基于遙感和地理信息系統的圖們江地區生態安全評價

南 穎，吉 喆，馮恒棟，張沖沖

(延邊大學理學院地理系，延吉 133002)

基于遙感和地理信息系統的圖們江地區生態安全評價

南 穎*，吉 喆，馮恒棟，張沖沖

(延邊大學理學院地理系，延吉 133002)

利用遙感及統計數據，基于壓力-狀態-響應(P-S-R)模型選取22個評價指標構建生態安全評價體系對圖們江地區進行基于空間的生態安全評價。結果表明：研究區生態安全水平呈現出明顯的空間差異性，表現為區域內東西兩端生態安全水平較高并向中部過渡。各生態安全等級的面積大小排序為：較安全>臨界安全>安全>較不安全>不安全，所占比例分別為49.56%，33.89%，9.14%，6.48%，0.94%。另外統計了基于行政單元的平均生態安全指數和等級，發現各縣市的生態安全水平和等級構成都有所不同，各縣市生態安全水平狀態排序為琿春>圖們>安圖>汪清>延吉>龍井>和龍。整體來看，研究區生態環境質量較好，生態系統服務功能及抗干擾能力較強，生態問題較少，生態災害較少。

生態安全評價；遙感與地理信息系統(RS&GIS)；壓力-狀態-響應(P-S-R)模型；圖們江地區

全球環境變化與可持續發展是當前人類社會面臨的兩大重要挑戰[1- 2]。20世紀80年代以來對生態安全的研究和追求已成為全世界的共識，我國2000年底頒布的《全國生態環境保護綱要》中，已明確將“國家生態環境安全”提到了戰略的高度[3]。在此大背景下，我國學者進行了大量的研究，總結我國生態安全研究其研究成果覆蓋生態安全的概念、評價、格局、預警等各個方面，研究尺度多樣[4- 11]。在各種尺度的生態安全概念中，區域生態安全處于核心的地位，加強區域生態安全的研究，有利于理論方法的突破和經驗的累積以及實現生態問題的解決。

圖們江地區因其蘊涵著豐富的自然資源，對東北亞地區生態安全發揮著重要作用。同時，圖們江地區作為面向東北亞開放的重要門戶以及東北亞經濟技術合作的重要平臺，已成為國內外關注的焦點。2009年國務院已正式批復《中國圖們江區域合作開發規劃綱要——以長吉圖為開發開放先導區》，標志著長吉圖開發開放先導區建設已上升為國家戰略。長吉圖先導區的開放對圖們江地區提出了長期整體規劃。本區域雖然生態環境總體狀況較好，但面臨全面開發還沒有生態安全方面相關研究。本研究正是以此為契機，擬以生態安全為導向，通過對該區域進行基于空間的生態安全綜合評價，為該區域今后的生態保護與恢復、開發管理與政策制定提供科學的參考依據。

1 研究區及數據

本文研究區為圖們江地區，包括除敦化外的延邊朝鮮族自治州的7個縣市(延吉市、龍井市、圖們市、琿春市、和龍市、汪清縣、安圖縣),位于吉林省東部，是中、俄、朝三國交界，面臨日本海，位于北緯41°59′—44°30′，東經127°27′—131°18′之間，整體地勢西高東低，琿春部分最低(圖1)。整個地貌呈山地、丘陵、盆地3個梯度，山嶺多分布在周邊地帶，丘陵多分布在山地邊沿，盆地主要分布在江河兩岸和山嶺之間。地處北半球中溫帶，屬于中溫帶濕潤季風氣候。主要特點是季風明顯，春季干燥多風，夏季溫熱多雨，秋季涼爽少雨，冬季寒冷期長。

圖1 研究區域圖Fig.1 Study area

本文采用的數據包括遙感影像數據、DEM數據和統計數據。遙感影像數據為2010年Landsat-5 TM影像，共包括5景，軌道號分別為114/30、115/30、115/31、116/30、116/31，影像覆蓋整個研究區。對這些影像進行波段選取、幾何校正、圖像增強、影像鑲嵌裁剪及解譯等處理，采用CART決策樹方法進行影像分類，從中提取土地利用/覆蓋信息，經過精度驗證總精度達到90.8%，為生態安全評價部分指標提供數據基礎。研究區DEM數據來自于NASA網站提供的ASTER全球DEM數據，分辨率為30 m，作為生態安全評價的地形指標。長期對本研究區的研究積累，形成了涵蓋區域自然和人文方面的專題數據庫，此數據庫中的道路、城鎮等數據也作為參評指標基礎數據。另外生態安全評價部分參評指標數據來源于統計年鑒，統計數據主要來源于《2010延邊統計年鑒》和同時期延邊州各縣市統計年鑒[12]。

2 圖們江地區生態安全評價

2.1 評價指標體系的構建

建立科學合理的指標體系，是生態安全評價結構是否準確、合理的關鍵，也是生態安全評價是否能繼續進行的關鍵。對于區域生態安全評價，研究區所處的環境和經濟社會條件不同，選擇的指標體系也有所差異。聯合國經濟合作開發署(OECD)建立的P-S-R模型，即壓力-狀態-響應模型，在生態安全評價研究中被廣泛的承認和使用。該模型從生態系統壓力、生態系統狀態和人文環境響應3個方面構建指標體系。壓力指標指人類活動給系統造成的負荷；狀態指標指環境質量、自然資源與生態系統的狀況；響應指標指人類面臨環境問題時所采取的對策與措施，這一框架模型具有非常清晰的因果關系，即人類活動對環境施加了一定的壓力；因為這個原因，環境狀態發生了一定的變化；而人類社會應當對環境的變化作出響應，以恢復環境質量或防止環境退化。該模型具有綜合性、適用范圍廣的特點[13]。

本文借鑒已有區域生態安全評價研究的指標體系[14- 17]，在P-S-R的基礎上，根據研究區的實際特點，考慮數據的可獲取性和完備性情況，兼顧自然、經濟和社會3個方面因素，篩選出具有代表性的22個指標，構建評價指標體系。體系分為目標層、準則層和指標層3個層次，如表1所示。

表1 生態安全評價指標體系

續表

目標層Targetlayer準則層Criterionlay-er代碼Code指標層Indexlayer趨向Trend數據來源Datasource權重WeightC10土地利用類型正向遙感調查0.0631C11植被覆蓋率正向遙感調查0.0738C12生態彈性度正向遙感調查0.0782C13生物豐度正向遙感調查0.1163C14年降水量正向觀測數據0.1036生態響應C15人均糧食產量正向統計數據0.0427指標R(B3)C16工業固體廢棄物利用量正向統計數據0.0650C17工業廢水排放達標率正向統計數據0.0627C18農業機械化水平正向統計數據0.0437C19水土協調度正向統計數據0.0294C20人均GDP正向統計數據0.0235C21環保支出占GDP比例正向統計數據0.0188C22自然保護區面積正向統計數據0.0112

2.2 部分評價指標說明

在上述指標體系中，部分指標需要通過一定的計算公式計算，表2列出了這些指標的具體計算公式及說明。

表2 部分評價指標說明

2.3 確定評價單元

本研究生態安全評價是基于像元的，采用100 m×100 m的柵格作為基本的評價單元，運用GIS工具得到每一個評價單元的相關指標數值，以每一個評價單元作為信息的空間載體。針對不同數據源的評價指標，根據不同的空間精度的特點，采用不同的量化方法：

(1)對于以行政區為統計單元的統計指標，如人口密度、人均GDP等，采用矢量化的方法進行量化，再將矢量轉化為柵格，并重采樣到100 m×100 m的柵格。

(2)對于柵格數據，如土地利用類型、景觀多樣性等數據，直接重采樣到100 m×100 m的柵格。

(3)對于觀測數據，如降雨數據，觀測的空間點狀數據進行空間插值處理，之后再重采樣到100 m×100 m的柵格。

2.4 指標量化

根據不同指標數據的來源與數據特征，使用不同的方法對其進行標準化量化，使其標準化到0—100之間。具體采用的方法分為極差法和分等級賦值法。

(1)極差法 一般情況下安全水平量度的指標可劃分為正向指標和負向指標，正向指標的指標數值越大，越安全。相反，負向指標的指標數值越大，越不安全。對兩種指標的標準化處理方法有所不同，具體如下：

正向指標

Zi=(xi-xmin)×100/xmax-xmin

(1)

負向指標

Zi=(xmax-xi)×100/xmax-xmin

(2)

式中，Zi為第i個指標的標準值；xi為第i個指標的實際值；xmax為實際值的最大值；xmin為實際值的最小值。

(2)分等級賦值法 對于不適合極差法標準化的指標，本文只涉及到土地利用類型指標，則利用專家知識，采用分等級賦值的方法進行標準化。根據土地利用類型進行生態安全等級劃分賦值，具體標準的選取情況見表3。

表3 分等級賦值的標準

2.5 評價指標權重的確定

通過層次分析法確定各評價指標的權重。層次分析法確定權重的具體步驟如下：

(1)構造判斷矩陣 表示針對上一層次中的某元素而言，評定該層次中各有關元素的相對重要程度。

(2)重要性排序 根據線性代數知識, 利用方程BW=λmaxW計算出該判斷矩陣的最大特征值及對應的特征向量。所求特征向量即為各評價因素的重要性排序,歸一化后,也就是權重分配。

(3)一致性檢驗 權重分配是否合理需要對判斷矩陣進行一致性檢驗和隨機性檢驗。

(3)

式中，當CI=0時，判斷矩陣具有完全一致性；反之，CI越大，一致性越差。將CI與平均隨機一致性指標RI進行比較。其比值稱為判斷矩陣的一致性比例，寫作CR=CI/RI。當CR<0.10時，則認為判斷矩陣通過了一致性檢驗，否則就需要調整判斷矩陣直到滿意為止。

經計算CI=0.0898，RI=1.3749，CR=0.0653<0.10，通過一致性檢驗。最終權重計算結果如表1所示。

2.6 生態安全指數計算

采用綜合指數法計算生態安全指數。綜合指數法是生態安全評價研究中廣泛使用的計算方法，它能在一定程度上反映系統生態安全的狀態，尤其能夠運用于區域之間生態系統安全水平的對比分析。其主要思想即將確定的各單項參評指標的權重值同相應的指標數值相乘，然后求指數和，即得到評價區的生態安全指數，從而實現區域生態安全的定量化評價。其公式如下：

(4)

式中，ESI為生態安全指數；Zi為各指標標準值；Wi為各指標的權重。

利用ArcGIS下空間分析模塊按照綜合指數模型將參評指標進行加權空間疊加，計算研究區每個評價單元的生態安全指數。

圖2 生態安全等級圖Fig.2 Grades of ecological security

為了利于更加直觀的分析評價結果，為生態安全指數劃分等級制定評判標準。結合現有文獻研究并根據本研究區的生態安全水平，將生態安全指數劃分為5個等級，分別為Ⅰ不安全、Ⅱ較不安全、Ⅲ臨界安全、Ⅳ較安全和Ⅴ安全。生態安全等級越高表示生態安全狀況越好，反之就越差。其中不安全等級生態環境非常惡劣，系統服務功能嚴重退化，生態結構嚴重不完整，生態恢復與重建很困難，極易發生生態災害。較不安全等級生態環境質量較差，系統服務功能有較大退化，生態結構破壞較大，受外界干擾恢復困難，生態問題較大，易發生生態災害。臨界安全等級生態環境質量一般，處于安全與不安全之間，系統服務功能受到一定程度破壞，已有退化，生態結構有變化，抵御外界干擾能力較差，自我恢復能力差，生態問題顯著，生態災害時有發生。較安全等級生態環境質量較好，系統服務功能較為完善，抵御外界干擾能力較強，生態結構較完整，受干擾后一般可恢復，生態問題較少，生態災害較少。安全等級生態環境質量好，系統服務功能基本完善，基本未受到破壞，生態結構完整，抵御外界干擾能力強，受干擾后可恢復，生態問題不顯著，生態災害少。按照評判標準對評價結果進行分級，得到生態安全評價等級圖如圖2所示。

3 圖們江地區生態安全評價結果分析

3.1 基于像元水平的評價結果分析

研究區生態安全指數值的范圍為27.53—76.88，平均指數為60.47，整體上區域處于Ⅳ等級較安全狀態。通過統計，綜合評價結果如表4所示。

表4 生態安全綜合評價結果表

由圖2和表4可以看出，研究區內各生態安全等級的面積大小排序為：較安全>臨界安全>安全>較不安全>不安全。研究區內生態安全狀態以較安全等級Ⅳ為主，其面積高達1544725 hm2，比例占總面積的49.56%，說明區內土地生態環境質量較好，系統服務功能較為完善，抵御外界干擾能力較強，生態結構較完整，受干擾后一般可恢復，生態問題較少，生態災害較少。此等級大面積分布在圖們江下游地區，主要是平原、平坦丘陵及溝谷地區，土地覆蓋以森林、濕地為主。處于臨界安全等級Ⅲ的面積1056108 hm2，占總面積33.89%，處于該等級的地區生態環境質量一般，系統服務功能受到一定程度破壞，已有退化，生態結構有變化，抵御外界干擾能力較差，自我恢復能力差，生態問題顯著，生態災害時有發生。臨界安全狀態多分布于圖們江中上游山地地區。安全等級Ⅴ的地區面積為284723 hm2，占總面積比例為9.14%，該狀態地區生態環境質量好，系統服務功能基本完善，基本未受到破壞，生態結構完整，抵御外界干擾能力強，受干擾后可恢復，生態問題不顯著，生態災害少。該狀態地區主要分布在圖們江下游，土地覆蓋類型主要為森林、濕地、水體等自然土地覆蓋類型。分布較少的為較不安全等級Ⅱ和不安全等級Ⅰ，占總面積比例分別為6.48%和0.94%。較不安全等級的生態環境質量較差，系統服務功能有較大退化，生態結構破壞較大，受外界干擾恢復困難，生態問題較多，易發生生態災害。該狀態地區主要分散分布在道路、城鎮周圍影響帶，以及人為開發利用較嚴重地區。不安全等級面積最小，處于不安全狀態的地區生態環境非常惡劣，系統服務功能嚴重退化，生態結構嚴重不完整，生態恢復與重建很困難，極易發生生態災害。該狀態地區主要分布在城市地區、道路沿線以及人為破壞嚴重的用地類型地區。區域整體上呈現出東西兩端生態水平高，中部水平低的狀態，在地形上表現為平原、溝谷地區高，山地地區低的態勢，除地形因素影響之外，人類活動較集中的地區生態安全等級較低，而自然特別是未遭人為破壞的地區的生態安全等級較高。由此可看出影響區域內生態安全的主要原因是人為因素。在人為活動驅使下，使得土地覆蓋類型的結構和組成發生改變，從而對生態系統產生深遠的影響，進而使得區域內生態水平產生空間差異性。

3.2 基于行政單元的評價結果分析

圖3 基于行政區的平均生態安全指數 Fig.3 Statistics of the mean ESI based on administrative divisions

以研究區的行政區劃單元為單位，通過統計各行政單元的平均生態安全指數反映該行政區的生態安全狀況，如圖3所示。基于平均生態安全指數，各行政區排列的順序為：琿春>圖們>安圖>汪清>延吉>龍井>和龍，即生態安全狀態依次降低，環境質量、生態系統服務功能、生態結構、抗外界干擾能力和恢復能力呈依次降低的態勢。

圖4 基于行政區的生態安全等級Fig.4 Structure of the ecological security grades based on administrative divisions

各行政單元的生態安全等級構成也有所差異，這些差異反映出各行政區內的人口增長、社會經濟發展和生態環境質量的差異造成的生態安全狀態的空間分異。由圖4中可以看出各縣市的生態安全等級構成差異較大：7個縣市中和龍、龍井、延吉生態安全等級構成表現出一定的相似性，均以臨界安全等級為主，該等級所占比例分別為65.44%、51.28%和49.34%，其次占比例較多的是較安全等級，3個縣市中較安全等級所占比例較多的是延吉，其次是龍井和和龍。同時3個縣市都有少量的較不安全和不安全等級分布，但都不存在安全等級。從整體看，這3個縣市的生態安全水平與其他縣市相比偏低。安圖、圖們、汪清3個縣市的生態安全等級構成特征相似，表現為較安全等級占主體，所占比例分別為54.29%、67.36%和64.99%，其次為臨界安全等級，少量分布等級極端的安全等級，而較不安全等級比例較小，并且不存在不安全等級。這3個縣市整體生態安全水平較高，生境質量較高，抗干擾能力和恢復能力較強。琿春的生態安全等級構成特征表現為在安全和較安全等級上集中，兩個等級所占比例分別為52.36%和36.59%，臨界安全和較不安全等級只占到9.49%和1.48%，不存在不安全等級，整體生態安全水平高，生境質量高，抗干擾能力和恢復能力強。

4 結論及討論

本文基于壓力-狀態-響應(P-S-R)模型構建生態安全評價體系對圖們江地區進行基于空間的生態安全評價。研究區生態安全狀態以較安全等級Ⅳ為主，整體上說明區內生態環境質量較好，系統服務功能較為完善，抵御外界干擾能力較強，生態結構較完整，受干擾后一般可恢復，生態問題較少，生態災害較少。在空間上呈現出區域東西兩端生態安全水平高，中部較低的趨勢。生態安全等級較高地區集中在地勢平坦的平原、溝谷處，而生態安全等級較低的地區主要集中在海拔和坡度較大的山地地區。同時在人為影響強烈的地區生態安全水平和等級都表現出極低的水平。通過統計各行政單元的平均生態安全指數反映各行政區的生態安全狀況，平均生態安全指數大小的排列順序是琿春>圖們>安圖>汪清>延吉>龍井>和龍，即生態安全狀態依次降低，環境質量、生態系統服務功能、生態結構、抗外界干擾能力和恢復能力呈依次降低的態勢。各個縣市所呈現的生態安全等級構成也有所差異，這些差異產生的原因除上述的地形等自然因素影響外，人為因素也成為主要驅動因素。人為干擾越強的地區，對生態系統的影響也越為嚴重，從而在生態安全方面表現為水平較低；而未受人類活動干擾或影響較少的地區，生態系統仍處于自然狀態，表現出的生態安全水平較高。然而另一個方面，在社會經濟發展水平高的地區，相應的對生態環境保護的政策措施也相對完善，這就使得在對抗生態環境破壞和干擾時，其反應能力和恢復能力也就越強，因而從另外一個方面提升了該地區的生態安全水平。由評價結果可以看出雖然區域生態安全狀態較好，但仍有部分地區生態安全水平較低，區域內生態安全水平處于部分不平衡狀態，因此，在區域開發建設時應注意這方面因素，從政策制定和實施層面重視生態環境保護是確保區域生態安全，推動區域可持續發展的重要保障，應繼續給予生態安全等級較低的地區和縣市相應的政策支持，以保證區域內生態安全水平的協調統一。

本文以柵格和行政區為評價單元進行生態安全評價，避免了單由統計數據評價的片面性，但統計數據是以市(縣)為統計單元的，導致評價結果在空間上有明顯的行政區邊界差異，如果可以進一步獲得鎮、鄉等更小行政單元的統計數據，將會大大提高評價結果的空間精度。在生態安全評價框架方面，在目前的研究中尚未形成完善的評價體系和方法范式，所以本研究最大程度上吸取了前人的研究成果，同時結合本研究區的實際情況選擇了評價體系、方法，盡可能的保證了研究的科學性和合理性，但并不具有廣泛推廣性，在今后的研究中有待進一步完善。

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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

國家自然科學基金資助項目(41071333，41110006)

2012- 05- 07;

2012- 09- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: nanying@ybu.edu.cn

10.5846/stxb201205070663

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