基于GIS和RS的城市生态敏感性评价新探究
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摘要：通过建立宜兴国家级环保科技工业园生态敏感性评价因子指标体系和确定因子权重,构建了环保科技工业园生态敏感性综合分析体系。运用GIS和RS技术,生成了各因子的分析结果图,加权叠加后得到最终的土地生态敏感性综合分析模型。对该地区生态敏感性进行空间划分,可作为规划设计的重要依据。
关键词：生态敏感性;科技工业园;遥感技术
作者简介：吉银翔（1986―），男,江苏盐城人,苏州科技学院建筑与城市规划学院硕士研究生。
中图分类号：F127
文献标识码：A
文章编号：16749944(2011)10000105
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1 引言
随着城市经济的高速发展和城市人口的增加,城市空间无序扩展造成生态环境持续恶化,直接威胁到城市的健康发展。城市生态敏感区是城市生态服务功能的重要载体,对城市生态敏感区进行评价并据此进行空间划定,是对其进行有力保护的基础,在当前城市化高速发展时期具有重要意义。
如今,随着地理信息系统(GIS)技术和遥感技术(RS)的出现与发展。GIS和RS技术因其反映客观世界的直观性、时效性、综合性等优势,在城市规划、区域土地利用综合评定、生态景观评价等领域得以广泛应用,并成为土地合理利用的有效辅助手段。将GIS技术应用于生态敏感性分析,利用GIS强大的空间数据处理和运算能力,不仅方便了分析,还使得分析过程能够定量化、规范化,分析结果精确化、系统化、信息化,为下一步的用地生态规划提供了更有效的数据,提高了规划的科学性和前瞻性。
随着宜兴城市建成区的不断扩展,山体水系日渐被纳入城市建设范围,逐渐出现了由“山水绕城”变为“城包山水”的态势[1]。大规模的城市建设使得山水环境遭到了一定的破坏。最突出的表现就是城市和水的关系不再密切。江南水网城市河路相随的基本结构是宜兴老城区原有空间特点之一。但随着城市人口、交通的扩展,部分河道被填平,沿河低矮的民居变成高楼,次一级的街巷被合并成较大尺度的街区。主要差别体现在从傍水到背水,从小尺度变成大尺度(体现在建筑、街道和街区)，水的功能也发生变化(承担交通、生活功能的水转变为单纯景观功能的水)。又由于宜兴陶土及矿石资源丰富,各类采石、采土场数量多,分布广,造成植被大量破坏且使土地贫化严重。许多山看上去千疮百孔,严重影响了景观及生态环境。因此,宜兴山水资源保护的任务艰巨。
本文研究区域位于宜兴国家级环保科技工业园(以下简称环科园)西侧,距宜兴市中心7km,位于锡宜高速公路以西,宁杭高速公路以北,西鹩胪官山之间(图1)。在宜兴环科园空间发展战略研究中,该区域被确定为宜兴环科园向西拓展打造环科新城的承载地。在亟需增强宜兴生态环境保护的背景下,在宜兴环科园空间发展战略研究中,对于基地生态敏感性的评价有了新的探索。
2 研究方法
原始数据包括数据资料和文本资料,其中数据资料包括宜兴环科园2009年分辨率为10m的ALOS遥感影像图和规划区的数字高程模型(Digital elevation model,DEM),文本资料包括规划区气候、水文、植被等。
首先根据收集到的原始数据和确定要分析评价的目标来选取出生态单因子即指标因子,为各单因子评分,同时确定各单因子的权重,绘制出单因子分级图,再根据计算的标准值与分级图对其重分类,利用ARCGIS软件将重分类后的结果进行加权叠加分析,最后根据加权叠加的结果来确定规划措施。
2.2 信息获取方法的选择
2.2.1 基于ERDAS IMAGINE(rs软件)遥感信息的直接提取方法
在遥感图像的数据预处理中,先进行遥感图像几何校正和图像投影变换,然后进行去霾处理和降噪处理等步骤,降低图像模糊度,保持图像中一些微小的细节,提高图像整体质量。最后采用非监督分类直接提取地物信息。
2.2.2 基于ERDAS IMAGINE和地学相关分析的间接信息提取方法
遥感影像信息由于受到分辨率的限制,提取信息是有一定限度的。在卫星影像中,对于林地、草地、农田、城区等特征明显的一级生态类型,用监督分类与目视纠正结合的信息提取方法,确定其地物信息类型。
2.2.3 基于ArcGIS空间分析的信息获取
空间分析是为了解决地理空间问题而进行的数据分析与数据挖掘,是从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识,是从一个或多个空间数据图层中获取信息的过程,解决人们所涉及到地理空间的实际问题,以便进行辅助决策。ArcGIS中ArcToolbox控件下的Spatial Analyst(空间分析)模块集成了大量的空间分析工具,主要包括表面分析、水文分析、加权叠加分析、太阳辐射分析、缓冲区分析等[2,7]。
2.3 信息分析方法的选择
2.3.1 生态敏感性评价
生态敏感性评价一般采用综合指标法,综合指标的计算方法主要有3种，即直接叠加法、因子加权平均法、因子组合法。这3种方法各有优缺点和适用条件,应根据具体研究需要进行具体选择。笔者将因子组合法及多因子加权求和法相结合,建立生态敏感性评价体系,通过多因子加权求和法对城市规划范围内土地的生态敏感性进行分级;通过多因子组合法进行生态敏感性综合评价,并在空间上确定各种不同等级生态敏感区域的分布格局。
2.3.2 因子加权叠加法
加权叠加法又称简单加权法(SAW),是最常用的叠加分析方法之一,一般用来解决多准则问题,如适宜性模型和地点选择。在加权叠加分析中,每个条件的重要性可能并不相同。可以为重要条件赋予比其他条件大的权重。例如,在房屋适宜性模型中,如果出于长期保护的目的,则同坡度和到公路的距离条件的相关短期成本相比,可能认为较好的坡向更为重要。因此,可以使坡向值的权重两倍于坡度和到公路的距离条件的权重。将输入条件乘以权重,然后进行相加。应用如下公式在ArcGIS的GRID数据格式下建立评价模型:
式中n为图层数,k为生态因子编号(图层编号),Bk为第k个生态因子适宜度评价值(单因子评价位);Wk为第k个因子的权重值;Vn为总适宜度,该值越大说明生态适宜度越高[3]。将相关的数据转换成栅格单元格为5m×5m的GRID数据,在ArcGIS的Spatial Analyst工具下进行加权叠加运算,得到最终的用地生态适宜度。例如,在房屋适宜性模型中,将坡向乘以2并将3个条件相加,或以另一种方法表示,即(2×坡向)+坡度+到公路的距离。叠加分析过程的最后一步是对模型进行验证以确保模型所示的地点真实存在。
2.3.3 GIS分析技术路径
借助ArcGIS软件,矢量化相关图层数据,获取评价单元及其属性数据,并进行空间数据管理及分析。在计算机软、硬件支持下将各生态因子的斑块分别赋予相应的等级指数,制作单因子分析图。同时,将各单因子评价结果进行加权叠加分析,根据最终的综合指数划分级别,实现评价结果的输出。生态敏感性评价GIS分析的技术路径[4]见图2。
2.4 评价因子的选择
2.4.1 选择原则
生态敏感区是整个城市区域具有生态环境意义的生态要素或实体,抗外界干扰能力和自我恢复能力较差,且对城市生态环境产生重要影响,是需要加以控制或保护的区域[1]。区域开发项目尤其是整个城镇的开发建设,一般都涉及到工业区、居住区等功能区域。不同的土地用途所选择的生态指标也不同,生态指标选择的基本原则是对所确定的土地利用目的影响最大,其它选择原则[5]有以下几个方面。
科学性原则,指标体系应从区域社会经济活动提供发展的物质基础条件以及对区域社会经济活动起限制作用的环境条件两方面来构造,且各指标应有明确的界定。完备性原则,尽量全面反映生态学的内涵。区域性原则,生态适宜度分析具有明显的区域性特征,重点考虑能明显代表区域特征的指标。可量性原则,选择指标尽可能是可度量的。规范性原则,对各项指标进行规范化处理以便于计算,并对最终结果进行比较等。
2.4.2 选择评价因子及确定评价标准
最早提出建立在适应性模型基础上的生态敏感
性分析是美国的麦克哈格教授,他在《设计结合自然》中作出了系统阐述:生态敏感性评价是指由土地的地理、地形、地质、水文、生物、人文等特征所决定的土地对待特定、持续的用途的固有生态敏感程度。他只有与特定的土地利用方式联系起来考虑才有意义。此次生态敏感性评价将分为6个等级区,即低敏感区、较低敏感区、一般敏感区、较高敏感区、高敏感区、绝对敏感区。根据研究重点与客观条件,从调研收集到的众多资料中筛选出与研究地区生态资源保护关系最密切、影响最大以及可利用性强的关键性因素,尤其是其中的自然因素,作为限制保护型体系的评价因子,包括高程、坡度、水系保护区、自然保护区、水源涵养地保护、土地利用现状、历史遗迹等。根据生态敏感性因子分级评分表(表1)绘制单因子图。
3 结果与分析
3.1 单因子结果分析
进行生态敏感性分析,首先要明确评价因子。考虑到规划区的生态环境系统自身的状况是其评价的基础,而在此基础上,对于生态敏感性评价的最终判断标准是在人类需求与生态环境系统所提供的服务之间的界面进行的。从这两个角度理解,生态敏感性分析评价的核心就是既保持规划区范围内生态系统的稳定,又能满足人们对区域内资源利用的需求,以达到人与自然和谐发展的双赢局面,协调好区域发展中保护与开发的矛盾。遵循以上原则,依据有关生态学的相关要求,选取的分析因子要尽可能反映规划区的自然景观资源与生态状况,在关于满足人类开发利用方面,选取应包括工程地质条件和政策法规限制的相关因子,这些因子应能够对整体评价和后期规划设计工作具有指导意义,并且所选取的因子应在数据收集上具有可操作性。
3.1.1 高程
高程是生态环境中一个重要因素,温度随着海拔的升高而降低,造成了植物的分布呈现出明显的垂直分层特征,整个生态系统也呈现出明显的垂直分布。随着温度的降低,生态多样性随之降低,生态系统也变得脆弱。根据海拔梯度分布由高到低进行分级,评价结果见图3。
3.1.2 坡度
坡度5%~20%的区域,经过一定的工程措施和环境补偿措施后也可作为城市发展用地。通常坡度大于25°时只能生长灌木或小乔木,坡度大于45°时连草皮都难以生长。根据倾斜率划分等级,评价结果如图4所示。
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3.1.3 地灾
地灾的等级划分对建设用地的选取有着决定性的作用。但是本规划范围较小,考虑此因子没有太大意义,故将之忽略。
3.1.4 水系保护
包括地表水和地下水,它对动植物的生存、生长有重要影响,也是最容易受到人为干扰的因子之一,因此规划要充分考虑对水域生态系统的保护。按离水源距离由近及远划分和水体质量划分水文因子敏感度级别,评价结果见图5。
3.1.5 水源涵养地
由于紧挨本规划区有一供城区的水源地,并且水库水源来自规划区域内,所以应考虑对水源涵养地的保护,以保证饮用水的安全,评价结果见图6。
3.1.6 现状土地利用规划图
国家对土地各类用地的相关规定、要求直接决定了是否适宜开发建设,特别是基本农田,禁止作为建设用地,评价结果见图7。
3.1.7 历史遗迹
在“宜兴总规”中明确指出各级文物和有价值的历代史迹遗址的周围,应划出一定的范围与空间作为历史遗迹保护区,评价结果图8。
3.2 生态敏感性评价
依据生态敏感值的大小,将研究区域按照生态敏感度分为6级(图9):生态绝对敏感、生态敏感度高、生态敏感度较高、生态敏感度一般、生态敏感度较低、生态敏感度低。其中,生态绝对敏感区原生生态系统保存完整,对人工破坏、干扰承受能力非常弱,很难恢复。生态敏感度高区原生生态系统保存良好,对人工破坏、干扰承受较弱,恢复困难。生态敏感度较高区生态环境良好,对人工破坏、干扰承受能力一般,恢复缓慢。生态敏感度一般区人工破坏、干扰的承受能力较强,系统恢复能力较强。生态敏感度较低区对人工破坏、干扰的承受能力强,恢复能力强。
依据生态敏感性分析,结合城市非建设用地保护的需求,将生态绝对敏感、生态敏感度高和生态敏感度较高三区划定为铜官山片区的生态基质区,将生态敏感度一般和生态敏感度较低区划为新街镇区的可建设区。本研究对生态基质区和可建设区分别予以保护和发展导引。
从对本规划基地的评价结果来看,高敏感区分布于自然要素与人工要素的交接地带,而非整个自然要素都均匀地受到人工要素影响;同时,不同类型的人工用地(如:居住用地、工业用地等)对生态用地的干扰程度也是不相同的,与之相邻的生态用地边界地区受到其影响程度也不相同。从这个角度看,要特别注意人工用地与生态用地之间的关系,可以通过空间布局手段使两者之间协调共融。
4 结语
本文将GIS技术应用于较小区域生态敏感性评价中,由于GIS能够快速准确地提取多种生态环境因子的基础信息,生成各生态因子的专题图,克服了运用方格网等技术手段费时费力,并且会使景观要素被割裂等弊端,使生态敏感性因子空间叠加分析变的更加高效与准确。
但是影响生态敏感性的因子很多,因子选择不同,其结果亦有所不同,这也导致了土地生态敏感性评价具有一定不确定性,即不同的评价对象面临着不同的主导土地生态环境问题,导致不同评价对象各生态敏感性因子的选取和权重不同。因此,应在结合土地生态敏感性因子分布的基础上,进行评价对象区域主导生态环境问题分析,明确评价对象内部各区域土生态环境应关注的方向。お
参考文献：
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江苏省城市规划设计研究院.宜兴市城市总体规划(2008-2020)文本［R］.南京：江苏省城市规划设计研究院，2008.
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A New Approach to Urban Ecological Sensitive Evaluation based on GIS and RS
Ji Yinxiang1,Wang Jiaxiang2
（1.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou,215011,China；2.Suzhou
Urban Space Design institute,Suzhou,215011,China）
Abstract:Through establishing ecologically sensitive index system and evaluation factors to determine the weight factor in Yixing Industrial Park of Environmental Science And Technology (YIPEST),a comprehensive analysis of eco-sensitivity system is built in the industrial park.The analysis graph of factors is generated by using GIS and RS,and a comprehensive analysis model of ecologically sensitive land is gererated after the weighted superposition.It can provide important guide for planning and design to divide ecological sensitivity space.
Key words:urban ecological sensitive evaluation;Yixing national industrial park of environmental technology;RS