基于“3S+U”技术的武夷山国家森林步道选线探析

黄培森，邱诗颖，肖海苏

(1福建省林业调查规划院，福建 福州 350003；2福建省国有林场发展中心，福建 福州 350003)

徒步运动最早源于欧美国家，并逐渐成为人们休闲游憩的重要方式。二战后，国家步道体系逐渐进入规模化建设，并成为这些国家重要的基础设施和国家形象的组成元素，发挥出环境教育、文化传承、区域发展等多种功能。当前我国关于森林公园游步道、旅游步道、登山健身步道等方面的规划研究较多[1-4]，但对国家森林步道的研究及实践很少。国家森林步道是一种长跨度、高品质的带状综合体验空间，具有运动、休闲、康体、观景、教育、研学等多种功能，是国家重要的地理、生态和文化地标。因此，线路的选择必须符合国家规定的基本要求。此前，步道的选线一般依赖现场勘察、地图分析和经验指导，缺乏运用空间分析技术进行线路选择的经验。随着科技的发展，“3S+U”技术在信息采集、影象处理、空间分析和数据管理等方面表现了明显优势。“3S+U”技术包括3S技术和无人机(UAV)技术两部分。其中3S技术是RS、GIS和GPS的统称，是空间技术、传感器、卫星定位与导航和计算机、通讯技术相结合的现代信息技术[5]，三项技术相对独立，但在应用上又有关联。UAV技术主要是利用无人机遥感平台，将航空数码相机安装在机上，运用惯性测量技术、全球定位技术等进行相应的航空拍摄。它具有速度快、精确高、视角广等优点，能更高效地获取相关的地理信息、影象及数据等[6]，可为3S技术提供更直接的辅助，更好地实现国家森林步道各类数据的融合、分析及管理。本文结合工作实践，将“3S+U”技术集成应用于武夷山国家森林步道选线规划之中，提高了工作效率与精度，并取得了良好的效果，能够较好地满足国家森林步道总体规划选线的要求，有效解决技术难题，提高选线的科学性和准确性。

1 武夷山国家森林步道基本概况

武夷山国家森林步道涉及福建、江西及浙江三省。福建省境内线路全长1 616.64 km，约占总长度的85%，跨3个设区市、16个县(市、区)，南起龙岩市的武平县，北止南平市的浦城县，串联起世界文化与自然遗产以及许多著名的景区景点，分布有典型的地带性植被。徒步者可从中感受到丰富多样的生物多样性、绚丽优美的山川河流以及独具特色的文化底蕴。经调查，沿线景观资源主要有世界遗产、国家公园、地质公园、自然保护区、森林公园、湿地公园、文化遗迹等，共计167处。

2 选线要求与难点

2.1 选线要求

2.1.1 国家代表性

国家森林步道是高品质的徒步线路，应优先穿越或邻近具有国家代表性和当地著名的景观资源，充分体现其核心价值，展现具有国家代表性的地脉、林脉、文脉，塑造国家形象。

2.1.2 自然荒野性

国家森林步道要最大限度地保持沿线生态系统的完整性和原真性，体现自然荒野风貌。应充分利用已有的古道、山间小径、林区道路，减少建设，避免对生态环境的破坏。

2.1.3 人地安全性

国家森林步道必须具备旅行者徒步过程的安全条件，难度适中，有基本的安全设施，线路应尽量避开安全隐患区域和地质灾害点。所选线路不能对现有生态环境造成不可逆的破坏。应避开野生动物迁徙通道，并与珍稀野生动植物的栖息地(生长地)保持一定的安全距离。

2.1.4 服务有限性

国家森林步道要求至少60%以上的路段必须穿越森林区域。为维持生态完整性，步道沿线应按照最低限度原则建设相关设施(如补给点、露营地、庇护所等)，以满足徒步者的基本生存需求。

2.2 选线难点

武夷山国家森林步道是国家林业和草原局首批发布的国家森林步道之一。目前仅福建省率先完成总体规划工作，没有可供借鉴的先例，因此步道选线工作极具挑战性。主要表现为：①线路途径武夷山脉广袤的林区、山区，沿线地形地貌复杂多变，森林植被茂密繁盛，作业条件差；②步道地跨三个设区市，16个县(市、区)，线路长、跨度大、不可预见因素多；③在调查过程中，需要采集不同类型的数据或资料，主要包括景观、植被、水文、高程、坡度、坡向、古道、关隘、生态敏感点、补给点、交通、医疗等，需考虑的因素众多；④在满足选线要求的基础上，内业过程中还必须对所获得的各种数据进行有效读取、存储、处理、分析和管理，构建可视化影象视图，最终形成科学合理的线路走向等。

3 “3S+U”技术应用

3.1 技术流程

主要包括四个部分(图1)。①前期准备。根据技术要求，配备、收集相关的器具与资料等。其中RS技术应用于高清卫星影像分析与判读；GIS技术应用于地形图、卫片及所采集轨迹的分析处理与数据管理；GPS技术应用于现场踏勘，实时记录路线轨迹与点位信息；UAV技术应用于现场调查，记录主要节点、周边环境以及暂时无法穿越区域的影像信息。②条件分析。基于ArcMap、Global Mapper等软件，开展植被、高程、边界、服务设施、三维空间等多角度分析。③线路规划。根据国家森林步道的选线要求，进行选线影响因子分析评价，运用ArcMap软件进行数据分析，界定适宜范围，并与GPS记录的线路轨迹进行比对，综合确定步道的布局走向，计算步道的长度。④规划成果。基于ArcMap、ArcScene、Global Mapper等软件，制作三维地形地貌规划图、路线动态演示视频、线路节点高程图、区域类型图，并进行数据统计及难易分级等。

图1 基于“3S+U”技术的步道选线流程图

3.2 应用概述

3.2.1 前期准备

其一，预先准备好武夷山国家森林步道途径区域的高清卫片、1：1万地形图、景观景点位置图、涉及县(市、区)行政地图、敏感区域分布图等资料，用于外业调查和内业整理；其二，配备全自动手持GPS定位仪，用于记录重要节点位置、调查轨迹等信息；其三，采用科卫泰KWT-X6L/M六旋翼无人机与大疆Mavic Air无人机相结合进行航拍，用于记录步道沿线的环境状况(如地貌、植被、水域等)、三维景观实景图像，以及后期视频剪辑和VR制作等。要求备足电池，事先了解信号干扰及禁飞区域。使用大型无人机，必须向空管部门申报航线。

受山区地形起伏影响，使用卫片投影可能产生较大的变形。因此需要使用ArcMap软件的“地理配准”工具通过叠加高清卫片与地形图，使两者数据信息一致。使用“空间校正”工具将轨迹(点)叠加到地形图上。若坐标系不一致，还需要使用“投影变换”工具对数据进行转换，确保外业采集数据与基础底图在同一个坐标系里正确显示，以便于后期条件分析。最后，将矢量数据通过创建TIN及TIN转栅格等工具生成DEM(数字高程模型)，或者向专业公司付费，购买相应的地图数据。

3.2.2 条件分析

通过图层叠加，对武夷山国家森林步道沿线植被、高程、坡度、坡向、水文、敏感区域及服务设施等数据进行处理分析，作为线路规划的重要依据。例如，基于ArcMap软件，可导出植被分析图，再与高清卫片进行比对，以判断步道是否穿越地带性植被；使用“等值线”工具分析山体高程，使用“坡度”工具分析山体坡度，并据此计算步道难度；使用“坡向”工具分析山体走向，作为观景平台、露营地选择的参考依据；使用“水文分析”工具，在步道选线时尽量避开汇水区及可能发生山洪的地段等。

3.2.3 线路规划

针对武夷山国家森林步道特点，依照选线要求，分景观、区域、安全、服务4大类要素，并细分为13个影响因子，作为线路规划的重要指引方向(表1)。福建省为低山丘陵地貌，森林步道途经南(平)、三(明)、龙(岩)三个传统林区，在山区分布有许多村镇、村落。因此，每隔15～20 km可设置一处补给点，无补给条件的区域，可设置露营地，为长距离徒步旅行者提供补给。

根据国家林业和草原局发布的初步线路总体走向，基于以上13个影响因子，对沿线区域进行综合分析，突出线路的核心价值与高品质体验空间。运用ArcMap软件的“缓冲区”等工具，界定出步道建设的适宜范围，并在此基础上，参照无人机航拍的实景照片、条件分析的图纸与数据，选择出适宜线路；再与实地勘测的线路轨迹进行比对、调整，确定步道走向布局，最后计算出步道长度。

4.2.4 规划成果

基于ArcScene软件，以高清卫片为基础，通过DEM地面获取的高程数据，生成线路鸟瞰视图，或者使用LocaSpaceViewer(图新地球)软件生成。本文以武夷山国家森林步道浦城段线路鸟瞰视图为例(图2)，使用ArcMap软件“创建剖面图”工具计算生成步道线路的剖面图及节点高程等相关数据。高程图也可以使用Global Mapper软件生成，如武夷山国家森林步道南平段高程示意图(图3)。线路区域类型、建设类型、难易程度等规划成果，可在高清卫片、无人机航拍实景照片的辅助下，基于ArcMap软件计算得出。

图2 武夷山国家森林步道浦城段鸟瞰视图

图3 武夷山国家森林步道南平段高程示意图

5 总结讨论

武夷山国家森林步道在福建省境内穿越或临近20多座海拔1 000 m以上的高峰，沿线地形复杂多变，森林植被茂密繁盛，在进行选线规划时，存在许多技术难点。笔者在查阅大量相关资料后，尝试将3S技术与UAV技术相结合，应用于实地选线中，经初步尝试，取得了明显成效。应用“3S+U”技术不仅提高了成果精度，而且制作的图件立体感强、美感度高、质量好。

“3S+U”技术的核心在于两者之间在空间信息上是可以互通的。3S技术在数据分析、管理上具有优势，而无人机技术能够提供全面的实景感受，便于内业分析、选线比较等。两项技术的综合应用，能形成优势互补，节省调查与勘测费用。在通行条件不良的地区，该技术优势更加明显，更值得推广应用。即使在交通方便地区，该技术也可以作为现场勘察、经验分析、二维选线等传统方法的重要补充。

本方法初步应用于武夷山国家森林步道部分路段的选线，技术上仍有不足之处。如选线影响因子中可能存在其它重要因子未入选的问题以及影响因子如何具体量化；在进行多线路比对中，游憩价值与建设影响之间如何合理平衡等。因此，该技术尚需继续探索、完善，以便日后大范围推广应用。