基于GIS图形叠置法的城市交通污染对周边植物影

摘　要：文利用地理信息系统（GIS）对空间分析的优越性，以道路的属性信息如道路等级、车道数等信息间接表征环境影响因子，结合图形叠置法综合分析道路对周围环境的影响程度，并形成影响等级分布图。为后续预测道路两侧植株生长趋势提供一定的指示指标。

关键词：地理信息系统、图形叠置分析、城市交通污染

　　城市交通对周边植物的影响因素很复杂，比如汽车尾气排放物导致道路周边植株氮、硫和重金属元素含量超过正常水平；汽车扬尘遮蔽植物叶面气孔阻碍植物呼吸和蒸腾作用，减缓光合作用，对周边环境的影响（气温升高、土壤重金属含量变化）都会不同程度的导致植株的不正常生长等等。以往研究中，主要采取实际测道路两旁生物量或植物中污染元素含量来间接分析道路对周边植物的影响，并且多数只选取影响因素的一个方面讨论与植物生长的关系，如康玲芬等人通过对道路两侧小麦样品的重金属含量监测，得出交通污染与小麦产量和质量的关系，刘杰等通过公路两侧不同距离各类植物生物量的测定值与距离的回归方程来分析交通对周边植物的影响。也有部分学者则从宏观角度对城市交通的环境影响进行评价，通过对影响因子的筛选和重组，获得综合影响值，作为衡量交通线路影响程度的依据。如李修刚等通过综合分析道路周围环境敏感程度和道路对环境的影响程度，筛选社会环境、生态环境、环境空气和噪声四个方面作为评价因子，后利用层次分析的方法综合为一个评价指标评价道路方案优劣。
1.研究区概述及数据准备
　　研究区域为上海市长风公园附近地区，位于普陀区西南部，街区范围北起铜川路，南到金沙江路，西起大渡河路，东至武宁路。自1991年上海市全面实施旧城改造后，研究区道路格局发生了巨大的变化，但自1993年来，由航拍影像可看出长风地区道路格局未发生重大变化，局部交通干道金沙江路、大渡河路分别于2005年、2007年拓宽至6车道。规划道路网络由快速路、次干路、支路三级构成，其中快速路2条，次干路段五条。整个研究区是以华东师大、长风公园为主的文化娱乐区。研究区有行道树的次干道、支道25条，其行道树主要类型为香樟，悬铃木，广玉兰，女贞，截至2005年，研究区主要干道曹杨路、中山北路、金沙江路绿地面积分别达0.5、0.3、6公顷，铜川路林带面积达7公顷。
　　本文以ARCGIS为平台，对研究区范围内道路对周边植物的影响进行综合评价。为了获取该区GIS交通信息图层，本文以2003、2005、2006年上海市长风公园附近地区1：2.5万航片为基础底图（扫描分辨率为0.4m，并已进行了正射校正和几何精校正），在ARCGIS中进行数字化形成道路图层，为便于下文分析，对矢量化图层设定地理坐标系统，道路矢量化图层包括道路中心线，道路交叉口，通过航片判读和实地考察的方法获取道路名称和道路车道数，交叉口道路数等信息；与其他环境影响因子分析方式不同的是，为了获得整个研究区连续的道路影响因子指标和便于后期道路影响指标的可视化，将研究区范围划分为25m×25m大小地理单元，并建立对应的网格图层；同时矢量化道路两侧植株形成样本点图层。
2.研究方法和流程
2.1影响周边植被的交通因子分析和筛选
　　在影响因子筛选的过程中，不仅要考虑到对道路周边植物有着长期、不可逆、显著影响的因子，还要考虑选取能够通过GIS技术从道路矢量信息和属性信息直接提取的间接表征量。《规范》中推荐的噪声预测模型公式计算出特定的值来评定噪声因子的影响，但透过模型可以看出噪声影响与辐射声级、噪声值、车流量有关，从地面沉积量计算公式也可看出道路扬尘影响与路面沉积量、车流量、车速有关，以现有的遥感图和交通矢量图无法提取噪声值和路面沉积量，如果依靠实地测量值带入公式计算噪声值和扬尘量更增加了实验工作量也有违计算机快速提取的初衷。通过已有研究文献研究的道路与周边植物生长关系，可以用道路的一些相关属性间接表征植物生长情况。城市道路划分级别规定了不同等级道路的规格，如一级道路设计车速在60-80km/h，二级道路设计车速在40-60km/h，道路设计时一般假设通行能力与车道数呈绝对正比，也就是说，不同车道数的道路单车道通行能力是相当的。那么可以用研究区道路的道路等级和车道数来表示道路的平均车速和流量问题，而道路的这些属性信息是很容以获得的。
　　十字路口、盘旋路口由于车流量大、车辆行驶速度变缓、停止等现象，尾气排放严重，对周边植物产生与一般道路不同程度的影响，有学者研究表明，城市道路路口因街道走向、交通流量、扩散能力的差异对行道树叶片叶绿素的影响呈现不一致性，即车道不通畅、车流量大的地区植物叶绿素a污染指示指标高。
2 交通因子指标的计算机提取
2.1 各交通因子的权重
　　本文与以往的研究不同的是，评价因子之间影响的重要程度可通过因子所影响的地理单元面积的大小来确定，对单个地理单元来说，某一评价因子影响范围达整个地理单元的大小时，我们设定其对该地理单元影响的权重为1，如果影响范围未达整个地理单元的大小是，其权重设置为影响面积与单元格大小的占比。
　　同时，道路对周边植物的影响与距离有很大的关系，每个地理单元的距离因子也做为各个因子的权重，距离越近权重越大，距离越远权重越小。
2.2基于GIS图层叠加法的影响因子指标提取
　　图形叠置法是McHarg与1968年提出的利用叠置地图进行环境评价的方法，是将一套具有不同环境特征的地图叠置起来形成一张复合图来表征该地区的综合环境特征，以方便判断区域所受环境影响的相对大小。本文引入GIS技术的目的主要是为了充分利用GIS系统的叠置分析、缓冲区分析等空间分析功能和属性数据处理功能，方便各种评价因子等级图的叠加，利于大范围复杂环境影响因子的评价和评价结果的可视化。
　　在进行叠加分析前要建立不同影响因子指标图层：由于道路影响范围最大为200米，研究区域划分的最小地理单元也为25m×25m大小，因此在道路两侧建立间隔为25m的多条缓冲区生成距离图层roadD，以同样的方式建立距交叉路口的距离图层crossD；向道路两侧200m处做缓冲区分析分别生成车道数图层roadN和道路等级roadL，每个缓冲区属性为相应道路的道路数和道路等级，以交叉路口为中心做200m缓冲区分析生成交叉口道路数crossN，缓冲区属性为相应交叉路口道路数。计算每种影响因子对每个地理 单元的影响面积占比。以公式1的方式对各个影响因子图层和地理单元网格进行叠加，最后的网格图层包含了所有影响道路信息。（1）

　　其中，roadA，crossA为道路、交叉口各影响因子对地理单元的面积占比，roadN，crossN表示影响某地理单元的道路或交叉口的道路数，roadL为道路等级，roadD为地理单元到道路的距离，crossD为地理单元到交叉口的距离，rn，cn为影响地理单元的道路条数或交叉口个数。
　　图1为研究区矢量化图，图2为按公式1叠置分析后的综合影响指标分级图。

Fig.1 Vector figure of the study area 　 Fig.2 the grade distribution map of road impact
2.3道路影响综合指标与周围植物的影响
　　由道路影响度等级分布图可以看出距道路、交叉路口最近距离处影响程度等级偏高，交叉路口周边的影响度等级更高；由于每个地理单元所受道路条数不同，每条道路周边地理单元的影响度等级也不同，如图2道路1、2两侧道路等级受影响程度不同；由于道路等级和道路条数的不同，影响度等级也不同，上图道路3道路等级和条数低于道路1，2，故道路两侧影响度等级不同。
　　图2中的点为研究区植物采样点，由遥感图像获取的植物冠径信息，下表为植物生长与影响因素的关系。2003年到2005年，受道路影响多数植株处于负生长状况；高道路影响度等级下的植株冠径普遍低于处于低影响度等级下的植株冠径，冠茎增幅也随影响度级数的升高而降低；各影响度等级控制下的植株，2005年到2006年的冠径增幅都低于2003年到2005年的冠径增幅，道路污染随的累积作用使道路对植物的影响随年限的增加而增强；但是也出现2003年到2005年，低影响度下的植株增幅高于中等影响度下的植株增幅。
3 讨论
　　本文在GIS环境下通过图形叠置法综合评价道路对周边植物的影响，克服了传统方法需要大量手工作业的不足。随着遥感技术和GIS在生态、环境研究方面的应用越来越广泛，寻找能大区域短周期进行道路环境评价方式十分必要，因此尝试将道路环境影响因子指标转换为可通过已有道路数据或通过遥感和GIS手段自动提取的指标。采集道路两侧植物冠径，对冠径年变化与所得影响分布图进行比较，验证了道路不同影响等级对周边植物的不同的影响程度。
　　在后续的研究中应该考虑道路影响程度对不同种类植株的影响，和寻找新的能通过遥感或GIS手段直接提取的道路环境影响因子的代替指标。
参考文献：
[1]康玲芬， 李锋瑞， 张爱胜等，交通污染对城市土壤和植物的影响[J]，环境科学 ，2006，27（3）：557-562
[2] 刘 杰，崔保山，杨志峰等，纵向岭谷区高速公路建设对沿线植物生物量的影响[J]，生态学报，2006，26（1）
[3]李洪强,基于图形叠置法的高速铁路噪声环境影响评价研究[J],铁道勘测与设计，2010（3）:71-75
[4] 李修刚, 王炜 , 李方, 邓学钧, 用于道路环境影响综合评价的基于GIS 的图形叠置法,[J],环境科学学报，2001，21（4）