陳 閃,蔣文偉,陳 堯,王旭東
(浙江農林大學 風景園林與建筑學院,浙江 臨安311300)
地理信息系統支持下富陽區建成區生態敏感性分析
陳 閃,蔣文偉,陳 堯,王旭東
(浙江農林大學 風景園林與建筑學院,浙江 臨安311300)
生態敏感性分析是城市生態建設的重要依據。以浙江省杭州市富陽區建成區為例,選取土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區和植被覆蓋指數等6個因子,將研究區劃分為極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區和非敏感區等5個等級。利用層次分析法確定評價因子權重,應用地理信息系統(GIS)空間分析技術和因子疊加法完成研究區綜合生態敏感性評價,并建立空間分布圖。研究表明:富陽區建成區生態敏感性總體較高,極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區和非敏感區等5個等級敏感區面積比例分別為7.14%,18.95%,33.98%,20.17%和19.76%。在生態敏感性綜合評價基礎上,提出了不同類型生態敏感區土地利用策略,為今后城市生態環境規劃與建設提供科學依據。圖2表2參21
環境生態學;生態敏感性;地理信息技術;空間主成分分析;富陽區
隨著中國社會主義市場經濟體制的建立和不斷完善,城市化進入高速發展時期。與此同時,城市化的高速發展促使人類對自然環境干擾范圍和強度越來越大,對生態環境的破壞也日趨嚴重。城市空間無序蔓延使土地開發強度不斷加大,自然區域等過多的開放空間被肆意開發,其結果是棲息地生物多樣性隨之降低,人類賴以生存的生態環境惡化現象愈演愈烈,最終直接威脅到城市的健康發展[1]。由此而引起的區域生態環境問題已不容忽視,保護和改善生態環境,使之與經濟發展相適應,從而達到可持續發展的目的已經成為當前亟需解決的問題。生態敏感性評價是確定需要優先或重點開展生態環境建設和保護區域的一種有效途徑[2]。生態敏感性是指生態系統對人類活動干擾和自然環境變化的反映程度,表征發生區域生態環境問題的難易程度和可能性大?。?]。敏感性越高的區域,生態系統就越容易受到損傷,應該作為生態環境保護和恢復建設重點來進行深入研究,也是人為活動受限或禁止開發的地區,從而為預防和治理生態環境問題的區域政策提供科學依據[4]。目前,國內外相關學者開展了生態敏感性研究,并取得了諸多研究成果,但主要還是針對某個單一的生態環境問題,如Home[5],Kosmas[6],羅先香等[7],谷花云等[8],王效科等[9]分別針對澳大利亞雨林對選擇性伐木的生態敏感性、印度農業和氣候的敏感性、鹽漬化的動態敏感性、生態系統對酸沉降敏感性、水土流失敏感性進行了評價分析。生態敏感性的綜合性研究相對較少,研究尺度多以大尺度居多,如流域和地區等[10-12],而以市縣級、鎮級小尺度研究較少[13-14]。本研究以浙江省杭州市富陽區建成區為研究對象,首先根據本區域發展特點,確定6個區域生態環境影響因子作為生態敏感性評價指標,借鑒層次分析法的技術路線與同類研究成果基礎上確定各個單因子權重,應用地理信息系統(GIS)空間分析技術、因子疊加法獲得研究區綜合生態敏感性評價結果與空間分布圖,從而對研究區生態敏感性分布規律進行初步分析和評價,探討城市空間格局科學合理性,指導城市建設和可持續發展,旨在為城市生態規劃與實踐研究提供理論與技術支撐。
杭州市富陽區(29°44′~30°11′N,119°25′~120°09′E)位于長江三角洲南翼,屬浙西低山丘陵區。境內有低山、高丘、低丘、谷地、盆地、平原等多種地貌,天目山余脈位于境內西北部,仙霞嶺余脈位于境內東南方,地勢自西南向東北傾斜,平均海拔為300.5 m。富陽區屬中緯度亞熱帶季風性氣候區,氣候溫和,雨水充沛,日照充足,自然條件優越。年平均氣溫為16.1℃,無霜期為230 d,年日照時數為1 995 h。多年平均降水量為1 501 mm左右,降水量分配不均,大部分集中在4-9月,可占到降水量的68%。多年徑流深為763.1 mm,平均水面蒸發量為800~900 mm。
研究區范圍主要為富陽區建成區,即富春街道、東洲街道、春江街道、鹿山街道、高橋鎮和受降鎮,總面積為44 229 hm2。目前,富陽區建成區綠地面積為612.30 hm2,綠化覆蓋面積為650.45 hm2,公園綠地面積為285.67 hm2,建城區綠地率為39.50%,林木覆蓋率為41.96%,人均公園綠地面積為16.5 m2·人-1。
2.1 生態敏感性評價因子的選擇
首先,選擇具有區域代表性的生態因子作為生態敏感性分析的單因子,通過ArcGIS 9.3軟件的空間分析功能對選取研究區不同單因子進行提取計算,并進行分級賦值,完成單因子生態敏感性評價;在借鑒層次分析法的技術路線與同類研究成果的基礎上確定研究區各評價因子權重,最終采用GIS矢量疊加技術得到生態敏感性結果圖,并按生態敏感度的高低將研究區劃分為5級:極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區和非敏感區[11]。
2.1.1 評價因子的選取與因子指數確定 由于所評估的是城市生態敏感性,參考相關研究結果[11,13-16],結合富陽區建成區生態環境特點,最終選擇具有區域代表性的生態因子作為生態敏感性分析的主要因子,即土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區和植被覆蓋指數(NDVI)。各因子敏感性按生態敏感性高低將研究區劃分為5級:極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區和非敏感區,為便于在ArcGIS的空間分析功能中快速獲取計算結果,將上述描述性的分級信息量化成生態敏感性指數,用數字1,3,6,8,10來進行賦值[11,14],量化后的生態敏感性指數稱為生態敏感性評價值,對于各生態因子的不同要素,敏感性評價值越高則表示該要素生態敏感性越高。具體分級標準見表1。
2.1.2 評價因子權重的確定 本研究在借鑒層次分析法的技術路線與同類研究成果的基礎上,通過對富陽區建成區生態環境現狀調查,采用一定的賦值確定研究區各評價因子權重[17-18]。層次分析法(analytic hierarchy process,簡稱AHP)是由美國運籌學家Saaty于20世紀70年代提出,經過多年的發展現已成為一種較為成熟的將人的主觀判斷用數量的形式進行表達和處理的方法,因此,能在客觀上大大提高評價結果的準確性、有效性和可行性[19]。為減小指標之間的相關性,AHP只包括目標層和指標層,即綜合生態敏感性作為目標層,6個生態因子作為指標層,再通過兩兩判斷比較評價指標構成矩陣,并計算出判斷矩陣的標準化特征向量,最后進行一致性檢驗。土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區和植被覆蓋指數的權重值分別為0.34,0.11,0.05,0.13,0.20和0.17(表1)。
2.1.3 空間疊加分析 在ArcGIS 9.3的空間分析模塊(spatial analyst)中進行各因子的生態敏感性分析,在生成的各單因子生態敏感性分析的基礎上,運用ArcGIS中矢量疊加技術,對6個單因子生態敏感性圖層進行空間加權疊加,最終得到生態敏感性結果圖。生態敏感性數學模型[20]見式(1)。

式(1)中:i為評價指標編號,n為評價指標總數,P為生態敏感性指數,Wi為各指標的權重,采用層次分析法(AHP)獲得,Ai為各評價指標的生態敏感性貢獻值,非敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感的貢獻值分別為1,3,6,8,10。

表1 生態敏感性評價因子量化分級與權重Table1 Grades and weights of ecological sensitivity evaluation factors
2.2 數據來源與處理
2.2.1 數據來源 富陽區建成區陸地范圍(44 229 hm2)為研究對象,采用的數據資料有富陽區2011年高空間分辨率衛星影像,結合富陽區區域總體規劃(2004-2020)、富陽區城市綠地系統規劃(2002-2020)以及現狀調查資料作為空間信息提取的基本信息源。
2.2.2 數據預處理 首先,利用ENVI4.3圖像處理軟件對圖像進行幾何較正,轉換成西安80坐標系(GCS Xi’an1980),然后對圖像進行拼接處理,獲得富陽區建成區影像圖,再對該影像進行處理獲得NDVI。其次,根據GB/T 21010-2007《土地利用現狀分類》和國家環境保護部門發布的《生態環境改善評價技術規范》中的土地利用一級分類體系,從生態環境保護角度出發,并以土地生態服務價值為依據,對研究區土地利用類型劃分為建筑用地、交通用地、林地、耕地、水域和其他用地6類景觀類型組成的分類體系,并結合相關文獻研究[11,13-16],對上述6類景觀類型進行賦值,反映生態敏感性大小。利用ArcGIS 9.3對遙感影像的人工目視解譯,對研究區景觀分類分布進行矢量化處理,矢量文件通過GIS空間分析模塊轉換成像元大小為5 m×5 m的柵格文件,形成城市景觀用地類型圖。然后,利用ArcGIS 9.3高程(DEM)數據進行處理,提取高程、坡度和坡向數據,并通過GIS的緩沖區分析技術下獲取水域緩沖區數據。各單因子數據提取完成后,通過要素轉柵格、重分類、直線距離制圖等工具對各單因子分別賦值,制作單因子生態敏感性分布圖。完成單因子生態敏感性分析后,通過GIS空間分析中的柵格計算器,對6個因子的生態敏感性進行加權疊加,獲得研究區的綜合生態敏感性初步評價結果,并采用等間距分級法分為極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區和非敏感區5個區域,最終得到生態敏感性分區圖。
3.1 單因子生態敏感性分析
3.1.1 土地利用類型的生態敏感性分析 富陽區建成區土地利用類型主要分為林地、耕地、水域、交通用地、建筑用地和其他用地等六大類,其中林地面積占57.97%,具有較高的生態服務功能。富陽區建成區土地利用生態敏感性較高,極敏感區、高度敏感區和中度敏感區占研究區總面積的74.92%,面積總計為32 503.24 hm2,主要分布于富陽區建成區內林木覆蓋率較高的山體、耕地、橫貫境域中部的富春江水系,以及郊區的湖泊、河流和水庫等,對于改善城市生態環境、維護區域生態安全具有關鍵性的保障作用。低度敏感區面積為1 804.68 hm2,占研究區總面積4.16%,主要為研究區內的交通用地和其它用地;非敏感區占研究區總面積20.92%,為研究區內中心城區、郊區鎮村大量居民點的建筑用地等(圖1A,表2)。
3.1.2 坡度生態敏感性分析 坡度是影響生態敏感性的重要因子之一,與區域內水土流失緊密相關,坡度越大的區域其水土流失越嚴重,生態系統就越脆弱,生態敏感度越高。研究區內坡度因子的總體敏感度不高,坡度大于25°的面積為9 031.28 hm2,占總面積的20.81%,屬于極敏感區,主要分布在西南、西北部郊區的山體;高度敏感區和中度敏感區分別占總面積的2.33%和2.38%,主要分布在西南、西北部鄰近高敏感區的區域;低度敏感區和非敏感區分別占總面積的7.52%和66.96%,廣泛分布于研究區范圍(圖1B,表2)。
3.1.3 坡向生態敏感性分析 坡向影響植被和動物的種類與分布,也對建筑物的采光和能源的利用效率有著重要的影響。研究區內基于坡向因子的總體敏感性較高,極敏感區、高度敏感區和中度敏感區面積總計為253 93.16 hm2,占研究區總面積的58.54%,廣泛分布于研究區范圍;正北、東北、西北面積總和為13 578.04 hm2,屬于研究區內的低度敏感區,占總面積的31.30%;平地為研究區內的非敏感區,面積4 406.92 hm2,占總面積的10.16%,主要分布于中心城區以及富春江東南部分水域及周邊(圖1C,表2)。
3.1.4 高程生態敏感性分析 富陽區屬浙西低山丘陵區,地貌類型復雜多樣,有低山、高丘、低丘、谷地、盆地、平原等多種地貌。研究區范圍內多為平原,山體主要集中于北部和西南部郊區,研究表明:高程因子生態敏感性總體較低,極敏感區、高度敏感區、中度敏感區分別占12.19%,7.44%,9.65%,面積總計為12 702.80 hm2,主要分布于北部和西南部郊區山體;低度敏感區面積為5 175.92 hm2,占總面積的11.93%,主要分布于北部、西南部以及中心城區低山地帶;非敏感區面積為25 499.40 hm2,占總面積的58.78%,主要分布于富陽市建成區平坦區域(圖1D,表2)。

圖1 各評價因子生態敏感性分布圖Figure 1 Distribution of ecological sensitivity of each evaluation factor
3.1.5 水域緩沖區生態敏感性分析 研究區水域規模較大,主要有大小溪流和水庫等。富春江橫貫境域中部,連通性良好,而分布于郊區水體連通性較差、水體面積較小。研究區范圍內水域因子的生態敏感性總體較低。極敏感、高度敏感和中度敏感區面積總計5 160.80 hm2,占研究區總面積的11.90%,主要分布于中心城區,為富春江水系以及郊區的湖泊、河流、水塘等水域自身及其外圍10 m的范圍;低度敏感區總面積為3 897.36 hm2,占研究區的8.98%,主要為水域外圍50~100 m緩沖區;非敏感區總面積為34 321.04 hm2,占研究區的79.12%,主要為建筑用地、交通用地、耕地以及林地等遠離水域的區域(圖1E,表2)。

表2 研究區單因子及綜合因子的生態敏感性Table2 Ecological sensitivity of a single factor and overall factors in the study area
3.1.6 植被覆蓋指數生態敏感性分析 富陽區建成區山林面積大,植被覆蓋率高,植被覆蓋的生態敏感性總體較高。極敏感區、高度敏感區和中度敏感區占研究區總面積的62.50%,面積總計為27 113.55 hm2,主要為城區北部、南部郊區山林、平坦地區的林木和果林等。低度敏感區面積為9 972.74 hm2,占研究區總面積的22.99%,主要為城市境域耕地和灌草地;非敏感區面積為6 292.64 hm2,占研究區總面積的14.51%,主要為建筑用地以及水域等無植被覆蓋區域(圖1F,表2)。
3.2 生態敏感性綜合評價
在ArcGIS 9.3軟件的空間分析(spatial analysis)功能的技術支持下,將6個生態敏感性單因子進行空間疊加,再對生態敏感性各因子加權綜合評價,獲得富陽區建成區綜合生態敏感性空間分布圖(圖2)。根據上述綜合生態敏感性空間分布圖,綜合加權得到富陽區建成區生態敏感性綜合評價值為1.000 1~9.116 6,采用等間距分級法(equal interval)將生態敏感區分為5類,即極敏感區、高度敏感區、中度敏感區、低度敏感區和非敏感區(表2)。結果表明:研究區綜合生態敏感性較高,極敏感區、高度敏感區、中度敏感區總面積為25 906.80 hm2,占研究區總面積的60.07%,主要分布于研究區北部、西南部山區,為研究區內山體,富春江水系以及郊區的湖泊、河流、水塘以及面積較大的耕地;低度敏感區面積為8 700.92 hm2,占地比例為20.17%,主要為研究區內交通用地、部分覆蓋度較低的林地;非敏感區面積為 8 523.08 hm2,占研究區總面積 19.76%,主要為中心城區的居民、工業以及商業等建筑用地和地勢較平坦的耕地等(圖2,表2)。

圖2 研究區綜合生態敏感性評價圖Figure 2 Overall ecological sensitivity evaluation in the study area
3.3 不同生態敏感區的用地策略
極度生態敏感區和高度生態敏感區屬于脆弱生態環境區,面積為11 251.64 hm2,占研究區總面積的26.09%,極易受到人為干擾,生態功能穩定性差,一旦破壞難以在短時間內進行生態恢復,造成不良的生態災害,此區可以規劃為生態保護區。該區應當禁止開發城市建設活動,強化荒山造林和退耕還林力度,避免山地水土流失現象,恢復與重建濱湖濕地生態保育區,提高森林覆蓋率,保持原生態山地生態系統完整性,促進區域生態系統良性循環。
中度生態敏感區屬于較為脆弱的生態環境區,面積為14 655.16 hm2,占研究區總面積的33.98%,較易受到人為干擾,致使生態系統穩定性下降。因此。此類區域可以作為控制發展區,城市建設用地應盡量避讓。該區應提高區域內森林覆蓋率,合理規劃布局河流水系網絡,構建區域生態廊道,積極發展經濟林、風景林和生態防護林,營造濕地森林,促進區域生態農林產業發展。
低度生態敏感區和非敏感區的生態敏感度較小,面積為17 224.00 hm2,占研究區總面積的39.93%,較能承受不同程度的人為干擾,此類區域可規劃為適宜發展區。若進行強度較大方式進行城市建設開發時,必須嚴格控制 “三廢”污染,保障基本農田生產,強化周邊生態資源保護,提高河流、湖泊、林地等生態效益,增加區域生物多樣性,提高生態安全功能,改善城市生態環境質量,創造適宜的人居環境,完善城市生態基礎設施建設。
本研究在對研究區生態環境調查和其他相關資料研究的基礎上,選取土地利用類型、坡度、坡向、高程、水域緩沖區和植被覆蓋指數(NDVI)等生態因子,研究富陽區建成區生態敏感性程度,利用ArcGIS空間分析的技術對研究區生態敏感性進行定量化分析與評價,為相關區域開發及生態評價提供參考與借鑒。研究表明:富陽區建成區極敏感區和高度敏感區面積占研究區總面積的26.09%,中度敏感區面積占33.98%,低度敏感區和非敏感區面積占39.93%。從分布上看,生態敏感性等級較高的區域主要分布在研究區北部、西部、南部山地森林、面積較大的耕地以及橫貫境域中部富春江水系和郊區湖泊、河流和水庫等區域;敏感性等級較低的區域則主要分布于中心城區的居民、工業、商業等建筑用地、交通用地、部分森林覆蓋率較低的林地以及地勢較平坦的耕地等。因此,富陽區建成區總體生態敏感性較高,在城市擴張的過程中必須高度重視城市土地利用與建設工作,避免對生態敏感性高的區域產生負面影響,杜絕不良生態災害現象發生。
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An ecological sensitivity analysis based on GIS in Fuyang District, Hangzhou City,Zhejiang Province,China
CHEN Shan,JIANG Wenwei,CHEN Yao,WANG Xudong
(School of Landscape Architecture,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China)
To provide a scientific basis for urban planning and development,an ecological sensitivity analysis, frequently used in urban ecological development,was conducted in Fuyang District of Hangzhou City,Zhejiang Province.Six factors were selected to evaluate ecological sensitivity namely:land use type,slope,aspect,elevation,buffer zone of rivers,and vegetation cover index (NDVI)with ecological sensitivity being classified into five sensitivity grades:extreme,strong,moderate,slight,and non-sensitive.Factor weights were also calculated using an analytic hierarchy process(AHP).Based on a spatial principal component analysis from geographical information system (GIS)and a factor superposition analysis were used for evaluation.Results for spatial distribution showed that ecological sensitivity in Fuyang District was very high with the area percentage of the five grades being extreme-7.14%,strong-18.95%,moderate-33.98%,slight-20.17%,and non-sensitive-19.76%.A land-use strategy for the different ecological sensitivity regions was presented.[Ch,2 fig.2 tab.21 ref.]
environmental ecology;ecological sensitivity;geographical information system(GIS);spatial principal component analysis;Fuyang District
S731.2;TU984
A
2095-0756(2015)06-0837-08
浙 江 農 林 大 學 學 報,2015,32(6):837-844
Journal of Zhejiang A&F University
10.11833/j.issn.2095-0756.2015.06.003
2015-01-13;
2015-03-05
國家自然科學基金資助項目(30972342)
陳閃,從事風景園林規劃與設計研究。E-mail:407559812@qq.com。通信作者:蔣文偉,副教授,博士,從事城市生態學與景觀生態學研究。E-mail:wenweijiang@zafu.edu.cn