基于GIS和RS的北海市生態敏感性分析

李效榮,謝育珽,劉 萍

(1.保德縣水利發展中心,山西 忻州 036699;2.太原理工大學大數據學院,山西 太原 030024)

隨著城市化水平的不斷提升以及人民日益增長的美好生活需要,全中國各個城市都加快推進城市建設,城市化率不斷提高,但同時也帶來諸如水污染、大氣污染及噪聲污染等生態環境問題。因此,對生態環境的綜合性分析評價就顯得尤為重要,需要對城市進行生態敏感性分析。生態敏感性反映了人類活動干擾和自然環境變化對生態系統的影響程度,從而反映出在該生態系統下,環境變化可能引發的生態環境問題的嚴重程度[1]。生態敏感性高低的衡量標準一般是生態因子的適應能力或恢復能力,其評價能夠反映區域的自然環境良好程度、土地利用情況、人口負荷情況及未來合理規劃方向,生態環境敏感性與評價是結合多種環境影響因子反映生態系統穩定性的重要方式,合理地研究區域的生態功能價值與生態敏感性對國家生態政策制定具有重要意義。目前,城市的經濟發展與環境保護問題是學者們較為關注的熱點,很多學者從不同角度進行了生態敏感性的研究,如ZHANG等[2]利用綜合生態敏感性分析評估生態旅游對森林植被景觀的影響;劉萍[3]基于土地利用與土地覆蓋變化進行的生態服務價值特征研究;KONG等[4]利用生態敏感性對土地利用變化的影響研究;ZHENG等[5]結合海拔、坡度、坡向、森林類型和聚合距離評估城市森林公園的生態敏感性;劉鸝等[6]從水生態、水環境、水資源、水安全4個方面構建評價指標體系,對鶴壁市海綿城市建設的影響因素進行敏感性分析;陳榕榕等[7]通過ArcGIS平臺結合層次分析法,構建了泉州市生態敏感性評價體系。廣西北海市是全國14個沿海開放城市之一,自然資源豐富,擁有豐富的港口、淡水、能源、海洋(資源豐富擁有中國四大漁場之一的北部灣)、礦產及旅游資源[8]。因此,對北海市生態環境的保護十分重要。本文基于遙感數據和遙感影像,利用GIS技術和RS技術對北海市陸域的土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(NDVI)、高程、坡向以及水域緩沖區進行了綜合分析,并對生態敏感性做了綜合評價。本研究對北海市陸域生態環境治理、生態系統保護和修復以及城市綠色發展等具有重要的現實意義。

1 研究區概況

北海市別名珠城,位于廣西南部、北部灣東岸,地理位置位于東經108°50′45″～109°47′28″、北緯20°26′～21°55′34″,屬亞熱帶海洋性季風氣候。北海市轄海城、銀海、鐵山港3區與合浦1縣。境內河網密布、支流眾多,南流江為最大河流。地勢呈由北向南傾斜狀態,西北與東北為丘陵地帶,南部沿海為臺地與平原地帶。北海市境內擁有豐富的自然資源,包括14種非金屬礦、多種金屬礦及石油、天然氣等,本文針對北海市陸域開展研究。

2 數據來源及數據預處理

2.1 數據來源

Landsat 8是空間分辨率30 m的中分辨率太陽同步近地軌道衛星[9]。MODIS是搭載在Terra和Equa衛星上的一個傳感器,具有36個離散光譜通道,能實現從可見光波段到熱紅外波段全部光譜范圍覆蓋[10]。本研究數據來源為地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)的Landsat 8衛星數據、MODIS合成產品和SRTMASPEST 90M分辨率坡向數據。高程數據和坡向數據都下載自地理空間數據云平臺,LUCC、NDVI以及水域緩沖相關數據都基于ENVI軟件處理遙感影像反演得出。

2.2 數據預處理

首先對北海市陸域行政區劃地圖進行矢量化,得到北海市陸域的行政區劃矢量數據。選取北海市陸域云量較小的遙感影像,在ENVI和MapGIS等GIS平臺下對遙感數據進行大氣校正、幾何校正、投影轉換、裁剪和拼接,得到北海市陸域區劃下的遙感影像數據,以此為基礎展開北海市陸域生態敏感性分析。

3 研究方法

在生態敏感性研究中,土地利用、植被覆蓋、地形地貌以及水域周邊環境等都對生態環境存在一定的影響。土壤是保障地球生態系統結構和功能的核心[11],土地利用變化能夠引起土壤養分和水分變化、地表徑流與侵蝕、生物多樣性分布以及生物地球化學循環等的自然現象和生態過程的變化,進而影響生態系統的功能[12];植被是陸地生態系統的物質基礎,植被覆蓋對控制水土流失、改善生態環境有重要意義[13];地形的起伏是導致水土流失的最直接因素[14];河岸緩沖帶是連接陸域和水域的生態紐帶,對維持河流水質、維護流域景觀穩定性和生態安全具有重要的意義[15]。北海市地勢總體呈北高南低,地表略有起伏,南部起伏甚小,北部起伏略大,工業用礦資源、石油、天然氣等資源豐富,但由于過度開采對生態環境造成了巨大的壓力。根據北海市的土地利用動態變化及生態系統特點,從水環境、地貌環境及生態環境等方面選取了土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個敏感性評價因子。

生態敏感性評價的步驟一般為確定評價對象和范圍、選擇評價因子、構建評價指標體系、確定因子權重[16]。首先對各因子進行單因子評價,利用GIS空間分析法,對多個評價因子的生態敏感性分布進行不同敏感度區域的面積計算,得出不同敏感區域在東川區總面積中的占比情況,便于進行敏感性等級之間的相互對比,構建北海市陸域敏感性評價的單因子評價體系,再采用層次分析法確定各單因子的權重,構建綜合評價模型。

3.1 單因子評價體系

北海市陸域的生態敏感性單因子評價中,選取土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個敏感性評價因子。單因子評價等級體系見表1,將各因子按敏感性程度劃分為非敏感區、低敏感區、中敏感區和高敏感區4個等級[17]。

表1 單因子評價等級體系

3.1.1土地利用/覆蓋變化(LUCC)

土地利用指土地的使用狀況或土地的社會、經濟屬性,土地覆蓋指地球表層的自然屬性和生物物理屬性[18]。運用Landsat 8遙感影像,反演北海市陸域LUCC評價因子。

3.1.2歸一化植被指數(NDVI)

歸一化植被指數(NDVI)可反映植物生長狀況以及植被覆蓋變化狀況[19]。NDVI的計算見式(1),取值范圍為-1～1,與植被覆蓋程度整體上呈正相關[20]。

(1)

式中Rnir、Rred——紅光波段和近紅外波段的光譜反射率。

3.1.3高程

地形變化可通過高程反映。海拔與氣溫呈反比關系,即氣溫隨海拔的升高而降低,按照實際大氣溫度直減率的定義,在對流層范圍內,海拔每升高100 m,溫度約下降0.65℃[21]。

3.1.4坡向

坡向對生態環境的影響主要表現在2個方面:一方面,不同坡向接收的熱量和日照時間不同,體現在北半球南坡日照比北坡熱量高、時間長,植被生長表現更好;另一方面,坡向不同影響降水,進而影響植被生長發育所需的水分,表現在迎風坡降水多于背風坡。

3.1.5水域緩沖

沿水域緩沖帶,沿岸的景觀生態表現出不同的格局,總體上生態環境質量呈遞減趨勢,即距離水域越近,生態環境條件越好,反之生態環境條件表現越差。本研究先通過歸一化水體指數提取水體,再向水域岸帶區域按水域緩沖半徑分析敏感區。

3.2 綜合評價模型

3.2.1層次分析法

層次分析法是作為一種定量研究方法,可以確定生態環境中各指標的相對重要性并對其進行綜合定量分析[22]。不同評價因子對生態環境的影響程度不同,使用層次分析法確定生態敏感性綜合分析中各評價因子的權重。

a)深入分析所研究問題的各相關因素。按照各屬性的區別不同進行分解,自上而下建立起層次結構模型,各層次之間上下存在影響作用。

c)進行一致性檢驗:

C=(Cij)m×n=C·WT

(2)

計算得各單因子的權重值見表2。

表2 單因子權重值

3.2.2模型建立

生態敏感性受到多個影響因子的共同作用,由于每個單因子柵格圖像屬性不同,需要對各個因子進行疊加分析。GIS是解決空間疊加分析的常用工具,加權疊加法常用于解決多準則問題,具有充分綜合各評價因子影響力以及減小誤差的優點。北海市陸域生態敏感性的綜合評價采用加權疊加法綜合各單因子影響程度,將單因子柵格圖像像元值與對應的因子權重值相乘,計算方法見式(3)。

(3)

式中i——評價的單元編號;k——評價的單因子編號;n——參與的評價因子總數;Bki——敏感性評價值;Wk——第k個評價因子的權重值。

4 結果與分析

4.1 單因子敏感性分析

4.1.1LUCC

對北海市陸域進行土地利用/覆蓋變化(LUCC)的單因子敏感性評價,LUCC的單因子敏感性分布見圖1。LUCC各敏感區面積占全市總面積的比例見表3,其中非敏感性區面積占比最低,為10.06%,主要分布在西南角市區、鐵山港和合浦縣城所在區域,以城鎮建設用地和未利用地為主;低敏感性區土地面積占比最高,達40.74%,分布范圍較廣,主要在中部地區以及合浦縣南流江沿岸地區,區域內主要是農業用地,如耕地等;中敏感性區土地面積占比次高,為31.40%,主要分布在研究區的西北部,大部分位于合浦縣范圍,區域內主要為林地;高敏感性區以北海市陸域的東北部丘陵為主,同時包括南流江在內的大小河流水面,面積占比為17.80%,以水面、山區自然林等為主。

圖1 北海市陸域單因子LUCC敏感性

表3 LUCC各敏感區面積占總面積比例 %

北海市陸域的東北部丘陵為高敏感性區,對北海市生態環境建設的意義重大,應特別加強保護。

4.1.2NDVI

對北海市陸域進行歸一化植被指數(NDVI)的單因子敏感性評價,NDVI的單因子敏感性分布見圖2。NDVI各敏感區面積占全市總面積的比例見表4,其中非敏感性區面積占11.16%,以河流湖泊等水域和城鎮建設等基本無植被覆蓋的區域為主,大致分布在南流江、洪潮江水庫以及沿海區域;低敏感性區在4個敏感性區域中占比最高,達50.62%,該區域主要位于北海市陸域中部及南部地帶,主要為包括耕地等農業用地;中敏感性區土地面積所占比值次高,為34.65%,主要分布于北海市陸域東部及西北部,主要位于合浦縣;高敏感性區面積占比值最低,僅為3.57%,主要位于市東北部山地地區,此地區海拔相對較高,有眾多的山嶺存在,以林地為主,植被覆蓋率高。

圖2 北海市陸域單因子NDVI敏感性

表4 NDVI各敏感區面積占總面積比例 %

4.1.3高程

對北海市陸域進行高程的單因子敏感性評價,高程的單因子敏感性分布見圖3。高程各敏感區面積占全市總面積的比例見表5,其中非敏感性區面積占比最高,超過總面積的一半,達66.64%,主要分布在南流江沿岸以及北海市陸域南部與西部等沿海地區;低敏感性區域面積占比次高,為26.83%,主要分布在合浦縣境內;中敏感性區大部分分布在北海市陸域東北部丘陵地帶,面積占比為6.43%;高敏感性區域面積占比最低,僅為0.1%,基本分布在合浦縣曲樟鄉周邊地區。

圖3 北海市陸域單因子高程敏感性

表5 高程各敏感區面積占總面積比例 %

北海市陸域高程中非敏感區和低敏感區面積之和占北海市陸域總面積的比例達到93.47%,即高程在60 m以下地區面積占比達93.47%。高程敏感性整體介于非敏感與低敏感之間。

4.1.4坡向

對北海市陸域進行坡向的單因子敏感性分析,坡向的單因子敏感性分布見圖4。坡向各敏感區面積占全市總面積的比例見表6,其中非敏感區面積占比最低,僅為0.01%,主要分布在正北坡向,該坡向日照與輻射最少且溫度較低;低敏感性區面積占比次高,為48.10%,主要分布在山體西北和東北坡向;中敏感區面積占比50.13%,占比最高,主要分布在山體東南和西南坡向,與植被的受光照條件以及溫度密切相關,正南方的日照時長與太陽輻射強度最多;高敏感性區域面積占比次低,僅為1.76%,表明研究區的南坡占比較低。

圖4 北海市陸域單因子坡向敏感性

表6 坡向各敏感區面積占比 %

北海市陸域坡向以西北、東北、西南和東南為主,占比達98.23%,正北正南坡向占比極少,僅為1.77%。北海市陸域坡向整體表現為中、低敏感性。

4.1.5水域緩沖

對北海市陸域進行水域緩沖的單因子敏感性分析,水域緩沖的單因子敏感性分布見圖5。水域緩沖各敏感區面積占全市總面積的比例見表7,其中非敏感區面積占比最高,達65.16%;低敏感性區主要分布在以距河流250～500 m為緩沖半徑的緩沖區內,面積占比為15.37%;中敏感性區主要分布在以距河流50～250 m為緩沖半徑的緩沖區內,面積占比15.60%;高敏感性區分布在以50 m為半徑的緩沖區內,面積占比最低,僅為3.88%。因此,北海市陸域水域緩沖半徑大于500 m分布最多,在50～500 m區間有少量分布。

圖5 北海市陸域單因子水域緩沖敏感性

表7 水域緩沖各敏感區面積占比 %

4.2 綜合敏感性分析結果

在GIS技術的支持下,根據土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個生態敏感性影響因子的權重,采用加權疊加法得出北海市陸域生態敏感性分布,結果見圖6,各敏感區面積占全市總面積的比例見表8。北海市陸域的生態敏感性主要為由東向西、由北向南呈遞減趨勢。北海市陸域非敏感區和低敏感區面積占比之和64.3%,主要分布在西南部,此地區是北海市政府所在地,土地利用類型以城鎮用地、建設用地和未利用地為主,也存在部分農業用地,城鎮化水平較高,植被覆蓋度較低,高程以30 m以下為主,且河網相對不發達。中敏感區面積占比為29.88%,主要分布在合浦縣境內,土地利用類型主要為園地、草地、林地和水域,植被覆蓋率較高。高敏感區占比為5.82%,主要分布在北海市陸域東北部,此地區為山區,且呈東北至西南走向,土地利用類型以林地為主,植被覆蓋率高,高敏感區也少量分布在北海市陸域中部和西北部。

圖6 北海市陸域生態敏感性綜合分析

表8 綜合評價各敏感度區面積占比 %

從北海市各區角度分析,海城區與銀海區生態敏感度較低,鐵山港區中等,合浦縣為最好。合浦縣在北海市“三區一縣”中經濟發展水平相對較低、城鎮化率不高、還屬于成長階段、具有很大的開發潛力。而海城區和銀海區經濟發展水平相對較好,常住人口眾多。隨著人民對美好生活需要的不斷增長,開展村屯綠化等生態文明建設工作急需提上日程[23]。

從經濟開發建設角度分析,非敏感區和低敏感區的生態系統較穩定,對外界的防干擾能力與抵抗能力較強,在北海市陸域將來的開發建設中可以作為優先選擇區域,但是需要防止重化工企業以及污染性企業的入駐。中敏感區可以進行適度的開發,但是考慮到該區域內大多是耕地,應重點加強對生物多樣性的保護,做到生態文明建設與經濟建設協同發展。而高敏感區作為生態環境最脆弱、穩定性最差的區域,極易受到外界破壞和干擾,應將其納入生態環境重要保護范圍,同時禁止森林砍伐和開墾土地等破壞該地區生態環境系統的行為。

5 結語

本研究基于GIS和RS技術,選取土地利用/覆蓋變化(LUCC)、歸一化植被指數(NDVI)、高程、坡向及水域緩沖5個生態敏感性評價因子,分別進行了單因子評價,并結合層次分析法和加權疊加法針對北海市陸域生態敏感性構建了綜合評價模型,結論如下。

a)在5個生態敏感性評價因子中,土地利用/覆蓋變化(LUCC)評價因子對北海市生態環境敏感性的影響最高,高程評價因子對其影響最低,其權重分別是0.368 7和0.055 6。

b)研究區的生態敏感性主要為由東向西、由北向南呈遞減趨勢。非敏感區和低敏感區面積占比之和為64.30%,主要分布在西南部,以城鎮建設用地和未利用地為主,也存在部分農業用地,如耕地等,植被覆蓋率較低,高程以30 m以下為主,且河網相對不發達。

c)中敏感區面積占比為29.88%,主要分布在西北部,大部分位于合浦縣境內,土地利用類型主要為園地、草地、林地和水域,植被覆蓋率較高。

d)高敏感區占比為5.82%,主要分布在北海市陸域東北部,此地區為山區,且呈東北至西南走向,土地利用類型以林地為主,植被覆蓋率高,高敏感區也少量分布在北海市陸域中部和西北部。