山區土地評價的GIS空間分析建模研究

陳應躍， 甘淑， 田禹東， 周曦冰

(昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093)

山區土地評價的GIS空間分析建模研究

陳應躍， 甘淑， 田禹東， 周曦冰

(昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093)

為了因地制宜地開發利用地形地貌復雜、土層較薄、基巖裸露率較高的山區土地，需要提前進行適宜性評價，目前主要采用ArcGIS空間分析方法進行分析處理，但是處理過程繁雜，易出錯。本研究采用ArcGIS空間分析模型生成器對分析過程進行模型化處理，對每個評價因子數據處理過程進行處理流程建模，關聯各個因子模型進行多因子綜合評價，可得出山區土地資源建設適宜性評價模型。采用上述方法對研究區域進行相關分析處理，再結合大量地面調查，分析出的評估結果與實際土地開發利用適宜性有較高吻合度，驗證了該GIS模型方法的科學性與可靠性，而且較常規的方法數據處理效率明顯提高，數據處理模型也可以共享。

山地資源；空間分析；模型生成器

0 引言

隨著計算機技術的不斷發展，批量、流程化處理已成為當今GIS技術重要特征。在傳統的空間分析及數據處理中通常借助計算機程序語言來達到海量數據的批處理或流程化處理，這種方法工作量較大，對非計算機專業人員來說難度較高。GIS空間分析模型指的是用于空間數據處理的一系列算法的集合，其建立過程包括明確要解決的問題、分解問題、模型組建、模型校驗以及投入應用[1]等步驟。

本研究采用模型器對山區土地資源建設適宜性評價方法及過程進行了模型創建，以達到數據分析處理流程化的目的。山地資源建設適宜性決定于多個因子的共同作用，在評價時借助一些數學模型對各個因子進行了定量、定性分析，并得出各因子共同作用的綜合結果。將數學模型與空間分析建模技術進行了融合[2]，使評價工作變得簡單易行、準確高效；模型創建完成后運行得到研究區域的建設適宜性評價結果與研究區域實際情況相符合。

1 研究方法

1.1 建模方法

Model Builder是ArcGIS空間分析模型生成器。該建模方法通過提供圖形化操作工具，并用連接線將模型元素連接[3]，在模型屬性中設置相應的參數和環境，一旦完成一個完整的可重復使用空間處理模型設計后就可以實現流程化空間分析處理。

圖形化建模工具可以將數據和空間處理工具連接起來，處理復雜的GIS任務,更大程度地實現GIS空間分析方法的共享[4]。在Model Builder中，輸入數據、輸出數據和相應的空間處理工具以直觀的圖形語言表示,按有序的步驟連接起來,可以按需添加標簽來說明模型各個模塊的功能，使人們對模型的組成及執行過程的認識更加簡單,對模型進行修改和糾錯更加容易[5]。在本研究中，針對山地資源評估空間分析處理，通過使用Model Builder建模技術，完成了山地資源評估流程化處理。

1.2 評價數據及方法

研究中涉及到中心城鎮位置、等高線、主干道路、斷裂帶分布、行政區界線和土地利用現狀數據。山地資源適宜性評價是在麥克哈格適宜性評價理論的基礎上，結合研究區域實際情況，采用多因素打分加權求和的方式進行。文中涉及中心城鎮影響力、主干道影響力、土地利用類型、斷裂帶分布影響、坡度分布和坡向分布6個因子。指標權重的確定采用層次分析法或專家調查法(Delphi法)[6]，即

(1)

式中:P為綜合評價值；n為因子個數；Wi為單項指標權重值；Ai為單項指標量化得分值(百分制)。

1.3 評價建模技術流程

1.3.1 數據準備

①中心城鎮點數據,為各個鄉鎮(街道辦)政府駐地點數據，通過變更調查數據庫結合實地調研核定; ②等高線數據,以等高距為20 m等高線數據作為坡度、坡向等地形數據提取源；③主干道路數據,主干道路為跨越行政區的主要道路干線，一般包括過境國道、省道、縣道以及城市的主要交通網；④斷裂帶分布數據，反映了項目區地質災害的發生概率，從當地地質災害防治部門獲取；⑤最新的行政區區劃界線數據；⑥土地利用現狀數據,獲取最新土地利用變更調查數據庫，從中提取地類圖斑圖層可得。

上述數據中，中心城鎮空間分布數據、等高線、研究區域主干道、行政區界線范圍和土地利用現狀數據數據采集時間點均為2011年，數據來源于研究區國土資源局提供的土地利用變更調查數據庫，比例尺為1∶1萬；斷裂帶分布數據獲取于研究區國土資源局地質災害防治所，為2008年云南省地質災害調查成果。

1.3.2 數據預處理

ArcGIS空間分析中的疊加主要基于柵格數據上開展[7]。在使用Model Builder建模工具對山地資源建設適宜性評價建模過程中，對所有因子數據進行初步預處理，通過空間分析處理將數據格式轉化為柵格，并按照評價要求進行重分類和定量化處理。數據為TIF格式，柵格大小為50像元×50像元。

1.3.3 Model Builder建模

在對基礎數據進行預處理之后，明確對每個評價因子的數據處理方法以及所用空間分析工具，開始模型的創建。每個評價因子處理模型應盡可能做得高效簡潔，避免復雜冗余操作，必要時適當添加注釋信息，以提高其可讀性。

1.3.4 執行結果及分析

模型創建并調試成功之后，運行模型，得出評價結果數據，并對其進行統計，分析評價其空間分布的客觀性、合理性和準確性。制作評價成果專題圖，以供進一步研究使用。

2 模型構建及應用

2.1 空間數據預處理建模及應用

2.1.1 創建坡度、坡向因子模型

對研究區域的行政界線(XZQ)和等高線(DGX，且等高距為20 m)數據進行處理，得到坡度、坡向數據。首先，創建地形數據不規則三角網(TIN)；然后，使用TIN生成數字高程模型(DEM)；最后，從DEM中提取坡度、坡向等數據。對坡度數據按照[0°，8°)，[8°，15°)，[15°，25°)，≥25°這4個等級重分類。坡向依北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個方向重分類，然后按照4個大類進行歸并處理，南、南東—南西，東、西、西—西南、東—東南，西—西北、東—東北，北、北西—北東，分別定為一等、二等、三等、四等。坡度及坡向數據提取模型如圖1所示。

圖1 坡度及坡向數據預處理模型Fig.1 Aspect and slope extraction model

以坡度模型為例，賦分值模型如圖2所示。

圖2 坡度賦分值模型Fig.2 Aspect factor score assignment model

對不同因子等級進行賦分值處理時，坡度賦值原則為：[0°，8°)賦100分，[8°，15°)賦80分，[15°，25°)賦60分，≥25°賦20分；坡向賦值原則為：一等100分，二等80分，三等60分，四等20分。坡度、坡向賦分值模型相似。

2.1.2 創建土地利用類型因子模型

將土地利用類型數據按照建設用地(一等)、其他用地(二等)、園林農用地(三等)、耕牧用地(四等)4類進行歸并，并對4個等級分別賦分：一等100分、二等80分、三等60分、四等20分。模型如圖3所示。

圖3 土地利用類型賦分值模型Fig.3 Land use factor score assignment model

完成賦分值后使用矢量柵格數據轉換工具進行轉換，得到柵格格式的土地利用類型數據。

2.1.3 中心城鎮影響力等模型創建

中心城鎮影響力、斷裂帶分布、主要道路影響力模型中采用歐氏距離法(euclidean distance)分別對每個因子的影響力度進行空間分析處理，并對結果進行影響力賦分。

采用歐氏距離法計算源像元中心與每個周圍像元中心之間的歐氏距離[8]。從概念上講，歐式算法的原理是對于每個像元，通過用xmax和ymax作為三角形的2條直角邊來計算斜邊的方法，確定與每個源像元之間的距離。這種計算方法得出的是真實歐氏距離，而不是像元距離。與信息源之間的最短距離將會被確定，如果它小于指定的最大距離，則將該值賦給輸出柵格上的像元位置[2]。如圖4所示。

圖4 源柵格數據Fig.4 Source raster data

中心城鎮影響力模型反映了評價區域中心城鎮對山地資源適宜性的影響力度。使用歐氏距離法對中心城鎮點進行空間分析，可得出不同的影響范圍。采用經驗分段值確定影響范圍(一級影響范圍[0，1 000)m，二級影響范圍[1 000，3 000)m，三級影響范圍[3 000，5 000)m，四級影響范圍≥5 000 m)，并為不同等級影響范圍進行賦值。模型中首先設置模型工作空間、歐氏距離最大緩沖范圍值、工作空間范圍以及中心城鎮分布點數據、輸出路徑，運行模型即可得到歐氏距離分析結果。

圖5為中心城鎮影響力模型運行結果，圖5(a)為歐氏距離分析效果圖，圖5(b)為經過行政區切割處理的中心城鎮影響力圖。

(a) 歐氏距離分析結果 (b) 中心城鎮影響力

圖5 中心城鎮影響力模型

Fig.5 Center of town influence model

由于分析結果必須控制在行政區內，因此對其做進一步處理。首先對其按照4個影響等級進行重分類處理，然后對分析結果與行政區存在空間疊加差異的區域進行補充，并為處理結果添加分值存儲字段。模型如圖6所示。

圖6 疊加差異處理模型Fig.6 Overlay of differences processing model

線性因子(斷裂帶和主要道路影響力)處理模型與點因子模型相似，而面狀因子模型(坡度、坡向、土地利用類型)處理則有所差異，直接使用經預處理的數據進行重分類并對不同等級賦值量化。

2.2 綜合評估模型

將數據輸入模型，綜合評價各個因子模型的數據處理結果，各個因子在模型中按照各自的權重值進行加權求和計算。綜合模型如圖7所示。

圖7 綜合評價模型Fig.7 Comprehensive evaluation model

模型輸出結果為綜合評價結果數據，按照綜合得分將其劃分為4個等級，分別是一等適宜、二等適宜、三等適宜和四等適宜，同時添加結果統計模型，如圖8所示。

圖8 評價結果統計模型Fig.8 Evaluation of statistical model results

模型運行結果如圖9所示。統計結果見表1。

圖9 山地資源綜合評價結果Fig.9 Comprehensive evaluation results

表1 適宜性等級面積統計表Tab.1 Area statistics of suitability classification

從表1中可以看出一等適宜地比例最小。通過模型評價結果可以直觀地將集中連片的適宜性較高區域分割出來，用于未來建設使用。

3 結論

本研究通過對山區土地資源評價方法和評價流程模型化，結合研究區域實際情況對模型評價結果進行分析對比，可以看出模型評價結果與實際有著很好的一致性，驗證了GIS建模技術的可靠性及適用性。在原本復雜難懂的計算機程序處理方法基礎上，GIS建模方法是一個重大進步，使得GIS批處理、流程化處理變得簡單易行，并且保證了數據處理的質量，為大數據的批處理、流程化處理提供了一種新的解決方案，同時也為山區土地資源評價提供了技術支撐[9]。

在模型創建中還可以使用python語言對Arcpy站點包進行調用，與Model Builder建模技術結合，根據實際需求進行腳本工具開發，從而增強模型構建器的實用性以及靈活性。

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(責任編輯：李瑜)

GIS spatial modeling in mountainous land evaluation

CHEN Yingyue， GAN Shu， TIAN Yudong， ZHOU Xibing

(InstituteofLandandResourcesEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093，China)

Due to such factors as complex topography,thin soil and high bedrock exposure rate,the measurement of mountainous land should be adapted to local conditions for the development and utilization,and hence the suitability evaluation should be conducted first. At present,researchers in this field usually use ArcGIS spatial analysis method to do the analysis,but the process is complicated and easy to make errors. In this paper,the authors use the spatial analysis model of ArcGIS generator model to model the calculation process and the dealing process of each evaluation factor,combine every single factor to do the comprehensive factor calculation,and then get the mountain resources suitability evaluation model. These methods were applied to performing the correlation of the study area. Combined with the field work,the authors found that the evaluated result is highly identical with the suitability of land exploitation and utilization under the practical situation. The scientific character and reliability of the GIS model methods were verified. Compared with the conventional method,the methods adopted by the authors could improve the efficiency of data processing obviously. The data processing model for the sharing is also provided.

mountain resources；spatial analysis；Model Builder

2013-12-19；

2014-04-15

國家自然科學基金項目“基于遙感與GIS的滇東南石漠化監測、評價及過程模擬研究”(編號：41261092)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.30

陳應躍，甘淑，田禹東，等.山區土地評價的GIS空間分析建模[J].國土資源遙感，2015,27(2)：196-200.(Chen Y Y，Gan S，Tian Y D,et al.GIS spatial modeling in mountainous land evaluation[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2)：196-200.)

P 208

A

1001-070X(2015)02-0196-05

陳應躍(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為3S集成與應用研究。Email：754571764@qq.com。