基于3S技術對廣西邊境地區生態環境脆弱性的評價

　　摘 要： 作者應用3S技術對廣西邊境地區8個縣市區的TM影像進行解譯分類及統計，以DEM為源數據進行坡度分析生成坡度專題圖，并對每個評價單元的影像分類結果進行采點抽樣檢查，確定了廣西邊境地區生態環境脆弱性評價因子和評價指標體系，通過評價得出那坡縣、龍州縣、憑祥市、東興市、防城區為中度脆弱區，靖西縣、寧明縣為重度脆弱區，大新縣為極度脆弱區的結論。
　　關鍵詞： 廣西邊境地區 生態環境脆弱性 AHP 3S
　　
　　隨著廣西邊境地區經濟的快速發展，人口基數的不斷攀升，其生態環境的壓力進一步加大，生態環境的自我修復及承載能力逐年下降，制約了該區經濟的持續發展。對該區域進行生態環境脆弱性評價研究，可揭示該區域生態環境脆弱因子，準確把握該區的生態環境脆弱程度。因此，對廣西邊境地區生態環境脆弱性進行評價，使該區在經濟發展和生態環境保護兩者之間找到平衡點，對實現廣西邊境地區經濟社會持續發展和邊疆地區的安寧與穩定具有重要的現實意義。
　　1.研究區概況
　　廣西邊境地區指廣西與越南接壤的8個縣市區（那坡縣、靖西縣、大新縣、龍州縣、寧明縣、憑祥市、東興市、防城區），其地理位置為21°32′48″—22°23′30″N，105°32′34″—108°1′30″E，位于廣西西南部，屬亞熱帶季風濕潤氣候。研究區總面積為18036.8km2，該區山地多，平地少，喀斯特地貌廣布，成土慢、土層薄、植被生長緩慢且群落結構比較簡單。該區總人口251.46萬，其中農業人口占199.65萬，農業人口占總人口的79.4%，該區以農業為主，對土地的依賴度高，且宜耕地資源不足，人均耕地面積少，石漠化較嚴重，抗自然災害能力低，生態環境壓力大，生態環境脆弱性明顯。
　　2.研究方法
　　2.1數據來源
　　本研究的數據來源包括：各縣市區1：5萬地形圖數據，國際科學數據服務平臺提供的LandSat7ETM影像數據與GDEM數據、廣西統計信息網公布的統計數據，各縣市區的統計年鑒數據，等等。
　　2.2評價指標的選定與指標體系的建立
　　廣西邊境地區生態環境脆弱性評價是根據選定的指標因子，建立評價指標體系，運用綜合評價的方法評定該區生態環境脆弱度。由于該區域內部的生態類型復雜多樣，生態環境脆弱性的主導因子亦各不相同，生態環境脆弱性特征不盡相同，所選擇的評價指標就有所不同，因此生態環境脆弱度的評價，需要根據區域特征和主要脆弱性因子，兼顧可操作性，選取關鍵性因素作為評價指標因子，再通過專家咨詢、權重判讀、遙感影像解譯、GIS分析等方法給各指標屬性賦值，然后運用層次分析法、加權平均綜合評價方法對每個研究單元的生態環境脆弱性進行評價，制訂適合本研究區域的評價標準與指標體系是科學評價生態環境脆弱性的基礎。我們從研究區的自然、人文兩方面因素出發，選擇坡度、森林覆蓋率、降水量、石漠化程度、農業人口密度、人均耕地面積、恩格爾系數7項因子作為評價指標因子，并構建評價指標體系。
　　2.2.1自然指標因子。
　　2.2.1.1坡度。在山地丘陵地區，坡度是影響環境脆弱度的重要因素之一。隨著坡度的增大，坡面上的土壤穩定性降低，降水時，坡面徑流加快，水土流失加劇。當坡度增大到一定程度時，很難形成連續的土壤植被。我國1991年頒布的《中華人民共和國水土保持法》規定：禁止在25°以上陡坡地開墾種植農作物。因此我們選擇坡度≥25°的坡地面積比率作為評價指標。這一數據主要利用ARCGIS中的3DAnalyst模塊對每個評價單元的DEM進行坡度計算分析，然后統計出坡度≥25°的坡地面積比率。
　　2.2.1.2森林覆蓋率。植被在維系生態環境系統平衡中具有重要作用：一方面有涵養水源作用，保證有限的水資源得以利用，另一方面可以降低土壤侵蝕強度，加速風化成土過程。由于廣西邊境大部地區屬喀斯特地貌，是雙層水文地質結構，難以截留降水，成土慢、土層薄、土被不連續等因素，植被生長緩慢，適生樹種少，群落結構亦簡單，本地區植被覆蓋率較低。一旦森林覆蓋率低，生態系統抵御外界的干擾和自我調控及恢復能力將降低［１］，森林覆蓋率與生態環境脆弱強度有較好的負相關關系。因此選擇森林覆蓋率作為評價指標之一。森林覆蓋率的數據主要使用ERDAS IMAGINE軟件對研究區的TM影像進行解譯分類，并利用GPS技術的RTK儀器到實地采點抽樣檢核解譯分類結果的準確度。
　　2.2.1.3降水量。水主要通過降水量、降水穩定性、蒸發與降水關系對環境的影響、徑流變率等因素影響生態環境的脆弱度。為了操作方便、簡化評價工作，堅持重點性、可比性、可操作性原則，本文選擇各縣氣象局的降水量統計數據作為評價依據。
　　2.2.1.4石漠化程度。石漠化是指巖溶石山區巖石裸露，具有類似荒漠景觀的土地退化過程。石漠化的加劇，導致土地涵養水源能力下降，人畜飲水困難，可利用耕地面積減少，土壤肥力下降，農業生產力低下［２］，石漠化是生態環境惡化的標志之一。本次評價通過遙感影像解譯得出該區石漠化程度面積比率，根據石漠化面積比率分為很低、較低、一般、較高、很高五個等級，分別賦予不同的分值，再進行標準化處理，以描述該區生態環境的脆弱度。
　　2.2.2人文指標因子。
　　2.2.2.1農業人口密度。農業人口密度指單位面積上的平均農業人口數。在農村地區農業人口密度可真實地反映散居在土地上并依賴土地生活的人口密度。在土地生產力相同的前提下，農業人口密度大的地區，相應的生態環境脆弱度就會加強。
　　2.2.2.2人均耕地面積。廣西邊境地區宜耕地資源不足，土壤肥力差，人口承載力低。隨著人口增長，92%以上的農業人口都用柴草作為燃料，導致負荷壓力過大，長期的亂砍濫伐和在坡度大于25°的陡坡開荒種糧，導致水土流失嚴重，使該區的生態環境日趨惡化，陷入了“過度開墾—土壤退化—經濟貧困”的惡性循環。因此，人均耕地面積與脆弱度有很好的負相關性。
　　2.2.2.3恩格爾系數。恩格爾系數是指食品支出總額占個人消費支出總額的比重。19世紀德國統計學家恩格爾根據統計資料，對消費結構的變化得出一個規律：一個家庭收入越少，家庭收入中（或總支出中）用來購買食物的支出所占的比例就越大。恩格爾系數越大，農業人口對土地的依賴越大，相應的環境脆弱度也就越高，因此恩格爾系數是很有說服力的評價因子之一。
　　2.2.3評價標準。
　　由于目前對生態環境脆弱度分級尚無統一的標準，本次評價主要根據綜合評價單元的分值確定每項指標的脆弱度等級，把評價標準分為潛在脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、極度脆弱五個脆弱性等級。各分級標準見表1。
　　2.2.4 評價指標數據制作、分析及標準化處理。
　　2.2.4.1評價指標數據制作、分析流程。根據在評價體系中選定的評價指標因子，制作相關的森林覆蓋率、坡度、年均降水量、石漠化等專題圖。然后利用GIS的空間分析功能將評價因子的專題圖信息和年鑒資料等屬性數據進行系統分析進而得出評價結果。為了使專題圖數據之間具有良好的空間重合性，將各專題數據進行投影變換，采用統一的坐標系和投影系統，投影系統為等積割圓錐投影，即采用全國統一的中央經線105°E，雙標準緯線分別為19°N和41°N，橢球體為KRASOVSKY橢球體。數據處理操作步驟見圖1。
　　2.2.4.2評價指標數據的標準化處理
　　根據DEM提取坡度統計結果、影像圖解譯專題統計圖和相關屬性統計數據得出各評價單元的各個評價指標的數據。見表2。
　　
　　資料來源：國際科學數據服務平臺提供的2010年的Landsat-7影像數據和30m分辨率的GDEM數據、研究區各縣市區2010年統計年鑒數據等。
　　由于指標體系中各指標采用不同的量綱，這給綜合評價帶來許多困難。為此，需要將不同量綱的評價指標，通過適當的變換，化為無量綱的標準指標。我們采用線性比例變換法將各評價指標進行標準化處理。其計算公式及計算過程如下：
　　先計算最好最差值
　　最終標準化結果見表3。
　　2.3評價模型的建立
　　2.3.1確定各評價指標的權重。
　　我們采用層次分析（AHP）法確定評價因子的權重，AHP（Analytic Hierarchy Process，簡稱為AHP）法是美國著名運籌學家Thomas L.Satty教授于20世紀70年代提出的一種系統分析方法［３］，它是把一個復雜問題表示為層次結構，通過判斷，對備選方案的優劣進行排序。是一種定性分析和定量分析相結合的綜合評判方法，已在國內外社會、經濟、科技等各個領域得到廣泛的應用。本次評價按照評價指標體系確定的層次結構，根據AHP要求，結合專家打分，構成判斷矩陣，得出評價體系中各指標的權重。賦值結果見表4。
　　2.3.2使用加權平均法，計算綜合評價結果向量。
　　根據評價體系具體情況，將評價指標進行標準化處理，并確定各評價指標的權重，使用比較常用并且實用的多指標加權平均綜合評價法，求出各評價單元的加權平均值。計算結果見表5。
　　2.4基于ArcGIS的等級劃分
　　采用ArcMap工具，輸入廣西邊境地區綜合評價分值的屬性數據，按照加權平均原則，在ArcCatalog中將存儲綜合評價分值的數據項，對評價標準進行子類劃分，得出廣西邊境地區生態環境脆弱度分級圖，見圖2。
　　2.5評價結果分析
　　廣西邊境地區生態環境脆弱度分級結果圖表明：廣西邊境地區8個評價單元中，潛在脆弱區0個，輕度脆弱區0個，中度脆弱區5個，重度脆弱區2個，極度脆弱區1個。
　　2.5.1潛在脆弱區、輕度脆弱區的缺失，主要是廣西邊境地區的森林植被條件較差，覆蓋率普遍偏低，該區的農業人口比重大，經濟發展水平較低，農民收入偏低，92%家庭是以柴草作為燃料，恩格爾系數大，農業人口密度大，人均耕地面積偏低。坡度大于25°的坡地比重大，導致水土流失較嚴重，石漠化程度較高。因此，潛在脆弱區、輕度脆弱區的缺失是符合實際的。
　　2.5.2中度脆弱區，包括那坡、龍州、憑祥、東興、防城5個縣市區，面積8192km２，占研究區總面積的45.42%。這5縣市區在廣西邊境地區中屬于自然生態環境較好的5縣區，農民的人均收入在邊境地區來說是比較高的，而且森林覆蓋率較高，人均耕地面積雖然偏少，但農業人口密度僅為102人/km２，在廣西邊境地區屬中等水平。同時5縣區的地表起伏較大，坡度大于25°的坡地比重較大，導致土層淺薄，土地生產力低下，對環境的潛在危害大，經濟發展相對較慢，屬生態環境中度脆弱區。
　　2.5.3重度脆弱區，包括靖西、寧明2個縣，面積7120km２，占總面積的39.38%。這兩縣的成土條件較差，坡度大于25°的坡地比重達35%，尤其是靖西縣，達到38%，森林覆蓋率低，只有25.7%，生物多樣性減少，農業人口密度大，靖西縣高達174人/km２，生態環境承載力較大。
　　2.5.4極度脆弱區，包括大新縣，該縣坡度大于25°的坡地比重達32%，年均降水量1100mm，水土流失嚴重，而且森林覆蓋率嚴重偏低，僅為13.2%，農業人口密度高達118.174人/km２，坡地的過度墾殖，石漠化加劇，通過對2003年及2009年該縣的ETM影像進行疊置分析發現該縣石漠化程度在這時間段呈不斷遞增的態勢，因此該縣屬于極度脆弱區是符合實際的。
　　3.結語
　　我們以廣西邊境地區8個縣市區為研究對象，通過選取影響該區生態環境脆弱度因子建立生態環境脆弱度評價指標體系，運用3S技術對現勢性較強的數據進行加工分析，運用層次分析法量化各個指標的權重，然后應用加權平均法劃分脆弱度等級，并將結果在ArcGIS中運算體現出來。利用本次評價方法對該區生態環境脆弱進行定量評價，劃分為潛在脆弱區、輕度脆弱區、中度脆弱區、重度脆弱區和極度脆弱區等5個等級。通過利用測繪儀器RTK進行實地采點抽樣調查，其結果基本符合廣西邊境地區生態環境脆弱的實際情況。由此可見，該評價方法是合理和可操作的。同時，評價結果可為廣西邊境地區生態環境的保護和修復提供科學依據。
　　
　　參考文獻：
　　［1］覃小群，蔣忠誠.廣西巖溶縣的生態環境脆弱性評價［J］.地球與環境，2005，（2）：45-51.
　　［2］羅為群，蔣忠誠，覃小群.廣西平果龍何屯景觀生態型土地整理模式探討［J］.廣西師范大學學報（自然科學版），2005，23，（2）：98-102.
　　［3］徐建華.現代地理學中的數學方法［M］.北京：高等教育出版社，2002：224.
　　基金項目：廣西自然科學基金項目（合同編號：桂科自0991276）資助。
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文