摘要: 目前,都市农业的实践遍布世界各地,无论是发达国家还是发展中国家,都将都市农业作为本地区农业生产和城市发展的重要形式。首都北京拥有其独特的地理地形,山区面积占了市域面积的62%,要更好的发展都市农业就必须探寻一条适合这种特殊地理地形发展的新模式。沟域经济概念的提出,给北京山区发展带来了新思路,而“3S”技术用科学的方法将这一理念变为现实。本文详细介绍了沟域经济、“3S”技术以及“3S”技术在沟域经济中的作用,证明将“3S”技术应用于沟域的生态规划、沟域地理信息管理、三维虚拟现实表达等方面是沟域经济发展的重要因素。
Abstract: Nowadays, the practice of urban agriculture is all over the world. Either in development country or developing country, the urban agriculture becomes important style of agriculture produce and urban development in this area. Beijing, the capital of China, has its own unique terrain and the mountains-area account for 62%.In order to develop urban agriculture better we must explore a new way which fits for this unique terrain. The present of ditch-area economy brings new idea for developing Beijing mountains-area meanwhile 3S technology makes the idea become the true. The concept of ditch-area economy, 3S technology and the effect of 3S technology in developing ditch-area economy are described in detail in this paper. Finally, we can verify that the application of 3S technology in ditch-area ecological planning, the management of ditch-area geographic information and 3D virtual reality expression is the important factor for development of ditch-area economy.
关键词: 沟域经济;3S技术;生态规划;地理信息管理;三维虚拟现实表达
Key words: ditch-area economy;3S technology;ecological planning;geographic information management;3D virtual reality
0引言
沟域经济是北京市在农业区域经济、流域经济基础上结合北京山区农业发展基础与特点提出的崭新概念。近几年来,为实现山区经济的循环快速发展,北京市推出“沟域经济”发展模式,并在多个区县试点进行了探索和实践。所谓“沟域经济”[6-8]就是以山区沟域为单元,以其范围内的自然景观、文化历史遗迹和产业资源为基础,以特色农业旅游观光、民俗文化、科普教育、养生休闲、健身娱乐等为内容,通过对沟域内部的环境、景观、村庄、产业统一规划,建成内容多样、形式不同、产业融合、特色鲜明的具有一定规模的沟域产业带,以点带面、多点成线、产业互动,形成聚集规模,最终促进区域经济发展、带动农民快速增收。
北京市山区占市域总面积的62%,过去的山区矿山开发为首都城市建设做出了贡献,同时也极大地破坏了山区的生态环境和自然景观,造成了水土流失、植被和地下水系破坏等负面影响。所以关闭矿山,进行山区生态修复、森林健康经营、小流域综合治理、土地适宜性评价、景观生态规划布局、等成为沟域经济发展的首要解决问题。
近年来,以“3S”技术为代表的地球信息科技的突飞猛进,为沟域经济管理工作的发展带来了新的机遇,“3S“技术在该领域的发展将呈现广阔前景。
1“3S”技术概况
“3S”是遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)这3项相互独立又相互支持的新技术的总称,它们是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的三大支撑技术。
遥感(RS)可以提供多时相、多分辨率和多谱段的各种遥感数据,其高分辨率的遥感影像可以达到1 m左右。利用RS影像,可以迅速得到几周前甚至几天前的最新更新数据,成本低、数据真实准确。通过处理分析最后提取和应用有关对象信息,是一种高效的信息采集手段,对于空间数据的确定有特殊意义,在规划设计中可以提供高分辨率的数据源。
全球卫星定位系统(GPS)主要用于为所获取的空间目标及属性信息提供实时的、快速的空间定位。GPS作为确定空间位置的主要手段,以其速度快、精度高、不受气候和通讯条件的影响,具有全天候、布点灵活、作业方便等优点,因此作为RS图像的精纠正等具有不可替代的作用。
地理信息系统(GIS)是指在计算机技术支持下,对空间信息输入、查询、运算、分析、表达的技术系统。利用GIS可以把社会经济、人文等信息与反映地理位置的图形信息有机地结合起来,从而使复杂空间问题的科学求解成为可能,提供决策服务。GIS技术可以解决海量空间数据的显示和管理问题。利用面向对象的大型数据库技术,不仅可以解决海量数据的存储与管理等问题,也解决了多用户编辑、数据完整性、数据安全机制等许多问题。
2“3S”技术与沟域经济
2.1 “3S”技术在沟域生态规划中的作用沟域经济的发展离不开沟域生态科学合理的规划。没有规划的经济只能造成资源和金钱的浪费。沟域经济生态规划要处理的核心是沟域的生态问题,即人类与环境的关系,其目的是求得人与生态的和谐共存、互惠共生。凭借“3S”技术其快捷和精确的空间信息获取能力、强大的动态预测功能、全面的区域综合分析功能以及高度的可定制性,能够对生态系统内部多元信息的获取、传输、分析、处理、反馈起到有效的辅助作用,从而为生态宏观调控、规划决策等提供全方位的信息服务。使得规划者可以更加高效准确的了解沟域生态与环境变化[4]。
全球定位系统(GPS)在沟域景观生态规划中的主要作用是对航空照片和卫星像片等遥感图像进行定位和地面矫正,遥感数据在精度上还不够,因此需要GPS 辅助矫正。
遥感(RS)在规划过程中的主要作用是识别地物,在大范围的规划中使用遥感数据,可以省时省力。 根据卫星像片所呈现的图像,得到规划对象总体的基础数据(如植被空间分布图、水系分布图),这样就大大减少了实地调查进行数据采集的工作量。有了基础数据以后,就可以根据需要,加工得出专业上需要的数据。
可选取最近几年的高分辨率SPOT或TM影像图、地形图、林相图及GPS野外调查的数据作为数据的来源。利用ARCGIS软件对遥感数据进行几何校正,空间增强和辐射增强等处理,将GPS在地面调查的样点和植被类型显示在视窗上,利用AOI选取模板进行训练,根据制定分类体系划分景观类型,对训练模板的可能矩阵进行评价,结合已有资料和野外调查数据,以目视解译和外业调查的结果为辅,对分类效果进行评价检验并根据评价结果进行监督分类,将分类后数据经过聚类、统计过滤除去一定面积的斑块,在ARCGIS中进行数字化,生成各景观类型的多边形矢量数字文件,建立拓扑关系后,生成各类景观专题图,对各区进行统计,得到景观分类图和各种景观类型专题图,在此基础上,对数据进行综合分析,然后对沟域地形图进行数字化并生成数字高程模型DEM,为沟域景观因子的选择和遥感数据的叠加奠定基础。
运用地理信息系统[23](GIS)原理及技术利用ARCGIS软件进行分析评价。在沟域景观生态规划中主要用到叠置技术,对多种类型的空间数据同时进行各种相关运算,系统化的分析评价。此外动态分析和模拟,通过对不同时段所得到的遥感数据进行分析,监测和分析沟域景观的动态过程[2-3]。
在对沟域进行景观生态规划时应该遵循以下原则:(1)整体性原则:充分利用3S技术和系统方法原理论,协调各类型景观同整个区域景观关系,实现整体上的协调发展;(2)尺度原则:从沟域景观单元出发,考虑沟域景观的规模、破碎化等因素,根据其合理的尺度规模进行界定;(3)自然景观优先原则:在保证经济、信息流畅的同时,充分尊重自然生态过程,保护一些具有生态价值的基础上,利用两个主要影响因子即主成分载荷,从土地的利用现状、沟域景观空间分布以及地质地貌和土地利用类型出发,结合外业调查和实际沟域景观格局现状,对北京沟域进行景观生态规划。
2.2 “3S”技术在沟域信息管理中的作用网络技术的高速发展使地理信息系统应用范围更加广阔,目前在城市规划、土地管理、交通、电力等领域得到广泛应用。地理信息系统具有采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据等功能,利用“3S”技术构建沟域经济[11-13]地理信息平台,将全北京市沟域生态规划状况以数字化地图方式呈现,使人们可以方便的实现浏览、查询、分析等功能,构建沟域经济效益属性数据库,对沟区经济收入统计、核算、报表输出,实现经济效益的动态分析。
WebGIS,就是基于Internet技术的地理信息系统(GIS),随着Internet技术在全球范围内的飞速发展和人们对地理信息系统(GIS)的应用需求,利用Internet在Web上发布空间数据,为用户提供空间数据浏览、查询和强大的分析功能,对沟域各种资源深入挖掘,运用空间分析的功能,从宏观上指导沟域经济规划方案,使得资源发挥最大优势,创造最大的效益。WebGIS是基于浏览器/服务器模式的地理信息系统,因此,WebGlS不但具有大部分乃至全部传统GIS软件具有的功能,而且还具有利用Internet优势的特有功能,即用户不必在自己的本地计算机上安装GIS软件就可以在Internet上访问远程的GIS数据和应用程序,进行GIS分析,这是发展WebGIS服务沟域经济的最大亮点,因为,沟域区域用户多是农民,基于农民的文化技术水平等因素,使用Internet向沟域用户提供沟域现状信息、专家指导方案、同时也可以收集用户反馈的建议信息。
系统基础地理空间数据主要是各年中高分辨率的遥感数据,大面积区域可用中等分辨率遥感影像,而针对某一特定沟域则需要高分辨率遥感影像。为了实现地理信息的真正共享和开放性,利用Intnernet技术,建立包含丰富的空间拓扑关系的数据库,可采用面向对象数据库模型,实现地图的自动录入和校对,可以节省大量的人力、物力和财力,促进沟域经济系统WebGIS服务应用的推广。采用面向对象数据库管理GIS数据,可以实现复杂数据类型的描述,数据间关联语义的管理等等。
利用WebGIS技术构建北京沟域经济地理信息系统[14-18]是为了实现都市农业的信息化发展的大目标,更是为了促进北京市沟域经济的快速、健康的发展。运用其空间信息量测与分析、统计分析、地形分析、网络分析、叠置分析、缓冲分析、决策支持等功能,深度挖掘可开发区域资源,建设出更多有创意有价值的项目,不断提升区域经济的发展品质和潜力,创造更多经济、文化和生态价值。
2.3 “3S”技术在三维可视化模拟中的作用沟域经济发展涉及的的沟域景观模拟、建筑物模拟、地下管线的3D显示、道路桥梁的三维景观实体以及地形地貌显示等,都强调了三维信息以及三维景观实体间关系的表达,对这些建设项目的三维空间信息进行处理、分析和挖掘来实现项目状态的现势数字三维可视化表达,可以更加准确真实地表示现实中沟域建设的发展情况,而这些数字三维表达都需要通过虚拟现实技术来实现。
虚拟现实[19-22],或虚拟实境(Virtual Reality),简称VR技术,是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般,及时、没有限制地观察三度空间内的事物。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统,虚拟现实的最大特点是:用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作,改变了过去人类除了亲身经历,就只能间接了解环境的模式,从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外,虚拟现实不仅仅是一个演示媒体,而且还是一个设计工具,它以视觉可视化形式产生一个适人化的多维信息空间,为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。
建立模型所需要的大场景三维数据,主要是指沟域范围地形地貌的三维数据,主要是高分辨率的遥感影像,如分辨率为0.61米的QuickBird等,叠加数字高程模型图(DEM),生成三维地形数据;对于沟域范围内的道路、桥梁和建筑物等三维数据,可以通过数字摄影测量技术获取立体像对的方法,也可以通过三维激光扫描测量系统集合全站仪进行地面测绘获取空间坐标和高程;对于树木和雕塑等以点形式存在的地物,通过GPS采集地物的坐标;建筑物及树木的纹理通过拍摄大量照片来获取。分别对沟域建筑物、地形、天空、树木进行场景建模,使其能形象的反应真实场景,最后明确场景的层次关系,完成沟域三维可视化模拟。
信息技术的应用是都市农业现代化的客观要求和发展趋势,尤其虚拟现实是计算机技术农业应用的更高境界,都市农业信息产品将会成为今后服务“三农”的新产品。
3“3S”技术在沟域经济发展中的前景
沟域经济概念提出后,几年来,有力推动了京郊山区经济的发展,对于农村产业结构的调整起到了积极作用。但是,由于这一理念还处于初步实施阶段,所以存在一些问题。现在我市对沟域的开发利用不仅数量不多,质量也不高;在所开发经营的沟域中,缺少整体把握和规划,随心所欲,没有长远打算,资源综合效能不高;环境破坏、水体污染等现象也很明显。因此,在沟域经济发展上,必须整合各种资源和生产要素,制定科学有效的沟域生态规划方案,在保护好生态环境的同时,实现效益最大化。
“3S”技术集RS、GPS、GIS为一体,在沟域高分辨率遥感影像获取、沟域地形精确定位、沟域地理信息管理、沟域三维可视化模拟等方面发挥了巨大作用[9]。随着遥感技术的进一步发展,将会出现更加高清度的遥感影像图,对于沟域的地形研究将更加准确;GPS导航技术的革新和测绘仪器的进步,将使沟域空间定位更加精确;地理信息系统的发展将使系统功能更加全面,在沟域生态规划、适宜性评价、生态价值评估和沟域环境动态监测、流域治理等方向可以快速准备的进行评定,以解决当前沟域经济发展中缺乏合理规划、环境污染、生态破坏等问题;计算机虚拟技术的发展将使沟域三维化更精确、更逼真,人们可以不用实地去考察就能在一台计算机上对整个沟域的规划设计一目了然。
在“3S”技术的科学手段支持下,着手对沟域资源进行系统摸底调查,对具备一定发展条件的沟域进行发展规划设计,拿出具体的开发方案。通过“统一规划,政府扶持,集体塔台,农民主体和社会参与”这样一种模式,建设内容多样、产业融合、特色鲜明的沟域产业带,逐步把我们山区建成生态环境良好、基础设施完备、绿色产业兴旺、社会事业发达、山川景色秀美、人们生活安康的新山区[24-31]。“沟域经济”正把北京山区变成生态环境良好、基础设施完备、绿色产业兴旺、社会事业发达、山川景色秀美、人民生活安康的宜游更宜居的圣地。而“3S”技术通过Internet传播给更多的人,服务于更多的人,用信息技术中的新技术促进首都城乡一体化总体目标的早日实现。
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