GIS空間分析技術(shù)在葡萄園選址中的應(yīng)用

翟海翔，張麗娜，卜曉東，焦彩菊

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，山西太原030031）

GIS空間分析技術(shù)在葡萄園選址中的應(yīng)用

翟海翔，張麗娜，卜曉東，焦彩菊

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所，山西太原030031）

隨著地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)的迅速發(fā)展，其強(qiáng)大的空間分析技術(shù)愈來愈受到關(guān)注。在農(nóng)業(yè)開發(fā)項(xiàng)目中，將GIS空間分析技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)開發(fā)項(xiàng)目選址中，可形象直觀量化地展示項(xiàng)目選址結(jié)果。以清徐縣馬峪鄉(xiāng)土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖及氣象圖疊加形成評(píng)價(jià)葡萄園選址的圖，選取對(duì)葡萄生長(zhǎng)影響較大的9個(gè)因子，使用層次分析法確定權(quán)重，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過累計(jì)分析計(jì)算得出選址結(jié)果；對(duì)研究區(qū)897個(gè)地塊圖斑進(jìn)行評(píng)價(jià)，將研究區(qū)葡萄園選址劃分為5個(gè)等級(jí)（最適宜區(qū)、高適宜區(qū)、中等適宜區(qū)、低適宜區(qū)、不適宜區(qū)），等級(jí)越高越適宜葡萄種植。將GIS空間技術(shù)與層次分析法有效結(jié)合，可以對(duì)葡萄園選址進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，并直觀展示選址結(jié)果，為葡萄項(xiàng)目建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，大大提高選址的效率。

GIS空間分析；葡萄園；選址

葡萄是世界四大果品之一，鮮食美味可口，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，有利于人體新陳代謝和治療心腦血管疾病等，醫(yī)療保健功效尤為突出，已成為國際上公認(rèn)的重要保健果實(shí)，享有水果皇后的美譽(yù)[1-2]。山西清徐葡萄栽培種植歷史悠久，近年來種植面積不斷增大，選擇較好的葡萄種植地址以確保產(chǎn)量最大化越來越重要[3-4]。GIS空間分析可以幫助確定地理要素之間新的空間關(guān)系，將同一地區(qū)不同圖層的特征相疊合，不僅建立了新的空間關(guān)系，而且能夠?qū)⑤斎氲膶傩蕴卣饔枰院喜?，易于進(jìn)行多因素的查詢和分析[5]。將GIS空間分析技術(shù)應(yīng)用于葡萄園項(xiàng)目選址中，疊合多個(gè)影響因子，以找出最優(yōu)葡萄種植地址，因此，將GIS空間技術(shù)應(yīng)用于葡萄園項(xiàng)目選址中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。已有關(guān)于GIS技術(shù)應(yīng)用在建設(shè)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)[6]、河南省煙草生態(tài)適宜性綜合評(píng)價(jià)[7]、SEFFIN等利用基于GIS的作業(yè)流式空間決策支持系統(tǒng)對(duì)巴西圣保羅的甘蔗種植進(jìn)行了生態(tài)適宜性的評(píng)價(jià)[8]、寧夏釀酒葡萄種植區(qū)劃[9]等方面的研究，但是針對(duì)山西省葡萄園項(xiàng)目選址的定量研究較少。

在借鑒前人相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上，本研究從地形、氣候和土壤3個(gè)方面確定評(píng)價(jià)因子，建立研究區(qū)葡萄園選址的評(píng)價(jià)體系，采用層次分析法[10-11]確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重，使用ArcGIS軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理和分析，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行葡萄園選址綜合評(píng)價(jià)。利用GIS技術(shù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)提取、矢量轉(zhuǎn)柵格、柵格轉(zhuǎn)矢量等處理，多因子加權(quán)疊加計(jì)算和評(píng)價(jià)選址，從而為葡萄園項(xiàng)目選址提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在太原市清徐縣馬峪鄉(xiāng)。該地位于清徐縣城西北，距縣城3 km，全鄉(xiāng)轄32個(gè)行政村，人口為1.98萬，占地總面積為101 km2，山區(qū)面積為0.88萬hm2，占87.4%，森林總面積達(dá)0.17萬hm2，全鄉(xiāng)葡萄種植面積超過0.2萬hm2[12]。該區(qū)依山面川，具有西高東低的緩坡，背風(fēng)向陽，聚光聚熱性能好，光照充足，土壤通透性好、偏堿性，6—9月是區(qū)域內(nèi)熱量資源充足、降水量集中的季節(jié)，具有悠久的葡萄種植歷史，素有“中國葡萄之鄉(xiāng)”的美稱[13]。

1.2 方法

1.2.1 選擇影響因子開辟一塊葡萄園，不是簡(jiǎn)單地選取一塊地皮，需要綜合考慮多方面因素如土壤、地形地貌、氣候等。通過搜集資料、征求意見確定葡萄園選址影響因子為：（1）地形地質(zhì)：地形、坡度、坡向；（2）氣候因素：溫度、光照、降水、供水保證率；（3）土壤因素：土壤質(zhì)地、pH值。

1.2.2 葡萄園選址評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型葡萄園選址的數(shù)學(xué)模型選擇使用最廣泛的層次法分析數(shù)學(xué)模型——加權(quán)求和模型，依據(jù)每個(gè)影響因子的權(quán)重和分值加權(quán)疊加，得出評(píng)價(jià)因子指數(shù)和，從而做出等級(jí)評(píng)定。

A＝Σ AiPi（i的取值為1，2，3，…，n，n為評(píng)價(jià)因子的總個(gè)數(shù)）

式中，A為加權(quán)疊加值，即最終的評(píng)價(jià)結(jié)果；Ai為各影響因子的評(píng)價(jià)值；Pi為各影響因子的權(quán)重值；i為因子編號(hào)。

根據(jù)各影響因子對(duì)選址的影響，收集各位專家的評(píng)價(jià)，依據(jù)專家和數(shù)據(jù)資料的平衡分析確定各因子的影響作用及相應(yīng)的權(quán)重，利用葡萄園選址的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2.3 葡萄園選址流程葡萄園的的選址需要考慮多方面的因素，通過廣泛收集資料、實(shí)地調(diào)研以及征求有關(guān)專家意見，確定影響因子和權(quán)重，利用數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)選址。葡萄園項(xiàng)目選址流程如圖1所示。

1.2.4 空間分析技術(shù)

1.2.4.1 空間數(shù)據(jù)處理方法搜集的數(shù)據(jù)可以分為2種，一種是紙質(zhì)圖形數(shù)據(jù)，一種是電子圖形數(shù)據(jù)。紙質(zhì)圖形數(shù)據(jù)首先將圖形掃描為柵格數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)矢量數(shù)據(jù)，拓?fù)浼m錯(cuò)檢查，投影變換，形成標(biāo)準(zhǔn)化圖件。電子數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)為SHAPE數(shù)據(jù)，然后比對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，矯正到相應(yīng)的位置，投影變換，形成標(biāo)準(zhǔn)化圖件[14]。

1.2.4.2 空間建模空間建模是在地理處理框架的基礎(chǔ)上，使用“模型構(gòu)建器”將地理處理語言中的各個(gè)空間分析工具按順序連接在一起，建立合適的空間分析模型，從而將地理處理模型轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?，有助于二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)編程語言的可視化?？臻g建模也可稱為“地圖模型”，對(duì)分析過程使用圖形或者符號(hào)表示[15]。葡萄園選址的空間建模流程如圖2所示。

1.2.4.3 空間分析操作

1.2.4.3.1矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)柵格數(shù)據(jù)為了方便矢量數(shù)據(jù)能直接與多種柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，需要將矢量數(shù)據(jù)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)闁鸥駭?shù)據(jù)的形式。在ArcGIS中使用空間分析工具中的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)柵格數(shù)據(jù)工具（Conversion Tools—To Raster—Feature to Raster）。1.2.4.3.2表面分析之坡度及坡向坡度是指過地表面任意一點(diǎn)的切平面與水平面之間的夾角，用來計(jì)算任一單元和領(lǐng)域單元間變化的最大比率，坡度值較低則說明地勢(shì)較平坦，反之則地勢(shì)較陡峭。坡向指地表面上一點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點(diǎn)的正北方向的夾角，坡向表示這點(diǎn)高程值改變量的最大方向[14]。在ArcGIS中使用空間分析工具中的坡度工具和坡向工具，利用高程圖分析出相應(yīng)的坡度值和坡向。

1.2.4.3.3.重分類對(duì)原有柵格像元值重新分類得出一組新值，并輸出。在重分類中使用“按相同等級(jí)對(duì)一組柵格的值進(jìn)行分類”和“將特定值設(shè)置為NoData或者NoData像元設(shè)置某個(gè)值”的方法[16]。

1.2.4.3.4柵格計(jì)算器柵格計(jì)算是柵格數(shù)據(jù)空間分析中進(jìn)行數(shù)學(xué)處理和分析的最常用的方法。ArcGIS中的柵格計(jì)算器，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算符柵格計(jì)算、數(shù)學(xué)函數(shù)的柵格計(jì)算和ArcGIS自帶的柵格數(shù)據(jù)空間分析函數(shù)的柵格計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

葡萄園選址評(píng)價(jià)主要以ArcGIS軟件為平臺(tái)進(jìn)行空間分析和建立數(shù)據(jù)庫。以馬峪鄉(xiāng)的土地利用現(xiàn)狀圖斑為基本單元，摳除公路用地、村莊、農(nóng)村道路等不能用于種植的屬性用地后共為897個(gè)單元。對(duì)897個(gè)單元進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，最終以等級(jí)反映出來，葡萄園選址的因子包括地形、坡度、坡向、溫度、光照、降水、土壤質(zhì)地、pH值和供水保證率。

使用ArcGIS模型構(gòu)建器建立馬峪鄉(xiāng)葡萄園選址的模型（圖3）。依次進(jìn)行1.2.4.3節(jié)操作，將葡萄園項(xiàng)目的土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)柵格數(shù)據(jù)后得出柵格數(shù)據(jù)；依據(jù)高程數(shù)據(jù)分析出葡萄園的高程、坡度、坡向、溫度、光照、降水、土壤質(zhì)地、土壤pH值和供水保證率數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，之后對(duì)重分類數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格計(jì)算，得出總結(jié)果。高程數(shù)據(jù)重分類具體情況如表1所示。

表1 高程重分類及適宜性評(píng)價(jià)

以馬峪鄉(xiāng)的土地利用現(xiàn)狀圖斑為基本單元，共897個(gè)地塊（研究區(qū)共有1 796個(gè)地塊，摳除公路用地、村莊、農(nóng)村道路等不能用于種植的屬性用地），運(yùn)行模型得出定量分析結(jié)果如圖4所示，共劃分5個(gè)等級(jí)，即最適宜區(qū)、高適宜區(qū)、中等適宜區(qū)、低適宜區(qū)、不適宜區(qū)，等級(jí)越高，柵格像元值顏色越深，越深越適宜葡萄種植。

3 討論

本研究針對(duì)研究區(qū)葡萄生長(zhǎng)的現(xiàn)狀，從地形地質(zhì)因素、氣候因素、土壤因素、水文條件4個(gè)方面選擇9個(gè)影響因子建立了研究區(qū)葡萄園項(xiàng)目選址的評(píng)價(jià)體系，采用層次法的數(shù)學(xué)模型，利用ArcGIS疊加分析對(duì)研究區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，分析結(jié)果可以定量、直觀、可視化地展示結(jié)果。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際，葡萄種植區(qū)涉及馬峪鄉(xiāng)西迎南風(fēng)、李家樓、后塞、黃土坡、棗坪等32個(gè)行政村，種植面積約867 hm2，涉及163個(gè)圖斑，經(jīng)過對(duì)比這些區(qū)域都包含在圖4分析結(jié)果中的最適宜區(qū)和高適宜區(qū)范圍內(nèi)。

以往的選址調(diào)查結(jié)果只是語言性表述，各個(gè)選址因子沒有相互關(guān)聯(lián)地分析，對(duì)于選址決策缺乏一定量的分析[17]。本研究表明，GIS和數(shù)學(xué)模型的有效結(jié)合，可以對(duì)葡萄園項(xiàng)目選址進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)的方法相比，可節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力資源，其也為農(nóng)業(yè)開發(fā)項(xiàng)目選址提供了一種新的方法，提高了選址效率和準(zhǔn)確性，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)能夠更加合理地利用和管理好有限土地資源，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用，同時(shí)科學(xué)決策依據(jù)也有助于提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[18-20]。

4 結(jié)論

除去研究區(qū)摳除的部分（5 931.5 hm2），根據(jù)研究區(qū)葡萄園選址的等級(jí)劃分，研究區(qū)最適宜區(qū)面積為1 546.8 hm2，占研究區(qū)總面積的15.78%；高適宜區(qū)面積620.1 hm2，占研究區(qū)總面積的6.39%；中等區(qū)面積157.7 hm2，占研究區(qū)總面積的1.61%；低適宜區(qū)面積1 513.3 hm2，占研究區(qū)總面積的15.44%；不適宜區(qū)面積58.1 hm2，占研究區(qū)總面積的0.59%。

［1］羅國光.世界葡萄產(chǎn)業(yè)的概括及發(fā)展趨勢(shì)[J].中外葡萄與葡萄酒，2003（5）：54-58.

［2］高揚(yáng)，楊麗芳，張曉玉，等.中國葡萄產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、趨勢(shì)發(fā)展建議[J].河北果樹，2007（2）：5-6.

［3］秦文韜，王忠躍.GIS在葡萄研究與生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中外葡萄與葡萄酒，2012（3）：54-57.

［4］南陽.清徐縣葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究：以葡萄山莊為例[D].太谷：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

［5］張蕾.基于GIS的果樹施肥信息系統(tǒng)研制與初步應(yīng)用[D].西安：西安大學(xué)，2005.

［6］付暉，付廣.基于GIS的?？谑芯G地適宜性評(píng)價(jià)研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（4）：291-297.

［7］陳海生，劉國順.GIS支持下的河南省煙草生態(tài)適宜性綜合評(píng)價(jià)[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（7）：2425-2433.

［8］SEFFINOL A，MEDEIROS C B，ROCHA J.Woods-A spatial decision support system based on workflows[J].The Establishment of Decision Support System，1999，27：105-123.

［9］張曉煜，韓穎娟.基于GIS的寧夏釀酒葡萄種植區(qū)劃[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007（10）：275-278.

［10］王桂芝.基于GIS的三亞市熱作土地適宜性評(píng)價(jià)模型的建立[J].測(cè)繪與工程，1997（2）：23-28.

［11］戴曉愛，仲鳳呈.GIS與層次分析法結(jié)合的超市選址研究與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34（1）：29-31.

［12］李寧，李榮.山西省水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)策探析：以清徐葡萄產(chǎn)業(yè)為例[J].全國商情，2016（18）：70-71.

［13］李艷軍.清徐縣葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題及對(duì)策[J].山西林業(yè)科技，2016（1）：51-52.

［14］牟乃夏.ArcGIS 10從初學(xué)到精通[M].北京：測(cè)繪出版社，2012：345-360.

［15］王彥兵，吳立新.3維GIS空間建模方法評(píng)述[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2007（8）：1430-1434.

［16］徐敬敬.基于GIS的崇明土壤養(yǎng)分空間變異及肥力綜合評(píng)價(jià)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

［17］潘明，陳義.3S技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2011（6）：56-58.

［18］尚明華，秦磊磊，王風(fēng)云，等.基于Android智能手機(jī)的小麥生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)信息采集系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（5）：178-182.

［19］宋長(zhǎng)坡.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的葡萄園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（13）：7108-7109.

［20］杜夢(mèng)麗，鄧娟.基于GIS的土地利用信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].科技視界，2014（20）：341，347.

Application of GIS Spatial Analysis Technology in the Vineyard Location

ZHAI Haixiang，ZHANGLina，BOXiaodong，JIAOCaiju
（Institute ofAgricultural Sciences and Technology Information，Shanxi Academy ofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

As the Geographic Information System（GIS）technology has developed quickly,people pay more attention to the spatial analysis.Applying GIS spatial analysis technology to agricultural development project location,it is easy to provide a scientific estimate and display project location results intuitively.The evaluation index system of the vineyard location was established by choosing 9 evaluation indexs from 3 respects oflandform,soil and climate in Mayu town.The result was used to determine the weight ofcalculated by superposition analysis.The 897 plots in the study area were evaluated,and the vineyard location in the study area was divided into 5 grades（the most suitable area,the high suitable zone,the middle suitable zone,the lowsuitable zone and the unsuitable zone）.It can be conducted rapidly and quantitatively by membership function supported by GIS.The result can show the location result intuitively and make the scientific decision and improve the efficiency ofthe locate greatly.

GIS spatial analysis;vineyard;location

S663.1

：A

：1002-2481（2017）07-1165-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.07.31

2017-02-04

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20140313020-4）

翟海翔（1972-），男，山西翼城人，副研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息分析和規(guī)劃工作。