基于高分辨率航空影像的農(nóng)村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)及應(yīng)用研究

基于高分辨率航空影像的農(nóng)村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)及應(yīng)用研究

近年來，在社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的背景下，對(duì)村級(jí)土地利用規(guī)劃的研究日益增多，建立村級(jí)土地利用規(guī)劃的試驗(yàn)性工作也層出不窮。許多科學(xué)家積極提出了合理組織和使用土地的計(jì)劃理論和技術(shù)。其中，土地使用中的環(huán)境問題越來越受科學(xué)家的關(guān)注。因此,農(nóng)村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)應(yīng)作為一個(gè)重要環(huán)節(jié)被納入村級(jí)土地利用規(guī)劃的過程中,為指導(dǎo)農(nóng)村土地利用和空間布局提供科學(xué)的生態(tài)適宜依據(jù)。農(nóng)村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)主要是從生態(tài)學(xué)角度和可持續(xù)發(fā)展的角度,運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理和方法,對(duì)農(nóng)村生態(tài)功能適宜性的優(yōu)劣程度進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)內(nèi)容主要強(qiáng)調(diào)農(nóng)村生產(chǎn)生活空間與自然條件的和諧,人與其它生物的共生,在村莊發(fā)展的同時(shí),堅(jiān)持自然環(huán)境及其演化過程得到最大限度的保護(hù),從而有效地保護(hù)鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng),從宏觀上預(yù)防鄉(xiāng)村建設(shè)可能帶來的生態(tài)問題。本文以高分辨率航空影像為主要數(shù)據(jù)源,結(jié)合實(shí)地調(diào)研,針對(duì)巖南村生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,首先利用組合賦權(quán)法從地形條件、土壤資源、生物資源、水資源、人類干擾5個(gè)方面,構(gòu)建生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)模型;之后利用GIS技術(shù),對(duì)巖南村進(jìn)行生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià);最后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)巖南村進(jìn)行生態(tài)功能適宜性等級(jí)分區(qū),制定分區(qū)管制措施,提出土地利用建議,為巖南村土地利用規(guī)劃中土地利用方式的確定和空間布局的劃分提供科學(xué)的生態(tài)適宜依據(jù)。本文的研究方法以及評(píng)價(jià)模型也可為今后村級(jí)土地利用規(guī)劃中生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)提供一定的參考。1彩紅外航空相片幾何校正巖南村位于浙江省義烏市,地處浙中丘陵盆地類型區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候溫和,四季分明,光熱資源豐富,雨量適中,年平均氣溫17.2℃,無霜期230d左右,年平均降水量1250mm左右。本研究以2009年7月航攝的高分辨率彩紅外航空相片為主要信息源,地面分辨率為0.5m×0.5m,在Erdas中進(jìn)行多項(xiàng)式幾何校正,誤差控制到1個(gè)像元內(nèi)。土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)彩紅外影像監(jiān)督分類并結(jié)合人工目視判讀和實(shí)地調(diào)研得到,比例尺1∶2000。高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)由DEM數(shù)據(jù)提取得到,像元大小為0.5m×0.5m。植被覆蓋和生物豐度信息由遙感影像提取得到。土壤數(shù)據(jù)來源于義烏市土壤普查數(shù)據(jù)以及實(shí)地采樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)來源于《義烏市綜合年鑒2009》、相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)地調(diào)研。2專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行賦權(quán)目前,指標(biāo)權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類。主觀賦權(quán)法主要依據(jù)對(duì)各指標(biāo)的主觀重視程度由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行賦權(quán),客觀賦權(quán)法主要依據(jù)指標(biāo)反映的客觀信息來反映其相對(duì)重要程度,兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。為充分利用兩種方法的優(yōu)勢(shì),本文將主觀賦權(quán)法中的層次分析法和客觀賦權(quán)法中的熵權(quán)法組合在一起,形成組合賦權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。2.1各層次指標(biāo)權(quán)重的確定層次分析法(AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的分析評(píng)價(jià)方法。其具體步驟:將決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,首先對(duì)各層元素指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較,確定其相對(duì)重要性,并分級(jí)構(gòu)造判斷矩陣,然后計(jì)算各判斷矩陣的特征向量,得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。2.2b指標(biāo)值xj,mn熵權(quán)法原理:設(shè)有m個(gè)待評(píng)對(duì)象,n項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),形成原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n,對(duì)于某項(xiàng)指標(biāo)xj,指標(biāo)值xij的差距越大,該指標(biāo)提供的信息量越大,其在綜合評(píng)價(jià)中所起的作用越大,相應(yīng)的信息熵越小,權(quán)重越大;反之,指標(biāo)的權(quán)重越小;如果該項(xiàng)指標(biāo)值全部相等,則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用。具體計(jì)算步驟如下:(1)指標(biāo)歸一化和逆向指標(biāo)歸一化對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n進(jìn)行歸一化得到矩陣:R=(rij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)對(duì)于正向指標(biāo)而言,歸一化公式為:rij=xij-minj{xij}maxj{xij}-minj{xij}(1)rij=xij?minj{xij}maxj{xij}?minj{xij}(1)對(duì)于逆向指標(biāo)而言,歸一化公式為:rij=maxj{xij}-xijmaxj{xij}-minj{xij}(2)rij=maxj{xij}?xijmaxj{xij}?minj{xij}(2)(2)計(jì)算ci=1,2,第j項(xiàng)指標(biāo)的熵定義為: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,為使lnfij有意義,一般需要假定fij=0時(shí),fijlnfij=0(3)熵常數(shù)的定義第j項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)為:wj=1-hjn-n∑j=1hj1?hjn?∑j=1nhj(j=1,2,…,n)(4)3綜合評(píng)價(jià)生態(tài)功能適應(yīng)性的模型3.1評(píng)價(jià)因子的篩選本次評(píng)價(jià)因子的選擇以自然屬性為主,社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素為輔,按照科學(xué)性、主導(dǎo)性、差異性、不相容性、定性與定量相結(jié)合的總體原則,參考國(guó)內(nèi)外主要研究成果以及專家意見,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況以及資料可獲取程度,從地形條件、土壤資源、生物資源、水資源、人類干擾5個(gè)方面選取評(píng)價(jià)因子,建立5個(gè)準(zhǔn)則層次11個(gè)要素指標(biāo)的評(píng)價(jià)因子體系(表1)。(1)水熱組合特征與坡度主要選取高程、坡度、坡向3個(gè)地形因子。高程反映熱量和水分的分布狀況,不同的海拔高度具有不同的水熱組合特征,它們對(duì)植被的生長(zhǎng)、布局都有很大的影響;坡度陡緩直接影響土壤侵蝕和土地利用,地表起伏越大,坡度越陡,土壤侵蝕作用越明顯,水土流失越嚴(yán)重,因此,坡度是指示生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性或脆弱性的一個(gè)重要的鑒定指標(biāo);坡向影響著日照時(shí)數(shù)和土壤水分的再分布,因而對(duì)農(nóng)用地來說是重要的生態(tài)指標(biāo)。(2)土層厚度的影響選取土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量3個(gè)指標(biāo)。土壤質(zhì)地、土層厚度與土地退化、水土流失等密切相關(guān);土層厚度關(guān)系到有效水分涵蓄的多少,關(guān)系到土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)量,直接影響根系發(fā)育和土地的固著能力;土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化預(yù)示著土地生態(tài)環(huán)境的變化。(3)區(qū)域生態(tài)功能選取植被覆蓋度和生物豐富度2個(gè)指標(biāo)。植被覆蓋度指一定區(qū)域內(nèi)植被面積的百分比,是水土保持、氣候調(diào)節(jié)等生態(tài)功能的綜合表現(xiàn);生物豐富度反映地區(qū)內(nèi)生物的豐貧程度,是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要因素。(4)生態(tài)系統(tǒng)的建立水資源是農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。農(nóng)村地區(qū)大小水體星羅棋布,是構(gòu)成特色景觀的重要因素,也是維護(hù)農(nóng)村生態(tài)安全和健康的自然生態(tài)系統(tǒng)。本研究區(qū)域中無大面積的水體、無水源保護(hù)區(qū),主要水資源是面積較小的坑塘水面,所以水資源評(píng)價(jià)主要采用距坑塘水面的距離作為的指標(biāo)。(5)人類干預(yù)人類干擾指標(biāo)主要反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)資源的干擾程度,其與生態(tài)資源的健康程度成反比,本研究采用交通線影響和農(nóng)村居民點(diǎn)影響作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。3.2專家預(yù)算編制各評(píng)價(jià)因子的等級(jí)劃分是在具體分析實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù),參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)、咨詢專家、訪問當(dāng)?shù)乜萍既藛T和農(nóng)戶相結(jié)合的基礎(chǔ)上,進(jìn)行劃分的。根據(jù)評(píng)價(jià)因子對(duì)生態(tài)功能適宜性影響的大小,分為4個(gè)等級(jí),分別賦予值為100、70、50、20(表2)。3.3評(píng)價(jià)因子的gis分析和處理根據(jù)各指標(biāo)因子GIS分析處理過程的差異,將評(píng)價(jià)因子分以下幾類分別進(jìn)行處理。(1)dem法檢測(cè)利用ArcGIS軟件,基于巖南村等高線數(shù)據(jù),采用不規(guī)則三角網(wǎng)法生成TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);將其轉(zhuǎn)化成表面模型,進(jìn)行重采樣,由TIN轉(zhuǎn)化成DEM文件;然后利用SpatialAnalyst工具的SurfaceAnalysis模塊進(jìn)行分析,使用slope函數(shù)和aspect函數(shù)自動(dòng)化計(jì)算,得到坡度圖和坡向圖。(2)土地利用分類對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理后,通過監(jiān)督分類與人工目視判讀和實(shí)地調(diào)研相結(jié)合,解譯得到土地利用分類圖;將遙感影像紅波段和近紅外波段經(jīng)過非線性歸一化處理提取歸一化植被指數(shù)(NDVI),以植被指數(shù)圖為基礎(chǔ)計(jì)算生成植被覆蓋度圖。(3)緩沖分析的方法在現(xiàn)狀圖的基礎(chǔ)上,對(duì)居民點(diǎn)、交通線和坑塘水面建立不同等級(jí)的緩沖距,分別進(jìn)行緩沖區(qū)分析,依據(jù)由內(nèi)到外強(qiáng)度變小的原則,得到各類壓力強(qiáng)度圖。3.4評(píng)價(jià)單元的生成按照同一評(píng)價(jià)單元內(nèi)屬性的相對(duì)一致性,不同評(píng)價(jià)單元之間既有差異性,又有可比性的總體原則,采用疊置法與柵格法相結(jié)合劃分評(píng)價(jià)單元。先用疊置法將巖南村土地利用現(xiàn)狀圖、坡度圖以及居民點(diǎn)、交通線、坑塘水面的緩沖區(qū)分析圖等矢量圖層疊加產(chǎn)生新的要素層,生成初步評(píng)價(jià)單元,并與屬性相關(guān)聯(lián),產(chǎn)生新的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到獲取的遙感影像的分辨率為0.5m×0.5m,之后按0.5m×0.5m網(wǎng)格進(jìn)行矢柵轉(zhuǎn)換,使值賦予到每一個(gè)柵格單元中,形成最終的5240000個(gè)柵格評(píng)價(jià)單元。3.5巖南生態(tài)功能分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重根據(jù)層次分析法和熵權(quán)法確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,采用線性加權(quán)法計(jì)算組合權(quán)重,并且認(rèn)為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的重要性一致,即取兩種賦權(quán)結(jié)果的平均值,作為巖南村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各指標(biāo)權(quán)重(表2)。3.6計(jì)算模式及權(quán)重采用多級(jí)加權(quán)求和的方法,建立巖南村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)模型。將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的每個(gè)專題空間數(shù)據(jù)進(jìn)行空間加權(quán)疊加,利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器工具計(jì)算每個(gè)柵格的生態(tài)功能適宜性綜合指數(shù)。加權(quán)求和的生態(tài)功能適宜性綜合指數(shù)用下式計(jì)算:Ei=n∑k=1wkYk式中:Ei為第i個(gè)柵格單元的生態(tài)功能適宜性綜合指數(shù)值;wk為該評(píng)價(jià)單元第k個(gè)指標(biāo)的權(quán)重;Yk是該指標(biāo)的量化值。4巖東南角生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)基于上述評(píng)價(jià)因子和生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)模型,對(duì)巖南村進(jìn)行生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià),生態(tài)功能適宜性綜合指數(shù)統(tǒng)計(jì)圖見圖1,可看出,巖南村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)綜合指數(shù)分布范圍從29.683到84.121,平均值為62.568,說明巖南村生態(tài)功能適宜性整體水平較好。為便于巖南村生態(tài)功能適宜水平的比較,對(duì)巖南村進(jìn)行生態(tài)功能適宜性等級(jí)劃分。根據(jù)各適宜等級(jí)與巖南村實(shí)際土地利用類型、生態(tài)環(huán)境狀況之間的對(duì)應(yīng)程度,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),確定各適宜等級(jí)的臨界值,將巖南村劃分為4個(gè)生態(tài)功能適宜性等級(jí)區(qū):高度適宜區(qū)、中度適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、基本適宜區(qū)。生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分及巖南村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果見表3,評(píng)價(jià)分區(qū)圖見圖2。由圖2,巖南村生態(tài)功能高度適宜區(qū),主要分布于巖南村北部以及東南部山體的林地區(qū),該區(qū)域海拔相對(duì)較高,受人類干擾較少,以自然生態(tài)系統(tǒng)為主,植被覆蓋程度好,生物多樣性豐富,是維護(hù)巖南村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要景觀骨架,適宜水平最高;生態(tài)功能中度適宜區(qū),主要分布在巖南村的中北部及南部的山坡地,地類以疏林地和草地為主,地勢(shì)相對(duì)于高度適宜區(qū)次之,是生物多樣性保護(hù)的重要生態(tài)緩沖帶,適宜水平較高;生態(tài)功能一般適宜區(qū),主要分布在巖南村中南部地勢(shì)較為平坦的區(qū)域,以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主,該區(qū)域人為作用較強(qiáng),生態(tài)自我調(diào)節(jié)能力弱,相對(duì)穩(wěn)定性較差,適宜性處于一般水平;生態(tài)功能基本適宜區(qū),主要集中在現(xiàn)狀已建設(shè)區(qū)域,主要土地利用類型為居民點(diǎn)和道路用地。該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單,生物多樣性較低,適宜度水平最低。5巖東南角土地利用規(guī)劃的生態(tài)保護(hù)與生態(tài)治理根據(jù)巖南村生態(tài)功能適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果,不同等級(jí)的生態(tài)功能適宜區(qū)具有不同的生態(tài)與環(huán)境特點(diǎn),因此,在巖南村土地利用規(guī)劃過程中,各區(qū)域的土地利用方式和開發(fā)利用強(qiáng)度應(yīng)有所區(qū)別,生態(tài)保護(hù)和生態(tài)建設(shè)的措施也不盡相同?；谏鷳B(tài)功能適宜性級(jí)別越高,生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng),對(duì)其開發(fā)利用的限制條件也就越多的土地利用原則,提出各生態(tài)功能適宜類型區(qū)的管制措施和土地利用建議,為巖南村土地利用規(guī)劃提供指導(dǎo)。(1)生態(tài)服務(wù)功能土地類型主要以生態(tài)狀況維持較好的有林地為主,植被覆蓋程度好,具有涵養(yǎng)水源、水土保持、維持生物多樣性、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)服務(wù)功能。該區(qū)不僅為整個(gè)巖南村的生態(tài)系統(tǒng)提供了豐富的自然資源,而且對(duì)維持人類生存與發(fā)展起著極其重要的作用。因此,在巖南村土地利用規(guī)劃中,可將該區(qū)作為生態(tài)保護(hù)用地,生態(tài)建設(shè)方向應(yīng)以生態(tài)保育為重點(diǎn),加強(qiáng)生物多樣性的建設(shè)與保護(hù),禁止任何開發(fā)建設(shè)活動(dòng)。(2)德勝巖保護(hù)區(qū)農(nóng)村基層生態(tài)旅游開發(fā)模式土地類型主要是疏林地和草地,是生物多樣性保護(hù)的重要生態(tài)緩沖區(qū)?；趲r南村擁有得天獨(dú)厚的德勝巖風(fēng)景區(qū)旅游資源,以及現(xiàn)有的農(nóng)家樂旅游基礎(chǔ),可以在該區(qū)域發(fā)展以農(nóng)家樂為主的鄉(xiāng)村生態(tài)旅游。但應(yīng)嚴(yán)禁亂墾濫伐等有損生態(tài)與環(huán)境的活動(dòng),限制干擾強(qiáng)度大的開發(fā)建設(shè)活動(dòng),并且注意加強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的防范,加強(qiáng)現(xiàn)有植被的保育,對(duì)已遭破壞的植被進(jìn)行及時(shí)有效的恢復(fù)或重建。(3)生態(tài)基本農(nóng)田的保護(hù)以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主,在巖南村土地利用規(guī)劃中,該區(qū)應(yīng)作為耕地保護(hù)區(qū),執(zhí)行嚴(yán)格的耕地保護(hù)政策,特別是基本農(nóng)田的保護(hù),在穩(wěn)定糧食、蔬菜等基本農(nóng)產(chǎn)品種植面積的前提下,合理調(diào)整農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布局,形成對(duì)環(huán)境破壞小、附加值大的綠色產(chǎn)業(yè),同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施的布局也應(yīng)做到有利于生態(tài)環(huán)境和基本農(nóng)田保護(hù)。(4)居住建設(shè)開發(fā)區(qū)的保護(hù)和建設(shè)主要集中在現(xiàn)狀已建設(shè)區(qū)域,土地類型以農(nóng)村居民點(diǎn)和道路用地為主,將來可作為農(nóng)村的居住建設(shè)開發(fā)區(qū)。該區(qū)的保護(hù)和建設(shè)必須合理控制人口發(fā)展規(guī)模,提高新建住宅的整體水平。在規(guī)劃的過程中,應(yīng)充分利用巖南村自身擁有的景觀特色,科學(xué)引導(dǎo)環(huán)境綠化建設(shè),增加綠地的物種多樣性,改善居住區(qū)環(huán)境,推進(jìn)生態(tài)及景觀住宅戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)。6應(yīng)用新方法的土地利用規(guī)劃評(píng)價(jià)在村級(jí)土地利用規(guī)劃過程