基于空間聚類法的鄖陽區林地資源質量評價研究

胡 彥，聶 艷，于 雷，何新瑩，沈 潔

（1.武漢洪房房地產土地估價有限公司，武漢 430070；2.華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079）

林地資源是整個山水林田湖草生態系統的重要組成部分，是可直接或間接用于林業的土地，對自然、社會、經濟、生態、環境復合系統的可持續發展具有極其重要的意義［1］。開展林地資源資產評價體系研究，對科學編制自然資源資產負債表、優化配置自然資源要素市場、建立林地生態補償等具有重要價值［2-4］。國內外學者對林地資源質量和價值評估的必要性、評價方法、評價準則以及具體實踐方面開展了有益探索，但在研究尺度上以大中尺度為主，數據來源時效性偏弱，借助現代地理信息技術研究的相對較少［4-7］。因此，本研究以新時代背景下生態文明體制建設對林地資源資產評價的需求作為一個基本框架，選擇鄖陽區林地資源為研究對象，從林地自然經濟質量和景觀質量兩個維度構建了林地質量評價指標，并借助空間聚類對林地資源質量進行了分類，以期為林地資源資產的評價提供理論依據和技術支撐，為拓展自然資源資產評價內涵提供借鑒。

1 研究區概況

鄖陽區地處北緯32°25′—33°16′，東經110°07′—111°16′，位于湖北省西北部，漢江上游，鄂、豫、陜三省邊沿，是南水北調中線工程水源區，地貌類型多樣，整體呈現出中間低、南北高的空間分布特征。鄖陽區國土總面積3 863 km2，第三次國土調查結果顯示林地面積2 931.37 km2，約占總面積的76%，以喬木林和灌木林為主；林木種類豐富，有141屬，299個品種，其中幼林面積占近50%。為科學顯化鄖陽區林地資源生態價值，亟需開展林地資源質量評價。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

專題圖件：鄖陽區第三次國土大調查數據庫、鄖陽區土壤圖、鄖陽區耕地質量等年度更新數據庫；地理空間數據云、地理國情監測云平臺的網上下載數據。屬性數據：統計年鑒（2019年、2020年）、氣象站點觀測數據、政府公報等。

2.2 研究方法

選用K均值空間聚類法對林地圖斑質量進行聚類，劃分類別。K均值空間聚類的基本流程如下。從鄖陽區n個林地圖斑中任意選擇K個圖斑作為初始聚類中心，借助ArcGIS獲取圖斑的中心點坐標后，計算各林地圖斑到聚類中心的距離，將全部林地圖斑分為K個區域；逐步確定每個區域分類數，重新計算新劃分的聚類中心；不斷重復該過程直到均方差收斂為止，最后獲得的K個聚類具有內部緊湊、聚類間相宜的特點，即為最終的林地質量級別和空間分布特征［8］。K均值聚類過程借助MATLAB編程和ARCGIS實現。

3 結果與分析

3.1 評價指標體系的構建

依據林地資源資產提供的功能與服務類型，從林地自然經濟和景觀2個尺度建立林地資源質量評價指標。林地是樹木生長的基礎，其自然經濟質量由森林資源的生長和改善人類的生產、生活環境共同決定，主要包括林學質量（林地立地質量及其他自然條件）和經濟質量（林地地利條件及經營管理水平等）［9-12］。

林地景觀質量主要受到林地景觀的美學價值，以及區域內的生態承載力與經濟發展水平、區位優勢的影響。其中林地景觀的美學價值是林地旅游開發的重要衡量尺度，而景觀指數作為景觀格局特征分析的量化指標，是高度濃縮的景觀格局信息，能夠很好地反映區域景觀結構組成和空間配置狀況，是景觀美學的基礎，而游客對于該地景觀的認可度，是其景觀美學潛在經濟價值的體現。因此從景觀格局指數和游客感知指數入手選取林地景觀美學價值的評價指標；林地景觀質量的承載力是區域景觀價值的基礎性條件，主要體現在其生態風險以及地質災害的穩定性方面；林地景觀的區位優勢對其區域林地景觀的發展具有導向作用，區域內林地景觀的經濟繁榮度和路網密度越高，其林地景觀被開發的潛力以及景觀價值就越高。

根據上述分析，參考《可持續土地評價綱要》《森林資源資產評價技術規范》，結合鄖陽區自然條件、林地資源的實際情況及相關研究成果，并遵循指標影響較大、屬性值在區內存在差異、指標屬性值相對穩定、以定量可測度指標為主等原則，最終從林學質量和經濟質量2個維度建立了7個因子的林地資源自然經濟質量評價指標，從林地景觀的美學價值、景觀承載力和景觀區位3個方面建立了8個林地資源景觀質量評價指標。利用YAAHP軟件生成調查問卷，邀請生態學、地理學和林學等專業的15位專家進行打分，YAAHP軟件計算評價指標的權重，一致性比率均小于0.1，通過檢驗，得到各評價的權重（表1）。

表1 鄖陽區林地資源質量評價指標

3.2 評價單元及屬性數據獲取

評價單元定義為林地圖斑。各評價指標的屬性數據采用DEM分析、緩沖區分析、景觀格局指數、植被指數、核密度等方法獲取。

1）年均降水量。收集鄖陽區近5年的氣象站點觀測數據，計算得到5年的年均降水量，借助ArcGIS空間插值工具獲取研究區年均降水量的空間分異。鄖陽區的降雨量在764～1 145 mm，為落葉闊葉林木本植物的適宜生長區；降雨量大于900 mm的高值區主要分布在葉大鄉、鮑峽鎮、胡家營鎮等西南部地區，面積約為1 637 km2，占總面積的43.31%；降雨量小于800 mm的區域僅占3.49%，主要分布在東北部的譚山鎮、梅鋪鎮。

2）地形坡度和坡向。從地理空間數據云上下載30 M的數字高程數據，并結合鄖陽區地形圖，利用ArcGIS的3D Analyst擴展模塊獲取坡度和坡向。結果顯示鄖陽區境內整體坡度起伏較大，小于5°的面積不多，僅占9.37%，主要分布在中部、東部的城關、茶店和安陽等鎮，漢江橫穿該地區，坡度整體較小；北部和西部區域坡度較大，以25°以上為主；從坡向來看，南、東南和西南方向多為陽坡，利于林木果樹生長。

3）土壤質地。收集鄖陽區土壤圖，根據不同土壤類型的診斷特性確定土壤質地。鄖陽區土壤類型有8種，以黃棕壤和紅色石灰土為主，土壤質地多為壤土、沙壤土。

4）道路可及度、景區帶動度和城鎮影響度。道路可及度表征采伐木材的運輸距離和成本費用；區域內旅游景點的集聚程度越高，林地景觀被游客所感知的潛力越高，且相關旅游景觀的發展能帶動周圍林業景觀美學價值的提升；距離城鎮越近，越有利于林地經濟和生態價值的轉化。因此，借助空間緩沖區分析方法，從鄖陽區第三次國土大調查數據庫中提取國道等不同類型的道路線圖層，獲取城鎮中心點圖層，從鄖陽區旅游局收集全部旅游景區景點轉化為點圖層，然后分別做緩沖區分析獲取對應的單因子圖層。從景區帶動度來看，主要景點分布在中部漢江沿岸的柳陂、茶店、青曲等鎮，如國家地質公園、猿人遺址、明代大豐倉、古麇夢幻谷等；而東北部地區的集聚程度高于西南地區。

5）采運成本和路網密度。從三調數據庫中提取住宅用地和農村宅基地，借助ArcGIS的Spatial Analyst工具箱核密度分析獲取人口密度的空間差異，從空間分布結果來看核密度值大于80%主要分布在城關、青曲、茶店、楊溪鋪等鄉鎮，占比在32.43%；西北和西南的大柳鄉、葉大鄉、鮑峽鎮人口密度值偏低。路網密度為面狀要素，采用鄉鎮面積除以各類型路網長度表征，大于0.7 km/km2的主要為中東部地區的青山鎮、茶店鎮、楊溪鋪鎮和柳陂鎮，約占21.53%，低值區則主要分布在葉大鄉和大柳鄉等鄉鎮。

6）森林覆蓋率。從陸地觀測衛星數據服務平臺下載研究區7—8月的云量小于10%的高分一號影像，經輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌和裁剪、圖像融合等預處理，借助ENVI計算歸一化植被指數得到研究區植被覆蓋度。從結果來看，鄖陽區的植被覆蓋度以中、高值覆蓋度為主，面積約為2 839 km2，占73.49%，植被覆蓋度良好；非植被和低植被覆蓋區僅占7.87%，主要分布在中心城區。

7）最大斑塊指數、香農多樣性指數和蔓延度指數。以三調土地利用現狀為基礎，借助Fragstats軟件分別計算3個景觀格局指數獲取對應的單因子分布。以蔓延度指數為例，大于75的面積為1 891.41km2，約占48.96%，主要分布在北部的大柳鄉和西南的胡家營鎮、鮑峽鎮，林地團聚程度高，斑塊連通性好，景觀優勢比較明顯；而青曲鎮、安陽鎮和梅家鋪鎮的蔓延度指數小于55，林地景觀較為破碎，林地景觀的連接性較差。

8）景觀生態風險指數和地質災害風險指數。景觀生態風險指數主要表征區域內景觀格局和景觀生態相互作用間不良生態影響產生的可能性與損失，借助Fragstats計算出景觀破碎度、分離度、優勢度指數后獲取景觀干擾度指數，再結合不同景觀類型的脆弱度計算景觀損失度指數，最后測算出景觀生態風險指數。從結果來看，高風險區主要分布在東南部的鄉鎮以及北部的大柳鄉，面積較少，僅占5.02%；較低和低生態風險區則主要分布在中部和東北部區域的鄉鎮，面積為2 212.85 km2，占57.29%。地質災害風險指數主要表征山體滑坡、泥石流等地質災害潛在的危險性，選擇海拔、坡度和降雨量3個因子進行等權線性疊加獲取。從結果來看，中高度風險區主要分布在地形起伏較大且降雨量較大的東南部地區，以及西北部的大柳鄉；較低和低度風險區則分布在地勢較為平坦的中部城區以及東北角地區。

3.3 屬性數據的標準化處理

由于指標性質不同、量綱不一且值域差異較大，需要對各個指標的屬性數據進行標準化處理得到［0，1］后才能借助加權求和模型獲取林地質量綜合評價指數。將15個指標分為離散型、閾值型和空間擴散型分別做標準化處理。屬于離散型的指標包括地形坡度、坡向和土壤質地3個，參考《森林資源資產評價技術規范》《農用地質量分等規程》分別建立對應的隸屬度值（表2）；道路可及度、景區帶動度、城鎮影響度為空間擴散型指標，經緩沖區分析后的影響度值已經標準化到［0，1］；其他指標屬于閾值型，采用極值法進行標準化。

表2 部分因子評價指標和隸屬度值

3.4 總分值計算和空間聚類

采用上述標準化模型對評價單元各指標屬性值進行標準化處理后，借助加權求和模型計算獲取各林地圖斑的自然經濟質量指數、景觀指數和綜合質量指數，指數越大表明林地質量等級越高。

借助ArcGIS獲取林地圖斑的中心點坐標，然后連同ID、各個指數導出為外部Excel數據，根據空間聚類方法利用MATLAB編程實現林地質量空間聚類，經100次迭代后，最終將林地質量分為4類；然后以ID為關鍵字段，將聚類結果鏈接到空間數據圖層，得到林地質量的空間分布（圖1、圖2）和各類型面積統計結果。

圖1 林地自然經濟質量分類結果

圖2 林地景觀質量分類結果

從林地自然經濟質量來看，以Ⅰ、Ⅱ類為主，整體質量較好，主要是因為鄖陽區雖然地處鄂西山地，但是區域內由漢江橫貫流經且隨著2014年撤縣改區后，經濟發展水平與基礎設施條件都得到了極大的改善，從而為林地自然經濟質量的改善與提升提供了良好的外部條件。Ⅰ類林地面積有716.84 km2，占總面積的24.45%，主要分布在主城區周圍的茶店鎮、青曲鎮、城關鎮、楊溪鋪鎮等區位條件便利的區域，以及鮑峽鎮北部和葉大鄉東部等林學質量較高的區域，因為這些區域內地處河谷地帶，地形坡度起伏較小，有利于林業資源的發展，且這些區域靠近主城區附近，離市場近，區域內路網密度高，林地資源的采運成本低。Ⅱ類林地面積有958.23 km2，占總面積的32.69%%，主要分布在東北部的白浪鎮、白桑關鎮以及南化唐鎮的中北部區域和大柳鄉的中部地區，以及東南部的五峰鄉、胡家營的北部以及鮑峽鎮的中部區域，主要是因為這些區域內年均降水量相對豐富，地形坡度相對較緩，土壤質地以黃棕壤為主，林業資源發展的自然資源稟賦相對較好，且這些區域離主城區相對較近，區域內經濟質量相對較高。Ⅲ類林地面積有747.27 km2，占區域總面積的25.49%，Ⅳ類林地僅占17.36%，Ⅲ類和Ⅳ類區域則主要鑲嵌分布在鄖陽區的西北角和東北角以及西南角等離主城區較遠、經濟質量和林學質量較差的邊緣地帶，這些區域是鄖陽區的山區地帶，林業資源生產的自然資源稟賦條件相對較差，雖然是鄖陽區主要的林地分布區，但是因為地處山區地帶，遠離主城區、境內交通通達度不高使得區域內林地資源的經濟質量較差。

從林地景觀質量來看，以Ⅱ、Ⅲ類為主，景觀質量整體一般，主要是因為鄖陽區林地資源豐富度雖然較高，但是區域內林地景觀的豐富程度低、獨特性較差以及市場配合度不高，從分布規律來看，具有與自然經濟質量類似的空間分異特點。Ⅰ類林地面積有325.59 km2，占總面積的11.11%，主要分布在中心城區周圍的美學價值、景觀承載能力和經濟價值具佳的區域，少部分分布在東北部景觀承載能力和經濟價值較高的區域，主城區的林地景觀價值高主要是因為區域內的路網密度高，距離客源市場近且區域內的景觀生態風險以及地質災害的發生概率低，區域內的景觀承載力強，東北部的林地景觀質量較高主要是因為區域內林地景觀的豐富度較高，區域內林地景觀的美學價值高。Ⅱ類林地面積有742.72 km2，占總面積的25.34%，主要鑲嵌分布在Ⅰ類區域的周圍地帶，分布相對集中的區域有青山鎮、楊溪鋪鎮、青曲鎮、劉洞鎮、譚山鎮、白桑關以及五峰鄉等鄉鎮，這些區域離主城區相對較近，所以區域內的基礎設施水平相對較高，景觀的經濟水平與景觀承載力強，林地景觀質量較好。Ⅲ類林地面積最多，有1 130.73 km2，占總面積的38.57%，Ⅳ類林地面積有732.32 km2，占總面積的24.98%，Ⅲ類和Ⅳ類區域分布范圍較廣，主要分布在景觀承載能力和經濟價值較差的東南部鄉鎮和西北部鄉鎮，這些區域雖然林地資源豐富，但是林地景觀較為單一，景觀的美學度不高且遠離中心城區，區域內的經濟發展水平與基礎設施條件較差，從而導致區域內的林地景觀美學價值不高。

4 結論

統籌兼顧林地資源的自然、經濟、景觀等多種功能，從林地資源自然經濟質量和景觀質量2個維度，構建了林地資源質量評價的體系框架，對指標選擇、數據獲取方法、級別進行了說明，豐富了林地資源資產評價的相關理論與方法。鄖陽區的實證結果顯示，林地自然經濟質量整體較好，以Ⅰ、Ⅱ類為主，約占57.14%；林地景觀質量整體一般，Ⅰ、Ⅱ類區域僅占36.45%。研究結果對全方位、多尺度掌握林地資源質量的空間分布、合理確定林地資源的重點保護區和生態保護區具有參考價值。結合山水林田湖草生命共同體理念，構建林地生態價值評價體系，實現林地生態產品價值的轉換，將是今后的研究重點。