基于3S的森林公園游步道設(shè)計(jì)應(yīng)用

楊堯蘭，米鴻燕，李銘諾

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650231;2.巴中恩陽區(qū)規(guī)劃局，四川巴中 636064)

隨著森林公園的開發(fā)建設(shè)，許多學(xué)者將GIS運(yùn)用于風(fēng)景區(qū)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域進(jìn)行研究。廖嶸從風(fēng)景的空間構(gòu)成入手，以靈山森林公園總體規(guī)劃原則為依據(jù)，通過改善客觀空間以及提供不同的主觀感受條件兩條途徑，重新組織、完善了靈山森林旅游的風(fēng)景空間序列，為靈山森林公園的游覽線路規(guī)劃提供依據(jù)。付晶等人基于Arc View軟件平臺，以廣東省南昆山七仙湖生態(tài)旅游區(qū)為例，分析旅游區(qū)內(nèi)各景點(diǎn)之間的最短路徑關(guān)系，設(shè)計(jì)了該旅游區(qū)內(nèi)的5條一日游線路，以此驗(yàn)證了將GIS技術(shù)應(yīng)用于旅游線路設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)路線的可行性［1］。陳永貴等人通過運(yùn)用GIS技術(shù)的分析功能，對規(guī)劃地環(huán)境進(jìn)行空間分析，并結(jié)合傳統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行科學(xué)合理的道路選線及規(guī)劃，為解決道路選線規(guī)劃過程中所出現(xiàn)的若干問題提供了一種行之有效的方法［2］。

綜上所述，目前我國對于森林公園旅游線路的設(shè)計(jì)缺乏對地形、地貌、坡向等方面的考慮及研究，同時(shí)規(guī)劃應(yīng)用軟件和設(shè)計(jì)手法上具有一定的局限性，而將GPS定位與GIS最佳路徑分析完美結(jié)合應(yīng)用于森林公園游步道選線的例子更加罕見。為此，筆者以廣東省某森林公園為例，充分考慮高程、坡度等因子對原始森林公園游步道設(shè)計(jì)的影響，在專家意見的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合GPS定位系統(tǒng)和GIS最佳路徑選擇，實(shí)現(xiàn)森林公園游步道的科學(xué)設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)路線

選定該森林公園的景點(diǎn)，通過GPS定位獲取各景點(diǎn)坐標(biāo)，選擇高程、坡度、坡向、地類作為影響游步道選線的因子，咨詢相關(guān)專家意見，確定因子之間的重要性，采用層次分析法確定各因子的權(quán)重，通過等級賦值法得到影響游步道選線的專題信息圖，結(jié)合GIS最佳路徑分析優(yōu)化，選出最佳游步道。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 資料的收集 由三維測繪公司提供廣東省新豐縣某森林公園分辨率為1m的航拍圖和該森林公園的DEM圖。

圖1 森林公園航拍圖

圖2 森林公園DEM圖

2.2 景點(diǎn)的選擇及相應(yīng)GPS坐標(biāo)的獲取

2.2.1 GPS采集的方法。根據(jù)該森林公園的特點(diǎn)和當(dāng)?shù)貍髡f及具體地貌，考慮公園整體發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合地形地貌等各要素確定相應(yīng)景點(diǎn)，并通過GPS采集13個(gè)景點(diǎn)坐標(biāo)。在原始森林公園入口采集第一個(gè)景點(diǎn)坐標(biāo)，然后按照景點(diǎn)順序依次采集坐標(biāo)，以走走停停的方式，平均每2 min采集一個(gè)點(diǎn)，信號穩(wěn)定之后讀取坐標(biāo)，每個(gè)點(diǎn)采集3次后取平均值［3］。

2.2.2 GPS采集的結(jié)果。各景點(diǎn)的名稱及編號坐標(biāo)見表1。

表1 景點(diǎn)名稱及坐標(biāo)

2.3 游步道影響因子的選擇和專題信息的提取及賦值 根據(jù)因子選取原則，應(yīng)考慮易操作且穩(wěn)定性較強(qiáng)的因子，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)選線的主觀性，使選線更加合理，節(jié)約修建成本，有利于游步道選線及其優(yōu)化［4］。筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選取高程、地類、坡度、坡向4個(gè)因子，并對其進(jìn)行分析。

2.3.1 高程因子。根據(jù)實(shí)地調(diào)查可知，森林公園最低海拔為182.7 m，最高海拔597.0 m，兩點(diǎn)高程差為414.3 m，森林的海拔高度主要集中于182.7～348.0 m。高程越低，修建難度和修建成本越低，游覽適宜性就越高，得分越高。通過游步道縱坡的要求，將高程進(jìn)行分類及等級賦得分值，分值由高到低分別為 10、8、6、4、2。圖 3 為高程得分圖。

2.3.2 地類因子。根據(jù)實(shí)際情況將森林公園劃分為5類，分別為交通運(yùn)輸用地、林地、水域及水域設(shè)施用地、住宅用地、耕地。該原始森林公園的主要功能是供游客觀賞景觀、休閑娛樂等，因此林地、水域得分較高，住宅用地次之。鑒于森林公園的開發(fā)程度較低，交通不便，游步道選線需要和原有交通運(yùn)輸用地相結(jié)合，得分最高。耕地相對于森林公園景觀觀賞的角度，作用不明顯，得分最低。圖4為地類得分圖。

圖3 高程得分

2.3.3 坡度因子。坡度的陡緩程度是影響游步道選擇的重要因子。坡度越低，修建難度和修建成本越低，游覽適宜性就越高，得分越高。根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果和一般坡度分類依據(jù)，對森林公園進(jìn)行分類和賦值，其坡度得分結(jié)果見圖5。

圖4 地類得分

2.3.4 坡向因子。游步道的日照時(shí)間、溫度、濕度和風(fēng)速受坡向影響，坡向變化度越大，修建的難易程度越大，適宜群體變小，得分越低。根據(jù)地形坡向大小和實(shí)地調(diào)查情況對森林公園進(jìn)行分類和賦值，圖6為坡向得分圖。

圖5 森林公園坡度得分

圖6 森林公園坡向得分

2.4 因子權(quán)重的確定 將影響游步道的指標(biāo)因子高程、地類、坡度、坡向柵格化，采納專家意見，用層次分析法獲得因子權(quán)重及得分。層次分析法把復(fù)雜的問題分解成各個(gè)組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過對這些因素的成對比較，可以得到各因素在層次中的相對重要性，較合理地解決了定性問題定量化的處理過程［5］。

權(quán)重計(jì)算方法有很多種，該研究采用的是幾何平均法。其計(jì)算公式為:

通過計(jì)算獲得各因子的權(quán)重得分，分別為地類(0.061 0)、高程(0.161 5)、坡度(0.490 5)、坡向(0.287 8)。2.5 影響游步道因子的疊加 通過GIS技術(shù)，提取森林公園的高程、地類、坡度、坡向4個(gè)因子并將其柵格化，根據(jù)研究所確定的各因子權(quán)重及得分值，疊加分析獲得每個(gè)柵格的累計(jì)得分值。具體操作如下:

點(diǎn)擊Spatial Analyst－Raster Calculator進(jìn)行運(yùn)算，得到森林公園游步道選線最終累計(jì)得分圖(圖7)。

圖7 森林公園游步道選線累計(jì)得分

2.6 游步道的選線過程

2.6.1 最佳路徑原理。游步道選線的含義是通過函數(shù)獲得從一個(gè)源(即目標(biāo)點(diǎn)或目的地)或一組源出發(fā)，到達(dá)一個(gè)目標(biāo)地或一組目標(biāo)地的最佳路徑。

游步道最佳路徑的選擇主要考慮的因子有高程、地類、坡度、坡向。首先要獲取選線因子累計(jì)得分，其次執(zhí)行選線加權(quán)距離函數(shù)，根據(jù)各因子的權(quán)重，每個(gè)柵格累計(jì)值可以表達(dá)為一個(gè)線形方程:

式中，A為地類因子;B為高程因子;C為坡度因子;D為坡向因子。

2.6.2 選線過程。通過以上闡述，高程、地類、坡度、坡向?yàn)橛尾降雷罴堰x擇的因子。通過層次分析法和等級賦值法獲得因子權(quán)重和得分，按因子權(quán)重進(jìn)行柵格形式的因子疊加得到各累計(jì)值，計(jì)算出每個(gè)柵格到景點(diǎn)最近、最少的得分值，最后通過執(zhí)行最短路徑功能獲得最優(yōu)路徑［6］。研究所求的最優(yōu)路徑就是該森林公園所采集的景點(diǎn)1到景點(diǎn)13之間的最優(yōu)路徑，把這景點(diǎn)按順序標(biāo)記為1～13。

由累計(jì)得分圖可以獲得景點(diǎn)間的游步道，下面以點(diǎn)1到13間的最佳路徑為例，說明其具體過程:

單擊 Spatial Analyst－Distance－Cost Weighted，設(shè)置參數(shù)，可以得到成本距離圖和方向圖。

單擊Spatial Analyst－Distance－Shortest Path，設(shè)置參數(shù)，通過函數(shù)獲得由點(diǎn)1到13的最佳路徑。使用該方法，可以獲得景區(qū)游步道(圖8)。

3 游步道選線結(jié)果

圖8 游步道選線

3.1 游覽時(shí)間的估計(jì) 人一般的步行速度為5～8 km/h，但從公園游憩考慮，一般步行速度為3 km/h。因此，將森林公園徒步的速度設(shè)為3 km/h，即50 m/min。游客乘車或駕車到風(fēng)景區(qū)，游步道兩側(cè)的景觀對行駛的乘客來說是一道動(dòng)態(tài)風(fēng)景線。經(jīng)文獻(xiàn)查找，觀賞風(fēng)景的最佳車速擬定為30～40 km/h，即 500 m/min。在森林公園游覽中，景點(diǎn)路徑間的距離因受地形因子、坡度、景點(diǎn)分布狀況的影響，將不再是兩點(diǎn)間直線距離，而是一組隨地形變化的曲線段。用ArcGIS測量工具得到的兩個(gè)景點(diǎn)間的距離是兩點(diǎn)間的投影距離，需要再次量算在數(shù)字化游步道中添加測量出的實(shí)際距離［7］。根據(jù)上文確定的步行和駕車游覽速度，用“距離=速度×?xí)r間”公式，并考慮不同景點(diǎn)的特色，預(yù)留景點(diǎn)的停留游憩時(shí)間，最后累計(jì)游步道的游覽時(shí)間。詳細(xì)的景點(diǎn)距離、到達(dá)時(shí)間及停留間隔見表2。

3.2 游覽路線的設(shè)計(jì)結(jié)果 通過森林公園游步道選線得到3條游覽路線，分別為:①路線一，出入口1—觀景亭—松鼠園—天然氧吧—果園—游客休息點(diǎn)—瀑布—桉樹園——出入口2—獅子山—竹林深處—日光寨—桃花園—客家風(fēng)俗村—出入口;②路線二出入口1—觀景亭—松鼠園—天然氧吧—果園—游客休息點(diǎn)—瀑布—桉樹園——出入口2—原有步道—出入口1;③路線三，出入口1—客家風(fēng)俗村—桃花園—日光寨—竹林深處—獅子山—出入口2—原有步道—出入口1。

路線一幾乎環(huán)繞整個(gè)原始森林公園，途經(jīng)森林茂密區(qū)、水庫瀑布區(qū)、動(dòng)物活動(dòng)區(qū)、花圃區(qū)、農(nóng)業(yè)種植區(qū)和最佳觀景點(diǎn)，適于療養(yǎng)放松健身等游覽;路線二是茂密森林和動(dòng)物活動(dòng)區(qū)及水域的結(jié)合，適于學(xué)習(xí)和研究型的游覽，比較適合青少年和青年人游覽;路線三有果園和桃花園和可攀爬的山坡，具有適于周末都市人群體驗(yàn)農(nóng)業(yè)生活和放松等游覽功能(圖9)。

4 總結(jié)

森林公園游步道的設(shè)計(jì)結(jié)合了GIS最佳路徑分析和GPS定位技術(shù)，確定景點(diǎn)的坐標(biāo)和最佳游覽路徑。同時(shí)，以上兩種技術(shù)的結(jié)合還可應(yīng)用于旅游度假村、道路規(guī)劃等的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的景區(qū)游步道的設(shè)計(jì)比較注重路線主題的設(shè)計(jì)。從行為地學(xué)的角度或者旅行社的角度出發(fā)，使用一些數(shù)學(xué)模型或運(yùn)籌規(guī)劃模型分析景點(diǎn)之間的關(guān)系，總結(jié)旅游線路的安排，但是往往對旅游活動(dòng)量和活動(dòng)時(shí)間的安排不夠重視。以上兩種技術(shù)解決了傳統(tǒng)游步道選線的不足。使用GIS技術(shù)設(shè)計(jì)游步道，其優(yōu)勢在于根據(jù)復(fù)雜的道路網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到點(diǎn)關(guān)系的分析，篩選出路徑通路合理的景點(diǎn)組合，從而避開了人為分析設(shè)計(jì)的主觀性。這樣組合設(shè)計(jì)的游步道不僅在時(shí)間安排上有可靠的確定性，也增大了實(shí)際操作的彈性，而且在旅游活動(dòng)的結(jié)合上也比較豐富、舒適，旅游活動(dòng)的主題突出，這是較傳統(tǒng)游步道設(shè)計(jì)更為科學(xué)的一大特點(diǎn)。

表2 景點(diǎn)距離時(shí)間

圖9 游步道選線結(jié)果

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