基于GIS的霍爾果斯市生態(tài)敏感性分析

潘美言 潘悅 徐永濤

摘要? 選取霍爾果斯市作為研究對(duì)象，根據(jù)霍爾果斯市的特征，選取坡度、坡向、植被覆蓋指數(shù)（NDVI）、河流緩沖區(qū)、土地利用類型和土壤類型6個(gè)因子，利用層次分析（AHP）法確定因子權(quán)重，在GIS中按各因子的權(quán)重進(jìn)行疊加，得出霍爾果斯市生態(tài)敏感性綜合分析圖對(duì)生態(tài)敏感度定量分析。結(jié)果表明，該市生態(tài)敏感性劃分為高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和不敏感區(qū)，分別占研究區(qū)域面積的25.35%、21.42%、26.78%、26.45%，各敏感區(qū)面積占比均衡，表明霍爾果斯市生態(tài)敏感性總體適中。

關(guān)鍵詞? GIS；生態(tài)敏感性；空間分析；霍爾果斯市

中圖分類號(hào)? X826? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A? 文章編號(hào)? 0517-6611（2024）01-0056-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.013

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Ecological Sensitivity Analysis of Khorgos City Based on GIS

PAN Mei-yan1，2，PAN Yue3，XU Yong-tao4

（1.College of Geographical Science，Harbin Normal University，Harbin，Heilongjiang 150000;2.Xingxin Vocational and Technical College， Xinjiang Production and Construction Corps， Tiemenguan，Xinjiang 841007;3.Xinjiang University of Science and Technology， Korla，Xinjiang 841000;4.China Railway Urumqi Bureau Group Co.， Ltd.， Korla，Xinjiang 841000）

Abstract? Taking Horgos City as the research object，according to the characteristics of Horgos City， six factors including slope， slope direction， vegetation cover index （NDVI）， river buffer zone， land use type and soil type were selected. AHP method was used to determine the factor weight， and the weight value of each factor was superimposed in GIS. The ecological sensitivity of Horgos City was quantitatively analyzed by comprehensive analysis diagram. The results showed that the ecological sensitivity of the city was divided into high sensitive area， medium sensitive area， low sensitive area and insensitive area， accounting for 25.35%， 21.42%， 26.78% and 26.45% of the area of the study area respectively. The proportion of each sensitive area was balanced， indicating that the ecological sensitivity of Horgos City was moderate on the whole.

Key words? GIS;Ecological sensitivity;Spatial analysis;Khorgos City

基金項(xiàng)目? 霍爾果斯市市政招標(biāo)項(xiàng)目（HEGSCG-2018-62）。

作者簡介? 潘美言（1995—），女，廣東梅州人，碩士研究生，研究方向：生物地理與景觀生態(tài)。

收稿日期? 2023-01-14；修回日期? 2023-08-30

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境變化、人類活動(dòng)干擾的敏感程度［1］，用于反映潛在的生態(tài)問題及問題發(fā)生的概率［2］。生態(tài)敏感性的綜合分析是一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括自然與人文等多種因素影響的結(jié)果，它可以直觀反映出人與自然開發(fā)區(qū)的生態(tài)規(guī)劃、管理和保護(hù)基礎(chǔ)［3］。生態(tài)敏感性在實(shí)際應(yīng)用中通常表現(xiàn)為生態(tài)因子對(duì)外界壓力或變化的適應(yīng)能力［4］。為調(diào)整自然資源開發(fā)與保護(hù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自然資源的可持續(xù)利用和可持續(xù)發(fā)展，在選擇城市建設(shè)用地的發(fā)展方向和用地之前，首先要做好當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)規(guī)劃，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境敏感性進(jìn)行研究，使綠色廊道和生態(tài)源地不被破壞，從而營造環(huán)境優(yōu)美的區(qū)域生態(tài)環(huán)境［5］。

生態(tài)敏感性分析起初多是針對(duì)某一環(huán)境問題的單因素分析進(jìn)行的，隨著研究的深入，諸多學(xué)者開始利用多個(gè)因素進(jìn)行綜合分析［6］。同時(shí)，生態(tài)敏感性分析在旅游資源規(guī)劃［7］、生物多樣性保護(hù)［8］、景觀格局規(guī)劃［9］、城市建設(shè)［10］等領(lǐng)域得到應(yīng)用，其研究尺度從國家、流域、省市（縣）級(jí)［11］到自然保護(hù)區(qū)［12］、公園［13］，研究日趨精細(xì)。目前此類研究的主流研究方法是采用數(shù)學(xué)方法對(duì)生態(tài)敏感性進(jìn)行定量分析，如模糊綜合評(píng)判法、層次分析法（AHP）、主成分分析法、生態(tài)脆弱度指數(shù)法等［14］。該研究借助GIS技術(shù)運(yùn)用AHP法探究霍爾果斯市域生態(tài)敏感程度分布差異，以期為當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1? 資料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

霍爾果斯市位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，隸屬伊犁哈薩克自治州管轄，地跨80°11′00″～80°45′11″E、44°00′52″～44°50′00″N，西部以霍爾果斯河為界與哈薩克斯坦國相鄰，市域南北長92.2 km，東西寬45.5 km，總面積1 908.55 km2。霍爾果斯市地形獨(dú)特，可用“北山、南平、中丘陵”來概括其地理環(huán)境。北部為科古琴山，山脈走向呈近東西向，總體地勢北高南低，南部山前較平坦，處于山前沖積、洪積平原之上，海拔在559～4 010 m。市域范圍內(nèi)還有發(fā)達(dá)的水系，屬于伊犁河流域的伊犁河北山水系區(qū)，按海拔1 600 m以下匯流河口統(tǒng)計(jì)，境內(nèi)產(chǎn)流河（溝）15條。其中，霍爾果斯河為中哈界河。受北天山和南天山的阻攔，氣候具有溫暖濕潤的特點(diǎn)，年平均氣溫8.9～11.0 ℃，年無霜期179 d，歷年最大積雪深度30～40 cm，最大凍土深度為92 cm。該地區(qū)年降水量203.8 mm，蒸發(fā)量1 877.5 mm，極端最高氣溫39.7 ℃，極端最低氣溫-37.4 ℃，年日照日數(shù)在2 250～3 000 h。該地區(qū)春季盛行東北風(fēng)，夏季盛行東風(fēng)，秋冬兩季以北風(fēng)為主，屬于典型的溫帶氣候。

1.2? 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括2018年6月的Landsat-8遙感影像、來源于ASTER GDEMV2的分辨率30 m×30 m的DEM高程數(shù)據(jù)、霍爾果斯市行政區(qū)CAD圖、霍爾果斯市城市總體規(guī)劃（2015—2030）、霍爾果斯市1∶100 000水系分布圖（表1）。多源數(shù)據(jù)在加載過程中會(huì)出現(xiàn)投影信息出錯(cuò)、無法匹配等問題，因此對(duì)影像進(jìn)行重新配準(zhǔn)、投影轉(zhuǎn)換、矢量化、拼接、裁切等數(shù)據(jù)處理，提取坡度信息，根據(jù)植被覆蓋指數(shù)（NDVI）計(jì)算公式NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）對(duì)不同波段的遙感影像進(jìn)行處理，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的河流數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，得到6個(gè)生態(tài)因子的數(shù)據(jù)圖層預(yù)處理結(jié)果。

1.3? 研究方法

1.3.1? 評(píng)價(jià)因子的選擇及評(píng)分。

參考前人研究成果［15-18］，結(jié)合研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃情況，選擇坡度、坡向、NDVI、河流緩沖區(qū)、土地利用類型和土壤類型6個(gè)因子作為生態(tài)敏感性分析的主要因子。將各生態(tài)因子敏感性分為高敏感、中敏感、低敏感、不敏感4個(gè)等級(jí)（表2），并用值1、3、5、7進(jìn)行數(shù)量化，2、4、6表示介于二者之間的描述。

1.3.2? 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重設(shè)定。

根據(jù)層次權(quán)重決策分析的方法（AHP）確定各因子權(quán)重，生態(tài)因子的權(quán)重與它對(duì)敏感性的影響成正比。參考相關(guān)文獻(xiàn)［19-23］，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，構(gòu)建判斷矩陣（表3）。

判斷矩陣計(jì)算過程如下：

（1）先求出判斷矩陣每一列的總和，再對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理（判斷矩陣的每一元素除以其相應(yīng)列之和），得到

（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后判斷矩陣每一行的平均值，得出矩陣的特征向量即標(biāo)準(zhǔn)層中各因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重W：

W=

0.159 4

0.127 5

0.198 4

0.118 6

0.183 9

0.211 9

（3）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax。對(duì)于判斷矩陣A有A·W=λmax·W。

11/21/211/24

2111/21/21/2

211212

121/211/21/2

221211/4

1/421/2241

·

0.159 4

0.127 5

0.198 4

0.118 6

0.183 9

0.211 9

=·

0.159 4

0.127 5

0.198 4

0.118 6

0.183 9

0.211 9

λmax≈=1nni=1λi

式中，n表示指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

計(jì)算得出最大特征值λmax=6.179 3、λmax（A）=6.179 3、CI=λmax-nn-1=0.035 9。

（4）一致性檢驗(yàn)CR=CIRI，當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣被視為可以接受，即符合要求。

當(dāng)n=6時(shí)，RI取值1.24，

CR=0.028 9<0.1，因此該判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)符合要求。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 各影響因子權(quán)重分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，選取坡度、坡向、NDVI、河流緩沖區(qū)、土地利用類型、土壤類型6種影響因子，得到霍爾果斯市生態(tài)敏感分析中各影響因子的權(quán)重分別為0.16、0.13、0.20、0.12、0.18、0.21。

2.2? 生態(tài)敏感性單因子分析

2.2.1? 坡度生態(tài)敏感性。

從圖1可以看出，坡度>30°的高敏感區(qū)面積為385.48 km2，占總面積的20.20%，主要分布在北部的科古琴山；坡度在>20°～30°的中敏感區(qū)面積為342.42 km2，占總面積的17.94%，分布于中部丘陵地帶，北部有零散分布；坡度在>10°～20°的低敏感區(qū)面積為404.38 km2，占總面積的21.19%，主要分布于中部的丘陵地帶；坡度<10°的不敏感區(qū)面積為776.27 km2，占總面積的40.67%，主要分布在南部的平原地帶。從圖1還可以看出，霍爾果斯市坡度敏感性由北部的山地（高敏感）向南部的平原（不敏感）逐級(jí)遞減。因此，在城市建設(shè)中，應(yīng)考慮向南部的不敏感區(qū)進(jìn)行擴(kuò)張，北部的高敏感區(qū)采取適當(dāng)措施進(jìn)行保護(hù)。

2.2.2? 坡向生態(tài)敏感性。坡向生態(tài)敏感性的權(quán)重為0.13，坡向?yàn)闁|北、西北、北的高敏感區(qū)面積為282.74 km2，占總面積的14.81%；坡向?yàn)闁|、西的中敏感區(qū)面積為405.54 km2，占總面積的21.25%；坡向?yàn)闁|南、西南的低敏感區(qū)面積為554.95 km2，占總面積的29.08%；坡向?yàn)槠狡隆⒛系牟幻舾袇^(qū)面積為665.32 km2，占總面積的34.86%。從圖2可以看出，霍爾果斯市山地坡向多集中于北部，且以北坡、南坡為主，中部以縱向分布的東坡、西坡為主，而南部地勢平緩，多以平坡為主。在城市建設(shè)中可以考慮在霍爾果斯市南部地勢平坦的區(qū)域種植棉花、小麥等經(jīng)濟(jì)作物，而北部山區(qū)以保護(hù)為主。

2.2.3? NDVI生態(tài)敏感性。

從圖3可以看出，NDVI>0.34的高敏感區(qū)面積為440.98 km2，占總面積的23.11%，主要分布于南部的平原以及中部丘陵地帶；NDVI在>0.22～0.34的中敏感區(qū)面積為482.28 km2，占總面積的25.27%，主要分布于南部平原及中部丘陵地帶，穿插于高敏感區(qū)之間；NDVI在>0.10～0.22的低敏感區(qū)面積為424.54 km2，占總面積的22.24%，主要分布于南部平原的城市建成區(qū)以及中部丘陵地帶的水系周圍；NDVI≤0.10的不敏感區(qū)面積為560.75 km2，占總面積的29.38%，主要分布于北部的山地區(qū)域。造成這種現(xiàn)象的原因是南部平原適合城市發(fā)展，人類活動(dòng)較多，植物多為人工種植（農(nóng)田、林地、城市綠化），因此植被覆蓋度高，而北部山地海拔較高，常年積雪，不適宜植物生長，因此植被覆蓋度低。

2.2.4? 河流緩沖區(qū)生態(tài)敏感性。

從圖4可以看出，河流緩沖區(qū)≤1 000 m的高敏感區(qū)面積為514.77 km2，占總面積的26.97%，在霍爾果斯市域范圍內(nèi)皆有分布，走勢為南北向，北部山區(qū)較少分布；河流緩沖區(qū)在>1 000～2 000 m的中敏感區(qū)面積為412.25 km2，占總面積的21.60%，略低于高敏感區(qū)面積，分布特點(diǎn)與高敏感區(qū)類似；河流緩沖區(qū)在>2 000～4 000 m的低敏感區(qū)面積為529.99 km2，占總面積的27.77%，低敏感區(qū)所占面積最大；河流緩沖區(qū)>4 000 m的不敏感區(qū)面積為451.54 km2，占總面積的23.66%，主要分布在北部山區(qū)。

2.2.5? 土地利用類型生態(tài)敏感性。

從圖5可以看出，土地利用類型為未利用土地、林地、水體的高敏感區(qū)面積為663.67 km2，占總面積的34.77%，主要分布在北部山區(qū)；土地利用類型為草地、園地的中敏感區(qū)面積為847.76 km2，占總面積的44.42%，主要分布在中部丘陵地帶；土地利用類型為耕地的低敏感區(qū)面積為362.25 km2，占總面積的18.98%，主要分布在南部平原地區(qū)；土地利用類型為建設(shè)用地的不敏感區(qū)面積為34.87 km2，占總面積的1.83%，在南部平原地區(qū)呈零散分布。

2.2.6? 土壤類型生態(tài)敏感性。

從圖6可以看出，土壤類型為高山土、冰川雪被的高敏感區(qū)面積為909.72 km2，占總面積的47.67%，主要分布在北部科古琴山；土壤類型為半水成土、水成土的中敏感區(qū)面積為187.70 km2，占總面積的9.83%，主要分布在南部平原地區(qū)；土壤類型為干旱土、初育土的低敏感區(qū)面積為488.27 km2，占總面積的25.58%，主要分布在南部的部分平原；土壤類型為半淋溶土、鈣層土的不敏感區(qū)面積為322.86 km2，占總面積的16.92%，主要分布在中部丘陵，在北部山區(qū)靠近西側(cè)邊界處也有分布。

2.3? 生態(tài)敏感性綜合分析

采用GIS中空間分析法對(duì)以上6個(gè)生態(tài)敏感性影響因子的權(quán)重進(jìn)行疊加處理，得出霍爾果斯市生態(tài)敏感性綜合分析圖（圖7）。根據(jù)分析結(jié)果，高敏感區(qū)主要分布在北部的科古琴山，面積為483.83 km2，占總面積的25.35%，該區(qū)域的特點(diǎn)是高海拔、溫度低，不適宜人類居住，植物以野生種為主，如天云杉、天山雪蓮等；中敏感區(qū)主要在北部山區(qū)呈條帶狀分布，中部丘陵地區(qū)圍繞河流有少量分布，面積為408.90 km2，占總面積的21.42%，該區(qū)域的特點(diǎn)是水量充沛，植物種類繁多，野生種與栽培種并存；低敏感區(qū)與不敏感區(qū)主要分布在中部丘陵與南部平原地區(qū)，面積分別為511.03、504.79 km2，分別占總面積的26.78%、26.45%，該區(qū)域主要為建設(shè)用地、耕地集中區(qū)，植物以栽培種為主。從各級(jí)敏感區(qū)的分布來看，霍爾果斯市呈現(xiàn)出“北高南低中過渡”的特點(diǎn)，且各級(jí)敏感區(qū)皆有過渡規(guī)律，北部山區(qū)的高敏感區(qū)外圍分布中敏感區(qū)，中部平原的中敏感區(qū)外圍一定范圍分布有低感區(qū)，低敏感區(qū)外圍分布不敏感區(qū)，呈現(xiàn)出“年輪”的特點(diǎn)，這一規(guī)律可為將來的城市建設(shè)、擴(kuò)張?zhí)峁┮欢ǖ囊罁?jù)。

3? 結(jié)論

高敏感區(qū)是開發(fā)建設(shè)活動(dòng)受到嚴(yán)格控制的區(qū)域，一旦受到破壞，就會(huì)影響開發(fā)建設(shè)活動(dòng)，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)，這些區(qū)域是自然生態(tài)的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，易受生態(tài)環(huán)境和外界影響。中敏感區(qū)雖然對(duì)干擾有一定的抵抗力，但它們很容易受到人為干擾，也會(huì)擾亂生態(tài)系統(tǒng)，這些區(qū)域應(yīng)作為受控開發(fā)或過渡區(qū)域，并適用于在科學(xué)指導(dǎo)下開發(fā)利用。低敏感與不敏感區(qū)生態(tài)敏感度低，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外來干擾對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小，可作為適宜開發(fā)區(qū)進(jìn)行集約開發(fā)利用。因此，霍爾果斯市可作為較大強(qiáng)度開發(fā)利用的面積為 504.79 km2，占研究區(qū)面積的 26.45%；可進(jìn)行適度開發(fā)利用的面積為511.03 km2，占研究區(qū)面積的26.78%；而作為重點(diǎn)保護(hù)區(qū)的面積為892.73 km2，占研究區(qū)面積的46.77%。

該研究采用 GIS 空間分析技術(shù)將單生態(tài)敏感性因子通過疊加取最大值確定霍爾果斯市綜合生態(tài)敏感性，操作方法簡單、運(yùn)算高效。影響生態(tài)敏感性的因子很多，在進(jìn)行生態(tài)敏感性分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)環(huán)境特征選擇主要的影響因子。該研究根據(jù)霍爾果斯市的環(huán)境本底特征選擇了6個(gè)因子對(duì)其生態(tài)敏感性進(jìn)行分析，劃分了霍爾果斯市高敏感、中敏感、低敏感和不敏感地區(qū)，以期為霍爾果斯的城市開發(fā)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供依據(jù)。

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