基于GIS的成都東部新區(qū)生態(tài)敏感性分析

李亞茹，李靜

（1.四川大學(xué)；2.深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

生態(tài)敏感性分析可以為土地資源的保護(hù)利用提供決策依據(jù)，近幾年受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。生態(tài)敏感性研究起源較早，1980年，Suffling從生態(tài)系統(tǒng)年齡和景觀多樣性的角度分析了生態(tài)敏感性[2]。2000年，歐陽志云等率先在國(guó)內(nèi)提出了生態(tài)敏感性概念[3]。生態(tài)敏感性指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類活動(dòng)干擾和自然環(huán)境變化的反應(yīng)程度，說明區(qū)域發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小[3]。生態(tài)敏感性分析經(jīng)歷了從單一生態(tài)敏感性分析向綜合生態(tài)敏感性分析的發(fā)展趨勢(shì)[4-5]。研究區(qū)域逐漸從河流流域[6]、荒漠化區(qū)域[7]、水土流失區(qū)域[8]等生態(tài)環(huán)境極其敏感脆弱的地區(qū)擴(kuò)展到城市[9]及城市新區(qū)[10]；研究?jī)?nèi)容也逐漸擴(kuò)展到城市建設(shè)用地[1]及非建設(shè)用地[11]。

成都東部新區(qū)目前正處于開發(fā)建設(shè)初期，對(duì)其進(jìn)行生態(tài)敏感性分析對(duì)開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)和優(yōu)化土地利用具有重要意義。目前，針對(duì)城市新區(qū)的生態(tài)敏感性分析，其研究多為單因子分析和綜合分析；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)城市不同用地進(jìn)行分析討論的較少。以生態(tài)敏感性分析為基礎(chǔ)，不僅可以判斷以往建設(shè)的不合理之處，還可以對(duì)未來建設(shè)進(jìn)行科學(xué)引導(dǎo)。本研究在分析成都東部新區(qū)生態(tài)敏感性的基礎(chǔ)上，將全域土地劃分為已建設(shè)用地與未建設(shè)用地，并針對(duì)性提出土地利用優(yōu)化建議。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

成都東部新區(qū)位于龍泉山東麓、簡(jiǎn)陽市西部，介于30°11′～30°36′N，104°11′～104°33′之間。全區(qū)總面積920km2，轄6個(gè)鎮(zhèn)9個(gè)街道。區(qū)域?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，有龍泉山、沱江、絳溪河、三岔湖、龍泉湖、張家?guī)r水庫、同福水庫、天公水庫等山水資源。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文數(shù)據(jù)包括2.06m像素分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）、30m分辨率的Landsat 8 oil影像、32.97m像素分辨率的地質(zhì)圖三類柵格數(shù)據(jù)及水系水域和行政邊界兩類矢量數(shù)據(jù)。將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件中進(jìn)行預(yù)處理，建立空間數(shù)據(jù)庫。

3 研究方法

加權(quán)疊加模型多用于生態(tài)敏感性分析[12]。最大似然法分類是遙感影像分類中較為常用的一種方法[13]。首先，根據(jù)研究區(qū)的自然地理?xiàng)l件和未來發(fā)展訴求，確定評(píng)價(jià)因子及指標(biāo)體系，對(duì)單個(gè)因子進(jìn)行生態(tài)敏感性分析；確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重，通過加權(quán)疊加生成綜合生態(tài)敏感性分析。其次，對(duì)波段合成后的Landsat 8 oil影像數(shù)據(jù)進(jìn)行最大似然法分類，得到土地利用現(xiàn)狀圖。最后，將生態(tài)敏感性分析與土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行空間疊加得到不同用地的生態(tài)敏感性分析，并基于以上結(jié)果提出土地利用優(yōu)化調(diào)整建議。

3.1 生態(tài)敏感性分析

3.1.1 評(píng)價(jià)因子及等級(jí)指標(biāo)體系的確定

選擇恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)因子并建立科學(xué)的指標(biāo)體系，有助于對(duì)生態(tài)敏感性進(jìn)行全面分析，提高其科學(xué)性與規(guī)范性。本文依據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀，從地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋和水文環(huán)境4個(gè)一級(jí)指標(biāo)中選出9個(gè)二級(jí)指標(biāo)作為生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)因子。根據(jù)各生態(tài)敏感性因子在遇到外界活動(dòng)干擾時(shí)發(fā)生生態(tài)失衡與環(huán)境問題的可能性大小，劃分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感4個(gè)等級(jí)，并分別賦值為1、3、5、7（見表1）。

地形地貌是生態(tài)環(huán)境的載體，包括高程、坡度、坡向、地形起伏度等方面[14]。研究區(qū)地形起伏較大，海拔高差638m；西北部龍泉山為脊?fàn)畹蜕剑匦吻懈顕?yán)重，山坡較陡，易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)建筑地基的穩(wěn)定性和滲漏性有顯著影響。研究區(qū)西北部地處龍泉山斷裂帶，屬地震危險(xiǎn)區(qū)，歷史上發(fā)生過小震級(jí)地震。區(qū)內(nèi)地層巖性劃分為砂巖為主夾泥巖、砂巖與泥巖互層、泥巖為主夾砂巖以及松散堆積層四種巖性組合，不同的巖性組合力學(xué)性能相差懸殊，地震易導(dǎo)致砂巖陡崖發(fā)生崩塌。

植被覆蓋是衡量地表植被多少的重要指標(biāo)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[15]。歸一化植被指數(shù)（NDVI）能夠較好地反映植被原生狀態(tài)和生長(zhǎng)狀況，常被用來估算植被的覆蓋情況[16]。

歸一化植被指數(shù)的計(jì)算公式如下：

植被覆蓋的計(jì)算公式如下：

式中：Rn為近紅外波段的反射率，選取Landsat 8 oil遙感影像的第5波段；Rr為紅光波段的反射率，選取Landsat 8 oil遙感影像的第4波段；NDVIveg代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，可選取NDVI的最大值進(jìn)行計(jì)算；NDVIsoil代表完全為裸地或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，可選取NDVI的最小值進(jìn)行計(jì)算。

水文環(huán)境主要從保障區(qū)域洪水安全及水資源保護(hù)兩個(gè)方面考慮，選取水系水域、雨水徑流、洪水淹沒三個(gè)因子。研究區(qū)河流、溝渠眾多，并有各類水庫，冬、春常有干旱，秋多綿雨，夏季洪澇災(zāi)害多發(fā)。

3.1.2 權(quán)重的確定

權(quán)重可以用來衡量各評(píng)價(jià)因子對(duì)生態(tài)敏感性的影響程度，權(quán)重值越大，影響越大；反之，影響越小[17]。本文采用層次分析法（AHP）確定各因子權(quán)重，具體步驟為：①建立層次結(jié)構(gòu)模型；②兩兩比較，按重要性進(jìn)行賦值；③建立判斷矩陣，通過Matlab軟件計(jì)算權(quán)重；④進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。運(yùn)用Matlab軟件求得該矩陣最大特征根λmax=9.6972，通過公式CI=(λmax-n)/(n-1)，對(duì)該矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得CI=0.08715，通過查RI值表可知當(dāng)n=9時(shí)，RI=1.45。根據(jù)一致性比率公式CR=CI/RI，求得CR=0.0601＜0.1，該矩陣通過一致性檢驗(yàn)。最后，經(jīng)過歸一化處理得到各敏感因子的權(quán)重（見表1）。

表1 生態(tài)敏感性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重

3.1.3 綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)的基本方法是疊加，根據(jù)上文各因子生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果和層次分析法（AHP）確定的權(quán)重，在ArcGIS中運(yùn)用加權(quán)求和模型進(jìn)行疊加分析，加權(quán)求和的計(jì)算公式如下：

式中：W為生態(tài)敏感性的綜合分值，i為評(píng)價(jià)因子編號(hào)；n為評(píng)價(jià)因子總數(shù)（n=9）；Ki為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)得分。將生態(tài)敏感性的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行分類，最終確定研究區(qū)生態(tài)敏感性的等級(jí)和分布。

3.2 不同用地的生態(tài)敏感性

Landsat 8 oil影像中B4、B6和B7三個(gè)波段合成的圖像對(duì)城市建設(shè)用地有較好識(shí)別。利用ArcGIS的波段合成工具對(duì)預(yù)處理過的B4、B6和B7三個(gè)波段進(jìn)行假彩色合成。根據(jù)研究區(qū)的土地利用情況和合成圖像的實(shí)際分辨能力，結(jié)合本次研究目的，將研究區(qū)的土地利用類型分為已建設(shè)用地和未建設(shè)用地兩大類。利用ArcGIS對(duì)合成后的圖像進(jìn)行最大似然法分類，其檢驗(yàn)精度分別為85.78%和84.96%，Kappa系數(shù)均在0.80以上，滿足研究需要。最后，對(duì)分類后的圖象與生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行空間計(jì)算，以確定不同用地的生態(tài)敏感情況。

4 結(jié)果與分析

4.1 生態(tài)敏感性分析

4.1.1 單因子生態(tài)敏感性

從高程敏感性來看，西北部為龍泉山低山區(qū)，為高度敏感區(qū)；高程由西北向東南降低且大部分地區(qū)地勢(shì)較低，敏感性較低（見圖1a）。從坡度敏感性來看，西北部山區(qū)與其他零星區(qū)域坡度較大，為高度敏感區(qū)；中部至東南部地勢(shì)低平，敏感性較低（見圖1b）。坡向敏感性在空間和面積上的分布相對(duì)來說較為均衡，沒有明顯的區(qū)域劃分（見圖1c）。從地形起伏敏感性來看，西北部山區(qū)與其他零星區(qū)域地形起伏度較大；為高度敏感區(qū)；中部至東南部地形略有起伏，敏感性較低（見圖1d）。

圖1 單因子生態(tài)敏感性等級(jí)分布圖

地質(zhì)構(gòu)造與山地、河流的分布關(guān)系較為密切，其高度敏感區(qū)分布在西北部龍泉山斷層區(qū)域與東北部沱江河漫灘區(qū)域；中度敏感與輕度敏感區(qū)集中在區(qū)域中部；不敏感區(qū)分布在區(qū)域的西部與東部（見圖1e）。

植被覆蓋敏感性整體較高，高度敏感區(qū)零星分布，占比較??；中度敏感區(qū)分布較為普遍；輕度敏感區(qū)與不敏感區(qū)分布在城市建成區(qū)域與河流、湖泊所在區(qū)域（見圖1f）。

水系水域敏感性是根據(jù)距離各水系水域的距離確定的，高度敏感至輕度敏感區(qū)總體比重較?。徊幻舾袇^(qū)分布較為普遍，比重較大（見圖1g）。雨水徑流敏感性是根據(jù)地形進(jìn)行水文分析的結(jié)果；高度敏感區(qū)是指雨水的匯水區(qū)域，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均衡分布，但比重較?。徊幻舾袇^(qū)分布較為普遍，比重較大（見圖1h）。洪水淹沒敏感性與高程敏感性相反，高度敏感至輕度敏感區(qū)分布在東南地勢(shì)較為低洼的區(qū)域；不敏感區(qū)分布在西北地勢(shì)較高的區(qū)域（見圖1i）。

4.1.2 綜合生態(tài)敏感性

研究區(qū)生態(tài)敏感性綜合指數(shù)值在1.00～5.93之間，通過自然斷裂法將其分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)并計(jì)算其面積（見表2）。高度敏感區(qū)主要分布在龍泉山、沱江、絳溪河等山水資源密集的區(qū)域；中度敏感區(qū)主要分布在高度敏感區(qū)的輻射區(qū)域；輕度敏感區(qū)主要分布在中部區(qū)域，比重最大；不敏感區(qū)主要分布在中西部及東南部，比重較大（見圖2a）。

表2 綜合生態(tài)敏感性分級(jí)面積及比例

4.2 不同用地的生態(tài)敏感性

研究區(qū)已建設(shè)用地比重較小；未建設(shè)用地比重較大（見圖2b、表3）。已建設(shè)用地主要分布在天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)及各鎮(zhèn)（街道）中心；其中高度敏感區(qū)比重較小，多臨近河流、水庫或位于陡峭山區(qū)；中度敏感區(qū)比重稍大（見圖2c、表4）。未建設(shè)用地中輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)比重較大；且仍有一定比重的高度敏感及中度敏感區(qū)（見圖2d、表4）。

表4 不同用地的敏感性分級(jí)面積及比例

圖2 不同用地的生態(tài)敏感性等級(jí)分布圖

表3 現(xiàn)狀用地的面積及比例

5 土地利用優(yōu)化

成都東部新區(qū)已建設(shè)用地中有453hm2的高度敏感區(qū)域，主要分布在區(qū)域東北部，在未來的發(fā)展中應(yīng)逐步移出現(xiàn)有建設(shè)，恢復(fù)為生態(tài)用地；同時(shí)有796hm2的中度敏感區(qū)域，應(yīng)在不增加現(xiàn)有建設(shè)強(qiáng)度的情況下，逐步恢復(fù)為林業(yè)或農(nóng)業(yè)用地。成都東部新區(qū)未建設(shè)用地中有輕度敏感區(qū)域32205hm2，不敏感區(qū)域24876hm2，主要分布在中東部區(qū)域，未來建設(shè)仍有廣闊的用地；除此之外，未建設(shè)用地中仍有高度敏感區(qū)域7163hm2，主要分布在西部龍泉山脈區(qū)域，在國(guó)土空間開發(fā)的過程中，應(yīng)減少人為活動(dòng)的影響和破壞，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定；中度敏感區(qū)域14903hm2，在土地利用的過程中，應(yīng)控制開發(fā)強(qiáng)度。