GIS支持下的長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性分析

宋姣姣 ，彭 鵬，周國華，舒 倩

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.長沙市規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410007）

GIS支持下的長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性分析

宋姣姣1，彭 鵬1，周國華1，舒 倩2

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.長沙市規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙 410007）

生態(tài)環(huán)境敏感性分析是劃定城市開發(fā)界線和保護(hù)生態(tài)資源的重要依據(jù)。根據(jù)長沙市生態(tài)本底環(huán)境，選取市域內(nèi)坡度、起伏度、植被覆蓋度、水域、建設(shè)用地、農(nóng)田、自然保護(hù)區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害等敏感性因子，借助GIS空間分析技術(shù)，將各因子的敏感性依次分為極高、高、中、低和非敏感性5個(gè)等級，并根據(jù)其敏感程度賦予相應(yīng)等級值，然后運(yùn)用多因子疊加最大值法，對長沙市域生態(tài)環(huán)境敏感性定量分析。結(jié)果表明：長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性總體偏高，極高敏感區(qū)、高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和非敏感區(qū)的面積比重分別為市域面積的11.87%、48.64%、25.20%、3.41%和10.88%。守住自然生態(tài)本底，劃定生態(tài)紅線，是目前長沙市城市規(guī)劃建設(shè)面臨的迫切問題。

生態(tài)環(huán)境敏感性；地理信息系統(tǒng)；空間分析；長沙市

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市空間急劇擴(kuò)張，劃定城市開發(fā)邊界成為從嚴(yán)供給城市建設(shè)用地，引導(dǎo)城市有序發(fā)展，推動城鎮(zhèn)化發(fā)展由外延擴(kuò)張式向內(nèi)涵提升式轉(zhuǎn)變的重要舉措之一。在遏制城市發(fā)展侵蝕生態(tài)環(huán)境過程中，生態(tài)環(huán)境敏感性分析是主要生態(tài)地段識別的常用方法，更是劃定剛性界線的中心環(huán)節(jié)。開展生態(tài)環(huán)境的敏感性分析，識別出需要重點(diǎn)或優(yōu)先進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)的區(qū)域，從而協(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，引導(dǎo)城市空間合理增長。

生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動干擾和自然環(huán)境變化的反映程度,說明發(fā)生區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小的度量[1]。在自然狀態(tài)下，各種生態(tài)過程存在著某種相對穩(wěn)定的耦合關(guān)系，當(dāng)這種關(guān)系受外界干擾超過一定的限度時(shí)，將會發(fā)生破裂，引起一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。一般情況下，敏感性越高，生態(tài)系統(tǒng)越易損害，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、建設(shè)和恢復(fù)的重要區(qū)域。

目前，國內(nèi)外對生態(tài)環(huán)境敏感性分析的研究已經(jīng)從生態(tài)學(xué)領(lǐng)域單一的生態(tài)敏感問題發(fā)展到多個(gè)生態(tài)因子敏感性的綜合性分析，如早期有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)和土壤對酸雨沉降的敏感性分析[2-4]，濕地和水文系統(tǒng)對氣候變化的敏感性[5-6]，土地退化與水土流失的動態(tài)敏感性研究[7-8],區(qū)域與流域的綜合生態(tài)環(huán)境敏感性研究[9-12]，研究尺度從國家[1]、流域[13-15]、省域[16-18]延伸到市縣域[19-23]范圍，并且取得了不少成果，但這些研究多集中在尺度較大的區(qū)域，而對中小尺度市縣的研究，近幾年才開始逐漸增加，并且缺乏相對統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)體系。市縣級的生態(tài)環(huán)境敏感性分析，側(cè)重針對當(dāng)?shù)鼐唧w的生態(tài)環(huán)境問題，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)與區(qū)域開發(fā)更具備實(shí)用的指導(dǎo)意義。本文基于GIS技術(shù)，使用單因子敏感性分析和多因子疊加求最大值法，對長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性展開綜合分析，以期為長沙生態(tài)環(huán)境保護(hù)和剛性界線劃定提供理論依據(jù)。

一、研究區(qū)域概況

長沙是湖南省省會城市，處于湘江下游和長瀏盆地西緣。地理坐標(biāo)為東徑111°53′～114°15′， 北 緯 27°51′～ 28°41′， 總 面 積 1.1819萬平方公里。地形復(fù)雜，湘江兩岸呈現(xiàn)地勢低平的沖積平原，其東西兩側(cè)及東南面為地勢較高的低山、丘陵。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.2℃，全年無霜期275天左右，多年平均降水量1360 mm左右。境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河流眾多，湘江穿城而過，瀏陽河、撈刀河、溈水河、靳江河貫穿東西?，F(xiàn)轄芙蓉、天心、岳麓、開福、雨花、望城6個(gè)區(qū)和長沙、寧鄉(xiāng)2個(gè)縣及瀏陽市，2015年總?cè)丝?43.18萬人。

二、數(shù)據(jù)來源與研究方法

（一）數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

選用覆蓋長沙市的2015年9月四景Landsat8圖像和國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供的空間分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以1：10萬地形圖、自然保護(hù)區(qū)分布圖和行政區(qū)劃圖及各種社會數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充信息源（見表1）。在遙感軟件ENVI5.2支持下，通過輻射定標(biāo)、大氣校正、影像鑲嵌，選擇對植被反應(yīng)較敏感的TM4、5、6波段進(jìn)行運(yùn)算，獲取NDVI；然后，對NDVI展開二值化處理獲得植被覆蓋信息的數(shù)據(jù)，并根據(jù)行政區(qū)劃的矢量圖進(jìn)行圖像裁剪。依據(jù)研究區(qū)域的地理特征和影像質(zhì)量，采取人機(jī)交互監(jiān)督分類法對遙感影像解譯，取得研究區(qū)土地利用信息數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)用ArcGIS對水域、農(nóng)田、建設(shè)用地劃定敏感度等級。利用ArcGIS對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取坡度和起伏度數(shù)據(jù)，根據(jù)縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃公布的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)和相關(guān)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害圖進(jìn)行配準(zhǔn)，矢量化。

表1 數(shù)據(jù)來源

（二）研究方法

1.因子的選取與等級劃分

生態(tài)環(huán)境敏感性區(qū)是指對區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境起決定作用的生態(tài)要素和生態(tài)實(shí)體，這些實(shí)體和要素對內(nèi)外干擾都具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力，其保護(hù)、生長、發(fā)育等程度決定了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的狀況[1]。通常情況下，生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)主要包括河流水系、濱水地區(qū)、野生生物棲息地、山地丘陵、植被、自然保護(hù)區(qū)、森林公園、灘涂濕地、水源涵養(yǎng)區(qū)、水質(zhì)保持區(qū)、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等生態(tài)敏感帶[24]。因此，首先需要對研究區(qū)關(guān)鍵生態(tài)資源進(jìn)行辨識。

根據(jù)長沙市的實(shí)際情況，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的分類框架，將長沙市的關(guān)鍵生態(tài)資源分為四類（見表2）。

表2 長沙市關(guān)鍵生態(tài)資源分類

在生態(tài)環(huán)境敏感性因子選取過程中，遵循科學(xué)性、可操作性、主導(dǎo)性、系統(tǒng)性、動態(tài)性與靜態(tài)性結(jié)合的原則，結(jié)合長沙市地區(qū)自然生態(tài)本地特征，選取地形、植被、水域、基本農(nóng)田、地質(zhì)災(zāi)害、建設(shè)用地、風(fēng)景名勝等作為生態(tài)環(huán)境敏感性分析的主要影響因子。

根據(jù)國家生態(tài)功能區(qū)劃中生態(tài)環(huán)境敏感性指標(biāo)體系分級標(biāo)準(zhǔn)，并參考地區(qū)制定的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評分準(zhǔn)則和相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，考慮實(shí)際各因子與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，將單因子敏感性用非、低、中、高和極高敏感性5個(gè)等級進(jìn)行表示；將描述性的分級屬性量化成敏感性等級，各等級分別用1、3、5、7、9表示（見表3）。

表3 生態(tài)環(huán)境敏感性因子分級與賦值

2.因子疊加求最大值法

由于不同因子對生態(tài)環(huán)境敏感性的影響程度不同，需明確每個(gè)生態(tài)因子在整個(gè)指標(biāo)體系中的相對重要性。多個(gè)因子加權(quán)求和的方法在一定程度上將會導(dǎo)致單因子評價(jià)結(jié)果之間抵消或者放大，并且權(quán)重的確定具有人為的主觀性，繼而會影響綜合生態(tài)環(huán)境敏感性的評價(jià)結(jié)果。因此，本文采用因子疊加求取最大值法，來確定研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境敏感性綜合指數(shù)[25]，符合木桶理論，計(jì)算公式為：DES=max(Di)，i=1,2,3,4,5,6,7,8，公式中：DES—生態(tài)綜合敏感性指數(shù)；Di—第i個(gè)因子的等級值。

3.空間疊加

在ArcGIS軟件支持下，使用緩沖區(qū)、字段計(jì)算器、要素轉(zhuǎn)柵格、重分類等工具將地形、植被、水域、基本農(nóng)田、地質(zhì)災(zāi)害、建設(shè)用地、風(fēng)景名勝等指標(biāo)分別進(jìn)行相應(yīng)的等級賦值，產(chǎn)生單因子生態(tài)環(huán)境敏感性等級圖。然后使用數(shù)據(jù)管理工具依據(jù)因子疊加求取最大值法鑲嵌疊合，得出綜合生態(tài)環(huán)境敏感性分區(qū)結(jié)果。最后運(yùn)用聚合工具，把相對集聚和鄰近的圖斑聚合成比較完整的圖斑，得到最終的生態(tài)環(huán)境敏感性分析圖。

三、結(jié)果分析

（一）單因子生態(tài)環(huán)境敏感性分析

通過上述方法，在ArcGIS中分別得出各敏感性因子的空間分布（見圖1a～圖1h）及表4。長沙市地形復(fù)雜多變，地勢起伏較大，基于坡度、起伏度的兩個(gè)因子分析結(jié)果顯示，研究區(qū)的總體敏感性不高。坡度大于25°的面積為583.72km2，占長沙市面積的4.94%，屬于極高敏感區(qū)；坡度在15°～25°的面積為1491.08 km2，占長沙市面積的12.62%，屬于高敏感區(qū)；上述的兩種敏感區(qū)主要分布在寧鄉(xiāng)縣西部的溈山和瀏陽市東部的鳳凰山、猴子山、大圍山地區(qū)。中、低和非敏感區(qū)各占總面積的10.25%、19.22%和52.97%，主要分布在長沙市都市區(qū)（見圖1a、表4）?；谄鸱纫蜃哟笥?0m和30～80m的極高和高敏感區(qū)各占研究區(qū)總面積的0.03%和7.38%，多分布在研究區(qū)西部和東部；30m以下的中、低和非敏感區(qū)主要分布在地勢相對平坦、城市建設(shè)和農(nóng)場居民點(diǎn)較集中地區(qū)域,占總面積的92.59%（圖1b、表4）。

植被是影響生態(tài)環(huán)境敏感性的重要因子，對于促進(jìn)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康和平衡起到關(guān)鍵作用。長沙地貌多為低山、丘陵，山地景觀豐富，植被覆蓋率較高，基于NDVI的植被覆蓋度生態(tài)敏感性總體偏高。極高和高敏感區(qū)占研究區(qū)面積的58.79%，多為生長在海拔較高，坡度較大的山林及平緩丘陵地帶的灌木林地。中敏感區(qū)占市域面積的17.06%，主要為城市郊區(qū)的草用、農(nóng)用地；低和非敏感區(qū)占市域面積的24.15%，主要包括建設(shè)用地、水域、裸地等無植被覆蓋的地區(qū)（見圖1c、表4）。

長沙市水系發(fā)達(dá)，連通性好，但總體水域面積較小。極高、高和中敏感區(qū)共占研究區(qū)面積的11.02%，其中極高敏感區(qū)主要為主干河流，高敏感區(qū)主要為水庫和主干河流周圍100m的范圍，中敏感區(qū)為水庫周圍的200m范圍，分散在研究區(qū)內(nèi)；遠(yuǎn)離水域的區(qū)域沒有參與水域生態(tài)環(huán)境敏感性分析，主要為耕地、林地、建設(shè)用地等區(qū)域（圖1d、表4）。

自然保護(hù)區(qū)擁有一些典型的生態(tài)系統(tǒng)單元，觀賞價(jià)值高，對于促進(jìn)生態(tài)完整性和環(huán)境質(zhì)量的改善具有重要的作用，屬于極高敏感區(qū)，占研究區(qū)總面積的7.25%（圖1e、表4）；建設(shè)用地因子面積為819.74 km2，占總面積的6.94%，主要分布在長沙市城區(qū)和寧鄉(xiāng)縣、長沙縣、瀏陽市的城區(qū)（見圖1f、表4）；農(nóng)田因子屬于中敏感區(qū)，面積為4 103.27 km2，占總面積的34.72%，分布在城市周邊地勢低平的地區(qū)（見圖1g、表4）。

長沙市地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，人類工程經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)烈，災(zāi)害較發(fā)育，主要的地質(zhì)災(zāi)害為：滑坡、崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡和地面塌陷。從地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性因子來看，分為高、中、低易發(fā)區(qū)，對應(yīng)中、低、非敏感性區(qū)，中敏感區(qū)面積為3 013.84 km2，占總面積的25.50%，主要分布在寧鄉(xiāng)縣西南部、長沙縣東部、瀏陽市北部和南部；低敏感區(qū)面積為5 052.46 km2，占總面積的42.75%，主要分布在寧鄉(xiāng)縣西部和南部、望城區(qū)大部分、長沙縣南部和北部、瀏陽市東南部；非敏感區(qū)面積為3 752.96 km2，占總面積的31.75%，主要分布在長沙市城區(qū)、望城區(qū)北部、瀏陽市西北部、長沙縣大部和寧鄉(xiāng)縣東部等地（圖1h，表4）。

圖1 長沙市各生態(tài)環(huán)境因子敏感性分布

（二）生態(tài)環(huán)境敏感性綜合分析

通過8個(gè)生態(tài)因子的疊加求取最大值法，獲得長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性綜合分析圖2及表4，長沙市的綜合生態(tài)環(huán)境敏感性較高，總體的空間分布規(guī)律是大部分地區(qū)處于中高敏感區(qū)，中心城區(qū)敏感性低，周邊山區(qū)敏感性高。極高敏感區(qū)和高敏感區(qū)占市域面積的60.51%，主要分布在長沙縣、寧鄉(xiāng)縣和瀏陽市的山區(qū)一帶，這些地區(qū)坡度較大，植被覆蓋率高，土地利用多為林地和灌木的林地，屬于生態(tài)保護(hù)的核心區(qū)域，禁止與生態(tài)環(huán)境保護(hù)無關(guān)的建設(shè)活動，加大宜林地的綠化工作，構(gòu)建山地綠色生態(tài)屏障；中敏感區(qū)域面積為2978.05 km2，占總面積的25.20%，多分布在高、低敏感區(qū)交錯地帶，地形相對平坦，植被分布比較稀疏，農(nóng)田，水庫、湖泊等地區(qū)，在保護(hù)的前提下，因地制宜的進(jìn)行適度的開發(fā)；低敏感區(qū)和非敏感區(qū)占總面積的14.29%，主要是中心城區(qū)建設(shè)用地、村鎮(zhèn)居民點(diǎn)及部分裸地，是城市發(fā)展建設(shè)的主要區(qū)域，可進(jìn)行較高強(qiáng)度開發(fā)，提高土地的利用率。

圖2 長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性綜合分析

表4 長沙市各生態(tài)環(huán)境因子及綜合生態(tài)環(huán)境敏感性分級面積

四、結(jié)論與討論

文章主要以長沙市為研究對象，選取坡度、起伏度、植被覆蓋度、水域、自然保護(hù)區(qū)、建設(shè)用地、農(nóng)田、地質(zhì)災(zāi)害等8個(gè)反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境本底的因子，建構(gòu)了生態(tài)環(huán)境敏感性評價(jià)體系。并且，借用GIS技術(shù)通過生態(tài)因子的疊加求最大值法對長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性空間分布進(jìn)行了制圖表達(dá)和定量分析，從而為城市開發(fā)剛性界限的劃定和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。具體結(jié)論如下：第一，長沙市域內(nèi)極敏感區(qū)、高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和非敏感區(qū)的面積占比分別為11.87%、48.64%、25.20%、3.41%和10.88%，極高與高敏感區(qū)面積之和達(dá)到了60.51%；第二，分布在坡度較大、自然保護(hù)區(qū)、植被覆蓋率高、主干河流的極高敏感區(qū)和高敏感區(qū)土地生態(tài)環(huán)境都比較脆弱，而且這些區(qū)域的生態(tài)環(huán)境很容易受到破壞，一旦遭到破壞就很難在短時(shí)間之內(nèi)恢復(fù)到正常水平，所以這些區(qū)域是生態(tài)環(huán)境需要重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域，也是城市劃定剛性界線重要的參考依據(jù)。第三，中敏感區(qū)具有環(huán)境承載力，但能力較為有限，不宜高強(qiáng)度開發(fā)，但可因地制宜進(jìn)行中等輕度開發(fā)，并找出導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的開發(fā)活動及時(shí)有效的進(jìn)行治理。第四，低敏感區(qū)和非敏感區(qū)主要為起伏度小、城區(qū)建設(shè)用地、村鎮(zhèn)居民點(diǎn)及部分裸地。生態(tài)環(huán)境與其他類型相比較，自身能夠經(jīng)受一些外界的干擾，在保證社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下，可以結(jié)合土地利用規(guī)劃和布局進(jìn)行合理的開發(fā)建設(shè)和項(xiàng)目投資，但必須嚴(yán)格控制“三廢”。

從中小尺度層面出發(fā)，針對長沙市生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行分析，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市開發(fā)邊界的劃定更具有指導(dǎo)意義。但是，由于缺乏一套統(tǒng)一的生態(tài)環(huán)境敏感性分析的指標(biāo)體系，本文在選取分析要素的過程中存在一定的主觀性，對研究結(jié)果有一定的影響。在今后的研究過程中，嘗試建立一套相對比較統(tǒng)一的生態(tài)敏感性分析的指標(biāo)體系，作為生態(tài)環(huán)境敏感性分析的導(dǎo)則，客觀上指導(dǎo)各不同層次、不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境敏感性分析，從而為生態(tài)功能區(qū)劃，城市總體規(guī)劃等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

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An Eco-environmental Sensitivity Analysis Based on GIS in Changsha City

SONG Jiaojiao1,PENG Peng1,ZHOU Guohua1,SHU Qian2
(1.College of Resources and Environmental Science of Hunan Normal University,Changsha 410081,Hunan,China; 2.Changsha City planning investigation and Design Institute,Changsha 410007,Hunan,China)

Eco-Environmental sensitivity analysis is an important basis of defining the rigid boundaries of urban development and protecting ecological resources.According to the ecological environment of Changsha,the sensitivity factors such as slope,fl uctuation,vegetation coverage,water,construction land,farmland,nature reserves and geological hazards are selected.By using GIS spatial analysis technology,each sensitivity factor is divided into 5 grades,they are hypersensitivity,highly sensitivity,medium sensitivity,low sensitivity and non-sensitivity,and they are assigned corresponding values.Then use the method of multi factors superposition to calculate the maximum value,make quantitative analysis to the ecological environment sensitivity of Changsha.The results show that the eco-environmental sensitivity in Changsha in general is relatively high,and the regional difference is remarkable,the area proportion of hypersensitivity,highly sensitivity,medium sensitivity,low sensitivity and non-sensitivity are 11.87%,48.64%,25.2%,3.41% and 10.88% of the city area.Keeping the natural environmental background is currently the urgent problem that Changsha’s urban planning and construction is facing.

eco-environmental sensitivity; GIS; spatial analysis; Changsha City

F205

A

1673-9272(2017)04-0021-06

10.14067/j.cnki.1673-9272.2017.04.005 http：//qks.csuft.edu.cn

2017-05-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371144）；湖南省教育廳項(xiàng)目（09C650）；長沙市城鄉(xiāng)規(guī)劃局招標(biāo)課題“長沙市城市開發(fā)邊界研究”。

宋姣姣，碩士研究生。

彭 鵬，副教授， 博士；E-mail：pengheli@sina.com。

宋姣姣，彭 鵬，周國華，等.GIS支持下的長沙市生態(tài)環(huán)境敏感性分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2017,11(4)：21-26.

[本文編校：羅 列]