基于GIS和系統聚類流域系統綜合區劃方法與應用
——以廣西西江流域為例

丘海紅，張 澤，胡寶清

(1.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；2.廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.南寧師范大學 地理科學與規劃學院,廣西 南寧 530001)

1 引言

水資源是地球上所有生物的生存之源，是支撐整個生態系統正常運轉的重要物質基礎，對人類社會繁榮與經濟發展過程中發揮著重要的支撐和保障作用[1]。而流域更是地球上物質交換、能量傳遞的重要場所[2]。在流域科學發展和綜合區劃的進程中，國內外學者對流域的治理，生態保護，以及可持續發展均有諸多研究,將流域的自然和人文看成是一個整體、一個系統[3]。現代的自然地域劃分研究開始于19世紀初，當時闡明了區域、小區、地區和大區四級地理單元[4]。21世紀以來，我國許多學者開展對自然地理區劃及其相關研究。黃勛等[5]利用AHP模糊綜合法對四川省的地質遺跡空間區劃分析，進行了定量的評價。武曉玉等[6]利用綜合區劃原則和方法，對江西撫河源區生態系統的服務功能進行評價。方創琳等[7]以8大原則，10大要素為基礎劃分依據，采用空間聚類分析方法，對中國人文地理進行了綜合劃分。隨著定量地理學的興起，對于綜合區劃的研究的技術越來越成熟，方法越來越豐富[8～13]。雖然國內外對該領域研究一直火熱，但對此研究區的研究少之又少，且方法普遍性高，研究內容不全。本研究以廣西西江流域自然地理要素為基礎，以氣候、地貌、自然資源、社會經濟發展等要素為依據，按照一系列的原則，構建了廣西西江流域綜合區劃指標體系。本研究不僅編制了廣西西江綜合區劃，也可為其他流域的綜合區劃和治理提供的科學的系統的全面的理論基礎。

2 廣西西江流域系統綜合區劃基本依據和原則

2.1 綜合區劃的基本依據

區域的區劃依據的確定是選取指標的基礎，隨著區劃要求的不同而有所差異，因此，要根據區劃的特點和分異規律進行綜合判定。首先區域自然環境的分異，各個地區的氣溫、降水都有所差異，從而影響到農業生產、發展及土地利用[14]。其次資源稟賦是區域可持續發展的基礎，通過區域的等各種資源，如自然資源，旅游資源等來綜合分析研究區各地的資源狀況。綜合區劃目的是促進區域自然和社會可持續發展，因此，劃分時需要結合自然環境差異與人文經濟兩大因素對區劃的影響。區域內各地經濟發展不同，社會水平就會有很大的差異。經濟發達地區社會水平，社會建設相對較高。因此，區劃的劃分依據要結合自然人文因素綜合考慮。

2.2 綜合區劃的基本原則

(1)發生統一性原則。是進行區劃工作的基本原則。要充分掌握西江流域的發展情況，造成各地區不同的原因，保持廣西西江流域綜合區劃中縣級行政區劃的完整性[15]。

(2)相對一致性原則。要保證自身一致性，不同等級的相對一致性，根據具體情況，將區域按級別逐級劃分。

(3)區域共軛性原則。對于特征相似但不相鄰的地區，不可以歸為一類。廣西西江流域的每個單元都是依據自身特征而區劃的。

(4)綜合協調性原則。是對自然環境，如地貌，土壤等和經濟社會發展，如人口，經濟等的相對一致性，并將兩者相結合。

(5)自上而下與自下而上相結合原則。較高等級的區域劃分通常采用“自上而下”的演繹途徑，而較低等級的地域類型則多應用“自下而上”的歸納途徑[7]。

(6)綜合分析與主導因素相結合原則。在此原則下，廣西西江流域綜合地理區劃以自然因素作為綜合指導因素，以人文因素作為主導因素[16]。

3 廣西西江流域綜合區劃的指標體系和方法

3.1 廣西西江綜合區劃指標體系構建

結合上述依據和原則，建立廣西西江流域綜合區劃的指標體系，將自然和人文相結合綜合考慮(表1)。

表1 廣西西江流域綜合區劃指標體系

3.2 廣西西江綜合區劃的方法

3.2.1 數據的標準化

評價體系中涉及的指標數據在數值上差異很大，各指標單位也不相同，無法直接使用，所以必須進行數據的標準化處理[17]。公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：xij是標準化后第i個鄉鎮第j項指標的標準化數值;xi為指標i的標準化值；xi為指標i的初始值；xmin為指標i的最小值；xmax指標i的最大值。

3.2.2 熵值法

熵是一個表示離散程度的方法，指標的離散程度對綜合評價成正相關。

計算步驟如下：

(1)綜合標準化值Pij:

(3)

計算第項指標的熵值ej(為單元數,Pij=0時，lnPij=0)。

(4)

(2)計算第j項指標的差異性系數gj：

(5)

(3)計算j項指標的權重Wj：

(6)

3.2.3 層次分析法

層次分析是把復雜問題簡單化，層次化，經過兩兩對比后，選擇出相對重要因素[19]。

(1)建立評價指標集。設F={F1F2…Fm}是一個由F層評價指標構成的指標集(i=1,2,…,m),設Xi={X1X2…Xm}是對應于Fi(i=1,2,…,m)的評價因子R層構成的指標集[20]。

(2)構造判斷矩陣。判斷矩陣標度定義見表2。

表2 判斷矩陣標度定義

(3)計算權重。①計算兩兩判斷矩陣每行指標的乘積Mi:

(7)

②計算Mi的n次方根:

(8)

(9)

得到特征向量

④一致性檢驗，步驟如下。計算一致性指標CI:

(10)

其中λmax為判斷矩陣最大特征根值:

(11)

計算一致性比例CR：

(12)

式(10)、(11)、(12)中，CR為判斷矩陣得隨機一致性比率；CI為判斷矩陣得一般一致性指標；RI為判斷矩陣得平均隨機一致性指標；λmax為最大特征根；(AWi)表示向量AW的第i個分量。

(4)組合賦權計算為：

Wi=αθi+(1-α)wi0≤α≤1

(13)

式(13)中：Wi為組合權重，α為偏好系數，θi為層次分析法確定權重，wi為熵值賦權法確定權重。

3.2.3 系統聚類分析法

將全部個體各看成一類，確定樣品與樣品和類與類之間的距離，并將距離最近的兩類合并為一類，形成新的一類；重復計算距離，并有上述過程得到相應的聚類分析結果。系統聚類的具體分析步驟如下。

(1)原始數據標準化轉換。本文原始數據處理采用的是極差標準化的方法處理，其公式為：

(14)

(i=1,2,3…,n;j=1,2,3,…,m)

得到的新數據各要素的平均值為0，標準差為1，即有：

(15)

(16)

(2)計算歐式距離。本文采用平方歐式距離(Square Euclidean)測試廣西西江流域76個區縣單位之間的距離，其計算歐式距離公式為：

(17)

將所有行的歐式距離都算出來，可以得到一個n×n的歐式距離矩陣：

(18)

式中D為對稱陣，根據D可對n個點進行分類，距離近的點歸為一類，距離圓的點歸為不同的類。而后依據不同的聚類距離，對各區域單元進行聚類，并作聚類普系圖。

4 廣西西江流域綜合區劃過程

4.1 研究區概況

西江在廣西境內河長869 km，流域面積達到4162 km2。西江流域位于104°～113°E，21°～27°N之間[22]。西江流域氣候為中亞熱帶季風氣候和南亞熱帶季風[23]，年均降水量在1080 mm以上，年平均氣溫在20.5 ℃左右，年夏長冬短。廣西喀斯特地貌的分布廣泛，是全國石漠化問題比較嚴重的區域之一[24]。河池市、百色市、桂林市、崇左市、南寧市等老少邊山窮地區為石漠化區。

4.2 數據源及預處理

根據本文研究的需要，選取了氣象數據、多元遙感數據及社會經濟統計數據，具體如下。

(1)氣象數據來源于廣西統計年鑒和中國氣象科學數據共享服務平臺。利用ArcGIS軟件，將氣象數據處理為柵格數據。

(2)多元遙感數據主要來源于USGS MODIS陸地產品，空間分辨率30 m，對所獲得遙感數據進行大氣校正，融合，裁剪，投影轉換等預處理。

(3)社會經濟統計數據來源于廣西統計年鑒。

5 廣西西江流域綜合區劃方案

為研究廣西西江流域綜合區劃，促進區域可持續發展，根據區劃依據和劃分原則，以縣級為研究單元，綜合運用熵值法，層次分析法和系統聚類分析法，將廣西西江流域分為5個一級區和12個二級區。一級分區的主導要素是自然地理要素，二級分區的主導要素為自然地理和文化景觀要素。在分析各區發展現狀的基礎現狀上，提出了今后的發展方向，并探討了廣西西江流域整體開發的初步建議。

5.1 廣西西江流域綜合區劃(一級區)的生成過程和劃定

在綜合區劃的過程中，基于ArcGIS的空間疊加分析，以廣西西江流域綜合分區指數為基礎，計算每一行政的綜合指數的平均值，再結合廣西西江流域地理環境中的氣候、水文、地形地貌等子要素，從而能夠劃出廣西西江流域綜合區劃結果。對廣西西江流域分為5個一級區，一級區的命名采用：區位+地貌類型兩名法[4]，得到圖1，廣西西江流域綜合區劃的一級區圖。

5.2 廣西西江流域綜合區劃(二級區)的生成過程及劃定

在廣西西江綜合一級區劃圖的基礎上，結合各地區地理位置及社會經濟水平、發展方向等情況，遵循區域共軛性原則，以縣區為基本單元，計算廣西西江流域的綜合區劃指數，劃分出了廣西西江綜合區劃的二級區劃圖。二級區劃命名采用區位+地貌類型+發展方向三命名法，分為12個二級區[4]，得到圖2，廣西西江流域綜合區劃二級區劃圖。總體來看，自然和人文相結合的作用下綜合區劃具有一定的地域分異規律，桂中和桂南地勢平坦，交通便利，發展商務金融等旅游經濟區；貴東南、桂西南、桂東北、桂西北依據地理特色，發展特色農業，農業旅游景觀。結合各區的基本特色，綜合體現了各區地域特征及其今后的發展方向。

5.2 廣西西江流域綜合區劃的生成過程及方案

綜合廣西西江流域的一級區(5個)和二級區(12個)生成過程及區劃，得到廣西西江流域的綜合區劃方案(表3)。

6 結語

本文整理了一套流域系統綜合區劃的方法體系，在該方法體系的基礎上，以廣西西江流域為例，進行廣西西江流域綜合區劃。廣西西江流域綜合區劃是以廣西西江流域自然與人文地理要素為基礎，以氣候、地貌、自然資源、社會經濟發展等要素為依據，并按六大原則，構建廣西西江流域綜合區劃指標體系，采用系統聚類分析方法，將廣西西江流域綜合地理劃分了5個一級區和12個二級區。其中5個一級區包括中部緩丘平原、巖溶盆地區，東南部山地丘陵平原區Ⅰ，東北部峰林平原、山間谷地區Ⅱ，西南部峰叢洼地、低中山區Ⅲ，西南部峰叢洼地、低中山區Ⅳ，西北部峰叢洼地、高原斜坡區Ⅴ。廣西西江流域綜合區劃的特色在于其綜合性和動態性，該綜合區劃的劃分為地方經濟發展，生態建設具有重要的理論指導意義。

圖1 西江流域綜合區劃一級區劃

圖2 西江流域綜合區劃二級區劃

表3 廣西西江流域綜合區劃方案