基于高分辨率航空影像的农村生态功能适宜性评价及应用研究

基于高分辨率航空影像的农村生态功能适宜性评价及应用研究

近年来，在社会主义新农村建设的背景下，对村级土地利用规划的研究日益增多，建立村级土地利用规划的试验性工作也层出不穷。许多科学家积极提出了合理组织和使用土地的计划理论和技术。其中，土地使用中的环境问题越来越受科学家的关注。因此,农村生态功能适宜性评价应作为一个重要环节被纳入村级土地利用规划的过程中,为指导农村土地利用和空间布局提供科学的生态适宜依据。农村生态功能适宜性评价主要是从生态学角度和可持续发展的角度,运用生态学原理和方法,对农村生态功能适宜性的优劣程度进行评价,评价内容主要强调农村生产生活空间与自然条件的和谐,人与其它生物的共生,在村庄发展的同时,坚持自然环境及其演化过程得到最大限度的保护,从而有效地保护乡村生态系统,从宏观上预防乡村建设可能带来的生态问题。本文以高分辨率航空影像为主要数据源,结合实地调研,针对岩南村生态环境现状,首先利用组合赋权法从地形条件、土壤资源、生物资源、水资源、人类干扰5个方面,构建生态功能适宜性评价模型;之后利用GIS技术,对岩南村进行生态功能适宜性评价;最后根据评价结果对岩南村进行生态功能适宜性等级分区,制定分区管制措施,提出土地利用建议,为岩南村土地利用规划中土地利用方式的确定和空间布局的划分提供科学的生态适宜依据。本文的研究方法以及评价模型也可为今后村级土地利用规划中生态功能适宜性评价提供一定的参考。1彩红外航空相片几何校正岩南村位于浙江省义乌市,地处浙中丘陵盆地类型区,属亚热带季风气候,气候温和,四季分明,光热资源丰富,雨量适中,年平均气温17.2℃,无霜期230d左右,年平均降水量1250mm左右。本研究以2009年7月航摄的高分辨率彩红外航空相片为主要信息源,地面分辨率为0.5m×0.5m,在Erdas中进行多项式几何校正,误差控制到1个像元内。土地利用数据根据彩红外影像监督分类并结合人工目视判读和实地调研得到,比例尺1∶2000。高程、坡度、坡向数据由DEM数据提取得到,像元大小为0.5m×0.5m。植被覆盖和生物丰度信息由遥感影像提取得到。土壤数据来源于义乌市土壤普查数据以及实地采样实测数据。其他数据来源于《义乌市综合年鉴2009》、相关部门统计资料和实地调研。2专家根据经验进行赋权目前,指标权重的确定方法主要有主观赋权法和客观赋权法两类。主观赋权法主要依据对各指标的主观重视程度由专家根据经验进行赋权,客观赋权法主要依据指标反映的客观信息来反映其相对重要程度,两者各有其优缺点。为充分利用两种方法的优势,本文将主观赋权法中的层次分析法和客观赋权法中的熵权法组合在一起,形成组合赋权法对评价指标进行赋权。2.1各层次指标权重的确定层次分析法(AHP)是一种定性与定量相结合的分析评价方法。其具体步骤:将决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,首先对各层元素指标两两进行比较,确定其相对重要性,并分级构造判断矩阵,然后计算各判断矩阵的特征向量,得到各评价指标的相对权重。2.2b指标值xj,mn熵权法原理:设有m个待评对象,n项评价指标,形成原始指标数据矩阵X=(xij)m×n,对于某项指标xj,指标值xij的差距越大,该指标提供的信息量越大,其在综合评价中所起的作用越大,相应的信息熵越小,权重越大;反之,指标的权重越小;如果该项指标值全部相等,则该指标在综合评价中不起作用。具体计算步骤如下:(1)指标归一化和逆向指标归一化对原始数据矩阵X=(xij)m×n进行归一化得到矩阵:R=(rij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)对于正向指标而言,归一化公式为:rij=xij-minj{xij}maxj{xij}-minj{xij}(1)rij=xij−minj{xij}maxj{xij}−minj{xij}(1)对于逆向指标而言,归一化公式为:rij=maxj{xij}-xijmaxj{xij}-minj{xij}(2)rij=maxj{xij}−xijmaxj{xij}−minj{xij}(2)(2)计算ci=1,2,第j项指标的熵定义为:hj=-km∑i=1∑i=1mfijlnfij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)(3)其中:fij=rijm∑i=1rij‚k=1lnmrij∑i=1mrij‚k=1lnm,为使lnfij有意义,一般需要假定fij=0时,fijlnfij=0(3)熵常数的定义第j项指标的熵权为:wj=1-hjn-n∑j=1hj1−hjn−∑j=1nhj(j=1,2,…,n)(4)3综合评价生态功能适应性的模型3.1评价因子的筛选本次评价因子的选择以自然属性为主,社会经济因素为辅,按照科学性、主导性、差异性、不相容性、定性与定量相结合的总体原则,参考国内外主要研究成果以及专家意见,结合研究区实际情况以及资料可获取程度,从地形条件、土壤资源、生物资源、水资源、人类干扰5个方面选取评价因子,建立5个准则层次11个要素指标的评价因子体系(表1)。(1)水热组合特征与坡度主要选取高程、坡度、坡向3个地形因子。高程反映热量和水分的分布状况,不同的海拔高度具有不同的水热组合特征,它们对植被的生长、布局都有很大的影响;坡度陡缓直接影响土壤侵蚀和土地利用,地表起伏越大,坡度越陡,土壤侵蚀作用越明显,水土流失越严重,因此,坡度是指示生态系统稳定性或脆弱性的一个重要的鉴定指标;坡向影响着日照时数和土壤水分的再分布,因而对农用地来说是重要的生态指标。(2)土层厚度的影响选取土壤质地、土层厚度、土壤有机质含量3个指标。土壤质地、土层厚度与土地退化、水土流失等密切相关;土层厚度关系到有效水分涵蓄的多少,关系到土壤养分的储量,直接影响根系发育和土地的固着能力;土壤有机质含量的变化预示着土地生态环境的变化。(3)区域生态功能选取植被覆盖度和生物丰富度2个指标。植被覆盖度指一定区域内植被面积的百分比,是水土保持、气候调节等生态功能的综合表现;生物丰富度反映地区内生物的丰贫程度,是反映区域生态环境优劣的重要因素。(4)生态系统的建立水资源是农村生态系统中的重要组成部分。农村地区大小水体星罗棋布,是构成特色景观的重要因素,也是维护农村生态安全和健康的自然生态系统。本研究区域中无大面积的水体、无水源保护区,主要水资源是面积较小的坑塘水面,所以水资源评价主要采用距坑塘水面的距离作为的指标。(5)人类干预人类干扰指标主要反映人类活动对生态资源的干扰程度,其与生态资源的健康程度成反比,本研究采用交通线影响和农村居民点影响作为评价指标。3.2专家预算编制各评价因子的等级划分是在具体分析实际调研数据,参照相关标准,总结前人经验、咨询专家、访问当地科技人员和农户相结合的基础上,进行划分的。根据评价因子对生态功能适宜性影响的大小,分为4个等级,分别赋予值为100、70、50、20(表2)。3.3评价因子的gis分析和处理根据各指标因子GIS分析处理过程的差异,将评价因子分以下几类分别进行处理。(1)dem法检测利用ArcGIS软件,基于岩南村等高线数据,采用不规则三角网法生成TIN数据结构;将其转化成表面模型,进行重采样,由TIN转化成DEM文件;然后利用SpatialAnalyst工具的SurfaceAnalysis模块进行分析,使用slope函数和aspect函数自动化计算,得到坡度图和坡向图。(2)土地利用分类对遥感影像进行预处理后,通过监督分类与人工目视判读和实地调研相结合,解译得到土地利用分类图;将遥感影像红波段和近红外波段经过非线性归一化处理提取归一化植被指数(NDVI),以植被指数图为基础计算生成植被覆盖度图。(3)缓冲分析的方法在现状图的基础上,对居民点、交通线和坑塘水面建立不同等级的缓冲距,分别进行缓冲区分析,依据由内到外强度变小的原则,得到各类压力强度图。3.4评价单元的生成按照同一评价单元内属性的相对一致性,不同评价单元之间既有差异性,又有可比性的总体原则,采用叠置法与栅格法相结合划分评价单元。先用叠置法将岩南村土地利用现状图、坡度图以及居民点、交通线、坑塘水面的缓冲区分析图等矢量图层叠加产生新的要素层,生成初步评价单元,并与属性相关联,产生新的属性数据库。考虑到获取的遥感影像的分辨率为0.5m×0.5m,之后按0.5m×0.5m网格进行矢栅转换,使值赋予到每一个栅格单元中,形成最终的5240000个栅格评价单元。3.5岩南生态功能分区评价指标权重根据层次分析法和熵权法确定各项指标权重,采用线性加权法计算组合权重,并且认为主观赋权法和客观赋权法的重要性一致,即取两种赋权结果的平均值,作为岩南村生态功能适宜性评价指标体系中的各指标权重(表2)。3.6计算模式及权重采用多级加权求和的方法,建立岩南村生态功能适宜性评价模型。将标准化处理后的每个专题空间数据进行空间加权叠加,利用ArcGIS中的栅格计算器工具计算每个栅格的生态功能适宜性综合指数。加权求和的生态功能适宜性综合指数用下式计算:Ei=n∑k=1wkYk式中:Ei为第i个栅格单元的生态功能适宜性综合指数值;wk为该评价单元第k个指标的权重;Yk是该指标的量化值。4岩东南角生态功能适宜性评价基于上述评价因子和生态功能适宜性评价模型,对岩南村进行生态功能适宜性评价,生态功能适宜性综合指数统计图见图1,可看出,岩南村生态功能适宜性评价综合指数分布范围从29.683到84.121,平均值为62.568,说明岩南村生态功能适宜性整体水平较好。为便于岩南村生态功能适宜水平的比较,对岩南村进行生态功能适宜性等级划分。根据各适宜等级与岩南村实际土地利用类型、生态环境状况之间的对应程度,经过反复试验,确定各适宜等级的临界值,将岩南村划分为4个生态功能适宜性等级区:高度适宜区、中度适宜区、一般适宜区、基本适宜区。生态功能适宜性评价等级划分及岩南村生态功能适宜性评价结果见表3,评价分区图见图2。由图2,岩南村生态功能高度适宜区,主要分布于岩南村北部以及东南部山体的林地区,该区域海拔相对较高,受人类干扰较少,以自然生态系统为主,植被覆盖程度好,生物多样性丰富,是维护岩南村生态系统服务功能的重要景观骨架,适宜水平最高;生态功能中度适宜区,主要分布在岩南村的中北部及南部的山坡地,地类以疏林地和草地为主,地势相对于高度适宜区次之,是生物多样性保护的重要生态缓冲带,适宜水平较高;生态功能一般适宜区,主要分布在岩南村中南部地势较为平坦的区域,以农田生态系统为主,该区域人为作用较强,生态自我调节能力弱,相对稳定性较差,适宜性处于一般水平;生态功能基本适宜区,主要集中在现状已建设区域,主要土地利用类型为居民点和道路用地。该区生态系统较为简单,生物多样性较低,适宜度水平最低。5岩东南角土地利用规划的生态保护与生态治理根据岩南村生态功能适宜性评价结果,不同等级的生态功能适宜区具有不同的生态与环境特点,因此,在岩南村土地利用规划过程中,各区域的土地利用方式和开发利用强度应有所区别,生态保护和生态建设的措施也不尽相同。基于生态功能适宜性级别越高,生态服务功能越强,对其开发利用的限制条件也就越多的土地利用原则,提出各生态功能适宜类型区的管制措施和土地利用建议,为岩南村土地利用规划提供指导。(1)生态服务功能土地类型主要以生态状况维持较好的有林地为主,植被覆盖程度好,具有涵养水源、水土保持、维持生物多样性、调节气候等生态服务功能。该区不仅为整个岩南村的生态系统提供了丰富的自然资源,而且对维持人类生存与发展起着极其重要的作用。因此,在岩南村土地利用规划中,可将该区作为生态保护用地,生态建设方向应以生态保育为重点,加强生物多样性的建设与保护,禁止任何开发建设活动。(2)德胜岩保护区农村基层生态旅游开发模式土地类型主要是疏林地和草地,是生物多样性保护的重要生态缓冲区。基于岩南村拥有得天独厚的德胜岩风景区旅游资源,以及现有的农家乐旅游基础,可以在该区域发展以农家乐为主的乡村生态旅游。但应严禁乱垦滥伐等有损生态与环境的活动,限制干扰强度大的开发建设活动,并且注意加强生态风险的防范,加强现有植被的保育,对已遭破坏的植被进行及时有效的恢复或重建。(3)生态基本农田的保护以农田生态系统为主,在岩南村土地利用规划中,该区应作为耕地保护区,执行严格的耕地保护政策,特别是基本农田的保护,在稳定粮食、蔬菜等基本农产品种植面积的前提下,合理调整农业内部结构和布局,形成对环境破坏小、附加值大的绿色产业,同时基础设施的布局也应做到有利于生态环境和基本农田保护。(4)居住建设开发区的保护和建设主要集中在现状已建设区域,土地类型以农村居民点和道路用地为主,将来可作为农村的居住建设开发区。该区的保护和建设必须合理控制人口发展规模,提高新建住宅的整体水平。在规划的过程中,应充分利用岩南村自身拥有的景观特色,科学引导环境绿化建设,增加绿地的物种多样性,改善居住区环境,推进生态及景观住宅战略的实现。6应用新方法的土地利用规划评价在村级土地利用规划过程