基于3S技术对广西边境地区生态环境脆弱性的评价

　　摘 要： 作者应用3S技术对广西边境地区8个县市区的TM影像进行解译分类及统计，以DEM为源数据进行坡度分析生成坡度专题图，并对每个评价单元的影像分类结果进行采点抽样检查，确定了广西边境地区生态环境脆弱性评价因子和评价指标体系，通过评价得出那坡县、龙州县、凭祥市、东兴市、防城区为中度脆弱区，靖西县、宁明县为重度脆弱区，大新县为极度脆弱区的结论。
　　关键词： 广西边境地区 生态环境脆弱性 AHP 3S
　　
　　随着广西边境地区经济的快速发展，人口基数的不断攀升，其生态环境的压力进一步加大，生态环境的自我修复及承载能力逐年下降，制约了该区经济的持续发展。对该区域进行生态环境脆弱性评价研究，可揭示该区域生态环境脆弱因子，准确把握该区的生态环境脆弱程度。因此，对广西边境地区生态环境脆弱性进行评价，使该区在经济发展和生态环境保护两者之间找到平衡点，对实现广西边境地区经济社会持续发展和边疆地区的安宁与稳定具有重要的现实意义。
　　1.研究区概况
　　广西边境地区指广西与越南接壤的8个县市区（那坡县、靖西县、大新县、龙州县、宁明县、凭祥市、东兴市、防城区），其地理位置为21°32′48″—22°23′30″N，105°32′34″—108°1′30″E，位于广西西南部，属亚热带季风湿润气候。研究区总面积为18036.8km2，该区山地多，平地少，喀斯特地貌广布，成土慢、土层薄、植被生长缓慢且群落结构比较简单。该区总人口251.46万，其中农业人口占199.65万，农业人口占总人口的79.4%，该区以农业为主，对土地的依赖度高，且宜耕地资源不足，人均耕地面积少，石漠化较严重，抗自然灾害能力低，生态环境压力大，生态环境脆弱性明显。
　　2.研究方法
　　2.1数据来源
　　本研究的数据来源包括：各县市区1：5万地形图数据，国际科学数据服务平台提供的LandSat7ETM影像数据与GDEM数据、广西统计信息网公布的统计数据，各县市区的统计年鉴数据，等等。
　　2.2评价指标的选定与指标体系的建立
　　广西边境地区生态环境脆弱性评价是根据选定的指标因子，建立评价指标体系，运用综合评价的方法评定该区生态环境脆弱度。由于该区域内部的生态类型复杂多样，生态环境脆弱性的主导因子亦各不相同，生态环境脆弱性特征不尽相同，所选择的评价指标就有所不同，因此生态环境脆弱度的评价，需要根据区域特征和主要脆弱性因子，兼顾可操作性，选取关键性因素作为评价指标因子，再通过专家咨询、权重判读、遥感影像解译、GIS分析等方法给各指标属性赋值，然后运用层次分析法、加权平均综合评价方法对每个研究单元的生态环境脆弱性进行评价，制订适合本研究区域的评价标准与指标体系是科学评价生态环境脆弱性的基础。我们从研究区的自然、人文两方面因素出发，选择坡度、森林覆盖率、降水量、石漠化程度、农业人口密度、人均耕地面积、恩格尔系数7项因子作为评价指标因子，并构建评价指标体系。
　　2.2.1自然指标因子。
　　2.2.1.1坡度。在山地丘陵地区，坡度是影响环境脆弱度的重要因素之一。随着坡度的增大，坡面上的土壤稳定性降低，降水时，坡面径流加快，水土流失加剧。当坡度增大到一定程度时，很难形成连续的土壤植被。我国1991年颁布的《中华人民共和国水土保持法》规定：禁止在25°以上陡坡地开垦种植农作物。因此我们选择坡度≥25°的坡地面积比率作为评价指标。这一数据主要利用ARCGIS中的3DAnalyst模块对每个评价单元的DEM进行坡度计算分析，然后统计出坡度≥25°的坡地面积比率。
　　2.2.1.2森林覆盖率。植被在维系生态环境系统平衡中具有重要作用：一方面有涵养水源作用，保证有限的水资源得以利用，另一方面可以降低土壤侵蚀强度，加速风化成土过程。由于广西边境大部地区属喀斯特地貌，是双层水文地质结构，难以截留降水，成土慢、土层薄、土被不连续等因素，植被生长缓慢，适生树种少，群落结构亦简单，本地区植被覆盖率较低。一旦森林覆盖率低，生态系统抵御外界的干扰和自我调控及恢复能力将降低［１］，森林覆盖率与生态环境脆弱强度有较好的负相关关系。因此选择森林覆盖率作为评价指标之一。森林覆盖率的数据主要使用ERDAS IMAGINE软件对研究区的TM影像进行解译分类，并利用GPS技术的RTK仪器到实地采点抽样检核解译分类结果的准确度。
　　2.2.1.3降水量。水主要通过降水量、降水稳定性、蒸发与降水关系对环境的影响、径流变率等因素影响生态环境的脆弱度。为了操作方便、简化评价工作，坚持重点性、可比性、可操作性原则，本文选择各县气象局的降水量统计数据作为评价依据。
　　2.2.1.4石漠化程度。石漠化是指岩溶石山区岩石裸露，具有类似荒漠景观的土地退化过程。石漠化的加剧，导致土地涵养水源能力下降，人畜饮水困难，可利用耕地面积减少，土壤肥力下降，农业生产力低下［２］，石漠化是生态环境恶化的标志之一。本次评价通过遥感影像解译得出该区石漠化程度面积比率，根据石漠化面积比率分为很低、较低、一般、较高、很高五个等级，分别赋予不同的分值，再进行标准化处理，以描述该区生态环境的脆弱度。
　　2.2.2人文指标因子。
　　2.2.2.1农业人口密度。农业人口密度指单位面积上的平均农业人口数。在农村地区农业人口密度可真实地反映散居在土地上并依赖土地生活的人口密度。在土地生产力相同的前提下，农业人口密度大的地区，相应的生态环境脆弱度就会加强。
　　2.2.2.2人均耕地面积。广西边境地区宜耕地资源不足，土壤肥力差，人口承载力低。随着人口增长，92%以上的农业人口都用柴草作为燃料，导致负荷压力过大，长期的乱砍滥伐和在坡度大于25°的陡坡开荒种粮，导致水土流失严重，使该区的生态环境日趋恶化，陷入了“过度开垦—土壤退化—经济贫困”的恶性循环。因此，人均耕地面积与脆弱度有很好的负相关性。
　　2.2.2.3恩格尔系数。恩格尔系数是指食品支出总额占个人消费支出总额的比重。19世纪德国统计学家恩格尔根据统计资料，对消费结构的变化得出一个规律：一个家庭收入越少，家庭收入中（或总支出中）用来购买食物的支出所占的比例就越大。恩格尔系数越大，农业人口对土地的依赖越大，相应的环境脆弱度也就越高，因此恩格尔系数是很有说服力的评价因子之一。
　　2.2.3评价标准。
　　由于目前对生态环境脆弱度分级尚无统一的标准，本次评价主要根据综合评价单元的分值确定每项指标的脆弱度等级，把评价标准分为潜在脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、极度脆弱五个脆弱性等级。各分级标准见表1。
　　2.2.4 评价指标数据制作、分析及标准化处理。
　　2.2.4.1评价指标数据制作、分析流程。根据在评价体系中选定的评价指标因子，制作相关的森林覆盖率、坡度、年均降水量、石漠化等专题图。然后利用GIS的空间分析功能将评价因子的专题图信息和年鉴资料等属性数据进行系统分析进而得出评价结果。为了使专题图数据之间具有良好的空间重合性，将各专题数据进行投影变换，采用统一的坐标系和投影系统，投影系统为等积割圆锥投影，即采用全国统一的中央经线105°E，双标准纬线分别为19°N和41°N，椭球体为KRASOVSKY椭球体。数据处理操作步骤见图1。
　　2.2.4.2评价指标数据的标准化处理
　　根据DEM提取坡度统计结果、影像图解译专题统计图和相关属性统计数据得出各评价单元的各个评价指标的数据。见表2。
　　
　　资料来源：国际科学数据服务平台提供的2010年的Landsat-7影像数据和30m分辨率的GDEM数据、研究区各县市区2010年统计年鉴数据等。
　　由于指标体系中各指标采用不同的量纲，这给综合评价带来许多困难。为此，需要将不同量纲的评价指标，通过适当的变换，化为无量纲的标准指标。我们采用线性比例变换法将各评价指标进行标准化处理。其计算公式及计算过程如下：
　　先计算最好最差值
　　最终标准化结果见表3。
　　2.3评价模型的建立
　　2.3.1确定各评价指标的权重。
　　我们采用层次分析（AHP）法确定评价因子的权重，AHP（Analytic Hierarchy Process，简称为AHP）法是美国著名运筹学家Thomas L.Satty教授于20世纪70年代提出的一种系统分析方法［３］，它是把一个复杂问题表示为层次结构，通过判断，对备选方案的优劣进行排序。是一种定性分析和定量分析相结合的综合评判方法，已在国内外社会、经济、科技等各个领域得到广泛的应用。本次评价按照评价指标体系确定的层次结构，根据AHP要求，结合专家打分，构成判断矩阵，得出评价体系中各指标的权重。赋值结果见表4。
　　2.3.2使用加权平均法，计算综合评价结果向量。
　　根据评价体系具体情况，将评价指标进行标准化处理，并确定各评价指标的权重，使用比较常用并且实用的多指标加权平均综合评价法，求出各评价单元的加权平均值。计算结果见表5。
　　2.4基于ArcGIS的等级划分
　　采用ArcMap工具，输入广西边境地区综合评价分值的属性数据，按照加权平均原则，在ArcCatalog中将存储综合评价分值的数据项，对评价标准进行子类划分，得出广西边境地区生态环境脆弱度分级图，见图2。
　　2.5评价结果分析
　　广西边境地区生态环境脆弱度分级结果图表明：广西边境地区8个评价单元中，潜在脆弱区0个，轻度脆弱区0个，中度脆弱区5个，重度脆弱区2个，极度脆弱区1个。
　　2.5.1潜在脆弱区、轻度脆弱区的缺失，主要是广西边境地区的森林植被条件较差，覆盖率普遍偏低，该区的农业人口比重大，经济发展水平较低，农民收入偏低，92%家庭是以柴草作为燃料，恩格尔系数大，农业人口密度大，人均耕地面积偏低。坡度大于25°的坡地比重大，导致水土流失较严重，石漠化程度较高。因此，潜在脆弱区、轻度脆弱区的缺失是符合实际的。
　　2.5.2中度脆弱区，包括那坡、龙州、凭祥、东兴、防城5个县市区，面积8192km２，占研究区总面积的45.42%。这5县市区在广西边境地区中属于自然生态环境较好的5县区，农民的人均收入在边境地区来说是比较高的，而且森林覆盖率较高，人均耕地面积虽然偏少，但农业人口密度仅为102人/km２，在广西边境地区属中等水平。同时5县区的地表起伏较大，坡度大于25°的坡地比重较大，导致土层浅薄，土地生产力低下，对环境的潜在危害大，经济发展相对较慢，属生态环境中度脆弱区。
　　2.5.3重度脆弱区，包括靖西、宁明2个县，面积7120km２，占总面积的39.38%。这两县的成土条件较差，坡度大于25°的坡地比重达35%，尤其是靖西县，达到38%，森林覆盖率低，只有25.7%，生物多样性减少，农业人口密度大，靖西县高达174人/km２，生态环境承载力较大。
　　2.5.4极度脆弱区，包括大新县，该县坡度大于25°的坡地比重达32%，年均降水量1100mm，水土流失严重，而且森林覆盖率严重偏低，仅为13.2%，农业人口密度高达118.174人/km２，坡地的过度垦殖，石漠化加剧，通过对2003年及2009年该县的ETM影像进行叠置分析发现该县石漠化程度在这时间段呈不断递增的态势，因此该县属于极度脆弱区是符合实际的。
　　3.结语
　　我们以广西边境地区8个县市区为研究对象，通过选取影响该区生态环境脆弱度因子建立生态环境脆弱度评价指标体系，运用3S技术对现势性较强的数据进行加工分析，运用层次分析法量化各个指标的权重，然后应用加权平均法划分脆弱度等级，并将结果在ArcGIS中运算体现出来。利用本次评价方法对该区生态环境脆弱进行定量评价，划分为潜在脆弱区、轻度脆弱区、中度脆弱区、重度脆弱区和极度脆弱区等5个等级。通过利用测绘仪器RTK进行实地采点抽样调查，其结果基本符合广西边境地区生态环境脆弱的实际情况。由此可见，该评价方法是合理和可操作的。同时，评价结果可为广西边境地区生态环境的保护和修复提供科学依据。
　　
　　参考文献：
　　［1］覃小群，蒋忠诚.广西岩溶县的生态环境脆弱性评价［J］.地球与环境，2005，（2）：45-51.
　　［2］罗为群，蒋忠诚，覃小群.广西平果龙何屯景观生态型土地整理模式探讨［J］.广西师范大学学报（自然科学版），2005，23，（2）：98-102.
　　［3］徐建华.现代地理学中的数学方法［M］.北京：高等教育出版社，2002：224.
　　基金项目：广西自然科学基金项目（合同编号：桂科自0991276）资助。
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文