唐容艷，黃義忠，呂慶波

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.宣威市板橋街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南 宣威 655413)

基于ArcGIS的祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)分析

唐容艷1，黃義忠2*，呂慶波3

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093； 2.宣威市板橋街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南 宣威 655413)

隨著人口的不斷增長(zhǎng)以及土地資源的不合理利用，人地關(guān)系日益緊張。為了從宏觀上把握土地資源的壓力與脅迫程度，本文選取對(duì)土地資源造成壓力、脅迫和干擾的土地利用強(qiáng)度、25°以上坡地面積百分比、年平均降雨量、植被覆蓋度、人口密度、GDP、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等7個(gè)指標(biāo)，在ArcGIS中以1 km格網(wǎng)為基本評(píng)價(jià)單元，采用層次分析法、ArcGIS空間分析模塊下的標(biāo)識(shí)工具及Excel對(duì)祿勸縣土地資源的暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，最后運(yùn)用自然斷點(diǎn)法將暴露風(fēng)險(xiǎn)分為暴露低風(fēng)險(xiǎn)、暴露中等風(fēng)險(xiǎn)、暴露較高風(fēng)險(xiǎn)和暴露高風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)層次，并生成祿勸縣暴露風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖。結(jié)果顯示，祿勸縣暴露風(fēng)險(xiǎn)主要集中在低風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn)層次，分別占研究區(qū)總面積的48.1%和35.7%；較高風(fēng)險(xiǎn)主要分布在湯郎鄉(xiāng)、馬鹿塘鄉(xiāng)、云龍鄉(xiāng)、團(tuán)街鎮(zhèn)、九龍鎮(zhèn)以及茂山鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的13.8%；高風(fēng)險(xiǎn)主要集中在轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)、團(tuán)街鎮(zhèn)和屏山街道，占研究區(qū)總面積的2.5%。

土地資源； 暴露風(fēng)險(xiǎn)； 層次分析法； ArcGIS； 祿勸縣

土地資源作為人類最基本的生活資料和最主要的勞動(dòng)對(duì)象，隨著人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，日益突顯出人地關(guān)系緊張化的態(tài)勢(shì)[1]。關(guān)于土地資源，目前已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。20世紀(jì)80年代之前已有土地資源可持續(xù)利用、優(yōu)化配置、生態(tài)安全等方面的研究[2-5]。20世紀(jì)80年代初，隨著資源環(huán)境承載力研究的推進(jìn)，又開始進(jìn)行土地資源承載力方面的研究[6]。然而這些研究，都沒有著重突出土地資源的暴露風(fēng)險(xiǎn)，這里的暴露是指土地資源經(jīng)歷外在環(huán)境、壓力與脅迫的程度；土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)則是指通過搜集對(duì)土地資源造成壓力、破壞或威脅的因素，采用一定的分析方法將這些因素進(jìn)行綜合，凸顯區(qū)域內(nèi)土地資源所面臨的危機(jī)程度。我國暴露風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)研究最早出現(xiàn)于1996年，大多集中于醫(yī)學(xué)和金融業(yè)，隨后暴露風(fēng)險(xiǎn)也逐漸被用于水資源和生態(tài)系統(tǒng)中[7-11]。但在土地資源中并未得到應(yīng)用。因此，本文以云南省祿勸彝族苗族自治縣為例，利用Arcgis軟件，采用層次分析法、標(biāo)識(shí)工具并與Excel相結(jié)合對(duì)祿勸縣土地資源進(jìn)行暴露風(fēng)險(xiǎn)分析，得出研究區(qū)暴露格局，為土地資源的后續(xù)研究以及保護(hù)政策的制定提供理論依據(jù)。

1 暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

氣候、地質(zhì)災(zāi)害以及人類活動(dòng)都會(huì)對(duì)土地資源造成威脅，比如暴雨會(huì)引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而改變土地利用的模式；人口的增長(zhǎng)會(huì)增加對(duì)土地資源的需求，加重人地矛盾；不合理的利用陡坡地會(huì)導(dǎo)致大面積水土流失等。針對(duì)研究區(qū)的實(shí)際情況，本文選取土地利用強(qiáng)度、25°以上坡地面積百分比、降雨量、植被覆蓋度、人口密度、GDP、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性作為暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。除植被覆蓋度為負(fù)向指標(biāo)外，其余指標(biāo)均與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)(表1)。

表1 暴露風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重與性質(zhì)

注：正向指標(biāo)表示該指標(biāo)與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)，負(fù)向指標(biāo)表示該指標(biāo)與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

美國著名的運(yùn)籌學(xué)專家薩蒂于20世紀(jì)70年代提出的層次排序法(AHP法)，能利用人的經(jīng)驗(yàn)和判斷將人的思維數(shù)學(xué)化，實(shí)現(xiàn)定量指標(biāo)與定性指標(biāo)的統(tǒng)一。AHP法具有簡(jiǎn)潔、實(shí)用、系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，并且在多個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用。因此，本文采用AHP確定各指標(biāo)權(quán)重[12](表1)，根據(jù)薩蒂提出的1～9標(biāo)度方法，構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行兩因素之間相對(duì)重要性的比較(表2)。

表2 暴露風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)判斷矩陣

1.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各指標(biāo)的單位、性狀狀態(tài)的數(shù)值大小以及離差的不同，本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法消除指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱不一致問題，具體標(biāo)準(zhǔn)化公式：

1.4 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[13-16]，結(jié)合研究需求，以行政區(qū)為底圖創(chuàng)建1 km×1 km格網(wǎng)，將研究區(qū)劃分為4 470個(gè)評(píng)價(jià)單元。

1.5 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

根據(jù)以上分析，構(gòu)建土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。

E=∑ViWi。

式中，E表示暴露度，Vi表示暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，Wi表示各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

1.6 暴露風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃定

暴露度是暴露風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)，暴露度越高則暴露風(fēng)險(xiǎn)越大。4 470個(gè)評(píng)價(jià)單元會(huì)生成4 470個(gè)暴露度，為了能更直觀、清晰地看出研究區(qū)的暴露風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，本文采用ArcGIS中的自然斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)將暴露度劃分為4個(gè)層次：暴露低風(fēng)險(xiǎn)、暴露中等風(fēng)險(xiǎn)、暴露較高風(fēng)險(xiǎn)和暴露高風(fēng)險(xiǎn)。自然斷點(diǎn)法能夠自動(dòng)識(shí)別分類間隔，對(duì)相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)姆纸M，并且使各類間的差異最大化，因此采用自然斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)暴露風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃定其結(jié)果是可靠的。

2 祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 研究區(qū)概況

祿勸彝族苗族自治縣是云南省昆明市的郊區(qū)縣，地處102°14′3″～102°56′8″E、25°24′39″～26°22′2″N。2015年，祿勸縣全縣總?cè)丝?1.10萬人，生產(chǎn)總值75.00億元。祿勸縣處于強(qiáng)烈的南北向切割的橫斷山脈中段及滇池?cái)嘞輲?，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；境內(nèi)高差較大，立體氣候特征明顯，年均溫15.6 ℃，年平均降雨量946.7 mm。

2.2 數(shù)據(jù)來源與土地利用類型提取

本文采用的數(shù)據(jù)源主要有2015年Landsat OLI影像3景、DEM數(shù)據(jù)、以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本統(tǒng)計(jì)單位的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)及氣候數(shù)據(jù)，氣候數(shù)據(jù)僅指年平均降雨量。

以Langsat OLI影像為遙感數(shù)據(jù)源，經(jīng)過幾何糾正，圖像鑲嵌，彩色合成等一系列預(yù)處理，通過人機(jī)交互提取2015年祿勸縣土地利用類型。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，將土地利用類型分為耕地、林地、園地、水體、居民地和未利用地6個(gè)類型，然后提取居民地二級(jí)類型中的城鎮(zhèn)居民地和農(nóng)村居民地，本文以建制鎮(zhèn)代替城鎮(zhèn)居民地，用于空間人口模擬。

2.3 暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本文以1 km×1 km格網(wǎng)劃分得到的4 470個(gè)方格為評(píng)價(jià)單元。由于所搜集到的數(shù)據(jù)均以行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元，這些數(shù)據(jù)無法滿足評(píng)價(jià)的需求，故而需要對(duì)所搜集到的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理。使用空間分析工具下的標(biāo)識(shí)疊加，提取每個(gè)格網(wǎng)對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)信息，以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的格網(wǎng)化。

2.3.1 土地利用強(qiáng)度

土地利用強(qiáng)度指的是土地資源利用的效率，單位用地面積投資強(qiáng)度或?qū)?個(gè)單位的土地投資的強(qiáng)度。它與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)，土地利用強(qiáng)度值越大，對(duì)土地資源利用的效率越高，造成的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險(xiǎn)越高。根據(jù)土地利用類型的特點(diǎn)，把土地利用強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)，1級(jí)未(難)利用地，2級(jí)林草水用地(林地、草地、水域)，3級(jí)農(nóng)業(yè)用地(耕地、園地、人工草地)，4級(jí)建設(shè)用地(居民點(diǎn)、工礦及交通用地)[10]。計(jì)算評(píng)價(jià)單元的土地利用程度綜合指數(shù)：

式中，yx表示第x個(gè)格網(wǎng)單元土地利用程度綜合指數(shù)，Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)，Si為第i級(jí)土地利用面積，S為該格網(wǎng)單元內(nèi)土地總面積。

利用自然斷點(diǎn)法將土地利用強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)：低強(qiáng)度、中等強(qiáng)度、較高強(qiáng)度和高強(qiáng)度(圖1)。

圖1 祿勸縣土地利用強(qiáng)度的分級(jí)情況

2.3.2 人口密度

圖2 祿勸縣人口密度、GDP和植被覆蓋度的情況

2.3.3 GDP

GDP是指一個(gè)國家或地區(qū)所有常駐單位在一定時(shí)期內(nèi)生產(chǎn)的所有最終產(chǎn)品和勞務(wù)的市場(chǎng)價(jià)值，是衡量一個(gè)國家或地區(qū)總體經(jīng)濟(jì)狀況的重要指標(biāo)。一般說來，經(jīng)濟(jì)得到發(fā)展就會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行投資建設(shè)，提供就業(yè)機(jī)會(huì)，吸引人口搬遷，就會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)赝恋刭Y源造成壓力[17]。GDP與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)，GDP越高，對(duì)土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險(xiǎn)越高。為了將GDP格網(wǎng)化，本文將其與人口聯(lián)系起來，通過格網(wǎng)對(duì)應(yīng)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均GDP與空間化的人口數(shù)相乘得到對(duì)應(yīng)格網(wǎng)的GDP值。采用自然斷點(diǎn)法，將GDP分為4個(gè)等級(jí)：低、中等、較高、高(圖2)。

2.3.4 植被覆蓋度

植被蓋度指植物群落總體或各個(gè)體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)，它反映植被的茂密程度和植物進(jìn)行光合作用面積的大小。因?yàn)橹脖荒軌蛟谝欢ǔ潭壬戏乐顾亮魇В瑢?duì)土地資源起到保護(hù)作用，所以植被覆蓋度與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)，植被覆蓋度越小，對(duì)土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險(xiǎn)越高。以各格網(wǎng)林地面積與土地總面積的比值作為本研究的植被覆蓋度，利用自然斷點(diǎn)法將植被覆蓋度分為4個(gè)等級(jí)：低覆蓋度、中等覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度(圖2)。

2.3.5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指在一定的地質(zhì)環(huán)境和人類工程活動(dòng)下，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。祿勸縣是云南省滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害危害最嚴(yán)重的縣區(qū)之一。它與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高，對(duì)土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險(xiǎn)越高。袁佳等[18]將祿勸縣地質(zhì)災(zāi)害劃分為地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)4個(gè)層次。本文借鑒其研究成果，利用自然斷點(diǎn)法將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為4個(gè)等級(jí)：低易發(fā)性、中等易發(fā)性、較高易發(fā)性、高易發(fā)性(圖3)。

2.3.6 25°以上坡地面積百分比

坡度是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平寬度的比叫做坡度(或叫做坡比)。過于陡峭的坡地一般不適合用于建設(shè)和耕種。研究表明，25°以上坡地，由于地勢(shì)陡峭，水土不易保持，這些地區(qū)如果過度開發(fā)，就會(huì)影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全，造成環(huán)境破壞、水土流失、生物多樣性降低等惡果[19]。因此，本文通過計(jì)算評(píng)價(jià)單元內(nèi)25°以上耕地與建設(shè)用地面積與總面積之間的比值，來說明研究區(qū)內(nèi)坡度對(duì)土地資源的潛在壓力。25°以上坡地面積百分比與暴露風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)，比值越大，說明耕地與建設(shè)用地面積越大，越容易造成土壤流失，對(duì)土地資源的壓力、威脅和干擾越大，即暴露風(fēng)險(xiǎn)越高。用自然斷點(diǎn)法將25°以上坡地面積百分比分為4個(gè)等級(jí)：低百分比、中等百分比、較高百分比、高百分比(圖3)。

3.3.7 年平均降雨量

年平均降雨量的資料大都是以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單元，假定鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)的格網(wǎng)中年平均降雨量相同，用標(biāo)識(shí)疊加工具直接實(shí)現(xiàn)兩者的格網(wǎng)化。用自然斷點(diǎn)法將其分為4個(gè)等級(jí)：低、中等、較高、高(圖3)。

2.3.8 祿勸縣暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)公式疊加計(jì)算暴露風(fēng)險(xiǎn)值。用自然斷點(diǎn)法對(duì)暴露風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行分割，將暴露風(fēng)險(xiǎn)分為4個(gè)層次，即暴露低風(fēng)險(xiǎn)、暴露中等風(fēng)險(xiǎn)、暴露較高風(fēng)險(xiǎn)和暴露高風(fēng)險(xiǎn)(圖4)。

圖3 祿勸縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、25°以上坡地百分比和年降雨量的情況

圖4 祿勸縣暴露風(fēng)險(xiǎn)的分級(jí)情況

3 小結(jié)

祿勸彝族苗族自治縣暴露風(fēng)險(xiǎn)主要集中在低風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn)層次，分別占研究區(qū)總面積的48.1%和35.7%；較高風(fēng)險(xiǎn)主要分布在湯郎鄉(xiāng)、馬鹿塘鄉(xiāng)、云龍鄉(xiāng)、團(tuán)街鎮(zhèn)、九龍鎮(zhèn)以及茂山鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的13.8%；高風(fēng)險(xiǎn)主要集中在轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)、團(tuán)街鎮(zhèn)和屏山街道，占研究區(qū)總面積的2.5%。研究表明，本文所選指標(biāo)已經(jīng)對(duì)祿勸縣的土地資源產(chǎn)生了一定程度的壓力、脅迫與干擾。雖然隨著風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的增加，其所對(duì)應(yīng)的面積值呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，但也應(yīng)該引起當(dāng)?shù)貙?duì)土地資源的高度重視，防止暴露低風(fēng)險(xiǎn)向高風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步惡化。根據(jù)所選的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以采取控制人口增長(zhǎng)，控制土地利用強(qiáng)度的增加，25°以上坡地退耕還林還草，房屋建筑拆舊蓋新等措施來達(dá)到控制風(fēng)險(xiǎn)的目的。

本文以1 km格網(wǎng)為暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本單元，采用7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，得出研究區(qū)暴露風(fēng)險(xiǎn)基本格局，從宏觀上了解到祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)主要集中在低風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn)層次，較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)層次主要分布在那些土地利用強(qiáng)度高、植被覆蓋度低、降雨量多且容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。暴露風(fēng)險(xiǎn)的提出是為了引起人們對(duì)土地資源外在壓力的重視，以便于從源頭上找到保護(hù)土地資源的方法。

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(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2017-08-09

唐容艷(1993—)，女，云南宣威人，在讀碩士，研究方向?yàn)榭臻g定位數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，E-mail:1204546764@qq.com。

黃義忠(1972—)，廣西桂林人，副教授，博士，研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理與環(huán)境地質(zhì)，E-mail: hyizhong95@163.com。

文獻(xiàn)著錄格式：唐容艷，黃義忠，呂慶波. 基于ArcGIS的祿勸縣土地資源暴露風(fēng)險(xiǎn)分析[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(11)：1968-1973.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171132

X820.4

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0528-9017(2017)11-1968-06