基于投影尋蹤的土地復墾適宜性評價

賈文豪，董增川，耿 芳，段長桂

（河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098）

基于投影尋蹤的土地復墾適宜性評價

賈文豪，董增川，耿 芳，段長桂

（河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098）

為確定擾動區不同單元適宜的復墾方向，進而指導擾動區的生態恢復，研究提出了基于投影尋蹤算法的模糊識別模型用于土地復墾適宜性評價，并選擇黑河市堤防擾動區為研究區進行了實例研究。結果表明，各評價單元因基本條件不同，在復墾方向上存在顯著差異，將待復墾土地最終確定為農業用地和林業用地2個不同的利用方向。投影尋蹤法得到的土地復墾適宜性評價符合擾動區實際狀況，對土地復墾與生態恢復具有現實指導意義，并可將模型推廣應用于類似工程的土地復墾適宜性評價。

生態恢復；土地適宜性評價；擾動區；投影尋蹤法；黑河市堤防

1 土地復墾適宜性評價方法研究

針對土地復墾適宜性評價中指標體系層次多且復雜，具有高維、非線性、非正態的特點，本研究選用投影尋蹤模型對多指標數據進行降維處理，在確定評價指標后，土地復墾適宜性評價把現狀值與標準值進行分析和比較，并判斷與哪一分級標準更接近，因此，屬于模糊模式識別問題。

本研究結合投影尋蹤法與模糊模式識別，運用投影尋蹤法確定土地適宜性評價的指標權重[7]，并構造模糊識別模型對黑河堤防工程擾動區的土地復墾適宜性進行評價。

進行等級劃分后，設樣本的經驗等級為y（i），各響應的指標分別為1，2，…，n。其中，n 為樣本個數，p 為指標個數，其中，“一等（適宜）、二等（較適宜）、三等（勉強適宜）、四等（不適宜）”4 個等級分別對應“1，2，3，4”這 4 個數。用投影尋蹤法建立模糊模式識別模型的具體步驟如下。

1.1 標準化處理

由于各評價指標量綱的不同以及變化范圍上的差異，需要對各指標運用極差法進行歸一化處理，使其具有可比性。對于正向性指標，即數值與指標等級呈正相關的指標，歸一化方法如下。

對于負向性指標，即數值與指標等級呈負相關的指標，歸一化方法如下。

式中，xmin（j），xmax（j）分別表示原始數據中第j個評價指標最小值與最大值。

1.2 投影目標函數構造

設 a（j）是投影方向向量，樣本 i在 a（j）方向上的一維投影值如下。

在優化一維投影值時，要求投影值Z（i）盡可能體現出小集中、大分散的散布特征。為此，用下式構造投影目標函數。

式中，Sz，Qz分別為投影值 Z（i）的標準差和局部密度。

式中，E（Z）為序列的平均值；R為局部密度的窗口半徑，r（i，j）表示樣本間的距離。

1.3 投影指標函數的優化

當各指標的樣本集確定后，投影目標函數Q（a）僅由投影方向向量決定。不同的投影方向向量反映出不同的數據結構特征[8]。最佳投影方向向量可以通過設定約束條件后，求解其目標函數確定。

目標函數最大化方法如下。

通過以上轉化，將投影指標函數的優化問題變成以a（j）為變量的非線性優化問題。常規的線性方法難以處理，因而，選用在全局優化方面通用性優異的加速遺傳算法，來實現有效的高維全局尋優。

1.4 建立投影尋蹤模糊模式識別模型

設有需要對模糊子集A進行識別的s個樣本組成的集合，樣本的整體特征可用有m個指標特征值組成的矩陣X表示。

式中，xij表示樣本j的第i個指標的特征值。

將m項指標c個級別標準評價，則有指標標準矩陣如下。

式中，yih表示樣本h的第i個指標的標準特征值。

對于指標特征值y′ih隨級別h的增大而減小的指標以及指標與指標標準特征值對A的隸屬度分別如下。

設指標的權重向量為 w＝（ω1，ω1，…，ωm），應用拉格朗日函數[9]推導模糊識別模型如下。

2 實例應用

2.1 研究區概況

黑河市城區堤防是黑龍江干流堤防工程的重要組成部分，堤防長度為21.493 km，位于黑河市東部。該段堤防主要保護黑河市城區及4個鄉鎮約20萬人，具有重要的社會經濟效益。該區呈中溫帶大陸性季風氣候特征，多年平均氣溫為-0.5℃，極端最低氣溫為-40℃，多年平均降水量為537.7 mm，降水量的年內分配極不均勻，主要集中在七八月，其占年降雨量的47.1%。擾動區的土壤土層較薄，土質主要為黏土與礫石等。

擾動區占地面積總計約1 887 hm2，占地類型包括耕地、草地以及林地，其中以耕地為主。由于堤防修建產生擾動，使得占用的土地大多被破壞。

2.2 評價原則確定

2.2.1 因地制宜原則 本著“宜農則農、宜牧則牧、宜林則林”的原則，盡量恢復為耕地，以保護農田。

2.2.2 綜合原則 使綜合效益最大，也即綜合考慮社會、生態與經濟的效益。

2.2.3 主導因素原則 綜合對比分析土地復墾利用相關的諸多因素，最終確定影響復墾利用的主導因素。

2.3 評價單元劃分

評價單元是土地復墾適宜性評價的具體對象，評價單元及其組合可以反映土地對農牧林業利用類型的適宜程度以及不同用地類型的地域分布狀況。評價單元的劃分決定了適宜性評價結果的精度、評價工作量的大小以及評價成果的可應用性。評價單元的劃分依據應綜合考慮土地破壞程度、限制性因素、破壞類型的影響。根據工程破壞土地的分析結果，將擾動區的評價單元劃分為主體工程區、料場區以及臨時道路區3個部分。

2.4 評價因子選取

在綜合考慮黑河堤防修建擾動區的地形條件、土質情況、基礎設施條件以及土地破壞程度的基礎上，選取10項土地適宜性評價因子[10-14]，分別為：地形坡度、有效土層厚度、水土流失強度、土體容重、pH值、表層土壤質地、損毀程度、灌溉條件、排水條件、交通條件。

2.5 評價等級確定

表1 黑河市堤防修建擾動區評價標準

根據《土地復墾技術標準》、《耕地地力調查與質量評價技術規程》（NY/T 1634—2008）等相關政策法規，參照“中國1∶100萬土地資源圖”的土地適宜類、土地限制型與土地質量等級，結合現有研究成果[15-19]，按參評因素對耕地、林地、草地的影響，把土地復墾適宜性評價等級確定為4級（表1）。

2.6 評價結果

根據黑河市堤防修建擾動區各單元實際情況，得到各評價指標值列于表2。

表2 黑河堤防土地復墾適宜性評價指標值

利用評價指標標準化后的值，建立起投影尋蹤聚類評價模型，代入投影尋蹤模型進行優化計算，得出最大投影值為2.644 6。最佳投影向量與權重分別為 0.537 8，0.498 6，0.222 7，0.203 3，0.203 3，0.128 5，0.497 9，0.157 5，0.128 6，0.181 8（最佳投影方向）；0.289 2，0.248 6，0.049 0，0.041 3，0.041 3，0.016 4，0.247 9，0.024 8，0.018 5，0.023 0（權重）。將一等、二等、三等、四等對應的指標值代入模糊識別模型中[20]，得到不同等級對應的投影值范圍列于表3。

表3 土地適宜性評價級別判定范圍劃分

將各單元的指標值代入模糊模式識別模型中，即可得到各單元土地復墾適宜性評價的最終結果以及相應的等級（表4）。

表4 各單元土地復墾適宜性評價結果

3 結語

本研究基于黑河是堤防工程擾動區的特點，構建了黑河市堤防工程擾動區土地復墾適宜性評價指標體系，并建立了全面的土地復墾適宜性評價的等級標準。采用基于投影尋蹤法的模糊模式識別模型對黑河市堤防工程破壞的土地進行評價，該模型采用投影尋蹤法確定各指標權重，確保了權重分配的客觀合理性，選用模糊模式識別模型判別土地復墾適宜性評價等級，對各單元不同的適宜性等級進行了劃分，實現了土地復墾適宜性評價，確定了待復墾土地合理的利用方向。對黑河市堤防擾動區的評價結果與黑河實際情況相符，驗證了文中投影尋蹤的模糊模式識別模型的可行性與可靠性。本研究結果不僅對黑河堤防擾動區落實生態文明建設、實現可持續發展具有重要的意義，也對類似工程的土地復墾評價具有一定的參考價值。

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Suitability Evaluation of Land Reclamation Based on Projection Pursuit

JIA Wenhao，DONG Zengchuan，GENG Fang，DUAN Changgui
（College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China）

To determine the suitable reclamation of disturbed zone,and guide the ecological restoration of disturbed area,this study proposes the land reclamation suitability evaluation of fuzzy recognition model based on projection pursuit algorithm.Heihe city local disturbance zone was studied as an example in study area.The results showed that the evaluation unit for different soil conditions,there were significant differences in the direction of reclamation land reclamation,eventually identified as agricultural land and forestry land use 2 different directions.The suitability evaluation of land reclamation by projection pursuit method accords with the condition of the disturbed area,has practical significance for land reclamation and ecological restoration and land reclamation model can be applied to similar engineering suitability evaluation.

ecological restoration;land suitability evaluation;disturbance zone;projection pursuit method;Heihe dike

TD88

A

1002-2481（2017）10-1667-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.23

堤防修建過程中，工程臨時用地的占用以及修建活動均會對土地造成挖損、壓占等破壞，導致生態系統功能出現退化，進而使區域植被覆蓋率降低、水土流失強度增加、生物多樣性減少的問題逐漸凸顯。土地復墾適宜性評價是確定待復墾土地合理利用方向的一種有效的手段，在土地復墾中具有重要的地位[1]，但不同土地復墾適宜性評價方法對評價結果的準確性與客觀性具有較大差異[2]。

國內外學者對土地復墾適宜性評價已陸續開展了一系列研究。在不同評價方法中，王歡等[3]對土地復墾適宜性評價的方法進行了總結，重點介紹了極限條件法、可拓法、指數和法、模糊綜合評價法以及人工神經網絡模型等5種方法；王世東等[4]提出了一種新的極限綜合評價法，對鶴壁礦區土地復墾的適宜性進行了評價；文沛沨等[2]引入免疫克隆算法，對巴廣渝高速公路的土地復墾適宜性評價進行研究；盧曉杰等[5]運用模糊綜合評判法對響水澗抽水蓄能電站工程待復墾地進行了實例探究。上述方法已在土地復墾評價中得到了廣泛的應用，并對土地復墾具有一定的指導意義。然而，這些方法基本都需要對指標進行賦權，存在主觀性與人為干擾性，且對高維數據處理難度較大[6]。

本研究選取黑河市堤防工程擾動區為研究對象，綜合考慮區域的社會、經濟及土地使用情況，對評價單元進行了劃分，構建了土地適宜性評價指標體系，建立基于投影尋蹤的模糊模式識別模型進行土地復墾適宜性評價。該工程使用的評價方法及實踐經驗，將有助于全面了解堤防工程施工占地的土地復墾適宜性評價方法，并依據實際情況及時提出完善措施，以切實保護土地、恢復生態、實現工程及所在區域的可持續發展。

2017-03-28

黑龍江省應用研究與開發計劃項目（GZ16B035）

賈文豪（1994-），男，安徽毫州人，在讀碩士，研究方向：生態水利。