基于AHP-GIS統(tǒng)計的溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性空間評價

韓 麗，周炳江，明 亮，馬長樂，羅 清，曹世睿

（西南林業(yè)大學園林園藝學院，昆明 650224）

隨著城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，人們對自然資源的不合理開發(fā)利用導致了自然生態(tài)、生境的破壞，生態(tài)敏感性極度增加，生態(tài)系統(tǒng)功能迅速衰減。為合理修復生態(tài)破壞的區(qū)域，加強生態(tài)保護，利用生態(tài)敏感性分析是重要的研究方法之一。生態(tài)敏感性是指在不損失或不降低環(huán)境質量的情況下，生態(tài)因子對外界壓力或外界干擾適應的能力［1］，主要反映人類活動干擾和自然環(huán)境［2］變化對生態(tài)系統(tǒng)［3］的影響程度，可表明一個區(qū)域內發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度［4］、可能性大小以及它恢復的速度［5］。目前，國內外學者的關注點已轉移到生態(tài)敏感性的綜合評價［6］、損壞的生態(tài)環(huán)境的重新建設［7，8］、脆弱的生態(tài)環(huán) 境 的 科 學 管 理［9］、分 區(qū)［10，11］可 持 續(xù) 發(fā) 展 及 其 恢復［12］、指標體系的建立［13］等研究，研究元素也已發(fā)展到多因素綜合研究［14］，其研究的結果被應用于地質學、生物學［15］、經濟學、土地利用、可持續(xù)性研究、災害管理以及氣候變化等多個領域。

隨著地理信息技術的發(fā)展，生態(tài)敏感性的評價方法與GIS 技術的緊密結合［16，17］，使數(shù)據(jù)收集更加全面，評價方法更加完善，評價結果更為可靠。就GIS 而言，其強大的空間計算能力是未來研究生態(tài)環(huán)境［18］、地質［19］等問題的主要技術和方向。本文基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的特點進行識別，以海拔、植物郁閉度、土壤侵蝕、地類、坡度、坡向、石漠化7 個因子借助GIS 空間分析功能，將7 個因子按不同的生態(tài)敏感性層次進行重分類，并利用層次分析法（AHP）確定指標權重，采用多因子加權疊加取最值法［20］對溪落渡鎮(zhèn)的生態(tài)敏感性進行分析，得到研究區(qū)域生態(tài)敏感性等級分布。結合對數(shù)據(jù)的分析評估研究區(qū)域的生態(tài)保護重要性等級，為保護地區(qū)建設和生態(tài)環(huán)境提供科學的決策支持和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

溪洛渡鎮(zhèn)位于云南省昭通市永善縣，東鄰團結鄉(xiāng)，南接馬楠鄉(xiāng)，西靠務基鄉(xiāng)，北隔金沙江與四川省雷波縣相望。地理位置為東經103°63'、北緯28°23'，全鎮(zhèn)總面積334.5 km2，境內地形是由東南向西北漸漸抬升，主要以木魚山為主脈，由南向北分別向金沙江散播。海拔最高位于云蕎村姜家山，高度為2 853 m，最低位于水田村火燒灣，高度為390 m，海拔高差接近2 463 m，屬于一種典型的立體氣候。年均氣溫17.6 ℃，年降雨量500～5 109 mm，年日照時數(shù)1 200～2 100 h。溪洛渡鎮(zhèn)作為永善縣政治、經濟、文化交流中心，是金沙江流域生態(tài)建設的重要節(jié)點，也是世界第三大水電站——溪洛渡水電站所在地，大量的開發(fā)使溪洛渡生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，屬地質災害多發(fā)地帶［21］。對溪洛渡鎮(zhèn)進行生態(tài)敏感性研究，有助于確定金沙江流域環(huán)境發(fā)展趨勢和考量生態(tài)穩(wěn)定性，對該研究區(qū)域生態(tài)修復、可持續(xù)發(fā)展、合理開發(fā)和利用資源、促進研究區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定都具有現(xiàn)實意義。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文對于生態(tài)敏感性分析所收集到的數(shù)據(jù)有：2018 年生長季（6—10 月）Landsat 30 m 遙感影像圖、永善縣2016 年二類資源調查矢量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源：永善縣林業(yè)局提供）、地形圖、生態(tài)林保護規(guī)劃圖（2016 年）、2018 年云南省統(tǒng)計年鑒、云南省資源字典等資料。對上述收集到的數(shù)據(jù)進行地理配置、錯誤消除、空間校正等操作，保證數(shù)據(jù)形成標準化統(tǒng)一的生態(tài)敏感性因子地理信息數(shù)據(jù)庫，使所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到西安-1980 坐標下，柵格大小為90 m×90 m。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)敏感性評價指標選取及體系構建 生態(tài)敏感性實質是對現(xiàn)狀自然環(huán)境背景下潛在的生態(tài)問題進行明確的辨識，并將其落實到具體的區(qū)域空間［22］。本文中依據(jù)溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其地形地貌特征，結合國內外學者對生態(tài)敏感性評價中使用的指標［10，23］，基于基礎資料的可獲取性和數(shù)據(jù)的可處理性，于2018 年夏季對研究區(qū)域進行實地踏勘，并從實地考察及收集的資料中挑選出影響溪落渡鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的關鍵因子。選取指標有海拔、植物郁閉度、土壤侵蝕、地類、坡度、坡向、石漠化。技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線

2.2.2 確定評價因子權重 本文對于評價因子權重的確定借助的是層次分析法（AHP）。層次分析法是一種整理和綜合了人們主觀判斷的客觀分析方法，能有效地將主觀與客觀、定性與定量分析結合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，而且操作較為簡便。

1）建立遞階層次結構。應用AHP 分析決策問題時，首先要把問題條理化、層次化，構造出一個有層次的結構模型，這些層次可以分為3 類：最高層（目的層）、中間層（準則層）、最底層（方案層），每一層次中各元素所支配的元素一般不要超過9 個。

2）構建判斷矩陣。

①準則層中的各準則在目標衡量中所占的比重并不一定相同，引用數(shù)字1～9 及其倒數(shù)作為標度來定義判斷矩陣A=（aij）n×n（表1）。

②根據(jù)判斷矩陣標度定義對7 個評價因子建立判斷矩陣表，如表2 所示。

表1 判斷矩陣標度定義

表2 判斷矩陣

3）層次單排序計算。本文特征向量和特征值的計算采用方根法，其所求得的特征向量即為各參評因子的權重排序。具體計算步驟如下：

①A 元素根據(jù)行相乘得一個新的向量；

②新向量的每個分量開n 次方；

③所得向量經過歸一化處理即為權重向量。

利用上述方法得出各評價因子權重。

3 結果與分析

3.1 敏感區(qū)重分類

根據(jù)《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》對各評價因子的敏感性進行等級劃分，將溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性劃分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)5 個等級［24］；對這5 個等級相對應的賦值為1、2、3、4、5，如表3 所示。

表3 生態(tài)敏感性等級劃分

分析表3 中生態(tài)敏感區(qū)等級劃分的標準及各因子中不同類別對生態(tài)敏感性的貢獻值的不同，在了解溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的基礎上，對溪洛渡鎮(zhèn)中各評價因子的敏感性進行敏感等級劃分，在ArcGIS 中建立統(tǒng)一字段的數(shù)據(jù)庫，將矢量數(shù)據(jù)轉為同分辨率的柵格數(shù)據(jù)，用Arctoolbox 的重采樣（resample）工具處理DEM 數(shù)據(jù)，對生態(tài)敏感性不同評價因子進行現(xiàn)狀分類，以便疊加分析確定溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性等級。其重分類結果見圖2。通過對7 個因子的現(xiàn)狀與重分類敏感區(qū)兩者之間進行比較可發(fā)現(xiàn)，石漠化、坡向、地類重分類的空間格局變化較為明顯，而其他4個因子的空間分布卻無明顯變化。

3.2 權重分析

因各因子對生態(tài)敏感度重要性程度的不同，為表現(xiàn)溪落渡鎮(zhèn)綜合生態(tài)敏感性空間分布格局，本文通過層次分析法，采用1～9 及其倒數(shù)的標度方法，并結合專家打分法，得到各因子分別的權重［25］（表4）。結果顯示，造成的生態(tài)敏感性較高的因子主要有石漠化、郁閉度、土壤侵蝕、海拔。

表4 生態(tài)敏感性各測定因子權重

3.3 生態(tài)敏感度疊加分析

運用ArcGIS 疊加工具對重分類敏感區(qū)進行加權疊加，建立加權疊加模型［26］，如以下公式：

公式中Sj表示第j 個柵格像元的綜合生態(tài)敏感性評價值；Rij表示第i 個指標上第j 個柵格像元上的生態(tài)敏感性貢獻值；Wj表示第j個指標的生態(tài)敏感性權重值；n 表示柵格像元個數(shù)。由此得到永善縣溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性等級空間分布圖（圖3），進而統(tǒng)計出不同等級的生態(tài)敏感區(qū)面積（表5）與生態(tài)敏感性分布情況。由圖3 可以看出，溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性總體趨勢為南部、東南部以及西南部為高度敏感區(qū)以及中度敏感區(qū)分布較廣的區(qū)域，北部及西部以輕度及中度敏感區(qū)分布為主，呈階梯狀，自北向南呈現(xiàn)敏感度遞增趨勢。

圖2 生態(tài)敏感性測定因子重分類后的空間分布

圖3 生態(tài)敏感性等級空間分布

由表5可知，永善縣溪洛渡鎮(zhèn)的不敏感區(qū)面積為8.25 hm2，所占比例為0.02%，輕度敏感區(qū)13 189.96 hm2，所占比例為39.30%，中度敏感區(qū)面積11 336.31 hm2，所占比例為33.80%，高度敏感區(qū)面積為9 017.01 hm2，所占比例為26.88%，極度敏感區(qū)總面積為19.5 hm2，占總面積的0.06%。由此可見，不同生態(tài)等級的面積為輕度敏感區(qū)>中度敏感區(qū)>高度敏感區(qū)>極度敏感區(qū)>不敏感區(qū)，極度敏感區(qū)及不敏感區(qū)面積可忽略不計。

表5 溪洛渡鎮(zhèn)不同生態(tài)敏感等級面積統(tǒng)計

4 小結與討論

本文以永善縣溪洛渡鎮(zhèn)的自然環(huán)境特征為基礎，構建研究區(qū)域的評估指標體系，選取海拔、坡度、坡向、石漠化、植被郁閉度、土壤侵蝕以及地類7 個因子作為生態(tài)敏感性評價指標，經重分類結合各因子的權重，運用ArcGIS 加權疊加，對研究區(qū)進行生態(tài)敏感性評價分析，識別生態(tài)敏感程度高的區(qū)域，并針對其提出生態(tài)保護意見。

研究結果表明，研究區(qū)內輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)及高度敏感區(qū)所占比例總和為99.92%，可見溪洛渡鎮(zhèn)的總體生態(tài)敏感程度相對較高。層次分析法研究結果顯示，造成的生態(tài)敏感性較高的因子主要有石漠化、郁閉度、土壤侵蝕、海拔。海拔高度決定海拔區(qū)域的溫度，高海拔對于諸多的植物生長受到抑制，因此生態(tài)敏感性隨著海拔的升高而增大；坡度增大，開發(fā)和保護的難度增大，一旦發(fā)生事故，修復的可能性極大降低；不同的郁閉度和石漠化決定著水土保持能力以及光照度，水土保持能力對于植物的生長發(fā)育起著決定性的作用。溪洛渡鎮(zhèn)生態(tài)敏感性呈階梯狀，自北向南呈現(xiàn)敏感度遞增趨勢，南部、東南部以及西南部為高度敏感區(qū)以及中度敏感區(qū)分布較廣的區(qū)域，北部沿金沙江區(qū)域多為輕度敏感區(qū)。對于研究區(qū)域內中、高度生態(tài)敏感區(qū)需注意合理調配資源，嚴禁或限制地域開發(fā)，建立保護區(qū)，以便更好地完善或修復生態(tài)系統(tǒng)，加強生態(tài)保護宣傳，注重自然恢復為主、人工恢復為輔的原則。對于金沙江流域周邊生態(tài)治理已采取合理的生態(tài)保護措施，靠近河岸帶附近，雖多為輕度敏感區(qū)，但還是應建立緩沖帶，并種植植物增加郁閉度，防止水土流失；在城鎮(zhèn)內部，增加城市的綠化率；在高山地區(qū)，可采取退耕還林等措施對坡度較大、海拔較高、不適合種莊稼的農田進行修復；不斷改進生態(tài)敏感度修復的措施；通過生態(tài)建設，改善研究區(qū)內生態(tài)環(huán)境，根據(jù)城市經濟社會建設需要，引導城鎮(zhèn)發(fā)展，合理開展環(huán)境建設與生態(tài)工程建設，使高度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)的分布空間和分布規(guī)模不再增加，并做好積極的修復工作。

基于GIS 技術對生態(tài)敏感性的分析是以影響因子為導向、以地理訊息為目標確定生態(tài)敏感程度及生態(tài)問題的空間分析。地理信息系統(tǒng)可以處理多個空間標準，并為資源需求之間的分配提供工具，幫助決策者進行規(guī)劃［27］，更加快速地提取生態(tài)與自然環(huán)境中的各種數(shù)據(jù)，獲取其中存在的問題。將GIS 矢量疊加技術應用于小尺度的區(qū)域生態(tài)敏感性研究，可以使生態(tài)敏感性因子空間疊加分析變的高效、準確。在生態(tài)敏感性研究的發(fā)展歷程中，其評價因子的選取逐漸由單一因子分析［28］發(fā)展至多因子結合分析［29］，本文通過選取7 個代表性因子，反映研究區(qū)域內的生態(tài)敏感性，但由于資料獲取的困難性，多選擇的為自然因子，對人為因子和外部干擾等因素變量較少，這可能對生態(tài)敏感性區(qū)劃的結果造成一定的影響，并在因子權重分析中也存在主觀性。這些問題在今后的研究中要繼續(xù)補充和完善，本文結果為研究區(qū)域內土地資源的合理配置、有序的開發(fā)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐與參考，同時也對研究區(qū)域內生態(tài)建設、保護以及開發(fā)具有借鑒意義。