2014, Vol. 50
文章信息
- 蔡丽丽, 徐程扬
- Cai Lili, Xu Chengyang
- 遥感技术在风景林景观质量评价中的应用研究进展
- A Review on Application Development of Remote Sensing Technology in Landscape Quality Assessment of Scenic Forest
- 林业科学, 2014, 50(9): 145-151
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(9): 145-151.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140920
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文章历史
- 收稿日期：2013-11-20
- 修回日期：2014-01-17
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作者相关文章
风景林(scenic forest或l and scape forest)是具有较高美学价值并以满足人们审美需求为目标的森林的总称(Arthur，1977; Briggs et al.，1980)。风景林在森林公园、风景区的资源基础上，或与名胜古迹融为一体，或通过陪衬、背景作用使其他自然景观增辉，或与地质地貌特征相结合直接构成独特的景观资源(李明阳等，2006)。人们对风景林审美需求的满足程度主要受风景林自身结构以及风景林与其周边环境间相对关系的影响。而风景林的结构通常表现在林木个体组成及其空间格局、斑块组成及其空间分布、林分或景观斑块色彩异质性等方面。风景林的质量主要体现在风景林的奇特性、趣味性、新颖性等，是人对风景林结构合理性、风景林与其周边环境和谐程度的综合反映。风景林质量评价是风景林资源管理、风景区合理规划的重要基础(包战熊，2002; 王超等，2006a)。
遥感技术是20世纪60年代发展起来的综合性对地观测技术，该技术可以迅速获得大范围、多时相、多波段的地表信息，为不同时序上从局部到全球各种现象的综合分析创造了条件(李书娟等，2002; Ayad，2005)，并在森林资源调查(赵宪文等，2002; McRoberts et al.，2007)、森林植被分析(Roberts et al.，2004)、土地利用动态(贾宝全等，2013)、森林景观格局与动态(Shao et al.，2008)、城市森林格局与规划(陈辉等，2009; 尹锴等，2009)、城市热场分析(岳文泽，2005)等领域得到普遍应用。纵观国内外有关遥感技术在风景林景观质量评价中应用的研究，主要有以下成果。
1 风景林质量评价研究的发展历程国外在风景林质量方面的研究起始于20世纪70年代，兴于80年代，主要集中在林分质量与美景度的关系研究(王超等，2006b; 周荣伍等，2013)上。但是，受研究方法、社会需求等的限制，自80年代以来，该领域研究处于停滞状态。我国有关风景林质量的研究起步较晚，始于20世纪90年代中期，近几年来得到迅速发展，但是，尚缺乏成熟的理论与技术。
20世纪60年代末至70年代初，环境保护法的颁布促进了自然环境认知质量的研究，进而涌现出大量用于衡量景观美学评价的方法(Daniel，1990; Dakin，2003)。2000年签订了《欧洲风景公约》(european l and scape convention)，旨在促进景观保护、管理和规划，组织欧洲各国合作管理景观事务(Déjeant-Pons，2006; 麦琪等，2007)。IFIA(international federation of l and scape architects)世界理事会于2009年通过《全球风景公约》(global l and scape convention)，目的在于倡导各个国家积极制定风景公约，以期保护、规划、设计和持续地管理风景的文化和遗产价值，促进风景多样性的识别工作(刘晓明等，2011)。
经过几十年的发展，针对森林的景观评价在研究理论和方法上已经日趋成熟，被公认的景观美学评价有专家学派、心理物理学派、认知学派和经验学派四大学派，其中专家学派和心理物理学派的评价方法在国内外得到较为广泛的运用(翟明普等，2003; 牛君丽等，2008; Panagopoulos，2009)。随着景观生态学、美学、心理学、统计学和计算机科学的发展，景观评价的方法由定性评价转向定量评价(Daniel et al.，1983; 陈鑫峰等，2000; Daniel，2001)。20世纪90年代以后，国内专家学者在借鉴国外评价方法的基础上，结合我国景观实际状况，对风景林的景观美学评价进行一系列有意义的探索，包括秋季风景林景观色彩评价(廖艳梅，2007)、粗糙集的风景林景观美学评价(文益君等，2009)、风景游憩林林内景观美景度评价(李翠翠，2010)、风景游憩林景观质量综合评价(章志都，2010)、风景林中远景景观质量评价(李波，2011)等，这些研究在一定程度上推动我国自然景观美学价值评价的进步。然而，我国风景林质量研究总体上仍处于定性多、定量少，由定性研究向定量研究转变的阶段(宋爱云等，2011)。
目前，国内外有关风景林质量的研究主要集中在风景林美学评价(Arthur et al.，1977; 赵德海，1990; Gobster，1999; Daniel，2001; 周根苗等，2008; 李效文等，2010)、风景林景观格局及其动态分析(Trisurat et al.，2000; 何东进等，2004; 周春国等，2005a; Schindler et al.，2008; 俞晓凌，2010)、风景林植被覆盖及土地利用(Anderson，1976; 陆兆苏等，1985; Fukamachi et al.，2000; 陈有君等，2012)等方面。遥感技术(赵广亮，2008)和景观可视化技术(李明阳等，2007a； Parametrix Inc，2009)在风景林研究中逐步受到重视。然而，基于传统森林植被类型、自然林型、林班(小班)(李明阳等，2007b; Wang et al.，2009; Gond et al.，2011; Surová et al.，2013)开展的土地或景观类型划分、景观格局及动态等方面仍是遥感技术在风景林研究中的主要内容，但如何根据结构与功能特点利用遥感技术进行风景林景观质量评价却鲜见报道。
2 风景林景观格局及动态研究风景林作为一个森林生态系统，是具有等级结构的层次系统，这种等级层次与所处的尺度密切相关，不同层次、不同尺度的生态系统具有不同的组分、格局、动态过程和发展机制(金莹杉等，2006)。目前，采用遥感手段进行风景林景观格局及动态研究仍以传统景观生态学方法为主，主要集中在景观的等级结构(Kokaly，2003; 刘惠明等，2003; 张蕾等，2007; Chastain et al.，2008)、时空异质性(胡海胜等，2007; 袁玲玲，2008; 黄启堂等，2009)、干扰因素(Sanchez-Azofeifa et al.，2000; 何东进等，2004; Shen et al.，2013)等方面。通过景观格局时空差异的分析，可以揭示景观动态变化的内在干扰机制，为合理评价自然和人为干扰因素的影响、制定有效的风景林景观资源保护和管理策略奠定基础(郭泺等，2005)。
景观格局主要是指景观要素或结构成分的数量、形状、斑块大小及其空间分布模式(Wu，2013)，它决定着资源地理环境的分布、形成和组分，制约着多种生态过程，与干扰能力、恢复能力、系统稳定性、生物多样性有着密切关系(邬建国，2007)。采用遥感技术对不同尺度景观格局及动态的定量分析，能从总体上把握风景林的生态过程和功能，揭示景观演替机制与规律，预测景观变化趋势，实现景观的可持续利用(李书娟等，2002; 杨国靖等，2003; Wu，2013)。景观的动态变化可通过格局指数的变化来体现。目前景观指数已经有几十种，它们分别从不同的角度对景观格局进行表述，并且还处于不断地发展之中(常禹等，2004)，但常用的风景林景观格局指数主要为斑块面积与周长(area and perimeter)、斑块形状指数(shape index)、斑块分维数(fractal dimension)、景观多样性指数(diversity index)、景观优势度(dominance index)、蔓延度指数(contagion index)、景观破碎度(fragmentation index)、景观均匀度(evenness index)、景观分离度(separation index)(李明阳等，2005; 周春国等，2005a; 金莹杉等，2007)9种指数。
人为干扰对风景林景观功能的发挥有着巨大影响，是景观格局显著变化的主要原因，森林采伐(尤其是皆伐)活动使得森林景观破碎化加大(Roy et al.，2001)、斑块形状更为复杂、景观多样性更加丰富(郭泺等，2005)。因此，在大面积人工风景林经营中，通过提高树种的混交比例等途径增强斑块的稳定性和抗干扰性，可有效地提高风景林的景观质量(金莹杉等，2007)。
由此可见，目前在风景林景观领域多数研究是利用林学、景观生态学及群落生态学方法结合遥感手段研究林分结构特征，但很少有以美学为基础的风景林结构研究报道，更缺乏与风景林景观质量的关联性分析(周荣伍等，2013)。传统景观生态学指标如何能够准确地反映风景林景观质量，遥感技术如何与风景林质量指标间建立科学的关系，仍需开展深入的研究。
3 风景林可视化和数字化管理风景林研究强调人对景观的视觉感知、认知和审美需求，视觉质量是核心研究内容(郝小飞，2007; 牛君丽，2008)。人的视力、心境以及观景时的外部环境(形貌、色彩、线条、质地)，会因景观尺度的不同而发生变化(陈鑫峰等，2001)。目前，空间数据可视化逐渐成为人们认知空间的最有效工具(刘阳等，2006)，为了能够科学合理地规划森林景观，采用空间数据进行可视化模拟将成为近期的研究热点。
可视化技术是将符号或数据转化为直观的几何图形，便于研究人员观察其模拟和计算的过程(Muhar，2001)。结合遥感、地理信息系统软件不仅可以用来表现静态的信息，而且可用于动态地描述和表达客观对象的发展演化规律以及进行动态信息的获取(吴加敏等，2002)，使地物可视化成为可能。借助于可视化功能可以实现风景林景观评价的实时化、动态化、低成本化。近几年出现的可视化虚拟地球涵盖地表环境的丰富信息，远远超出传统的空间数据和地理信息科学领域，这些工具为研究人类对景观复杂的认知和审美偏好提供了方便，并能够减少地理空间模型及数据的不确定性(Sheppard et al.，2009; Jones et al.，2014)，为测绘学、林学、旅游学等相关学科的发展提供强有力的手段和途径。目前，可视化技术已应用于森林经营和自然资源管理领域，将现实的森林景观抽象为三维模型并在计算机上显示出仿真的森林景观，其涵盖面包括林木三维建模、三维地形重塑、纹理处理、光照处理、三维漫游、图像实时渲染等技术(倪成群，2005; 唐丽玉等，2006; 高桂桂等，2008)。基于可视化技术的风景林景观质量评价，可通过室内计算机屏幕化来实现绝大多数评价因子信息的提取，为实时、动态地获取风景林相关数据提供了可能，因此，制定适合于可视化的风景林景观质量评价体系和标准，将是今后需要进一步研究的内容(李明阳等，2007a)。
数字林业是对林业静态、动态、分析决策等各种特征统一的数字化表达与认识，以林业数字化数据为依托，用宽带网络连接各分布式数据库，以虚拟现实技术为特征，具有三维显示和无边缝多级分辨率浏览的开放系统，实现林业管理网络化、可视化、智能化、系统化、全面化的过程(李希胜，2003)。在风景林数字化管理研究中，普遍借助计算机和地理信息系统技术，并结合遥感数据及地面资料，建立森林资源管理平台，实现风景林资源的数字化管理(周春国等，2005b; 赵广亮，2008)。这些研究为风景林的有效管理提供了宝贵的理论指导和经验。然而，我国风景林景观质量数字化管理仍处于落后状态，基本采用传统的森林资源管理手段，缺乏针对风景林景观质量评价的美学、心理学等多领域相结合的数字化管理，因此，需要更加合理化、智能化、规范化的理论与管理技术的研究。
4 遥感技术在风景林景观质量研究中存在的主要问题现有的遥感技术在风景林景观质量评价的应用主要借鉴林业和景观生态学等领域的理论和方法，以遥感、地理信息系统技术为支撑平台； 多数采用低分辨率的AVHRR和MODIS、中等分辨率的TM/ETM和SPOT以及高分辨率的IKONOS和Quick Bird等卫星影像为主要数据源，并结合GIS的空间分析功能进行研究(Franklin，2001; Groom et al.，2006; 吴见等，2013)； 遥感分类的方法主要是目视解译、非监督分类、监督分类、波段组合(植被指数、波段比值)或面向对象等。然而，对适用于风景林本身的遥感技术研究的深度和广度还远远不够，在许多方面仍有待拓展。目前，遥感技术在风景林景观质量评价中存在的主要问题是为下列几个方面：
4.1 风景林遥感尺度的景观质量评价从理论上讲，人对风景林的审美学接受程度会因树种组成、林分密度、树冠层次对比程度等的变化而异，其主要原因是这些变化会导致景观外貌色彩发生变化，这在季相变化明显的森林景观表现得尤为突出。由于不同树种叶片色彩或绿度不尽相同，风景林树种多样性的高低将直接导致景观斑块色彩发生显著变化，从而产生风景林外貌色彩丰富度的差异，并引起风景林景观效果的显著区别。如果某个风景林中林分密度存在较高的空间异质性，将强烈改变风景林外貌中色彩斑块的厚重感以及相邻色彩斑块的对比度，从而增加风景林外貌的色彩丰富度； 如果风景林在斑块的树冠层高度上有较高的空间异质性，会因为树冠层高低错落有致而间接导致斑块色彩或明亮对比度发生显著变化，进而引起观赏者产生不同的视觉效果。通过遥感技术获取上述风景林的景观信息，尚需要在遥感影像解译方法、景观斑块类型划分、地面验证等方面进一步探索。因此，应用遥感技术开展风景林景观质量研究(图 1)，首先要解决遥感图像色彩斑块分类及分析技术，地面验证样地面积、形状及数量的确定，风景林景观要素信息提取方法等问题，这些问题也是未来研究的重点。
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图 1 应用遥感技术开展风景林景观质量评价的研究技术路线 Fig. 1 Diagram of applying remote sensing technology to landscape quality assessment of scenic forest |
最小样地面积是保证展现出该森林群落类型的种类组成和结构真实特性所需要的面积，在实地调查森林群落时，既不能对整个群落地段进行全面统计，降低对景观空间基本单元分析的准确性； 也不能在一块很小的面积上进行调查用以代表整个群落空间格局分布，造成地物信息的大量损失(佟金权等，2008; 周红敏等，2009; 宫守飞等，2012)。因此，样地面积、数量以及形状直接影响地面调查对林分整体估测的精度和成本，以及地面验证对遥感影像解译结果的有效程度。由于风景林质量具有构景要素的多元性、观赏角度的多尺度性、时空存在的多维性、景观评价的多主体性、经营目的的多功能性等特点(章志都，2010)，风景林遥感影像的地面验证存在方法和技术上的不足，是今后亟待解决的问题。
4.3 风景林景观质量评价体系的普适性风景林研究属于交差学科，其构建及评价是一个复杂的体系，除传统的森林培育学、植物生理学和生态学理论外，还涉及其他多种学科知识，如森林美学、人文生态学、景观生态学、旅游学、园林学、遥感技术、地理信息系统等，以至于难以形成科学合理的风景质量评价理论和技术体系。因此，建立广泛认同的风景林质量评价系统是现阶段风景林研究的重点。目前遥感技术已形成高、中、低轨道结合，大、小、微型卫星协同，粗、精、细分辨率相补，全天候、全天时的遥感网络系统(史良树，2004)，增强了遥感数据获取的主动性和时效性，多光谱、多尺度、多角度、多极化的遥感数据极大地丰富了地表遥感信息的获取(刘吉平等，2012)，为风景林树种识别、组成、分布，林分面积、冠幅、密度、垂直结构，景观空间格局及变化分析等指标体系的定量研究提供强有力的技术支撑。
5 遥感技术在风景林景观质量研究中的应用前景从景观尺度上，风景林的质量反映到人脑后，主要体现在色彩、对比度、树冠的层次感、树冠的分辨程度、冠层的质地感等方面的差异。这些美学特征反映到森林结构上，主要表现在色彩斑块丰富度、色彩斑块的空间格局、色彩斑块边缘特征、色彩斑块间对比度、色彩斑块连接度等等，这些指标与地面具体林分的密度、林木个体大小、树种组成及其混交度、冠层特性等密切相关。目前，国内外主动遥感(如SAR，LIDAR，TSL)研究逐步深入，已能够提取林木高度、冠幅、林分密度、垂直结构等森林参数，很大程度上解决森林结构信息获取技术问题，但主动遥感难以提供大范围全覆盖的数据，需与其他多源遥感手段相结合才能更准确、更全面地分析地物信息，进一步完善定量遥感技术，而其理论和方法尚缺乏系统的研究(庞勇等，2005; 巨文珍等，2009; Rosette et al.，2011;李丹等，2012; 黄华国，2013； 赵静等，2013)。因此，通过分析风景林遥感数字图像来准确识别风景林景观色彩斑块，利用不同色彩斑块中林分的组成与结构以及分布，解析并建立林分空间布局与色彩斑块的关系，以达到在景观尺度上研究风景林景观质量的目的，将成为下一步风景林研究的重点。
利用遥感技术作为风景林景观质量评价研究的基本数据获取手段，具有以下几个方面的显著优势：
1)利用遥感技术可方便地获取区域尺度的时空信息，极大地提高风景林景观质量评价中的数据获取能力。不同类型、分辨率和时相的遥感影像，可满足不同研究工作的需要(张卡等，2004)； 利用遥感数据信息，结合相关资料及各种软件构成的试验系统，应用不同的遥感图像处理方法，可进行多种时空尺度、多种层次、多种专题的风景林景观质量评价分析。
2)风景林景观质量评价在野外实地调查和采样方法还没有规范化的今天，根据试验目的利用遥感技术来确定试验区的位置、面积、数量以及形状，辅以必要的地面调查，可为景观质量评价建立更加准确的基础资料。并且，利用这些资料对景观质量评价野外调查进行优化分析，可建立起更加科学的数据采集方法以及地面综合信息库。
3)随着林学、景观生态学、美学、地统计学、遥感技术、计算机等学科理论和应用的日趋完善，区域性风景林景观质量对于普适性分析模型和专用评价系统的需求愈加迫切。这些模型和评价体系的建设、验证和使用环节均需要大量与之相匹配的遥感数据的支持和对地面信息的分析(李书娟等，2002)。
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