基于AHP-GIS統(tǒng)計(jì)的溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性空間評(píng)價(jià)

韓 麗，周炳江，明 亮，馬長(zhǎng)樂(lè)，羅 清，曹世睿

（西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，昆明 650224）

隨著城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，人們對(duì)自然資源的不合理開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致了自然生態(tài)、生境的破壞，生態(tài)敏感性極度增加，生態(tài)系統(tǒng)功能迅速衰減。為合理修復(fù)生態(tài)破壞的區(qū)域，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，利用生態(tài)敏感性分析是重要的研究方法之一。生態(tài)敏感性是指在不損失或不降低環(huán)境質(zhì)量的情況下，生態(tài)因子對(duì)外界壓力或外界干擾適應(yīng)的能力［1］，主要反映人類(lèi)活動(dòng)干擾和自然環(huán)境［2］變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)［3］的影響程度，可表明一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的難易程度［4］、可能性大小以及它恢復(fù)的速度［5］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到生態(tài)敏感性的綜合評(píng)價(jià)［6］、損壞的生態(tài)環(huán)境的重新建設(shè)［7，8］、脆弱的生態(tài)環(huán) 境 的 科 學(xué) 管 理［9］、分 區(qū)［10，11］可 持 續(xù) 發(fā) 展 及 其 恢復(fù)［12］、指標(biāo)體系的建立［13］等研究，研究元素也已發(fā)展到多因素綜合研究［14］，其研究的結(jié)果被應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)［15］、經(jīng)濟(jì)學(xué)、土地利用、可持續(xù)性研究、災(zāi)害管理以及氣候變化等多個(gè)領(lǐng)域。

隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià)方法與GIS 技術(shù)的緊密結(jié)合［16，17］，使數(shù)據(jù)收集更加全面，評(píng)價(jià)方法更加完善，評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠。就GIS 而言，其強(qiáng)大的空間計(jì)算能力是未來(lái)研究生態(tài)環(huán)境［18］、地質(zhì)［19］等問(wèn)題的主要技術(shù)和方向。本文基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，以海拔、植物郁閉度、土壤侵蝕、地類(lèi)、坡度、坡向、石漠化7 個(gè)因子借助GIS 空間分析功能，將7 個(gè)因子按不同的生態(tài)敏感性層次進(jìn)行重分類(lèi)，并利用層次分析法（AHP）確定指標(biāo)權(quán)重，采用多因子加權(quán)疊加取最值法［20］對(duì)溪落渡鎮(zhèn)的生態(tài)敏感性進(jìn)行分析，得到研究區(qū)域生態(tài)敏感性等級(jí)分布。結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)的分析評(píng)估研究區(qū)域的生態(tài)保護(hù)重要性等級(jí)，為保護(hù)地區(qū)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的決策支持和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

溪洛渡鎮(zhèn)位于云南省昭通市永善縣，東鄰團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)，南接馬楠鄉(xiāng)，西靠務(wù)基鄉(xiāng)，北隔金沙江與四川省雷波縣相望。地理位置為東經(jīng)103°63'、北緯28°23'，全鎮(zhèn)總面積334.5 km2，境內(nèi)地形是由東南向西北漸漸抬升，主要以木魚(yú)山為主脈，由南向北分別向金沙江散播。海拔最高位于云蕎村姜家山，高度為2 853 m，最低位于水田村火燒灣，高度為390 m，海拔高差接近2 463 m，屬于一種典型的立體氣候。年均氣溫17.6 ℃，年降雨量500～5 109 mm，年日照時(shí)數(shù)1 200～2 100 h。溪洛渡鎮(zhèn)作為永善縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化交流中心，是金沙江流域生態(tài)建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)，也是世界第三大水電站——溪洛渡水電站所在地，大量的開(kāi)發(fā)使溪洛渡生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，屬地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地帶［21］。對(duì)溪洛渡鎮(zhèn)進(jìn)行生態(tài)敏感性研究，有助于確定金沙江流域環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)和考量生態(tài)穩(wěn)定性，對(duì)該研究區(qū)域生態(tài)修復(fù)、可持續(xù)發(fā)展、合理開(kāi)發(fā)和利用資源、促進(jìn)研究區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定都具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文對(duì)于生態(tài)敏感性分析所收集到的數(shù)據(jù)有：2018 年生長(zhǎng)季（6—10 月）Landsat 30 m 遙感影像圖、永善縣2016 年二類(lèi)資源調(diào)查矢量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源：永善縣林業(yè)局提供）、地形圖、生態(tài)林保護(hù)規(guī)劃圖（2016 年）、2018 年云南省統(tǒng)計(jì)年鑒、云南省資源字典等資料。對(duì)上述收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行地理配置、錯(cuò)誤消除、空間校正等操作，保證數(shù)據(jù)形成標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一的生態(tài)敏感性因子地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，使所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到西安-1980 坐標(biāo)下，柵格大小為90 m×90 m。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及體系構(gòu)建 生態(tài)敏感性實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)狀自然環(huán)境背景下潛在的生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行明確的辨識(shí)，并將其落實(shí)到具體的區(qū)域空間［22］。本文中依據(jù)溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其地形地貌特征，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)中使用的指標(biāo)［10，23］，基于基礎(chǔ)資料的可獲取性和數(shù)據(jù)的可處理性，于2018 年夏季對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘，并從實(shí)地考察及收集的資料中挑選出影響溪落渡鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因子。選取指標(biāo)有海拔、植物郁閉度、土壤侵蝕、地類(lèi)、坡度、坡向、石漠化。技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線

2.2.2 確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重 本文對(duì)于評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定借助的是層次分析法（AHP）。層次分析法是一種整理和綜合了人們主觀判斷的客觀分析方法，能有效地將主觀與客觀、定性與定量分析結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，而且操作較為簡(jiǎn)便。

1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)。應(yīng)用AHP 分析決策問(wèn)題時(shí)，首先要把問(wèn)題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型，這些層次可以分為3 類(lèi)：最高層（目的層）、中間層（準(zhǔn)則層）、最底層（方案層），每一層次中各元素所支配的元素一般不要超過(guò)9 個(gè)。

2）構(gòu)建判斷矩陣。

①準(zhǔn)則層中的各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不一定相同，引用數(shù)字1～9 及其倒數(shù)作為標(biāo)度來(lái)定義判斷矩陣A=（aij）n×n（表1）。

②根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度定義對(duì)7 個(gè)評(píng)價(jià)因子建立判斷矩陣表，如表2 所示。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義

表2 判斷矩陣

3）層次單排序計(jì)算。本文特征向量和特征值的計(jì)算采用方根法，其所求得的特征向量即為各參評(píng)因子的權(quán)重排序。具體計(jì)算步驟如下：

①A 元素根據(jù)行相乘得一個(gè)新的向量；

②新向量的每個(gè)分量開(kāi)n 次方；

③所得向量經(jīng)過(guò)歸一化處理即為權(quán)重向量。

利用上述方法得出各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。

3 結(jié)果與分析

3.1 敏感區(qū)重分類(lèi)

根據(jù)《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》對(duì)各評(píng)價(jià)因子的敏感性進(jìn)行等級(jí)劃分，將溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性劃分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)5 個(gè)等級(jí)［24］；對(duì)這5 個(gè)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的賦值為1、2、3、4、5，如表3 所示。

表3 生態(tài)敏感性等級(jí)劃分

分析表3 中生態(tài)敏感區(qū)等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)及各因子中不同類(lèi)別對(duì)生態(tài)敏感性的貢獻(xiàn)值的不同，在了解溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)溪洛渡鎮(zhèn)中各評(píng)價(jià)因子的敏感性進(jìn)行敏感等級(jí)劃分，在ArcGIS 中建立統(tǒng)一字段的數(shù)據(jù)庫(kù)，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為同分辨率的柵格數(shù)據(jù)，用Arctoolbox 的重采樣（resample）工具處理DEM 數(shù)據(jù)，對(duì)生態(tài)敏感性不同評(píng)價(jià)因子進(jìn)行現(xiàn)狀分類(lèi)，以便疊加分析確定溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性等級(jí)。其重分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖2。通過(guò)對(duì)7 個(gè)因子的現(xiàn)狀與重分類(lèi)敏感區(qū)兩者之間進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，石漠化、坡向、地類(lèi)重分類(lèi)的空間格局變化較為明顯，而其他4個(gè)因子的空間分布卻無(wú)明顯變化。

3.2 權(quán)重分析

因各因子對(duì)生態(tài)敏感度重要性程度的不同，為表現(xiàn)溪落渡鎮(zhèn)綜合生態(tài)敏感性空間分布格局，本文通過(guò)層次分析法，采用1～9 及其倒數(shù)的標(biāo)度方法，并結(jié)合專(zhuān)家打分法，得到各因子分別的權(quán)重［25］（表4）。結(jié)果顯示，造成的生態(tài)敏感性較高的因子主要有石漠化、郁閉度、土壤侵蝕、海拔。

表4 生態(tài)敏感性各測(cè)定因子權(quán)重

3.3 生態(tài)敏感度疊加分析

運(yùn)用ArcGIS 疊加工具對(duì)重分類(lèi)敏感區(qū)進(jìn)行加權(quán)疊加，建立加權(quán)疊加模型［26］，如以下公式：

公式中Sj表示第j 個(gè)柵格像元的綜合生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)值；Rij表示第i 個(gè)指標(biāo)上第j 個(gè)柵格像元上的生態(tài)敏感性貢獻(xiàn)值；Wj表示第j個(gè)指標(biāo)的生態(tài)敏感性權(quán)重值；n 表示柵格像元個(gè)數(shù)。由此得到永善縣溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性等級(jí)空間分布圖（圖3），進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出不同等級(jí)的生態(tài)敏感區(qū)面積（表5）與生態(tài)敏感性分布情況。由圖3 可以看出，溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性總體趨勢(shì)為南部、東南部以及西南部為高度敏感區(qū)以及中度敏感區(qū)分布較廣的區(qū)域，北部及西部以輕度及中度敏感區(qū)分布為主，呈階梯狀，自北向南呈現(xiàn)敏感度遞增趨勢(shì)。

圖2 生態(tài)敏感性測(cè)定因子重分類(lèi)后的空間分布

圖3 生態(tài)敏感性等級(jí)空間分布

由表5可知，永善縣溪洛渡鎮(zhèn)的不敏感區(qū)面積為8.25 hm2，所占比例為0.02%，輕度敏感區(qū)13 189.96 hm2，所占比例為39.30%，中度敏感區(qū)面積11 336.31 hm2，所占比例為33.80%，高度敏感區(qū)面積為9 017.01 hm2，所占比例為26.88%，極度敏感區(qū)總面積為19.5 hm2，占總面積的0.06%。由此可見(jiàn)，不同生態(tài)等級(jí)的面積為輕度敏感區(qū)>中度敏感區(qū)>高度敏感區(qū)>極度敏感區(qū)>不敏感區(qū)，極度敏感區(qū)及不敏感區(qū)面積可忽略不計(jì)。

表5 溪洛渡鎮(zhèn)不同生態(tài)敏感等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

4 小結(jié)與討論

本文以永善縣溪洛渡鎮(zhèn)的自然環(huán)境特征為基礎(chǔ)，構(gòu)建研究區(qū)域的評(píng)估指標(biāo)體系，選取海拔、坡度、坡向、石漠化、植被郁閉度、土壤侵蝕以及地類(lèi)7 個(gè)因子作為生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)重分類(lèi)結(jié)合各因子的權(quán)重，運(yùn)用ArcGIS 加權(quán)疊加，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)分析，識(shí)別生態(tài)敏感程度高的區(qū)域，并針對(duì)其提出生態(tài)保護(hù)意見(jiàn)。

研究結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)及高度敏感區(qū)所占比例總和為99.92%，可見(jiàn)溪洛渡鎮(zhèn)的總體生態(tài)敏感程度相對(duì)較高。層次分析法研究結(jié)果顯示，造成的生態(tài)敏感性較高的因子主要有石漠化、郁閉度、土壤侵蝕、海拔。海拔高度決定海拔區(qū)域的溫度，高海拔對(duì)于諸多的植物生長(zhǎng)受到抑制，因此生態(tài)敏感性隨著海拔的升高而增大；坡度增大，開(kāi)發(fā)和保護(hù)的難度增大，一旦發(fā)生事故，修復(fù)的可能性極大降低；不同的郁閉度和石漠化決定著水土保持能力以及光照度，水土保持能力對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著決定性的作用。溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性呈階梯狀，自北向南呈現(xiàn)敏感度遞增趨勢(shì)，南部、東南部以及西南部為高度敏感區(qū)以及中度敏感區(qū)分布較廣的區(qū)域，北部沿金沙江區(qū)域多為輕度敏感區(qū)。對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)中、高度生態(tài)敏感區(qū)需注意合理調(diào)配資源，嚴(yán)禁或限制地域開(kāi)發(fā)，建立保護(hù)區(qū)，以便更好地完善或修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)宣傳，注重自然恢復(fù)為主、人工恢復(fù)為輔的原則。對(duì)于金沙江流域周邊生態(tài)治理已采取合理的生態(tài)保護(hù)措施，靠近河岸帶附近，雖多為輕度敏感區(qū)，但還是應(yīng)建立緩沖帶，并種植植物增加郁閉度，防止水土流失；在城鎮(zhèn)內(nèi)部，增加城市的綠化率；在高山地區(qū)，可采取退耕還林等措施對(duì)坡度較大、海拔較高、不適合種莊稼的農(nóng)田進(jìn)行修復(fù)；不斷改進(jìn)生態(tài)敏感度修復(fù)的措施；通過(guò)生態(tài)建設(shè)，改善研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境，根據(jù)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)需要，引導(dǎo)城鎮(zhèn)發(fā)展，合理開(kāi)展環(huán)境建設(shè)與生態(tài)工程建設(shè)，使高度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)的分布空間和分布規(guī)模不再增加，并做好積極的修復(fù)工作。

基于GIS 技術(shù)對(duì)生態(tài)敏感性的分析是以影響因子為導(dǎo)向、以地理訊息為目標(biāo)確定生態(tài)敏感程度及生態(tài)問(wèn)題的空間分析。地理信息系統(tǒng)可以處理多個(gè)空間標(biāo)準(zhǔn)，并為資源需求之間的分配提供工具，幫助決策者進(jìn)行規(guī)劃［27］，更加快速地提取生態(tài)與自然環(huán)境中的各種數(shù)據(jù)，獲取其中存在的問(wèn)題。將GIS 矢量疊加技術(shù)應(yīng)用于小尺度的區(qū)域生態(tài)敏感性研究，可以使生態(tài)敏感性因子空間疊加分析變的高效、準(zhǔn)確。在生態(tài)敏感性研究的發(fā)展歷程中，其評(píng)價(jià)因子的選取逐漸由單一因子分析［28］發(fā)展至多因子結(jié)合分析［29］，本文通過(guò)選取7 個(gè)代表性因子，反映研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)敏感性，但由于資料獲取的困難性，多選擇的為自然因子，對(duì)人為因子和外部干擾等因素變量較少，這可能對(duì)生態(tài)敏感性區(qū)劃的結(jié)果造成一定的影響，并在因子權(quán)重分析中也存在主觀性。這些問(wèn)題在今后的研究中要繼續(xù)補(bǔ)充和完善，本文結(jié)果為研究區(qū)域內(nèi)土地資源的合理配置、有序的開(kāi)發(fā)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐與參考，同時(shí)也對(duì)研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)建設(shè)、保護(hù)以及開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。