基于GIS的成都东部新区生态敏感性分析

李亚茹，李静

（1.四川大学；2.深圳市城市规划设计研究院有限公司）

1 引言

生态敏感性分析可以为土地资源的保护利用提供决策依据，近几年受到学者的广泛关注[1]。生态敏感性研究起源较早，1980年，Suffling从生态系统年龄和景观多样性的角度分析了生态敏感性[2]。2000年，欧阳志云等率先在国内提出了生态敏感性概念[3]。生态敏感性指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反应程度，说明区域发生生态环境问题的难易程度和可能性大小[3]。生态敏感性分析经历了从单一生态敏感性分析向综合生态敏感性分析的发展趋势[4-5]。研究区域逐渐从河流流域[6]、荒漠化区域[7]、水土流失区域[8]等生态环境极其敏感脆弱的地区扩展到城市[9]及城市新区[10]；研究内容也逐渐扩展到城市建设用地[1]及非建设用地[11]。

成都东部新区目前正处于开发建设初期，对其进行生态敏感性分析对开展生态环境保护和优化土地利用具有重要意义。目前，针对城市新区的生态敏感性分析，其研究多为单因子分析和综合分析；在此基础上，进一步对城市不同用地进行分析讨论的较少。以生态敏感性分析为基础，不仅可以判断以往建设的不合理之处，还可以对未来建设进行科学引导。本研究在分析成都东部新区生态敏感性的基础上，将全域土地划分为已建设用地与未建设用地，并针对性提出土地利用优化建议。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

成都东部新区位于龙泉山东麓、简阳市西部，介于30°11′～30°36′N，104°11′～104°33′之间。全区总面积920km²，辖6个镇9个街道。区域为典型的亚热带季风性湿润气候，有龙泉山、沱江、绛溪河、三岔湖、龙泉湖、张家岩水库、同福水库、天公水库等山水资源。

2.2 数据预处理

本文数据包括2.06m像素分辨率的数字高程模型（DEM）、30m分辨率的Landsat 8 oil影像、32.97m像素分辨率的地质图三类栅格数据及水系水域和行政边界两类矢量数据。将所有数据导入ArcGIS软件中进行预处理，建立空间数据库。

3 研究方法

加权叠加模型多用于生态敏感性分析[12]。最大似然法分类是遥感影像分类中较为常用的一种方法[13]。首先，根据研究区的自然地理条件和未来发展诉求，确定评价因子及指标体系，对单个因子进行生态敏感性分析；确定评价因子权重，通过加权叠加生成综合生态敏感性分析。其次，对波段合成后的Landsat 8 oil影像数据进行最大似然法分类，得到土地利用现状图。最后，将生态敏感性分析与土地利用现状进行空间叠加得到不同用地的生态敏感性分析，并基于以上结果提出土地利用优化调整建议。

3.1 生态敏感性分析

3.1.1 评价因子及等级指标体系的确定

选择恰当的评价因子并建立科学的指标体系，有助于对生态敏感性进行全面分析，提高其科学性与规范性。本文依据研究区现状，从地形地貌、地质构造、植被覆盖和水文环境4个一级指标中选出9个二级指标作为生态敏感性评价因子。根据各生态敏感性因子在遇到外界活动干扰时发生生态失衡与环境问题的可能性大小，划分为不敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感4个等级，并分别赋值为1、3、5、7（见表1）。

地形地貌是生态环境的载体，包括高程、坡度、坡向、地形起伏度等方面[14]。研究区地形起伏较大，海拔高差638m；西北部龙泉山为脊状低山，地形切割严重，山坡较陡，易发生滑坡、泥石流等地质灾害。

地质构造对建筑地基的稳定性和渗漏性有显著影响。研究区西北部地处龙泉山断裂带，属地震危险区，历史上发生过小震级地震。区内地层岩性划分为砂岩为主夹泥岩、砂岩与泥岩互层、泥岩为主夹砂岩以及松散堆积层四种岩性组合，不同的岩性组合力学性能相差悬殊，地震易导致砂岩陡崖发生崩塌。

植被覆盖是衡量地表植被多少的重要指标，对生态系统的稳定性起着至关重要的作用[15]。归一化植被指数（NDVI）能够较好地反映植被原生状态和生长状况，常被用来估算植被的覆盖情况[16]。

归一化植被指数的计算公式如下：

植被覆盖的计算公式如下：

式中：Rn为近红外波段的反射率，选取Landsat 8 oil遥感影像的第5波段；Rr为红光波段的反射率，选取Landsat 8 oil遥感影像的第4波段；NDVIveg代表完全被植被所覆盖的像元的NDVI值，可选取NDVI的最大值进行计算；NDVIsoil代表完全为裸地或无植被覆盖区域的NDVI值，可选取NDVI的最小值进行计算。

水文环境主要从保障区域洪水安全及水资源保护两个方面考虑，选取水系水域、雨水径流、洪水淹没三个因子。研究区河流、沟渠众多，并有各类水库，冬、春常有干旱，秋多绵雨，夏季洪涝灾害多发。

3.1.2 权重的确定

权重可以用来衡量各评价因子对生态敏感性的影响程度，权重值越大，影响越大；反之，影响越小[17]。本文采用层次分析法（AHP）确定各因子权重，具体步骤为：①建立层次结构模型；②两两比较，按重要性进行赋值；③建立判断矩阵，通过Matlab软件计算权重；④进行一致性检验。运用Matlab软件求得该矩阵最大特征根λmax=9.6972，通过公式CI=(λmax-n)/(n-1)，对该矩阵进行一致性检验，求得CI=0.08715，通过查RI值表可知当n=9时，RI=1.45。根据一致性比率公式CR=CI/RI，求得CR=0.0601＜0.1，该矩阵通过一致性检验。最后，经过归一化处理得到各敏感因子的权重（见表1）。

表1 生态敏感性等级分类标准及权重

3.1.3 综合评价

综合评价的基本方法是叠加，根据上文各因子生态敏感性评价结果和层次分析法（AHP）确定的权重，在ArcGIS中运用加权求和模型进行叠加分析，加权求和的计算公式如下：

式中：W为生态敏感性的综合分值，i为评价因子编号；n为评价因子总数（n=9）；Ki为第i个评价因子的权重；Ci为第i个评价因子生态敏感性评价得分。将生态敏感性的综合评价结果采用自然间断点分级法进行分类，最终确定研究区生态敏感性的等级和分布。

3.2 不同用地的生态敏感性

Landsat 8 oil影像中B4、B6和B7三个波段合成的图像对城市建设用地有较好识别。利用ArcGIS的波段合成工具对预处理过的B4、B6和B7三个波段进行假彩色合成。根据研究区的土地利用情况和合成图像的实际分辨能力，结合本次研究目的，将研究区的土地利用类型分为已建设用地和未建设用地两大类。利用ArcGIS对合成后的图像进行最大似然法分类，其检验精度分别为85.78%和84.96%，Kappa系数均在0.80以上，满足研究需要。最后，对分类后的图象与生态敏感性综合评价的结果进行空间计算，以确定不同用地的生态敏感情况。

4 结果与分析

4.1 生态敏感性分析

4.1.1 单因子生态敏感性

从高程敏感性来看，西北部为龙泉山低山区，为高度敏感区；高程由西北向东南降低且大部分地区地势较低，敏感性较低（见图1a）。从坡度敏感性来看，西北部山区与其他零星区域坡度较大，为高度敏感区；中部至东南部地势低平，敏感性较低（见图1b）。坡向敏感性在空间和面积上的分布相对来说较为均衡，没有明显的区域划分（见图1c）。从地形起伏敏感性来看，西北部山区与其他零星区域地形起伏度较大；为高度敏感区；中部至东南部地形略有起伏，敏感性较低（见图1d）。

图1 单因子生态敏感性等级分布图

地质构造与山地、河流的分布关系较为密切，其高度敏感区分布在西北部龙泉山断层区域与东北部沱江河漫滩区域；中度敏感与轻度敏感区集中在区域中部；不敏感区分布在区域的西部与东部（见图1e）。

植被覆盖敏感性整体较高，高度敏感区零星分布，占比较小；中度敏感区分布较为普遍；轻度敏感区与不敏感区分布在城市建成区域与河流、湖泊所在区域（见图1f）。

水系水域敏感性是根据距离各水系水域的距离确定的，高度敏感至轻度敏感区总体比重较小；不敏感区分布较为普遍，比重较大（见图1g）。雨水径流敏感性是根据地形进行水文分析的结果；高度敏感区是指雨水的汇水区域，在整个区域内均衡分布，但比重较小；不敏感区分布较为普遍，比重较大（见图1h）。洪水淹没敏感性与高程敏感性相反，高度敏感至轻度敏感区分布在东南地势较为低洼的区域；不敏感区分布在西北地势较高的区域（见图1i）。

4.1.2 综合生态敏感性

研究区生态敏感性综合指数值在1.00～5.93之间，通过自然断裂法将其分为不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区并计算其面积（见表2）。高度敏感区主要分布在龙泉山、沱江、绛溪河等山水资源密集的区域；中度敏感区主要分布在高度敏感区的辐射区域；轻度敏感区主要分布在中部区域，比重最大；不敏感区主要分布在中西部及东南部，比重较大（见图2a）。

表2 综合生态敏感性分级面积及比例

4.2 不同用地的生态敏感性

研究区已建设用地比重较小；未建设用地比重较大（见图2b、表3）。已建设用地主要分布在天府国际机场及各镇（街道）中心；其中高度敏感区比重较小，多临近河流、水库或位于陡峭山区；中度敏感区比重稍大（见图2c、表4）。未建设用地中轻度敏感区和不敏感区比重较大；且仍有一定比重的高度敏感及中度敏感区（见图2d、表4）。

表4 不同用地的敏感性分级面积及比例

图2 不同用地的生态敏感性等级分布图

表3 现状用地的面积及比例

5 土地利用优化

成都东部新区已建设用地中有453hm2的高度敏感区域，主要分布在区域东北部，在未来的发展中应逐步移出现有建设，恢复为生态用地；同时有796hm2的中度敏感区域，应在不增加现有建设强度的情况下，逐步恢复为林业或农业用地。成都东部新区未建设用地中有轻度敏感区域32205hm2，不敏感区域24876hm2，主要分布在中东部区域，未来建设仍有广阔的用地；除此之外，未建设用地中仍有高度敏感区域7163hm2，主要分布在西部龙泉山脉区域，在国土空间开发的过程中，应减少人为活动的影响和破坏，维护生态系统的安全与稳定；中度敏感区域14903hm2，在土地利用的过程中，应控制开发强度。