并且其他指标也有同样的表现,则R值为200m.有时不一定所有的指标有相同反映,则可修正后再确定R值,最后利用最佳缓冲区的指标进行生态效应评价;如果指标值与背景值相比较得不出结果,则可重新调整R值以生成新的缓冲区,直到有结果.从表1可知,卫津河绿化配套工程的生态影响范围为Ⅲ区的外边界,即R=300m.房地产价格、空气质量、环境卫生的影响程度比较明显,主要是因为这3组数据比较客观;社会指标反映的是比较感性的方面,需要予以适当的修正,在此可作为参考.实际上,以上指标的变化还可能受城市其他因素的影响,如交通的通达状况、周围基础设施的配套状况等.因此,要获取更为准确的信息以及揭示许多不被人眼见的、非市场的生态、社会价值,还必须投入相当大的人力、物力、财力去调查、监测、收集资料.不过以上选取的几个指标足以评价卫津河绿化配套工程的生态、经济、社会效应,同时,缓冲区分析功能确实使评价更为方便、快捷,可为城市的进一步改造、房地产开发、生态景观的布设提供参考经验.2.2自然生态景观格局的决定自然保护区是具有高度空间异质性的区域,它是由许多大小不一、相互作用的斑块按照一定的规律组成的.近年来,人类对自然的影响越来越大,往往会导致自然保护区的生态环境日益退化.人类活动的强弱与自然生态景观的破碎化又表现出一定的相关性.因此,研究人类活动对自然景观格局和动植物多样性的影响是自然保护区开展规划与建设工作的首要前提.1995年天津市规划局将蓟县确定为天津市的后花园,发展以旅游为主的文教、度假城.而作为蓟县六大行业之一的建材矿业的布局及结构必然对蓟县真正成为山清水秀的后花园产生影响.为了掌握矿业开发活动对蓟县北部山区自然风景保护区的自然生态景观格局的影响,笔者在遥感制图的基础上,首先对盘山风景区已有矿业开发引起的生态环境质量的变化进行了分析,然后以采矿区为目标地物进行缓冲区分析,划定矿产开发对周围环境影响的一般范围.2.2.1矿渣、废水污染盘山风景区主要以森林、农田、采矿区、人类居住地和公路为主要景观类型.采矿区对生态环境景观类型的影响主要表现在:①产生大量的烟尘、粉尘,加之机械人为破坏,造成大面积的植被破坏和大量的乔木死亡;②矿区多位于山前或山沟的两侧,不仅侵占土地,而且矿渣、废料随着雨水冲刷到四周,导致土壤质地破坏而严重沙化,由于无法重新复垦从而被废弃;③矿区多为露天开采,已造成不同程度的水土流失(龚浩,彭慧.天津市蓟县北部山区矿产开采对环境的影响调查报告.天津:天津市规划与国土资源局,2000).因此通过仔细权衡,评价选取如下指标:粉尘污染面积、植被的覆盖率、水土流失的程度、土地资源退化的面积.其中粉尘污染面积通过航测获得;植被的覆盖率与土地资源退化的面积可在遥感图上自动测量;水土流失的程度采用计算土壤侵蚀模数法将水土流失状况分为重度区(5000~20000t·km-2·a-1)、中度区(2000~5000t·km-2·a-1)和轻度区(500~2000t·km-2·a-1).2.2.2最佳缓冲及最大影响半径确定据实地考察,各采矿点的面积或规模直接影响缓冲区的半径,采矿点面积越大,对周围生态环境影响范围及影响力度越大,因此生成的缓冲区大小必须按矿区面积大小来确定.对开采面积小于1000km2的矿点,以各采矿点作为源文件,按照距干扰源远近生成缓冲区:Ⅰ区,R<300m;Ⅱ区,300m<R<600m;Ⅲ区,600m<R<900m;Ⅳ区,R>900m.开采面积大于1000km2的矿点则生成R值较大的缓冲区:Ⅰ区,R<400m;Ⅱ区,400m<R<800m;Ⅲ区,800m<R<1200m;Ⅳ区,R>1200m.由于粉尘污染影响较大,可根据情况适当扩大缓冲区半径进行统计.通过对各个采矿点的4个缓冲区的指标进行初步统计分析,并平均各个采矿点的指标信息,然后找出最佳缓冲区即开矿点的最大影响范围.结果表明,盘山风景区采矿工作区对植被破坏的影响半径大约为800m(据矿区边缘距离);粉尘污染的影响半径则达到2000m;对土地资源的侵占及侵蚀半径约为700m;水土流失重度区的影响半径约为200m,中度区约为500m,轻度区约为1000m.可见,采矿点这种人为影响发生源对于周围生态景观结构的显著影响距离为200~2000m.为了保证北部自然风景保护区的自然生态景观格局免受影响,采矿点必须布设在远离自然风景保护区大于2000m的范围外.另外,人为影响景观如公路、人类居住点的空间分布情况对于保护区的自然管理工作威胁极大,因此,注意对人为影响景观的空间布局同样是保护区规划与建设的重要因素.3生态环境评价本文就缓冲区分析技术应用于城市生态景观建设的效应评价,及人类活动对自然生态景观的干扰程度进行了实例讨论.结果表明,天津卫津河河道整治绿化工程对沿线产生的生态效益影响范围是300m左右;盘山风景区采矿点必须设在距保护区2000m以外才能保证自然生态景观免遭人类干扰.由此可见,缓冲区