層次聚類分析法在貴州省水土保持四級區(qū)劃中的應(yīng)用

李 瑞，李 勇

(1.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州貴陽 550002;2.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴州 貴陽 550002)

層次聚類分析法在貴州省水土保持四級區(qū)劃中的應(yīng)用

李 瑞1，2，李 勇2

(1.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州貴陽 550002;2.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴州 貴陽 550002)

層次聚類分析法;水土保持區(qū)劃;四級區(qū)劃;貴州省

通過貴州省水土保持四級區(qū)劃試驗，探討層次聚類分析法在水土保持區(qū)劃中的應(yīng)用，為貴州省水土保持四級區(qū)劃及其他水土保持規(guī)劃工作提供參考。根據(jù)劃分結(jié)果，將國家水土保持三級分區(qū)中的滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)劃分為黔西北山地河谷農(nóng)田保護與水質(zhì)維護區(qū)和黔西南高原山地保土蓄水區(qū)，并依據(jù)行政區(qū)劃連續(xù)性原則進行人工調(diào)整得到最終分區(qū)結(jié)果。最后，對比數(shù)學模型法和定性定量分析法，驗證了層次聚類分析法的應(yīng)用效果。

根據(jù)水利部批復(fù)的《全國水土保持規(guī)劃任務(wù)書》(水規(guī)計［2010］540號)，全國水土保持規(guī)劃的首要任務(wù)是制定全國水土保持區(qū)劃方案，目前已經(jīng)完成了全國水土保持一級、二級及三級區(qū)劃工作。貴州省全境涉及1個國家一級分區(qū)(西南巖溶區(qū))、1個二級分區(qū)(滇黔桂山地丘陵區(qū))和4個三級分區(qū)(滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)、黔中山地土壤保持區(qū)、黔桂山地水源涵養(yǎng)區(qū)和滇黔桂峰叢洼地保土蓄水區(qū))。考慮到國家三級分區(qū)中的黔中山地土壤保持區(qū)和滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)涉及貴州省的縣級行政區(qū)多、面積大，需對這兩個三級分區(qū)進行進一步區(qū)劃，完成貴州省水土保持四級分區(qū)。借鑒國內(nèi)水土保持區(qū)劃方法［1－2］，筆者以滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)為例，探討層次聚類分析法在水土保持區(qū)劃中的應(yīng)用，以期為貴州省水土保持四級區(qū)劃及其他水土保持規(guī)劃工作提供參考。

1 層次聚類分析法

層次聚類是目前應(yīng)用最為廣泛的一種聚類方法，其基本思想是:先將待聚類的n個樣品(或者變量)各自看成1類，共有n類;再按照選定的方法計算每2類之間的聚類統(tǒng)計量，即某種距離(或者相似系數(shù))，將關(guān)系最為密切的2類合為1類，其余不變，即得到n－1類;然后按照前面的計算方法計算新類與其他類之間的距離(或相似系數(shù))，將關(guān)系最為密切的2類并為1類，其余不變，即得到n－2類;如此下去，每次重復(fù)都減少1類，直到最后所有的樣品(或者變量)都歸為1類為止［3］。

應(yīng)用層次聚類分析法進行水土保持區(qū)劃的基本步驟:①數(shù)據(jù)標準化。水土保持區(qū)劃中被聚類的對象是由多個要素構(gòu)成的，不同要素的數(shù)據(jù)往往具有不同的單位和量綱，且數(shù)值差異可能很大，這會對分類結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，在分類要素的對象確定后、進行聚類分析前，要先對各聚類要素數(shù)據(jù)進行處理，主要方法有總和標準化、標準差標準化及極大值標準化等。②樣品與樣品之間的距離。在應(yīng)用層次聚類法進行水土保持區(qū)劃實踐中，把每個分類對象(一般以縣級行政區(qū)為單元)稱為樣品，樣品與樣品之間的距離一般采用歐式距離或歐式距離平方。本研究采用歐式距離平方計算樣品與樣品之間的距離。③聚類方法。主要有直接聚類法、最短距離聚類法、最遠距離聚類法、ward聚類分析法等。通過反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)ward聚類法在貴州省水土保持區(qū)劃中分類效果最好，因此本研究擬采用ward聚類分析法進行貴州省水土保持四級區(qū)劃。

層次聚類分析法具有分類客觀、科學等優(yōu)點，但同時該方法是將各樣本的不同要素(指標)進行計算后按照一定規(guī)則聚類，在水土保持區(qū)劃中難以保障行政區(qū)劃的連續(xù)性，因此運用層次聚類分析法計算后需對分類結(jié)果進行人工調(diào)整，以保證縣域行政區(qū)的連續(xù)性。

2 貴州省水土保持四級區(qū)劃

根據(jù)貴州省水土保持區(qū)劃綱要，其水土保持四級區(qū)劃將在國家水土保持三級區(qū)劃的基礎(chǔ)上進行，主要任務(wù)是對涉及縣域較多的三級分區(qū)——黔中山地土壤保持區(qū)和滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)進行四級區(qū)劃。本研究以滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)為例，探討層次聚類分析法在貴州省水土保持四級區(qū)劃中的應(yīng)用。

2.1 區(qū)劃指標及取值

滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)涉及貴州省21個縣級行政區(qū)。以這21個縣級行政區(qū)為樣本，區(qū)劃指標主要有海拔、人均GDP、多年平均氣溫、≥10℃活動積溫、人口密度、坡耕地占土地利用面積比例、森林覆蓋率、石漠化面積比例、水土流失面積比例、水土流失治理面積比例等。根據(jù)各縣上報的區(qū)劃指標最新數(shù)據(jù)，進行校正后作為最后劃分依據(jù)。因各指標觀測值具有不同的數(shù)量級和單位，直接計算距離常使數(shù)值較小的指標失去作用，為提高分類效果，本研究采用總和標準化法進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 區(qū)劃結(jié)果

采用ward聚類分析法，基于統(tǒng)計分析軟件平臺IBM SPSS 19進行貴州省水土保持四級區(qū)劃。

依據(jù)SPSS平臺輸出的樹狀圖，將滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)初步劃分為2個四級分區(qū)，再進一步根據(jù)涉及縣區(qū)的水土流失、保土蓄水、地形地貌等特征，將初步劃分結(jié)果分別命名為黔西北山地河谷農(nóng)田保護與水質(zhì)維護區(qū)和黔西南高原山地保土蓄水區(qū)。按照貴州省行政區(qū)劃圖，根據(jù)區(qū)劃連續(xù)性原則，對初步劃分的四級分區(qū)進行調(diào)整，即將普安縣從黔西北山地河谷農(nóng)田保護與水質(zhì)維護區(qū)調(diào)整到黔西南高原山地保土蓄水區(qū)，將赫章縣從黔西南高原山地保土蓄水區(qū)調(diào)整到黔西北山地河谷農(nóng)田保護與水質(zhì)維護區(qū)，調(diào)整后的水土保持四級區(qū)劃結(jié)果見表1。

表1 滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)四級區(qū)劃結(jié)果

本次劃分結(jié)果比較理想，符合《全國水土保持區(qū)劃導(dǎo)則》中水土保持區(qū)劃保持縣級行政區(qū)完整性和連續(xù)性的基本原則。黔西北山地河谷農(nóng)田保護區(qū)與水質(zhì)維護區(qū)包括遵義市的桐梓、習水、赤水、仁懷以及畢節(jié)市的威寧、赫章、畢節(jié)、大方、黔西、金沙、織金、納雍，共計12個縣級行政區(qū);黔西南高原山地保土蓄水區(qū)包括六盤水市的鐘山、六枝、水城、盤縣，安順市的關(guān)嶺以及黔西南州的興仁、晴隆、貞豐、普安，共計9個縣級行政區(qū)。兩個四級分區(qū)的地形地貌、水土流失及石漠化特征明顯不同。黔西北山地河谷農(nóng)田保護與水質(zhì)維護區(qū)海拔約1 000 m，石漠化面積約占30%，坡耕地占土地利用面積的30%以上，森林覆蓋率在40%以上，坡耕地面積大是造成該區(qū)水土流失的重要原因。黔西南高原山地保土蓄水區(qū)位于貴州省西南部，西接云南，海拔約1 500 m，森林覆蓋率約30%，石漠化面積比例在40%以上，坡耕地占土地利用面積的20%左右，植被破壞及石漠化是導(dǎo)致該區(qū)水土流失的主要原因。

3 結(jié)語

以國家水土保持三級分區(qū)——滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)為例，采用層次聚類分析法中的ward聚類分析法進行貴州省水土保持四級區(qū)劃，劃分結(jié)果較為理想。一方面層次聚類分析法計算方法較客觀，各指標取值確定后不受人為因素干擾;另一方面基于SPSS等統(tǒng)計軟件平臺，劃分過程高效快捷，且易掌握。不足之處是行政區(qū)劃連續(xù)性相對較差，要對區(qū)劃結(jié)果進行人工調(diào)整。從本次試驗結(jié)果看，選取恰當?shù)木垲惙椒商岣邊^(qū)劃準確度，例如本研究選用ward聚類分析法進行區(qū)劃時僅需對2個縣級行政區(qū)進行人工調(diào)整。

此外，為了驗證不同計算方法的區(qū)劃效果，筆者還采用數(shù)學模型法和定性定量分析法等進行了區(qū)劃試驗。其中，數(shù)學模型法的主要優(yōu)點是計算方法比較客觀，引入權(quán)重可以使指標的重要性得以體現(xiàn)，缺點是縣級行政區(qū)連續(xù)性不好解決，權(quán)重的取值具有一定的主觀性，會影響最終區(qū)劃結(jié)果的準確性;定量定性結(jié)合分析法的優(yōu)點是行政區(qū)劃的連續(xù)性較好，缺點是不能全面體現(xiàn)各指標的貢獻率，主觀性較大，工作人員的實踐經(jīng)驗和相關(guān)知識儲備將直接影響最終的劃分結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，相比數(shù)學模型法和定性定量分析法，層次聚類分析法計算簡單、區(qū)劃效果好，并決定選擇層次聚類分析法作為最終的區(qū)劃方法。

［1］韓成軍.關(guān)于青海省水土保持區(qū)劃的思考［J］.中國水土保持，2011(9):45－47.

［2］景可.黃土高原生態(tài)經(jīng)濟區(qū)劃研究［J］.中國水土保持，2006(12):11－13.

［3］言迎，王應(yīng)龍，楊延.層次聚類分析法在土地利用分區(qū)中的應(yīng)用——以益陽市南縣為例［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2009(5):83－85.

S157

A

1000－0941(2013)02－0021－02

李瑞(1979—)，男，貴州盤縣人，高級工程師，博士，主要從事水土保持研究及管理工作。

2012－10－30

(責任編輯 李楊楊)