基于空间叠加分析的寒区高速公路景观生态质量评价

基于空间叠加分析的寒区高速公路景观生态质量评价

近年来，随着道路交通的发展，我国公共交通的快速发展，公路景观的评价越来越受到重视。随着先进的3S技术——即遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)应用的不断成熟,为公路工程、地层环境灾害防治与科学预测提供了新一代观测手段。但是国内很少有利用3S技术为辅助手段对高等级公路景观评价的研究,或处于探索阶段,而且主要侧重于定性分析评价公路建设生态环境质量,很少有利用适当的指标体系进行定量分析评价,特别是对高寒区等级公路的景观评价,几乎没有涉及。笔者在已有理论基础与实践成果的基础上,运用3S技术和层次分析法,借助于ArcGIS强大的空间分析功能,结合评价模型,对寒区等级公路建设景观生态质量进行定量分析评价,探索减少寒区公路施工期对周围环境破坏的措施,为寒区高等级公路生态恢复与景观建设监测系统的研究提供技术支撑和决策依据。1研究区地理位置研究区位于黑龙江省东部山区,地理坐标为128°50′～129°35′E,44°57′～44°60′N,总长度22km,两侧范围各为500m,总面积22km2,该研究区属于典型的寒区。研究区段位于绥满公路(301国道)黑龙江省境内的海林至亚布力(K215至K237)之间(图1)。该路段地形起伏较大,包括山岭重丘、平原微丘地形,高填、深挖、高架桥、动物通道、隧道等构造物;该区域年均温3℃,年降雨量500mm,森林动、植物资源丰富,具有较强的代表性。因此,确定该区域为项目研究的试验路段(以下简称:试验段)。绥满公路为一条东西向国道,东起绥芬河,西至满洲里,是国家公路网络规划中的主干线,该路是我国对俄罗斯及东欧、日本开展贸易的重要通道。2学习方法2.1遥感正射校正借助ERDASIMAGINE9.0遥感图像处理软件,根据遥感软件提供的SPOT5遥感图像的物理模型(图2),以1∶10000的地形图作为地理数据参照,并结合研究区域的数字高程模型(DEM)(图3),保证在总体误差的范围内完成对研究区域遥感数据(SPOT5)的正射校正,在此基础上,对遥感数据进行融合、调色、镶嵌等处理。根据研究需要,在ArcGIS9.0的支持下,对道路两侧进行500m缓冲区分析,在此基础上,对遥感图像进行裁剪(图4),进而获取研究区域的数据(图5)。2.2寒区动物界景观评价的三层次评价框架的构建评价指标体系,即评价指标的全体,它是对照和衡量各评价对象质量的标尺,评价指标体系必须科学客观地反映各种因素和信息。根据研究区域生态环境的特点、选用评价方法的需要以及所获的数据特征,按照综合性、代表性、实用性、主导因素和可操作性等相结合的指标选择原则。寒区高等级公路景观评价是一个多因子高度综合的评价体系,在实际项目应用中,具体指标选择上因不同项目景观评价的侧重点不同而有所差异。在此次评价过程中,根据评价区域的特点和评价总体目标要求,构建了一个三层次的评价体系。第一层次为景观质量评价的最终目标——总体景观质量,然后分解为能体现该项指标的亚指标,按此原则再次进行分解,直至底层的单项评价指标,最终构建了一个三层次的公路景观评价指标体系的框架。根据《公路建设项目环境影响评价规范》具体内容,将构成景观质量的一级指标分为3方面内容:公路自身景观、公路两侧本底景观、公路两侧人文景观。二级植被根据本项目即寒区高等级公路典型特征而最终确定。二级指标主要是根据上述因子并参照景观评价原则来进行筛选,最后选择若干因子所组成。三级指标是在二级指标下选择若干因子组成整个评价指标体系(图6～图9)。2.3评价结构的确定在明确公路景观评价目标的前提下,根据层次分析法所提供的评价体系,在参考文献资料和借助外业调查的技术上,在ERDASIMAGE9.0的支持下,对遥感图像进行监督分类和目视解译相结合的方法进行数据解译,在此基础上,借助于ArcGIS9.0完成对各个指标信息的提取,最终完成公路景观质量评价结构。2.4评分和指标体系的权重(1)生态环境质量指标标准指标分级、评分标准主要参照国家制定和颁布的有关环境标准、行业标准与设计标准,同时参照寒区生态环境质量指标分级、评分标准。各个评价指标采用等差值分级赋值(表1),并运用专家定权方法对评价指标进行权重赋值(P的大小表示各个因子相对重要性的大小)。(2)各因子权重的确定由于各个指标对生态安全的作用不同,因此,需要对各影响因子进行加权计算。研究中按公式(1)并通过专家调查的方法来确定各因子的权重。wi=∑i=1xi/m(1)wi=∑i=1xi/m(1)式中:wi为影响寒区高等级公路景观生态环境质量的权重,xi为影响因子i对景观生态环境影响的相对重要性,m为参加填表的专家和决策管理的人数。(3)评价因子的权重在ArcGIS9.0软件空间分析模块(SpatialAnalyst)的支持下,以其强大的空间分析功能为依托,将各个矢量专题数据转换为栅格格式(grid)。按因子之间的相互关联性、组合模式,首先根据各因子的分级赋值计算各评价因子的景观生态评价指数,然后乘以各评价因子的权重,将各指标的权重与其对应的栅格数据进行运算,将多个评价因子加权相加后得到研究区域等级公路生态安全状况综合指数。用E来表示最终得到的评价结果,其计算公式为:E=∑i=1np(xi)wi(2)E=∑i=1np(xi)wi(2)式中:E为评价区域景观生态评价指数;p(xi)为各指标的景观生态评价指数;wi为各指标的权重;n为指标总项目数,如图10。2.5自然分布函数法利用ArcGIS的空间叠加分析功能,参照景观生态评价模型,计算出寒区高等级公路景观生态指数,在最大和最小值之间,采用自然分布函数法区划为不同的景观生态区域。该结果不仅体现不同等级的综合评价指数的分级空间分布特征,而且还能够反映环境状况的区域性差异。划分的5个等级为:好(Ⅰ类)、较好(Ⅱ类)、中等(Ⅲ类)、较差(Ⅳ类)和差(Ⅴ类),具体标准见表2。3类区域在土壤中的分布从图11和表3可以看出,Ⅱ类区域面积占到49.853%,所占的比例最大,在整个研究区域中占据绝对的优势,分布区域相对集中,该区域森林覆盖较大,人为破坏较小;其次是Ⅴ类区域,其分布面积也较大,占21.597%,主要分布在22km试验段两侧,Ⅴ类区域中主要以城镇和农田为主,其它的区域多为因修路挖土方形成的裸露地段,土地破坏严重,生境质量差;再次是Ⅲ类区域和Ⅳ类区域,分布较小,面积分别为14.267%和7.555%,此类区域分布相对分散,在某个局部区域呈现一定的集中分布,该区域多为森林分布稀少的灌木地带和部分农田地带;面积分布最小的为Ⅰ类区域,仅为6.728%,分布相对比较分散,该区域的森林覆盖度较大,人为干扰较少,生境质量好。总体而言,研究区域的景观生态质量属于相对较好的水平。4生态循环的复措施高等级公路建设影响研究区域的土地利用格局和生态环境质量,主要表现在导致部分区域的水土流失加剧、加速土壤侵蚀、生态环境质量恶化,结果造成景观生态恢复难度加大。景观生态恢复措施如下:(1)生态环境的治理首要任务是统计调查坡度在25°以上的坡耕地,逐步退耕还林还草,恢复原来景观生态环境。(2)进行封山育林,减少外来的人为干扰,逐步恢复原始的景观结构,增强其自身恢复能力。(3)按照因地制宜的原则,逐步治理改造和加强管理,采用乔灌草相结合的合理种植结构,并做到宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草,乔灌草结合,建立以水源涵养为主的多功能、多效益的防护体系。(4)尽量减少公路临时用地。施工期的临时用地尽量选择在公路征地范围内,施工破坏而裸露的土地均应在施工结束后立即整治并恢复植被。5公路沿线生态环境质量评价结合高速公路路域生态环境信息资源,利用层次分析法和GIS技术分析相结合对寒区高等级公路景观进行评价分析,