DEM形态分析在丘陵地形景观建构中的应用——以株洲市为例*

杨 帆，魏春雨，李 博，尹 芳

(1．湖南大学 建筑学院，湖南 长沙 410082；2．中南大学 建筑与艺术学院,湖南 长沙 410075)

随着国家空间数据基础设施(NSDI)建设的深入以及中国科学院计算机网络信息中心陆地卫星(Landsat)数据服务的开放，运用ArcGIS技术对数字高程模型(Digital Elevation Model简称DEM)进行深层次数据挖掘和分析越来越便捷．基于DEM的景观研究主要是利用GIS从数字高程模型中获取各种地形信息，分析地形对景观结构与生成过程的影响，可为国民经济的发展、资源环境的保护、生态环境的建设提供参考.

快速城市化进程中，城市规模的扩大匹配增长迅速的城市人口，城市发展开始郊区化[1]．但是在湖南等呈现丘陵地形的城市中，除去老城区相对较平坦的建设用地，郊区往往是丘陵山区，成为城市扩张的主要障碍.其垂直高度和坡度的限制造成该地区建设投资费用普遍比平地地区高.山川的隔绝和地形的升降起伏，增加了当地交通系统关联的复杂性与难度，运输环节也受到一定的影响[2].景观和交通的可达性受到影响.且丘陵城市限建区较多，宜建地较少，农业用地往往被占用，农业发展和城市建设矛盾突出[3].此外，由于具有特殊的地质构造，丘陵地区生态环境脆弱，自然原生灾害频繁，并容易诱发次生灾害[4].

在此背景下，将DEM数字高程的可视化分析应用于城市空间格局分析、景观格局定量分析、动态模拟实验，和地形景观建构模拟数据及效果客观分析，对具有丘陵地区生态特性的城市化建设起着量化指导作用.

1 DEM应用概述

1.1 DEM数据来源与分析方法

数字高程模型(Digital Elevation Model)用于表示区域D上的三维向量有限序列对应的高程[5]．当该序列中各向量的平面点位成规格网排列时，则可将其平面坐标忽略，从而把三维向量序列转化为一维向量序列的数据[6].数据主要来源于等高线、卫星切片、相似立体模型，在此基础上进行数据内插，进行计算后得到模型及数据，如图1所示.

图1 DEM集成方法

1.2 国内外景观建构中DEM的应用

DEM可用于测绘等高线、坡度、坡向、立体透视图，军事上可用于导航、通信和作战任务的计划等.在环境与规划中可用于土地利用现状的分析、各种规划及洪水险情预报等.也有学者用于研究景观格局和功能，如图2所示.

本文选取湖南省株洲市为研究区进行建构实验，对典型的丘陵地形进行坡高、坡度及坡向的研究，利用GIS从数字高程模型中生成坡度分布图和坡向和高程分布图，建立了一个基于地形的景观格局模型.

图2 Baikal湖区DEM高程图

2 技术路线

2.1 数字高程模型的技术支持

本文采用地形数字化仪跟踪现有地形图中的等高线获取DEM数据.用地形图构建研究区DEM流程图，见图3.

图3 地形图构建研究区DEM流程图

2.2 创新性

本文主要从宏观与中观尺度上提出丘陵地形景观建构的概念.基于DEM和ArcGIS等技术进行丘陵地区景观格局分析(图4)，提出了丘陵城市景观建构的理论基础、基本原则与特点，并研究与其相关的方法体系.探讨丘陵地形背景下的景观建构的适应性，以及城市化发展策略调控机制，并提出了有利于提高丘陵城市景观综合效益的利用对策.

图4 景观建构流程图

3 基于DEM可视化分析下的株洲市景观地形特征研究

在丘陵地区的景观设计中，不同的地形其特征也不同，因此它也会形成不一样的景观空间感受[7].在它的基本形式上，我们可以利用地形高程、坡度、高程和平面形式等方面进行定位分析.高程、坡度和坡向是测量地形分化的3个主要特征，但也是决定景观分化(如土壤、气候和水文)的主导因素.在本项研究中，基于地形数据的分析，利用2012年的株洲市土地利用景观格局地图和地形因子分布图叠加分析.

3.1 株洲市景观地形垂直分布

株洲市高程图见图5，将高程分为5级，<500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m，1 500～2 000 m，>2 000 m.可以发现研究区的景观类型分布与高程的关系：水田，水域，住宅区和工业用地以及未利用地主要分布在高程为500 m以下的区域，低海拔区域分布有大部分的居民点和工矿用地，占其总量的91%；并且水域在500 m以下区域的分布占总面积的80.12%.除此之外，灌木林地和林地等有将近40%分布在500～1 000 m高程的区域，但是灌木林地和林地在人口聚集的、高程为500 m以下的区域分布面积较500～1 000 m高程带明显减少，其分布比例为10.66%，13.12%；在500 m以下高程带内旱地的分布比例为52.78%，在500～1 000 m区域内草地的分布比例为44.23%，在高程为1 500 m以上的区域内分布的旱地和草地只占到了整个区域这个类型的景观很小的比例，分别为2.2%与11.7%.

图5 株洲市高程图

从整体上来看，随着高程的增加，水田、旱地的比重逐渐减少．当高程大于500 m时，水体面积、居民区及工矿用地分布、未利用地会随之急剧减少；当高程小于500 m时，则在高程带内分布有各种各样的景观类型，且面积相对较大，水体面积占到了80%左右；当高程带处于500～1 000 m区间时，分布的景观类型里，除水域和居民点外，其他类型分布差异较大，其它林地占到了42%，水田则只占到20%；当高程大于1 500 m时，区域内灌木林地占的比例为14%，其次林地与草地占比例也相对较大，而分布的其他景观类型比例基本上小于9%；在500～1 000 m高程带，分布比例最大的是林地和灌木林地，但是当高程大于2 000 m时，区域水田和居民点以及工矿用地和未利用地几乎没有分布，其中草地分布有5.38%，林地和灌木林地为4%左右，其他类型的景观很少，比如旱地和水域只占3%的比例，由于地势较高而人为干扰较小，各景观类型分布较集中.

3.2 株洲市景观地形坡度分布

地形最显著的特征是坡度，也就是地平面和坡面产生的夹角[8].自古以来人类对土地的利用一般会受限于场地的坡度，地形的坡度越大，对场地的设计影响越大.根据现有的资料可知，当坡度大于5%时，在此类地形上铺设道路，以及建设给水工程和供热工程的时候，往往在工程技术上所花费的人力和物力明显高于平原地区的同类工程.另一方面因为地形的坡度可以增加地表的面积，延长道路的长度，我们可假设：当地形的平均坡度为5%时，在地形上的道路长度为L，当坡度为5%～10%时，坡度每增加1%.道路长度l=2L．由此可见，坡度影响地形，坡度对工程也是一个很重要的因素，具体见表1.

以株洲市坡度图(图6)为例进行坡度分析：

将坡度分为0～5°，5～8°，8～15°，15～25°，25～35°，>35° 6个级别进行分布统计.可以得出景观格局在不同坡度带中的分布数据：城市用地有一半以上分布在0～5°范围内，50%的未利用地分布在该区域内；并且该区的景观类型与人类生产生活等活动紧密相关，最容易受到人类的活动干扰和破坏；约有70%的水域景观类型分布在0～5°的坡度区域范围之内；坡度达到25°以上时，区域内分布的景观类型主要是林地、灌木林地和草地，在这个坡度范围内的区域人为影响相对比较小，所以自然环境的开发破坏较少.

图6 株洲市坡度图

表1 坡地分级标准与建设可能性的关系

3.3 株洲市景观地形坡向分布

具体方法可将株洲市整体地形的坡向分为5种：平坦、东、南、西、北向．由数据分析可以直观得出株洲市地形坡向与景观空间的分布之间的关系：在上列的5个坡向上，所有的景观类型基本上都有分布．其中，在平坦(稍带凹陷)的地方水域景观分布最多；但是林地、灌木林地以及其它林地等景观类型在无坡向区域基本上不分布，说明这些区域因为被开发，已经不再适合上述景观类型的存在．在各个坡向上，草地景观的的分布基本相近，相比较而言，在株洲市地形中东面坡向的草地景观会分布稍多；而北面坡向地区也因为其区域的水分条件相对较好，所以林地景观的分布比南面坡向地区多.此外，在各坡向上分布最平均的是居民点和工矿用地，由此表明：坡向对人为改造活动的影响较小，如图7所示．

图7 株洲市坡向图

4 结 论

4.1 景观构建策略

综上所述，景观建构分析过程中利用到的各软件与技术以及各步骤的衔接关系如图8所示．

图8 景观建构分析流程图

丘陵地形因子是丘陵地区景观类型分布的基本骨架，在不同程度上影响着各种自然或人为的干扰，使得该地区景观的分布规律与地形因子在空间分布上具备一定的一致性[9].另一方面，作为景观设计中最为基本的因素，地形也是“景”的基本骨架构成，由于景观是处于生态系统之上，大地理区域之下的中间尺度，许多土地利用和自然保护问题只有在景观框架下才能有效地解决[10].因此景观规划设计要依据丘陵地形高程变化，进行多层次空间的塑造，恰当解决丘陵地形下不利环境因素的制约，景观与地形相互融合从而形成流畅的空间序列，突出丘陵地区独具魅力的景观特色.

4．1．1 景观空间格局的形成机制

景观格局(Landscape Pattern)：景观格局一般指宏观与中观意义上的景观的空间格局(SpatialPattern)，是指形状、属性及大小不一的景观空间单元(斑块)在一定空间上的分布与组合及其组合形态和组合规律[11].

分析景观格局应研究各景观单元的拓扑特征，不同城市地理气候条件下的景观空间构成，及其研究过程中的可视化清晰表达．通过景观格局指数表达景观格局信息，反映景观结构组成和空间配置某些方面的特征，揭示景观空间结构与生态过程的定量关系，是景观格局量化研究的主要途径.目前对于景观格局的分析多局限于二维平面，以三维形态研究景观空间格局还很少见，结合地理设计的景观格局研究分析也较为少见.根据DEM数字地形形态分析，在尊重地域地形的前提下，建立了一套应用景观格局指数来描述景观格局及变化，联系格局与景观过程的定量化研究方法十分必要.

4．1．2 景观建构评价分析体系的基本层次

景观格局的建构体系，大致可分为描述景观要素指数和描述总体特征指数两类[12]．本文参考前人的研究成果，从面积和优势度、空间形态、聚合度和连接度、多样性等几个方面选取其中有明确指向性的11个指标对丘陵城市景观格局进行定量分析，研究中使用FRAGSTATS 软件进行计算.各指标的单位和值域见表2．

4.2 宏观控制策略

在快速发展的城市化进程中，城市发展在空间上的同一性和认同感呈现出衰减之势，引发了城市系统中的生态、社会和经济等方面的无序与分离等问题，并造成城市空间竞争机制失衡等并发症[13].而自然的山川格局、地形特征、植被形态等是构成丘陵地区城市风貌特色的自然基础和景观基质，丘陵景观是镶嵌在这一自然基质之上的嵌体[14]，因此，丘陵地区城市景观建构必须适应丘陵地区特色的自然生态系统，基于地形上的城市设计也必须满足地域性要求.在这一建构过程中，城市空间扩张的控制、自然资源的保护、人口容量、资源保护与再生，乃至城市山水地形肌理的延续与保护、城市自组织系统的发展与完善都将不可避免的受到影响.

表2 各景观格局指标单位与值域

株洲市处于城市高速发展的阶段.建设用地面积及城市景观面积大幅度增加，本文以DEM数字高程模型采用建立在对单个栅格点的类型判断基础之上的分类方法，对株洲市的地形、坡度、坡向、高程进行了聚合聚类分析，结合株洲市总规、绿地系统规划和未来城市土地利用规划，分析了以株洲市为代表的湖南浅丘陵地形条件下，坡度、坡相、高程等地形特征与城市景观开发的协调与制约关系.得出在城市开发及城市景观规划设计中应该尊重区域地形，强调区域原有的自然基础和景观基质，采取积极的生态保护措施，保护山水地形的结论.分类过程相对简单且易于实现.试验成果与分析对于景观格局研究， 城市土地规划研究有着重要意义.

[1]苏伟忠,杨英宝.基于景观生态学的城市空间结构研究[M].北京:科学出版社,2007.

SU Wei-zhong, YANG Ying-bao. Study on the city spatial structure based on landscape ecology [M].Beijing: Science Press, 2007. (In Chinese)

[2]魏春雨,彭姗妮,焦胜.长株潭"绿心"示范区规划构想[J]. 湖南大学学报:社会科学版,2010,24(6):156-160.

WEI Chun-yu, PENG Shan-ni, JIAO Sheng. Some conception of the planning of "Green Heart " demonstration district of Chang-Zhu-Tan[J].Journal of Hunan University: Social Sciences, 2010,24(6):156-160. (In Chinese)

[3]方文,刘杨,马立辉,等.丘陵地区高速公路景观设计研究[J].成都大学学报:自然科学版,2012,31(4):387-391.

FANG Wen, LIU Yang, MA Li-hui,etal. Research on landscape planning and design of express way in hilly area[J].Journal of Chengdu University: Natural Science,2012,31(4):387-391. (In Chinese)

[4]邵维懿,赵翠薇,谢永生,等.山地丘陵地区城市景观格局的粒度效应分析[C]//中国地理学会2013年学术年会:西南片区会议论文集. 2013:238-248．

SHAO Wei-yi, ZHAO Cui-wei, WANG Pei-bin,etal. Grain effect of urban landscape pattern in the mountain and hill areas[C]// Chinese Geographical Society 2013 Annual Meeting: Southwest Area Academic Conference Proceedings.2013:238-248. (In Chinese)

[5]丁伟翠.数字高程模型数据库管理系统开发及在地质制图中的应用[D].北京：中国地质科学院,2012.

DING Wei-cui. DEM database management system development and its application in geological mapping[D].Beijing:Geological Sciences of China,2012. (In Chinese)

[6]曹子荣.浅谈DEM数据匹配编辑及优化技术[J].测绘技术装备,2013,(3):75-77.

CAO Zi-rong. On the DEM data matching and optimization technology editor [J]. Geomatics Technology and Equipment, 2013,(3): 75-77. (In Chinese)

[7]杨洪晓,王凯荣,逄锦虎.青岛丘陵区生态农业园的景观设计[J].水土保持研究,2011,18(3):194-197.

YANG Hong-xiao,WANG Kai-rong, PANG Jinhu. Land-scape design of ecological agriculture park in Qingdao hilly areas[J].Soil and Water Conservation,2011,18(3):194-197. (In Chinese)

[8]杨存建,赵曦琳,周其林,等.丘陵地区DEM与坡度的尺度效应分析[J].地球信息科学学报,2013,6:814-818.

YANG Cun-jian, ZHAO Xi-lin, ZHOU Qi-lin,etal. Analysis of scale effect characteristics of DEM and slope in hilly areas [J]. Journal of Earth Information Science, 2013,6:814-818. (In Chinese)

[9]刘维东,陈其兵,王甲.丘陵地区城市山地森林景观营建探究--以四川省三台县凤凰山城市森林公园为例[J].安徽农业科学,2012,40(15):8601-8604.

LIU Wei-dong, CHEN Qi-bing, WANG Jia. Construction of urban mountain forest landscapes in low hilly areas[J].Journal of Anhui Agriculture Science,2012,40(15):8601-8604. (In Chinese)

[10](德)格哈德·库德斯.城市形态结构设计[M].杨枫翻译.北京:中国建筑工业出版社, 2006:45-65.

GERHARD CURDES． The design of city morphological structure[M].Yang Feng, translator. Beijing: China Building Industry Press,2006:45-65. (In Chinese)

[11]陈利顶,孙然好,刘海莲.城市景观格局演变的生态环境效应研究进展[J]. 生态学报,2013,33(4):1042-1050.

CHEN L D, SUN R H, LIU H L. Eco-environmental effects of urban landscape pattern changes: progresses, problems, and perspectives[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013,33(4):1042-1050. (In Chinese)

[12]彭姗妮,魏春雨.长株潭城市群体空间结构研究及相关建议[J].湖南科技大学学报:社会科学版,2012,15(1):103-107.

PENG Shan-ni, WEI Chun-yu. The spatial structure research of Changsha, Zhuzhou and Xiangtan City Group and some suggestions[J]. Journal of Hunan University of Science and Technology: Social Science Edition, 2012,15(1):103-107. (In Chinese)