基于GIS的威州地區地貌環境評價

(成都理工大學 四川 成都 610059)

引言

在城市建設的過程中，不合理的地貌利用，給人居環境帶來了影響。汶川地震的發生，對周圍地形形體、道路、河流形態及水文效應、區域經濟等都產生了很大的影響。地震后復雜的地貌環境不僅對人居環境的安全造成了影響，而且對汶川縣可持續發展也產生了影響。汶川地震的發生對自然、社會、經濟等各方面產生了巨大的影響，并且威州地區又是屬于一個山多、平地少、地貌災害較多的環境，因此對于威州地區的發展起著阻礙的作用。所以為了實現威州地區的發展，本文從GIS出發，對汶川縣的威州地區進行地貌環境的評價。在城市土地利用以及發展建設中，當地的地質條件、地貌概況如高程、坡度、坡向等的分析調研顯得十分重要。通過對威州地區地貌環境質量的綜合評價，對威州地區城市規劃和土地利用規劃有指導作用，評價分析區域的安全性并劃分安全區與非安全區，對于非安全區域，從措施上進行防止，由此實現城鎮的社會、經濟、環境的可持續發展。

一、研究區概況

威州地區位于青藏高原東部邊緣地帶、在四川省的西北方向，南距省會成都131km，北離州府馬爾康207.4km，介于31°15′～31°43′N與103°28′～103°44′E之間(圖2-1)。本文所研究的威州地區范圍包括威州鎮、綿虒鎮、龍溪鄉、克枯鄉和雁門鄉，共計兩鎮三鄉，幅員面積820.21km2。汶川縣地處西風帶，氣候特征是冬季干冷、夏季溫濕多雨。威州地區境內水系以岷江為主，年平均降水量730～850mm，水分條件好。威州地區的地層主要有震旦系、志留系、泥盆系等。威州鎮的經濟以發展農業為主，主要的糧食作物有玉米、小麥、土豆，主要的經濟作物是油菜及豆類。

二、數據與方法

(一)數據來源與處理

前人針對地貌環境評價已經開展了大量的調查和研究工作，建立了較為完整的指標體系，本文從地貌角度出發，把地貌因子分為微觀地貌指標、中觀地貌指標和宏觀地貌指標。其中，微觀地貌指標分別為坡度、坡向，中觀地貌指標為地貌分維度，宏觀地貌指標分別為地表粗糙度、溝壑密度、平面曲率、坡面曲率和地形起伏度，以上指標均由威州地區30m分辨率DEM數據提取。根據威州地區的面積與規劃制圖的需要，以及對評價精度的保證，選擇30m*30m的柵格尺度作為威州地區地貌環境評價的評價單元。根據威州地區實際面積的大小，在ArcGIS中生成了911362個30m*30m的單元。將各個地貌指標分成四級(表1)。

(二)主成分分析法

1.歸一化

在多種計算中都經常用到歸一化的方法。歸一化是指把不同參考系下的指標進行轉換，變成同一參考系下的指標。在威州地區的地貌環境評價過程中，首先要對各個指標進行歸一化處理，使它們從不同的來源統一到一個參考系下。其歸一化的模型為：

(1)

式中：X為轉換前的值，Y為轉換后的值；為樣本的最大值，為樣本的最小值。

2.主成分分析法

主成分分析是指對一組柵格波段執行主成分分析(PCA)并生成單波段柵格作為輸出。在威州地區地貌環境的評價過程中，選取了許多地貌環境的指標，把這些指標通過采用這種方法然后生成一個單獨的指標。這個工具生成后，就會得到跟輸入的指標相同的指標數。在生成的這些指標中，就會有一定的比較，比如，排在第一的指標就有最大的方差，排在第二的指標方差第二，依次類推。多數情況下，主成分工具生成的多波段柵格中的前三個或前四個柵格將對 95% 以上的方差進行描述。可以將其余各柵格波段刪除。因為新的多波段柵格所包含的波段數較少，而且 95% 以上的原始多波段柵格方差保持不變，因此計算速度更快，同時還保持了精度。

三、結果與分析

兩個變量的指標之間的相關密切程度稱為相關性分析。但是，這些指標都必須存在著一定的聯系與概率。從表4-3中可以看出，威州地區地貌環境的指標中，坡度與地表粗糙度呈正相關，并且相關性最大；其次是坡度與地貌維度；平面曲率與坡面曲率呈負相關，且相關性最小，其次是平面曲率與溝壑密度。

在主成分分析中，獲得各個指標的特征值百分比，將其作為各個評價指標的權重表(表4-5)，得到權重值。由表4-5可以看出，地貌維度的權重最大，其次是地表粗糙度；坡度和地形起伏度權重最小。由此可以說明，在威州地區地貌環境的研究中，地貌維度和地表粗糙度對威州地區地貌環境的影響最大，坡向與地形起伏度對威州地區地貌環境的影響最小。

在經過了主成分分析法確定了各個指標的權重后，卻只能了解各個指標在威州地區對地貌環境影響的程度，但是無法確定這些指標在威州地區的空間分布，所以必須要依靠GIS技術。前文中提到，威州地區地貌環境評價的指標之間都有著不同的尺度，所以要對這些指標進行處理后，才能一起運算。按照數值4、3、2、1對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。通過主成分分析得出各個指標的權重，運用地貌環境質量的計算公式(公式4-2)：

H=0.6647X1+0.1801X2+0.0810X3+0.0684X4+0.0022X5+0.0015X6+0.0010X7+0.0010X8

(公式4-2)

式中：H代表地貌環境質量評價結果，代表地貌環境質量水平的評價等級的賦值，前面的系數代表對應地貌指標的權重系數。

結合威州地區的實際，并按照自然間斷點分級法進行分類，對計算結果按照數值>0.3431，0.2487-0.3431，0.1738-0.2487，<0.1738作為劃分威州地區地貌環境質量等級的界限值，即可得到威州地區地貌環境質量評價圖(圖4-7)。

利用ArcGIS10.3的統計分析功能,可得出威州地區地貌環境質量的最后評價結果統計表(表4-6)。

表4-6 威州地區地貌環境評價結果統計表

通過圖4-7和表4-6可以得出，被評價為Ⅰ級的地貌區，總面積為177.8391km2，占研究區總面積的22.98%，主要分布在威州鎮、雁門鄉和龍溪鄉，分布方式以帶狀和面狀為主，并且范圍較大，人口、道路、河流和耕地也主要分布在Ⅰ級地貌區；被評價為Ⅱ級的地貌區，總面積有318.4497km2，占威州地區總面積的41.14%，勻稱的分布在威州地區內，分布方式以面狀和塊狀為主，該區域的植被主要為草地和灌木，林地較少，還有些少量的居民地、道路、水系和耕地；被評價為Ⅲ級的地貌區，總面積有220.014km2，占研究區總面積的28.43%，以塊狀分布研究區內的山脊、陡坡等地帶，基本無居民點分布；被評價為Ⅳ級的地貌區，總面積為5.76711km2，占研究區總面積的7.45%，主要以點狀分布在綿虒鎮、克枯鄉、雁門鄉的陡峭區域，主要為陡崖、陡坎，無居民點分布。

圖4-7 威州地區地貌環境質量評價圖

結論

通過對威州地區的地貌環境評價，可以得到下列結論：

1.結合威州地區地質條件、地理條件和生態條件，基于GIS 技術，通過ArcGIS平臺，對威州地區進行生態地質環境質量評價，將威州地區分為Ⅰ級地貌區、Ⅱ級地貌區、Ⅲ級地貌區、Ⅳ級地貌區，并進行建設用地適宜性分析。

2.威州地區是西南地區山地城鎮的典型代表，通過對威州地區的研究，利用GIS分析和主成分分析法，構建威州地區地貌環境質量評價指標體系，對指標體系中的各個評價指標進行全面評價及定級。計算出地貌指標相對應的權重。最后得到地貌環境綜合指數，對威州地區未來城市規劃和相似研究具有重要參考價值。