(1.成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610059)

城市生態(tài)環(huán)境問題已然成為社會發(fā)展的限制性因素，而對于城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)不僅可以幫助公眾了解自身生活環(huán)境的狀況，也能為城市規(guī)劃的設(shè)計(jì)者及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、治理人員提供幫助，因此如何準(zhǔn)確、有效地對城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)顯得尤為重要[1-2]。

目前，國內(nèi)外有許多針對城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)的研究，并取得較大的進(jìn)步，研究策略也開始從單一因素模型向多因素的模型評價(jià)模式轉(zhuǎn)變，并且逐漸從定性向定量過渡[2-5]。

雖然國內(nèi)已經(jīng)建立了許多城市環(huán)境評價(jià)體系，但是這些體系大都為某單一模型設(shè)計(jì)，其區(qū)域擴(kuò)展性較差，并且需要評價(jià)人員進(jìn)行大量繁雜的計(jì)算。因此，本文從多模型多指標(biāo)的角度出發(fā)，建立了一套通用的城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)體系，并以GIS空間分析和可視化技術(shù)對評價(jià)模型的結(jié)果進(jìn)行顯示與分析，以此來解決體系擴(kuò)展性較差的問題。而針對評價(jià)體系復(fù)雜多變，計(jì)算繁雜的問題，本文利用ArcGIS Engine二次開發(fā)出了一個(gè)評估系統(tǒng)，以提高人員的操作性和評價(jià)的準(zhǔn)確率。

1 城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)體系的構(gòu)建

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文選取天府新區(qū)成都直管區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)下轄有15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道，常住人口54.19萬人，氣候春夏日照足，秋冬云霧多，四季分明。該區(qū)地處成都平原南部邊緣地帶，所處大地構(gòu)造位置為新華夏系四川沉降帶成都斷陷的東南邊緣地帶，其地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為褶皺與斷裂。

遙感影像數(shù)據(jù)采用高分2號影像，過境時(shí)間段為2016年6月；在室內(nèi)遙感解譯之后，研究團(tuán)隊(duì)分別于2017年7～9月及2018年8月對研究區(qū)域進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證考察；并結(jié)合《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒——2018》的數(shù)據(jù)整理出城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)所需數(shù)據(jù)種類，主要包括以下4種：① 行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；② 地形地貌、道路、地質(zhì)災(zāi)害等城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)因子指標(biāo)數(shù)據(jù)；③ 生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)量化分級數(shù)據(jù)；④ 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)據(jù)。其中①、②為城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)所需的矢量柵格數(shù)據(jù)，由于空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，本文采用ArcGIS的Personal Geodatabase管理空間數(shù)據(jù)集；③為評價(jià)指標(biāo)量化分級提供數(shù)據(jù)支撐，有唯一賦值和區(qū)間賦值兩種。

1.2 評價(jià)指標(biāo)確定

由于城市生態(tài)環(huán)境影響指標(biāo)眾多，且各影響因素重要程度各不相同，因此要想建立一個(gè)包含完整影響因素的評價(jià)模型是不現(xiàn)實(shí)的。本文在兩次野外實(shí)際考察驗(yàn)證，以及充分考慮城市生態(tài)環(huán)境復(fù)雜性和多樣性基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6-9]和征詢專家意見，制定了適合于城市生態(tài)環(huán)境的評價(jià)的體系。

該評價(jià)體系一共分為3層，第1層為目標(biāo)層，第2層為要素層，第3層為指標(biāo)層。其中要素層又分為：自然要素層、社會要素層和生態(tài)環(huán)境層。自然要素層主要包括：植被覆蓋程度、地形地貌、水系、坡度、斷層、海拔、降水量、日照時(shí)間共8種自然環(huán)境指標(biāo)因子。社會要素層包括：公路交通、土地利用類型、居民點(diǎn)分布、軌道交通、地區(qū)GDP共5種社會環(huán)境指標(biāo)因子。生態(tài)要素層包括：地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、土壤重金屬污染、水體重金屬污染、噪聲污染、空氣污染共5種生態(tài)環(huán)境指標(biāo)因子，見表1。

表1 城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Urban ecological environment assessment index system

通過分析、比較將目標(biāo)地區(qū)實(shí)際存在的影響環(huán)境因子作為評價(jià)指標(biāo)，并以此來建立適合目標(biāo)區(qū)域的評價(jià)體系。本文針對研究區(qū)實(shí)際情況，選?。旱匦蔚孛?N1)、河流(N2)、坡度(N3)、斷層(N4)、海拔(N5)，國道(S1)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路(S2)、高速(S3)、地鐵(S4)、鐵路(S5)、居民地分布(S6)，土地利用類型(E1)、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(E2)、土壤重金屬污染(E3)、水體重金屬污染(E4)共15個(gè)指標(biāo)作為評價(jià)因子，并對15個(gè)評價(jià)指標(biāo)按評價(jià)標(biāo)度賦值，見表2。

1.3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重可以在多屬性評價(jià)中反映各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對同一評價(jià)單元的相對重要程度，并直接影響評價(jià)結(jié)果的可信度。目前，權(quán)重確定的方法分為主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)兩類。主觀賦權(quán)主要有：層次分析法、最小平方法、專家打分法等，該類方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮到人為主觀因素根據(jù)實(shí)際問題進(jìn)行排序，但未考慮到指標(biāo)數(shù)據(jù)本身的依賴關(guān)系；客觀賦權(quán)主要有：變異系數(shù)法、熵值法、主成分分析法等，該類方法的優(yōu)點(diǎn)是可以避免人為主觀因素，但是未考慮評價(jià)指標(biāo)之間的相對重要性[10-12]。

為了準(zhǔn)確地刻畫評價(jià)單元的重要程度，本文根據(jù)兩類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，擬采用主客觀綜合賦權(quán)法來最大程度地優(yōu)化權(quán)重取值。并通過查閱文獻(xiàn)和多次實(shí)驗(yàn)，最終采用層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重，變異系數(shù)法計(jì)算客觀權(quán)重，再通過組合賦權(quán)法得到可信度較高的權(quán)重分配。

1.3.1基于層次分析法的權(quán)重賦值

層次分析法是一種將復(fù)雜目標(biāo)分解為多層次、多指標(biāo)的主流權(quán)重計(jì)算方法。它的核心是通過把目標(biāo)問題分解為相關(guān)聯(lián)的元素，各關(guān)聯(lián)元素再通過屬性及關(guān)系形成若干層次，上一層元素作為準(zhǔn)則對下一層次有決定作用，這些層次分為3層：目標(biāo)層、中間層、決策層[13]。層次分析方法最關(guān)鍵部分是根據(jù)判斷矩陣計(jì)算中間層各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，從而在最終方案中衡量評價(jià)指標(biāo)對環(huán)境的影響程度，計(jì)算權(quán)重的主要步驟如下。

(1) 計(jì)算各個(gè)指標(biāo)因子的權(quán)重

(1)

(2) 計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax及對判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

表2 天府新區(qū)成都直管區(qū)指標(biāo)標(biāo)度等級Tab.2 Indicator scale of Chengdu direct management area of Tianfu new District

(2)

(3)

(4)

由于人們對客觀事物的認(rèn)知有限，在選取評價(jià)指標(biāo)的相對重要性會存在偏差，因此一般會借用式(3)式和(4)對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若C.R<0.1，則判斷矩陣滿足要求，否則需反復(fù)調(diào)整判斷矩陣直至滿足要求為止。計(jì)算得出的研究區(qū)評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重值見表3。

表3 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值Tab.3 Evaluation index weight assignment table

1.3.2基于變異系數(shù)法的權(quán)重賦值

變異系數(shù)法是通過衡量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中特征值變異程度，來刻畫評價(jià)指標(biāo)的影響程度。在多指標(biāo)評價(jià)系統(tǒng)的指標(biāo)中，各觀測值的差異程度越大，表明此指標(biāo)重要性越高，也即此指標(biāo)權(quán)重越大[12,14-15]。計(jì)算步驟如下。

(1) 由于評價(jià)指標(biāo)的量綱不同，在進(jìn)行變異系數(shù)權(quán)重計(jì)算之前要先進(jìn)行無量綱化處理。

(5)

(6)

其中，Di為對i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化之后的值，Xi為第i類指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)，max(Xi)為第i類指標(biāo)數(shù)據(jù)的最大值，min(Xi)為第i類指標(biāo)數(shù)據(jù)的最小值。式(6)針對正向指標(biāo)數(shù)據(jù)，式(7)針對負(fù)向指標(biāo)數(shù)據(jù)。

(2) 計(jì)算變異系數(shù)。

(7)

(3) 計(jì)算權(quán)重：

(8)

2 評價(jià)模型的建立與二次開發(fā)系統(tǒng)

2.1 評價(jià)指標(biāo)量化分級

按構(gòu)建的評估體系標(biāo)準(zhǔn)對城市環(huán)境評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化分級，其核心思想是對影像像元灰度值進(jìn)行二次賦值。量化分級數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)類型的不同而不同，一般分為兩種：唯一賦值和區(qū)間賦值，其中區(qū)間賦值是最常用的模式，使用者可自行指定起始、終止、新值的區(qū)間范圍 。對研究區(qū)15個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分級，其中S1，N1，N4，E4評價(jià)指標(biāo)量化分級結(jié)果如圖1所示。

圖1 部分評價(jià)指標(biāo)量化分級Fig.1 Quantification and grading of some evaluation indicators

2.2 評價(jià)模型的建立

評價(jià)模型建立的基本思想是利用地圖代數(shù)理論將評價(jià)體系和量化分級數(shù)據(jù)組合。再通過層次分析法和變異系數(shù)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重之后，對單個(gè)評價(jià)單元引用線性組合賦權(quán)的模型計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并組合量化分級數(shù)據(jù)，模型如下：

(9)

其中，Ni為每個(gè)像元新的灰度值，Mi為第i類指標(biāo)層次分析法計(jì)算權(quán)重，Ai為第i類指標(biāo)變異系數(shù)法計(jì)算的權(quán)重，γ為喜好系數(shù)(0<<γ<<1)，PIXi為第i類指標(biāo)的影像量化分級影像，為了后期分析展示，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

2.3 二次開發(fā)的輔助系統(tǒng)

在實(shí)際過程中，層次分析法和變異系數(shù)法計(jì)算繁雜，對操作人員專業(yè)知識要求較高，為了便于后續(xù)評價(jià)結(jié)果的可視化與分析，本文另行設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ArcGIS Engine的二次開發(fā)系統(tǒng)。該評估系統(tǒng)屬于地理信息系統(tǒng)，基于地理信息系統(tǒng)基本理論，在計(jì)算機(jī)硬件與C#基礎(chǔ)應(yīng)用框架下，調(diào)用ArcGIS Engine中的GeoAnalyst類庫及RasterMapAlegbraOp單元作為核心技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)。由于系統(tǒng)開發(fā)不屬于本文討論的主要內(nèi)容，因此僅在此作簡要說明。

3 評價(jià)模型的應(yīng)用

《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒——2018》的數(shù)據(jù)顯示，天府新區(qū)成都直管區(qū)在規(guī)劃之前屬于待開發(fā)區(qū)域，沒有大型污染企業(yè)，后期經(jīng)濟(jì)建設(shè)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，因此基本不存在由經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成的嚴(yán)重生態(tài)污染；并且該區(qū)發(fā)展規(guī)劃也較為合理，即社會因素對城市生態(tài)環(huán)境影響相對較小，所以生態(tài)環(huán)境的主要影響因素為自然因素。為了選取合適的評價(jià)指標(biāo)以及對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)在2017年7～9月與2018年8月兩次對研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察?？疾彀l(fā)現(xiàn)：研究區(qū)東部沿龍泉山方向有較多連續(xù)磚瓦廠，開采規(guī)模較大；龍泉山中發(fā)育許多零散分布的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，其中大部分已經(jīng)得到治理恢復(fù)；在西部主城區(qū)域內(nèi)部及城鎮(zhèn)周邊含有大量待建或正在建設(shè)的區(qū)域，地面大片裸露，部分水體污染也較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境有較大破壞；除此之外的大部分研究區(qū)域均為農(nóng)村未開發(fā)區(qū)域，除有少量生活、生產(chǎn)垃圾，整體生態(tài)環(huán)境較好。

因?yàn)楦鱾€(gè)評價(jià)指標(biāo)具有不同的量綱，為了便于后期的統(tǒng)計(jì)分析，對各個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。在利用計(jì)算主觀權(quán)重賦值和客觀權(quán)重之后，為體現(xiàn)主客觀權(quán)重對評價(jià)結(jié)果的影響程度，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化，分別取研究區(qū)的喜好系數(shù)γ為0.25,0.50,0.75進(jìn)行計(jì)算比較,其第i類指標(biāo)對應(yīng)的綜合權(quán)重見表3。對每一個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化分級處理后利用設(shè)計(jì)的二次開發(fā)系統(tǒng)中的評價(jià)模型編輯模塊將各個(gè)指標(biāo)因子分級結(jié)果與指標(biāo)因子權(quán)重進(jìn)行地圖代數(shù)處理，如圖2所示。然后對取不同偏好系數(shù)情況評價(jià)結(jié)果分析，并進(jìn)行彩色渲染展示，如圖3所示。為充分體現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境等級分布及波動情況，在充分考慮3種喜好系數(shù)以及兩次野外調(diào)查結(jié)果之后，最終將本研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境區(qū)間設(shè)定為：差、較差、一般、好、較好5個(gè)等級，對應(yīng)圖3的圖例等級1～5。

圖2 二次開發(fā)系統(tǒng)的模型計(jì)算編輯界面Fig.2 Model calculation editing interface of the secondary development system

圖3 天府新區(qū)成都直管區(qū)城市生態(tài)等級空間分布Fig.3 Spatial distribution of urban ecological hierarchy in the Chengdu direct management area of Tianfu new District

將3種不同喜好系數(shù)的評價(jià)結(jié)果與兩次野外考察結(jié)論進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)：γ=0.25時(shí),對研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境較差區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的劃分，評價(jià)結(jié)果與兩次實(shí)際考察結(jié)論最為接近；γ=0. 50時(shí),對西部城市區(qū)域的評價(jià)效果不明顯；γ=0.75時(shí),對西部城市區(qū)域的評價(jià)效果不佳，且對中部未開發(fā)區(qū)域評價(jià)也存在過度劃分的情況。因此，γ=0.25時(shí)整體效果最優(yōu)，γ=0.50時(shí)次之，γ=0.75時(shí)效果最差。

將圖3(a)與兩次野外考察驗(yàn)證結(jié)果對比分析，并結(jié)合《成都市統(tǒng)計(jì)年鑒——2018》可以得出天府新區(qū)成都直管區(qū)生態(tài)等級較低區(qū)域主要分布在西北部和東部邊界區(qū)域，中間大部分區(qū)域評價(jià)等級較高。西部區(qū)域主要沿城市主干道分布，集中于人類活動較為強(qiáng)烈的低坡度低高程地區(qū)，植被覆蓋程度較低，生態(tài)環(huán)境等級以較差及差為主，其對應(yīng)面積占比為28.93%，人類活動是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境變差的重要因素。東部邊界呈條狀分布主要是由于該區(qū)域位于東北-西南走向的龍泉山斷裂帶上，該區(qū)域海拔高、坡度大以及包含一些地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)從而影響評價(jià)等級。在此之間的中部及南部區(qū)域大都為未開發(fā)地區(qū)，植被覆蓋程度高，區(qū)域內(nèi)分布零星居住地及農(nóng)莊，但人類活動強(qiáng)度不大對整體評價(jià)等級影響較小，生態(tài)環(huán)境評價(jià)等級為一般、好、較好的面積占總研究區(qū)的比例為71.07%，整體生態(tài)環(huán)境良好。

4 結(jié) 語

基于主客觀賦權(quán)的城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)方法，可以準(zhǔn)確地建立城市生態(tài)環(huán)境中各層次、其指標(biāo)與城市生態(tài)質(zhì)量等級之間的映射關(guān)系，而且對于城市環(huán)境評價(jià)精度較高，評價(jià)體系及模型簡潔實(shí)用。在實(shí)際運(yùn)用中結(jié)合ArcGIS Engine對評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步簡化了流程，操作人員無需進(jìn)行繁復(fù)的運(yùn)算和擁有很強(qiáng)的專業(yè)知識即可完成，為大范圍的城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)提供了新的思路。