基于改進(jìn)指數(shù)和法的地形因素對土地利用變化影響程度評價(jià)*

王世東, 吳 超

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基于改進(jìn)指數(shù)和法的地形因素對土地利用變化影響程度評價(jià)*

王世東, 吳 超

(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院 焦作 454000)

土地利用變化影響因素研究是當(dāng)前土地利用變化領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本研究擬探究地形因子對區(qū)域土地利用變化的影響程度, 解釋人地系統(tǒng)相互作用的內(nèi)在機(jī)制, 以期為區(qū)域土地開發(fā)與空間利用的結(jié)構(gòu)、方向、模式等提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)研究區(qū)自然條件、土地利用特點(diǎn)和地形因素特征, 從宏觀地形因子和微觀地形因子兩個(gè)方面選取評價(jià)指標(biāo), 建立地形因素對土地利用變化影響程度評價(jià)指標(biāo)體系; 在此基礎(chǔ)上, 采用熵權(quán)法和環(huán)比評分法相結(jié)合確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法, 建立基于改進(jìn)指數(shù)和法的地形因素對土地利用變化影響程度綜合評價(jià)模型, 基于河南省欒川縣2005—2015年3期Landsat遙感影像和DEM數(shù)據(jù), 利用GIS和RS技術(shù)定量評價(jià)了研究區(qū)地形因素對土地利用變化的影響程度。評價(jià)結(jié)果顯示, 2005—2015年間地形因子中的高程、坡度、坡向、坡長、坡向變率和地表切割度對研究區(qū)土地利用變化的影響程度評價(jià)值增加, 而坡度變率、平面曲率、剖面曲率、高程變異系數(shù)、地形起伏度和地形粗糙度的影響程度評價(jià)值減小。2005—2010年研究區(qū)地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)變化值為0.000 978, 變化率為7.06%; 2010—2015年地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)變化值為-0.001 705, 變化率為-11.50%; 2005—2015年地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)變化值為-0.000 727, 變化率為-5.25%。這些數(shù)據(jù)結(jié)果顯示, 2005—2015年地形因子對土地利用變化的影響程度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。研究結(jié)果表明, 隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 在人類技術(shù)水平的提高、政治經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的合理化以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識和政策等人文驅(qū)動因素條件下, 地形因子作為影響土地利用變化的自然驅(qū)動因素之一, 對土地利用變化的影響程度總體呈現(xiàn)減小趨勢。該研究可為區(qū)域土地利用規(guī)劃、城市建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)參考與技術(shù)支撐。

地形因子; 改進(jìn)指數(shù)和法; 土地利用變化; 欒川縣

土地利用作為社會經(jīng)濟(jì)影響下的人類活動和自然環(huán)境相互作用的結(jié)果, 其驅(qū)動力的作用機(jī)制對研究資源環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)問題有著極其重要的意義[1]。地形因子作為對土地利用變化影響程度最大的自然因素, 直接影響著土地利用變化的方式和趨勢[2]。因此探究地形因子對區(qū)域土地利用變化影響程度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義, 研究成果不僅可以進(jìn)一步解釋人地系統(tǒng)相互作用的內(nèi)在機(jī)制, 還可以為區(qū)域?qū)崿F(xiàn)土地可持續(xù)利用、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)重建等工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

近年來, 國內(nèi)外學(xué)者對地形因子與土地利用變化方面開展了一系列研究, 取得了一定的研究成果。例如, Wood[3]將地形因子分為一般地形因子和水文特征因子兩大類。Shary等[4]提出了根據(jù)不同領(lǐng)域、不同比例尺的地形因子分類方法。侯明行等[5]對鹽城濱海濕地的景觀分布、演變以及對地形因子的響應(yīng)進(jìn)行了分析。宮繼萍等[6]分析了地形因子與農(nóng)村居民點(diǎn)分布格局的關(guān)系。鄧歐平等[7]研究了地形因子與土壤養(yǎng)分空間分異的相關(guān)關(guān)系。郭月峰等[8]研究了流域尺度土壤有機(jī)碳與地形因子關(guān)系, 利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法, 研究了土壤有機(jī)碳的空間分布特征與地形因子的關(guān)系。哈凱等[9]研究了各土地利用類型在不同地形上的分布特征。鄭亞運(yùn)等[10]在DEM基礎(chǔ)上, 綜合運(yùn)用RS和GIS技術(shù), 研究了濟(jì)南市南部山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及其變化、土地利用類型轉(zhuǎn)移率及轉(zhuǎn)移方式與高程、坡度和坡向間的關(guān)系。羅婭等[11]基于干濕條件、地貌類型與坡度坡向, 由宏觀到微觀, 分析了土地利用變化的主要類型、變化程度以及植被變化程度。郭洪峰等[12]為探討在不同高程、坡度和坡向分級條件下的土地利用變化規(guī)律, 以北京市平谷區(qū)為例, 借助DEM提取地形信息, 對平谷區(qū)土地利用變化在各地形因子分級的分布特征進(jìn)行了分析, 結(jié)果表明, 研究區(qū)土地利用變化劇烈且與高程、坡度和坡向具有高度相關(guān)性, 隨著高程、坡度增大, 土地利用變化逐漸減弱。綜上所述, 近年來在地形因子對土地利用變化影響方面取得了一定的研究成果, 例如, 上述的國外學(xué)者主要對地形因子分類方法進(jìn)行研究, 國內(nèi)學(xué)者主要集中在地形因子與土地利用空間分布格局的關(guān)系以及特定地形因子對土地利用變化的影響方面進(jìn)行研究。但這些研究大多針對單個(gè)或少數(shù)地形因子, 未能系統(tǒng)研究地形因子對區(qū)域土地開發(fā)與空間利用的結(jié)構(gòu)、方向、模式等方面的影響, 尤其是從宏觀地形因子和微觀地形因子層面建立評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)模型來分析地形因素影響區(qū)域土地利用變化的研究較少; 此外由于不同地區(qū)的地形地貌特征的差異性, 對于評價(jià)指標(biāo)體系的建立沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且權(quán)重確定方法主觀性較強(qiáng), 且缺乏科學(xué)合理的地形因子對土地利用變化影響程度評價(jià)模型。

本文針對目前研究中存在的問題, 以河南省欒川縣為例, 建立基于宏觀地形因子和微觀地形因子的土地利用變化影響程度評價(jià)指標(biāo)體系; 改進(jìn)傳統(tǒng)熵權(quán)賦權(quán)法, 將其應(yīng)用于指數(shù)和法, 建立基于改進(jìn)指數(shù)和法的地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)模型, 并運(yùn)用該評價(jià)模型對研究區(qū)土地利用變化基于地形因子的影響程度進(jìn)行評價(jià)。研究結(jié)果可為土地利用變化驅(qū)動因素影響程度評價(jià)方法研究提供一定的借鑒, 同時(shí)對研究區(qū)土地資源的合理利用, 優(yōu)化土地利用方式, 科學(xué)進(jìn)行土地利用規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

欒川縣位于河南省洛陽市西南部的伏牛山區(qū)(111°11′~112°01′E, 33°39′~34°11′N)。東與嵩縣毗鄰, 西與盧氏接壤, 南與西峽抵足, 北與洛寧摩肩?？偯娣e2 177 km2, 東西長78.4 km, 南北寬57.2 km?？h城距省會鄭州市280 km, 距洛陽市162 km。縣城境內(nèi)有黃河水系的伊河、小河、明白河, 長江水系的淯河等4條河流, 伏牛山、熊耳山、遏遇嶺將全縣分為南川和北川。整個(gè)地形由東向西南逐漸升高, 海拔自450 m到2 000 m以上, 全縣有中山、低山、河川3種地貌類型。同時(shí), 欒川縣礦藏十分豐富, 工礦業(yè)比較發(fā)達(dá), 地形地貌較為復(fù)雜, 全縣山多地少, 人均耕地面積偏低, 素有“九山半水半分田”之稱[13]。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的原始數(shù)據(jù)主要有2005年、2010年Landsat 5 TM影像、2015年Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)和原始DEM數(shù)據(jù), 其空間分辨率均為30 m×30 m, 成像時(shí)間分別為2005年8月9日、2010年8月15日、2015年8月26日。所用數(shù)據(jù)均來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本研究利用ENVI 5. 3軟件對Landsat遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、影像拼接和影像裁剪等處理, 采用不同波段組合成假彩色合成影像圖[14], 運(yùn)用監(jiān)督分類和人工目視解譯的方法進(jìn)行分類, 將研究區(qū)劃分為耕地、林地、水體、建設(shè)用地和裸地共5種土地利用類型?？紤]研究區(qū)草地面積較小, 而且零星分布在山體范圍內(nèi), 在遙感影像上很難與林地區(qū)分開, 因此, 將草地歸并在林地中。

2.3 研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)處理結(jié)果

采用以上處理方法, 最終得到研究區(qū)3期土地利用分類圖。通過實(shí)地抽樣調(diào)查對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。經(jīng)檢驗(yàn)3期影像分類結(jié)果的精度分別為88.23%、89.75%和88.63%, Kappa系數(shù)分別為0.83、0.85和0.80, 均大于判別精度0.7的要求, 滿足研究需要[15]。其中3期土地利用變化數(shù)據(jù)見表1。圖1a、1b、1c分別為欒川縣3期土地利用分類圖, 圖1d為欒川縣DEM圖。

表1 研究區(qū)2005年、2010年和2015年土地利用分類結(jié)果

圖1 研究區(qū)2005年(a)、2010年(b)和2015年(c)土地利用分類結(jié)果及DEM圖(d)

Fig. 1 Land classification results in 2005 (a), 2010 (b), 2015 (c) and DEM (d) of the study area

在研究區(qū)土地利用分類結(jié)果和DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, 利用ArcGIS軟件對研究區(qū)的微觀地形因子和宏觀地形因子進(jìn)行提取[16]。按照地形因子所描述的空間區(qū)域范圍, 將其劃分為微觀地形因子與宏觀地形因子兩種類型。其中研究涉及的微觀地形因子有: 坡度、坡向、坡長、坡度變率、坡向變率、平面曲率和剖面曲率; 宏觀地形因子有: 地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)和地表切割深度?；跈璐h土地利用分類圖、中國1︰1 000 000地貌圖制圖規(guī)范以及所提取到的研究區(qū)各地形因子的實(shí)際數(shù)值范圍和數(shù)據(jù)特征, 對所提取的地形因子進(jìn)行了分級[17], 具體見表2所示。最后, 利用ArcGIS軟件, 將研究區(qū)地形因子提取圖與研究區(qū)2005年、2010年和2015年土地利用分類圖進(jìn)行疊加分析, 得到研究區(qū)地形因子各等級下的3期土地利用數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 評價(jià)方法

地形因素對土地利用變化影響程度評價(jià)擬采用改進(jìn)指數(shù)和法, 根據(jù)研究區(qū)自然條件、實(shí)際地形特征和土地利用變化特點(diǎn), 從宏觀地形因子和微觀地形因子兩個(gè)方面構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系; 采用熵權(quán)法和環(huán)比評分法相結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于改進(jìn)指數(shù)和法的綜合評價(jià)模型。

改進(jìn)指數(shù)和法是通過計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的綜合分值, 對一定區(qū)域內(nèi)的地形因素對土地利用變化影響程度進(jìn)行評價(jià)。指數(shù)和法計(jì)算公式為:

∑WE(1)

式中:為第個(gè)評價(jià)指標(biāo)的綜合分值,W為第個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,E為第個(gè)評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 研究區(qū)地形因子分級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

為了使評價(jià)指標(biāo)體系更加科學(xué)化、規(guī)范化, 本研究從7個(gè)層次構(gòu)建地形因素對土地利用變化的影響程度評價(jià)指標(biāo)體系[18]。其中, 指標(biāo)體系中目標(biāo)層()為地形因子對土地利用變化的影響程度; 1級指標(biāo)()為微觀地形因子(1)和宏觀地形因子(2); 2級指標(biāo)()為研究所涉及的地形因子, 其中微觀地形因子包括高程(1)、坡度(2)、坡向(3)、坡長(4)、坡度變率(5)、坡向變率(6)、平面曲率(7)、剖面曲率(8)共8個(gè)地形因子, 宏觀地形因子包括高程變異系數(shù)(9)、地形起伏度(10)、地形粗糙度(11)和地表切割度(12)共4個(gè)地形因子; 3級指標(biāo)層()對應(yīng)2級指標(biāo)地形因子的地形等級; 4級指標(biāo)層()是各種土地利用類型的分布指數(shù), 包括耕地分布指數(shù)(1)、建設(shè)用地分布指數(shù)(2)、林地分布指數(shù)(3)、裸地分布指數(shù)(4)和水體分布指數(shù)(5)。其中, 分布指數(shù)通過計(jì)算各種土地利用類型的出現(xiàn)頻率, 可以反映各個(gè)用地類型在地形因子各個(gè)等級上的分布特征[19-20]。分布指數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:為分布指數(shù),S為在地形因子特定等級下的地類面積,S為地類的面積,S為整個(gè)區(qū)域地形因子特定等級下的土地總面積,為整個(gè)區(qū)域的面積。

最后, 可以分別計(jì)算出不同地形因子在各等級下的土地利用類型的分布指數(shù)。根據(jù)上述內(nèi)容可構(gòu)建研究區(qū)地形因素對土地利用變化的影響程度評價(jià)指標(biāo)體系(表3)。

3.3 指標(biāo)權(quán)重確定

采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重, 評價(jià)結(jié)果過于客觀, 缺乏指標(biāo)之間的橫向比較, 并且各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重過于依賴于樣本, 得到的權(quán)重可能不符合指標(biāo)實(shí)際的影響程度[21]。如果在實(shí)際應(yīng)用過程中, 單一使用熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重, 在綜合評價(jià)中將會導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果偏向客觀, 從而與實(shí)際情況不符。針對熵權(quán)法存在的這一問題, 本文利用環(huán)比評分法(decision alternative ratio evaluation system, 簡稱DARE)對熵權(quán)法進(jìn)行改進(jìn), 該方法可以根據(jù)不同評價(jià)對象等級得到較為合理的評價(jià)指標(biāo)排序, 增加各個(gè)指標(biāo)之間的橫向比較, 更能根據(jù)樣本的變化對權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)的修正, 一定程度上減少熵權(quán)法對樣本的依賴性[22]。

3.3.1 環(huán)比評分法

環(huán)比評分法(DARE), 是一種通過確定各因素的重要性系數(shù)來評價(jià)和選擇創(chuàng)新方案的方法[23]。該方法思路是指從上至下依次比較相鄰兩個(gè)指標(biāo)的重要程度, 給出不同指標(biāo)功能重要度值, 然后令最后一個(gè)被比較的指標(biāo)的重要度值為1, 依次修正重要性比值, 以排列在下面的指標(biāo)的修正重要度比值乘以與其相鄰的上一個(gè)指標(biāo)的重要度比值, 得出上一指標(biāo)修正重要度比值。用各指標(biāo)修正重要度比值除以功能修正值總和, 即得各指標(biāo)權(quán)重。DARE法的方法與步驟如下:

表3 地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)指標(biāo)體系

1) 4級指標(biāo)D即某種土地類型分布指數(shù), 指的是土地利用類型在3級指標(biāo)C即某種地形因子對應(yīng)等級下的分布特征。1) The fourth grade indexes (D) are distribution indexes of land use types, showing the distribution characteristics of land use types under the third grade index (C), i. e. grades of the terrain factors.

DARE法首先確定功能名稱(評分對象即評價(jià)指標(biāo))的順序, 然后通過對比評分確定暫定系數(shù), 通過對暫定系數(shù)進(jìn)行修正得到修正系數(shù), 最終得到功能評價(jià)系數(shù), 即評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值(表4)。

表4 用于確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的環(huán)比評分法(DARE)模型的建立

具體步驟如下:

1)確定評價(jià)指標(biāo)的順序, 具體依據(jù)為: 從上至下依次比較相鄰兩個(gè)指標(biāo)的重要程度, 給出不同指標(biāo)功能重要度值, 以此確定評價(jià)指標(biāo)的順序。

2)確定評價(jià)指標(biāo)的暫定系數(shù)t, 具體依據(jù)為: 根據(jù)上述第一步得到的評價(jià)指標(biāo)順序, 通過對比評價(jià)指標(biāo)的評分確定暫定系數(shù)(P的暫定系數(shù)定為1)。

3)確定評價(jià)指標(biāo)的修正系數(shù)Z。具體依據(jù)為: 以排列在下面的指標(biāo)的修正系數(shù)乘以與其相鄰的上一個(gè)指標(biāo)的暫定系數(shù)得到評分對象的修正系數(shù), 其中P的修正系數(shù)定為1。最后計(jì)算評價(jià)指標(biāo)修正值總和。

4)確定評分對象的功能評價(jià)系數(shù)即評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重W。

通過各個(gè)評價(jià)對象的修正系數(shù)Z與修正系數(shù)總和的比值, 計(jì)算出各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的功能評價(jià)系數(shù)W, 即評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重。

3.3.2 熵權(quán)法的改進(jìn)

本研究確定權(quán)重的思路如下: 首先采用熵權(quán)法根據(jù)評價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù), 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重W。然后運(yùn)用DARE法依據(jù)評價(jià)對象和等級, 確定其相應(yīng)指標(biāo)的主觀權(quán)重W。利用主觀權(quán)重W對客觀權(quán)重W進(jìn)行修正, 最終得到評價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重值。

采用熵權(quán)法計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重具體步驟如下:

1)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

Y=(-min)/(max-min) (3)

式中:max和min分別為第個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最大值和最小值。

2)計(jì)算熵值

通過公式(4)和(5), 分別計(jì)算出評價(jià)指標(biāo)體系中2005年、2010年和2015年評價(jià)指標(biāo)的信息熵值。結(jié)果見表5。

先計(jì)算出指標(biāo)值的比重p:

其次, 計(jì)算各指標(biāo)的熵值E:

式中:Y為第個(gè)評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

3)根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的信息熵值和指標(biāo)權(quán)重公式計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重。公式如下:

式中:W為第個(gè)評價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重,E為各評價(jià)指標(biāo)的信息熵,為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

4)通過公式(4)-(6), 計(jì)算出2005年、2010年和2015年4級評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重W和熵值E, 結(jié)果見表5。

5)確定評價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重

運(yùn)用改進(jìn)指數(shù)和法對評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重進(jìn)行修正。首先確定4級指標(biāo)的評價(jià)對象, 根據(jù)4級指標(biāo)的評價(jià)對象的性質(zhì), 運(yùn)用DARE法構(gòu)建4級評價(jià)指標(biāo)D-DARE模型。通過4級評價(jià)指標(biāo)D-DARE模型, 確定4級指標(biāo)的主觀權(quán)重W; 然后根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)[24]提出的土地利用程度的綜合分析方法, 并與研究區(qū)實(shí)際情況相結(jié)合, 將土地利用分為5級, 在此基礎(chǔ)上建立4級指標(biāo)D-DARE模型。最后基于研究區(qū)土地利用程度分級賦值表建立4級指標(biāo)D-DARE模型(表6)。

從表6可以看出, 4級評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)對象是研究區(qū)土地利用類型, 最終得到4級評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重值。

3.3.3 綜合權(quán)重的確定

在上述利用環(huán)比評分法計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重和利用改進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重的基礎(chǔ)上, 根據(jù)公式W=W×W實(shí)現(xiàn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的修正, 最終計(jì)算得到4級評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重值, 見表7。

表5 地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)指標(biāo)體系4級評價(jià)指標(biāo)信息熵值和客觀權(quán)重

表6 研究區(qū)地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)指標(biāo)體系4級評價(jià)指標(biāo)D-DARE模型

表7 地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)指標(biāo)體系4級評價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重值

4 結(jié)果與分析

4.1 單一地形因子評價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)上述方法建立的土地利用變化地形因素影響程度評級體系和改進(jìn)指數(shù)和綜合評價(jià)模型,計(jì)算得到各評價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重值, 最終確定各個(gè)地形因子對研究區(qū)土地利用變化的影響程度評價(jià)結(jié)果, 如表8所示。

從表8可以看出, 2005年, 地形因子對土地利用變化影響程度評價(jià)值由大到小的排序?yàn)? 坡度變率>地形粗糙度>地表切割度>剖面曲率>高程>坡向>高程變異系數(shù)>坡向變率>地形起伏度>坡度>平面曲率>坡長; 2010年, 地形因子對對土地利用變化影響程度評價(jià)值由大到小的排序?yàn)? 地形粗糙度>坡度變率>地表切割度>剖面曲率>高程>坡向>高程變異系數(shù)>坡向變率>坡度>地形起伏度>坡長>平面曲率; 2015年, 地形因子對土地利用變化影響程度評價(jià)值由大到小的排序?yàn)? 地形粗糙度>坡度變率>地表切割度>剖面曲率>高程>坡向>坡向變率>高程變異系數(shù)>坡度>地形起伏度>坡長。

表8 2005—2015年研究區(qū)地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)結(jié)果

根據(jù)前面計(jì)算方法, 可以得到各地形因子在2005—2010年、2010—2015年和2005—2015年期間對土地利用變化影響程度評價(jià)值的變化情況。2005—2015年間地形因子高程、坡度、坡向、坡長、坡向變率和地表切割度對研究區(qū)土地利用變化的影響程度評價(jià)值增加。在該地形因子等級區(qū)域內(nèi), 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和土地開發(fā)利用技術(shù)水平較低, 加之沒有合理的制度和政策的引導(dǎo), 導(dǎo)致在社會經(jīng)濟(jì)、城市化和人口密度迅速增長的同時(shí), 大量耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地, 部分植被遭到破壞, 裸地面積增加, 水資源短缺, 生態(tài)環(huán)境日趨脆弱。此外, 地形因子坡度變率、平面曲率、剖面曲率、高程變異系數(shù)、地形起伏度和地形粗糙度對研究區(qū)土地利用變化影響程度評價(jià)值在減小。在該地形因子等級區(qū)域內(nèi), 社會經(jīng)濟(jì)水平較為發(fā)達(dá), 土地開發(fā)利用技術(shù)水平較高, 政治經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和政策較為合理, 在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)重視保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 導(dǎo)致作為土地利用自然驅(qū)動因素的地形因子對土地利用變化的影響程度不斷降低, 土地利用人文驅(qū)動因素對土地利用變化的影響程度卻不斷增加。

4.2 地形因子類型評價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)單一地形因子對土地利用變化影響程度評價(jià)結(jié)果, 可以看出在2005—2010年、2010—2015年和2005—2015年間, 不同地形因子類型對土地利用變化影響程度評價(jià)值由大到小的排序均為: 宏觀地形因子>微觀地形因子。在此基礎(chǔ)上, 可以計(jì)算得到研究區(qū)微觀地形因子和宏觀地形因子在2005—2010年、2010—2015年和2002—2015年間的評價(jià)值變化情況(表9)。

表9 2005—2015年研究區(qū)地形因子類型對土地利用變化的影響程度評價(jià)結(jié)果

從表9評價(jià)值的變化可以看出, 微觀地形因子對研究區(qū)土地利用變化的影響程度評價(jià)值在2005—2010年間增加, 在2010—2015年間減小; 宏觀地形因子對研究區(qū)土地利用變化的影響程度評價(jià)值在2005—2010年間增加, 在2010—2015年間減小?？偟膩碚f, 微觀地形因子和宏觀地形因子對研究區(qū)土地利用變化的影響程度評價(jià)值在2005—2015年間均呈現(xiàn)先增加后減小趨勢。從土地利用變化的驅(qū)動機(jī)制來看, 地形因子作為影響土地利用變化的自然因素, 對土地利用變化影響程度呈降低趨勢, 而隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和開發(fā)利用土地的技術(shù)水平不斷提高, 人文因素對土地利用變化的影響程度將呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。

4.3 綜合地形因子評價(jià)結(jié)果與分析

根據(jù)表9中計(jì)算出的各地形因子對土地利用變化影響程度的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行整理, 由于微觀地形因子和和宏觀地形因子的評價(jià)指標(biāo)數(shù)量不同, 因此為了提高評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性, 采用加權(quán)平均法對地形因子進(jìn)行綜合評價(jià), 計(jì)算得到研究區(qū)地形因子在2005年、2010年和2015年對土地利用變化的影響程度綜合評價(jià)值及2005—2010年、2010—2015年和2005—2015年間的評價(jià)值變化情況(表10)。

表10 2005—2015年地形因子對土地利用變化影響程度的綜合評價(jià)結(jié)果及變化情況

從表10可以看出, 地形因子對土地利用變化的影響程度在2005—2015年間呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢, 并且影響程度總體呈現(xiàn)減小趨勢。主要表現(xiàn)在欒川縣社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的地區(qū), 該區(qū)域內(nèi)在2005—2010年間經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 城市化加速, 尤其是欒川縣礦業(yè)和旅游行業(yè)的飛速發(fā)展, 人口密度和經(jīng)濟(jì)水平快速提高, 導(dǎo)致研究區(qū)耕地和林地等生態(tài)用地大量減少, 生態(tài)環(huán)境脆弱, 局部區(qū)域出現(xiàn)植被退化、土壤侵蝕、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題; 2010—2015年間地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)值呈現(xiàn)減小趨勢, 說明隨著城市化加快和經(jīng)濟(jì)水平提高, 在技術(shù)水平、政策因素和政治經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)因素等人文驅(qū)動因素的影響下, 人們開始有意識地通過制定一系列措施和政策來保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 地形因子對土地利用變化的影響程度減小?？偟膩碚f, 2005—2015年間地形因子對土地利用變化的影響程度總體呈減小趨勢。隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人類技術(shù)水平的不斷提高, 政治經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的合理化以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識等人文驅(qū)動因素影響下, 地形因子對土地利用變化的影響程度將會繼續(xù)呈現(xiàn)減小趨勢。

5 結(jié)論

本文將DEAR法運(yùn)用到熵權(quán)法中, 通過DARE法與熵權(quán)法相結(jié)合確定權(quán)重的方法, 建立了基于改進(jìn)指數(shù)和法綜合評價(jià)模型, 與傳統(tǒng)的指數(shù)和法評價(jià)模型相比, 本文提出的改進(jìn)指數(shù)和法綜合評價(jià)模型在一定程度上減小了在指標(biāo)對象和數(shù)量發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致權(quán)重分配的不合理性, 減少熵權(quán)法對樣本的依賴性, 克服了熵權(quán)法中指標(biāo)權(quán)重客觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn), 提高了指數(shù)和綜合評價(jià)模型中權(quán)重確定的合理性以及評價(jià)方法的適應(yīng)性, 使得評價(jià)結(jié)果更加客觀合理。該模型可廣泛應(yīng)用于我國大多數(shù)城市的土地利用開發(fā)規(guī)劃和城市規(guī)劃工作中, 在區(qū)域土地利用規(guī)劃、城市建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面有較好的應(yīng)用價(jià)值。最后將該模型應(yīng)用于河南省洛陽市欒川縣地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)中。結(jié)果表明, 研究區(qū)地形因子對土地利用變化的影響程度評價(jià)值總體呈逐漸較小趨勢, 隨著社會經(jīng)濟(jì)因素的發(fā)展, 在人類技術(shù)水平的提高, 政治經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的合理化以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識和政策等人文驅(qū)動因素條件下, 地形因子作為影響土地利用變化的自然驅(qū)動因素之一, 對土地利用變化的影響程度總體呈現(xiàn)減小趨勢。針對這一情況, 在地形因子單一評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上, 欒川縣的土地利用規(guī)劃和城市建設(shè)區(qū)域的重點(diǎn)應(yīng)放在地形因子對土地利用變化影響程度較低的區(qū)域內(nèi), 來緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問題。

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Evaluation of influencing of terrain factors on land use change based on improved Index Sum Method*

WANG Shidong, WU Chao

(School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Land use change is the interaction result of human activities and natural environment under social and economic impact. Discovering factors affecting land use change is the hot spot and has very important significance for researches on resources, environment and socioeconomic issues. Terrain directly influences land use change. Therefore, it is crucial to explore the extents of terrain affecting the regional land use changes. In order to explain the interaction of human-land system and provide the basis for sustainable land use, environmental protection and ecological reconstruction, we conducted a research on the performance of terrain factors with regard to land use change. The study aimed to explore the influence extents of terrain factors on regional land use change, so as to provide scientific basis for regional land development and land use spatial structure, direction and mode. In view of the existing problems in the research field, based on the natural conditions, land use characteristics and terrain factors of the study area, we chose 12 evaluation indexes from the macro-terrain factors and micro-terrain factors to establish the evaluation index system. Then, a comprehensive evaluation model of terrain factors influencing on land use change was established based on the improved Index Sum method. Indexes weights were determined by combining Entropy method and Decision Alternative Ratio Evaluation System to overcome the objectivity of the Entropy method and improve the rationality of weight determination of the improved Index Sum method. The influencing extent of terrain factors on land use change in Luanchuan County of Henan Province was evaluated using the established method. The results showed that the influencing extents of terrain factors of evaluation, slope, slope direction, slope length, slope direction variability and surface cutting extent increased from 2005 to 2015, while those of slope variability, plane curvature, profile curvature, elevation variation coefficient, terrain relief and terrain roughness decreased. The change in comprehensive influencing extent of terrain factors on land use change was 0.000 978 and the change rate was 7.06% from 2005 to 2010, which were-0.001 705 and-11.50% from 2010 to 2015, and-0.000 727 and-5.25% from 2005 to 2015. These results showed a tendency of increase-decrease of terrain factors influencing extent on land use change from 2005 to 2015. The evaluation results showed that the terrain factors, as the natural driving factors of land use change, had a decreasing trend of influence extent with the social and economic development, improvement of human technology, rationalization of political and economic structure and environment protection. The results provided the important data reference and scientific basis for regional land use planning, urban construction and ecological environment protection.

Terrain factor; Improved Index Sum Method; Land use change; Luanchuan County

, WANG Shidong, E-mail: wsd0908@163.com

10.13930/j.cnki.cjea.170593

P 901

A

1671-3990(2018)03-0442-11

2017-06-29

2017-09-26

Jun. 29, 2017; accepted Sep. 26, 2017

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41301617), the Postdoctoral Science Foundation of China (2016M590679), the Key Scientific Research Project of Henan Higher Education (17A420001), the Fundamental Scientific Research Funds for Colleges and Universities in Henan Province (NSFRF1630), the Innovative Research Team Fund of Henan Polytechnic University (B2017-16) and the Henan Province University Science and Technology Innovation Team Support Program (18IRTSTHN008).

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301617)、中國博士后科學(xué)基金(2016M590679)、河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A420001)、河南省高?；Y助 本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(NSFRF1630)、河南理工大學(xué)創(chuàng)新性科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(B2017-16)和河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(18IRTSTHN008)

王世東, 主要研究方向?yàn)橥恋乩米兓c土地復(fù)墾。E-mail: wsd0908@163.com

王世東, 吳超. 基于改進(jìn)指數(shù)和法的地形因素對土地利用變化影響程度評價(jià)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 442-452

ANG S D, WU C. Evaluation of influencing of terrain factors on land use change based on improved Index Sum Method[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 442-452