基于網格法與ANN的縣域喀斯特土地可持續利用評價——以廣西都安瑤族自治縣為例＊

蘇廣實，胡寶清，羅華艷

（1.中國科學院 地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴陽55000；2.廣西師范學院 資源與環境科學學院，南寧530001）

隨著人口增長、土地退化和環境問題的日益加劇，土地可持續利用問題已成為可持續發展研究的焦點。土地資源可持續性評價是土地可持續利用研究的核心，是實施土地可持續利用的重要手段［1］。由于土地資源可持續利用評價具有系統的復雜性、多因素關聯性、實現機制的多元性及區域的差異性與特殊性。所以，土地可持續利用指標體系和評價方法的理論架構是關鍵的科學技術問題［2］。構建土地資源可持續利用評價指標體系的技術方法目前還處于探索階段，不同學者就不同區域的具體情況進行了研究［3－5］。土地可持續利用評價方法多采用多目標評價法，一般采用評價指標權重與屬性值加權和法，或用加權積法計算，最終給出對土地資源可持續利用評價結果［6］。縣級尺度是土地資源可持續利用、管理和規劃的最佳尺度［7］。應當選擇典型縣進行土地可持續利用評價實例研究［2］。

我國西南地區是世界上最大的喀斯特連續地帶［8］。該地區人地矛盾突出，人均耕地0.06hm2，比全國人均耕地少1／3［9］。脆弱的地質生態背景以及毀林開荒、陡坡開墾、過度放牧等不合理的人類活動，土地退化、環境問題尤為嚴重。因此，在該地區選擇典型喀斯特縣域進行土地可持續利用評價實例研究，對提高土地可持續利用水平，緩和人地矛盾，促進區域可持續發展，具有重要的理論和現實意義。以廣西典型喀斯特縣域——都安縣為研究案例，構建縣域喀斯特土地可持續利用評價指標體系，運用網格法和人工神經網絡相結合進行定量評價，以期為實施縣域喀斯特土地可持續利用決策提供依據。

1 研究區概況

都安瑤族自治縣（下文簡稱為都安縣）位于廣西中部偏西，介于107°46′－108°31′E，23°48′－24°35′N 之間，地處云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡地帶。地勢北西高，東南低，地形復雜，巖石裸露，懸崖陡壁，山高谷深，洼地遍布。全境多以喀斯特石山為主，分為峰叢洼地、峰叢谷地和峰林谷地3種地貌單元，只有少數地帶有土山丘陵分布。山地、丘陵和臺地和谷地平原分別占全縣面積的77.9%、13.2%和8.9%。氣候為中亞熱帶季風氣候與南亞熱帶季風氣候區的過渡地帶，年均氣溫18.2～21.7℃，年降雨量1 200～1 900mm。雨量集中于夏季，約占年降雨量的68.3%，且以暴雨形式降落，常造成洪澇災害。地表水系不發育，地下水豐富，但埋藏深，水量、水位動態不穩，春、秋干旱，水土流失日趨嚴重。地層以石炭系和二疊系的碳酸鹽巖為主，約占總面積的90%。土壤以石灰巖土為主，占全縣土地總面積的83.28%。自然植被以石山區的亞熱帶喜鈣耐旱的常綠闊葉樹為主，由于人為毀林嚴重，多已淪為石山藤木灌叢植被。都安縣現轄2個鎮、17個鄉，總人口63.17萬人。

2 評價指標選擇和評價單元劃分

2.1 評價指標選擇

建立評價指標體系是喀斯特土地可持續利用評價的核心。借鑒已有研究成果，按照AHP的基本原理、土地可持續利用目標及評價的原則和內容，根據都安縣人口、資源環境、經濟和社會的實際情況，建立都安喀斯特土地可持續利用評價指標體系：目標層－準則層－指標層，目標層為土地可持續利用，準則層包括土地利用資源環境保護、經濟可行性和社會可接受性，每條準則又包括7～10項影響指標。

資源環境指標反映了資源環境條件、資源利用與保護、環境污染及控制情況等，主要包括：C11——平均年積溫（≥10℃）、C12——平均年降水量（mm）、C13——森 林 覆 蓋 率 （%）、C14——人 均 耕 地 面 積（hm2／人）、C15——復種指數（%）、C16——旱地面積比重（%）、C17——單位耕地面積化肥及農藥排放量（t／km2）、C18——土地石漠化率（%）等。

經濟指標反映資本投入水平、經濟效益、經濟結構和發展水平等，主要指標包括：C21——全社會固定資產投資增長比率（%）、C22——農業產值增長率（%）、C23——人均國內生產總值（元／人）、C24——農民人均純收入（元／人）、C25——單位面積產值（元／km2）、C26——單位面積農機總動力（kW·h／km2）、C27——財政收入占GDP的比重（%）等。

社會指標反映了人口狀況、城鎮化水平、基礎設施建設、醫療保健和社會進步水平等，主要指標包括：C31——人口密度（人／km2）、C32——人口自然增長率（%）、C33——城鎮人口比重（%）、C34——人均糧食占 有 量 （t／人 ）、C35——公 路 通 車 里 程 （km）、C36——科 技 總 投 入 （萬 元 ）、C37——恩 格 爾 系 數（%）、C38——農業技術人員比重（人／萬人）、C39——萬人擁有病床數（床／萬人）、C310——通電覆蓋率（%）等。

2.2 評價單元劃分與指標數據提取方法

2.2.1 評價單元劃分——網格法 評價單元是土地可持續利用評價的最小單位，具有明顯的界線，是由影響土地質量的諸因素所組成的一個空間實體。評價結果最終由評價單元反映出來。劃分土地可持續利用評價單元的方法很多，本文采用網格法來劃分評價單元。網格法以地理網格為評價單元，地理網格既可以經緯網格為基礎，也可以坐標網格為基礎。地理網格評價單元所提供的評價成果精度直接取決于網格的密度，尤其適用于GIS管理系統。

網格單元劃分原理是將整個評價區域劃分成統一大小和形狀的離散網格（通常為正方形），類似于選用一定大小的網格，構成覆蓋評價區域范圍的初步單元體系，以此作為基本評價單元。在GIS支持下，網格大小可根據評價精度要求來確定，網格可取得較小，加上計算機快捷、準確的運算結果，因而是一種效果較好的劃分評價單元方法。一般地，網格大小的劃分是根據評價區域評價因素的差異性和單元劃分者的經驗確定。然后到實地調查，對單元內分等因素指標差異較大的再加密，最后形成的網格為評價單元。網格法的關鍵是如何根據研究區域的不同特性，確定方格大小以及網格內指標數據的采集與分解。

2.2.2 網格單元指標數據提取 各網格單元內對上述3大類指標數據的提取方法各異。對于資源環境類指標可直接通過遙感影像解譯數據和相關統計數據獲得。對于社會經濟類指標數據，按其性質分為面狀指標和點、線狀指標，面狀指標因素是指對土地的影響僅與因素指標值有關的評價指標，點、線狀指標因素是指對土地的影響既與因素涉及的設施規模有關，又與距設施的相對距離有關的點、線狀指標。對于這兩類數據的提取分別按以下兩種情況進行處理。

（1）對于劃分的評價網格單元完全處于一個行政區內（鄉鎮，下同），網格單元內各指標數據可以采用以下方法提取：面狀指標可直接采用其指標值作為單元評價數值，點、線狀指標參照土地定級評價的做法，分別按照指數衰減公式和直線衰減公式獲取指標數值［10］。

①指數衰減公式：

②直線衰減公式：

式中：fi——網格單元內第i個指標值；Fi——網格單元所在行政單元（鄉鎮，下同）第i個指標值；d——網格單元中心距行政中心的距離；D——某行政單元指標數值的最大影響距離，d和D可通過GIS數據處理獲得。

（2）對于一個網格單元內包含多個行政區劃單元的部分區域，其評價數值的獲取方法按式（3）計算［11］。

式中：P——網格單元某一指標值；Si——第i個行政單元在網格中的面積；Di——第i個行政單元某指標值，n——網格中包含行政單元個數；Si可通過GIS數據處理獲得。

3 評價指標數據標準化與評價方法

3.1 評價指標數據標準化

都安喀斯特土地可持續利用評價指標涉及自然、經濟、社會等多方面因素，指標性質各異，其取值范圍也相差很大，不具有直接可比性，不便于參加評價。因此，在評價比較前需進行無量綱化處理，將絕對的有量綱的指標轉為無量綱的指標。本文使用效用函數［12］對各評價指標進行處理，將其歸一化到某一區間而又最大程度地反映被評估對象的真實水平。

設P＝｛P1，P2，…，Pm｝是被評估對象集（這里指本文劃分的網格單元），Z＝｛Z1，Z2，…，Zn｝是綜合評價指標體系中的n個分指標，它們具有不同的類型和量綱。評價指標矩陣X如式（4）。

式中：Xij——第i個被評估對象的第j個分指標值。不失一般性，將Z＝｛Z1，Z2，…，Zn｝分為3種類型，即效益型、成本型和區間型。效益型指標其值愈大愈好；成本型指標其值愈小愈好；區間型指標以其值落在某一特定區域為最佳。由于各分指標具有不同的量綱，且類型不同。在綜合評價前必須把這些分指標按某種效用函數歸一化到某一無量綱區間。顯然，構造不同的效用函數將直接影響最終的評估結果。目前使用較多的是基于平均水平上的效用函數。具體算法如式（5）。

記第j個分指標Zj的平均值為：

（1）對效益型指標，記中間變量：

（2）對成本型指標，記中間變量：

（3）對區間型指標，當Xij≤A，則

當Xij≥B，則

當B≥Xij≥A ，則

式中：A，B——區間型指標的最佳上下界。

則將原始指標值Xij按式（11）轉化到［－1，1］區間上的效用函數值Yij。

顯然，Yij＝f（Mij）是一條S型曲線。注意到Mij反映了原始數據Xij偏離平均值Zj的程度。當Xij＝Zj，則Mij＝0；當Xij＞Zj，則 Mij＞0，且Yij隨Mij的增長非線性遞增。

3.2 評價方法——人工神經網絡（ANN）

喀斯特土地可持續利用過程是一個集非線性、開放性和動態性于一體的過程，影響喀斯特土地可持續利用的因素涉及資源環境、經濟、社會等。喀斯特土地可持續利用與影響因素之間存在非線性關系。人工神經網絡模型 （Artificial Neural Networks，ANNs）可形成輸入層－隱含層－輸出層系統，很容易滿足喀斯特土地可持續利用評價的要求。運用目前ANNs模型中應用最廣泛的BP模型（Back－Propagation Network，BP）進行都安喀斯特土地可持續利用評價。BP模型是一種有導師的誤差逆傳播的學習過程，信息從輸入層經隱層處理后傳向輸出層，如果在輸出層得不到期望的輸出，則輸出層的希望輸出與實際輸出之間的誤差信號反向傳播，由輸出層經隱含層逐層修正連接權，使得誤差信號最小。具體學習算法略。

圖1 基于神經網絡BP模型的喀斯特土地可持續利用評價系統框架

基于ANN的都安縣喀斯特土地可持續利用評價的基本思想是：選取具有代表性網格單元指標數據作為神經網絡的學習樣本，經網絡學習記憶后，利用其相似輸入產生相似輸出的聯想推理功能，以及“內插”的聯想推理功能，將樣本數據輸入訓練好的BP模型，再與規定 的評價標準數據相比較，即可確定喀斯特土地可持續利用等級。都安喀斯特土地可持續利用評價三層網絡框架如圖1。第1層為輸入層，共有n個節點（本研究為25個節點），分別輸入經效用函數標準化后的第i個被評價網格單元的各分指標效用函數值Yij；第2層為隱含層，隱含節點數沒有統一的規則，根據具體對象而定；第3層為輸出層，只有一個節點，即為都安喀斯特土地可持續利用評價結果。

4 評價過程與結果分析

4.1 評價過程

4.1.1 評價單元劃分與數據提取及標準化處理

（1）按照網格法的基本原理，根據都安縣國土面積分布狀況及地形、地貌、巖性、土壤等自然特征，經采樣分析研究，采用比例尺1∶10萬為工作底圖，按4km×4km劃分評價網格單元比較合適，達到評價要求。在GIS支持下生成253個獨立的評價網格單元，并按從左到右，從上到下順序對評價網格單元進行編碼，結果見圖2。

圖2 都安喀斯特土地可持續利用評價網格單元劃分結果圖

（2）根據已經建立的都安喀斯特土地可持續利用評價指標體系，搜集了都安縣各評價指標的原始數據。其中，資源環境類指標數據主要來源于統計數據、實地調查和遙感影像數據提取；經濟類指標數據和社會類指標數據主要來源于統計數據、實地調查和問卷調查。以上數據均使用2005年鄉鎮撤并后的相關數據。

（2）根據網格單元指標數據獲取原理以及公式（1）、（2）、（3），通過計算可獲取253個評價網格單元各評價指標的基礎數據（表1）。

最后，根據各評價指標的性質（效益型指標、成本型指標和中間型指標），運用效用函數計算公式（11）進行標準化處理，將其統一標準到［－1，1］區間上。標準化結果略。

表1 都安喀斯特土地可持續利用評價網格單元各指標數據表

4.1.2 評價等級劃分與學習樣本訓練 土地可持續利用評價等級通常分為5級。以都安喀斯特土地利用系統資源環境、經濟、社會等指標數據為基礎，輔以大量的實地調查資料，選取50個典型的網格單元作為標準樣本，綜合當地科技人員的意見，參照我國現有的土地資源可持續發展階段劃分標準，用土地利用可持續度來表示都安喀斯特土地利用可持續性，將其取值在［0，1］范圍內。據此劃分可得都安喀斯特土地可持續利用評價等級（表2）。

有足夠多典型性好和精度高的樣本是采用人工神經網絡的首要前提條件。采用上述50個典型樣本作為訓練樣本，其土地利用可持續度即為期望值。利用神經網絡將訓練樣本反復進行學習，直至網絡趨于穩定為止。經過反復訓練之后，各神經元的聯結權重較初始狀態發生了較大變化，訓練樣本期望值與訓練值之間存在一定的誤差，隨機抽取的50個訓練樣本中，編號為75的網格單元樣本期望輸出值與訓練值的誤差最大，誤差值為0.017，期望輸出值與訓練值之間的誤差在可接受的范圍之內，說明網絡訓練成功，可以采用。

表2 都安喀斯特土地可持續利用評價等級

4.2 結果分析

將上述經過標準化處理過的各網格單元指標數據輸入到上述已經訓練好的網絡模型中。最后得到都安喀斯特土地可持續利用評價結果（表3和圖3）。

從圖3可看出，都安喀斯特土地可持續利用評價結果各等級的分布情況：北部三只羊、板嶺和下坳的大部分區域土地利用為不可持續性；永安全部區域、隆福、大興、九渡和東廟大部分區域、下坳、板嶺、保安和五竹部分區域土地利用為弱可持續性；加貴全部區域、保安、拉仁、百旺、古山和菁盛大部分區域、大興、高嶺、五竹、拉烈、板嶺、地蘇和東廟的部分區域土地利用為中可持續性；土地利用為較強可持性的鄉鎮分布在以縣城所在地——安陽為中心的周圍幾個鄉鎮，包括高嶺中部、保安東南部、古山西南部、澄江和安陽的大部分區域、地蘇中部、三弄北部，菁盛北部和西南部、百旺南部等區域；土地利用為強可持續性的分布區域有兩大塊，即以拉烈為中心包括其周圍的五竹、高嶺、百旺和九渡小部分區域，以安陽為中心包括高嶺南部、地蘇北部和南部、安陽北部、澄江中部、西北部和南部、三弄南部以及龍灣絕大部分區域。

表3 都安喀斯特土地可持續利用的評價結果

圖3 都安喀斯特土地可持續利用評價結果

5 結語

在前人研究的基礎上，選取廣西典型喀斯特縣域——都安縣為案例，構建了都安喀斯特土地可持續利用評價指標體系，綜合運用GIS技術、網格法和人工神經網絡等技術和方法進行縣域喀斯特土地可持續利用定量評價。評價結果表明：由于構成都安喀斯特土地利用系統的資源環境、經濟、社會等因素在空間分布上存在明顯的差異性，其土地可持續利用亦呈現明顯的空間差異性，可區分為：不可持續性、弱可持續性、中可持續性、較強可持性、強可持續性等5個等級，評價結果客觀地反映了都安喀斯特土地可持續利用狀況。

采用網格法可根據評價精度需要確定評價單元大小，當前快速發展的GIS技術很容易實現。由于神經網絡具有自身適應能力，排除了很多人為的干擾因素，在一定程度上避免了以往評價方法過多地受到主觀因素的影響。與此同時，在評價過程中，也發現一些問題需進一步探討：（1）如何科學地遴選評價指標，建立客觀、完善的指標體系；（2）神經網絡技術本身的進一步完善；（3）典型訓練樣本的典型性確定等。

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