■ 何 瀟/段建南/楊 威

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128）

土地生態(tài)功能的分類方法研究

■ 何 瀟/段建南/楊 威

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128）

為提高土地生態(tài)功能分類的科學(xué)性和探索新的土地生態(tài)功能分類方法，以及為土地分類研究提供理論支撐，運用德爾菲法獲取土地生態(tài)功能評分，通過設(shè)置作用對象、作用方式以及所影響的對象等三方面的特征因子，建立土地生態(tài)功能評分表，采用聚類分析法進行客觀分類。研究發(fā)現(xiàn)：在譜系聚類方法中采用半偏R2統(tǒng)計量、偽F統(tǒng)計量和偽t2統(tǒng)計量進行最佳聚類數(shù)分析效果好于R2統(tǒng)計量；在K均值聚類方法中采用偽F統(tǒng)計量作為聚類數(shù)的分析效果比R2統(tǒng)計量更顯著；采用譜系聚類的最終分類結(jié)果好于K均值聚類。

土地利用；生態(tài)功能；聚類分析；譜系聚類；K均值聚類

0 引言

土地功能分類最早始于1988年，Blum.W.E對土壤功能進行分類，其將土壤的功能分為農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)、生物基因庫、原材料來源等6個方面。1999年以來，人們開始根據(jù)不同的分類目的以及不同地區(qū)情況差異將土地生態(tài)功能劃分為不同的類型。但是目前的土地研究中，并沒有形成統(tǒng)一的土地生態(tài)功能分類系統(tǒng)，只有部分基于某類或某幾類的土地生態(tài)功能分區(qū)研究。苗李莉等以北京濕地為例，利用主成分分析法對濕地生態(tài)服務(wù)功能進行綜合評價，通過利用牛頓—斷裂點模型確定屬性權(quán)重的主要步驟，并結(jié)合空間分析中的Voronoi圖空間分區(qū)方法，構(gòu)建基于加權(quán)Voronoi圖的城市濕地功能分區(qū)模型。定量化的北京濕地功能分區(qū)研究，將研究區(qū)分為4個一級核心濕地功能區(qū)、15個二級核心濕地功能區(qū)、43個三級核心濕地單元。王儉等以水生態(tài)功能為目標(biāo)，根據(jù)水系完整性原則、行政管理隔離原則、清潔邊界原則、水體類型隔離原則、便于管理易于實施等原則，將遼河流域劃分為5個一級控制單元、56個二級控制單元、245個三級控制單元。劉玉等采用權(quán)重法，使用3項功能的增長勢作為指示指標(biāo) ，利用Matlab軟件的SOFM程序進行環(huán)渤海地區(qū)鄉(xiāng)村地域功能分區(qū)，通過修正最終劃分為經(jīng)濟發(fā)展、糧食生產(chǎn)、生態(tài)保育三個主導(dǎo)功能，并細(xì)化為13個亞級功能。

雖然現(xiàn)在對土地生態(tài)功能分類的研究較多，但是多是單一目標(biāo)的功能評價或價值估算，或者是根據(jù)經(jīng)驗對土地生態(tài)功能進行分類，并沒有對土地生態(tài)功能的分類方法進行研究，也沒有形成一個系統(tǒng)的可參比的土地功能分類體系。本研究采取譜系聚類與K均值聚類的方法進行聚類分析，通過計算R2統(tǒng)計量、偽F統(tǒng)計量、半偏R2統(tǒng)計量以及偽t2統(tǒng)計量等反映類內(nèi)一致性和類間差異性指標(biāo)，判斷聚類有效性，得出分類效果較好的聚類條目，再將具體分類結(jié)果相互比較分析，以期獲得較好的土地生態(tài)功能聚類分類方法。

1 土地生態(tài)功能類型及特征因子設(shè)定

土地生態(tài)功能種類較多，本文參照Costanza（1999）和劉沛等（2010）的研究結(jié)果，將土地的生態(tài)功能劃分為水蓄積等18項功能（表1）。在此基礎(chǔ)之上，有大氣、水體、土壤、生物、地面非生物等5種作用對象，物理調(diào)節(jié)、化學(xué)調(diào)節(jié)、生物調(diào)節(jié)等3種調(diào)節(jié)方式，大氣、水體、土壤、生物、地面非生物等5種直接影響對象，設(shè)置3大類共13項特征因子（表1）。并根據(jù)各項土地生態(tài)功能自身的性質(zhì)，以及各項特征因子的定義，采用德爾菲法對各項土地生態(tài)功能進行評定：0即否，表示該功能不具有該項特征；1即是，表示該功能具有該項特征。

表1 土地生態(tài)功能評分表

2 土地生態(tài)功能聚類結(jié)果與分析

2.1 聚類方法介紹

2.1.1 譜系聚類法

視n個樣本各自成為一類，然后計算類間距離，選擇距離最小的一對合并成一個新類，計算在新的類別劃分下各類之間的距離，再將距離最近兩類合并，直至所有樣本聚成一類為止。根據(jù)類間距離計算方法的不同，有多種不同的聚類方法。本文采取Ward最小方差法。

Ward最小方差法：

當(dāng)觀測間距離為d(X，Y)=‖X-Y‖2/2時遞推公式為：

2.1.2 K均值聚類算法

基本思想是迭代更新，首先隨機選擇K個對象作為簇的中心，對剩下的每個對象按照其與各簇中心的距離重新賦給離它們最近的簇，然后重新計算每個簇的中心并將它作為下次迭代的聚類中心。不間斷地重復(fù)這個過程，直至各聚類中心不再發(fā)生變化時終止。迭代使選取的聚類中心非常接近真實的簇中心，因而聚類效果變得更好，最后將所有對象分成K個簇。

2.2 聚類分析結(jié)果及最佳聚類數(shù)分析

由于聚類分析本身無法自動確定最佳聚類數(shù)，所以根據(jù)待分類的18項土地生態(tài)功能本身的特性，大致確定聚類數(shù)在4～9項之間比較合理，在此范圍內(nèi)進行譜系聚類和K均值聚類。選取聚類分析中經(jīng)常運用到的半偏R2、R2、偽F和偽t2等四個統(tǒng)計量對譜系聚類結(jié)果進行最佳聚類數(shù)分析（圖1、圖2、圖3、圖4）。由于K均值的聚類過程并不是簡單的合并分組，所以無法計算半偏R2和偽t2統(tǒng)計量，所以只選取R2和偽F統(tǒng)計量對K均值聚類結(jié)果進行最佳聚類數(shù)分析（圖5、圖6）。

對譜系聚類結(jié)果進行半偏R2、R2、偽F和偽t2等四個統(tǒng)計量分析，由圖1可以看出半偏R2統(tǒng)計量的值在4類合并成3類的時候變化較大，從0.13左右降到0.08左右，降幅接近40%，根據(jù)該統(tǒng)計量的定義，說明不應(yīng)該由4類合并為3類，故選取4類作為該統(tǒng)計量的最佳分類數(shù)。由圖2可以看出R2統(tǒng)計量的值變化十分平滑，沒有出現(xiàn)從N+1類合并為N類時的突然變化，故從該統(tǒng)計量中無法獲取最佳分類數(shù)。由圖3可以看出偽F統(tǒng)計量在分成4類時為其局部最大值，說明在分成4類時的類內(nèi)距離較小并且類間距離較大，故選取4類作為該統(tǒng)計量的最佳分類數(shù)。由圖4可以看出有兩個局部最大值，分別在6類合并成為5類和8類合并成為7類時，而偽t2統(tǒng)計量是分析N+1類合并成為N類效果的指標(biāo)，所以說明不應(yīng)該有6類合并成5類也不應(yīng)該由8類合并成7類，故選取6類和8類作為該統(tǒng)計量的最佳分類數(shù)。

圖1 半偏R2統(tǒng)計量（譜系聚類結(jié)果）

圖2 R2統(tǒng)計量（譜系聚類結(jié)果）

圖3 偽F統(tǒng)計量（譜系聚類結(jié)果）

圖4 偽t2統(tǒng)計量（譜系聚類結(jié)果）

圖5 R2統(tǒng)計量（K均值聚類結(jié)果）

圖6 偽F統(tǒng)計量（K均值聚類結(jié)果）

對K均值聚類結(jié)果進行R2和偽F統(tǒng)計量分析，由圖5可以看出，分成5類時，R2統(tǒng)計量變化較大，由0.41增長到0.54，增幅達(dá)到31%，說明應(yīng)選取5類作為該統(tǒng)計量的最佳分類數(shù)。由圖6可以看出，分成5類時為局部最大值，說明在分成5類時的類內(nèi)距離較小并且類間距離較大，故選取5類作為該統(tǒng)計量的最佳分類數(shù)。

2.3 聚類分析結(jié)果比較

整理可得以下三種譜系聚類結(jié)果和一種K均值聚類結(jié)果（表2）。

表2 聚類結(jié)果比較

對比可以發(fā)現(xiàn)，K均值聚類聚成5類的實際效果很不理想，首先排除。再從譜系聚類的三個結(jié)果中觀察：

從細(xì)節(jié)上看，可以發(fā)現(xiàn)有兩組功能的分類結(jié)果是統(tǒng)一的：都把水蓄積功能、水調(diào)節(jié)功能和水供應(yīng)功能分成了一類，把基因資源功能和生物干擾調(diào)節(jié)功能分成了一類。還有一組功能：調(diào)節(jié)大氣功能、調(diào)節(jié)氣候功能、土壤持節(jié)養(yǎng)分功能和非生物干擾調(diào)節(jié)功能的劃分基本一致，只有在分成8類時，將調(diào)節(jié)大氣功能單獨分成了一類。剩下的9類功能在聚成4類時整體分成了一類，而在聚成6類和8類時都將凈化空氣質(zhì)量功能和凈化水體功能分成一類，將凈化土壤功能、土壤形成功能和水土保持功能分成一類。聚成6類時將固體廢棄物處理功能、棲息地功能、生物調(diào)節(jié)功能和生物持節(jié)養(yǎng)分功能分成了一類，而聚成8類時將固體廢棄物處理功能單獨分成了一類，將棲息地功能、生物調(diào)節(jié)功能和生物持節(jié)養(yǎng)分功能分成了一類。

從整體上看，聚成8類僅僅在聚成6類的基礎(chǔ)上，將調(diào)節(jié)大氣功能和固體廢棄物處理功能分別單獨提出來作為一類，對比聚成6類時將這兩項功能分別與調(diào)節(jié)氣候功能、土壤持節(jié)養(yǎng)分功能、非生物干擾調(diào)節(jié)功能和棲息地功能、生物調(diào)節(jié)功能、生物持節(jié)養(yǎng)分功能分成一類，顯然聚成6類時效果比較好。聚成4類時將過多項功能分成了一類（9類），從功能的實際區(qū)別來看，效果也不如聚成6類時的結(jié)果。所以綜合來看，采用譜系聚類聚成6類時的效果最佳。

3 結(jié)論與展望

（1）研究結(jié)果表明，在土地生態(tài)功能的分類研究中，采取譜系聚類方法實際效果好于K均值聚類方法，在譜系聚類方法中采用半偏R2、偽F統(tǒng)計量和偽t2統(tǒng)計量進行最佳聚類數(shù)分析效果好于R2統(tǒng)計量，在K均值聚類方法中采用偽F統(tǒng)計量和R2統(tǒng)計量進行分析都可以獲得最佳聚類數(shù)，其中偽F統(tǒng)計量的分析效果比R2統(tǒng)計量更顯著。

（2）由于聚類分析本身無法判斷最佳聚類數(shù)，采用不同統(tǒng)計量可以獲得不同的最佳聚類數(shù)，必須根據(jù)實際分類情況進行分析，才能篩選出最佳結(jié)果。

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Research on Classifcation Methods of Land Ecological Functions

HE Xiao, DUAN Jiannan, YANG Wei
(College of Resources & Environment, Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128, China)

In order to improve land ecological functions classification, explore newclassification methods andprovidetheoretical support, the paper uses the Delphi method to obtain land ecological function score, establishes land ecological function score sheet by setting characteristic factors of acted objects, action mode and effected objects, and carries out the objective classifcation of land ecological functions by cluster analysis. The study fnds the analysis effect of the optimal cluster number using semi partial R2 statistic, pseudo-F statistic and pseudo-t2 statisticis better than that using R2 statistic in hierarchical clustering methods. The cluster number analysis effect using Pseudo-Fstatistic is better than that using R2 statisticin K-means clustering method. The classifcation result by hierarchical clustering is better than that by K-means clustering.

land use; ecological function; cluster analysis; hierarchical clustering; K-means clustering

F301.2；F062.2

A

1672-6995（2016）01-0064-05

土 地 生 態(tài)

——摘編自搜狗百科

2015-11-16；

2015-12-07

國家自然科學(xué)基金項目《土地利用功能的系統(tǒng)分類》(41171176)

何瀟（1988-），男，湖南省婁底市人，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院碩士研究生，研究方向：土地功能分類。

土地生態(tài)是以陸地土壤、地形、水文和大氣為環(huán)境介質(zhì)和一定相應(yīng)的生物群落組成一個緊密實體的生態(tài)系統(tǒng)，也稱陸地生態(tài)系統(tǒng)。作為生態(tài)系統(tǒng)的特征之一，它是指生物群落與生物環(huán)境兩者的有機結(jié)合。土地生態(tài)的生物環(huán)境則是代表土地的氣候、地形、表層地質(zhì)、水文、土壤等無機物質(zhì)的總體，它們和土地利用與土地覆蓋的劃分基本一致，受人類活動因素影響較大。所有這些不僅僅引起地球表面的土地生態(tài)系統(tǒng)退化，而日益引起全球性的氣候變異，進而影響全球性的陸地生態(tài)系統(tǒng)的退化和區(qū)域性變異等，這正是土地生態(tài)系統(tǒng)宏觀研究的全球性問題。