山區(qū)土地評(píng)價(jià)的GIS空間分析建模研究

陳應(yīng)躍， 甘淑， 田禹東， 周曦冰

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093)

山區(qū)土地評(píng)價(jià)的GIS空間分析建模研究

陳應(yīng)躍， 甘淑， 田禹東， 周曦冰

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650093)

為了因地制宜地開(kāi)發(fā)利用地形地貌復(fù)雜、土層較薄、基巖裸露率較高的山區(qū)土地，需要提前進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，目前主要采用ArcGIS空間分析方法進(jìn)行分析處理，但是處理過(guò)程繁雜，易出錯(cuò)。本研究采用ArcGIS空間分析模型生成器對(duì)分析過(guò)程進(jìn)行模型化處理，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)處理過(guò)程進(jìn)行處理流程建模，關(guān)聯(lián)各個(gè)因子模型進(jìn)行多因子綜合評(píng)價(jià)，可得出山區(qū)土地資源建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)模型。采用上述方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行相關(guān)分析處理，再結(jié)合大量地面調(diào)查，分析出的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際土地開(kāi)發(fā)利用適宜性有較高吻合度，驗(yàn)證了該GIS模型方法的科學(xué)性與可靠性，而且較常規(guī)的方法數(shù)據(jù)處理效率明顯提高，數(shù)據(jù)處理模型也可以共享。

山地資源；空間分析；模型生成器

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，批量、流程化處理已成為當(dāng)今GIS技術(shù)重要特征。在傳統(tǒng)的空間分析及數(shù)據(jù)處理中通常借助計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言來(lái)達(dá)到海量數(shù)據(jù)的批處理或流程化處理，這種方法工作量較大，對(duì)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)難度較高。GIS空間分析模型指的是用于空間數(shù)據(jù)處理的一系列算法的集合，其建立過(guò)程包括明確要解決的問(wèn)題、分解問(wèn)題、模型組建、模型校驗(yàn)以及投入應(yīng)用[1]等步驟。

本研究采用模型器對(duì)山區(qū)土地資源建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)方法及過(guò)程進(jìn)行了模型創(chuàng)建，以達(dá)到數(shù)據(jù)分析處理流程化的目的。山地資源建設(shè)適宜性決定于多個(gè)因子的共同作用，在評(píng)價(jià)時(shí)借助一些數(shù)學(xué)模型對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行了定量、定性分析，并得出各因子共同作用的綜合結(jié)果。將數(shù)學(xué)模型與空間分析建模技術(shù)進(jìn)行了融合[2]，使評(píng)價(jià)工作變得簡(jiǎn)單易行、準(zhǔn)確高效；模型創(chuàng)建完成后運(yùn)行得到研究區(qū)域的建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與研究區(qū)域?qū)嶋H情況相符合。

1 研究方法

1.1 建模方法

Model Builder是ArcGIS空間分析模型生成器。該建模方法通過(guò)提供圖形化操作工具，并用連接線將模型元素連接[3]，在模型屬性中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和環(huán)境，一旦完成一個(gè)完整的可重復(fù)使用空間處理模型設(shè)計(jì)后就可以實(shí)現(xiàn)流程化空間分析處理。

圖形化建模工具可以將數(shù)據(jù)和空間處理工具連接起來(lái)，處理復(fù)雜的GIS任務(wù),更大程度地實(shí)現(xiàn)GIS空間分析方法的共享[4]。在Model Builder中，輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)和相應(yīng)的空間處理工具以直觀的圖形語(yǔ)言表示,按有序的步驟連接起來(lái),可以按需添加標(biāo)簽來(lái)說(shuō)明模型各個(gè)模塊的功能，使人們對(duì)模型的組成及執(zhí)行過(guò)程的認(rèn)識(shí)更加簡(jiǎn)單,對(duì)模型進(jìn)行修改和糾錯(cuò)更加容易[5]。在本研究中，針對(duì)山地資源評(píng)估空間分析處理，通過(guò)使用Model Builder建模技術(shù)，完成了山地資源評(píng)估流程化處理。

1.2 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)及方法

研究中涉及到中心城鎮(zhèn)位置、等高線、主干道路、斷裂帶分布、行政區(qū)界線和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。山地資源適宜性評(píng)價(jià)是在麥克哈格適宜性評(píng)價(jià)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，采用多因素打分加權(quán)求和的方式進(jìn)行。文中涉及中心城鎮(zhèn)影響力、主干道影響力、土地利用類(lèi)型、斷裂帶分布影響、坡度分布和坡向分布6個(gè)因子。指標(biāo)權(quán)重的確定采用層次分析法或?qū)＜艺{(diào)查法(Delphi法)[6]，即

(1)

式中:P為綜合評(píng)價(jià)值；n為因子個(gè)數(shù)；Wi為單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重值；Ai為單項(xiàng)指標(biāo)量化得分值(百分制)。

1.3 評(píng)價(jià)建模技術(shù)流程

1.3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

①中心城鎮(zhèn)點(diǎn)數(shù)據(jù),為各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道辦)政府駐地點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合實(shí)地調(diào)研核定; ②等高線數(shù)據(jù),以等高距為20 m等高線數(shù)據(jù)作為坡度、坡向等地形數(shù)據(jù)提取源；③主干道路數(shù)據(jù),主干道路為跨越行政區(qū)的主要道路干線，一般包括過(guò)境國(guó)道、省道、縣道以及城市的主要交通網(wǎng)；④斷裂帶分布數(shù)據(jù)，反映了項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率，從當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害防治部門(mén)獲?。虎葑钚碌男姓^(qū)區(qū)劃界線數(shù)據(jù)；⑥土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),獲取最新土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，從中提取地類(lèi)圖斑圖層可得。

上述數(shù)據(jù)中，中心城鎮(zhèn)空間分布數(shù)據(jù)、等高線、研究區(qū)域主干道、行政區(qū)界線范圍和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)均為2011年，數(shù)據(jù)來(lái)源于研究區(qū)國(guó)土資源局提供的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，比例尺為1∶1萬(wàn)；斷裂帶分布數(shù)據(jù)獲取于研究區(qū)國(guó)土資源局地質(zhì)災(zāi)害防治所，為2008年云南省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果。

1.3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

ArcGIS空間分析中的疊加主要基于柵格數(shù)據(jù)上開(kāi)展[7]。在使用Model Builder建模工具對(duì)山地資源建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)建模過(guò)程中，對(duì)所有因子數(shù)據(jù)進(jìn)行初步預(yù)處理，通過(guò)空間分析處理將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為柵格，并按照評(píng)價(jià)要求進(jìn)行重分類(lèi)和定量化處理。數(shù)據(jù)為T(mén)IF格式，柵格大小為50像元×50像元。

1.3.3 Model Builder建模

在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，明確對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子的數(shù)據(jù)處理方法以及所用空間分析工具，開(kāi)始模型的創(chuàng)建。每個(gè)評(píng)價(jià)因子處理模型應(yīng)盡可能做得高效簡(jiǎn)潔，避免復(fù)雜冗余操作，必要時(shí)適當(dāng)添加注釋信息，以提高其可讀性。

1.3.4 執(zhí)行結(jié)果及分析

模型創(chuàng)建并調(diào)試成功之后，運(yùn)行模型，得出評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析評(píng)價(jià)其空間分布的客觀性、合理性和準(zhǔn)確性。制作評(píng)價(jià)成果專(zhuān)題圖，以供進(jìn)一步研究使用。

2 模型構(gòu)建及應(yīng)用

2.1 空間數(shù)據(jù)預(yù)處理建模及應(yīng)用

2.1.1 創(chuàng)建坡度、坡向因子模型

對(duì)研究區(qū)域的行政界線(XZQ)和等高線(DGX，且等高距為20 m)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到坡度、坡向數(shù)據(jù)。首先，創(chuàng)建地形數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)；然后，使用TIN生成數(shù)字高程模型(DEM)；最后，從DEM中提取坡度、坡向等數(shù)據(jù)。對(duì)坡度數(shù)據(jù)按照[0°，8°)，[8°，15°)，[15°，25°)，≥25°這4個(gè)等級(jí)重分類(lèi)。坡向依北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個(gè)方向重分類(lèi)，然后按照4個(gè)大類(lèi)進(jìn)行歸并處理，南、南東—南西，東、西、西—西南、東—東南，西—西北、東—東北，北、北西—北東，分別定為一等、二等、三等、四等。坡度及坡向數(shù)據(jù)提取模型如圖1所示。

圖1 坡度及坡向數(shù)據(jù)預(yù)處理模型Fig.1 Aspect and slope extraction model

以坡度模型為例，賦分值模型如圖2所示。

圖2 坡度賦分值模型Fig.2 Aspect factor score assignment model

對(duì)不同因子等級(jí)進(jìn)行賦分值處理時(shí)，坡度賦值原則為：[0°，8°)賦100分，[8°，15°)賦80分，[15°，25°)賦60分，≥25°賦20分；坡向賦值原則為：一等100分，二等80分，三等60分，四等20分。坡度、坡向賦分值模型相似。

2.1.2 創(chuàng)建土地利用類(lèi)型因子模型

將土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)按照建設(shè)用地(一等)、其他用地(二等)、園林農(nóng)用地(三等)、耕牧用地(四等)4類(lèi)進(jìn)行歸并，并對(duì)4個(gè)等級(jí)分別賦分：一等100分、二等80分、三等60分、四等20分。模型如圖3所示。

圖3 土地利用類(lèi)型賦分值模型Fig.3 Land use factor score assignment model

完成賦分值后使用矢量柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到柵格格式的土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)。

2.1.3 中心城鎮(zhèn)影響力等模型創(chuàng)建

中心城鎮(zhèn)影響力、斷裂帶分布、主要道路影響力模型中采用歐氏距離法(euclidean distance)分別對(duì)每個(gè)因子的影響力度進(jìn)行空間分析處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行影響力賦分。

采用歐氏距離法計(jì)算源像元中心與每個(gè)周?chē)裨行闹g的歐氏距離[8]。從概念上講，歐式算法的原理是對(duì)于每個(gè)像元，通過(guò)用xmax和ymax作為三角形的2條直角邊來(lái)計(jì)算斜邊的方法，確定與每個(gè)源像元之間的距離。這種計(jì)算方法得出的是真實(shí)歐氏距離，而不是像元距離。與信息源之間的最短距離將會(huì)被確定，如果它小于指定的最大距離，則將該值賦給輸出柵格上的像元位置[2]。如圖4所示。

圖4 源柵格數(shù)據(jù)Fig.4 Source raster data

中心城鎮(zhèn)影響力模型反映了評(píng)價(jià)區(qū)域中心城鎮(zhèn)對(duì)山地資源適宜性的影響力度。使用歐氏距離法對(duì)中心城鎮(zhèn)點(diǎn)進(jìn)行空間分析，可得出不同的影響范圍。采用經(jīng)驗(yàn)分段值確定影響范圍(一級(jí)影響范圍[0，1 000)m，二級(jí)影響范圍[1 000，3 000)m，三級(jí)影響范圍[3 000，5 000)m，四級(jí)影響范圍≥5 000 m)，并為不同等級(jí)影響范圍進(jìn)行賦值。模型中首先設(shè)置模型工作空間、歐氏距離最大緩沖范圍值、工作空間范圍以及中心城鎮(zhèn)分布點(diǎn)數(shù)據(jù)、輸出路徑，運(yùn)行模型即可得到歐氏距離分析結(jié)果。

圖5為中心城鎮(zhèn)影響力模型運(yùn)行結(jié)果，圖5(a)為歐氏距離分析效果圖，圖5(b)為經(jīng)過(guò)行政區(qū)切割處理的中心城鎮(zhèn)影響力圖。

(a) 歐氏距離分析結(jié)果 (b) 中心城鎮(zhèn)影響力

圖5 中心城鎮(zhèn)影響力模型

Fig.5 Center of town influence model

由于分析結(jié)果必須控制在行政區(qū)內(nèi)，因此對(duì)其做進(jìn)一步處理。首先對(duì)其按照4個(gè)影響等級(jí)進(jìn)行重分類(lèi)處理，然后對(duì)分析結(jié)果與行政區(qū)存在空間疊加差異的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，并為處理結(jié)果添加分值存儲(chǔ)字段。模型如圖6所示。

圖6 疊加差異處理模型Fig.6 Overlay of differences processing model

線性因子(斷裂帶和主要道路影響力)處理模型與點(diǎn)因子模型相似，而面狀因子模型(坡度、坡向、土地利用類(lèi)型)處理則有所差異，直接使用經(jīng)預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)并對(duì)不同等級(jí)賦值量化。

2.2 綜合評(píng)估模型

將數(shù)據(jù)輸入模型，綜合評(píng)價(jià)各個(gè)因子模型的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，各個(gè)因子在模型中按照各自的權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算。綜合模型如圖7所示。

圖7 綜合評(píng)價(jià)模型Fig.7 Comprehensive evaluation model

模型輸出結(jié)果為綜合評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)，按照綜合得分將其劃分為4個(gè)等級(jí)，分別是一等適宜、二等適宜、三等適宜和四等適宜，同時(shí)添加結(jié)果統(tǒng)計(jì)模型，如圖8所示。

圖8 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)模型Fig.8 Evaluation of statistical model results

模型運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖9 山地資源綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.9 Comprehensive evaluation results

表1 適宜性等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Area statistics of suitability classification

從表1中可以看出一等適宜地比例最小。通過(guò)模型評(píng)價(jià)結(jié)果可以直觀地將集中連片的適宜性較高區(qū)域分割出來(lái)，用于未來(lái)建設(shè)使用。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)山區(qū)土地資源評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)流程模型化，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況對(duì)模型評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，可以看出模型評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際有著很好的一致性，驗(yàn)證了GIS建模技術(shù)的可靠性及適用性。在原本復(fù)雜難懂的計(jì)算機(jī)程序處理方法基礎(chǔ)上，GIS建模方法是一個(gè)重大進(jìn)步，使得GIS批處理、流程化處理變得簡(jiǎn)單易行，并且保證了數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量，為大數(shù)據(jù)的批處理、流程化處理提供了一種新的解決方案，同時(shí)也為山區(qū)土地資源評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐[9]。

在模型創(chuàng)建中還可以使用python語(yǔ)言對(duì)Arcpy站點(diǎn)包進(jìn)行調(diào)用，與Model Builder建模技術(shù)結(jié)合，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行腳本工具開(kāi)發(fā)，從而增強(qiáng)模型構(gòu)建器的實(shí)用性以及靈活性。

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(責(zé)任編輯：李瑜)

GIS spatial modeling in mountainous land evaluation

CHEN Yingyue， GAN Shu， TIAN Yudong， ZHOU Xibing

(InstituteofLandandResourcesEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093，China)

Due to such factors as complex topography,thin soil and high bedrock exposure rate,the measurement of mountainous land should be adapted to local conditions for the development and utilization,and hence the suitability evaluation should be conducted first. At present,researchers in this field usually use ArcGIS spatial analysis method to do the analysis,but the process is complicated and easy to make errors. In this paper,the authors use the spatial analysis model of ArcGIS generator model to model the calculation process and the dealing process of each evaluation factor,combine every single factor to do the comprehensive factor calculation,and then get the mountain resources suitability evaluation model. These methods were applied to performing the correlation of the study area. Combined with the field work,the authors found that the evaluated result is highly identical with the suitability of land exploitation and utilization under the practical situation. The scientific character and reliability of the GIS model methods were verified. Compared with the conventional method,the methods adopted by the authors could improve the efficiency of data processing obviously. The data processing model for the sharing is also provided.

mountain resources；spatial analysis；Model Builder

2013-12-19；

2014-04-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于遙感與GIS的滇東南石漠化監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)及過(guò)程模擬研究”(編號(hào)：41261092)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.30

陳應(yīng)躍，甘淑，田禹東，等.山區(qū)土地評(píng)價(jià)的GIS空間分析建模[J].國(guó)土資源遙感，2015,27(2)：196-200.(Chen Y Y，Gan S，Tian Y D,et al.GIS spatial modeling in mountainous land evaluation[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2)：196-200.)

P 208

A

1001-070X(2015)02-0196-05

陳應(yīng)躍(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)?S集成與應(yīng)用研究。Email：754571764@qq.com。