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基于GIS和层次分析法的长春市生态敏感性分析

2024-09-08 16 上传者：管理员

摘要：生态环境敏感性分析是优化国土空间和配置土地利用的基石，为深入研究长春市生态系统对于人类活动干扰的敏感程度，选定长春市城区Landset8-OLI遥感影像和90m分辨率的数字高程模型为基础数据，经预处理和数据提取，得到高程、坡度、水域缓冲区、植被覆盖度、土地利用5个敏感因子作为评价长春市生态敏感性的指标.利用层次分析法与ArcGIS空间叠加分析相结合的方法对长春市城区土地生态敏感性进行分析，表现出不同生态敏感性的空间分布格局.结果表明:长春市城区生态不敏感区和低敏感区占研究区总面积的76.23%，高敏感区和中敏感区占研究区总面积的23.77%.针对不同生态敏感性区域应因地制宜做出不同的规划方案，为城市土地利用总体规划和城市环境保护提供参考.

关键词：
ArcGIS
土地利用
层次分析法
生态敏感性
长春市
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城市的发展和生态环境息息相关，生态环境敏感性是生态环境的一个体现指标，它反映该区域生态环境在受到干扰后引发生态环境问题的难易程度，由于生态敏感性的特殊性无法直观的进行分析评价，本文会以数值和图像的形式表现出来，从而可以更直观的进行分析。利用GIS可叠加分析的功能进行综合分析区域生态敏感性，综合分析区域生态敏感性是合理评价人与自然和谐发展的综合性指标，是区域生态环境规划、管理和保护的基础。生态敏感性是对于内在和外在因素综合作用引起的环境响应的强弱程度指标，生态敏感性表示生态环境对外界压力或变化的承受能力[1]，合理的生态敏感性分析是区域资源利用、开发的理论基础[2]。基于大量研究表明，不合理的城市空间利用不仅会改变当地的气候和水资源等环境因素，还会对区域生态系统结构及其服务价值产生冲击[3][4]，从而造成复杂的生态环境响应。合理利用土地是构成区域生态文明的基础[5]，只有对城市生态敏感性较高的区域进行合理的保护，才能打造出绿色活力城市。

确定指标权重的方法有很多，可分为主观赋权法和客观赋权法两大类。黄发明等利用层次分析法与GIS空间分析功能相结合的方法对江西省森林城市龙南县做出了生态敏感性评价，并对当地的生态环境可持续发展提供政策建议[6]；杜婕和韩佩杰基于Arc GIS区统计方法，使用变异系数法确定评价指标权重，完成了陇南市土地生态敏感性评价[7]。差异系数法为客观赋权法，不足之处是数据组数值极其不规律的情况下会导致分析结果与现实情况相偏离。层次分析法为主观赋权法，层次分析法是把人们的主观判断利用客观的方式进行处理，是能有效地将主观与客观结合在一起的系统化分析方法。本研究将采用层次分析法进行权重赋予，在此基础上利用GIS空间分析功能对长春市城区土地生态空间敏感性进行分析研究，将研究区划分为不同敏感性区域，为城市规划建设和发展提供科学依据。

1、研究区概况与数据处理

1.1研究区概况

长春市位于吉林省中部(东经1 2 4°1 8′～127°02′，北纬43°05′～45°15′之间)，居北半球中纬度北温带，地处中华人民共和国东北地区中部。西南和四平市相连，长春市西北与松原市毗邻，东南与吉林市相依，东北同黑龙江省接壤。据全国第二次土地调查成果显示，全市总面积24744平方公里。主要地貌类型为低山丘陵，海拔大部分在250～350 m之间，相对高度50～100 m。长春市的气候属温带大陆性半湿润季风气候类型，春季，大风天气多，最大风速可达30 m/s。夏季，东南风盛行，平均气温21.9°C。秋季，可形成持续数日晴朗而温暖的天气，温差较大，风速较春季小。冬季，天气晴朗、干燥、风力微弱，平均气温零下12°C。冬季较为寒冷且漫长，夏季高温气候较为短促。本研究区选取的范围为长春市城区，包括中心城区及双阳区、九台区，面积约为6950平方公里[8]。由于城市近些年的经济高速发展及城市大规模建设引起的土地利用变化对城市生态造成了深远影响，长春市作为东北的重要城市也在这次城市大规模建设发展的浪潮中迈出了一大步，导致长春市西部土地的盐碱化和沙化逐年加重，东部地区的森林也愈加的采育失调，生态系统失衡以及河流水域遭受污染等生态环境问题日益突出，城市生态风险逐渐加剧，见图1。

图1研究区概况图

1.2数据来源与处理

本文数据主要包括：Landset8遥感影像和分辨率为90 m的SRT m DEMUT m数字高程数据(下载自地理空间数据云)、中国行政边界数据。高程信息、坡度信息和水域缓冲区的获取是将DEM数据在Arc GIS中经数据处理所得。Landset8遥感影像在ENVI处理平台通过监督分类的方法得到土地利用数据。植被覆盖度通过对LANDSAT8遥感影像进行指数提取得出。对上述收集到的数据进行地理配置和空间校正等操作，使所有数据统一到(WGS＿1984＿UT m＿Zone＿51N)坐标下，栅格大小为90×90 m。

2、研究方法

2.1研究方法

通过遥感图像解译与GIS叠加空间分析功能相结合的方法，进行单因子评价并结合层次分析法进行多因子评价，首先根据长春市生态现状并结合相关文献确定能反映长春市生态敏感性状况的生态敏感性因子，然后通过Arc GIS和ENVI平台进行预处理和因子信息提取，进行单因子敏感性分析；通过层次分析法得出各因子权重，借助Arc GIS叠加分析功能，得出多因子区划图并综合分析研究区生态敏感性问题。

2.2技术路线

总结多位学者生态敏感性研究经验，结合长春市生态环境现状，选取适宜的敏感因子构建生态敏感性评价体系，利用Arc GIS统计功能进行单因子生态敏感性评价；通过Arc GIS空间叠加分析完成生态敏感性综合评价。本研究技术路线如图2所示。

图2技术路线图

2.3影响因子选取及分级赋值体系

由于生态环境系统具有复杂性和综合性的特点，根据长春市土地生态系统的实际情况和数据的可获取性，并结合《全国生态功能区划(修编版)》中生态敏感性指标相关内容，有目的的选取地形坡度、坡向、植被覆盖度、水域缓冲区和土地利用5个因子构建指标体系，参考多位学者已有的研究成果[9-11]，将长春市各单因子对土地生态敏感性按不敏感区、低敏感区、中敏感区、高敏感区4个等级进行划分，同时分别赋值为1、3、5和7，分级标准如表1所示。

2.4层次分析法确定因子权重

参考相关文献[12-14]，使用层次分析软件yaahp按照9分制进行打分，构造判断矩阵。若一致性结果CR<0.1，则一致性检验合格，且CR越接近于0，则说明该判断矩阵质量越好；反之则说明该矩阵未通过一致性检验。在评价过程中得出CR=0.0125<0.1，表明得到的结果是通过一致性检验的。因此，得出的各生态评价因子的权重值是符合要求的，见表2。

表1长春市城区生态敏感性评价指标体系

表2生态敏感因子权重

2.5 GIS空间分析

分别对5个评价因子的不同生态敏感性分布进行区域的面积统计，得出各因子不敏感区、低敏感区、中敏感区和高敏感区的占比情况，将各单一敏感性因子进行叠加得出生态敏感性分析。生态敏感性叠加公式如下：

式中，为评价单元编号，为评价因子编号，n=5为评价因子总数，Wi为第i个评价因子的权重，Ck(i）为第k个评价单元的第i个评价因子敏感性评价值，Sk为第k个评价单元的综合土地敏感性指数。

3、结果与分析

3.1单因子生态敏感性评价与分析

5项土地生态敏感性因子在数据尺度上存在差异。将矢量数据植被覆盖度和土地利用数据在预处理阶段统一重采样为分辨率90 m的栅格数据，再将水域缓冲区转换成栅格数据时导出为90 m分辨率，即可得到分辨率相同的栅格数据,便于进行生态敏感性的综合评价。根据表1单因子分级指标进行分级,利用Arc GIS统计功能，得到表3土地生态敏感性因子分析结果。

结合表3和图3分析结果表明，高程、坡度和植被覆盖度与生态敏感性程度整体趋势保持一致。高程敏感因子方面，由于长春市城区总体高度相差不大，大部分地区海拔在200～300 m之间，这就导致不敏感区和低敏感区占研究区总面积的79.41%，分布于中心城区周边，中敏感区和高敏感区相对较少主要分布在双阳区和九台区与山脉相连接的位置；坡度因子方面，不敏感区及低敏感区占研究区总面积的88%，主要分布在坡度相对平缓的中心城区位置，中敏感去和高敏感区与高程因子分布基本一致；植被覆盖因子方面，不敏感区和低敏感区占比达到研究区总面积的74.61%，主要分布依旧位于中心城区，高敏感区和中敏感区占比25.39%，分布于双阳区和九台区，从此也可以看出双阳区和九台区具有较多的林地区域；土地利用因子方面，低敏感地区占全市总面积的73.2%，主要为耕地区域分布在除中心城区外的其他区域，高敏感区为水域占比仅2.19%，体现出长春市城区水域分布较为稀少。

表3土地生态敏感性因子分析

3.2多因子生态敏感性评价与分析

通过采用加权叠加的方法，将单因子结合起来生成研究区综合土地生态敏感性分布情况，从而进行长春市城区综合生态敏感性分析。然后将研究区综合土地生态敏感性分布情况进行自然断点法得出各敏感性程度区域的面积占比，见表4。从表4和图4分级结果可知，长春市城区范围内不敏感区和低敏感区比重较大，主要分布于中心城区及其周围；植被覆盖度单因子分析与综合分析高度相似，并在九台区和双阳区靠近山脉的区域，由于高程和坡度的差异分化，和林地分布的特性，该区域多为中高敏感区。长春市城区内不敏感区、低敏感区、中敏感和高敏感区分别占研究区域总面积的34.30%、41.96%、14.98%、8.76%。

4、结语

本文采用单因子分析和多因子综合分析两种方法共同对长春市城区生态敏感性做出分析，不敏感区域生态系统相对稳定，具有较强的抗干扰能力，如中心城区就是不敏感区域，应该作为城市开发的首选区域.低敏感区域可以进行适度的开发，因为低敏感区多为农耕地，在开发时应该注重对耕地和基本农田的保护，注重城市绿地建设，保护和维持区域生物多样性，做到社会经济发展和良好生态环境共存.中敏感区和高敏感区的生态环境系统较为脆弱多变，生态环境容易受到冲击和破坏，该区域多为林地、水域或高植被覆盖度区域，不宜作为城市发展建设规划区域.由综合生态敏感性分析可知长春市城区在地域上的分异规律，敏感性程度由东南向西北逐渐递减，长春市城区西北部生态敏感性较好；东北部和北部地区整体生态敏感性较高，林地较为广泛,应进行适当保护以促进城市的绿色发展。

图3单因子生态敏感性分析图

表4生态敏感性综合分析表

图4综合生态敏感性分析图

参考文献:

[1]杨志峰,徐俏,何孟常等.城市生态敏感性分析[J].中国环境科学,2002(04):73-77.

[2]欧阳志云,区域生态环境质量评价与生态功能区划.北京市,中国科学院生态环境研究中心,2009-04-01.

[3]戚丽萍,闫丹丹,李静泰等.江苏省生态系统服务价值对土地利用/土地覆盖变化的动态响应[J].北京师范大学学报(自然科学版),2021,57(02):255-264.

[4]肖红叶,刘国栋,杨泽等.东北黑土区近半世纪土地利用变化时空特征分析[J].物探与化探,2022,46(05):1037-1049.

[5]张舒涵,姜海玲,王丽遥等.沈阳市2000—2020年土地利用变化及其生态效应分析[J].无线电工程,2022,52(12):2222-2228.

[6]黄发明,杨光照,苏晨旭等.基于GIS和层次分析法的县域生态敏感性评价[J].南昌大学学报(理科版),2019,43(06):599-605.

[7]杜婕,韩佩杰.基于ArcGIS区统计的陇南市生态敏感性评价[J].测绘与空间地理信息,2018,41(07):99-102.

[8]白立敏,修春亮,冯兴华.基于土地利用变化的长春市生态风险评价[J].生态科学,2019,38(03):26-35.