基于國產環境一號衛星的土地生態安全評價

官尚碧, 劉智華, 馬澤忠, 張海珍, 何錦峰, 孫 欣

(1.重慶交通大學河海學院, 重慶 400074；2. 重慶市國土資源和房屋勘測規劃院，重慶 400020)

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基于國產環境一號衛星的土地生態安全評價

官尚碧1, 劉智華2, 馬澤忠2, 張海珍2, 何錦峰1, 孫 欣1

(1.重慶交通大學河海學院, 重慶 400074；2. 重慶市國土資源和房屋勘測規劃院，重慶 400020)

構建了忠縣土地生態安全的層次分析模型及評價指標體系；根據國產環境一號衛星數據、DEM、行政區劃、社會經濟統計等多源數據，在ArcGIS平臺建設土地生態安全評價數據庫，利用國產環境一號衛星影像提取土地利用信息，利用DEM提取地形信息，并將社會經濟統計數據與行政區劃數據關聯；然后采用ArcGIS空間分析模型，通過圖形疊加分析，經數據融合、數值計算與統計，得到分鄉鎮的各評價指標特征值，再經極值法標準化處理，運用指標權重計算忠縣各鄉鎮土地生態評價得分；最后按土地生態安全等級劃分標準，確定土地生態安全等級。

環境一號衛星；土地生態安全；層次分析法；忠縣

土地資源為人類提供生產資料，也作為生產生活的空間載體，是人類社會最重要的自然資源類型之一[1]。隨著全球人口快速增長和工業化、城市化的迅速步伐，面臨耕地被建設用地占用、人均耕地減少、水土流失加劇、土壤污染等土地生態問題，并日益引起重視[2]。研究其評價指標體系及評價方法，開展相關指標監測，進行土地生態安全評價，探討保障策略，成為土地利用研究、生態安全研究的熱點[3]。

遙感數據因其更新周期短、覆蓋范圍大、波譜范圍廣、分辨率漸高等特點，在土地生態評價指標的信息獲取方面取得廣泛應用。目前多采用Landsat、SPOT、QuickBIRD、NOAA、Radar SAR等國外衛星數據。近年來，國產衛星發展迅速，天繪一號、資源一號、資源二號、資源三號、北京一號、環境一號、海洋一號等國產衛星在測繪、資源調查、環境監測等領域得到越來越廣泛的應用[4]。

筆者以重慶市忠縣為例，基于3S技術，應用國產環境一號衛星數據，結合DEM、行政區劃、社會經濟統計數據等，開展縣域土地生態安全評估研究，為完善土地生態安全評價方法提供參考。

1 研究區概況

忠縣位于重慶市中部，三峽庫區腹心地帶，地理位置為107°3′～ 108°14′E、30°03′～ 30°35′N。東西寬約66.45 km，南北長60.15 km。東鄰萬州、南靠石柱，西連豐都，北接梁平、墊江等縣。幅員面積2 184 km2,轄28個鄉鎮、46個居委會、319個村。地貌屬川東褶皺帶平行嶺谷區，是典型的丘陵地區，地形起伏，地貌以山地、丘陵為主，海拔117～1 680 m。氣候為暖濕亞熱帶東南季風氣候，縣內河流屬長江水系，雨量充沛，河道縱橫。長江從西南向東北穿過縣境，河段長88 km。

忠縣人口稠密，土地墾殖率較高，人地矛盾較突出；喀斯特地貌分布廣泛，土薄地瘠，土地后備資源缺乏，土地生態安全問題較突出。特別是隨著經濟發展，城市化進程加快，三峽工程蓄水引起的土地淹沒以及移民后靠，土地資源更加短缺，原本就較為緊張的人地關系更為敏感。對土地生態安全進行監測和評價，可及時掌握土地利用程度、狀況、土地質量等，為土地利用調控及規劃政策制定提供參考[5]。

2 數據與工作平臺

2.1 基礎數據 忠縣政區數據、1∶1萬DEM、《忠縣統計年鑒2011》、2010年忠縣國產環境一號衛星數據。

2.2 軟硬件平臺 硬件：PC計算機，中海達Qmini；軟件：ArcGIS 10.0，ErDAS Imagine 8.4。

3 土地生態安全評價

3.1 評價指標與評價模型 在借鑒國內外評價指標的基礎上，結合忠縣土地利用現狀和特征，根據合理性、可操作性、系統性和可比性原則，選取評價指標，并構建層次分析模型(表1)[6～8]。

根據評價指標對土地生態安全的影響趨勢，指標分為正安全趨向指標(+)和負安全趨向指標(-)。正安全趨向指標大，土地資源的生態安全狀況越好，或維護和改善土地資源生態安全能力越強；負安全趨向指標越大，表明土地生態狀況越差，或土地的壓力越大。

3.2 數據庫建設 忠縣土地生態安全監測與評價數據庫為土地生態安全評價提供基礎數據。數據庫建設包括土地利用監測、地形坡度、鄉鎮社會經濟數據等，技術路線見圖1。具體包括：

表1 土地生態安全評價指標體系

(1)將DEM、環境一號衛星影像、行政區數據通過正射糾正配準，平地、丘陵地相對誤差限差控制在2.0倍像元，山地、高山地限差控制在4.0倍像元[9]；配準后的影像鑲嵌裁切后得到忠縣DOM數據；然后采用中國科學院“國家資源環境遙感宏觀調查、動態分析與遙感技術前沿的研究”項目成果，將土地利用劃分為6大類，26個一級類型，建立土地利用解譯標志，進行土地信息提取與編輯，結合外業調查，對土地利用數據矢量圖進行修改及完善，通過分類精度、面積精度評價后得到土地利用現狀矢量數據(圖2)。

(2)將DEM數據在ArcGIS空間分析模塊Spatial Analysis中提取坡度信息，得到坡度柵格數據，再利用Reclassify重分類成小于2°、2°～5°、5°～10°、10°～25°、大于25°等5種類型(圖3)。

圖1 重慶市忠縣土地利用宏觀監測總體技術流程

圖2 2010年忠縣土地利用現狀

圖3 忠縣坡度分布

(3)政區劃圖層中，新建屬性數據表，添加鎮(鄉)名稱、總人口、自然增長人口、常駐人口、鎮區常住人口、GDP等字段，確定各字段的代碼、類型、長度、小數位數。再將從統計年鑒中獲取的社會經濟數據加入到屬性數據表中[10]。

3.3 生態安全評價

3.3.1 評價指標特征值獲取。利用忠縣土地生態安全數據庫，統計各鄉鎮的人均GDP，經濟密度，坡度大于25°耕地占耕地比重，林地、草地、水域面積比重，耕地面積比重，人均耕地面積，人口自然增長率，城鎮化率，人口密度共9個評價指標的實際值。

3.3.2 數據值標準化。采用極值法對各個指標層數據進行標準化處理，以消除量綱對評價結果的影響。當評價指標為正安全趨向指標時，指標的標準化處理公式為：

(1)

當評價指標為負安全趨向指標時，指標的標準化處理公式為：

(2)

式中,di為標準化后某評價因素指標的值；xi為標準化處理前某因素指標的值；xmin為標準化處理前因素指標的最小值；xmax為標準化處理前因素指標的最大值。

3.3.3 權重設置。根據專家意見構造判斷矩陣，判斷矩陣元素的值反應了專家對個因素相對重要性的認識。矩陣中標度值依據“1-9”比較標度法得到：

(3)

式中，aij=1/aji(i,j=1,2,…,n);aij=1(i=j)。

因此，A矩陣具有正值、互反性、基本一致性。

用和積法計算各個層次判斷矩陣的最大特征根λmax及其相應的特征向量V,并用隨機一致性指標CR=CI/RI進行一致性檢驗，得到各指標的權重結果(表3)。

表3 因子層各指標權重

3.3.4 綜合評價與分級。忠縣土地生態安全指標綜合值數學模型為:

(4)

式中,T為土地生態安全評價值；i為指標項數；Pi為各指標安全指數；Wi為各指標權重。

根據式(4)計算各鄉鎮土地生態綜合評價值，對綜合評價值進行分級，分別為惡劣級(S≤0.3)、風險級(0.30.6)共5個級別，其對應的土地生態安全狀況分別為生態環境問題很大并經常演變成生態災害、生態問題較大且生態災害較多、生態災害時有發生、生態災害不大、生態問題不顯著。

3.4 忠縣土地生態安全評價結果 根據各評價因子單因子得分對各因子得分求和，計算得到各鄉鎮土地生態安全綜合評價值，然后根據土地生態安全分級標準，對各鄉鎮的土地生態安全進行分類，統計和計算不同土地生態安全等級的分布特征及面積比例(表5)。具體各鄉鎮土地生態安全等級分布見圖4。

表5 忠縣各土地生態安全等級的分布特征及面積比例

圖4 忠縣各鄉鎮土地生態安全等級

4 結論

(1)國產環境一號衛星影像在土地資源調查與土地利用監測上具有較為廣闊的應用前景；該研究構建的土地生態安全評價指標體系和評價模型，充分考慮了指標的綜合性及其生態環境效應，在忠縣乃至三峽庫區具有一定適用性。

(2)該研究著重基于國產環境一號衛星的土地信息提取、土地生態安全評價指標與模型構建、土地生態安全評價數據庫構建等技術研究，考慮到各種收集數據的時間一致，采用了2010年數據，數據時效性上相對滯后。以后的研究中將充分考慮數據的時效性。

(3)評價指標及權重方面，對于地形地貌、生態環境等指標考慮不足，需在以后的研究中完善指標體系；權重方面，采用指標標度法確定因子權重，存在一定的主觀性，在以后的研究中將運用其他方法進行對比研究。

[1] YE H,MA Y,DONG L M.Land eoclogical security assessment for Bai Autonomous Prefecture of Dali Based using PSR Model—with Data in 2009 as Case[J]. Energy Procedia, Volume, 2011,5:2172-2177.

[2] 張虹波,劉黎明.土地資源生態安全研究進展與展望[J].地理科學進展,2006,5(5):77-85.

[3] 吳冠岑.區域土地生態安全預警研究[D].南京：南京農業大學,2008.

[4] 李恒凱，吳立新，李發帥.面向土地利用分類的HJ-1CCD影像最佳分形波段選擇[J].遙感學報,2013(6):1579-1586.

[5] 馬澤忠.三峽庫區忠縣區域生態環境質量對土地利用/覆被變化的響應[C]//劉彥隨.中國土地資源可持續利用與新農村建設.重慶：西南師范大學出版社，2008.

[6] 莫宏偉.基于GIS的關中地區土地利用變化及土地生態安全動態研究[D].西安：陜西師范大學,2010.

[7]張軍以,蘇維詞,張鳳太.基于PSR模型的三峽庫區生態經濟區土地生態安全評價[J].中國環境科學,2011,31(6):1039-1044.

[8]周寶同.土地資源可持續利用評價研究——以三峽庫區忠縣為例[D].重慶：西南農業大學, 2001.

[9]單小軍.圖像分層匹配的HJ-1A/BCCD影像自動幾何精校正技術與系統實現[J].遙感學報,2014,18(2):254-266.

[10] 忠縣統計局.忠縣統計年鑒2011[M].忠縣統計局，2011.

Evaluation on Land Ecological Safety Based on HJ-1 Satellite

GUAN Shang-bi1, LIU Zhi-hua2, MA Ze-zhong2et al

(1. School of River and Ocean, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074; 2. Chongqing Land Natural Resources and Building Surveying, Chongqing 400020)

An AHP model and evaluation index system of land ecological safety in Zhongxian County was constructed; According to HJ-1 satellite data, DEM, administrative division and socioeconomic statistics, the land ecological safety evaluation database based on ArcGIS platform was constructed, including using HJ-1 satellite image to extract land use information, adopting DEM to extract terrain information, combined socioeconomic statistics data with administrative division data and so on; then using ArcGIS spatial analysis model, through graphic overlay analysis, data fusion, numerical calculation and statistics, the characteristics of each index value was obtained, after standardization process with extremum method, using index weight to calculate land ecological evaluation score of each township in Zhongxian County, finally, land ecological safety grade was determined according to classifying standard.

HJ-1 satellite; Land ecological security; Aanalytic Hierarchy Process; Zhongxian County

重慶市國土資源和房屋管理局項目“重慶市基于國產衛星土地利用宏觀監測應用示范工程”。

官尚碧(1984- )，女，四川鹽邊人，碩士，從事地理信息系統與遙感技術應用、城鄉規劃、土地規劃與管理研究。

2015-05-12

S 127

A

0517-6611(2015)17-357-03