3S技术在公路景观环境评价中的应用初探.docx

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3S技术在公路景观环境评价中的应用初探

3S技术在公路景观环境评价中的应用初探

青岛理工大学琴岛学院　金常庚

摘要:

随着我国公路建设的蓬勃发展，越来越多的交通道路出现在公众的视野中，为公众的出行提供了极大的便利，与此同时社会公众也更加注重公路的交通功能、欣赏价值、道路形态及生态和自然环境的保护，这些都促使设计人员把公路的景观设计以及植被的规划放在相当重要的位置，目前公路设计中已逐渐融入我国特有的园林意识以及美学概念。

与此同时，公路景观评价也越来越受到公路使用者的关注。

伴随着科技的不断进步，各种高新技术也逐步应用于基础设施建设，其中基于遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）以及地理信息系统（GIS）的3S技术目前已逐步在公路景观环境评价中得到应用。

为了更加全面地了解3S技术在我国现有公路景观环境评价中的实际应用情况以及国外对此技术的综合探索，本文探究了该技术在应用方面所面临的各种实际问题，并且通过分析各种实际资料预测该技术在日后国内外公路工程项目建设中的发展趋势，从我国公路景观工程建设市场需求分析，以及国内外3S技术在公路景观应用现状进行调研的前提下，介绍3S技术组成，阐述3S各项技术综合应用的方式。

介绍公路景观的视觉特征，深入探讨3S技术在景观评价中数据采集、管理、分析、模型建立以及公众参与等多方面的应用功能及发展趋势。

旨在促进3S技术在公路景观环境评价中的实际应用，并促使高新科技在实际建设领域中的广泛应用，努力贯彻公路景观建设中的可持续发展理念，为公众建设更加人性、自然、舒适的道路环境。

关键词：

3S技术，公路景观，环境评价，景观建设

前言

公路交通是陆上交通方式之一，其灵活机动、迅速方便以及提供“门到门”物流服务的特点，使其不仅成为一个独立的运输体系，也成为铁路车站、港口和机场集散物资的重要手段，并且为普通民众出行提供相当大的便利。

因此，公路交通对于一个国家经济的发展起着重要的基础作用。

建国初期，由于公众对公路运输在国民经济中的基础性和先导性认识不足，我国公路建设长期滞后于国民经济的发展。

改革开放以来，特别是20世纪90年代后期，我国的交通行业抓住国家实施积极的财政政策、扩大内需、加快基础设施建设的机遇，在公路、水路交通建设方面突飞猛进，实现了跨越式发展。

新世纪以来，我国继续加大基础建设投资力度，公路建设获得了前所未有的大发展，使“全面紧张”的交通状况在近几年内得到根本改变，取得了一系列不平凡的成就。

2012年，我国公路通车里程已达382万公里，其中高速公路超过6万公里。

随着交通事业的蓬勃发展，越来越多的人开始关注交通工程所带来的环境影响。

环境保护是我国的一项基本国策。

如何面对公路建设产生的环境问题，以及如何按照现阶段我国实际情况，分析评价公路建设各阶段对环境的作用与影响，采取何种措施减少或杜绝公路环境污染、恢复路域生态损失。

这是摆在我们广大公路工作者面前的一项长期而艰巨的任务。

公路环境保护和景观建设是基于生态可持续发展原则调节与控制“公路工程与路域环境”对立统一关系的发生与发展。

公路环境保护和景观建设由两项基本工作组成：

一是分析因修建公路而对环境产生的各种影响及其影响的程度和范围，根据需要采取专门的环境保护措施，积极开展环境保护的有关工作；二是在公路的设计、施工及运营管理过程中，注意凸显公路各组成部分的环保功能，合理的建设公路景观，使公路在运输功能发挥的同时，对沿线环境的负影响最小并且带给旅途中的人们更加和谐的感受。

环境影响评价是环境保护的一项重要工作，它是决策和开发建设活动中实施可持续发展战略一种有效的手段和方法。

虽然我国对公路建设环境影响的研究起步较晚，但目前已经发展到一定水平，并且能够利用现有高新科技对公路环境建设、景观建设起到辅助评价的作用。

在公路的营运期，环保工作除了维护声屏障等各种环境工程设施外，更重要的是保持公路沿线的自然景观，争取改善沿线的生态环境。

我国高等级公路景观绿化已受到普遍重视。

但由于各种原因，施工中仍存在许多问题。

比如原表土弃之不用，使草地建植时无营养土可用，养分先天不足，施肥以化肥为主，速效但短期；重建轻养，使草地很快退化，造成巨大浪费[1]。

目前交通建设的快速发展得到了高新科技的强有力支持，特别是近年来全球定位系统和航测遥感技术的日新月异，为我国公路建设事业的快速发展提供了有力的技术支持。

信息时代的到来，使得各类检测及监测系统普遍使用，交通控制中心将充分利用卫星地面系统转发的交通信息且按新的交通流理论，指挥汽车按最优路线行驶，既节约时间，又创造最大利益。

信息化公路将着眼于道路的多功能利用,不仅使用路面,还要利用空间。

这就使公路不仅具有运输人和物资的固有的交通功能，还有输送电力等能源及各种信息，加上其所派生出的美化环境、抗灾避难及作为建造其他建筑物的基础等空间功能。

道路是一个城市的走廊和标志，是人们认识城市的主要视觉和感官场所。

因此，道路环境也是城市环境的重要组成部分，城市的三大空间即：

交通空间、建筑空间和开放空间，各个空间的组成要素，都会对城市环境起着决定性作用，尤其是道路的带状环境特点更能直接地反映城市的面貌和城市的个性。

随着经济的高速发展和人们生活水平的日益提高，越来越多的人开始重视可持续发展理论在交通建设方面的应用，公路景观环境建设是公路建设过程中不可或缺的重要组成部分，也是体现可持续发展理论最好的依据。

“九五”国家重点科技攻关项目“国道主干线设计集成系统开发研究”表明，3S技术能对公路建设发挥出巨大的科技推动力，目前3S技术是基于计算机技术应用及卫星导航定位和地理信息系统为一体的高精尖技术。

但3S技术在公路景观环境评价方面的应用研究还比较少,本文分析了公路景观观景特征，结合评价程序探讨3S技术在公路景观环境数据采集、管理、模拟分析和公众参与等多方面的应用，以达到促进3S技术在公路景观环境评价领域的开发研究作用，提高我国公路景观环境评价的技术水平，并为今后各种创新科技在基础建设领域中的应用提供依据。

第1章绪论

1.13S技术简介

3S技术是遥感技术（RemoteSensing，RS）、地理信息系统（GeographyInformationSystems，GIS）和全球定位系统（GlobalPositioningSystems，GPS）的统称，是传感器技术、空间技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。

以RS、GIS、GPS为基础，将三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。

1.1.1遥感——景观数据收集的主要手段

RS技术是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些信息进行摄影、扫描、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术,又称遥感技术。

遥感探测技术能在较短的时间内，从空中乃至宇宙空间对地球表面大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。

这些数据增加了人们的视觉空间，为宏观地掌握地面事物的现状创造了极为有利技术的条件，同时也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。

这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是具有绝对优势的。

遥感用的航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫星轨道高度达910km左右，从而，可及时获取大范围的信息。

由于卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。

遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据，这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象，宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布，真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之间的关联性。

并且这些数据在时间上具有相同的现势性。

当前遥感技术已经形成了一个从地面到空中，乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。

遥感技术可用于植被资源调查、气候气象观测预报、作物产量估测、病虫害预测、环境质量监测、交通线路网络与旅游景点分布等方面。

例如，在大比例尺的遥感图像上，可以直接统计烟囱的数量、直径、分布以及机动车辆的数量、类型，找出其与燃煤、烧油量的关系，求出相关系数，并结合城市实测资料以及城市气象、风向频率、风速变化等因数，估算城市大气状况。

同样，遥感图像能反映水体的色调、灰阶、形态、纹理等特征的差别，根据这些影像显示，一般可以识别水体的污染源、污染范围、面积和浓度。

另外，利用热红外遥感图像能够对城市的热岛效应进行有效的调查。

景观数据是景观分析的基础,收集的方法有:

（1）野外实地测量;

（2）GPS技术,用于野外定位、小斑块面积测量、遥感影像几何校正,跟踪和获取动物迁移数据以研究景观格局和干扰对动物行为的影响等;（3）遥感技术。

对于大范围景观分析,需要采集和处理的数据量非常庞大,传统野外实地考察、测量、调查和分析方法无法满足要求,遥感技术是有效解决大量基础数据需求问题的主要手段。

遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性应用技术,它能及时获得大范围、多时相、多波段的地表信息,为不同时序上局域到全球各种现象的综合分析创造了条件。

采用遥感影像数据进行景观特征分类时,需要对遥感图像数据进行解译,解译有两种方法:

一种是凭光谱规律、地学规律和解译者经验,从卫星图像的颜色、纹理、结构和位置等各种特征解译出各种景观类型的目视解译方法,该法应用较多,但工作量大,速度慢,人为干扰因素较大。

另一种是通过选择分类特征、利用模式识别模型来确定每一像元类型的计算机图像分类法,该法调查速度快,可识别出像元的每一级灰阶差异,缺点是会造成一定量类别的误判。

因此,必须在分类过程中将两种方法结合起来,进行较多的人机对话及必要的野外实地测量（如GPS测量地面控制点和调查地面景观类型）。

通常被用于区域案例研究或探询土地利用变化的热点地区等。

高分辨率遥感影像尤其是美国1m全色和4m多光谱IKONOS遥感影像的获得,为在更深层次上进行景观分析和监测提供了准确获取所需数据的源泉[2]。

然而,从IKONOS影像上提取信息（如道路）,影像的几何改正以及高分辨率多光谱IKONOS影像与相对低分辨率SPOT全色影像融和以提取信息等还在进一步研究之中。

1.1.2GIS系统——公路景观数据管理及模拟的有效工具

GIS系统就是一个专门管理地理信息的计算机软件系统，它不但能分门别类、分级分层地去管理各种地理信息；而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合、再分析等；还能查询、检索、修改、输出、更新等。

地理信息系统还有一个特殊的“可视化”功能，就是通过计算机屏幕把所有的信息逼真地再现到地图上，成为信息可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果，同时还能在屏幕上动态地监测“信息”的变化。

从学科的角度来说，GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系。

从功能上来说，GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能。

根据不同需求建立应用分析模型（如土地适宜性评析,生态效益分析,空气污染模型等）是GIS研究的热点。

GIS用于分析景观空间格局及其变化,确定不同环境和生物学特征在空间上的相关性,确定缀块大小、形状、毗邻性和连接度,结合分析模型分析景观中能量、物质和生物流的方向和通量,输出景观变量图像以及与模拟模型结合在一起使用等。

可视化、虚拟现实（VR）、3DGIS和WebGIS是GIS技术的最新发展。

可视化可改善数据分析过程的界面,使用户看到数据处理的全过程。

VR技术的研究将促进GIS与Internet、Web的集成,实现GIS的高级人机交互,通过链接声音、照片、遥感影像、视频动画等,使用户在三维虚拟地理环境中实现观察、触摸、操作和检测。

WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物,从WWW的任意一个节点,Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图,进行各种空间检索和空间分析。

基于WebGIS系统的景观环境评价,能保证一个更加友好、交互、透明和民主化的过程。

总之，地理信息系统具有数据输入、预处理功能、数据编辑功能、数据存储与管理功能、数据查询与检索功能、数据分析功能、数据显示与结果输出功能、数据更新功能等。

通俗地讲，地理信息系统是信息的“大管家”。

地理信息系统一般由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型图形用户界面及系统人员组成。

地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。

1.1.3GPS系统

GPS系统是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到，当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。

单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。

相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活（人员跟踪、休闲娱乐）等不同领域。

随着我国国民经济的快速增长的西部大开发的实施，我省的高等级公路建设迎来前所末有的发展机遇，这就对勘测设计提出了更高的要求，随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄、输入等中间环节，是公路勘测设计“内外业一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。

目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备，但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制，作业强度大，且效率低，大大延长了设计周期。

勘测技术的进步在于设备引进和技术改造，在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。

当前，用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测理，为勘测阶段测绘带状地形图，路线平面、纵面测量提供依据；在施工阶段为桥梁，隧道建立施工控制网，这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段，其实，公路测量的技术潜力蕴于RTK（实时动态定位）技术的应用之中，RTK技术在公路工程中的应用，有着非常广阔的前景。

1.1.43S技术发展

3S技术是信息化社会数字化生存的重要组成部分。

1993年9月，美国克林顿政府作出了“冷战”结束后的一项重大决策，放弃“新一代高能加速器”和“星球大战”计划，转向推行引起全球关注的国家信息基础设施（NationalInformationInfrastructure，简记为NII）计划俗称信息高速公路（InformationSuper-Highway，简记为ISH），其技术含义实际为“高速信息电子网络”。

该计划是指一个能给全球广大用户随时提供大量信息的。

由国家级、地区级和大企业的数据库、声象设备及覆盖全国及至全球的通讯网络组成的，并通过国际互联网络（Internet）连结的计算机通讯网络系统及个人办公自动化系统。

NII计划的实现将能改变人们的生产、生活以及人际的交互方式。

1994年4月，由美30多所著名大学、国家高新技术项目署和美国自然科学基金会联合提出，经美政府批准建设“国家空间数据基础设施”（NationalSpatialDataInfrastructureNSDI）。

目前全世界已经有150多个国家正在或准备实施这项计划[3]。

邓小平在80年代提出“开发信息资源，服务四化建设”。

江泽民总书记也指出：

“四个现代化，哪一个也离不开信息化”。

我国九五科技规划中将3S技术列为国家15项重中之重的高新技术发展项目1995年1月国务院批准了《中华人民共和国计算机信息网络国际联网管理暂行规定》，表明了中国信息高速公路（ChinaISH）计划的正式启动。

根据我国国情，从抓“三金工程”，既：

金桥工程（国家经济信息网，覆盖全国的八横八纵光缆网络），金关工程（国家外贸信息管理系统，金卡工程（电子货币工程）入手，正式拉开了我国信息化建设的序幕。

现运行的还有邮电网、教育科研网等并通过INTERNET与150个国家联网。

目前，我国GPS技术应用已开始进入民用领域和商业领域；RS技术应用位于世界前列；GIS技术正应用在大中城市的UIS建设中。

3S的集成将使GIS具有获取准确、快速定位的现势遥感信息的能力，可以实现数据库的快速更新，在分析决策模型的支持下，GIS可以快速地完成多维、多元复合分析。

3S技术集成将构成星、地、空一体化的信息系统，自动并且实时地进行数据收集、环境监测、灾害监测、全球生态演变监测、空间信息自动更新等。

3S技术在空间环境领域中的应用主要体现在如下几方面：

1．在区域环境治理中的应用2．在环境管理中的应用3．在环境监测中的应用4．全球环境监测与环境演变的模拟等。

1.1.53S技术与环境评价的应用现状

近年来国内外GPS主要用于实时、快速地提供目标的空间位置，为遥感对地观测信息提供了准实时或实时的定位信息和地面高程模型；RS用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息及各种变化参数，其对地观测的海量波谱信息为目标识别及科学规律的探测提供了精确的定性或定量数据；GIS则是综合处理与分析多源时空数据的平台。

3S的集成将使GIS具有获取准确、快速定位的现势遥感信息的能力，可以实现数据库的快速更新，在分析决策模型的支持下，GIS可以快速地完成多维、多元复合分析。

3S技术集成将构成星、地、空一体化的信息系统，自动、实时地进行数据采集、环境监测、灾害监测、全球生态演变监测、空间信息自动更新等。

1.2公路景观环境

“景观”一词最早由地理学界提出，指的是一种地表景象，或综合自然地理区，或是一种类型单位的通称。

1858年，美国的社会活动家兼设计师奥姆斯特德首次提出景观建筑学这个概念。

1885年，J·温默将景观引入到地理学的概念中。

19世纪初，德国自然地理学家洪堡德和原苏联景观地理学派库恰耶夫等人的学术思想中也有了类似的概念。

在我国艺术史上，“景观”与中国山水画和中国园林艺术有着密切的联系，包含了丰富的内涵。

景观作为一个专业名词，从艺术角度来讲，是指具有审美价值的景物，能够使观察者具有视觉、听觉和触觉等多方面的美的感受；从精神文明化的角度来讲，是能够影响和调节人类精神状态，能够促进人类社会和谐，提升人类生活品质的事物；从生态的角度来说，是能够协调人类和自然之间生态平衡的景物。

总体上来说，公路景观设计是一门综合性很强的学科，涉及的领域很广，景观设计的目的就是通过对公路景观进行科学分析、设计、管理、改造、保护和恢复，并借助于艺术的手段对景观进行美化处理，以满足人们的物质需求和精神需求。

环境艺术的概念比较广泛，从某种意义上来说环境艺术包含对人工环境的设计。

建立一种融入当下社会形态、文化内涵、生活方式，面向未来的更具人性化和多元综合特征的理想生存环境，这是新时代赋予景观设计师和公路规划人员最重要的义务和责任。

19世纪以来，科学技术的发展给人类的生活水平和生活方式带来了前所未有的巨大变化，同时也给人类赖以生存的生活环境带来了巨大的破坏。

给人类提供一个多层次、多方位的生存空间，自然生态、文化生态平衡的环境空间，气候宜人、快捷方便的生活空间已是这个时代的呼唤。

随着人类认识能力的不断提高，环境意识不断觉醒，人们开始重新审视日趋恶化的生活环境，并越来越意识到环境与人类的紧密关系和维护环境的重要性。

解决社会发展和环境生态之间关系，使各种现代环境设计更好的满足当代人的精神文化需求和物质需求成为当前人类最迫切的需求。

而景观环境在人们建设的交通道路上起着非常重要的作用，它能够改变人们在旅途中的环境质量和空间质量。

每个景观都有各自不同的用途，优良的景观环境设计，可以使杂乱无章的生活环境变得井井有条，舒适宜人，给人以美好的精神享受。

公路景观包括自然景观和人文景观两部分。

自然景观，主要是指天然形成的地形、地貌和地物，如平原、山区、草原、森林、大海、沼泽地等景物。

人文景观,是指人类用自己的智慧和双手创造的各种建筑物,如公路路体、桥梁隧道、交通设施、城镇、村落、文物古迹等社会文化艺术景物。

统筹城乡道路景观规划就是结合原始的大地景观进行景观设计，营造良好的视觉形象，使乘客有“人在车中坐，车在画中行”的良好景观，带来一种审美愉悦。

公路景观环境设计与评价研究，欧美国家始于19世纪。

1971年，美国已开始研制基于GIS技术的城市景观规划模型METLAND（theMetropolitanLandscapePlanningMAodel），该模型在自然景观资源管理、土地利用规划、景观规划与评价、生态和公众参与等方面得到成功应用。

英国、德国、法国等国近年来也大量采用GIS，RS，GPS等技术进行景观的规划设计和评价管理。

当前，我国日益重视公路景观环境问题。

“九五”国家重点科技攻关项目“国道主干线设计集成系统开发研究”表明，3S技术能对公路建设发挥出巨大的科技推动力。

但3S技术在公路景观环境评价方面的应用研究还比较少，特别是在探讨3S技术在公路景观环境数据采集、管理、模拟分析和公众参与中的应用。

1.2.1公路景观视觉特征

公路景观是一门视觉艺术，视觉是人类认识世界、感知世界、判断物体物理特征的基础。

据研究，人们所获得外界信息的92%以上来自视觉感受。

物体的运动速度直接影响人的视觉感受，运动过程中，视野大小随车速变化，视野中的画面也随周围环境而变化。

公路用路者进行的是有方向性的活动，对驾驶员来说，速度逐渐加快，头部转动可能性就会逐渐变小，注意力被吸引在路面上，视线集中在较小的范围以内，注视点也逐渐固定起来，此时视野很窄而形成所谓的隧道视。

车速越大，驾驶员对前面不容易注意到的范围也越大。

只有在不紧张的情况下，驾驶员才可能观察与公路无关的事物或注意两旁的景物车速的变化还会引起人对道路两侧景观的观察变化。

。

当车辆以60km/h速度行驶时可看清前方370m处的标志，而车速增加到80km/h，则辨认距离为500m。

对交通环境而言，车速增大，景观元素的尺度也应加大。

试验证明，当车速为64km/h时，能看清两侧24m之外的物体，而车速在90km/h时，则需在33m以外才能看清，小于上述距离则无法看清。

一般用路者在公路上活动时，俯视要比仰视来得自然而容易，站立者的视线俯角约为10°，端坐俯角为