基于GIS的凯里市生态敏感性分析

徐彩程，刘娇，李荣彪

（凯里学院，贵州 凯里 556011）

0 引言

随着工业化进程不断加快，人地矛盾日益突出，环境污染愈发严重。我国“十四五”规划对生态文明建设提出了更高标准的发展要求。生态敏感性是指各区域生态系统对于人类活动干涉的敏感程度，生态敏感性越强的区域，对外界因素的影响越敏感[1]。凯里市依托多彩的民族文化及优良生态环境，在旅游业等领域具有极大的发展潜力。然而，产业的开发将对生态环境产生影响，在发展规划中必须高度重视生态保护，对区域进行生态敏感性的综合评价分析，为制定区域环境政策提供科学依据至关重要[2]。

近年来，在生态敏感性的研究方面，在研究对象、研究尺度及研究方法上不断探索。研究对象主要包括如石漠化[3]、荒漠化[4]以及盐渍化[5]等生态脆弱区域，特殊地形区域[6-7]、城市生态系统[8-9]。研究尺度跨度大，范围广，主要从国家[10]、省市[11-12]、县域[13]以及特定的自然保护区、国家公园等[14-15]方面展开研究。研究方法多元性，对于综合叠加分析的影响因子的权重确定主要采用AHP 层次分析法[16-17]、变异系数法[18]。AHP 层次分析法通过主观判断结合数学方法对问题进行定性描述[19]变异系数法则是通过计算各个指标的平均数和标准差进行客观赋权。

选择凯里市作为研究对象，根据凯里市生态环境特点以高程、坡度、坡向、归一化植被指数（NDVI）、土地利用、水体缓冲区作为代表性生态因子进行单一以及综合叠加生态敏感性分析，确定凯里市的生态敏感性空间分布。

1 研究区概况

凯里市位于贵州省东南部，地理坐标为107°40'～108°12'E，26°13'～26°48'N。全市土地面积大约1569.69Km²。东接台江县，西部与麻江县和黔南州的福泉市相邻，北抵黄平县，南连雷山县、丹寨县。凯里市地处云贵高原向丘陵过渡地带，地势起伏较大，最高海拔1447米、最低海拔532米，平均海拔850米。气候属于典型的季风气候，年平均气温为16°C，年平均降水量1200mm。受气候影响，凯里市地貌以侵蚀和岩溶地貌为主，其中山地面积为655.50Km²，占全市土地面积的41.76%，属于典型的山地城市。凯里市土地利用类型多样，其中林地占比较大，森林覆盖率超51.28 %。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据获取与处理

凯里市DEM 数据来源于地理空间数据云中的ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据。坡度、坡向信息均由该DEM 数据通过ArcGIS 坡度、坡向计算获得。土地利用数据采用清华大学科研团队的全国2015 年30M 土地利用数据集。NDVI 是采用Landsat8的2015 年10 月14 日的遥感影像，经辐射定标和大气校正数据预处理后，通过波段合成得到。水体数据采用国际基础地理信息中心的2017 年1：100 万全国基础地理信息数据。

2.2 评价指标的选取

生态敏感性评价因子选取是一个复杂的过程，没有固定的选取方法，应根据研究区域实际情况进行选取。高程对区域的生态系统垂直分布差异具有重要影响，高程越高，区域生态系统的垂直分布差异越明显；坡度与地质稳定性呈正相关，是描述水土流失的重要指标，坡度越大，水土流失就越容易发生；植物在不同的坡向受到的太阳辐射时间不同，其生长状况差异明显；NDVI 能体现出区域的生态多样性，NDVI 越大，区域生态多样性越高，能够减少土壤侵蚀程度；土地利用能够直观反映人类活动对环境的影响；水体可以不仅可以调节区域内气候，还能影响人类居住环境范围。因此本研究评价指标通过参考前人研究[9]以及结合研究区域实际情况，选取高程、坡度、坡向、NDVI、土地利用以及水体缓冲区等6个因子作为凯里市生态敏感性评价的主要指标。将6个因子按不同敏感程度分为极低敏感、轻度敏感、中度敏感、高度敏感、极度敏感并分别赋值1、3、5、7、9。各生态因子敏感程度如表1。

表1 生态敏感性评价因子指标体系

2.3 评价因子权重的确定

由于各个因子对生态敏感性的影响程度不同，通过采取AHP 层次分析法和专家打分法对各个因子进行矩阵构造，确定每个影响因子的权重，客观上能提高研究的准确性[20]。本研究采取专家打分对6个生态评价因子进行两两打分，两个因子中前者与后者相比：同等重要赋值为1，略微重要赋值为3，重要赋值为5，很重要赋值为7，极为重要赋值为9。然后通过SPSS软件建立生态因子的对比矩阵（表2），计算出各因子的权重。

表2 生态评价因子矩阵评分标准及权重

表3 矩阵一致性检验

为验证结果的客观合理性，还需对矩阵进行一致性检验，当CR＜0.1 时，则符合一致性检验[21]。一致性检验计算公式如下：

其中：λmax表示矩阵的最大特征根;A为判断矩阵;ω为特征向量；n 为矩阵阶数；CI 为一致性指标；RI 为平均随机的一致性指标；CR为一致性比率。

本此研究的CR 值为0.075＜0.1，通过矩阵一致性检验结果，说明此权重结果是可靠的。

2.4 空间叠加分析

叠加分析是将各个栅格对象的空间属性特征按权重进行综合分析，得到一个综合性的栅格对象。本研究将6 个生态因子通过ArcGIS 根据其权重进行加权叠加分析，再按照生态评价指标进行重分类分级赋值，得到凯里市综合生态敏感性分布图。

3 结果与分析

3.1 单因子生态敏感性分析与评价

3.1.1 高程生态敏感性分析

生物分布的垂直性差异与海拔高度成正相关，海拔越高，生物的垂直性分异显著性越来越大，物种的多样性降低，生态敏感性增大。凯里市高程生态敏感性沿东北-西南走向形成高-低-高格局。其中极低敏感和轻度敏感面积占比超过60%，分布在东北-西南走向区域。中度敏感区主要分布在西北低山丘陵地区，面积大约为513.5Km²。高度和极度敏感区面积占比仅3.27%，零星分布在东南和西北方向。结果如图1和表5所示。

图1 高程生态敏感性

表5 凯里市生态因子敏感性面积比重

3.1.2 坡度生态敏感性分析

坡度是影响水土流失的一个重要原因，坡度越大，发生水土流失的概率越大，生态敏感性也就越高。坡度生态敏感性的高度敏感和极度敏感分布较为集中，主要分布在凯里市的东南部、北部以及西部，其面积大约为361.38Km²，其中高度敏感区域的面积为281.06Km²，与中度敏感区域面积几乎相等。极低敏感区和轻度敏感区分布区域广泛，面积占比约为59.01%。结果如图2和表5所示。

图2 坡度生态敏感性

3.1.3 坡向生态敏感性分析

坡向不同，所受的太阳辐射不同，植物的多样性差异较大。在北半球，东坡、南坡、东南坡和西南坡所受到的光照较多[9]。凯里市的坡向生态敏感性分布较为均匀。轻度、中度和高度敏感区面积相差不大，分别为386.87Km²、370.30Km²和403.52Km²。极低敏感区和极度敏感区二者面积分别为193.79Km²和212.39Km²。高度敏感区和极度敏感区坡向主要为西坡、北坡和西南坡，所受阳光辐射较小，故生态敏感性较高。结果图3和表5所示。

图3 坡向生态敏感性

3.1.4 NDVI生态敏感性分析

凯里市的NDVI 生态敏感性整体较高，极低敏感区和轻度敏感区主要分布在凯里市区和乡镇，面积分别为53.28Km²、41.07Km²。因为其建筑较多，不易对人类活动产生较大反应。中度敏感区域主要分布在西部，面积占比为6.30%。而高度敏感和极度敏感的面积分别高达189.03Km²、1185.26Km²，面积总占比为87.68%。由于其生态环境物种多样性较为丰富，所以其对人类活动的影响更为敏感。结果如图4 和表5所示。

图4 NDVI生态敏感性

3.1.5 土地利用生态敏感性分析

凯里市土地利用生态敏感性和NDVI生态敏感性类似。极度敏感区域面积占比0.42%，以水体为主。高度敏感区域用地类型主要为林地，占地面积高达76.16%。中度敏感主要分布在高度敏感区与轻度敏感区过渡地带，主要用地类型为耕地和草地，面积大约为336.52Km²。轻度敏感区和极低敏感区主要分布在市区和乡镇，大部分为建设用地和未利用地，但其占比比例较小，总共仅有1.95%。结果如图5 和表5所示。

图5 土地利用生态敏感性

3.1.6 水体缓冲区生态敏感性分析

随着离水体距离越来越远，人类活动对于环境的影响就会越来越低，生态敏感性则逐渐降低。凯里市水资源较为丰富，但其对于生态的影响较低，极低敏感区主要分布在水体200m 以内，轻度敏感区在200m～400m 之间，中度敏感区范围为400m～60m 之间，高度敏感区是在水体600m～800m 之间，极度敏感则是在水体800m范围之外。其中极低敏感区域面积占比高达67.95%，其余敏感区域皆在7%～8.5%左右，所以其权重相应较其他因子较小。结果如图6和表5所示。

图6 水体缓冲区生态敏感性

图7 凯里市生态敏感性综合评价分布图

3.2 生态环境敏感性综合评价分析

将通过ArcGIS 得到的6 个生态因子敏感性栅格数据，按AHP 层次分析法计算的权重，进行栅格叠加分析。采用自然间断点分级法对栅格进行重分类，其中极低敏感得分区间为[1,3.18]，轻度敏感得分区间为[3.18,4.70]，中度敏感得分区间为[4.70,5.89]，高度敏感得分区间为[5.89,6,71]，极度敏感得分区间为[6.71,8.21]（表6）。由图2 可知：高度敏感区和极高敏感区面积占比分别为56.10%、19.64%，主要分布在地势较高、植被覆盖度较大的区域，人类活动对其影响较大，对于此类区域，应加大环境保护力度，减少人类活动影响。中度敏感区域面积为201.00Km²，主要分布在乡镇周围，对其环境保护也应加强，防止人类活动无限干预。极低敏感区和轻度敏感区总面积为178.75Km²，主要分布在市中心及乡镇街上，该区域建设用地较多，生态环境对人类活动有较大的容忍度，在合理开发的基础上，也应兼顾环境保护。

表6 凯里市生态敏感性综合评价结果

4 结论

根据高程、坡度、坡向、NDVI、土地利用以及水体缓冲区六个生态因子构建的凯里市生态敏感性综合评价体系，得到结果表明：研究区内生态敏感性以高度敏感为主，面积占比为56.10%，在除市区的整个研究区内均匀分布。极度敏感区域面积占比次之，为19.64%，主要分布在东南地势较陡以及河流周围400m 以内的区域。中度敏感区域面积为201Km²，受建设用地影响，主要分布在西部以及附近村镇外围。轻度敏感区和极低敏感区面积占比相差不大且最小，分别为5.45%和5.97%，主要分布在凯里市区及主要场镇，一小部分与西部的中度敏感区交叉分布。