适宜性评价及空间分析

1、3、适宜性评价与空间分析3.1 研究目的和意义土地利用研究对于当代的中国具有非常重大的意义。改革开放以来,随着经济和社会的快速发展,对土地的开发利用导致了自然资源需求量的急剧增加,引起了土地利用/土地覆被发生了显著的变化(周万村等,2000),由此带来了诸如土地退化、水土流失、植被破坏、水资源短缺等一系列生态环境问题,这引起了国家和社会的高度关注。从70年代后期开始,国家陆续开展了三北防护林、退耕还林还草、天然林保护等林业生态建设工程。黄土高原地区作为我国典型的生态环境脆弱区,首当其冲成为生态环境建设的重点地区,也因此成为我国土地利用变化研究的热点地区(李丽娟等,2005;李志等,2007;郝

2、慧梅等,2007)。陕西省吴起县地处黄土高原腹地,是典型的水土流失和生态脆弱地区。1998年以来,全县积极响应党中央“再造一个山川秀美的西北地区”的伟大号召,在全县范围展开了封禁造林工作,于当年一次性退耕155.5万亩,实现了“封得住、退得下、还得下”的目标,是全国封得最早、退得最快、面积最大、成效最为显著、群众得到实惠最多的县份之一,成为全国退耕还林的一面旗帜,被国家林业局命名为“全国退耕还林先进县”。退耕还林工程的深入实施,使吴起的生态环境发生了巨大变化。土壤年侵蚀模数由1997年的1.53x104t/km2,下降到目前的0.54x104 t/km2,年降雨量已由1997年的478.3mm

3、增至582mm,干早、暴雨、冰雹、霜冻等自然灾害明显减少,五级以上的大风已由1997年之前的年均19次降为5次,多年罕见的飞禽走兽重新显现,秀美山川初露端倪,良好的生态链正在形成。在最新的EOS卫星遥感图片上,一片浓绿的颜色清晰地勾勒出了吴起的地貌轮廓,与毗邻的甘肃、宁夏、榆林地界形成了鲜明的对比。本文选取吴起县为研究区,在GIS平台上,运用退耕还林前后的遥感数据,综合分析退耕还林工程实施以来当地土地利用的时空变化,意义如下:(l)科学评价和总结吴起县退耕还林工程实施的成果,通过对其退耕还林前后土地利用时空变化及其生态效应的研究,反映其在生态建设驱动力作用下的土地利用变化特点,展现其生态建设的

4、巨大成果。(2)通过研究其土地利用变化时空特点及限制因子,为当地决策部门制定生态建设和土地利用政策、开展土地利用规划提供依据。(3)由于吴起县退耕还林工作非常典型,对其土地利用变化的过程和特点进行深入研究,为黄土高原地区的退耕还林、植树造林等生态建设工作的实施提供了很好的经验和样板,有利于同区的其他县份借鉴。3.2 评价标准及方法1、评价标准基于GIS的退耕还林分析：陡坡地退耕还林还草的核心问题是研究地面坡度与土地利用，特别是耕地的使用状况之间的关系。故本次研究着重于调查样区内主要土地利用类型(重点是耕地,包括滩旱地、沟旱地、梯旱地和坡地)中的地表坡度组成状况。经查阅相关文献资料，初步确定本次

5、工作主要任务是为黄土高原地区坡耕地退耕还林还草提供准确可靠的基本地理信息，应用GIS技术可迅速清查土地利用详细状况。根据多年试验结果,黄土丘陵沟壑区地面坡度在3°, 8°, 15°, 25°, 35°是较为明显的土壤侵蚀临界坡度值; 3°以下无明显侵蚀, 8°以上的坡地细沟、浅沟普遍出现; 15°是产沙的突然增大点,小于15°的坡地,土壤侵蚀相对较弱,当坡度超过15°时产沙量突然增大,侵蚀渐趋加剧,坡面发育大量切沟; 25°是土壤侵蚀方式的一个转折点, 25°以上的坡地开始出

6、现重力侵蚀,并有冲沟发育; 35°是黄土状堆积物的临界休止角,大于35的坡地侵蚀方式由以流水作用为主转变为以重力作用为主,崩塌、滑坡、错落等重力侵蚀现象普遍出现,侵蚀量达到最大值。在黄土丘陵沟壑区的土地利用中, 6°25°是可修筑梯田的地域范围,也是主要的种植区域;小于6°的耕地只要在耕作时采用水保耕作法便可以防止面蚀发生; 25°以上的坡地应作为林牧用地,是需进行退耕还林还草的区域。综上所述,可以得到黄土丘陵沟壑区的坡度共有5级:<6°, 6°15°, 15°25°, 25°3

7、5°,>35°。退耕还林还草属水土保持中的生物措施，其基本要求是6°15°耕地作为主要种植区域；15°25°耕地需加强工程措施以防止水土流失发生；25°以上坡地作为林牧用地区域,需退耕还林还草；35°以上坡地是重点治理区域,必需尽快进行治理。按照上述要求，基本确定了GIS在本次研究中的任务如下: （1）叠置分析：叠置分析是提取空间隐含信息的一种手段,其操作为将相关数据进行叠加产生一个新的数据层面,要求被叠加的数据是基于相同坐标系统的相同区域,叠加的结果层将综合被叠加层的要素具有的属性。叠置分析包括矢量数据和栅

8、格数据的叠置。在ArcGIS中使用intersect命令进行叠置分析，将耕地图层与坡度图层、坡向图层、高程带图层分别叠加分析,得到耕地的坡度、坡向、高程属性。进而对各种坡度下的耕地适宜性按照预先设定的指标体系进行评价。（2）进行面积统计。将ENVI中运用决策树分类方法分好类的耕地图导入到ArcGIS中，首先进行矢量栅格数据的转换操作，然后在属性表中加一个面积属性（Add Field操作），进而计算各种类型耕地的面积以便后续的评价。（3）叠加河流、行政区划、道路、居民点等基础地理信息，在ArcGIS中运用地图整饰的方法生成专题图。2、评价方法（1）叠置分析Identity操作（1） 在ArcTo

9、olbox中选择Analyst Tools | Overlay | Identity 选项，打开其对话框。（2） 填入输入图层（Input features），识别参照图层（Erase feature），输出图层（Output Feature Class）和选择需要连接过去的属性字段，在右下角的环境设置（Environments）中，可以对输入输出数据的参数进行设置，参数设置见下图。（3） 单击OK按钮，完成操作，结果见下图。Union操作（1） 在ArcToolbox 中选择 Analyst Tools ，打开后选择 Overlay 中的Union 选项，打开其对话框。（2） 逐个输入要进行

10、合并的图层（Input Feature），按右边的“加号”来将图层添加进来，在中间“Features ”组合框内的就是要进行合并操作的图层列表，输入要输出的文件的路径和名称（Output Features），同时在下方的属性字段中选择要进行连接的属性字段（Join Attributes ）或全部，输出文件的类型，也可以对环境参数进行相关的设置。（3） 单击 OK 进行合并操作，输出结果。 图1 Union操作对话框 Intersect操作（1） 从 ArcToolbox 中选择Analyst Tools ，打开后选择 Overlay 中的 Intersect 选项，打开其对话框。（2） 逐个输

11、入要进行相交的图层（Input features），按右边的“加号”来将图层添加进来，在中间“Features ”组合框内的就是要进行相交操作的图层列表，输入要输出的文件的路径和名称（Output Feature Class），同时在下方的属性字段中选择要进行连接的属性字段 （Join Attributes）或全部，设置输出文件的类型，也可以对环境参数进行相关的设置。（3） 单击OK 进行交集操作，输出结果。 图2 Intersect操作对话框 Symmetrical difference操作（1） 在Arctoolbox 中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中的 Sym

12、metrical Difference 选项，打开其对话框（见下图）。（2） 输入要进行操作的输入图层（Input Features），同时在下面输入参照的差值图层（Update Features），输入要输出的文件的路径和名称（Output Feature Class），同时在下方的属性字段中选择要进行连接的属性字段（Join Attributes）或全部，还有容错量，也可以对环境参数进行相关的设置。（3） 单击 OK进行交集操作，输出结果如下图所示。 （2）栅格计算器A、打开栅格计算器功能B、选定一个图层后，编辑计算公式C、单击evaluate即可计算得到结果（3）重分类新值替代在 Spa

13、tial Analyst 的下拉菜单中选择 Reclassify；在 Input raster 的下拉菜单中选择需要变更值的图层；在 Reclass Field 栏的下拉菜单中选择需变更的字段；在 New Value 栏中定位需要改变数值的位置，然后键入新值。可点击 Load 按钮导入已经制作好的重映射表，也可以点击 Save 按钮来保存当前重映射表；Change missing values to NoData：可选项，将 missing values 值改成无数据（NoData）；Output raster：为输出结果指定目录及名称；点击 OK 按钮。旧值合并在 Spatial Analy

14、st 的下拉菜单中选择 Reclassify；在 Input raster 的下拉菜单中选择需要重新组合分类的图层；在 Reclass Field 栏的下拉菜单中选择需用的字段；在 Old Value 栏中连续选择要进行归并的数据（按住 Ctrl 键可以逐个进行选择，按 Shift 键可以选择两者之间的全部数据）；在选择并弹亮的数据项上点右键；在弹出的菜单中选择 Group Entries；给新组合成的数据赋予新值。可点击 Load 按钮导入已经制作好的重映射表，也可以点击 Save 按钮来保存当前重映射表；Change missing values to NoData：可选项，将 missi

15、ng values 值改成无数据（NoData）；Output raster：为输出结果指定目录及名称；点击 OK 按钮。重新分类在数据的使用过程中经常会因某种需要将数据用一种等级体系来进行分类，或需要将多个栅格数据用统一的等级体系重新归类。例如，在对洪水灾害进行预测时，需要分析降雨量数据，地形数据和植被数据等。首先要按照这几种数据对洪灾带来的影响分别将其分为大概 10 类（1-10）。每种数据中，级别越高其对洪灾的影响度越大。经过分类后就可以通过这些分类信息进行洪灾模拟。下面为分类基本操作：在 Spatial Analyst 的下拉菜单中选择 Reclassify；在 Input raste

16、r 的下拉菜单中选择需要重新分类的图层；在 Reclass Field 栏的下拉菜单中选择需用的字段；点击 Classify 按钮；在 Method 栏的下拉菜单中选择一种分类方法,包括 Manual（手工分类）, EqualInterval（等间距分类），Defined Interval（自定义间距分类），Quantile（分位数分类）, NaturalBreaks（自然间距分类）, Standard Deviation（标准差分类）；在 Classes 栏的下拉菜单中选择进行重分类的类别数目；点击 Classification 对话框中的 OK 按钮；根据需要，在 Reclassify 对

17、话框中修改将输出的栅格数据的值，或点击 Load 按钮导入已经制作好的重映射表，也可以点击 Save 按钮来保存当前重映射表；Output raster：为输出结果指定目录及名称；点击 OK 按钮。重分类后的图像如下图所示3.3 操作步骤1、 从DEM数据中提取坡度数据。2、将提取的坡度数据进行重分类。黄土丘陵沟壑区的坡度共有5级:<6°, 6°15°, 15°25°, 25°35°,>35°，按照上述标准将提取的坡度数据进行重分类。地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角，表示了地表面在该

18、点的倾斜程度（葛翠萍等，2009）。坡度作为地形的一个基本因子，可以通过调节太阳辐射!水分等自然要素的分配，间接影响土地利用类型的空间分布。另一方面，坡度的不同使得人类活动对土地利用方式的干扰程度不同，从而也影响到土地利用方式的形成和变化（任志远等，2005）。在黄土高原地区，坡度是重要的地形指标，与退耕还林等引起土地利用变化的各项措施的实施有着密不可分的联系。坡度分级的确定：坡度分级的原则是能够有效反映研究区坡度组合的特点，本研究以国土资源部土地利用更新调查技术规定（试行）（2004）为基础，结合吴起县地形地貌的特点，适当参考相关研究的成果（汤国安等，2006;胡世雄等，1999;赵牡丹等，

19、2002），将本区坡度范围定为5级，如下表:表1吴起县坡度分级表坡度分级平缓坡缓坡斜坡陡坡极陡坡坡度范围（度）066151525253535具体操作步骤如下：重分类的结果图3、坡度数据的栅格转换。将坡度数据转换为矢量格式，以便于与两期土地利用数据进行叠置分析。具体操作如下：栅格转矢量结果图4、叠置分析。将两期遥感数据进行叠置（叠置分析中的Identity操作，以便更好的识别出退耕还林的情况）。以水平农田为例，具体操作步骤如下：5、将第4步中的两期遥感影像叠置的结果和坡度图层再进行叠置分析。Intersect操作的结果图林地草地两期数据叠加效果图耕地两期数据叠加效果图耕地叠加坡度效果图林草地和坡

20、度Intersect结果图居民点叠加效果图6、导出属性表，进行每一级坡度的各类用地变化情况分析。在Excel中分析不同坡度等级下各类用地的变化情况。首先将吴起县1:1万的DEM数据在Arcgis10平台上利用立方卷积法进行像元重采样，设定分辨率为30x30m，以使分辨率与土地利用数据保持一致。然后应用ArcgIs中的表面分析（surfaceAnalyst）模块，提取坡度（slope）数据，将坡度值按上述分级标准分为5级。最后，把栅格的坡度分级数据转为矢量数据，与土地利用变化图进行叠加分析，即可得到不同坡度梯度下的土地利用变化数据，如下表所示:表2不同坡度梯度下的吴起县土地利用状况（hm2）坡度

21、范围（度）066151525253535林草地199116202.735591.284479.560445.128858.2201320597.553127.7130043.892496.230302.4耕地199113731.527604.657870.738997.418833.720137143.28114.59296.34437.81332.2居民点1991102.877.5102.258.319.320131115.9765.2730.4359.2194.水域1991294.5194.1359.3289.8150.32013456256.4587.2369.5176.23.4 各类土

22、地利用变化情况分析：（1）林草地林地在1991年和2013年不同坡度下的分布状况是一致的，其特点为低坡度级的林地分布较少，中高坡度级的林地分布较广，74%以上的林地分布在坡度为15°以上的地区，优势坡度范围均为15°25°从12年来林地在坡度梯度的变化来看，各坡度级的林地面积均有增加，其中中高坡度级的林地增量最多，达到了总增幅的75.09%，优势坡度级（15°25°）的优势程度进一步增大。林地变化的这些特征说明了当地开展林业生态建设主要集中在坡度较高的山区。草地在两个年度不同坡度下的分布特征与林地一致，表现为中高坡度范围的草地分布较广泛，坡度1

23、5°以上的草地面积均达到当年草地总面积的77%以上，优势坡度范围也为15025°。从1991年到2013年，草地面积整体体现减少的趋势，但是在坡度为35。以上地区草地面积略有增加，这与当地开展的封山禁牧等生态保护政策因素有关。其在不同坡度级上的变化趋势基本上与林地呈反向互补关系，所以草地在各坡度梯度的面积减少并没有造成当地生态环境的恶化。（2）耕地在1997年和2009年，吴起县的耕地在不同坡度级均呈倒U型分布，15°25°坡度级的耕地面积最多，为这两年的优势坡度。区别在于1991年陡坡以上的耕地面积占当年总耕地面积的比例较大，为36.06%，远高于20

24、13年的19.37%。这22年间，耕地总体呈减少趋势，各坡度梯度的耕地面积也表现为减少，中高坡度级15°以上）减幅较大，占到耕地减少面积的80%以上，是造成本区耕地减少的决定因素，由此表明吴起县退耕还林工程主要针对陡坡耕地进行退耕。（3）居民点1991年和2013年，吴起县居民点占地面积随坡度的增加大致呈递减的趋势，中低坡度范围（25°以下）分布较多，占总建设用地面积的79%以上，优势坡度范围为0°8°，22年间居民点面积大幅增加，增加的居民点也主要分布在中低坡度。3.5 吴起县土地利用变化驱动力分析3.5.1 退耕还林吴起县自1998年开始实施“退耕还

25、林”工程,是全国150多个退耕还林县(市、区)封得最早、退得最快、面积最大的县份。其特点为“一次性退耕”,1999年一次性退耕坡耕地155.5万亩。由于退耕还林工程的实施,吴起县耕地面积尤其是坡耕地的面积大幅减少,林地面积大幅增加,由此造成了相关土地利用类型的剧烈变化,是本区土地利用变化的主要驱动力。;从空间上来说,退耕还林工程实施的空间分布非常广泛,反映空间分布的多度值排在所有驱动因素的第一位;其对当地土地利用变化的重要程度仅次于荒山造林、人工种草与自然封育,位列各驱动因素的第三位。3.5.2 荒山造林除退耕还林以外,吴起县还在中低覆盖度草地、未利用地上开展了以生态水保林和生态经济林为主的人

26、工造林活动。生态水保林包括河北杨、刺槐、侧柏、油松等地方性乔木树种;生态经济林包括沙棘、山杏、山桃等具有较高经济价值的灌木。这些林木的栽植,不仅取得了良好的经济效益,而且取得了巨大的生态效益,使得当地土地利用发生了巨大变化。3.5.3 人工种草与自然封育1998年5月,吴起县作出了实施封山禁牧、大力发展舍饲养羊的决定,并于当年淘汰出栏当地土种山羊23.8万只,顺利实现了整体封禁目标,在全国首开了封山禁牧的先河。其目的在于通过自然的作用,使植被得以恢复。除此以外,当地也开展了以牧草为主要草种类型的人工种草植草活动,到2005年底,累计种植人工牧草127万亩,保留面积%万亩,是全国人工种植紫花首藉

27、面积最大的县。这些措施的实施,引起了当地土地利用的较大变化:共有722%.7hm2土地因人工种草和自然封育而发生转化,占因生态建设引起的土地利用变化总面积的30.26%,由此使该地的草地覆盖率提高了19.1个百分点;其多度值为26.7,表明此项驱动因素在空间范围的分布也较为广泛;其重要值为56.8,表明人工种草与自然封育因素在当地土地利用变化的过程中也起着很重要的作用。3.6 土地利用的潜力土地利用是人类为了达到一定的目的或者满足一定的需求开发利用土地资源的具体表现形式,其变化过程体现了人为因素在其中所起的重大作用。同时,土地既然作为一种自然资源,它的变化与变迁必然受到自然规律的制约。所以,土

28、地利用变化是一个自然和人文两种因素共同作用的过程。在吴起县,当地为了实现改善生态环境的目标,人为开展了大规模的退耕还林工作,使当地土地利用发生了巨大变化,但是这种变化能否一直持续下去?或者说这种变化有没有极限?这是本章需要探讨的问题。目前,有关土地利用变化预测的研究也很多,但大部分仅仅是从统计学的角度利用各种模型(如马尔科夫模型)进行预测,得出的结果仅仅是在统计学上有意义,并不能够反映人类活动和自然环境对土地利用的限制作用,所以对当地的土地利用政策制定和规划并没有特别实际的指导意义。本文选取林地和耕地两种土地利用类型,通过分析自然和人为因素中对其起最大限制作用的因子;来综合反映这两种地类变化的

29、潜力和极限,从而为当地今后的退耕还林政策的制定提供依据和参考。3.7 吴起县生态建设的启示吴起县土地利用变化的结果表明当地生态建设取得了巨大成绩,其经验应当成为黄土高原其他地区学习和借鉴的范例。依据本次研究结果,将其生态建设的经验和特点总结为以下两点:(l)生态建设要遵循自然规律,因地制宜、因时制宜。由土地利用空间变化分析可知,当地各土地利用类型的分布与变化受自然规律的制约,尤其是坡度、坡向、高程等因素影响着水分、光照的再分配,在生态建设时需要重点考虑。(2)生态建设政府是主导,但要注意调动普通民众的积极性,以确保生态建设的成果。无论是退耕还林还是封山禁牧,都需要政府的正确决策和相关配套措施的出台,并且还要积极思考退耕禁牧以后农民和牧民的生计问题、去向问题,只有这样才能保证生态建设不反复。吴起县的实践经验和我们土地利用变化的研究结果均表明,当地将生态建设与新农村建设紧密结合,一方面强化退耕还林