官尚碧, 劉智華, 馬澤忠, 張海珍, 何錦峰, 孫 欣

(1.重慶交通大學河海學院, 重慶 400074；2. 重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院，重慶 400020)

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基于國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星的土地生態(tài)安全評價

官尚碧1, 劉智華2, 馬澤忠2, 張海珍2, 何錦峰1, 孫 欣1

(1.重慶交通大學河海學院, 重慶 400074；2. 重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院，重慶 400020)

構(gòu)建了忠縣土地生態(tài)安全的層次分析模型及評價指標體系；根據(jù)國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)、DEM、行政區(qū)劃、社會經(jīng)濟統(tǒng)計等多源數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺建設(shè)土地生態(tài)安全評價數(shù)據(jù)庫，利用國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星影像提取土地利用信息，利用DEM提取地形信息，并將社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)與行政區(qū)劃數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；然后采用ArcGIS空間分析模型，通過圖形疊加分析，經(jīng)數(shù)據(jù)融合、數(shù)值計算與統(tǒng)計，得到分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各評價指標特征值，再經(jīng)極值法標準化處理，運用指標權(quán)重計算忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)評價得分；最后按土地生態(tài)安全等級劃分標準，確定土地生態(tài)安全等級。

環(huán)境一號衛(wèi)星；土地生態(tài)安全；層次分析法；忠縣

土地資源為人類提供生產(chǎn)資料，也作為生產(chǎn)生活的空間載體，是人類社會最重要的自然資源類型之一[1]。隨著全球人口快速增長和工業(yè)化、城市化的迅速步伐，面臨耕地被建設(shè)用地占用、人均耕地減少、水土流失加劇、土壤污染等土地生態(tài)問題，并日益引起重視[2]。研究其評價指標體系及評價方法，開展相關(guān)指標監(jiān)測，進行土地生態(tài)安全評價，探討保障策略，成為土地利用研究、生態(tài)安全研究的熱點[3]。

遙感數(shù)據(jù)因其更新周期短、覆蓋范圍大、波譜范圍廣、分辨率漸高等特點，在土地生態(tài)評價指標的信息獲取方面取得廣泛應(yīng)用。目前多采用Landsat、SPOT、QuickBIRD、NOAA、Radar SAR等國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)。近年來，國產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)展迅速，天繪一號、資源一號、資源二號、資源三號、北京一號、環(huán)境一號、海洋一號等國產(chǎn)衛(wèi)星在測繪、資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[4]。

筆者以重慶市忠縣為例，基于3S技術(shù)，應(yīng)用國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合DEM、行政區(qū)劃、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，開展縣域土地生態(tài)安全評估研究，為完善土地生態(tài)安全評價方法提供參考。

1 研究區(qū)概況

忠縣位于重慶市中部，三峽庫區(qū)腹心地帶，地理位置為107°3′～ 108°14′E、30°03′～ 30°35′N。東西寬約66.45 km，南北長60.15 km。東鄰萬州、南靠石柱，西連豐都，北接梁平、墊江等縣。幅員面積2 184 km2,轄28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、46個居委會、319個村。地貌屬川東褶皺帶平行嶺谷區(qū)，是典型的丘陵地區(qū)，地形起伏，地貌以山地、丘陵為主，海拔117～1 680 m。氣候為暖濕亞熱帶東南季風氣候，縣內(nèi)河流屬長江水系，雨量充沛，河道縱橫。長江從西南向東北穿過縣境，河段長88 km。

忠縣人口稠密，土地墾殖率較高，人地矛盾較突出；喀斯特地貌分布廣泛，土薄地瘠，土地后備資源缺乏，土地生態(tài)安全問題較突出。特別是隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程加快，三峽工程蓄水引起的土地淹沒以及移民后靠，土地資源更加短缺，原本就較為緊張的人地關(guān)系更為敏感。對土地生態(tài)安全進行監(jiān)測和評價，可及時掌握土地利用程度、狀況、土地質(zhì)量等，為土地利用調(diào)控及規(guī)劃政策制定提供參考[5]。

2 數(shù)據(jù)與工作平臺

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 忠縣政區(qū)數(shù)據(jù)、1∶1萬DEM、《忠縣統(tǒng)計年鑒2011》、2010年忠縣國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2.2 軟硬件平臺 硬件：PC計算機，中海達Qmini；軟件：ArcGIS 10.0，ErDAS Imagine 8.4。

3 土地生態(tài)安全評價

3.1 評價指標與評價模型 在借鑒國內(nèi)外評價指標的基礎(chǔ)上，結(jié)合忠縣土地利用現(xiàn)狀和特征，根據(jù)合理性、可操作性、系統(tǒng)性和可比性原則，選取評價指標，并構(gòu)建層次分析模型(表1)[6～8]。

根據(jù)評價指標對土地生態(tài)安全的影響趨勢，指標分為正安全趨向指標(+)和負安全趨向指標(-)。正安全趨向指標大，土地資源的生態(tài)安全狀況越好，或維護和改善土地資源生態(tài)安全能力越強；負安全趨向指標越大，表明土地生態(tài)狀況越差，或土地的壓力越大。

3.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè) 忠縣土地生態(tài)安全監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫為土地生態(tài)安全評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括土地利用監(jiān)測、地形坡度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，技術(shù)路線見圖1。具體包括：

表1 土地生態(tài)安全評價指標體系

(1)將DEM、環(huán)境一號衛(wèi)星影像、行政區(qū)數(shù)據(jù)通過正射糾正配準，平地、丘陵地相對誤差限差控制在2.0倍像元，山地、高山地限差控制在4.0倍像元[9]；配準后的影像鑲嵌裁切后得到忠縣DOM數(shù)據(jù)；然后采用中國科學院“國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查、動態(tài)分析與遙感技術(shù)前沿的研究”項目成果，將土地利用劃分為6大類，26個一級類型，建立土地利用解譯標志，進行土地信息提取與編輯，結(jié)合外業(yè)調(diào)查，對土地利用數(shù)據(jù)矢量圖進行修改及完善，通過分類精度、面積精度評價后得到土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)(圖2)。

(2)將DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS空間分析模塊Spatial Analysis中提取坡度信息，得到坡度柵格數(shù)據(jù)，再利用Reclassify重分類成小于2°、2°～5°、5°～10°、10°～25°、大于25°等5種類型(圖3)。

圖1 重慶市忠縣土地利用宏觀監(jiān)測總體技術(shù)流程

圖2 2010年忠縣土地利用現(xiàn)狀

圖3 忠縣坡度分布

(3)政區(qū)劃圖層中，新建屬性數(shù)據(jù)表，添加鎮(zhèn)(鄉(xiāng))名稱、總?cè)丝凇⒆匀辉鲩L人口、常駐人口、鎮(zhèn)區(qū)常住人口、GDP等字段，確定各字段的代碼、類型、長度、小數(shù)位數(shù)。再將從統(tǒng)計年鑒中獲取的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)加入到屬性數(shù)據(jù)表中[10]。

3.3 生態(tài)安全評價

3.3.1 評價指標特征值獲取。利用忠縣土地生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人均GDP，經(jīng)濟密度，坡度大于25°耕地占耕地比重，林地、草地、水域面積比重，耕地面積比重，人均耕地面積，人口自然增長率，城鎮(zhèn)化率，人口密度共9個評價指標的實際值。

3.3.2 數(shù)據(jù)值標準化。采用極值法對各個指標層數(shù)據(jù)進行標準化處理，以消除量綱對評價結(jié)果的影響。當評價指標為正安全趨向指標時，指標的標準化處理公式為：

(1)

當評價指標為負安全趨向指標時，指標的標準化處理公式為：

(2)

式中,di為標準化后某評價因素指標的值；xi為標準化處理前某因素指標的值；xmin為標準化處理前因素指標的最小值；xmax為標準化處理前因素指標的最大值。

3.3.3 權(quán)重設(shè)置。根據(jù)專家意見構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣元素的值反應(yīng)了專家對個因素相對重要性的認識。矩陣中標度值依據(jù)“1-9”比較標度法得到：

(3)

式中，aij=1/aji(i,j=1,2,…,n);aij=1(i=j)。

因此，A矩陣具有正值、互反性、基本一致性。

用和積法計算各個層次判斷矩陣的最大特征根λmax及其相應(yīng)的特征向量V,并用隨機一致性指標CR=CI/RI進行一致性檢驗，得到各指標的權(quán)重結(jié)果(表3)。

表3 因子層各指標權(quán)重

3.3.4 綜合評價與分級。忠縣土地生態(tài)安全指標綜合值數(shù)學模型為:

(4)

式中,T為土地生態(tài)安全評價值；i為指標項數(shù)；Pi為各指標安全指數(shù)；Wi為各指標權(quán)重。

根據(jù)式(4)計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)綜合評價值，對綜合評價值進行分級，分別為惡劣級(S≤0.3)、風險級(0.30.6)共5個級別，其對應(yīng)的土地生態(tài)安全狀況分別為生態(tài)環(huán)境問題很大并經(jīng)常演變成生態(tài)災害、生態(tài)問題較大且生態(tài)災害較多、生態(tài)災害時有發(fā)生、生態(tài)災害不大、生態(tài)問題不顯著。

3.4 忠縣土地生態(tài)安全評價結(jié)果 根據(jù)各評價因子單因子得分對各因子得分求和，計算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全綜合評價值，然后根據(jù)土地生態(tài)安全分級標準，對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全進行分類，統(tǒng)計和計算不同土地生態(tài)安全等級的分布特征及面積比例(表5)。具體各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全等級分布見圖4。

表5 忠縣各土地生態(tài)安全等級的分布特征及面積比例

圖4 忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全等級

4 結(jié)論

(1)國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星影像在土地資源調(diào)查與土地利用監(jiān)測上具有較為廣闊的應(yīng)用前景；該研究構(gòu)建的土地生態(tài)安全評價指標體系和評價模型，充分考慮了指標的綜合性及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，在忠縣乃至三峽庫區(qū)具有一定適用性。

(2)該研究著重基于國產(chǎn)環(huán)境一號衛(wèi)星的土地信息提取、土地生態(tài)安全評價指標與模型構(gòu)建、土地生態(tài)安全評價數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等技術(shù)研究，考慮到各種收集數(shù)據(jù)的時間一致，采用了2010年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時效性上相對滯后。以后的研究中將充分考慮數(shù)據(jù)的時效性。

(3)評價指標及權(quán)重方面，對于地形地貌、生態(tài)環(huán)境等指標考慮不足，需在以后的研究中完善指標體系；權(quán)重方面，采用指標標度法確定因子權(quán)重，存在一定的主觀性，在以后的研究中將運用其他方法進行對比研究。

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[5] 馬澤忠.三峽庫區(qū)忠縣區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對土地利用/覆被變化的響應(yīng)[C]//劉彥隨.中國土地資源可持續(xù)利用與新農(nóng)村建設(shè).重慶：西南師范大學出版社，2008.

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[10] 忠縣統(tǒng)計局.忠縣統(tǒng)計年鑒2011[M].忠縣統(tǒng)計局，2011.

Evaluation on Land Ecological Safety Based on HJ-1 Satellite

GUAN Shang-bi1, LIU Zhi-hua2, MA Ze-zhong2et al

(1. School of River and Ocean, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074; 2. Chongqing Land Natural Resources and Building Surveying, Chongqing 400020)

An AHP model and evaluation index system of land ecological safety in Zhongxian County was constructed; According to HJ-1 satellite data, DEM, administrative division and socioeconomic statistics, the land ecological safety evaluation database based on ArcGIS platform was constructed, including using HJ-1 satellite image to extract land use information, adopting DEM to extract terrain information, combined socioeconomic statistics data with administrative division data and so on; then using ArcGIS spatial analysis model, through graphic overlay analysis, data fusion, numerical calculation and statistics, the characteristics of each index value was obtained, after standardization process with extremum method, using index weight to calculate land ecological evaluation score of each township in Zhongxian County, finally, land ecological safety grade was determined according to classifying standard.

HJ-1 satellite; Land ecological security; Aanalytic Hierarchy Process; Zhongxian County

重慶市國土資源和房屋管理局項目“重慶市基于國產(chǎn)衛(wèi)星土地利用宏觀監(jiān)測應(yīng)用示范工程”。

官尚碧(1984- )，女，四川鹽邊人，碩士，從事地理信息系統(tǒng)與遙感技術(shù)應(yīng)用、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地規(guī)劃與管理研究。

2015-05-12

S 127

A

0517-6611(2015)17-357-03