基于ArcGIS的祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險分析

唐容艷，黃義忠，呂慶波

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.宣威市板橋街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南 宣威 655413)

基于ArcGIS的祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險分析

唐容艷1，黃義忠2*，呂慶波3

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.宣威市板橋街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南 宣威 655413)

隨著人口的不斷增長以及土地資源的不合理利用，人地關(guān)系日益緊張。為了從宏觀上把握土地資源的壓力與脅迫程度，本文選取對土地資源造成壓力、脅迫和干擾的土地利用強度、25°以上坡地面積百分比、年平均降雨量、植被覆蓋度、人口密度、GDP、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等7個指標(biāo)，在ArcGIS中以1 km格網(wǎng)為基本評價單元，采用層次分析法、ArcGIS空間分析模塊下的標(biāo)識工具及Excel對祿勸縣土地資源的暴露風(fēng)險進(jìn)行分析，最后運用自然斷點法將暴露風(fēng)險分為暴露低風(fēng)險、暴露中等風(fēng)險、暴露較高風(fēng)險和暴露高風(fēng)險4個層次，并生成祿勸縣暴露風(fēng)險分級圖。結(jié)果顯示，祿勸縣暴露風(fēng)險主要集中在低風(fēng)險和中等風(fēng)險層次，分別占研究區(qū)總面積的48.1%和35.7%；較高風(fēng)險主要分布在湯郎鄉(xiāng)、馬鹿塘鄉(xiāng)、云龍鄉(xiāng)、團街鎮(zhèn)、九龍鎮(zhèn)以及茂山鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的13.8%；高風(fēng)險主要集中在轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)、團街鎮(zhèn)和屏山街道，占研究區(qū)總面積的2.5%。

土地資源； 暴露風(fēng)險； 層次分析法； ArcGIS； 祿勸縣

土地資源作為人類最基本的生活資料和最主要的勞動對象，隨著人口的不斷增長和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，日益突顯出人地關(guān)系緊張化的態(tài)勢[1]。關(guān)于土地資源，目前已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。20世紀(jì)80年代之前已有土地資源可持續(xù)利用、優(yōu)化配置、生態(tài)安全等方面的研究[2-5]。20世紀(jì)80年代初，隨著資源環(huán)境承載力研究的推進(jìn)，又開始進(jìn)行土地資源承載力方面的研究[6]。然而這些研究，都沒有著重突出土地資源的暴露風(fēng)險，這里的暴露是指土地資源經(jīng)歷外在環(huán)境、壓力與脅迫的程度；土地資源暴露風(fēng)險則是指通過搜集對土地資源造成壓力、破壞或威脅的因素，采用一定的分析方法將這些因素進(jìn)行綜合，凸顯區(qū)域內(nèi)土地資源所面臨的危機程度。我國暴露風(fēng)險的相關(guān)研究最早出現(xiàn)于1996年，大多集中于醫(yī)學(xué)和金融業(yè)，隨后暴露風(fēng)險也逐漸被用于水資源和生態(tài)系統(tǒng)中[7-11]。但在土地資源中并未得到應(yīng)用。因此，本文以云南省祿勸彝族苗族自治縣為例，利用Arcgis軟件，采用層次分析法、標(biāo)識工具并與Excel相結(jié)合對祿勸縣土地資源進(jìn)行暴露風(fēng)險分析，得出研究區(qū)暴露格局，為土地資源的后續(xù)研究以及保護(hù)政策的制定提供理論依據(jù)。

1 暴露風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評價指標(biāo)的選取

氣候、地質(zhì)災(zāi)害以及人類活動都會對土地資源造成威脅，比如暴雨會引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而改變土地利用的模式；人口的增長會增加對土地資源的需求，加重人地矛盾；不合理的利用陡坡地會導(dǎo)致大面積水土流失等。針對研究區(qū)的實際情況，本文選取土地利用強度、25°以上坡地面積百分比、降雨量、植被覆蓋度、人口密度、GDP、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性作為暴露風(fēng)險評價指標(biāo)。除植被覆蓋度為負(fù)向指標(biāo)外，其余指標(biāo)均與暴露風(fēng)險呈正相關(guān)(表1)。

表1 暴露風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重與性質(zhì)

注：正向指標(biāo)表示該指標(biāo)與暴露風(fēng)險呈正相關(guān)，負(fù)向指標(biāo)表示該指標(biāo)與暴露風(fēng)險呈負(fù)相關(guān)。

1.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

美國著名的運籌學(xué)專家薩蒂于20世紀(jì)70年代提出的層次排序法(AHP法)，能利用人的經(jīng)驗和判斷將人的思維數(shù)學(xué)化，實現(xiàn)定量指標(biāo)與定性指標(biāo)的統(tǒng)一。AHP法具有簡潔、實用、系統(tǒng)等優(yōu)點，并且在多個領(lǐng)域成功應(yīng)用。因此，本文采用AHP確定各指標(biāo)權(quán)重[12](表1)，根據(jù)薩蒂提出的1～9標(biāo)度方法，構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行兩因素之間相對重要性的比較(表2)。

表2 暴露風(fēng)險指標(biāo)判斷矩陣

1.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各指標(biāo)的單位、性狀狀態(tài)的數(shù)值大小以及離差的不同，本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法消除指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱不一致問題，具體標(biāo)準(zhǔn)化公式：

1.4 評價單元劃分

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[13-16]，結(jié)合研究需求，以行政區(qū)為底圖創(chuàng)建1 km×1 km格網(wǎng)，將研究區(qū)劃分為4 470個評價單元。

1.5 評價模型構(gòu)建

根據(jù)以上分析，構(gòu)建土地資源暴露風(fēng)險評價模型。

E=∑ViWi。

式中，E表示暴露度，Vi表示暴露風(fēng)險評價指標(biāo)，Wi表示各評價指標(biāo)權(quán)重。

1.6 暴露風(fēng)險等級劃定

暴露度是暴露風(fēng)險的數(shù)學(xué)表達(dá)，暴露度越高則暴露風(fēng)險越大。4 470個評價單元會生成4 470個暴露度，為了能更直觀、清晰地看出研究區(qū)的暴露風(fēng)險等級，本文采用ArcGIS中的自然斷點分級法(Jenks)將暴露度劃分為4個層次：暴露低風(fēng)險、暴露中等風(fēng)險、暴露較高風(fēng)險和暴露高風(fēng)險。自然斷點法能夠自動識別分類間隔，對相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)姆纸M，并且使各類間的差異最大化，因此采用自然斷點分級法對暴露風(fēng)險等級進(jìn)行劃定其結(jié)果是可靠的。

2 祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險分析

2.1 研究區(qū)概況

祿勸彝族苗族自治縣是云南省昆明市的郊區(qū)縣，地處102°14′3″～102°56′8″E、25°24′39″～26°22′2″N。2015年，祿勸縣全縣總?cè)丝?1.10萬人，生產(chǎn)總值75.00億元。祿勸縣處于強烈的南北向切割的橫斷山脈中段及滇池斷陷帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；境內(nèi)高差較大，立體氣候特征明顯，年均溫15.6 ℃，年平均降雨量946.7 mm。

2.2 數(shù)據(jù)來源與土地利用類型提取

本文采用的數(shù)據(jù)源主要有2015年Landsat OLI影像3景、DEM數(shù)據(jù)、以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本統(tǒng)計單位的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、經(jīng)濟數(shù)據(jù)及氣候數(shù)據(jù)，氣候數(shù)據(jù)僅指年平均降雨量。

以Langsat OLI影像為遙感數(shù)據(jù)源，經(jīng)過幾何糾正，圖像鑲嵌，彩色合成等一系列預(yù)處理，通過人機交互提取2015年祿勸縣土地利用類型。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、園地、水體、居民地和未利用地6個類型，然后提取居民地二級類型中的城鎮(zhèn)居民地和農(nóng)村居民地，本文以建制鎮(zhèn)代替城鎮(zhèn)居民地，用于空間人口模擬。

2.3 暴露風(fēng)險評價

本文以1 km×1 km格網(wǎng)劃分得到的4 470個方格為評價單元。由于所搜集到的數(shù)據(jù)均以行政區(qū)為統(tǒng)計單元，這些數(shù)據(jù)無法滿足評價的需求，故而需要對所搜集到的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理。使用空間分析工具下的標(biāo)識疊加，提取每個格網(wǎng)對應(yīng)的各指標(biāo)信息，以實現(xiàn)評價指標(biāo)的格網(wǎng)化。

2.3.1 土地利用強度

土地利用強度指的是土地資源利用的效率，單位用地面積投資強度或?qū)?個單位的土地投資的強度。它與暴露風(fēng)險呈正相關(guān)，土地利用強度值越大，對土地資源利用的效率越高，造成的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險越高。根據(jù)土地利用類型的特點，把土地利用強度分為4個等級，1級未(難)利用地，2級林草水用地(林地、草地、水域)，3級農(nóng)業(yè)用地(耕地、園地、人工草地)，4級建設(shè)用地(居民點、工礦及交通用地)[10]。計算評價單元的土地利用程度綜合指數(shù)：

式中，yx表示第x個格網(wǎng)單元土地利用程度綜合指數(shù)，Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù)，Si為第i級土地利用面積，S為該格網(wǎng)單元內(nèi)土地總面積。

利用自然斷點法將土地利用強度分為4個等級：低強度、中等強度、較高強度和高強度(圖1)。

圖1 祿勸縣土地利用強度的分級情況

2.3.2 人口密度

圖2 祿勸縣人口密度、GDP和植被覆蓋度的情況

2.3.3 GDP

GDP是指一個國家或地區(qū)所有常駐單位在一定時期內(nèi)生產(chǎn)的所有最終產(chǎn)品和勞務(wù)的市場價值，是衡量一個國家或地區(qū)總體經(jīng)濟狀況的重要指標(biāo)。一般說來，經(jīng)濟得到發(fā)展就會對當(dāng)?shù)剡M(jìn)行投資建設(shè)，提供就業(yè)機會，吸引人口搬遷，就會對當(dāng)?shù)赝恋刭Y源造成壓力[17]。GDP與暴露風(fēng)險呈正相關(guān)，GDP越高，對土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險越高。為了將GDP格網(wǎng)化，本文將其與人口聯(lián)系起來，通過格網(wǎng)對應(yīng)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均GDP與空間化的人口數(shù)相乘得到對應(yīng)格網(wǎng)的GDP值。采用自然斷點法，將GDP分為4個等級：低、中等、較高、高(圖2)。

2.3.4 植被覆蓋度

植被蓋度指植物群落總體或各個體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)，它反映植被的茂密程度和植物進(jìn)行光合作用面積的大小。因為植被能夠在一定程度上防止水土流失，對土地資源起到保護(hù)作用，所以植被覆蓋度與暴露風(fēng)險呈負(fù)相關(guān)，植被覆蓋度越小，對土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險越高。以各格網(wǎng)林地面積與土地總面積的比值作為本研究的植被覆蓋度，利用自然斷點法將植被覆蓋度分為4個等級：低覆蓋度、中等覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度(圖2)。

2.3.5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指在一定的地質(zhì)環(huán)境和人類工程活動下，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。祿勸縣是云南省滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害危害最嚴(yán)重的縣區(qū)之一。它與暴露風(fēng)險呈正相關(guān)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高，對土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險越高。袁佳等[18]將祿勸縣地質(zhì)災(zāi)害劃分為地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)4個層次。本文借鑒其研究成果，利用自然斷點法將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為4個等級：低易發(fā)性、中等易發(fā)性、較高易發(fā)性、高易發(fā)性(圖3)。

2.3.6 25°以上坡地面積百分比

坡度是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平寬度的比叫做坡度(或叫做坡比)。過于陡峭的坡地一般不適合用于建設(shè)和耕種。研究表明，25°以上坡地，由于地勢陡峭，水土不易保持，這些地區(qū)如果過度開發(fā)，就會影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全，造成環(huán)境破壞、水土流失、生物多樣性降低等惡果[19]。因此，本文通過計算評價單元內(nèi)25°以上耕地與建設(shè)用地面積與總面積之間的比值，來說明研究區(qū)內(nèi)坡度對土地資源的潛在壓力。25°以上坡地面積百分比與暴露風(fēng)險呈正相關(guān)，比值越大，說明耕地與建設(shè)用地面積越大，越容易造成土壤流失，對土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險越高。用自然斷點法將25°以上坡地面積百分比分為4個等級：低百分比、中等百分比、較高百分比、高百分比(圖3)。

3.3.7 年平均降雨量

年平均降雨量的資料大都是以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計單元，假定鄉(xiāng)鎮(zhèn)對應(yīng)的格網(wǎng)中年平均降雨量相同，用標(biāo)識疊加工具直接實現(xiàn)兩者的格網(wǎng)化。用自然斷點法將其分為4個等級：低、中等、較高、高(圖3)。

2.3.8 祿勸縣暴露風(fēng)險評價

根據(jù)公式疊加計算暴露風(fēng)險值。用自然斷點法對暴露風(fēng)險值進(jìn)行分割，將暴露風(fēng)險分為4個層次，即暴露低風(fēng)險、暴露中等風(fēng)險、暴露較高風(fēng)險和暴露高風(fēng)險(圖4)。

圖3 祿勸縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、25°以上坡地百分比和年降雨量的情況

圖4 祿勸縣暴露風(fēng)險的分級情況

3 小結(jié)

祿勸彝族苗族自治縣暴露風(fēng)險主要集中在低風(fēng)險和中等風(fēng)險層次，分別占研究區(qū)總面積的48.1%和35.7%；較高風(fēng)險主要分布在湯郎鄉(xiāng)、馬鹿塘鄉(xiāng)、云龍鄉(xiāng)、團街鎮(zhèn)、九龍鎮(zhèn)以及茂山鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的13.8%；高風(fēng)險主要集中在轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)、團街鎮(zhèn)和屏山街道，占研究區(qū)總面積的2.5%。研究表明，本文所選指標(biāo)已經(jīng)對祿勸縣的土地資源產(chǎn)生了一定程度的壓力、脅迫與干擾。雖然隨著風(fēng)險等級的增加，其所對應(yīng)的面積值呈現(xiàn)遞減趨勢，但也應(yīng)該引起當(dāng)?shù)貙ν恋刭Y源的高度重視，防止暴露低風(fēng)險向高風(fēng)險進(jìn)一步惡化。根據(jù)所選的評價指標(biāo)，可以采取控制人口增長，控制土地利用強度的增加，25°以上坡地退耕還林還草，房屋建筑拆舊蓋新等措施來達(dá)到控制風(fēng)險的目的。

本文以1 km格網(wǎng)為暴露風(fēng)險評估基本單元，采用7個評價指標(biāo)對祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險進(jìn)行分析，得出研究區(qū)暴露風(fēng)險基本格局，從宏觀上了解到祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險主要集中在低風(fēng)險和中等風(fēng)險層次，較高風(fēng)險和高風(fēng)險層次主要分布在那些土地利用強度高、植被覆蓋度低、降雨量多且容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。暴露風(fēng)險的提出是為了引起人們對土地資源外在壓力的重視，以便于從源頭上找到保護(hù)土地資源的方法。

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(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2017-08-09

唐容艷(1993—)，女，云南宣威人，在讀碩士，研究方向為空間定位數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，E-mail:1204546764@qq.com。

黃義忠(1972—)，廣西桂林人，副教授，博士，研究方向為土地資源管理與環(huán)境地質(zhì)，E-mail: hyizhong95@163.com。

文獻(xiàn)著錄格式：唐容艷，黃義忠，呂慶波. 基于ArcGIS的祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(11)：1968-1973.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171132

X820.4

A

0528-9017(2017)11-1968-06