基于國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

官尚碧, 劉智華, 馬澤忠, 張海珍, 何錦峰, 孫 欣

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院, 重慶 400074；2. 重慶市國(guó)土資源和房屋勘測(cè)規(guī)劃院，重慶 400020)

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基于國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

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(xué)河海學(xué)院, 重慶 400074；2. 重慶市國(guó)土資源和房屋勘測(cè)規(guī)劃院，重慶 400020)

構(gòu)建了忠縣土地生態(tài)安全的層次分析模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；根據(jù)國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、DEM、行政區(qū)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等多源數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺(tái)建設(shè)土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星影像提取土地利用信息，利用DEM提取地形信息，并將社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與行政區(qū)劃數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；然后采用ArcGIS空間分析模型，通過(guò)圖形疊加分析，經(jīng)數(shù)據(jù)融合、數(shù)值計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，得到分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值，再經(jīng)極值法標(biāo)準(zhǔn)化處理，運(yùn)用指標(biāo)權(quán)重計(jì)算忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)評(píng)價(jià)得分；最后按土地生態(tài)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定土地生態(tài)安全等級(jí)。

環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星；土地生態(tài)安全；層次分析法；忠縣

土地資源為人類提供生產(chǎn)資料，也作為生產(chǎn)生活的空間載體，是人類社會(huì)最重要的自然資源類型之一[1]。隨著全球人口快速增長(zhǎng)和工業(yè)化、城市化的迅速步伐，面臨耕地被建設(shè)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(tài)問(wèn)題，并日益引起重視[2]。研究其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法，開(kāi)展相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)，探討保障策略，成為土地利用研究、生態(tài)安全研究的熱點(diǎn)[3]。

遙感數(shù)據(jù)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(diǎn)，在土地生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息獲取方面取得廣泛應(yīng)用。目前多采用Landsat、SPOT、QuickBIRD、NOAA、Radar SAR等國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星發(fā)展迅速，天繪一號(hào)、資源一號(hào)、資源二號(hào)、資源三號(hào)、北京一號(hào)、環(huán)境一號(hào)、海洋一號(hào)等國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星在測(cè)繪、資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4]。

筆者以重慶市忠縣為例，基于3S技術(shù)，應(yīng)用國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合DEM、行政區(qū)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，開(kāi)展縣域土地生態(tài)安全評(píng)估研究，為完善土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法提供參考。

1 研究區(qū)概況

忠縣位于重慶市中部，三峽庫(kù)區(qū)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(zhǎng)60.15 km。東鄰萬(wàn)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、46個(gè)居委會(huì)、319個(gè)村。地貌屬川東褶皺帶平行嶺谷區(qū)，是典型的丘陵地區(qū)，地形起伏，地貌以山地、丘陵為主，海拔117～1 680 m。氣候?yàn)榕瘽駚啛釒|南季風(fēng)氣候，縣內(nèi)河流屬長(zhǎng)江水系，雨量充沛，河道縱橫。長(zhǎng)江從西南向東北穿過(guò)縣境，河段長(zhǎng)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(tài)安全問(wèn)題較突出。特別是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，三峽工程蓄水引起的土地淹沒(méi)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(guān)系更為敏感。對(duì)土地生態(tài)安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，可及時(shí)掌握土地利用程度、狀況、土地質(zhì)量等，為土地利用調(diào)控及規(guī)劃政策制定提供參考[5]。

2 數(shù)據(jù)與工作平臺(tái)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 忠縣政區(qū)數(shù)據(jù)、1∶1萬(wàn)DEM、《忠縣統(tǒng)計(jì)年鑒2011》、2010年忠縣國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2.2 軟硬件平臺(tái) 硬件：PC計(jì)算機(jī)，中海達(dá)Qmini；軟件：ArcGIS 10.0，ErDAS Imagine 8.4。

3 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)模型 在借鑒國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合忠縣土地利用現(xiàn)狀和特征，根據(jù)合理性、可操作性、系統(tǒng)性和可比性原則，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)建層次分析模型(表1)[6～8]。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土地生態(tài)安全的影響趨勢(shì)，指標(biāo)分為正安全趨向指標(biāo)(+)和負(fù)安全趨向指標(biāo)(-)。正安全趨向指標(biāo)大，土地資源的生態(tài)安全狀況越好，或維護(hù)和改善土地資源生態(tài)安全能力越強(qiáng)；負(fù)安全趨向指標(biāo)越大，表明土地生態(tài)狀況越差，或土地的壓力越大。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè) 忠縣土地生態(tài)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)為土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)包括土地利用監(jiān)測(cè)、地形坡度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，技術(shù)路線見(jiàn)圖1。具體包括：

表1 土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(1)將DEM、環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星影像、行政區(qū)數(shù)據(jù)通過(guò)正射糾正配準(zhǔn)，平地、丘陵地相對(duì)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(zhǔn)后的影像鑲嵌裁切后得到忠縣DOM數(shù)據(jù)；然后采用中國(guó)科學(xué)院“國(guó)家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查、動(dòng)態(tài)分析與遙感技術(shù)前沿的研究”項(xiàng)目成果，將土地利用劃分為6大類，26個(gè)一級(jí)類型，建立土地利用解譯標(biāo)志，進(jìn)行土地信息提取與編輯，結(jié)合外業(yè)調(diào)查，對(duì)土地利用數(shù)據(jù)矢量圖進(jìn)行修改及完善，通過(guò)分類精度、面積精度評(píng)價(jià)后得到土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)(圖2)。

(2)將DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS空間分析模塊Spatial Analysis中提取坡度信息，得到坡度柵格數(shù)據(jù)，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(jiān)測(cè)總體技術(shù)流程

圖2 2010年忠縣土地利用現(xiàn)狀

圖3 忠縣坡度分布

(3)政區(qū)劃圖層中，新建屬性數(shù)據(jù)表，添加鎮(zhèn)(鄉(xiāng))名稱、總?cè)丝凇⒆匀辉鲩L(zhǎng)人口、常駐人口、鎮(zhèn)區(qū)常住人口、GDP等字段，確定各字段的代碼、類型、長(zhǎng)度、小數(shù)位數(shù)。再將從統(tǒng)計(jì)年鑒中獲取的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)加入到屬性數(shù)據(jù)表中[10]。

3.3 生態(tài)安全評(píng)價(jià)

3.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值獲取。利用忠縣土地生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人均GDP，經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)率，城鎮(zhèn)化率，人口密度共9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值。

3.3.2 數(shù)據(jù)值標(biāo)準(zhǔn)化。采用極值法對(duì)各個(gè)指標(biāo)層數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為正安全趨向指標(biāo)時(shí)，指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為：

(1)

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為負(fù)安全趨向指標(biāo)時(shí)，指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為：

(2)

式中,di為標(biāo)準(zhǔn)化后某評(píng)價(jià)因素指標(biāo)的值；xi為標(biāo)準(zhǔn)化處理前某因素指標(biāo)的值；xmin為標(biāo)準(zhǔn)化處理前因素指標(biāo)的最小值；xmax為標(biāo)準(zhǔn)化處理前因素指標(biāo)的最大值。

3.3.3 權(quán)重設(shè)置。根據(jù)專家意見(jiàn)構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣元素的值反應(yīng)了專家對(duì)個(gè)因素相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)。矩陣中標(biāo)度值依據(jù)“1-9”比較標(biāo)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(jì)算各個(gè)層次判斷矩陣的最大特征根λmax及其相應(yīng)的特征向量V,并用隨機(jī)一致性指標(biāo)CR=CI/RI進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到各指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果(表3)。

表3 因子層各指標(biāo)權(quán)重

3.3.4 綜合評(píng)價(jià)與分級(jí)。忠縣土地生態(tài)安全指標(biāo)綜合值數(shù)學(xué)模型為:

(4)

式中,T為土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)值；i為指標(biāo)項(xiàng)數(shù)；Pi為各指標(biāo)安全指數(shù)；Wi為各指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)式(4)計(jì)算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)綜合評(píng)價(jià)值，對(duì)綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行分級(jí)，分別為惡劣級(jí)(S≤0.3)、風(fēng)險(xiǎn)級(jí)(0.30.6)共5個(gè)級(jí)別，其對(duì)應(yīng)的土地生態(tài)安全狀況分別為生態(tài)環(huán)境問(wèn)題很大并經(jīng)常演變成生態(tài)災(zāi)害、生態(tài)問(wèn)題較大且生態(tài)災(zāi)害較多、生態(tài)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生、生態(tài)災(zāi)害不大、生態(tài)問(wèn)題不顯著。

3.4 忠縣土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果 根據(jù)各評(píng)價(jià)因子單因子得分對(duì)各因子得分求和，計(jì)算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)值，然后根據(jù)土地生態(tài)安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算不同土地生態(tài)安全等級(jí)的分布特征及面積比例(表5)。具體各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全等級(jí)分布見(jiàn)圖4。

表5 忠縣各土地生態(tài)安全等級(jí)的分布特征及面積比例

圖4 忠縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地生態(tài)安全等級(jí)

4 結(jié)論

(1)國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星影像在土地資源調(diào)查與土地利用監(jiān)測(cè)上具有較為廣闊的應(yīng)用前景；該研究構(gòu)建的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，充分考慮了指標(biāo)的綜合性及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，在忠縣乃至三峽庫(kù)區(qū)具有一定適用性。

(2)該研究著重基于國(guó)產(chǎn)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的土地信息提取、土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)與模型構(gòu)建、土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建等技術(shù)研究，考慮到各種收集數(shù)據(jù)的時(shí)間一致，采用了2010年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)效性上相對(duì)滯后。以后的研究中將充分考慮數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重方面，對(duì)于地形地貌、生態(tài)環(huán)境等指標(biāo)考慮不足，需在以后的研究中完善指標(biāo)體系；權(quán)重方面，采用指標(biāo)標(biāo)度法確定因子權(quán)重，存在一定的主觀性，在以后的研究中將運(yùn)用其他方法進(jìn)行對(duì)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(tài)安全研究進(jìn)展與展望[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2006,5(5):77-85.

[3] 吳冠岑.區(qū)域土地生態(tài)安全預(yù)警研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[4] 李恒凱，吳立新，李發(fā)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(xué)報(bào),2013(6):1579-1586.

[5] 馬澤忠.三峽庫(kù)區(qū)忠縣區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)土地利用/覆被變化的響應(yīng)[C]//劉彥隨.中國(guó)土地資源可持續(xù)利用與新農(nóng)村建設(shè).重慶：西南師范大學(xué)出版社，2008.

[6] 莫宏偉.基于GIS的關(guān)中地區(qū)土地利用變化及土地生態(tài)安全動(dòng)態(tài)研究[D].西安：陜西師范大學(xué),2010.

[7]張軍以,蘇維詞,張鳳太.基于PSR模型的三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2011,31(6):1039-1044.

[8]周寶同.土地資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)研究——以三峽庫(kù)區(qū)忠縣為例[D].重慶：西南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2001.

[9]單小軍.圖像分層匹配的HJ-1A/BCCD影像自動(dòng)幾何精校正技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].遙感學(xué)報(bào),2014,18(2):254-266.

[10] 忠縣統(tǒng)計(jì)局.忠縣統(tǒng)計(jì)年鑒2011[M].忠縣統(tǒng)計(jì)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(guó)土資源和房屋管理局項(xiàng)目“重慶市基于國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星土地利用宏觀監(jiān)測(cè)應(yīng)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(tǒng)與遙感技術(shù)應(yīng)用、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地規(guī)劃與管理研究。

2015-05-12

S 127

A

0517-6611(2015)17-357-03