多尺度荒野制圖的指標(biāo)、方法和應(yīng)用研究綜述

李曉雪 周衛(wèi) 聶曉嘉 廖凌云 蘭思仁

(福建農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院(合署)，福建 福州 350002)

荒野地(Wilderness Area)是指主要受自然過程控制的生態(tài)環(huán)境[1]，擁有高度自然性和生態(tài)完整性，能有效發(fā)揮自然過程的生態(tài)功能，具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化的多元價(jià)值[2-3]。保護(hù)荒野能夠保障生物多樣性和維持健康的生態(tài)系統(tǒng)，在應(yīng)對(duì)全球氣候變化和城市化發(fā)展威脅方面具有重要作用[4]191-199。1994年世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)正式將荒野保護(hù)地劃定為1b類自然保護(hù)地，自此荒野保護(hù)理念在世界范圍推廣開來[5]，隨后多個(gè)國家在法律層面上認(rèn)定荒野保護(hù)地，荒野保護(hù)逐漸成為自然保護(hù)地研究的重要內(nèi)容。依據(jù)荒野保護(hù)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，開展荒野保護(hù)首先需要了解荒野地的空間分布，荒野制圖以“荒野連續(xù)譜”(wilderness continuum)為概念基礎(chǔ)，將荒野質(zhì)量(wilderness quality)定義為一個(gè)地點(diǎn)遠(yuǎn)離和不受人類活動(dòng)影響的程度[6]，通過對(duì)自然度(naturalness)、遙遠(yuǎn)度(remoteness)荒野指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)識(shí)別荒野的特征變化及分布格局[7]，是開展荒野保護(hù)及管理實(shí)踐的重要工具。

隨著世界荒野保護(hù)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，國外已開展多個(gè)尺度的荒野制圖研究，涉及地區(qū)[7-11]、國家[12-15]、大洲[1]和全球尺度[16-18]，擁有較成熟的荒野制圖技術(shù)和方法。隨著荒野保護(hù)理念的引入，我國也已逐步開展對(duì)國家和地區(qū)尺度的荒野制圖研究[19-21]。目前國內(nèi)的荒野制圖研究尚處于起步階段，借鑒國際經(jīng)驗(yàn)尤為重要。鑒于此，本研究結(jié)合荒野制圖在指標(biāo)體系、制圖方法和應(yīng)用等方面的研究，分析并總結(jié)不同尺度荒野制圖在指標(biāo)體系、制圖方法和應(yīng)用上的差異，討論荒野制圖研究目前存在的不足，進(jìn)而提出荒野制圖未來的研究趨勢(shì)，以期為荒野制圖研究提供新思路。

1 荒野指標(biāo)體系

荒野指標(biāo)體系的構(gòu)建需要選取最能夠反映荒野特征的指標(biāo)。根據(jù)IUCN提出的荒野的定義，荒野是指“未經(jīng)修改或稍加修改的大型區(qū)域，這些區(qū)域保留其自然特征，沒有永久或重要的人類居住地，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和管理以保護(hù)其自然條件”[5]，反映荒野具有自然、偏遠(yuǎn)、遠(yuǎn)離人類影響的屬性，因此主要從反映自然、偏遠(yuǎn)和人類影響特征的指標(biāo)中選取。受尺度影響，全球和大洲荒野制圖指標(biāo)體系較為簡單。Lesslie和Taylor首次基于荒野連續(xù)譜開展荒野制圖實(shí)踐[6]，在澳大利亞國家荒野調(diào)查中識(shí)別土地覆蓋的自然度、表觀自然度(現(xiàn)代人工設(shè)施的缺乏度)、距聚居點(diǎn)遙遠(yuǎn)度和距道路遙遠(yuǎn)度四項(xiàng)荒野指標(biāo)，創(chuàng)建了荒野制圖的經(jīng)典模型；并繼續(xù)應(yīng)用經(jīng)典模型，進(jìn)一步繪制了全球范圍的荒野地圖[4]17-32。隨后的荒野制圖指標(biāo)試圖更多地反映人類影響，如Sanderson等[17]借助人類足跡(Human Footprint)的概念，將人口密度、聚居點(diǎn)、道路交通、土地利用等9個(gè)反映人類影響的全球數(shù)據(jù)層納入指標(biāo)分析，基于人類影響程度判斷地區(qū)的荒野程度，進(jìn)而識(shí)別了世界每個(gè)生物群落的荒野區(qū)域。歐洲荒野研究證明山區(qū)存有大范圍的荒野，山區(qū)生境的粗糙度和異質(zhì)性越高，其保留原始動(dòng)植物和棲息地的可能性就越高[1,22]，因此將地形崎嶇度(ruggedness)納入荒野指標(biāo)體系。

隨著荒野制圖研究的深入，國家和地區(qū)尺度荒野制圖開始逐漸納入荒野感知(wilderness perception survey)調(diào)查，對(duì)經(jīng)典的荒野制圖模型進(jìn)行區(qū)域化改進(jìn)，如瑞士根據(jù)當(dāng)?shù)貙＜艺{(diào)查結(jié)果，確定了包括17個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)層的4項(xiàng)指標(biāo)：自然度、遙遠(yuǎn)度、未受人類影響程度、地形崎嶇度，以及權(quán)重方案[15]；意大利進(jìn)行公眾調(diào)查，調(diào)查對(duì)象包括當(dāng)?shù)剞r(nóng)民、居民和游客三類利益相關(guān)群體，采用訪談的定性證據(jù)與問卷的定量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，最終得到包含14項(xiàng)空間指標(biāo)的4個(gè)荒野指標(biāo)集：過去和現(xiàn)在的土地利用情況、人工基礎(chǔ)設(shè)施的影響、遇到野生生物和其他人類的可能性以及考慮地形和植被覆蓋的區(qū)域的大小及其可達(dá)性。借助公眾參與的方式能夠識(shí)別新興的荒野指標(biāo)，擴(kuò)展荒野指標(biāo)體系，如在荒野指標(biāo)中增加了時(shí)間尺度分析，考慮從過去到現(xiàn)在因人類改造的土地利用變化情況，將1860年至今的多版本的土地利用數(shù)據(jù)納入到指標(biāo)分析中；還納入了反映生態(tài)價(jià)值的數(shù)據(jù)集，如利用當(dāng)?shù)刂甘疚锓N(如狼、熊)點(diǎn)位分布數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度分析，進(jìn)而得到遇到本地野生動(dòng)物的可能性地圖[10]。

綜合比較不同尺度的荒野指標(biāo)體系構(gòu)建，可知目前通用的荒野指標(biāo)包括自然度、遙遠(yuǎn)度、未受人類影響的程度及地形崎嶇度，其中地形崎嶇度主要適用于地形復(fù)雜的地區(qū)[8,15]。在不同尺度上，全球和大洲荒野制圖的可用指標(biāo)數(shù)據(jù)有限，荒野指標(biāo)體系構(gòu)建較為簡單，指標(biāo)從這4項(xiàng)通用指標(biāo)中選?。欢鴩液偷貐^(qū)尺度的荒野制圖根據(jù)專家或公眾意見確定指標(biāo)體系，通過在指標(biāo)體系中擴(kuò)展指標(biāo)數(shù)據(jù)層或增設(shè)二級(jí)指標(biāo)的方式，確定更加科學(xué)合理的指標(biāo)和權(quán)重方案。其中專家經(jīng)驗(yàn)是目前應(yīng)用較多的方法，該方法具有一定的靈活性，可根據(jù)區(qū)域?qū)＜业恼{(diào)查結(jié)果調(diào)整指標(biāo)體系。但通過自上而下的方式確定的指標(biāo)及權(quán)重具有一定的主觀性，而公眾調(diào)查能夠反映利益相關(guān)者的意見，提升指標(biāo)體系的客觀性，從而能更加準(zhǔn)確地識(shí)別當(dāng)?shù)鼗囊氨Ｗo(hù)的沖突區(qū)域，為當(dāng)?shù)鼗囊氨Ｗo(hù)提供科學(xué)合理的建議。因此，提升荒野制圖質(zhì)量需要對(duì)荒野指標(biāo)進(jìn)行深入挖掘，識(shí)別能反映當(dāng)?shù)鼗囊疤卣鞯南嚓P(guān)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建更加全面、客觀的荒野指標(biāo)體系。

2 荒野制圖方法

荒野制圖研究對(duì)不同尺度的制圖方法進(jìn)行了探索，不斷尋找更加科學(xué)、準(zhǔn)確的制圖方法，以提升荒野地圖的質(zhì)量?；囊笆且粋€(gè)相對(duì)的概念，世界上沒有絕對(duì)自然、不受人類干擾的區(qū)域。Nash提出了“荒野連續(xù)譜”的概念，指出連續(xù)譜中從一端高度自然的原始野地向另一端受到人類高度改造的現(xiàn)代景觀過渡，荒野位于自然性高的連續(xù)譜中，將荒野地圖從是否存在的二重性轉(zhuǎn)為相對(duì)性[23]，為識(shí)別荒野提供了堅(jiān)實(shí)的概念基礎(chǔ)。早期的大尺度荒野制圖使用布爾(Boolean)運(yùn)算，通過簡單的離散標(biāo)準(zhǔn)直接判斷荒野邊界，如McCloskey等[24]在首次荒野制圖研究中，以面積大于4 000平方公里且距離各類人工設(shè)施至少6公里的區(qū)域?yàn)榛囊皹?biāo)準(zhǔn)，識(shí)別了全球陸地表面的三分之一為荒野區(qū)；多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)(Multi-Criteria Evaluation, MCE)基于“荒野連續(xù)譜”的概念基礎(chǔ)對(duì)自然度、遙遠(yuǎn)度、遠(yuǎn)離人類影響程度等多個(gè)荒野指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)線性組合，能夠反映荒野的質(zhì)量變化情況，目前廣泛應(yīng)用于各個(gè)尺度的荒野保護(hù)實(shí)踐[1,8-15,19-21]。

新數(shù)據(jù)環(huán)境下，眾包數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)填補(bǔ)了缺失指標(biāo)數(shù)據(jù)的空白，提升了指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，目前已經(jīng)在全球、國家及地區(qū)多尺度運(yùn)用實(shí)踐。如See等[18]借助地理維基(Geo-Wiki)工具，通過眾包(crowdsourcing)的方式在超過10萬個(gè)獨(dú)特地點(diǎn)收集了超過15萬個(gè)人類影響樣本點(diǎn)，從而獲取不同人類影響程度的土地覆蓋數(shù)據(jù)，使用眾包數(shù)據(jù)重新繪制全球人類影響地圖；馬爽等利用反映人類流動(dòng)的騰訊LBS大數(shù)據(jù)，通過識(shí)別沒有人類活動(dòng)的區(qū)域識(shí)別荒野地區(qū)，對(duì)中國大陸荒野制圖結(jié)果進(jìn)行修正，補(bǔ)充指標(biāo)數(shù)據(jù)中人類活動(dòng)影響的屬性特征的描述[25]。國家和地區(qū)尺度的荒野指標(biāo)數(shù)據(jù)有較高的精度和質(zhì)量，可通過復(fù)雜的空間建模技術(shù)提升荒野制圖指標(biāo)計(jì)算的準(zhǔn)確度，如蘇格蘭的荒野制圖項(xiàng)目開發(fā)了復(fù)雜的遙遠(yuǎn)度和可視性的模型[8]，利用行走時(shí)間模型(travel time models)計(jì)算遙遠(yuǎn)度，考慮可達(dá)性受到坡度、土地覆蓋類型和障礙特征(例如開闊水域和非常陡峭的斜坡)的影響，結(jié)合地形和土地覆蓋等數(shù)據(jù)，通過創(chuàng)建時(shí)間成本柵格估計(jì)到最近道路的行走時(shí)間，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)中的成本距離(Cost Distance)工具對(duì)偏遠(yuǎn)空間可視化；考慮到荒野地區(qū)對(duì)人類活動(dòng)及人工基礎(chǔ)設(shè)施的存在特別敏感[4]103-116，將可見度模型(visibility models)納入到現(xiàn)代人工設(shè)施的缺乏度指標(biāo)中，結(jié)合地形數(shù)據(jù)和具有視域算法的土地覆蓋數(shù)據(jù)集，計(jì)算可見人工基礎(chǔ)設(shè)施的視域范圍，并根據(jù)其距離衰減效應(yīng)的相對(duì)大小來計(jì)算其對(duì)人類視覺的影響。相較于大尺度荒野制圖中基于簡單線性距離的計(jì)算方式[6，12]，應(yīng)用更加貼近實(shí)際情況的計(jì)算模型能夠提高指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，從而得到高質(zhì)量的荒野地圖。

綜合來看，荒野制圖方法根據(jù)目的的不同劃分為兩類：指標(biāo)計(jì)算和指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，各方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)(如表1所示)，通過眾包方法收集的數(shù)據(jù)會(huì)依賴數(shù)據(jù)樣本，需要收集非常多有代表性的數(shù)據(jù)才能夠保證其可信度，空間建模技術(shù)需要考慮各層數(shù)據(jù)與指標(biāo)的關(guān)系，如何科學(xué)地量化其復(fù)雜的關(guān)系是至關(guān)重要的問題。鑒于此，新興數(shù)據(jù)的應(yīng)用和模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性和科學(xué)性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。布爾運(yùn)算和多指標(biāo)評(píng)價(jià)在識(shí)別荒野中存在一定的互補(bǔ)性：布爾運(yùn)算能直接判斷荒野邊界，但無法識(shí)別荒野質(zhì)量；而多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)可以反映荒野質(zhì)量變化，但對(duì)荒野質(zhì)量分類尚未有廣泛適用的閾值，對(duì)荒野核心區(qū)的識(shí)別還需要進(jìn)一步研究，因此未來對(duì)制圖方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性的提升是荒野制圖研究不斷發(fā)展的方向。

表1 荒野制圖方法的比較

3 荒野制圖應(yīng)用

不同尺度的荒野制圖在數(shù)據(jù)、指標(biāo)和制圖方法方面存在差異，因而得到不同質(zhì)量的荒野地圖，顯示不同的應(yīng)用價(jià)值(如表2所示)。全球和大洲荒野制圖的數(shù)據(jù)可用性低，選擇的指標(biāo)體系和制圖方法都較為簡單，得到的荒野地圖較粗糙，主要用于識(shí)別和監(jiān)測荒野狀況，為全球或大洲的荒野保護(hù)提供信息，如全球人類影響(Human Impact)地圖識(shí)別了全球10%的荒野地區(qū)，為確定全球的荒野保護(hù)目標(biāo)提供了信息[18]。歐洲環(huán)境署(European Environment Agency，EEA)提供了一份最新的歐洲荒野質(zhì)量地圖[1]，選擇歐洲范圍最佳可用且空間分辨率一致的數(shù)據(jù)集，基于土地覆蓋和植被的自然度、距聚居點(diǎn)遙遠(yuǎn)度、距道路遙遠(yuǎn)度、地形崎嶇度四項(xiàng)荒野指標(biāo)，獲得較高質(zhì)量的歐洲荒野地圖，能直接為歐洲荒野保護(hù)決策及政策的制定提供信息。

表2 荒野制圖應(yīng)用的比較

而國家和地區(qū)荒野制圖的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度更高，指標(biāo)體系更加全面，指標(biāo)權(quán)重更加客觀，指標(biāo)計(jì)算方式也更加復(fù)雜，得到較精細(xì)的荒野地圖，能有效支持當(dāng)?shù)鼗囊氨Ｗo(hù)規(guī)劃和管理實(shí)踐，甚至可以用于輔助荒野保護(hù)政策及相關(guān)國家戰(zhàn)略的制定。如蘇格蘭荒野制圖起初的研究對(duì)象是Cairngorms和 Loch Lomond and The Trossachs 兩個(gè)國家公園[8]，首先根據(jù)土地覆蓋的自然度、現(xiàn)代人工設(shè)施的缺乏度、距道路遙遠(yuǎn)度和地形崎嶇度4項(xiàng)指標(biāo)繪制荒野連續(xù)譜；隨后通過對(duì)連續(xù)譜重分類確定荒野核心保護(hù)區(qū)，輸出的荒野地圖可直接為當(dāng)?shù)鼗囊氨Ｗo(hù)提供信息，輔助國家公園分區(qū)規(guī)劃與管理決策的制定，后續(xù)也成為蘇格蘭規(guī)劃政策的一部分 。

4 研究展望

在全球氣候變化和快速城市化的背景下，保護(hù)荒野是維持人與自然和諧相處的有效手段。隨著全球荒野存量的不斷下降，荒野保護(hù)成為自然保護(hù)的重要議題?；囊爸茍D研究作為其保護(hù)規(guī)劃的空間基礎(chǔ)具有重要意義，迫切需要得到進(jìn)一步的理論研究和實(shí)踐發(fā)展。而荒野制圖質(zhì)量與指標(biāo)數(shù)據(jù)、指標(biāo)體系、制圖方法有關(guān)，并產(chǎn)生不同的應(yīng)用價(jià)值，因此在未來的研究中，荒野制圖的研究重點(diǎn)應(yīng)從以下四個(gè)方面展開。

4.1 關(guān)注新興數(shù)據(jù)，提高指標(biāo)數(shù)據(jù)的可用性

隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)獲取變得越來越容易，數(shù)據(jù)質(zhì)量也在不斷提高。由于尺度效應(yīng)，荒野制圖的結(jié)果受數(shù)據(jù)的限制，尤其是全球和大洲尺度，其指標(biāo)數(shù)據(jù)分辨率和完整性都較低，獲得的地圖質(zhì)量較差。此外，還有部分指標(biāo)因缺失數(shù)據(jù)而使用替代指標(biāo)，造成地圖結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。因此，未來研究應(yīng)一方面注重獲取高分辨率的指標(biāo)數(shù)據(jù)，可借助最新的數(shù)據(jù)研究成果[26-27]；另一方面，加強(qiáng)眾包數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)等新興數(shù)據(jù)的應(yīng)用，填補(bǔ)部分指標(biāo)數(shù)據(jù)的缺失，通過提高指標(biāo)數(shù)據(jù)的可用性，實(shí)現(xiàn)對(duì)指標(biāo)的準(zhǔn)確計(jì)算，得到更加準(zhǔn)確、清晰的荒野地圖。

4.2 注重公眾參與，加強(qiáng)指標(biāo)體系的客觀性

荒野的內(nèi)涵包括“生態(tài)荒野”和“感知荒野”，然而目前荒野指標(biāo)的選取更多的是基于地理特征，對(duì)社會(huì)文化因素考慮較少,對(duì)指標(biāo)權(quán)重的確定也主要基于專家調(diào)查的方式，構(gòu)建的荒野指標(biāo)體系較為主觀片面。為克服這一局限可以選擇納入荒野感知調(diào)查，通過公眾參與的方式確定荒野指標(biāo)和權(quán)重方案。當(dāng)?shù)厝说膮⑴c能夠給荒野保護(hù)提供科學(xué)客觀的反饋，對(duì)區(qū)域保護(hù)規(guī)劃具有重要意義。在今后的研究中，荒野制圖應(yīng)加強(qiáng)公眾參與，推廣使用這類自下而上的方法選取荒野指標(biāo)和確定權(quán)重方案，構(gòu)建更加全面、客觀的荒野指標(biāo)體系。

4.3 重視方法優(yōu)化，提升制圖方法的科學(xué)性

荒野制圖方法在不同尺度上都存在一定的局限性和適用性，可通過結(jié)合不同制圖方法的方式優(yōu)化制圖方法。如曹越等人采用布爾運(yùn)算和多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式不僅識(shí)別了離散的荒野斑塊，還得到荒野質(zhì)量空間分布情況[20]，這種綜合的方式克服了單一制圖方法應(yīng)用的局限性。此外，目前荒野指標(biāo)的計(jì)算模型中對(duì)相關(guān)影響因素的定量研究還存有不足，模型結(jié)果的準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同影響因素的相關(guān)定量研究，不斷對(duì)模型進(jìn)行修正，提高模型計(jì)算方法的科學(xué)性。總體來說，未來荒野制圖研究需要對(duì)制圖方法不斷優(yōu)化，選擇最為科學(xué)合理的制圖方法。

4.4 重視保護(hù)實(shí)踐，拓展荒野制圖的應(yīng)用價(jià)值

荒野制圖能夠提供有關(guān)荒野的空間信息，有著多重應(yīng)用價(jià)值。目前荒野地圖主要通過識(shí)別荒野區(qū)域?yàn)榛囊氨Ｗo(hù)規(guī)劃和管理提供信息。然而荒野作為生物多樣性和生態(tài)完整性較高的區(qū)域，荒野制圖的應(yīng)用不僅僅局限于荒野保護(hù)，還有其他方面的潛在應(yīng)用，如將荒野地圖作為自然保護(hù)價(jià)值數(shù)據(jù)，進(jìn)行國家公園及自然保護(hù)區(qū)的規(guī)劃選址等方面的研究；將荒野地圖作為生態(tài)連通性分析的源數(shù)據(jù)，預(yù)測野生動(dòng)物的生態(tài)廊道，開展生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[28]、生態(tài)修復(fù)等方面的研究?；囊爸茍D在自然保護(hù)方面存有潛在應(yīng)用，未來研究應(yīng)將其與自然保護(hù)聯(lián)系在一起，獲得更廣泛的應(yīng)用。