基于SBE 法与AHP 法的森林公园森林景观质量评价研究*

尹 旭 张 迪 林书航 林婉奇 林尹影 唐 科

(广州市众森林业有限公司, 广东 广州 510642)

森林作为陆地生态系统的核心组成部分和重要资源, 在人类生存和发展中具有关键的生态功能, 为维护生态平衡和社会可持续发展提供不可或缺的生态保障。 森林公园是指森林景观优美,自然景观和人文景物集中, 具有一定规模, 可供人们游览、 休息或进行科学、 文化、 教育活动的场所。 森林公园拥有丰富的森林景观资源, 承担着资源保护、 旅游开发以及维护国土安全和生态安全等多重功能[1]。 针对森林景观质量评价, 近年来, 国内外学者开展了大量的研究, 采用的评价方法主要包括美景度评价法(SBE 法)、 层次分析法(AHP 法)、 审美评判测量法(BIB-LCJ) 及语义分析法(SD) 等[2-3]。 本文通过构建森林公园森林景观质量评价体系, 采用美景度评价法(SBE 法) 和层次分析法(AHP 法) 对广州市石门国家森林公园进行实证分析, 为森林公园的森林景观保护和可持续发展提供借鉴, 为森林公园景观质量提升提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广州市石门国家森林公园地处广州市东北部从化区境内, 地理坐标为北纬23°36′50″～23°39′20″,东经113°46′16″ ～113°49′17″, 森 林 覆 盖 率 达96.76%。 距广州市86 km, 距著名从化温泉14 km,东与南昆山自然保护区相连, 西是著名从化温泉风景区, 北与广州抽水蓄能电站, 流溪河国家森林公园相望, 总面积2 627.70 hm2。 属南亚热带湿润季风气候, 终年气候温暖、 雨量充沛。 年平均降雨量在2 100 m 以上, 年平均气温为21℃左右。 森林公园地势东南高西北低, 最高峰天堂顶海拔1 210 m,是广州地区最高峰。 土壤为红壤、 赤红壤、 山地黄壤和山地草甸土, 成土母岩多为花岗岩和砂岩。

森林公园内景观资源丰富, 公园内景区景点分为7 大主题板块, 40 余个景点。 其中主要景区有以天池花海、 古树园、 森林空中栈道、 水植园等为主要景点的国际森林康养板块和以红枫湖、芙蓉栈道等为主要景点的桃源谷森林体验板块。森林公园森林组成与群落较为丰富, 其组成包括山地常绿阔叶林、 亚热带常绿阔叶林、 亚热带常绿与落叶阔叶混交林、 常绿阔叶山顶矮林、 亚热带针叶林、 亚热带针阔混交林、 竹林、 人工经济林等8 种群落类型[4]。

1.2 研究材料

根据对广州市石门国家森林公园进行实地勘察, 了解其森林景观现状, 在森林公园主要景区景点设置32 个20 m×20 m 的典型样方(表1),开展样方调查, 按照要求多角度拍摄照片[5]。 期间记录郁闭度, 树种、 高度、 冠幅、 胸径、 株数等相关数据。

表1 景观样地概况Tab.1 Landscape site overview

根据郁闭度的大小, 可将林分划分为疏、 中、密3 个等级。 密林指郁闭度0.7 以上的林分, 中林指郁闭度介于0.4～0.69 之间的林分, 疏林指郁闭度介于0.2 至0.39 之间的林分。 根据广州市石门国家森林公园森林景观的外貌特征及郁闭情况, 将样地植物景观空间分为3 类典型的空间类型: 密林为密闭型(郁闭度≥0.7), 中林为半敞型(0.4≤郁闭度＜0.7), 疏林为开敞型(郁闭度＜0.4)。

1.3 SBE 法

已有研究表明[6-8], 不同的群体和文化背景的评价者的审美态度在统计学上无明显差异, 现场评价与室内评价结果一致性较高。 因此, 本文邀请169 名4 年级风景园林、 林学等相关专业大学生, 以幻灯片为媒介, 对32 个景观样地的美景度进行评价。 在评价中, 为使评价者对评判对象保持审美尺度的稳定, 采用李克特评分法, 分7 个等级进行评价[9]。

美景度值YSBE是由景观样地自身特征与评价者审美尺度两方面共同决定的, 由于个体审美尺度具有一定差异, 需对不同评价者的评价结果进行标准化处理[10]。 将每个景观样地对应所有评价者的标准化分值计算平均分得到该景观样地标准化Z 值, 其能反映各景观样地的景观美学特征, 同时还能反映评价者的审美趋势。计算公式为:

式中:Zij为第j个评价者对第个景观样地的标准化得分值;Rij为第j个评价者对第i个景观样地的评分;Rj为第j个评价者对所有景观样地评分的平均值;Sj为第j个评价者对所有景观样地评分的标准差;Zi为第i个景观样地的标准化得分。

1.4 AHP 法

1.4.1 评价模型构建 参考前人研究[11-14], 结合广州市石门国家森林公园特点, 选取相应的目标层、准则层, 建立景观评价因子初选集合, 共计21 项评价因子。 采用李克特评分法, 分7 个等级设计调查问卷, 邀请26 名高校、 研究机构教职工与相关专业博士研究生对评价因子的重要程度做判断。 构造白化函数, 计算每个评价因子的决策向量, 根据决策向量中的灰色系数最大值所对应的类, 选取“高”、“中” 类的评价因子共18 项[15]。

经过灰色统计法筛选后往往各因子之间还存在着一定的相关性, 这将会导致在森林公园森林景观质量评价中部分信息被重复利用, 影响评价的科学性和准确性[16]。 为了消除这一影响, 对各评价因子的相关数据采用多元统计理论计算它们之间的相关系数, 计算过程在SPSS 系统中进行,以此为依据, 剔除相关系数较大的评价因子中的其中一个, 即能有效消除评价因子信息的重复对评价结果造成的影响, 增强评价的合理性。 18 项评价因子由于量纲不同, 首先进行标准化处理,以减少评价因子的不同计量单位对分析结果的影响。

最终得到3 个准则层, 14 项评价因子森林景观质量评价模型。

计算过程为:

(1) 构造白化函数

式中,fk(ij) 为第j个评价因子其重要程度为i的白化函数值,k为灰类数,k=1, 2, 3,dij为第j个评价因子其重要程度为i的分值, 其中i=1, 2,…, 7,j=1, 2, …, 21。

(2) 计算灰类决策系数

式中,Xi为评价因子的原始数据,Si为评价因子标准差,Zi为评价因子的标准化值,¯X为均值。Rij为皮尔森相关系数,i=1, 2, …,k,j=1, 2, 3,…,k,ij, 规定一个临界值N(0＜N ＜1) , 如果Rij ＜N, 说明因子之间相关系数较低, 则同时保留两个评价因子, 如果Rij ＞N, 说明因子之间相关系数较高, 则可以选择性删除其中一个评价因子, 最终得到新的评价因子集合。

1.4.2 构造判断矩阵 在森林景观质量评价模型的基础上, 邀请15 名高校、 研究机构教职工按照5 标度[17]进行打分构造判断矩阵。 计算各评价因子相对权重并进行一致性检验, 随机一致性比率CR 均小于0.1, 表明各层次各评价因子均通过了一致性检验, 数学模型设计合理。

1.4.3 类目划分、 权重确定及类目得分值计算参考前人研究[18-20]对类目进行划分, 按照相同方法确定类目权重, 假设森林景观质量满分为100分, 则各类目得分值计算公式为:

式中,Wij为准则层权重;W*j为评价因子综合权重;Wik为类目权重。

1.4.4 层次分析法得分值计算 定量因子的计算以各评价因子实际测定、 计算的值所对应的类目的得分值作为该评价因子的分值。 半定量因子和一些定性因子的计算以景观样地实地调查过程中现场记录为准, 判断评价因子所属类目, 进而以所对应的类目的得分值作为该评价因子的分值。将样地各评价因子的得分值进行相加, 得到各景观样地样地的YAHP。

1.4.5 景观综合评价指数(CEI 值) 计算 通过计算各景观样地CEI 值, 确定景观质量等级, 根据计算结果, 以差值百分比分级法把森林景观质量等级划分为4 级: Ⅰ(100%～80%)、 Ⅱ(79%～60%)、 Ⅲ(59%～40%)、 Ⅳ(39%～0%) 级,计算公式为:

CEI=S/S0× 100%

式中,CEI为综合评价指数,S为评价分数值;S0为理想值, 取每个评价因子的最高级别得分值叠加而得。

1.5 SBE 法与AHP 法综合运用

1.5.1 Kendall's W 协和系数检验 本文选用Kendall's W 协和系数, 检验美景度评价法与层次分析法的评价结果一致性。 为了验证两种评价方法是否具有一致性, 其主要步骤为:

(1) 将SBE 法与AHP 法两种评价方法所得到的排序带入Kendall's W 协和系数进行一致性检验计算。 计算公式为:

式中,W为Kendall's W 协和系数值;S为景观样地j在K种评价方法下的排序和与其平均值之差的平方和; 为景观样地j在i方法评价下的排序;K为评价方法数量(本研究采用SBE 法和AHP 法, 故K=2);N为景观样地数量; 12 为最大可能的平方偏离和, 即当K种评价方法所得排序完全一致时的S。

(2) W 的检验:

假设:K种评价方法所得的排序不具有一致性。

当N ＞7 时, 检验统计量X2=K(N- 1)W近似服从自由度为N-1 的X2分布。 当时X2≥X2a(a为置信水平) 时拒绝原假设, 认为K种方法所得排序之间具有一致性。 否则需要针对不一致性采取相应的修正措施。

1.5.2 综合排序 由于两种评价方法在打分、 赋值、 评价结果计算上存在差异, 因此需要使用统计学方法将两种评价方法的结果进行分值标准化, 由于SBE 值已进行标准化处理, 故仅对AHP 法得到的评价分值采用同样方法进行标准化处理。 将通过一致性检验并标准化处理的2 种评价方法的结果YAHP与YSBE进行相加汇总, 得到各景观样地的综合得分与排序。

2 结果与分析

2.1 基于AHP 法的森林景观评价

2.1.1 评价模型 基于灰色统计法计算结果(表2), 剔除了“藤本缠绕”、 “枯落物” 与“针阔比”3 项“低” 类的评价因子。 从表中的决策向量的重要程度可以看出, 专家组所评定的评价因子的重要程度多数集中于“高”、 “中”, 说明问卷所设计的森林公园森林景观质量评价因子的初选集合代表性较强, 能较好反映森林公园森林景观质量的高低。

表2 决策向量计算及评价因子选取Tab.2 Calculation of decision vectors and selection of evaluation factors

根据相关系数矩阵(表3), 参考前人的研究[21], 选定临界值N 为0.6, 在相关系数矩阵中共有4 对评价因子的相关系数大于0.6, 剔除“植物多样性”、 “平均枝下高”、 “平均胸径”、 “灌草盖度” 4 项评价因子, 保留剩余的14 项, 构成了最终的评价因子集合, 形成了广州市石门国家森林公园森林景观质量评价体系。

表3 评价因子间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients among evaluation factors

2.1.2 指标及权重 基于AHP 法得出森林景观评价的因子权重(表4), 从权重的结果来看, 观赏特性多样性、 植物生活型结构多样性、 绿视率等评价因子的权重值较大, 表明景观质量的优劣与这些因子密切相关。 植物生活型层次很大程度上决定了群落生态功能的稳定性, 进而影响其景观效果。 在景观质量评价准则层, 景观美学功能的权重值最大, 其次是景观生态功能, 最后是景观行为心理功能, 表明对于森林公园森林景观来说, 营造具有一定视觉美感的景观是较为重要的原则, 同时也要构建良好的生态环境, 通过两者相辅相成, 共同营造出令人舒心的景观。 B1 景观美学功能层次中, 观赏特性多样性＞绿视率＞色彩丰富度＞视觉中心＞水平通视距离＞树干显示度,说明在景观的质量评价中, 对植物的叶、 花、 果等观赏特性, 以及其颜色能够给人带来最直观的

表4 广州市石门国家森林公园森林景观质量评价因子权重Tab.4 Weight of evaluation factors for forest landscape quality in Shimen National Forest Park of Guangzhou

视觉感受, 这些因子能够给人留下最为深刻的印象。 B2 景观生态功能层次中, 植物生活型结构多样性＞树种组成＞树干形态＞林下层整齐度＞郁闭度, 说明在植物景观营造时, 更注重的是能否保持其内部植物群落的稳定与有序。 B3 景观行为心理功能层次中, 景观可停留感＞景观可及度＞安全依靠感, 说明景观在承担心理服务功能上说, 其最重要的是能够满足观赏者停留观赏、 接近游玩的需求。

2.1.3 类目划分、 权重确定及类目 得分值类目权重的确定与评价因子权重确定方法一致, 各评价因子的类目划分及赋值见表5。 从各评价因子不同类目的得分值来看, 专家组认为景观美学功能中, 景观样地多样化且分布均匀的观赏特性尤为重要, 类型丰富且分布合理的不同树种, 通过呈现叶、 花、 果实等不同观赏特性的美, 对整个景观样地乃至森林公园的景观有很好的提升作用, 其得分为5.085 6, 明显高于观赏特性多样性一般(1.101 3) 与单一且分布不均(0) 的情况; 而绿视率的最佳数值范围为40%～80%, 得分为2.029 5, 80%以上的绿视率次之, 得分为1.669 1, 景观效果最差的为40%以下的绿视率,得分仅为0.592 1。 绿视率过大表明景观可能存在郁闭度较高或色彩丰富度较低的情况, 前者表现为景观较为拥挤闭塞, 缺乏林窗等间隙, 影响景观整体质量, 后者表现为景观色彩单一, 无黄叶、 红叶或鲜花果实等色彩元素点缀景观, 影响景观整体质量, 而40%～80%的景观绿视率, 一般说明景观较为开阔疏朗, 同时有一定季相变化, 使景观给人以舒适感。 景观富于变化的色彩丰富度得分为2.042 6, 高于尚有变化 (1.059 2) 与几乎单一(0.187 5) 的情况, 说明景观因季相产生的色彩变幻, 能提升景观的整体质量。景观中有视觉中心的得分为1.983 3, 显著高于无视觉中心(0.616 1) 的情况, 说明景观中存有古树、 名木等主景树, 或集中营造有主题的植物群落, 能增强景观对人的吸引, 提升景观的质量。

表5 评价因子类目划分及得分Tab.5 Categories and scores of evaluation factor

景观生态功能中, 植物生活型多样性以乔灌草的组合配置为最优, 得分为1.945 2, 其次为乔灌组合(0.920 9), 乔草(0.568 1) 与单一乔木(0.516 4) 得分基本一致, 灌草最差, 得分仅有0.352 9。 说明乔灌草的群落具有良好的稳定性,且立体式的组合对垂直空间的层次丰富性也有较大的提升, 景观生态效益最好。 乔灌也一定程度上能体现群落的稳定性与垂直空间的层次丰富性,而乔草与单一乔木的群落稳定性则较为薄弱, 灌草群落除一定的保土功能外, 生态效益较差。 在乔灌草立体式群落组合的基础上, 较为丰富的乔木树种组成对群落生态效益的提升也有一定帮助,专家组认为6 种以上多树种组成模式生态效益远高于3～6 种与3 种以下的群落。 景观行为心理功能中, 景观可停留感高、 可及度高的景观被认为其质量较高。 因为人普遍有亲近自然的天性, 一处既能接近观赏又能停留休憩的景观自然能得到人的青睐。

2.1.4 AHP 评价结果及景观质量等级分析 将各景观样地评价因子的得分值相加可得出32 处景观样地景观质量的AHP 值及排序, 计算得到各景观样地的CEI 值及对应的景观质量等级(表6)。

在层次分析法下, 得分较高的景观样地有S16(18.372 2)、 S15 (17.648 8)、 S23 (16.739 9),景观样地在3 个准则层得分均较高, 表现为观赏特性多样性、 色彩丰富度较高, 植物生活性结构层次丰富且景观可及度、 安全感较高。 得分较低的景观样地有S28 (8.360 4)、 S3 (9.002 2)、 S12(9.263 4), 其共同特点为观赏特性多样性低, 水平通视距离过大或过小, 导致景观生态功能与景观美学功能得分较低。 通过景观质量分级, 森林公园有Ⅰ级景观2 处, Ⅱ级景观5 处, Ⅲ级景观25 处, 无Ⅳ级景观。

2.2 SBE 法与AHP 法评价结果的相关性分析

经Kendall's W 协和系数一致性检验得到结果显示:W=0.98, 渐进显著性0.007＜0.05, 表明两种评价方法所得的排名具有良好的一致性, 将通过一致性检验的SBE 法与AHP 法的评价标准分进行相加, 得到综合得分值与排序, 见表7。

表7 景观样地综合评价结果Tab.7 Comprehensive evaluation results of landscape sites

结果表明, 虽然两种评价方法在原理、 方式、评价者和数据处理方式上各不相同, 但其评价结果在大体上趋于一致, 说明两种方法对于广州市石门国家森林公园森林景观质量都具有较好的评价作用, 也说明专家的考量与使用者的心理需求在大部分森林景观中具有较强的共性。

2.3 SBE 法与AHP 法评价结果的差异性分析

两种评价方法的结果中, 差异较大(排名差≥8) 的有S1、 S2、 S10、 S31 景观样地, 可知基于两种方法的森林景观评价有不同的倾向和特点。结果表明, 采用SBE 法对森林景观进行评价时,评价者对美学构成更为敏感, 而容易忽略心理感受等因素。 AHP 法则在森林景观质量的评价中更为全面, 但由于权重的主观性因素, 对于视觉冲击力较强的森林景观场景的评价则不能充分反应其美学构成质量。

如S1 景观样地 (图1), SBE 得分值为-0.667 8, 排序为30, 而AHP 得分值为-1.191 1,排序为21, 两者结果有一定的差距。 此景观样地的植物配置模式为: 米槠+长叶竹柏+鸭公树+木莲Manglietiafordiana+野含笑+烟斗柯+粉单竹-朱蕉+光叶子花Bougainvilleaglabra-新几内亚凤仙花+肾蕨+金边吊兰Chlorophytumcomosum“Variegatum” +巢蕨Aspleniumnidus上层乔木的胸径、冠幅、 树高等均比较大, 群落植物生活型结构层次丰富, 因此AHP 法景观美学功能层次与景观生态功能层次得分均较高, 综合得分值较高。 但景观样地较高的郁闭度与灌草盖度, 使得景观给人感受过于拥挤, 且整体没有视觉中心, 难以给观赏者带来较强的视觉感受和吸引力。

图1 S1 景观样地Fig.1 Landscape site S1

S10 景观样地(图2), SBE 得分值为-0.249 4,排序为18, 而AHP 得分值为-0.6785, 排序为26。此景观样地的植物配置模式为: 杨梅+黄樟。 样地中植物群落仅有乔木层, 植物多样性、 生活型结构多样性低, 景观生态功能层次得分低。 同时, 景观美学功能层次中如观赏特性多样性、 色彩丰富度、 视觉中心等相关评价因子也无法体现, 因此景观样地在AHP 法下综合得分值低。 但景观样地乔木个体胸径、 冠幅、 树高等均适中, 枝下高较高, 视野通透。景观样地设置了座凳、 汀步, 提升了景观的可及度与可停留感, 整体呈现的林荫休憩广场令观赏者感觉舒适惬意, 因此获得了部分观赏者的青睐, SBE法得分排序处于中间水平, 说明景观样地的质量尚可, 得到部分评价者的喜好。

图2 S10 景观样地Fig.2 Landscape site S10

2.4 综合评价结果与分析

综合评价结果具以下特点: 针对某一森林景观评价单元, 当SBE 法与AHP 法评价结果相同或相近时, 综合评价结果与两种原评价方法的结果相比, 基本不变, 如S7 景观样地, 基于SBE 法与AHP 法的评价排序均为24, 综合评价得到的排序也为24, 同理还有S12、 S16 等景观样地。 而针对结果相差较大的森林景观评价单元, 综合排序位于两种原评价方法的排序之间, 接近其平均数,如S10 景观样地, SBE 法下评价排序为18, AHP法下评价排序为26, 综合评价得到的排序为22,同理还有S31 景观样地。

AHP 法采用自上而下的方法, 通过专家打分来对森林景观单元进行量化评价, 但在这个过程中可能过于强调全面性, 而没有充分考虑使用者的主观感受。 SBE 法则采用自下而上的方法, 反映的是评价者对森林景观的直观感知,但它在某些森林景观的评价方面可能不够客观和全面。

3 结论与讨论

在对广州市石门国家森林公园森林景观质量评价的研究中得出以下结论:

(1) 广州市石门国家森林公园的AHP 评价结果为Ⅰ级景观2 个, Ⅱ级景观5 处, Ⅲ级景观25处, 无Ⅳ级景观, 森林景观质量处于中等水平。Ⅰ、 Ⅱ级景观样地中, 植物群落结构均为乔-灌-草, 表明植物生活型结构多样性对森林景观整体质量具有很大的影响。

(2) 综合分析SBE 法与AHP 法的评价结果,表明无论以游客的主观视角出发, 还是专家根据客观条件科学进行权重划分, 色彩丰富度、 观赏特性多样性与植物生活型结构多样性对景观质量评价结果影响较大。

(3) 森林公园应从提高色彩丰富度, 丰富植物群落层次; 结合公园特色, 注重文化意境的营造; 增设景观步道, 丰富公园的景观美学线条;优化林下空间, 增强游人的安全感等方面优化森林景观, 提升森林公园景观质量。

本研究仅采用SBE 法与AHP 法开展森林景观质量评价, 未来可增加其它评价方法对同一评价对象开展实例研究, 比对不同景观评价方法结果之间的异同。 同时, 随着可视化模拟和人工智能等技术的兴起, 未来可结合ArcGIS 等技术开发可视化的信息共享系统, 促进森林景观视觉资源量化方法发展, 进一步推动定量化研究转向数字化、空间可视化方向发展。