基于GIS和RS的城市生態敏感性評價新探究

吉銀翔，王佳祥

（1.蘇州科技學院 建筑與城市規劃學院，江蘇 蘇州 215011；2.江蘇省蘇州市空間規劃建筑設計研究院，江蘇 蘇州 215011）

1 引言

隨著城市經濟的高速發展和城市人口的增加，城市空間無序擴展造成生態環境持續惡化，直接威脅到城市的健康發展。城市生態敏感區是城市生態服務功能的重要載體，對城市生態敏感區進行評價并據此進行空間劃定，是對其進行有力保護的基礎，在當前城市化高速發展時期具有重要意義。

如今，隨著地理信息系統（GIS）技術和遙感技術（RS）的出現與發展。GIS和RS技術因其反映客觀世界的直觀性、時效性、綜合性等優勢，在城市規劃、區域土地利用綜合評定、生態景觀評價等領域得以廣泛應用，并成為土地合理利用的有效輔助手段。將GIS技術應用于生態敏感性分析，利用GIS強大的空間數據處理和運算能力，不僅方便了分析，還使得分析過程能夠定量化、規范化，分析結果精確化、系統化、信息化，為下一步的用地生態規劃提供了更有效的數據，提高了規劃的科學性和前瞻性。

隨著宜興城市建成區的不斷擴展，山體水系日漸被納入城市建設范圍，逐漸出現了由“山水繞城”變為“城包山水”的態勢［1］。大規模的城市建設使得山水環境遭到了一定的破壞。最突出的表現就是城市和水的關系不再密切。江南水網城市河路相隨的基本結構是宜興老城區原有空間特點之一。但隨著城市人口、交通的擴展，部分河道被填平，沿河低矮的民居變成高樓，次一級的街巷被合并成較大尺度的街區。主要差別體現在從傍水到背水，從小尺度變成大尺度（體現在建筑、街道和街區），水的功能也發生變化（承擔交通、生活功能的水轉變為單純景觀功能的水）。又由于宜興陶土及礦石資源豐富，各類采石、采土場數量多，分布廣，造成植被大量破壞且使土地貧化嚴重。許多山看上去千瘡百孔，嚴重影響了景觀及生態環境。因此，宜興山水資源保護的任務艱巨。

本文研究區域位于宜興國家級環保科技工業園（以下簡稱環科園）西側，距宜興市中心7km，位于錫宜高速公路以西，寧杭高速公路以北，西氿與銅官山之間（圖1）。在宜興環科園空間發展戰略研究中，該區域被確定為宜興環科園向西拓展打造環科新城的承載地。在亟需增強宜興生態環境保護的背景下，在宜興環科園空間發展戰略研究中，對于基地生態敏感性的評價有了新的探索。

2 研究方法

原始數據包括數據資料和文本資料，其中數據資料包括宜興環科園2009年分辨率為10m的ALOS遙感影像圖和規劃區的數字高程模型（Digital elevation model，DEM），文本資料包括規劃區氣候、水文、植被等。

2.1 基于ARCGIS的土地生態敏感性分析

首先根據收集到的原始數據和確定要分析評價的目標來選取出生態單因子即指標因子，為各單因子評分，同時確定各單因子的權重，繪制出單因子分級圖，再根據計算的標準值與分級圖對其重分類，利用ARCGIS軟件將重分類后的結果進行加權疊加分析，最后根據加權疊加的結果來確定規劃措施。

2.2 信息獲取方法的選擇

2.2.1 基于ERDAS IMAGINE（RS軟件）遙感信息的直接提取方法

在遙感圖像的數據預處理中，先進行遙感圖像幾何校正和圖像投影變換，然后進行去霾處理和降噪處理等步驟，降低圖像模糊度，保持圖像中一些微小的細節，提高圖像整體質量。最后采用非監督分類直接提取地物信息。

2.2.2 基于ERDAS IMAGINE和地學相關分析的間接信息提取方法

圖1 宜興環科園區位

遙感影像信息由于受到分辨率的限制，提取信息是有一定限度的。在衛星影像中，對于林地、草地、農田、城區等特征明顯的一級生態類型，用監督分類與目視糾正結合的信息提取方法，確定其地物信息類型。

2.2.3 基于ArcGIS空間分析的信息獲取

空間分析是為了解決地理空間問題而進行的數據分析與數據挖掘，是從GIS目標之間的空間關系中獲取派生的信息和新的知識，是從一個或多個空間數據圖層中獲取信息的過程，解決人們所涉及到地理空間的實際問題，以便進行輔助決策。ArcGIS中Arc Toolbox控件下的Spatial Analyst（空間分析）模塊集成了大量的空間分析工具，主要包括表面分析、水文分析、加權疊加分析、太陽輻射分析、緩沖區分析等［2，7］。

2.3 信息分析方法的選擇

2.3.1 生態敏感性評價

生態敏感性評價一般采用綜合指標法，綜合指標的計算方法主要有3種，即直接疊加法、因子加權平均法、因子組合法。這3種方法各有優缺點和適用條件，應根據具體研究需要進行具體選擇。筆者將因子組合法及多因子加權求和法相結合，建立生態敏感性評價體系，通過多因子加權求和法對城市規劃范圍內土地的生態敏感性進行分級；通過多因子組合法進行生態敏感性綜合評價，并在空間上確定各種不同等級生態敏感區域的分布格局。

2.3.2 因子加權疊加法

加權疊加法又稱簡單加權法（SAW），是最常用的疊加分析方法之一，一般用來解決多準則問題，如適宜性模型和地點選擇。在加權疊加分析中，每個條件的重要性可能并不相同。可以為重要條件賦予比其他條件大的權重。例如，在房屋適宜性模型中，如果出于長期保護的目的，則同坡度和到公路的距離條件的相關短期成本相比，可能認為較好的坡向更為重要。因此，可以使坡向值的權重兩倍于坡度和到公路的距離條件的權重。將輸入條件乘以權重，然后進行相加。應用如下公式在Arc GIS的GRID數據格式下建立評價模型：

式中n為圖層數，k為生態因子編號（圖層編號），Bk為第k個生態因子適宜度評價值（單因子評價位）；W k為第k個因子的權重值；V n為總適宜度，該值越大說明生態適宜度越高［3］。將相關的數據轉換成柵格單元格為5m×5m的GRID數據，在Arc－GIS的Spatial Analyst工具下進行加權疊加運算，得到最終的用地生態適宜度。例如，在房屋適宜性模型中，將坡向乘以2并將3個條件相加，或以另一種方法表示，即（2×坡向）＋坡度＋到公路的距離。疊加分析過程的最后一步是對模型進行驗證以確保模型所示的地點真實存在。

2.3.3 GIS分析技術路徑

借助ArcGIS軟件，矢量化相關圖層數據，獲取評價單元及其屬性數據，并進行空間數據管理及分析。在計算機軟、硬件支持下將各生態因子的斑塊分別賦予相應的等級指數，制作單因子分析圖。同時，將各單因子評價結果進行加權疊加分析，根據最終的綜合指數劃分級別，實現評價結果的輸出。生態敏感性評價GIS分析的技術路徑［4］見圖2。

圖2 土地適宜性GIS分析的一般流程

2.4 評價因子的選擇

2.4.1 選擇原則

生態敏感區是整個城市區域具有生態環境意義的生態要素或實體，抗外界干擾能力和自我恢復能力較差，且對城市生態環境產生重要影響，是需要加以控制或保護的區域［1］。區域開發項目尤其是整個城鎮的開發建設，一般都涉及到工業區、居住區等功能區域。不同的土地用途所選擇的生態指標也不同，生態指標選擇的基本原則是對所確定的土地利用目的影響最大，其它選擇原則［5］有以下幾個方面。

科學性原則，指標體系應從區域社會經濟活動提供發展的物質基礎條件以及對區域社會經濟活動起限制作用的環境條件兩方面來構造，且各指標應有明確的界定。完備性原則，盡量全面反映生態學的內涵。區域性原則，生態適宜度分析具有明顯的區域性特征，重點考慮能明顯代表區域特征的指標。可量性原則，選擇指標盡可能是可度量的。規范性原則，對各項指標進行規范化處理以便于計算，并對最終結果進行比較等。

2.4.2 選擇評價因子及確定評價標準

表1 生態因子及評價等級體系

最早提出建立在適應性模型基礎上的生態敏感性分析是美國的麥克哈格教授，他在《設計結合自然》中作出了系統闡述：生態敏感性評價是指由土地的地理、地形、地質、水文、生物、人文等特征所決定的土地對待特定、持續的用途的固有生態敏感程度。他只有與特定的土地利用方式聯系起來考慮才有意義。此次生態敏感性評價將分為6個等級區，即低敏感區、較低敏感區、一般敏感區、較高敏感區、高敏感區、絕對敏感區。根據研究重點與客觀條件，從調研收集到的眾多資料中篩選出與研究地區生態資源保護關系最密切、影響最大以及可利用性強的關鍵性因素，尤其是其中的自然因素，作為限制保護型體系的評價因子，包括高程、坡度、水系保護區、自然保護區、水源涵養地保護、土地利用現狀、歷史遺跡等。根據生態敏感性因子分級評分表（表1）繪制單因子圖。

3 結果與分析

3.1 單因子結果分析

進行生態敏感性分析，首先要明確評價因子。考慮到規劃區的生態環境系統自身的狀況是其評價的基礎，而在此基礎上，對于生態敏感性評價的最終判斷標準是在人類需求與生態環境系統所提供的服務之間的界面進行的。從這兩個角度理解，生態敏感性分析評價的核心就是既保持規劃區范圍內生態系統的穩定，又能滿足人們對區域內資源利用的需求，以達到人與自然和諧發展的雙贏局面，協調好區域發展中保護與開發的矛盾。遵循以上原則，依據有關生態學的相關要求，選取的分析因子要盡可能反映規劃區的自然景觀資源與生態狀況，在關于滿足人類開發利用方面，選取應包括工程地質條件和政策法規限制的相關因子，這些因子應能夠對整體評價和后期規劃設計工作具有指導意義，并且所選取的因子應在數據收集上具有可操作性。

3.1.1 高程

高程是生態環境中一個重要因素，溫度隨著海拔的升高而降低，造成了植物的分布呈現出明顯的垂直分層特征，整個生態系統也呈現出明顯的垂直分布。隨著溫度的降低，生態多樣性隨之降低，生態系統也變得脆弱。根據海拔梯度分布由高到低進行分級，評價結果見圖3。

圖3 高程因子分析

3.1.2 坡度

坡度5%～20%的區域，經過一定的工程措施和環境補償措施后也可作為城市發展用地。通常坡度大于25°時只能生長灌木或小喬木，坡度大于45°時連草皮都難以生長。根據傾斜率劃分等級，評價結果如圖4所示。

圖4 坡度因子分析

3.1.3 地災

地災的等級劃分對建設用地的選取有著決定性的作用。但是本規劃范圍較小，考慮此因子沒有太大意義，故將之忽略。

3.1.4 水系保護

包括地表水和地下水，它對動植物的生存、生長有重要影響，也是最容易受到人為干擾的因子之一，因此規劃要充分考慮對水域生態系統的保護。按離水源距離由近及遠劃分和水體質量劃分水文因子敏感度級別，評價結果見圖5。

圖5 水系保護因子分析

3.1.5 水源涵養地

由于緊挨本規劃區有一供城區的水源地，并且水庫水源來自規劃區域內，所以應考慮對水源涵養地的保護，以保證飲用水的安全，評價結果見圖6。

3.1.6 現狀土地利用規劃圖

國家對土地各類用地的相關規定、要求直接決定了是否適宜開發建設，特別是基本農田，禁止作為建設用地，評價結果見圖7。

圖6 水源涵養地保護因子分析

圖7 土地利用現狀因子分析

3.1.7 歷史遺跡

在“宜興總規”中明確指出各級文物和有價值的歷代史跡遺址的周圍，應劃出一定的范圍與空間作為歷史遺跡保護區，評價結果圖8。

圖8 歷史遺跡因子分析

3.2 生態敏感性評價

依據生態敏感值的大小，將研究區域按照生態敏感度分為6級（圖9）：生態絕對敏感、生態敏感度高、生態敏感度較高、生態敏感度一般、生態敏感度較低、生態敏感度低。其中，生態絕對敏感區原生生態系統保存完整，對人工破壞、干擾承受能力非常弱，很難恢復。生態敏感度高區原生生態系統保存良好，對人工破壞、干擾承受較弱，恢復困難。生態敏感度較高區生態環境良好，對人工破壞、干擾承受能力一般，恢復緩慢。生態敏感度一般區人工破壞、干擾的承受能力較強，系統恢復能力較強。生態敏感度較低區對人工破壞、干擾的承受能力強，恢復能力強。

圖9 生態敏感區綜合劃分結果

依據生態敏感性分析，結合城市非建設用地保護的需求，將生態絕對敏感、生態敏感度高和生態敏感度較高三區劃定為銅官山片區的生態基質區，將生態敏感度一般和生態敏感度較低區劃為新街鎮區的可建設區。本研究對生態基質區和可建設區分別予以保護和發展導引。

從對本規劃基地的評價結果來看，高敏感區分布于自然要素與人工要素的交接地帶，而非整個自然要素都均勻地受到人工要素影響；同時，不同類型的人工用地（如：居住用地、工業用地等）對生態用地的干擾程度也是不相同的，與之相鄰的生態用地邊界地區受到其影響程度也不相同。從這個角度看，要特別注意人工用地與生態用地之間的關系，可以通過空間布局手段使兩者之間協調共融。

4 結語

本文將GIS技術應用于較小區域生態敏感性評價中，由于GIS能夠快速準確地提取多種生態環境因子的基礎信息，生成各生態因子的專題圖，克服了運用方格網等技術手段費時費力，并且會使景觀要素被割裂等弊端，使生態敏感性因子空間疊加分析變的更加高效與準確。

但是影響生態敏感性的因子很多，因子選擇不同，其結果亦有所不同，這也導致了土地生態敏感性評價具有一定不確定性，即不同的評價對象面臨著不同的主導土地生態環境問題，導致不同評價對象各生態敏感性因子的選取和權重不同。因此，應在結合土地生態敏感性因子分布的基礎上，進行評價對象區域主導生態環境問題分析，明確評價對象內部各區域土生態環境應關注的方向。

［1］江蘇省城市規劃設計研究院.宜興市城市總體規劃（2008－2020）文本［R］.南京：江蘇省城市規劃設計研究院，2008.

［2］湯國安，楊 昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［3］吳金華，李紀偉，朱鴻儒.基于ArcGIS區統計的延安市土地生態敏感性評價［J］.2011（7）：1 180～1 188.

［4］沈清基，徐溯源，劉立耘等.城市生態敏感區評價的新探索——以常州市宋劍湖地區為例［J］.城市規劃學刊，2011（1）：58～66.

［5］張文軍.生態學研究方法［M］.廣州：中山大學出版社，2007.

［6］汪軍英，達良俊，由文輝.城鎮生態敏感區的劃分及建設途徑［J］.城市問題，2007（1）：52～55.

［7］宋小冬，葉嘉安，鈕心毅.地理信息系統及其在城市規劃與管理中的應用［M］.北京：科學出版社，2010.