基于GIS和系统聚类流域系统综合区划方法与应用——以广西西江流域为例

丘海红，张 泽，胡宝清

(1.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；2.广西地表过程与智能模拟重点实验室，广西 南宁 530001；3.南宁师范大学 地理科学与规划学院,广西 南宁 530001)

1 引言

水资源是地球上所有生物的生存之源，是支撑整个生态系统正常运转的重要物质基础，对人类社会繁荣与经济发展过程中发挥着重要的支撑和保障作用[1]。而流域更是地球上物质交换、能量传递的重要场所[2]。在流域科学发展和综合区划的进程中，国内外学者对流域的治理，生态保护，以及可持续发展均有诸多研究,将流域的自然和人文看成是一个整体、一个系统[3]。现代的自然地域划分研究开始于19世纪初，当时阐明了区域、小区、地区和大区四级地理单元[4]。21世纪以来，我国许多学者开展对自然地理区划及其相关研究。黄勋等[5]利用AHP模糊综合法对四川省的地质遗迹空间区划分析，进行了定量的评价。武晓玉等[6]利用综合区划原则和方法，对江西抚河源区生态系统的服务功能进行评价。方创琳等[7]以8大原则，10大要素为基础划分依据，采用空间聚类分析方法，对中国人文地理进行了综合划分。随着定量地理学的兴起，对于综合区划的研究的技术越来越成熟，方法越来越丰富[8～13]。虽然国内外对该领域研究一直火热，但对此研究区的研究少之又少，且方法普遍性高，研究内容不全。本研究以广西西江流域自然地理要素为基础，以气候、地貌、自然资源、社会经济发展等要素为依据，按照一系列的原则，构建了广西西江流域综合区划指标体系。本研究不仅编制了广西西江综合区划，也可为其他流域的综合区划和治理提供的科学的系统的全面的理论基础。

2 广西西江流域系统综合区划基本依据和原则

2.1 综合区划的基本依据

区域的区划依据的确定是选取指标的基础，随着区划要求的不同而有所差异，因此，要根据区划的特点和分异规律进行综合判定。首先区域自然环境的分异，各个地区的气温、降水都有所差异，从而影响到农业生产、发展及土地利用[14]。其次资源禀赋是区域可持续发展的基础，通过区域的等各种资源，如自然资源，旅游资源等来综合分析研究区各地的资源状况。综合区划目的是促进区域自然和社会可持续发展，因此，划分时需要结合自然环境差异与人文经济两大因素对区划的影响。区域内各地经济发展不同，社会水平就会有很大的差异。经济发达地区社会水平，社会建设相对较高。因此，区划的划分依据要结合自然人文因素综合考虑。

2.2 综合区划的基本原则

(1)发生统一性原则。是进行区划工作的基本原则。要充分掌握西江流域的发展情况，造成各地区不同的原因，保持广西西江流域综合区划中县级行政区划的完整性[15]。

(2)相对一致性原则。要保证自身一致性，不同等级的相对一致性，根据具体情况，将区域按级别逐级划分。

(3)区域共轭性原则。对于特征相似但不相邻的地区，不可以归为一类。广西西江流域的每个单元都是依据自身特征而区划的。

(4)综合协调性原则。是对自然环境，如地貌，土壤等和经济社会发展，如人口，经济等的相对一致性，并将两者相结合。

(5)自上而下与自下而上相结合原则。较高等级的区域划分通常采用“自上而下”的演绎途径，而较低等级的地域类型则多应用“自下而上”的归纳途径[7]。

(6)综合分析与主导因素相结合原则。在此原则下，广西西江流域综合地理区划以自然因素作为综合指导因素，以人文因素作为主导因素[16]。

3 广西西江流域综合区划的指标体系和方法

3.1 广西西江综合区划指标体系构建

结合上述依据和原则，建立广西西江流域综合区划的指标体系，将自然和人文相结合综合考虑(表1)。

表1 广西西江流域综合区划指标体系

3.2 广西西江综合区划的方法

3.2.1 数据的标准化

评价体系中涉及的指标数据在数值上差异很大，各指标单位也不相同，无法直接使用，所以必须进行数据的标准化处理[17]。公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：xij是标准化后第i个乡镇第j项指标的标准化数值;xi为指标i的标准化值；xi为指标i的初始值；xmin为指标i的最小值；xmax指标i的最大值。

3.2.2 熵值法

熵是一个表示离散程度的方法，指标的离散程度对综合评价成正相关。

计算步骤如下：

(1)综合标准化值Pij:

(3)

计算第项指标的熵值ej(为单元数,Pij=0时，lnPij=0)。

(4)

(2)计算第j项指标的差异性系数gj：

(5)

(3)计算j项指标的权重Wj：

(6)

3.2.3 层次分析法

层次分析是把复杂问题简单化，层次化，经过两两对比后，选择出相对重要因素[19]。

(1)建立评价指标集。设F={F1F2…Fm}是一个由F层评价指标构成的指标集(i=1,2,…,m),设Xi={X1X2…Xm}是对应于Fi(i=1,2,…,m)的评价因子R层构成的指标集[20]。

(2)构造判断矩阵。判断矩阵标度定义见表2。

表2 判断矩阵标度定义

(3)计算权重。①计算两两判断矩阵每行指标的乘积Mi:

(7)

②计算Mi的n次方根:

(8)

(9)

得到特征向量

④一致性检验，步骤如下。计算一致性指标CI:

(10)

其中λmax为判断矩阵最大特征根值:

(11)

计算一致性比例CR：

(12)

式(10)、(11)、(12)中，CR为判断矩阵得随机一致性比率；CI为判断矩阵得一般一致性指标；RI为判断矩阵得平均随机一致性指标；λmax为最大特征根；(AWi)表示向量AW的第i个分量。

(4)组合赋权计算为：

Wi=αθi+(1-α)wi0≤α≤1

(13)

式(13)中：Wi为组合权重，α为偏好系数，θi为层次分析法确定权重，wi为熵值赋权法确定权重。

3.2.3 系统聚类分析法

将全部个体各看成一类，确定样品与样品和类与类之间的距离，并将距离最近的两类合并为一类，形成新的一类；重复计算距离，并有上述过程得到相应的聚类分析结果。系统聚类的具体分析步骤如下。

(1)原始数据标准化转换。本文原始数据处理采用的是极差标准化的方法处理，其公式为：

(14)

(i=1,2,3…,n;j=1,2,3,…,m)

得到的新数据各要素的平均值为0，标准差为1，即有：

(15)

(16)

(2)计算欧式距离。本文采用平方欧式距离(Square Euclidean)测试广西西江流域76个区县单位之间的距离，其计算欧式距离公式为：

(17)

将所有行的欧式距离都算出来，可以得到一个n×n的欧式距离矩阵：

(18)

式中D为对称阵，根据D可对n个点进行分类，距离近的点归为一类，距离圆的点归为不同的类。而后依据不同的聚类距离，对各区域单元进行聚类，并作聚类普系图。

4 广西西江流域综合区划过程

4.1 研究区概况

西江在广西境内河长869 km，流域面积达到4162 km2。西江流域位于104°～113°E，21°～27°N之间[22]。西江流域气候为中亚热带季风气候和南亚热带季风[23]，年均降水量在1080 mm以上，年平均气温在20.5 ℃左右，年夏长冬短。广西喀斯特地貌的分布广泛，是全国石漠化问题比较严重的区域之一[24]。河池市、百色市、桂林市、崇左市、南宁市等老少边山穷地区为石漠化区。

4.2 数据源及预处理

根据本文研究的需要，选取了气象数据、多元遥感数据及社会经济统计数据，具体如下。

(1)气象数据来源于广西统计年鉴和中国气象科学数据共享服务平台。利用ArcGIS软件，将气象数据处理为栅格数据。

(2)多元遥感数据主要来源于USGS MODIS陆地产品，空间分辨率30 m，对所获得遥感数据进行大气校正，融合，裁剪，投影转换等预处理。

(3)社会经济统计数据来源于广西统计年鉴。

5 广西西江流域综合区划方案

为研究广西西江流域综合区划，促进区域可持续发展，根据区划依据和划分原则，以县级为研究单元，综合运用熵值法，层次分析法和系统聚类分析法，将广西西江流域分为5个一级区和12个二级区。一级分区的主导要素是自然地理要素，二级分区的主导要素为自然地理和文化景观要素。在分析各区发展现状的基础现状上，提出了今后的发展方向，并探讨了广西西江流域整体开发的初步建议。

5.1 广西西江流域综合区划(一级区)的生成过程和划定

在综合区划的过程中，基于ArcGIS的空间叠加分析，以广西西江流域综合分区指数为基础，计算每一行政的综合指数的平均值，再结合广西西江流域地理环境中的气候、水文、地形地貌等子要素，从而能够划出广西西江流域综合区划结果。对广西西江流域分为5个一级区，一级区的命名采用：区位+地貌类型两名法[4]，得到图1，广西西江流域综合区划的一级区图。

5.2 广西西江流域综合区划(二级区)的生成过程及划定

在广西西江综合一级区划图的基础上，结合各地区地理位置及社会经济水平、发展方向等情况，遵循区域共轭性原则，以县区为基本单元，计算广西西江流域的综合区划指数，划分出了广西西江综合区划的二级区划图。二级区划命名采用区位+地貌类型+发展方向三命名法，分为12个二级区[4]，得到图2，广西西江流域综合区划二级区划图。总体来看，自然和人文相结合的作用下综合区划具有一定的地域分异规律，桂中和桂南地势平坦，交通便利，发展商务金融等旅游经济区；贵东南、桂西南、桂东北、桂西北依据地理特色，发展特色农业，农业旅游景观。结合各区的基本特色，综合体现了各区地域特征及其今后的发展方向。

5.2 广西西江流域综合区划的生成过程及方案

综合广西西江流域的一级区(5个)和二级区(12个)生成过程及区划，得到广西西江流域的综合区划方案(表3)。

6 结语

本文整理了一套流域系统综合区划的方法体系，在该方法体系的基础上，以广西西江流域为例，进行广西西江流域综合区划。广西西江流域综合区划是以广西西江流域自然与人文地理要素为基础，以气候、地貌、自然资源、社会经济发展等要素为依据，并按六大原则，构建广西西江流域综合区划指标体系，采用系统聚类分析方法，将广西西江流域综合地理划分了5个一级区和12个二级区。其中5个一级区包括中部缓丘平原、岩溶盆地区，东南部山地丘陵平原区Ⅰ，东北部峰林平原、山间谷地区Ⅱ，西南部峰丛洼地、低中山区Ⅲ，西南部峰丛洼地、低中山区Ⅳ，西北部峰丛洼地、高原斜坡区Ⅴ。广西西江流域综合区划的特色在于其综合性和动态性，该综合区划的划分为地方经济发展，生态建设具有重要的理论指导意义。

图1 西江流域综合区划一级区划

图2 西江流域综合区划二级区划

表3 广西西江流域综合区划方案