基于空間聚類法的鄖陽區(qū)林地資源質(zhì)量評價研究

胡 彥，聶 艷，于 雷，何新瑩，沈 潔

（1.武漢洪房房地產(chǎn)土地估價有限公司，武漢 430070；2.華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079）

林地資源是整個山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是可直接或間接用于林業(yè)的土地，對自然、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義［1］。開展林地資源資產(chǎn)評價體系研究，對科學(xué)編制自然資源資產(chǎn)負(fù)債表、優(yōu)化配置自然資源要素市場、建立林地生態(tài)補償?shù)染哂兄匾獌r值［2-4］。國內(nèi)外學(xué)者對林地資源質(zhì)量和價值評估的必要性、評價方法、評價準(zhǔn)則以及具體實踐方面開展了有益探索，但在研究尺度上以大中尺度為主，數(shù)據(jù)來源時效性偏弱，借助現(xiàn)代地理信息技術(shù)研究的相對較少［4-7］。因此，本研究以新時代背景下生態(tài)文明體制建設(shè)對林地資源資產(chǎn)評價的需求作為一個基本框架，選擇鄖陽區(qū)林地資源為研究對象，從林地自然經(jīng)濟質(zhì)量和景觀質(zhì)量兩個維度構(gòu)建了林地質(zhì)量評價指標(biāo)，并借助空間聚類對林地資源質(zhì)量進(jìn)行了分類，以期為林地資源資產(chǎn)的評價提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，為拓展自然資源資產(chǎn)評價內(nèi)涵提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

鄖陽區(qū)地處北緯32°25′—33°16′，東經(jīng)110°07′—111°16′，位于湖北省西北部，漢江上游，鄂、豫、陜?nèi)∵呇?，是南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，地貌類型多樣，整體呈現(xiàn)出中間低、南北高的空間分布特征。鄖陽區(qū)國土總面積3 863 km2，第三次國土調(diào)查結(jié)果顯示林地面積2 931.37 km2，約占總面積的76%，以喬木林和灌木林為主；林木種類豐富，有141屬，299個品種，其中幼林面積占近50%。為科學(xué)顯化鄖陽區(qū)林地資源生態(tài)價值，亟需開展林地資源質(zhì)量評價。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

專題圖件：鄖陽區(qū)第三次國土大調(diào)查數(shù)據(jù)庫、鄖陽區(qū)土壤圖、鄖陽區(qū)耕地質(zhì)量等年度更新數(shù)據(jù)庫；地理空間數(shù)據(jù)云、地理國情監(jiān)測云平臺的網(wǎng)上下載數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)：統(tǒng)計年鑒（2019年、2020年）、氣象站點觀測數(shù)據(jù)、政府公報等。

2.2 研究方法

選用K均值空間聚類法對林地圖斑質(zhì)量進(jìn)行聚類，劃分類別。K均值空間聚類的基本流程如下。從鄖陽區(qū)n個林地圖斑中任意選擇K個圖斑作為初始聚類中心，借助ArcGIS獲取圖斑的中心點坐標(biāo)后，計算各林地圖斑到聚類中心的距離，將全部林地圖斑分為K個區(qū)域；逐步確定每個區(qū)域分類數(shù)，重新計算新劃分的聚類中心；不斷重復(fù)該過程直到均方差收斂為止，最后獲得的K個聚類具有內(nèi)部緊湊、聚類間相宜的特點，即為最終的林地質(zhì)量級別和空間分布特征［8］。K均值聚類過程借助MATLAB編程和ARCGIS實現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)林地資源資產(chǎn)提供的功能與服務(wù)類型，從林地自然經(jīng)濟和景觀2個尺度建立林地資源質(zhì)量評價指標(biāo)。林地是樹木生長的基礎(chǔ)，其自然經(jīng)濟質(zhì)量由森林資源的生長和改善人類的生產(chǎn)、生活環(huán)境共同決定，主要包括林學(xué)質(zhì)量（林地立地質(zhì)量及其他自然條件）和經(jīng)濟質(zhì)量（林地地利條件及經(jīng)營管理水平等）［9-12］。

林地景觀質(zhì)量主要受到林地景觀的美學(xué)價值，以及區(qū)域內(nèi)的生態(tài)承載力與經(jīng)濟發(fā)展水平、區(qū)位優(yōu)勢的影響。其中林地景觀的美學(xué)價值是林地旅游開發(fā)的重要衡量尺度，而景觀指數(shù)作為景觀格局特征分析的量化指標(biāo)，是高度濃縮的景觀格局信息，能夠很好地反映區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置狀況，是景觀美學(xué)的基礎(chǔ)，而游客對于該地景觀的認(rèn)可度，是其景觀美學(xué)潛在經(jīng)濟價值的體現(xiàn)。因此從景觀格局指數(shù)和游客感知指數(shù)入手選取林地景觀美學(xué)價值的評價指標(biāo)；林地景觀質(zhì)量的承載力是區(qū)域景觀價值的基礎(chǔ)性條件，主要體現(xiàn)在其生態(tài)風(fēng)險以及地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定性方面；林地景觀的區(qū)位優(yōu)勢對其區(qū)域林地景觀的發(fā)展具有導(dǎo)向作用，區(qū)域內(nèi)林地景觀的經(jīng)濟繁榮度和路網(wǎng)密度越高，其林地景觀被開發(fā)的潛力以及景觀價值就越高。

根據(jù)上述分析，參考《可持續(xù)土地評價綱要》《森林資源資產(chǎn)評價技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合鄖陽區(qū)自然條件、林地資源的實際情況及相關(guān)研究成果，并遵循指標(biāo)影響較大、屬性值在區(qū)內(nèi)存在差異、指標(biāo)屬性值相對穩(wěn)定、以定量可測度指標(biāo)為主等原則，最終從林學(xué)質(zhì)量和經(jīng)濟質(zhì)量2個維度建立了7個因子的林地資源自然經(jīng)濟質(zhì)量評價指標(biāo)，從林地景觀的美學(xué)價值、景觀承載力和景觀區(qū)位3個方面建立了8個林地資源景觀質(zhì)量評價指標(biāo)。利用YAAHP軟件生成調(diào)查問卷，邀請生態(tài)學(xué)、地理學(xué)和林學(xué)等專業(yè)的15位專家進(jìn)行打分，YAAHP軟件計算評價指標(biāo)的權(quán)重，一致性比率均小于0.1，通過檢驗，得到各評價的權(quán)重（表1）。

表1 鄖陽區(qū)林地資源質(zhì)量評價指標(biāo)

3.2 評價單元及屬性數(shù)據(jù)獲取

評價單元定義為林地圖斑。各評價指標(biāo)的屬性數(shù)據(jù)采用DEM分析、緩沖區(qū)分析、景觀格局指數(shù)、植被指數(shù)、核密度等方法獲取。

1）年均降水量。收集鄖陽區(qū)近5年的氣象站點觀測數(shù)據(jù)，計算得到5年的年均降水量，借助ArcGIS空間插值工具獲取研究區(qū)年均降水量的空間分異。鄖陽區(qū)的降雨量在764～1 145 mm，為落葉闊葉林木本植物的適宜生長區(qū)；降雨量大于900 mm的高值區(qū)主要分布在葉大鄉(xiāng)、鮑峽鎮(zhèn)、胡家營鎮(zhèn)等西南部地區(qū)，面積約為1 637 km2，占總面積的43.31%；降雨量小于800 mm的區(qū)域僅占3.49%，主要分布在東北部的譚山鎮(zhèn)、梅鋪鎮(zhèn)。

2）地形坡度和坡向。從地理空間數(shù)據(jù)云上下載30 M的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，并結(jié)合鄖陽區(qū)地形圖，利用ArcGIS的3D Analyst擴展模塊獲取坡度和坡向。結(jié)果顯示鄖陽區(qū)境內(nèi)整體坡度起伏較大，小于5°的面積不多，僅占9.37%，主要分布在中部、東部的城關(guān)、茶店和安陽等鎮(zhèn)，漢江橫穿該地區(qū)，坡度整體較?。槐辈亢臀鞑繀^(qū)域坡度較大，以25°以上為主；從坡向來看，南、東南和西南方向多為陽坡，利于林木果樹生長。

3）土壤質(zhì)地。收集鄖陽區(qū)土壤圖，根據(jù)不同土壤類型的診斷特性確定土壤質(zhì)地。鄖陽區(qū)土壤類型有8種，以黃棕壤和紅色石灰土為主，土壤質(zhì)地多為壤土、沙壤土。

4）道路可及度、景區(qū)帶動度和城鎮(zhèn)影響度。道路可及度表征采伐木材的運輸距離和成本費用；區(qū)域內(nèi)旅游景點的集聚程度越高，林地景觀被游客所感知的潛力越高，且相關(guān)旅游景觀的發(fā)展能帶動周圍林業(yè)景觀美學(xué)價值的提升；距離城鎮(zhèn)越近，越有利于林地經(jīng)濟和生態(tài)價值的轉(zhuǎn)化。因此，借助空間緩沖區(qū)分析方法，從鄖陽區(qū)第三次國土大調(diào)查數(shù)據(jù)庫中提取國道等不同類型的道路線圖層，獲取城鎮(zhèn)中心點圖層，從鄖陽區(qū)旅游局收集全部旅游景區(qū)景點轉(zhuǎn)化為點圖層，然后分別做緩沖區(qū)分析獲取對應(yīng)的單因子圖層。從景區(qū)帶動度來看，主要景點分布在中部漢江沿岸的柳陂、茶店、青曲等鎮(zhèn)，如國家地質(zhì)公園、猿人遺址、明代大豐倉、古麇夢幻谷等；而東北部地區(qū)的集聚程度高于西南地區(qū)。

5）采運成本和路網(wǎng)密度。從三調(diào)數(shù)據(jù)庫中提取住宅用地和農(nóng)村宅基地，借助ArcGIS的Spatial Analyst工具箱核密度分析獲取人口密度的空間差異，從空間分布結(jié)果來看核密度值大于80%主要分布在城關(guān)、青曲、茶店、楊溪鋪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，占比在32.43%；西北和西南的大柳鄉(xiāng)、葉大鄉(xiāng)、鮑峽鎮(zhèn)人口密度值偏低。路網(wǎng)密度為面狀要素，采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積除以各類型路網(wǎng)長度表征，大于0.7 km/km2的主要為中東部地區(qū)的青山鎮(zhèn)、茶店鎮(zhèn)、楊溪鋪鎮(zhèn)和柳陂鎮(zhèn)，約占21.53%，低值區(qū)則主要分布在葉大鄉(xiāng)和大柳鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

6）森林覆蓋率。從陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)平臺下載研究區(qū)7—8月的云量小于10%的高分一號影像，經(jīng)輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、鑲嵌和裁剪、圖像融合等預(yù)處理，借助ENVI計算歸一化植被指數(shù)得到研究區(qū)植被覆蓋度。從結(jié)果來看，鄖陽區(qū)的植被覆蓋度以中、高值覆蓋度為主，面積約為2 839 km2，占73.49%，植被覆蓋度良好；非植被和低植被覆蓋區(qū)僅占7.87%，主要分布在中心城區(qū)。

7）最大斑塊指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和蔓延度指數(shù)。以三調(diào)土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，借助Fragstats軟件分別計算3個景觀格局指數(shù)獲取對應(yīng)的單因子分布。以蔓延度指數(shù)為例，大于75的面積為1 891.41km2，約占48.96%，主要分布在北部的大柳鄉(xiāng)和西南的胡家營鎮(zhèn)、鮑峽鎮(zhèn)，林地團(tuán)聚程度高，斑塊連通性好，景觀優(yōu)勢比較明顯；而青曲鎮(zhèn)、安陽鎮(zhèn)和梅家鋪鎮(zhèn)的蔓延度指數(shù)小于55，林地景觀較為破碎，林地景觀的連接性較差。

8）景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)。景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)主要表征區(qū)域內(nèi)景觀格局和景觀生態(tài)相互作用間不良生態(tài)影響產(chǎn)生的可能性與損失，借助Fragstats計算出景觀破碎度、分離度、優(yōu)勢度指數(shù)后獲取景觀干擾度指數(shù)，再結(jié)合不同景觀類型的脆弱度計算景觀損失度指數(shù)，最后測算出景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。從結(jié)果來看，高風(fēng)險區(qū)主要分布在東南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及北部的大柳鄉(xiāng)，面積較少，僅占5.02%；較低和低生態(tài)風(fēng)險區(qū)則主要分布在中部和東北部區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為2 212.85 km2，占57.29%。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)主要表征山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害潛在的危險性，選擇海拔、坡度和降雨量3個因子進(jìn)行等權(quán)線性疊加獲取。從結(jié)果來看，中高度風(fēng)險區(qū)主要分布在地形起伏較大且降雨量較大的東南部地區(qū)，以及西北部的大柳鄉(xiāng)；較低和低度風(fēng)險區(qū)則分布在地勢較為平坦的中部城區(qū)以及東北角地區(qū)。

3.3 屬性數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于指標(biāo)性質(zhì)不同、量綱不一且值域差異較大，需要對各個指標(biāo)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到［0，1］后才能借助加權(quán)求和模型獲取林地質(zhì)量綜合評價指數(shù)。將15個指標(biāo)分為離散型、閾值型和空間擴散型分別做標(biāo)準(zhǔn)化處理。屬于離散型的指標(biāo)包括地形坡度、坡向和土壤質(zhì)地3個，參考《森林資源資產(chǎn)評價技術(shù)規(guī)范》《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》分別建立對應(yīng)的隸屬度值（表2）；道路可及度、景區(qū)帶動度、城鎮(zhèn)影響度為空間擴散型指標(biāo)，經(jīng)緩沖區(qū)分析后的影響度值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化到［0，1］；其他指標(biāo)屬于閾值型，采用極值法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

表2 部分因子評價指標(biāo)和隸屬度值

3.4 總分值計算和空間聚類

采用上述標(biāo)準(zhǔn)化模型對評價單元各指標(biāo)屬性值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，借助加權(quán)求和模型計算獲取各林地圖斑的自然經(jīng)濟質(zhì)量指數(shù)、景觀指數(shù)和綜合質(zhì)量指數(shù)，指數(shù)越大表明林地質(zhì)量等級越高。

借助ArcGIS獲取林地圖斑的中心點坐標(biāo)，然后連同ID、各個指數(shù)導(dǎo)出為外部Excel數(shù)據(jù)，根據(jù)空間聚類方法利用MATLAB編程實現(xiàn)林地質(zhì)量空間聚類，經(jīng)100次迭代后，最終將林地質(zhì)量分為4類；然后以ID為關(guān)鍵字段，將聚類結(jié)果鏈接到空間數(shù)據(jù)圖層，得到林地質(zhì)量的空間分布（圖1、圖2）和各類型面積統(tǒng)計結(jié)果。

圖1 林地自然經(jīng)濟質(zhì)量分類結(jié)果

圖2 林地景觀質(zhì)量分類結(jié)果

從林地自然經(jīng)濟質(zhì)量來看，以Ⅰ、Ⅱ類為主，整體質(zhì)量較好，主要是因為鄖陽區(qū)雖然地處鄂西山地，但是區(qū)域內(nèi)由漢江橫貫流經(jīng)且隨著2014年撤縣改區(qū)后，經(jīng)濟發(fā)展水平與基礎(chǔ)設(shè)施條件都得到了極大的改善，從而為林地自然經(jīng)濟質(zhì)量的改善與提升提供了良好的外部條件。Ⅰ類林地面積有716.84 km2，占總面積的24.45%，主要分布在主城區(qū)周圍的茶店鎮(zhèn)、青曲鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、楊溪鋪鎮(zhèn)等區(qū)位條件便利的區(qū)域，以及鮑峽鎮(zhèn)北部和葉大鄉(xiāng)東部等林學(xué)質(zhì)量較高的區(qū)域，因為這些區(qū)域內(nèi)地處河谷地帶，地形坡度起伏較小，有利于林業(yè)資源的發(fā)展，且這些區(qū)域靠近主城區(qū)附近，離市場近，區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)密度高，林地資源的采運成本低。Ⅱ類林地面積有958.23 km2，占總面積的32.69%%，主要分布在東北部的白浪鎮(zhèn)、白桑關(guān)鎮(zhèn)以及南化唐鎮(zhèn)的中北部區(qū)域和大柳鄉(xiāng)的中部地區(qū)，以及東南部的五峰鄉(xiāng)、胡家營的北部以及鮑峽鎮(zhèn)的中部區(qū)域，主要是因為這些區(qū)域內(nèi)年均降水量相對豐富，地形坡度相對較緩，土壤質(zhì)地以黃棕壤為主，林業(yè)資源發(fā)展的自然資源稟賦相對較好，且這些區(qū)域離主城區(qū)相對較近，區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟質(zhì)量相對較高。Ⅲ類林地面積有747.27 km2，占區(qū)域總面積的25.49%，Ⅳ類林地僅占17.36%，Ⅲ類和Ⅳ類區(qū)域則主要鑲嵌分布在鄖陽區(qū)的西北角和東北角以及西南角等離主城區(qū)較遠(yuǎn)、經(jīng)濟質(zhì)量和林學(xué)質(zhì)量較差的邊緣地帶，這些區(qū)域是鄖陽區(qū)的山區(qū)地帶，林業(yè)資源生產(chǎn)的自然資源稟賦條件相對較差，雖然是鄖陽區(qū)主要的林地分布區(qū)，但是因為地處山區(qū)地帶，遠(yuǎn)離主城區(qū)、境內(nèi)交通通達(dá)度不高使得區(qū)域內(nèi)林地資源的經(jīng)濟質(zhì)量較差。

從林地景觀質(zhì)量來看，以Ⅱ、Ⅲ類為主，景觀質(zhì)量整體一般，主要是因為鄖陽區(qū)林地資源豐富度雖然較高，但是區(qū)域內(nèi)林地景觀的豐富程度低、獨特性較差以及市場配合度不高，從分布規(guī)律來看，具有與自然經(jīng)濟質(zhì)量類似的空間分異特點。Ⅰ類林地面積有325.59 km2，占總面積的11.11%，主要分布在中心城區(qū)周圍的美學(xué)價值、景觀承載能力和經(jīng)濟價值具佳的區(qū)域，少部分分布在東北部景觀承載能力和經(jīng)濟價值較高的區(qū)域，主城區(qū)的林地景觀價值高主要是因為區(qū)域內(nèi)的路網(wǎng)密度高，距離客源市場近且區(qū)域內(nèi)的景觀生態(tài)風(fēng)險以及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率低，區(qū)域內(nèi)的景觀承載力強，東北部的林地景觀質(zhì)量較高主要是因為區(qū)域內(nèi)林地景觀的豐富度較高，區(qū)域內(nèi)林地景觀的美學(xué)價值高。Ⅱ類林地面積有742.72 km2，占總面積的25.34%，主要鑲嵌分布在Ⅰ類區(qū)域的周圍地帶，分布相對集中的區(qū)域有青山鎮(zhèn)、楊溪鋪鎮(zhèn)、青曲鎮(zhèn)、劉洞鎮(zhèn)、譚山鎮(zhèn)、白桑關(guān)以及五峰鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域離主城區(qū)相對較近，所以區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施水平相對較高，景觀的經(jīng)濟水平與景觀承載力強，林地景觀質(zhì)量較好。Ⅲ類林地面積最多，有1 130.73 km2，占總面積的38.57%，Ⅳ類林地面積有732.32 km2，占總面積的24.98%，Ⅲ類和Ⅳ類區(qū)域分布范圍較廣，主要分布在景觀承載能力和經(jīng)濟價值較差的東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)和西北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域雖然林地資源豐富，但是林地景觀較為單一，景觀的美學(xué)度不高且遠(yuǎn)離中心城區(qū)，區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展水平與基礎(chǔ)設(shè)施條件較差，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的林地景觀美學(xué)價值不高。

4 結(jié)論

統(tǒng)籌兼顧林地資源的自然、經(jīng)濟、景觀等多種功能，從林地資源自然經(jīng)濟質(zhì)量和景觀質(zhì)量2個維度，構(gòu)建了林地資源質(zhì)量評價的體系框架，對指標(biāo)選擇、數(shù)據(jù)獲取方法、級別進(jìn)行了說明，豐富了林地資源資產(chǎn)評價的相關(guān)理論與方法。鄖陽區(qū)的實證結(jié)果顯示，林地自然經(jīng)濟質(zhì)量整體較好，以Ⅰ、Ⅱ類為主，約占57.14%；林地景觀質(zhì)量整體一般，Ⅰ、Ⅱ類區(qū)域僅占36.45%。研究結(jié)果對全方位、多尺度掌握林地資源質(zhì)量的空間分布、合理確定林地資源的重點保護(hù)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)具有參考價值。結(jié)合山水林田湖草生命共同體理念，構(gòu)建林地生態(tài)價值評價體系，實現(xiàn)林地生態(tài)產(chǎn)品價值的轉(zhuǎn)換，將是今后的研究重點。