基于“3S+U”技術(shù)的武夷山國家森林步道選線探析

黃培森，邱詩穎，肖海蘇

(1福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003；2福建省國有林場發(fā)展中心，福建 福州 350003)

徒步運動最早源于歐美國家，并逐漸成為人們休閑游憩的重要方式。二戰(zhàn)后，國家步道體系逐漸進入規(guī)?；ㄔO(shè)，并成為這些國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和國家形象的組成元素，發(fā)揮出環(huán)境教育、文化傳承、區(qū)域發(fā)展等多種功能。當(dāng)前我國關(guān)于森林公園游步道、旅游步道、登山健身步道等方面的規(guī)劃研究較多[1-4]，但對國家森林步道的研究及實踐很少。國家森林步道是一種長跨度、高品質(zhì)的帶狀綜合體驗空間，具有運動、休閑、康體、觀景、教育、研學(xué)等多種功能，是國家重要的地理、生態(tài)和文化地標(biāo)。因此，線路的選擇必須符合國家規(guī)定的基本要求。此前，步道的選線一般依賴現(xiàn)場勘察、地圖分析和經(jīng)驗指導(dǎo)，缺乏運用空間分析技術(shù)進行線路選擇的經(jīng)驗。隨著科技的發(fā)展，“3S+U”技術(shù)在信息采集、影象處理、空間分析和數(shù)據(jù)管理等方面表現(xiàn)了明顯優(yōu)勢?！?S+U”技術(shù)包括3S技術(shù)和無人機(UAV)技術(shù)兩部分。其中3S技術(shù)是RS、GIS和GPS的統(tǒng)稱，是空間技術(shù)、傳感器、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航和計算機、通訊技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代信息技術(shù)[5]，三項技術(shù)相對獨立，但在應(yīng)用上又有關(guān)聯(lián)。UAV技術(shù)主要是利用無人機遙感平臺，將航空數(shù)碼相機安裝在機上，運用慣性測量技術(shù)、全球定位技術(shù)等進行相應(yīng)的航空拍攝。它具有速度快、精確高、視角廣等優(yōu)點，能更高效地獲取相關(guān)的地理信息、影象及數(shù)據(jù)等[6]，可為3S技術(shù)提供更直接的輔助，更好地實現(xiàn)國家森林步道各類數(shù)據(jù)的融合、分析及管理。本文結(jié)合工作實踐，將“3S+U”技術(shù)集成應(yīng)用于武夷山國家森林步道選線規(guī)劃之中，提高了工作效率與精度，并取得了良好的效果，能夠較好地滿足國家森林步道總體規(guī)劃選線的要求，有效解決技術(shù)難題，提高選線的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 武夷山國家森林步道基本概況

武夷山國家森林步道涉及福建、江西及浙江三省。福建省境內(nèi)線路全長1 616.64 km，約占總長度的85%，跨3個設(shè)區(qū)市、16個縣(市、區(qū))，南起龍巖市的武平縣，北止南平市的浦城縣，串聯(lián)起世界文化與自然遺產(chǎn)以及許多著名的景區(qū)景點，分布有典型的地帶性植被。徒步者可從中感受到豐富多樣的生物多樣性、絢麗優(yōu)美的山川河流以及獨具特色的文化底蘊。經(jīng)調(diào)查，沿線景觀資源主要有世界遺產(chǎn)、國家公園、地質(zhì)公園、自然保護區(qū)、森林公園、濕地公園、文化遺跡等，共計167處。

2 選線要求與難點

2.1 選線要求

2.1.1 國家代表性

國家森林步道是高品質(zhì)的徒步線路，應(yīng)優(yōu)先穿越或鄰近具有國家代表性和當(dāng)?shù)刂木坝^資源，充分體現(xiàn)其核心價值，展現(xiàn)具有國家代表性的地脈、林脈、文脈，塑造國家形象。

2.1.2 自然荒野性

國家森林步道要最大限度地保持沿線生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性，體現(xiàn)自然荒野風(fēng)貌。應(yīng)充分利用已有的古道、山間小徑、林區(qū)道路，減少建設(shè)，避免對生態(tài)環(huán)境的破壞。

2.1.3 人地安全性

國家森林步道必須具備旅行者徒步過程的安全條件，難度適中，有基本的安全設(shè)施，線路應(yīng)盡量避開安全隱患區(qū)域和地質(zhì)災(zāi)害點。所選線路不能對現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境造成不可逆的破壞。應(yīng)避開野生動物遷徙通道，并與珍稀野生動植物的棲息地(生長地)保持一定的安全距離。

2.1.4 服務(wù)有限性

國家森林步道要求至少60%以上的路段必須穿越森林區(qū)域。為維持生態(tài)完整性，步道沿線應(yīng)按照最低限度原則建設(shè)相關(guān)設(shè)施(如補給點、露營地、庇護所等)，以滿足徒步者的基本生存需求。

2.2 選線難點

武夷山國家森林步道是國家林業(yè)和草原局首批發(fā)布的國家森林步道之一。目前僅福建省率先完成總體規(guī)劃工作，沒有可供借鑒的先例，因此步道選線工作極具挑戰(zhàn)性。主要表現(xiàn)為：①線路途徑武夷山脈廣袤的林區(qū)、山區(qū)，沿線地形地貌復(fù)雜多變，森林植被茂密繁盛，作業(yè)條件差；②步道地跨三個設(shè)區(qū)市，16個縣(市、區(qū))，線路長、跨度大、不可預(yù)見因素多；③在調(diào)查過程中，需要采集不同類型的數(shù)據(jù)或資料，主要包括景觀、植被、水文、高程、坡度、坡向、古道、關(guān)隘、生態(tài)敏感點、補給點、交通、醫(yī)療等，需考慮的因素眾多；④在滿足選線要求的基礎(chǔ)上，內(nèi)業(yè)過程中還必須對所獲得的各種數(shù)據(jù)進行有效讀取、存儲、處理、分析和管理，構(gòu)建可視化影象視圖，最終形成科學(xué)合理的線路走向等。

3 “3S+U”技術(shù)應(yīng)用

3.1 技術(shù)流程

主要包括四個部分(圖1)。①前期準(zhǔn)備。根據(jù)技術(shù)要求，配備、收集相關(guān)的器具與資料等。其中RS技術(shù)應(yīng)用于高清衛(wèi)星影像分析與判讀；GIS技術(shù)應(yīng)用于地形圖、衛(wèi)片及所采集軌跡的分析處理與數(shù)據(jù)管理；GPS技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場踏勘，實時記錄路線軌跡與點位信息；UAV技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場調(diào)查，記錄主要節(jié)點、周邊環(huán)境以及暫時無法穿越區(qū)域的影像信息。②條件分析?；贏rcMap、Global Mapper等軟件，開展植被、高程、邊界、服務(wù)設(shè)施、三維空間等多角度分析。③線路規(guī)劃。根據(jù)國家森林步道的選線要求，進行選線影響因子分析評價，運用ArcMap軟件進行數(shù)據(jù)分析，界定適宜范圍，并與GPS記錄的線路軌跡進行比對，綜合確定步道的布局走向，計算步道的長度。④規(guī)劃成果?；贏rcMap、ArcScene、Global Mapper等軟件，制作三維地形地貌規(guī)劃圖、路線動態(tài)演示視頻、線路節(jié)點高程圖、區(qū)域類型圖，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及難易分級等。

圖1 基于“3S+U”技術(shù)的步道選線流程圖

3.2 應(yīng)用概述

3.2.1 前期準(zhǔn)備

其一，預(yù)先準(zhǔn)備好武夷山國家森林步道途徑區(qū)域的高清衛(wèi)片、1：1萬地形圖、景觀景點位置圖、涉及縣(市、區(qū))行政地圖、敏感區(qū)域分布圖等資料，用于外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)整理；其二，配備全自動手持GPS定位儀，用于記錄重要節(jié)點位置、調(diào)查軌跡等信息；其三，采用科衛(wèi)泰KWT-X6L/M六旋翼無人機與大疆Mavic Air無人機相結(jié)合進行航拍，用于記錄步道沿線的環(huán)境狀況(如地貌、植被、水域等)、三維景觀實景圖像，以及后期視頻剪輯和VR制作等。要求備足電池，事先了解信號干擾及禁飛區(qū)域。使用大型無人機，必須向空管部門申報航線。

受山區(qū)地形起伏影響，使用衛(wèi)片投影可能產(chǎn)生較大的變形。因此需要使用ArcMap軟件的“地理配準(zhǔn)”工具通過疊加高清衛(wèi)片與地形圖，使兩者數(shù)據(jù)信息一致。使用“空間校正”工具將軌跡(點)疊加到地形圖上。若坐標(biāo)系不一致，還需要使用“投影變換”工具對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，確保外業(yè)采集數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)底圖在同一個坐標(biāo)系里正確顯示，以便于后期條件分析。最后，將矢量數(shù)據(jù)通過創(chuàng)建TIN及TIN轉(zhuǎn)柵格等工具生成DEM(數(shù)字高程模型)，或者向?qū)I(yè)公司付費，購買相應(yīng)的地圖數(shù)據(jù)。

3.2.2 條件分析

通過圖層疊加，對武夷山國家森林步道沿線植被、高程、坡度、坡向、水文、敏感區(qū)域及服務(wù)設(shè)施等數(shù)據(jù)進行處理分析，作為線路規(guī)劃的重要依據(jù)。例如，基于ArcMap軟件，可導(dǎo)出植被分析圖，再與高清衛(wèi)片進行比對，以判斷步道是否穿越地帶性植被；使用“等值線”工具分析山體高程，使用“坡度”工具分析山體坡度，并據(jù)此計算步道難度；使用“坡向”工具分析山體走向，作為觀景平臺、露營地選擇的參考依據(jù)；使用“水文分析”工具，在步道選線時盡量避開匯水區(qū)及可能發(fā)生山洪的地段等。

3.2.3 線路規(guī)劃

針對武夷山國家森林步道特點，依照選線要求，分景觀、區(qū)域、安全、服務(wù)4大類要素，并細分為13個影響因子，作為線路規(guī)劃的重要指引方向(表1)。福建省為低山丘陵地貌，森林步道途經(jīng)南(平)、三(明)、龍(巖)三個傳統(tǒng)林區(qū)，在山區(qū)分布有許多村鎮(zhèn)、村落。因此，每隔15～20 km可設(shè)置一處補給點，無補給條件的區(qū)域，可設(shè)置露營地，為長距離徒步旅行者提供補給。

根據(jù)國家林業(yè)和草原局發(fā)布的初步線路總體走向，基于以上13個影響因子，對沿線區(qū)域進行綜合分析，突出線路的核心價值與高品質(zhì)體驗空間。運用ArcMap軟件的“緩沖區(qū)”等工具，界定出步道建設(shè)的適宜范圍，并在此基礎(chǔ)上，參照無人機航拍的實景照片、條件分析的圖紙與數(shù)據(jù)，選擇出適宜線路；再與實地勘測的線路軌跡進行比對、調(diào)整，確定步道走向布局，最后計算出步道長度。

4.2.4 規(guī)劃成果

基于ArcScene軟件，以高清衛(wèi)片為基礎(chǔ)，通過DEM地面獲取的高程數(shù)據(jù)，生成線路鳥瞰視圖，或者使用LocaSpaceViewer(圖新地球)軟件生成。本文以武夷山國家森林步道浦城段線路鳥瞰視圖為例(圖2)，使用ArcMap軟件“創(chuàng)建剖面圖”工具計算生成步道線路的剖面圖及節(jié)點高程等相關(guān)數(shù)據(jù)。高程圖也可以使用Global Mapper軟件生成，如武夷山國家森林步道南平段高程示意圖(圖3)。線路區(qū)域類型、建設(shè)類型、難易程度等規(guī)劃成果，可在高清衛(wèi)片、無人機航拍實景照片的輔助下，基于ArcMap軟件計算得出。

圖2 武夷山國家森林步道浦城段鳥瞰視圖

圖3 武夷山國家森林步道南平段高程示意圖

5 總結(jié)討論

武夷山國家森林步道在福建省境內(nèi)穿越或臨近20多座海拔1 000 m以上的高峰，沿線地形復(fù)雜多變，森林植被茂密繁盛，在進行選線規(guī)劃時，存在許多技術(shù)難點。筆者在查閱大量相關(guān)資料后，嘗試將3S技術(shù)與UAV技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于實地選線中，經(jīng)初步嘗試，取得了明顯成效。應(yīng)用“3S+U”技術(shù)不僅提高了成果精度，而且制作的圖件立體感強、美感度高、質(zhì)量好。

“3S+U”技術(shù)的核心在于兩者之間在空間信息上是可以互通的。3S技術(shù)在數(shù)據(jù)分析、管理上具有優(yōu)勢，而無人機技術(shù)能夠提供全面的實景感受，便于內(nèi)業(yè)分析、選線比較等。兩項技術(shù)的綜合應(yīng)用，能形成優(yōu)勢互補，節(jié)省調(diào)查與勘測費用。在通行條件不良的地區(qū)，該技術(shù)優(yōu)勢更加明顯，更值得推廣應(yīng)用。即使在交通方便地區(qū)，該技術(shù)也可以作為現(xiàn)場勘察、經(jīng)驗分析、二維選線等傳統(tǒng)方法的重要補充。

本方法初步應(yīng)用于武夷山國家森林步道部分路段的選線，技術(shù)上仍有不足之處。如選線影響因子中可能存在其它重要因子未入選的問題以及影響因子如何具體量化；在進行多線路比對中，游憩價值與建設(shè)影響之間如何合理平衡等。因此，該技術(shù)尚需繼續(xù)探索、完善，以便日后大范圍推廣應(yīng)用。