地理信息系统支持下富阳区建成区生态敏感性分析

陈 闪，蒋文伟，陈 尧，王旭东

（浙江农林大学 风景园林与建筑学院，浙江 临安311300）

地理信息系统支持下富阳区建成区生态敏感性分析

陈 闪，蒋文伟，陈 尧，王旭东

（浙江农林大学 风景园林与建筑学院，浙江 临安311300）

生态敏感性分析是城市生态建设的重要依据。以浙江省杭州市富阳区建成区为例，选取土地利用类型、坡度、坡向、高程、水域缓冲区和植被覆盖指数等6个因子，将研究区划分为极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和非敏感区等5个等级。利用层次分析法确定评价因子权重，应用地理信息系统（GIS）空间分析技术和因子叠加法完成研究区综合生态敏感性评价，并建立空间分布图。研究表明：富阳区建成区生态敏感性总体较高，极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和非敏感区等5个等级敏感区面积比例分别为7.14%，18.95%，33.98%，20.17%和19.76%。在生态敏感性综合评价基础上，提出了不同类型生态敏感区土地利用策略，为今后城市生态环境规划与建设提供科学依据。图2表2参21

环境生态学；生态敏感性；地理信息技术；空间主成分分析；富阳区

随着中国社会主义市场经济体制的建立和不断完善，城市化进入高速发展时期。与此同时，城市化的高速发展促使人类对自然环境干扰范围和强度越来越大，对生态环境的破坏也日趋严重。城市空间无序蔓延使土地开发强度不断加大，自然区域等过多的开放空间被肆意开发，其结果是栖息地生物多样性随之降低，人类赖以生存的生态环境恶化现象愈演愈烈，最终直接威胁到城市的健康发展［1］。由此而引起的区域生态环境问题已不容忽视，保护和改善生态环境，使之与经济发展相适应，从而达到可持续发展的目的已经成为当前亟需解决的问题。生态敏感性评价是确定需要优先或重点开展生态环境建设和保护区域的一种有效途径［2］。生态敏感性是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度，表征发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小［3］。敏感性越高的区域，生态系统就越容易受到损伤，应该作为生态环境保护和恢复建设重点来进行深入研究，也是人为活动受限或禁止开发的地区，从而为预防和治理生态环境问题的区域政策提供科学依据［4］。目前，国内外相关学者开展了生态敏感性研究，并取得了诸多研究成果，但主要还是针对某个单一的生态环境问题，如Home［5］，Kosmas［6］，罗先香等［7］，谷花云等［8］，王效科等［9］分别针对澳大利亚雨林对选择性伐木的生态敏感性、印度农业和气候的敏感性、盐渍化的动态敏感性、生态系统对酸沉降敏感性、水土流失敏感性进行了评价分析。生态敏感性的综合性研究相对较少，研究尺度多以大尺度居多，如流域和地区等［10-12］，而以市县级、镇级小尺度研究较少［13-14］。本研究以浙江省杭州市富阳区建成区为研究对象，首先根据本区域发展特点，确定6个区域生态环境影响因子作为生态敏感性评价指标，借鉴层次分析法的技术路线与同类研究成果基础上确定各个单因子权重，应用地理信息系统（GIS）空间分析技术、因子叠加法获得研究区综合生态敏感性评价结果与空间分布图，从而对研究区生态敏感性分布规律进行初步分析和评价，探讨城市空间格局科学合理性，指导城市建设和可持续发展，旨在为城市生态规划与实践研究提供理论与技术支撑。

1 研究区概况

杭州市富阳区（29°44′～30°11′N，119°25′～120°09′E）位于长江三角洲南翼，属浙西低山丘陵区。境内有低山、高丘、低丘、谷地、盆地、平原等多种地貌，天目山余脉位于境内西北部，仙霞岭余脉位于境内东南方，地势自西南向东北倾斜，平均海拔为300.5 m。富阳区属中纬度亚热带季风性气候区，气候温和，雨水充沛，日照充足，自然条件优越。年平均气温为16.1℃，无霜期为230 d，年日照时数为1 995 h。多年平均降水量为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%。多年径流深为763.1 mm，平均水面蒸发量为800～900 mm。

研究区范围主要为富阳区建成区，即富春街道、东洲街道、春江街道、鹿山街道、高桥镇和受降镇，总面积为44 229 hm2。目前，富阳区建成区绿地面积为612.30 hm2，绿化覆盖面积为650.45 hm2，公园绿地面积为285.67 hm2，建城区绿地率为39.50%，林木覆盖率为41.96%，人均公园绿地面积为16.5 m2·人-1。

2 研究方法

2.1 生态敏感性评价因子的选择

首先，选择具有区域代表性的生态因子作为生态敏感性分析的单因子，通过ArcGIS 9.3软件的空间分析功能对选取研究区不同单因子进行提取计算，并进行分级赋值，完成单因子生态敏感性评价；在借鉴层次分析法的技术路线与同类研究成果的基础上确定研究区各评价因子权重，最终采用GIS矢量叠加技术得到生态敏感性结果图，并按生态敏感度的高低将研究区划分为5级：极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和非敏感区［11］。

2.1.1 评价因子的选取与因子指数确定 由于所评估的是城市生态敏感性，参考相关研究结果［11,13-16］，结合富阳区建成区生态环境特点，最终选择具有区域代表性的生态因子作为生态敏感性分析的主要因子，即土地利用类型、坡度、坡向、高程、水域缓冲区和植被覆盖指数（NDVI）。各因子敏感性按生态敏感性高低将研究区划分为5级：极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和非敏感区，为便于在ArcGIS的空间分析功能中快速获取计算结果，将上述描述性的分级信息量化成生态敏感性指数，用数字1，3，6，8，10来进行赋值［11,14］，量化后的生态敏感性指数称为生态敏感性评价值，对于各生态因子的不同要素，敏感性评价值越高则表示该要素生态敏感性越高。具体分级标准见表1。

2.1.2 评价因子权重的确定 本研究在借鉴层次分析法的技术路线与同类研究成果的基础上，通过对富阳区建成区生态环境现状调查，采用一定的赋值确定研究区各评价因子权重［17-18］。层次分析法（analytic hierarchy process，简称AHP）是由美国运筹学家Saaty于20世纪70年代提出，经过多年的发展现已成为一种较为成熟的将人的主观判断用数量的形式进行表达和处理的方法，因此，能在客观上大大提高评价结果的准确性、有效性和可行性［19］。为减小指标之间的相关性，AHP只包括目标层和指标层，即综合生态敏感性作为目标层，6个生态因子作为指标层，再通过两两判断比较评价指标构成矩阵，并计算出判断矩阵的标准化特征向量，最后进行一致性检验。土地利用类型、坡度、坡向、高程、水域缓冲区和植被覆盖指数的权重值分别为0.34，0.11，0.05，0.13，0.20和0.17（表1）。

2.1.3 空间叠加分析 在ArcGIS 9.3的空间分析模块（spatial analyst）中进行各因子的生态敏感性分析，在生成的各单因子生态敏感性分析的基础上，运用ArcGIS中矢量叠加技术，对6个单因子生态敏感性图层进行空间加权叠加，最终得到生态敏感性结果图。生态敏感性数学模型［20］见式（1）。

式（1）中：i为评价指标编号，n为评价指标总数，P为生态敏感性指数，Wi为各指标的权重，采用层次分析法（AHP）获得，Ai为各评价指标的生态敏感性贡献值，非敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感和极敏感的贡献值分别为1，3，6，8，10。

表1 生态敏感性评价因子量化分级与权重Table1 Grades and weights of ecological sensitivity evaluation factors

2.2 数据来源与处理

2.2.1 数据来源 富阳区建成区陆地范围（44 229 hm2）为研究对象，采用的数据资料有富阳区2011年高空间分辨率卫星影像，结合富阳区区域总体规划（2004-2020）、富阳区城市绿地系统规划（2002-2020）以及现状调查资料作为空间信息提取的基本信息源。

2.2.2 数据预处理 首先，利用ENVI4.3图像处理软件对图像进行几何较正，转换成西安80坐标系（GCS Xi’an1980），然后对图像进行拼接处理，获得富阳区建成区影像图，再对该影像进行处理获得NDVI。其次，根据GB/T 21010-2007《土地利用现状分类》和国家环境保护部门发布的《生态环境改善评价技术规范》中的土地利用一级分类体系，从生态环境保护角度出发，并以土地生态服务价值为依据，对研究区土地利用类型划分为建筑用地、交通用地、林地、耕地、水域和其他用地6类景观类型组成的分类体系，并结合相关文献研究［11,13-16］，对上述6类景观类型进行赋值，反映生态敏感性大小。利用ArcGIS 9.3对遥感影像的人工目视解译，对研究区景观分类分布进行矢量化处理，矢量文件通过GIS空间分析模块转换成像元大小为5 m×5 m的栅格文件，形成城市景观用地类型图。然后，利用ArcGIS 9.3高程（DEM）数据进行处理，提取高程、坡度和坡向数据，并通过GIS的缓冲区分析技术下获取水域缓冲区数据。各单因子数据提取完成后，通过要素转栅格、重分类、直线距离制图等工具对各单因子分别赋值，制作单因子生态敏感性分布图。完成单因子生态敏感性分析后，通过GIS空间分析中的栅格计算器，对6个因子的生态敏感性进行加权叠加，获得研究区的综合生态敏感性初步评价结果，并采用等间距分级法分为极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和非敏感区5个区域，最终得到生态敏感性分区图。

3 结果与分析

3.1 单因子生态敏感性分析

3.1.1 土地利用类型的生态敏感性分析 富阳区建成区土地利用类型主要分为林地、耕地、水域、交通用地、建筑用地和其他用地等六大类，其中林地面积占57.97%，具有较高的生态服务功能。富阳区建成区土地利用生态敏感性较高，极敏感区、高度敏感区和中度敏感区占研究区总面积的74.92%，面积总计为32 503.24 hm2，主要分布于富阳区建成区内林木覆盖率较高的山体、耕地、横贯境域中部的富春江水系，以及郊区的湖泊、河流和水库等，对于改善城市生态环境、维护区域生态安全具有关键性的保障作用。低度敏感区面积为1 804.68 hm2，占研究区总面积4.16%，主要为研究区内的交通用地和其它用地；非敏感区占研究区总面积20.92%，为研究区内中心城区、郊区镇村大量居民点的建筑用地等（图1A，表2）。

3.1.2 坡度生态敏感性分析 坡度是影响生态敏感性的重要因子之一，与区域内水土流失紧密相关，坡度越大的区域其水土流失越严重，生态系统就越脆弱，生态敏感度越高。研究区内坡度因子的总体敏感度不高，坡度大于25°的面积为9 031.28 hm2，占总面积的20.81%，属于极敏感区，主要分布在西南、西北部郊区的山体；高度敏感区和中度敏感区分别占总面积的2.33%和2.38%，主要分布在西南、西北部邻近高敏感区的区域；低度敏感区和非敏感区分别占总面积的7.52%和66.96%，广泛分布于研究区范围（图1B，表2）。

3.1.3 坡向生态敏感性分析 坡向影响植被和动物的种类与分布，也对建筑物的采光和能源的利用效率有着重要的影响。研究区内基于坡向因子的总体敏感性较高，极敏感区、高度敏感区和中度敏感区面积总计为253 93.16 hm2，占研究区总面积的58.54%，广泛分布于研究区范围；正北、东北、西北面积总和为13 578.04 hm2，属于研究区内的低度敏感区，占总面积的31.30%；平地为研究区内的非敏感区，面积4 406.92 hm2，占总面积的10.16%，主要分布于中心城区以及富春江东南部分水域及周边（图1C，表2）。

3.1.4 高程生态敏感性分析 富阳区属浙西低山丘陵区，地貌类型复杂多样，有低山、高丘、低丘、谷地、盆地、平原等多种地貌。研究区范围内多为平原，山体主要集中于北部和西南部郊区，研究表明：高程因子生态敏感性总体较低，极敏感区、高度敏感区、中度敏感区分别占12.19%，7.44%，9.65%，面积总计为12 702.80 hm2，主要分布于北部和西南部郊区山体；低度敏感区面积为5 175.92 hm2，占总面积的11.93%，主要分布于北部、西南部以及中心城区低山地带；非敏感区面积为25 499.40 hm2，占总面积的58.78%，主要分布于富阳市建成区平坦区域（图1D，表2）。

图1 各评价因子生态敏感性分布图Figure 1 Distribution of ecological sensitivity of each evaluation factor

3.1.5 水域缓冲区生态敏感性分析 研究区水域规模较大，主要有大小溪流和水库等。富春江横贯境域中部，连通性良好，而分布于郊区水体连通性较差、水体面积较小。研究区范围内水域因子的生态敏感性总体较低。极敏感、高度敏感和中度敏感区面积总计5 160.80 hm2，占研究区总面积的11.90%，主要分布于中心城区，为富春江水系以及郊区的湖泊、河流、水塘等水域自身及其外围10 m的范围；低度敏感区总面积为3 897.36 hm2，占研究区的8.98%，主要为水域外围50～100 m缓冲区；非敏感区总面积为34 321.04 hm2，占研究区的79.12%，主要为建筑用地、交通用地、耕地以及林地等远离水域的区域（图1E，表2）。

表2 研究区单因子及综合因子的生态敏感性Table2 Ecological sensitivity of a single factor and overall factors in the study area

3.1.6 植被覆盖指数生态敏感性分析 富阳区建成区山林面积大，植被覆盖率高，植被覆盖的生态敏感性总体较高。极敏感区、高度敏感区和中度敏感区占研究区总面积的62.50%，面积总计为27 113.55 hm2，主要为城区北部、南部郊区山林、平坦地区的林木和果林等。低度敏感区面积为9 972.74 hm2，占研究区总面积的22.99%，主要为城市境域耕地和灌草地；非敏感区面积为6 292.64 hm2，占研究区总面积的14.51%，主要为建筑用地以及水域等无植被覆盖区域（图1F，表2）。

3.2 生态敏感性综合评价

在ArcGIS 9.3软件的空间分析（spatial analysis）功能的技术支持下，将6个生态敏感性单因子进行空间叠加，再对生态敏感性各因子加权综合评价，获得富阳区建成区综合生态敏感性空间分布图（图2）。根据上述综合生态敏感性空间分布图，综合加权得到富阳区建成区生态敏感性综合评价值为1.000 1～9.116 6，采用等间距分级法（equal interval）将生态敏感区分为5类，即极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和非敏感区（表2）。结果表明：研究区综合生态敏感性较高，极敏感区、高度敏感区、中度敏感区总面积为25 906.80 hm2，占研究区总面积的60.07%，主要分布于研究区北部、西南部山区，为研究区内山体，富春江水系以及郊区的湖泊、河流、水塘以及面积较大的耕地；低度敏感区面积为8 700.92 hm2，占地比例为20.17%，主要为研究区内交通用地、部分覆盖度较低的林地；非敏感区面积为 8 523.08 hm2，占研究区总面积 19.76%，主要为中心城区的居民、工业以及商业等建筑用地和地势较平坦的耕地等（图2，表2）。

图2 研究区综合生态敏感性评价图Figure 2 Overall ecological sensitivity evaluation in the study area

3.3 不同生态敏感区的用地策略

极度生态敏感区和高度生态敏感区属于脆弱生态环境区，面积为11 251.64 hm2，占研究区总面积的26.09%，极易受到人为干扰，生态功能稳定性差，一旦破坏难以在短时间内进行生态恢复，造成不良的生态灾害，此区可以规划为生态保护区。该区应当禁止开发城市建设活动，强化荒山造林和退耕还林力度，避免山地水土流失现象，恢复与重建滨湖湿地生态保育区，提高森林覆盖率，保持原生态山地生态系统完整性，促进区域生态系统良性循环。

中度生态敏感区属于较为脆弱的生态环境区，面积为14 655.16 hm2，占研究区总面积的33.98%，较易受到人为干扰，致使生态系统稳定性下降。因此。此类区域可以作为控制发展区，城市建设用地应尽量避让。该区应提高区域内森林覆盖率，合理规划布局河流水系网络，构建区域生态廊道，积极发展经济林、风景林和生态防护林，营造湿地森林，促进区域生态农林产业发展。

低度生态敏感区和非敏感区的生态敏感度较小，面积为17 224.00 hm2，占研究区总面积的39.93%，较能承受不同程度的人为干扰，此类区域可规划为适宜发展区。若进行强度较大方式进行城市建设开发时，必须严格控制 “三废”污染，保障基本农田生产，强化周边生态资源保护，提高河流、湖泊、林地等生态效益，增加区域生物多样性，提高生态安全功能，改善城市生态环境质量，创造适宜的人居环境，完善城市生态基础设施建设。

4 结论

本研究在对研究区生态环境调查和其他相关资料研究的基础上，选取土地利用类型、坡度、坡向、高程、水域缓冲区和植被覆盖指数（NDVI）等生态因子，研究富阳区建成区生态敏感性程度，利用ArcGIS空间分析的技术对研究区生态敏感性进行定量化分析与评价，为相关区域开发及生态评价提供参考与借鉴。研究表明：富阳区建成区极敏感区和高度敏感区面积占研究区总面积的26.09%，中度敏感区面积占33.98%，低度敏感区和非敏感区面积占39.93%。从分布上看，生态敏感性等级较高的区域主要分布在研究区北部、西部、南部山地森林、面积较大的耕地以及横贯境域中部富春江水系和郊区湖泊、河流和水库等区域；敏感性等级较低的区域则主要分布于中心城区的居民、工业、商业等建筑用地、交通用地、部分森林覆盖率较低的林地以及地势较平坦的耕地等。因此，富阳区建成区总体生态敏感性较高，在城市扩张的过程中必须高度重视城市土地利用与建设工作，避免对生态敏感性高的区域产生负面影响，杜绝不良生态灾害现象发生。

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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 农 林 大 学 学 报，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

国家自然科学基金资助项目（30972342）

陈闪，从事风景园林规划与设计研究。E-mail：407559812@qq.com。通信作者：蒋文伟，副教授，博士，从事城市生态学与景观生态学研究。E-mail：wenweijiang@zafu.edu.cn