基于遥感和地理信息系统的图们江地区生态安全评价

南 颖，吉 喆，冯恒栋，张冲冲

(延边大学理学院地理系，延吉 133002)

基于遥感和地理信息系统的图们江地区生态安全评价

南 颖*，吉 喆，冯恒栋，张冲冲

(延边大学理学院地理系，延吉 133002)

利用遥感及统计数据，基于压力-状态-响应(P-S-R)模型选取22个评价指标构建生态安全评价体系对图们江地区进行基于空间的生态安全评价。结果表明：研究区生态安全水平呈现出明显的空间差异性，表现为区域内东西两端生态安全水平较高并向中部过渡。各生态安全等级的面积大小排序为：较安全>临界安全>安全>较不安全>不安全，所占比例分别为49.56%，33.89%，9.14%，6.48%，0.94%。另外统计了基于行政单元的平均生态安全指数和等级，发现各县市的生态安全水平和等级构成都有所不同，各县市生态安全水平状态排序为珲春>图们>安图>汪清>延吉>龙井>和龙。整体来看，研究区生态环境质量较好，生态系统服务功能及抗干扰能力较强，生态问题较少，生态灾害较少。

生态安全评价；遥感与地理信息系统(RS&GIS)；压力-状态-响应(P-S-R)模型；图们江地区

全球环境变化与可持续发展是当前人类社会面临的两大重要挑战[1- 2]。20世纪80年代以来对生态安全的研究和追求已成为全世界的共识，我国2000年底颁布的《全国生态环境保护纲要》中，已明确将“国家生态环境安全”提到了战略的高度[3]。在此大背景下，我国学者进行了大量的研究，总结我国生态安全研究其研究成果覆盖生态安全的概念、评价、格局、预警等各个方面，研究尺度多样[4- 11]。在各种尺度的生态安全概念中，区域生态安全处于核心的地位，加强区域生态安全的研究，有利于理论方法的突破和经验的累积以及实现生态问题的解决。

图们江地区因其蕴涵着丰富的自然资源，对东北亚地区生态安全发挥着重要作用。同时，图们江地区作为面向东北亚开放的重要门户以及东北亚经济技术合作的重要平台，已成为国内外关注的焦点。2009年国务院已正式批复《中国图们江区域合作开发规划纲要——以长吉图为开发开放先导区》，标志着长吉图开发开放先导区建设已上升为国家战略。长吉图先导区的开放对图们江地区提出了长期整体规划。本区域虽然生态环境总体状况较好，但面临全面开发还没有生态安全方面相关研究。本研究正是以此为契机，拟以生态安全为导向，通过对该区域进行基于空间的生态安全综合评价，为该区域今后的生态保护与恢复、开发管理与政策制定提供科学的参考依据。

1 研究区及数据

本文研究区为图们江地区，包括除敦化外的延边朝鲜族自治州的7个县市(延吉市、龙井市、图们市、珲春市、和龙市、汪清县、安图县),位于吉林省东部，是中、俄、朝三国交界，面临日本海，位于北纬41°59′—44°30′，东经127°27′—131°18′之间，整体地势西高东低，珲春部分最低(图1)。整个地貌呈山地、丘陵、盆地3个梯度，山岭多分布在周边地带，丘陵多分布在山地边沿，盆地主要分布在江河两岸和山岭之间。地处北半球中温带，属于中温带湿润季风气候。主要特点是季风明显，春季干燥多风，夏季温热多雨，秋季凉爽少雨，冬季寒冷期长。

图1 研究区域图Fig.1 Study area

本文采用的数据包括遥感影像数据、DEM数据和统计数据。遥感影像数据为2010年Landsat-5 TM影像，共包括5景，轨道号分别为114/30、115/30、115/31、116/30、116/31，影像覆盖整个研究区。对这些影像进行波段选取、几何校正、图像增强、影像镶嵌裁剪及解译等处理，采用CART决策树方法进行影像分类，从中提取土地利用/覆盖信息，经过精度验证总精度达到90.8%，为生态安全评价部分指标提供数据基础。研究区DEM数据来自于NASA网站提供的ASTER全球DEM数据，分辨率为30 m，作为生态安全评价的地形指标。长期对本研究区的研究积累，形成了涵盖区域自然和人文方面的专题数据库，此数据库中的道路、城镇等数据也作为参评指标基础数据。另外生态安全评价部分参评指标数据来源于统计年鉴，统计数据主要来源于《2010延边统计年鉴》和同时期延边州各县市统计年鉴[12]。

2 图们江地区生态安全评价

2.1 评价指标体系的构建

建立科学合理的指标体系，是生态安全评价结构是否准确、合理的关键，也是生态安全评价是否能继续进行的关键。对于区域生态安全评价，研究区所处的环境和经济社会条件不同，选择的指标体系也有所差异。联合国经济合作开发署(OECD)建立的P-S-R模型，即压力-状态-响应模型，在生态安全评价研究中被广泛的承认和使用。该模型从生态系统压力、生态系统状态和人文环境响应3个方面构建指标体系。压力指标指人类活动给系统造成的负荷；状态指标指环境质量、自然资源与生态系统的状况；响应指标指人类面临环境问题时所采取的对策与措施，这一框架模型具有非常清晰的因果关系，即人类活动对环境施加了一定的压力；因为这个原因，环境状态发生了一定的变化；而人类社会应当对环境的变化作出响应，以恢复环境质量或防止环境退化。该模型具有综合性、适用范围广的特点[13]。

本文借鉴已有区域生态安全评价研究的指标体系[14- 17]，在P-S-R的基础上，根据研究区的实际特点，考虑数据的可获取性和完备性情况，兼顾自然、经济和社会3个方面因素，筛选出具有代表性的22个指标，构建评价指标体系。体系分为目标层、准则层和指标层3个层次，如表1所示。

表1 生态安全评价指标体系

续表

目标层Targetlayer准则层Criterionlay-er代码Code指标层Indexlayer趋向Trend数据来源Datasource权重WeightC10土地利用类型正向遥感调查0.0631C11植被覆盖率正向遥感调查0.0738C12生态弹性度正向遥感调查0.0782C13生物丰度正向遥感调查0.1163C14年降水量正向观测数据0.1036生态响应C15人均粮食产量正向统计数据0.0427指标R(B3)C16工业固体废弃物利用量正向统计数据0.0650C17工业废水排放达标率正向统计数据0.0627C18农业机械化水平正向统计数据0.0437C19水土协调度正向统计数据0.0294C20人均GDP正向统计数据0.0235C21环保支出占GDP比例正向统计数据0.0188C22自然保护区面积正向统计数据0.0112

2.2 部分评价指标说明

在上述指标体系中，部分指标需要通过一定的计算公式计算，表2列出了这些指标的具体计算公式及说明。

表2 部分评价指标说明

2.3 确定评价单元

本研究生态安全评价是基于像元的，采用100 m×100 m的栅格作为基本的评价单元，运用GIS工具得到每一个评价单元的相关指标数值，以每一个评价单元作为信息的空间载体。针对不同数据源的评价指标，根据不同的空间精度的特点，采用不同的量化方法：

(1)对于以行政区为统计单元的统计指标，如人口密度、人均GDP等，采用矢量化的方法进行量化，再将矢量转化为栅格，并重采样到100 m×100 m的栅格。

(2)对于栅格数据，如土地利用类型、景观多样性等数据，直接重采样到100 m×100 m的栅格。

(3)对于观测数据，如降雨数据，观测的空间点状数据进行空间插值处理，之后再重采样到100 m×100 m的栅格。

2.4 指标量化

根据不同指标数据的来源与数据特征，使用不同的方法对其进行标准化量化，使其标准化到0—100之间。具体采用的方法分为极差法和分等级赋值法。

(1)极差法 一般情况下安全水平量度的指标可划分为正向指标和负向指标，正向指标的指标数值越大，越安全。相反，负向指标的指标数值越大，越不安全。对两种指标的标准化处理方法有所不同，具体如下：

正向指标

Zi=(xi-xmin)×100/xmax-xmin

(1)

负向指标

Zi=(xmax-xi)×100/xmax-xmin

(2)

式中，Zi为第i个指标的标准值；xi为第i个指标的实际值；xmax为实际值的最大值；xmin为实际值的最小值。

(2)分等级赋值法 对于不适合极差法标准化的指标，本文只涉及到土地利用类型指标，则利用专家知识，采用分等级赋值的方法进行标准化。根据土地利用类型进行生态安全等级划分赋值，具体标准的选取情况见表3。

表3 分等级赋值的标准

2.5 评价指标权重的确定

通过层次分析法确定各评价指标的权重。层次分析法确定权重的具体步骤如下：

(1)构造判断矩阵 表示针对上一层次中的某元素而言，评定该层次中各有关元素的相对重要程度。

(2)重要性排序 根据线性代数知识, 利用方程BW=λmaxW计算出该判断矩阵的最大特征值及对应的特征向量。所求特征向量即为各评价因素的重要性排序,归一化后,也就是权重分配。

(3)一致性检验 权重分配是否合理需要对判断矩阵进行一致性检验和随机性检验。

(3)

式中，当CI=0时，判断矩阵具有完全一致性；反之，CI越大，一致性越差。将CI与平均随机一致性指标RI进行比较。其比值称为判断矩阵的一致性比例，写作CR=CI/RI。当CR<0.10时，则认为判断矩阵通过了一致性检验，否则就需要调整判断矩阵直到满意为止。

经计算CI=0.0898，RI=1.3749，CR=0.0653<0.10，通过一致性检验。最终权重计算结果如表1所示。

2.6 生态安全指数计算

采用综合指数法计算生态安全指数。综合指数法是生态安全评价研究中广泛使用的计算方法，它能在一定程度上反映系统生态安全的状态，尤其能够运用于区域之间生态系统安全水平的对比分析。其主要思想即将确定的各单项参评指标的权重值同相应的指标数值相乘，然后求指数和，即得到评价区的生态安全指数，从而实现区域生态安全的定量化评价。其公式如下：

(4)

式中，ESI为生态安全指数；Zi为各指标标准值；Wi为各指标的权重。

利用ArcGIS下空间分析模块按照综合指数模型将参评指标进行加权空间叠加，计算研究区每个评价单元的生态安全指数。

图2 生态安全等级图Fig.2 Grades of ecological security

为了利于更加直观的分析评价结果，为生态安全指数划分等级制定评判标准。结合现有文献研究并根据本研究区的生态安全水平，将生态安全指数划分为5个等级，分别为Ⅰ不安全、Ⅱ较不安全、Ⅲ临界安全、Ⅳ较安全和Ⅴ安全。生态安全等级越高表示生态安全状况越好，反之就越差。其中不安全等级生态环境非常恶劣，系统服务功能严重退化，生态结构严重不完整，生态恢复与重建很困难，极易发生生态灾害。较不安全等级生态环境质量较差，系统服务功能有较大退化，生态结构破坏较大，受外界干扰恢复困难，生态问题较大，易发生生态灾害。临界安全等级生态环境质量一般，处于安全与不安全之间，系统服务功能受到一定程度破坏，已有退化，生态结构有变化，抵御外界干扰能力较差，自我恢复能力差，生态问题显著，生态灾害时有发生。较安全等级生态环境质量较好，系统服务功能较为完善，抵御外界干扰能力较强，生态结构较完整，受干扰后一般可恢复，生态问题较少，生态灾害较少。安全等级生态环境质量好，系统服务功能基本完善，基本未受到破坏，生态结构完整，抵御外界干扰能力强，受干扰后可恢复，生态问题不显著，生态灾害少。按照评判标准对评价结果进行分级，得到生态安全评价等级图如图2所示。

3 图们江地区生态安全评价结果分析

3.1 基于像元水平的评价结果分析

研究区生态安全指数值的范围为27.53—76.88，平均指数为60.47，整体上区域处于Ⅳ等级较安全状态。通过统计，综合评价结果如表4所示。

表4 生态安全综合评价结果表

由图2和表4可以看出，研究区内各生态安全等级的面积大小排序为：较安全>临界安全>安全>较不安全>不安全。研究区内生态安全状态以较安全等级Ⅳ为主，其面积高达1544725 hm2，比例占总面积的49.56%，说明区内土地生态环境质量较好，系统服务功能较为完善，抵御外界干扰能力较强，生态结构较完整，受干扰后一般可恢复，生态问题较少，生态灾害较少。此等级大面积分布在图们江下游地区，主要是平原、平坦丘陵及沟谷地区，土地覆盖以森林、湿地为主。处于临界安全等级Ⅲ的面积1056108 hm2，占总面积33.89%，处于该等级的地区生态环境质量一般，系统服务功能受到一定程度破坏，已有退化，生态结构有变化，抵御外界干扰能力较差，自我恢复能力差，生态问题显著，生态灾害时有发生。临界安全状态多分布于图们江中上游山地地区。安全等级Ⅴ的地区面积为284723 hm2，占总面积比例为9.14%，该状态地区生态环境质量好，系统服务功能基本完善，基本未受到破坏，生态结构完整，抵御外界干扰能力强，受干扰后可恢复，生态问题不显著，生态灾害少。该状态地区主要分布在图们江下游，土地覆盖类型主要为森林、湿地、水体等自然土地覆盖类型。分布较少的为较不安全等级Ⅱ和不安全等级Ⅰ，占总面积比例分别为6.48%和0.94%。较不安全等级的生态环境质量较差，系统服务功能有较大退化，生态结构破坏较大，受外界干扰恢复困难，生态问题较多，易发生生态灾害。该状态地区主要分散分布在道路、城镇周围影响带，以及人为开发利用较严重地区。不安全等级面积最小，处于不安全状态的地区生态环境非常恶劣，系统服务功能严重退化，生态结构严重不完整，生态恢复与重建很困难，极易发生生态灾害。该状态地区主要分布在城市地区、道路沿线以及人为破坏严重的用地类型地区。区域整体上呈现出东西两端生态水平高，中部水平低的状态，在地形上表现为平原、沟谷地区高，山地地区低的态势，除地形因素影响之外，人类活动较集中的地区生态安全等级较低，而自然特别是未遭人为破坏的地区的生态安全等级较高。由此可看出影响区域内生态安全的主要原因是人为因素。在人为活动驱使下，使得土地覆盖类型的结构和组成发生改变，从而对生态系统产生深远的影响，进而使得区域内生态水平产生空间差异性。

3.2 基于行政单元的评价结果分析

图3 基于行政区的平均生态安全指数 Fig.3 Statistics of the mean ESI based on administrative divisions

以研究区的行政区划单元为单位，通过统计各行政单元的平均生态安全指数反映该行政区的生态安全状况，如图3所示。基于平均生态安全指数，各行政区排列的顺序为：珲春>图们>安图>汪清>延吉>龙井>和龙，即生态安全状态依次降低，环境质量、生态系统服务功能、生态结构、抗外界干扰能力和恢复能力呈依次降低的态势。

图4 基于行政区的生态安全等级Fig.4 Structure of the ecological security grades based on administrative divisions

各行政单元的生态安全等级构成也有所差异，这些差异反映出各行政区内的人口增长、社会经济发展和生态环境质量的差异造成的生态安全状态的空间分异。由图4中可以看出各县市的生态安全等级构成差异较大：7个县市中和龙、龙井、延吉生态安全等级构成表现出一定的相似性，均以临界安全等级为主，该等级所占比例分别为65.44%、51.28%和49.34%，其次占比例较多的是较安全等级，3个县市中较安全等级所占比例较多的是延吉，其次是龙井和和龙。同时3个县市都有少量的较不安全和不安全等级分布，但都不存在安全等级。从整体看，这3个县市的生态安全水平与其他县市相比偏低。安图、图们、汪清3个县市的生态安全等级构成特征相似，表现为较安全等级占主体，所占比例分别为54.29%、67.36%和64.99%，其次为临界安全等级，少量分布等级极端的安全等级，而较不安全等级比例较小，并且不存在不安全等级。这3个县市整体生态安全水平较高，生境质量较高，抗干扰能力和恢复能力较强。珲春的生态安全等级构成特征表现为在安全和较安全等级上集中，两个等级所占比例分别为52.36%和36.59%，临界安全和较不安全等级只占到9.49%和1.48%，不存在不安全等级，整体生态安全水平高，生境质量高，抗干扰能力和恢复能力强。

4 结论及讨论

本文基于压力-状态-响应(P-S-R)模型构建生态安全评价体系对图们江地区进行基于空间的生态安全评价。研究区生态安全状态以较安全等级Ⅳ为主，整体上说明区内生态环境质量较好，系统服务功能较为完善，抵御外界干扰能力较强，生态结构较完整，受干扰后一般可恢复，生态问题较少，生态灾害较少。在空间上呈现出区域东西两端生态安全水平高，中部较低的趋势。生态安全等级较高地区集中在地势平坦的平原、沟谷处，而生态安全等级较低的地区主要集中在海拔和坡度较大的山地地区。同时在人为影响强烈的地区生态安全水平和等级都表现出极低的水平。通过统计各行政单元的平均生态安全指数反映各行政区的生态安全状况，平均生态安全指数大小的排列顺序是珲春>图们>安图>汪清>延吉>龙井>和龙，即生态安全状态依次降低，环境质量、生态系统服务功能、生态结构、抗外界干扰能力和恢复能力呈依次降低的态势。各个县市所呈现的生态安全等级构成也有所差异，这些差异产生的原因除上述的地形等自然因素影响外，人为因素也成为主要驱动因素。人为干扰越强的地区，对生态系统的影响也越为严重，从而在生态安全方面表现为水平较低；而未受人类活动干扰或影响较少的地区，生态系统仍处于自然状态，表现出的生态安全水平较高。然而另一个方面，在社会经济发展水平高的地区，相应的对生态环境保护的政策措施也相对完善，这就使得在对抗生态环境破坏和干扰时，其反应能力和恢复能力也就越强，因而从另外一个方面提升了该地区的生态安全水平。由评价结果可以看出虽然区域生态安全状态较好，但仍有部分地区生态安全水平较低，区域内生态安全水平处于部分不平衡状态，因此，在区域开发建设时应注意这方面因素，从政策制定和实施层面重视生态环境保护是确保区域生态安全，推动区域可持续发展的重要保障，应继续给予生态安全等级较低的地区和县市相应的政策支持，以保证区域内生态安全水平的协调统一。

本文以栅格和行政区为评价单元进行生态安全评价，避免了单由统计数据评价的片面性，但统计数据是以市(县)为统计单元的，导致评价结果在空间上有明显的行政区边界差异，如果可以进一步获得镇、乡等更小行政单元的统计数据，将会大大提高评价结果的空间精度。在生态安全评价框架方面，在目前的研究中尚未形成完善的评价体系和方法范式，所以本研究最大程度上吸取了前人的研究成果，同时结合本研究区的实际情况选择了评价体系、方法，尽可能的保证了研究的科学性和合理性，但并不具有广泛推广性，在今后的研究中有待进一步完善。

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Oneco-securityevaluationintheTumenRiverregionbasedonRS&GIS

NAN Ying*, JI Zhe，FENG Hengdong, ZHANG Chongchong

TheDepartmentofGeography,YanbianUniversity,Yanji133002,China

Global change and problems related to sustainable development have increased to the point where they have become the core of a wide variety of scientific research all over the world, with research related to ecological stability having become the most important part of resolving these crucial issues. Past research related to ecological stability had no widely used and accepted methodology and lacked repeatability and consistent tactics. Therefore, techniques required for research related to regional ecological stability need further study and exploration. The Tumen River serves as a border between China and North Korea and for 15km, North Korea and Russia. This study of the Tumen River region primarily used remote sensing images and related statistical data to develop an evaluation index system which included 22 evaluation indices and was established based on a proportional specimen resistance (PSR) model. Using the index system, the analytic hierarchy process was used to assign weights and then an ecological stability index (ESI) was computed; the ESI values were divided into 5 grades and used to spatially assess the ecological stability of the Tumen River Region. The results show that the ecological stability of this region primarily falls into grade IV which indicates that the regional is generally ecologically stable, with grade V being the most stable and secure. The spatial areas of land classified in each grade were ranked as follows: Ⅳ>Ⅲ> Ⅴ>Ⅱ >Ⅰ with the percentages of 49.56%, 33.89%, 9.14%, 6.48%, and 0.94% of the total land area in the Tumen River Region in each rank, respectively. The ESI revealed some significant spatial differences; the ecological stability was high in the east and west but was low in the middle of the region. Based on topography, areas with a high ecological stability grade were concentrated in the flat plains and valleys while areas with a low grade were concentrated in the steep hilly areas at higher altitudes. Areas strongly affected by anthropogenic activities were in the low ecological stability grades. Also, the mean ESI and the ecological stability grades were counted and analyzed based on administrative divisions. The ecological stability and the structure of the grades varied from city to city and ranked as follows: Hunchun > Tumen > Antu > Wangqing > Yanji > Longjing > Helong. There were also some differences in structure of the ecological stability grade of every city. The differences were primarily caused by serious human impacts and some natural factors so the ecological stability was low in some residential areas and some areas around traffic routes. But in some cities or counties the ecological stability was better than expected because the environmental protection policies and measures were relatively well implemented in these cities. So, it is necessary to pay attention to the policies related to ecological protection to ensure the ecological stability of the region which can also promote sustainable development of the region. Generally, in Tumen River Region, the eco-environmental quality was good, the ecosystem services were stable and the ability of the ecosystem to deal with stress was high. Also, there were rare negative ecological issues and ecological disasters in the region.

eco-stability assessment; remote sensing and GIS; PSR model; Tumen River Region

国家自然科学基金资助项目(41071333，41110006)

2012- 05- 07;

2012- 09- 11

*通讯作者Corresponding author.E-mail: nanying@ybu.edu.cn

10.5846/stxb201205070663

南颖，吉喆，冯恒栋，张冲冲.基于遥感和地理信息系统的图们江地区生态安全评价.生态学报,2013,33(15):4790- 4798.

Nan Y, Ji Z，Feng H D, Zhang C C.On eco-security evaluation in the Tumen River region based on RS&GIS.Acta Ecologica Sinica,2013,33(15):4790- 4798.