基于国产环境一号卫星的土地生态安全评价

官尚碧, 刘智华, 马泽忠, 张海珍, 何锦峰, 孙 欣

(1.重庆交通大学河海学院, 重庆 400074；2. 重庆市国土资源和房屋勘测规划院，重庆 400020)



基于国产环境一号卫星的土地生态安全评价

官尚碧1, 刘智华2, 马泽忠2, 张海珍2, 何锦峰1, 孙 欣1

(1.重庆交通大学河海学院, 重庆 400074；2. 重庆市国土资源和房屋勘测规划院，重庆 400020)

构建了忠县土地生态安全的层次分析模型及评价指标体系；根据国产环境一号卫星数据、DEM、行政区划、社会经济统计等多源数据，在ArcGIS平台建设土地生态安全评价数据库，利用国产环境一号卫星影像提取土地利用信息，利用DEM提取地形信息，并将社会经济统计数据与行政区划数据关联；然后采用ArcGIS空间分析模型，通过图形叠加分析，经数据融合、数值计算与统计，得到分乡镇的各评价指标特征值，再经极值法标准化处理，运用指标权重计算忠县各乡镇土地生态评价得分；最后按土地生态安全等级划分标准，确定土地生态安全等级。

环境一号卫星；土地生态安全；层次分析法；忠县

土地资源为人类提供生产资料，也作为生产生活的空间载体，是人类社会最重要的自然资源类型之一[1]。随着全球人口快速增长和工业化、城市化的迅速步伐，面临耕地被建设用地占用、人均耕地减少、水土流失加剧、土壤污染等土地生态问题，并日益引起重视[2]。研究其评价指标体系及评价方法，开展相关指标监测，进行土地生态安全评价，探讨保障策略，成为土地利用研究、生态安全研究的热点[3]。

遥感数据因其更新周期短、覆盖范围大、波谱范围广、分辨率渐高等特点，在土地生态评价指标的信息获取方面取得广泛应用。目前多采用Landsat、SPOT、QuickBIRD、NOAA、Radar SAR等国外卫星数据。近年来，国产卫星发展迅速，天绘一号、资源一号、资源二号、资源三号、北京一号、环境一号、海洋一号等国产卫星在测绘、资源调查、环境监测等领域得到越来越广泛的应用[4]。

笔者以重庆市忠县为例，基于3S技术，应用国产环境一号卫星数据，结合DEM、行政区划、社会经济统计数据等，开展县域土地生态安全评估研究，为完善土地生态安全评价方法提供参考。

1 研究区概况

忠县位于重庆市中部，三峡库区腹心地带，地理位置为107°3′～ 108°14′E、30°03′～ 30°35′N。东西宽约66.45 km，南北长60.15 km。东邻万州、南靠石柱，西连丰都，北接梁平、垫江等县。幅员面积2 184 km2,辖28个乡镇、46个居委会、319个村。地貌属川东褶皱带平行岭谷区，是典型的丘陵地区，地形起伏，地貌以山地、丘陵为主，海拔117～1 680 m。气候为暖湿亚热带东南季风气候，县内河流属长江水系，雨量充沛，河道纵横。长江从西南向东北穿过县境，河段长88 km。

忠县人口稠密，土地垦殖率较高，人地矛盾较突出；喀斯特地貌分布广泛，土薄地瘠，土地后备资源缺乏，土地生态安全问题较突出。特别是随着经济发展，城市化进程加快，三峡工程蓄水引起的土地淹没以及移民后靠，土地资源更加短缺，原本就较为紧张的人地关系更为敏感。对土地生态安全进行监测和评价，可及时掌握土地利用程度、状况、土地质量等，为土地利用调控及规划政策制定提供参考[5]。

2 数据与工作平台

2.1 基础数据 忠县政区数据、1∶1万DEM、《忠县统计年鉴2011》、2010年忠县国产环境一号卫星数据。

2.2 软硬件平台 硬件：PC计算机，中海达Qmini；软件：ArcGIS 10.0，ErDAS Imagine 8.4。

3 土地生态安全评价

3.1 评价指标与评价模型 在借鉴国内外评价指标的基础上，结合忠县土地利用现状和特征，根据合理性、可操作性、系统性和可比性原则，选取评价指标，并构建层次分析模型(表1)[6～8]。

根据评价指标对土地生态安全的影响趋势，指标分为正安全趋向指标(+)和负安全趋向指标(-)。正安全趋向指标大，土地资源的生态安全状况越好，或维护和改善土地资源生态安全能力越强；负安全趋向指标越大，表明土地生态状况越差，或土地的压力越大。

3.2 数据库建设 忠县土地生态安全监测与评价数据库为土地生态安全评价提供基础数据。数据库建设包括土地利用监测、地形坡度、乡镇社会经济数据等，技术路线见图1。具体包括：

表1 土地生态安全评价指标体系

(1)将DEM、环境一号卫星影像、行政区数据通过正射纠正配准，平地、丘陵地相对误差限差控制在2.0倍像元，山地、高山地限差控制在4.0倍像元[9]；配准后的影像镶嵌裁切后得到忠县DOM数据；然后采用中国科学院“国家资源环境遥感宏观调查、动态分析与遥感技术前沿的研究”项目成果，将土地利用划分为6大类，26个一级类型，建立土地利用解译标志，进行土地信息提取与编辑，结合外业调查，对土地利用数据矢量图进行修改及完善，通过分类精度、面积精度评价后得到土地利用现状矢量数据(图2)。

(2)将DEM数据在ArcGIS空间分析模块Spatial Analysis中提取坡度信息，得到坡度栅格数据，再利用Reclassify重分类成小于2°、2°～5°、5°～10°、10°～25°、大于25°等5种类型(图3)。

图1 重庆市忠县土地利用宏观监测总体技术流程

图2 2010年忠县土地利用现状

图3 忠县坡度分布

(3)政区划图层中，新建属性数据表，添加镇(乡)名称、总人口、自然增长人口、常驻人口、镇区常住人口、GDP等字段，确定各字段的代码、类型、长度、小数位数。再将从统计年鉴中获取的社会经济数据加入到属性数据表中[10]。

3.3 生态安全评价

3.3.1 评价指标特征值获取。利用忠县土地生态安全数据库，统计各乡镇的人均GDP，经济密度，坡度大于25°耕地占耕地比重，林地、草地、水域面积比重，耕地面积比重，人均耕地面积，人口自然增长率，城镇化率，人口密度共9个评价指标的实际值。

3.3.2 数据值标准化。采用极值法对各个指标层数据进行标准化处理，以消除量纲对评价结果的影响。当评价指标为正安全趋向指标时，指标的标准化处理公式为：

(1)

当评价指标为负安全趋向指标时，指标的标准化处理公式为：

(2)

式中,di为标准化后某评价因素指标的值；xi为标准化处理前某因素指标的值；xmin为标准化处理前因素指标的最小值；xmax为标准化处理前因素指标的最大值。

3.3.3 权重设置。根据专家意见构造判断矩阵，判断矩阵元素的值反应了专家对个因素相对重要性的认识。矩阵中标度值依据“1-9”比较标度法得到：

(3)

式中，aij=1/aji(i,j=1,2,…,n);aij=1(i=j)。

因此，A矩阵具有正值、互反性、基本一致性。

用和积法计算各个层次判断矩阵的最大特征根λmax及其相应的特征向量V,并用随机一致性指标CR=CI/RI进行一致性检验，得到各指标的权重结果(表3)。

表3 因子层各指标权重

3.3.4 综合评价与分级。忠县土地生态安全指标综合值数学模型为:

(4)

式中,T为土地生态安全评价值；i为指标项数；Pi为各指标安全指数；Wi为各指标权重。

根据式(4)计算各乡镇土地生态综合评价值，对综合评价值进行分级，分别为恶劣级(S≤0.3)、风险级(0.30.6)共5个级别，其对应的土地生态安全状况分别为生态环境问题很大并经常演变成生态灾害、生态问题较大且生态灾害较多、生态灾害时有发生、生态灾害不大、生态问题不显著。

3.4 忠县土地生态安全评价结果 根据各评价因子单因子得分对各因子得分求和，计算得到各乡镇土地生态安全综合评价值，然后根据土地生态安全分级标准，对各乡镇的土地生态安全进行分类，统计和计算不同土地生态安全等级的分布特征及面积比例(表5)。具体各乡镇土地生态安全等级分布见图4。

表5 忠县各土地生态安全等级的分布特征及面积比例

图4 忠县各乡镇土地生态安全等级

4 结论

(1)国产环境一号卫星影像在土地资源调查与土地利用监测上具有较为广阔的应用前景；该研究构建的土地生态安全评价指标体系和评价模型，充分考虑了指标的综合性及其生态环境效应，在忠县乃至三峡库区具有一定适用性。

(2)该研究着重基于国产环境一号卫星的土地信息提取、土地生态安全评价指标与模型构建、土地生态安全评价数据库构建等技术研究，考虑到各种收集数据的时间一致，采用了2010年数据，数据时效性上相对滞后。以后的研究中将充分考虑数据的时效性。

(3)评价指标及权重方面，对于地形地貌、生态环境等指标考虑不足，需在以后的研究中完善指标体系；权重方面，采用指标标度法确定因子权重，存在一定的主观性，在以后的研究中将运用其他方法进行对比研究。

[1] YE H,MA Y,DONG L M.Land eoclogical security assessment for Bai Autonomous Prefecture of Dali Based using PSR Model—with Data in 2009 as Case[J]. Energy Procedia, Volume, 2011,5:2172-2177.

[2] 张虹波,刘黎明.土地资源生态安全研究进展与展望[J].地理科学进展,2006,5(5):77-85.

[3] 吴冠岑.区域土地生态安全预警研究[D].南京：南京农业大学,2008.

[4] 李恒凯，吴立新，李发帅.面向土地利用分类的HJ-1CCD影像最佳分形波段选择[J].遥感学报,2013(6):1579-1586.

[5] 马泽忠.三峡库区忠县区域生态环境质量对土地利用/覆被变化的响应[C]//刘彦随.中国土地资源可持续利用与新农村建设.重庆：西南师范大学出版社，2008.

[6] 莫宏伟.基于GIS的关中地区土地利用变化及土地生态安全动态研究[D].西安：陕西师范大学,2010.

[7]张军以,苏维词,张凤太.基于PSR模型的三峡库区生态经济区土地生态安全评价[J].中国环境科学,2011,31(6):1039-1044.

[8]周宝同.土地资源可持续利用评价研究——以三峡库区忠县为例[D].重庆：西南农业大学, 2001.

[9]单小军.图像分层匹配的HJ-1A/BCCD影像自动几何精校正技术与系统实现[J].遥感学报,2014,18(2):254-266.

[10] 忠县统计局.忠县统计年鉴2011[M].忠县统计局，2011.

Evaluation on Land Ecological Safety Based on HJ-1 Satellite

GUAN Shang-bi1, LIU Zhi-hua2, MA Ze-zhong2et al

(1. School of River and Ocean, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074; 2. Chongqing Land Natural Resources and Building Surveying, Chongqing 400020)

An AHP model and evaluation index system of land ecological safety in Zhongxian County was constructed; According to HJ-1 satellite data, DEM, administrative division and socioeconomic statistics, the land ecological safety evaluation database based on ArcGIS platform was constructed, including using HJ-1 satellite image to extract land use information, adopting DEM to extract terrain information, combined socioeconomic statistics data with administrative division data and so on; then using ArcGIS spatial analysis model, through graphic overlay analysis, data fusion, numerical calculation and statistics, the characteristics of each index value was obtained, after standardization process with extremum method, using index weight to calculate land ecological evaluation score of each township in Zhongxian County, finally, land ecological safety grade was determined according to classifying standard.

HJ-1 satellite; Land ecological security; Aanalytic Hierarchy Process; Zhongxian County

重庆市国土资源和房屋管理局项目“重庆市基于国产卫星土地利用宏观监测应用示范工程”。

官尚碧(1984- )，女，四川盐边人，硕士，从事地理信息系统与遥感技术应用、城乡规划、土地规划与管理研究。

2015-05-12

S 127

A

0517-6611(2015)17-357-03