基于GIS的威州地區(qū)地貌環(huán)境評(píng)價(jià)

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

引言

在城市建設(shè)的過(guò)程中，不合理的地貌利用，給人居環(huán)境帶來(lái)了影響。汶川地震的發(fā)生，對(duì)周?chē)匦涡误w、道路、河流形態(tài)及水文效應(yīng)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)等都產(chǎn)生了很大的影響。地震后復(fù)雜的地貌環(huán)境不僅對(duì)人居環(huán)境的安全造成了影響，而且對(duì)汶川縣可持續(xù)發(fā)展也產(chǎn)生了影響。汶川地震的發(fā)生對(duì)自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各方面產(chǎn)生了巨大的影響，并且威州地區(qū)又是屬于一個(gè)山多、平地少、地貌災(zāi)害較多的環(huán)境，因此對(duì)于威州地區(qū)的發(fā)展起著阻礙的作用。所以為了實(shí)現(xiàn)威州地區(qū)的發(fā)展，本文從GIS出發(fā)，對(duì)汶川縣的威州地區(qū)進(jìn)行地貌環(huán)境的評(píng)價(jià)。在城市土地利用以及發(fā)展建設(shè)中，當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地貌概況如高程、坡度、坡向等的分析調(diào)研顯得十分重要。通過(guò)對(duì)威州地區(qū)地貌環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，對(duì)威州地區(qū)城市規(guī)劃和土地利用規(guī)劃有指導(dǎo)作用，評(píng)價(jià)分析區(qū)域的安全性并劃分安全區(qū)與非安全區(qū)，對(duì)于非安全區(qū)域，從措施上進(jìn)行防止，由此實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

一、研究區(qū)概況

威州地區(qū)位于青藏高原東部邊緣地帶、在四川省的西北方向，南距省會(huì)成都131km，北離州府馬爾康207.4km，介于31°15′～31°43′N(xiāo)與103°28′～103°44′E之間(圖2-1)。本文所研究的威州地區(qū)范圍包括威州鎮(zhèn)、綿虒鎮(zhèn)、龍溪鄉(xiāng)、克枯鄉(xiāng)和雁門(mén)鄉(xiāng)，共計(jì)兩鎮(zhèn)三鄉(xiāng)，幅員面積820.21km2。汶川縣地處西風(fēng)帶，氣候特征是冬季干冷、夏季溫濕多雨。威州地區(qū)境內(nèi)水系以岷江為主，年平均降水量730～850mm，水分條件好。威州地區(qū)的地層主要有震旦系、志留系、泥盆系等。威州鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主，主要的糧食作物有玉米、小麥、土豆，主要的經(jīng)濟(jì)作物是油菜及豆類(lèi)。

二、數(shù)據(jù)與方法

(一)數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

前人針對(duì)地貌環(huán)境評(píng)價(jià)已經(jīng)開(kāi)展了大量的調(diào)查和研究工作，建立了較為完整的指標(biāo)體系，本文從地貌角度出發(fā)，把地貌因子分為微觀地貌指標(biāo)、中觀地貌指標(biāo)和宏觀地貌指標(biāo)。其中，微觀地貌指標(biāo)分別為坡度、坡向，中觀地貌指標(biāo)為地貌分維度，宏觀地貌指標(biāo)分別為地表粗糙度、溝壑密度、平面曲率、坡面曲率和地形起伏度，以上指標(biāo)均由威州地區(qū)30m分辨率DEM數(shù)據(jù)提取。根據(jù)威州地區(qū)的面積與規(guī)劃制圖的需要，以及對(duì)評(píng)價(jià)精度的保證，選擇30m*30m的柵格尺度作為威州地區(qū)地貌環(huán)境評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)單元。根據(jù)威州地區(qū)實(shí)際面積的大小，在ArcGIS中生成了911362個(gè)30m*30m的單元。將各個(gè)地貌指標(biāo)分成四級(jí)(表1)。

(二)主成分分析法

1.歸一化

在多種計(jì)算中都經(jīng)常用到歸一化的方法。歸一化是指把不同參考系下的指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成同一參考系下的指標(biāo)。在威州地區(qū)的地貌環(huán)境評(píng)價(jià)過(guò)程中，首先要對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，使它們從不同的來(lái)源統(tǒng)一到一個(gè)參考系下。其歸一化的模型為：

(1)

式中：X為轉(zhuǎn)換前的值，Y為轉(zhuǎn)換后的值；為樣本的最大值，為樣本的最小值。

2.主成分分析法

主成分分析是指對(duì)一組柵格波段執(zhí)行主成分分析(PCA)并生成單波段柵格作為輸出。在威州地區(qū)地貌環(huán)境的評(píng)價(jià)過(guò)程中，選取了許多地貌環(huán)境的指標(biāo)，把這些指標(biāo)通過(guò)采用這種方法然后生成一個(gè)單獨(dú)的指標(biāo)。這個(gè)工具生成后，就會(huì)得到跟輸入的指標(biāo)相同的指標(biāo)數(shù)。在生成的這些指標(biāo)中，就會(huì)有一定的比較，比如，排在第一的指標(biāo)就有最大的方差，排在第二的指標(biāo)方差第二，依次類(lèi)推。多數(shù)情況下，主成分工具生成的多波段柵格中的前三個(gè)或前四個(gè)柵格將對(duì) 95% 以上的方差進(jìn)行描述?？梢詫⑵溆喔鳀鸥癫ǘ蝿h除。因?yàn)樾碌亩嗖ǘ螙鸥袼牟ǘ螖?shù)較少，而且 95% 以上的原始多波段柵格方差保持不變，因此計(jì)算速度更快，同時(shí)還保持了精度。

三、結(jié)果與分析

兩個(gè)變量的指標(biāo)之間的相關(guān)密切程度稱(chēng)為相關(guān)性分析。但是，這些指標(biāo)都必須存在著一定的聯(lián)系與概率。從表4-3中可以看出，威州地區(qū)地貌環(huán)境的指標(biāo)中，坡度與地表粗糙度呈正相關(guān)，并且相關(guān)性最大；其次是坡度與地貌維度；平面曲率與坡面曲率呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性最小，其次是平面曲率與溝壑密度。

在主成分分析中，獲得各個(gè)指標(biāo)的特征值百分比，將其作為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重表(表4-5)，得到權(quán)重值。由表4-5可以看出，地貌維度的權(quán)重最大，其次是地表粗糙度；坡度和地形起伏度權(quán)重最小。由此可以說(shuō)明，在威州地區(qū)地貌環(huán)境的研究中，地貌維度和地表粗糙度對(duì)威州地區(qū)地貌環(huán)境的影響最大，坡向與地形起伏度對(duì)威州地區(qū)地貌環(huán)境的影響最小。

在經(jīng)過(guò)了主成分分析法確定了各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重后，卻只能了解各個(gè)指標(biāo)在威州地區(qū)對(duì)地貌環(huán)境影響的程度，但是無(wú)法確定這些指標(biāo)在威州地區(qū)的空間分布，所以必須要依靠GIS技術(shù)。前文中提到，威州地區(qū)地貌環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)之間都有著不同的尺度，所以要對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行處理后，才能一起運(yùn)算。按照數(shù)值4、3、2、1對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。通過(guò)主成分分析得出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，運(yùn)用地貌環(huán)境質(zhì)量的計(jì)算公式(公式4-2)：

H=0.6647X1+0.1801X2+0.0810X3+0.0684X4+0.0022X5+0.0015X6+0.0010X7+0.0010X8

(公式4-2)

式中：H代表地貌環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，代表地貌環(huán)境質(zhì)量水平的評(píng)價(jià)等級(jí)的賦值，前面的系數(shù)代表對(duì)應(yīng)地貌指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

結(jié)合威州地區(qū)的實(shí)際，并按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)計(jì)算結(jié)果按照數(shù)值>0.3431，0.2487-0.3431，0.1738-0.2487，<0.1738作為劃分威州地區(qū)地貌環(huán)境質(zhì)量等級(jí)的界限值，即可得到威州地區(qū)地貌環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖(圖4-7)。

利用ArcGIS10.3的統(tǒng)計(jì)分析功能,可得出威州地區(qū)地貌環(huán)境質(zhì)量的最后評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(表4-6)。

表4-6 威州地區(qū)地貌環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)圖4-7和表4-6可以得出，被評(píng)價(jià)為Ⅰ級(jí)的地貌區(qū)，總面積為177.8391km2，占研究區(qū)總面積的22.98%，主要分布在威州鎮(zhèn)、雁門(mén)鄉(xiāng)和龍溪鄉(xiāng)，分布方式以帶狀和面狀為主，并且范圍較大，人口、道路、河流和耕地也主要分布在Ⅰ級(jí)地貌區(qū)；被評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)的地貌區(qū)，總面積有318.4497km2，占威州地區(qū)總面積的41.14%，勻稱(chēng)的分布在威州地區(qū)內(nèi)，分布方式以面狀和塊狀為主，該區(qū)域的植被主要為草地和灌木，林地較少，還有些少量的居民地、道路、水系和耕地；被評(píng)價(jià)為Ⅲ級(jí)的地貌區(qū)，總面積有220.014km2，占研究區(qū)總面積的28.43%，以塊狀分布研究區(qū)內(nèi)的山脊、陡坡等地帶，基本無(wú)居民點(diǎn)分布；被評(píng)價(jià)為Ⅳ級(jí)的地貌區(qū)，總面積為5.76711km2，占研究區(qū)總面積的7.45%，主要以點(diǎn)狀分布在綿虒鎮(zhèn)、克枯鄉(xiāng)、雁門(mén)鄉(xiāng)的陡峭區(qū)域，主要為陡崖、陡坎，無(wú)居民點(diǎn)分布。

圖4-7 威州地區(qū)地貌環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

結(jié)論

通過(guò)對(duì)威州地區(qū)的地貌環(huán)境評(píng)價(jià)，可以得到下列結(jié)論：

1.結(jié)合威州地區(qū)地質(zhì)條件、地理?xiàng)l件和生態(tài)條件，基于GIS 技術(shù)，通過(guò)ArcGIS平臺(tái)，對(duì)威州地區(qū)進(jìn)行生態(tài)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，將威州地區(qū)分為Ⅰ級(jí)地貌區(qū)、Ⅱ級(jí)地貌區(qū)、Ⅲ級(jí)地貌區(qū)、Ⅳ級(jí)地貌區(qū)，并進(jìn)行建設(shè)用地適宜性分析。

2.威州地區(qū)是西南地區(qū)山地城鎮(zhèn)的典型代表，通過(guò)對(duì)威州地區(qū)的研究，利用GIS分析和主成分分析法，構(gòu)建威州地區(qū)地貌環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)指標(biāo)體系中的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)及定級(jí)。計(jì)算出地貌指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的權(quán)重。最后得到地貌環(huán)境綜合指數(shù)，對(duì)威州地區(qū)未來(lái)城市規(guī)劃和相似研究具有重要參考價(jià)值。