基于投影寻踪模型的安康市土地生态安全评价

张红侠，成忠旭，张孝存

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)



基于投影寻踪模型的安康市土地生态安全评价

张红侠，成忠旭，张孝存

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)

从影响土地生态安全的自然、社会、经济3个方面选取了17项指标，构建了安康市土地生态安全评价体系，并应用投影寻踪模型进行了相应探讨。结果表明：2001～2011年安康市投影值从0.5427上升到3.2170，土地生态安全度不断提高。安康市土地生态安全的威胁主要源于土地经济生态系统，同时土地社会生态系统的限制作用不断减小；其中人均水资源率、人口密度、单位面积粮食产量、单位面积农林牧渔产值、单位面积机械化水平等因子成为安康市土地生态安全的主要限制因素。

土地生态安全；投影寻踪模型；加速遗传算法；安康市

近年来，随着国家社会经济的发展，包括工业化和城镇化在内的各项建设进程不断加快[1]，区域内产生了诸如土地环境恶化、土地污染加重、土地质量下降等影响土地生态安全的问题[2]。土地生态安全在区域生态安全方面起基础性作用[3]，其安全状况直接影响了社会经济发展的进程、资源的合理利用程度以及国家环保建设的强度。土地生态安全研究有助于缓和人地矛盾，促进P(人口)R(资源)E(环境)D协调(发展)，成为国内外学者的研究热点[4]，但较为少见对国家重要水源地的土地利用状况的研究[5]，陕西省内目前有孙丕苓等[6]对商洛地区进行了土地生态安全的研究。通过对国家重要水源地的土地生态安全研究，可在保护水源地的基础上实现区域可持续发展。

安康市因承担了南水北调中线工程调水总量的82%而成为重要的水源涵养地，同时作为西三角经济区规划的次级核心城市，其安全状况直接影响到陕南生态屏障建设，最终还会制约西三角经济区的可持续发展，进而对水源地生态安全产生影响。基于以上分析，本文拟采用投影寻踪法、加速遗传算法等模型，对安康市土地生态安全进行综合评价[7]，并计算出土地安全综合值，以便对安康市土地资源可持续利用提供理论依据的同时，也为其他同类水源地的保护提供参考[6]。

1 研究区概况

安康市地处陕南(31°42′～33°50′N、108°01′～110°12′E)，土地总面积23534.5 km2[8]，以汉江为界被分割为秦岭地区和大巴山两大地域单元。在地质上，地处秦岭地槽褶皱系南部、扬子准地台北部和汉南古陆东北缘，作为不同走向山脉褶皱带的复合地带，发挥着承接南北、过渡东西的作用。地貌上表现为“南北两山夹，河谷盆地居中间”的特点。气候上，属亚热带大陆性季风气候，春暖干燥，夏季多雨多伏旱，秋凉湿润多连阴雨，冬季寒冷少雨，年平均降水量1050 mm。植被以常绿阔叶林和落叶阔叶林为主，全市森林覆盖率59.9%[8]，土壤类型主要以黄棕壤为主，占全市的73.46%。安康市管辖范围包括汉滨区和汉阴、石泉、宁陕、紫阳、岚皋、平利、镇坪及旬阳在内的一区九县。截止2011年全市常住总人口263.07万人，全市城镇化率35%[8]。特殊的地理位置造就了其南北兼修的地域特点，成为休闲度假的理想去处，目前形成“2431”(2个4A级景区、4个3A级景区、3个国家森林公园和1个国家自然保护区)的旅游格局，成为西北乃至整个西部地区的生态旅游目的地。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

对安康市土地资源生态安全态势进行评价的数据均来源于《安康统计年鉴》(2002～2012)及安康统计公报。基于投影寻踪法原理，在计算出每个指标值后进行了标准化处理[7]。

2.2 研究方法

投影寻踪法是用于处理高维、非线性数据的数理统计方法[5]，具有完善的理论评价体系，主要研究投影寻踪的聚类、回归和学习网络方面，目前已在遥感、预测和分类等领域取得了较大研究成果[9]。考虑到通过高维非线性来实现评价指标多，数据量大的特点，因此采用构造投影寻踪评价模型来综合评价土地生态安全状况。此外还运用MATLAB 7.0程序中的加速遗传算法进行了投影值的计算。投影寻踪评价模型的建模过程包括以下5个步骤[10]。

2.2.1 评价指标体系构建 本文参考国内外相关研究成果，在遵循科学性、系统性和数据可获取性三原则的基础上，从自然、社会、经济3个方面选取了17个因子作为评价指标(表1)[11]，构建了安康市土地生态安全评价指标体系。选取的指标包括正向和负向2种类型，分别用“+”和“-”表示。当为正时，指标值越大，土地生态安全状况越好；当为负时，指标值越大，土地生态安全状况越差[7]。

表1 安康市土地生态安全评价指标体系

2.2.2 样本指标值归一化处理 因评价指标的指标趋向不同使得数据性质不同，为减少原始数据对结果的影响，需要首先对样本指标数据进行标准化处理。

对于正向指标计算公式为：

(1)

对于负向指标计算公式为：

(2)

利用公式(1)和公式(2)对原始数据进行归一化处理，标准化处理结果见表2。

2.2.3 构造综合投影特征值函数

(3)

2.2.4 构造投影指标函数

(4)

(5)

(6)

公式(6)中：rjk表示样本j和k的综合特征值Zj和Zk两两之间的距离；R表示密度的窗宽。

(7)

3 结果与分析

3.1 评价过程

(8)

通过公式(7)可计算得出最佳投影方向a，当存在等式约束最优问题时，通常通过加速遗传算法转化进而解决最优化问题。

加速遗传算法是由美国密执安大学的教授提出来的，是一种对存在于自然环境中的生物的遗传和进化过程进行模拟最终形成适合全局概率优化搜索的算法，主要包括交叉、选择和变异等操作[12-14]。本文通过加速遗传算法来求最佳投影方向a，首先对表格中的原始数据建立投影寻踪评价模型；然后依据表2中的数据得到标准化矩阵：

将X*利用MATLAB 7.0编程处理[9]，选定父代初始种群规模n=400，交叉概率P=0.80，变异概率P=0.80，加速次数为20次，得出最大指标函数值为1.4519，通过计算得到最佳投影方向a的值(表3)。

利用加速遗传算法得到的最佳投影方向矢量a，若其满足式(8)的约束条件，则说明取得了较为理想的结果[14]。将a代入公式(3)，得到各年投影值Z(表4)。

3.2 结果分析与发展展望

从表3可以得出，影响安康市土地生态安全状况的社会经济因素主要有人均水资源率、人口密度、单位面积粮食产量、单位面积农林牧渔产值及单位面积机械化水平等，自然方面主要影响因素表现在森林覆盖率和年均降水量方面。这与安康实际相符，近些年因煤矿产业的发展和不断增长的人口数量，对土地生态环境造成了较为明显的影响。安康市土地类型以山地为主，种植农作物是农民的根本，许多农民为了提高单产，对农作物不合理的施用化肥、喷洒农药，造成土壤污染。安康市河流较多，汉江横贯整个区域，森林覆盖率对流域内土地生态安全影响最大。

从表4可看出，安康市11年中土地生态安全度由高到低依次为2011>2010>2009>2008>2007>2006>2005>2004>2002>2003>2001，各年投影值Z呈波动上升趋势。根据投影寻踪评价模型可知，投影值Z越大，土地生态安全度越高。据此，安康市土地生态安全度整体呈现为良好趋势。究其原因，2011年安康市人均耕地面积和人口密度减少，生态退耕面积和森林覆盖率较其他年份高，土地生态条件较好，土地生态安全度随之提高。部分年份土地生态安全度较低，如2001年安康市人均耕地面积和耕地有效灌溉率较多，生态退耕面积和森林覆盖率较其他年份低，土地生态条件较差，土地生态安全度也就降低。

表2 安康市2001～2011年土地生态安全评价指标标准化值

表3 最佳投影方向

表4 2001～2011年的投影值

4 安康市土地资源生态安全对策探讨

研究安康市土地生态安全评价的最终目的是为了准确把握土地生态安全态势，提出切实可行的发展建议，以使土地生态系统能以最优的形式为社会经济可持续发展提供动力，具体建议如下。

4.1 降低人口自然增长率

安康市2001～2011年人口自然增长率从0.37上升到2.57，上升幅度较大，直接或间接地给安康市土地生态安全带来了巨大压力。为了缓解安康市目前人地关系矛盾突出的问题，必须控制人口增长，降低人口出生率，尤其是控制城市化进程带来的人口增长。

4.2 提高森林覆盖率

森林体系在空气净化、防风固沙、水源涵养及水土保持等方面有利于土地生态安全。安康市2001～2011年森林覆盖率的平均值为56.11%，整体水平有待提高。为了加大对土地生态安全的保护力度，安康市应继续实行退耕还林政策；加强对林区的保护，防止不法分子对林区的破坏；同时做好森林防火、防虫害工作，减少自然因素对森林的破坏。

4.3 提高耕地有效灌溉率

提高耕地有效灌溉率可以减少土壤盐碱化，提高土壤肥力，增强土地生态安全。查询数据得知，安康市耕地有效灌溉率从2006年开始呈下降趋势。因此安康市水利部门应加大田间工程建设的力度，对田间沟渠中心工程进行改造，增加沟渠数量，铺设相关管道，运用现代高科技建立节水灌溉体系，提高水资源利用的同时提高农作物水分生产效率；统一管理水资源，按国家节水标准对田间灌溉用水定期考核、动员各县力量推行相应的配套政策；安康市分管农业的部门应扩大宣传，引导农民合理引水，科学灌溉。

4.4 合理施用化肥和喷洒农药

减少因化肥农药造成的土壤污染，任务艰巨而繁琐，安康市作为南水北调的重要水源涵养地，更要进一步加大土壤污染治理力度，从而保证水源干净。因此，必须在“源头控制、节能减排”的原则下号召各区县分门别类合理施用化肥、喷洒农药；政府应加强对相关厂家厂商的监管力度，实施市场专项治理工作，工商管理部门应对农药产品的登记和包装达标状况进行突击检查；加强与农业技术推广中心的联系，向农民群众宣传和讲解有关土肥适用技术的推广和应用，提高农民科学施肥水平，减少过度使用化肥农药，提高农业生产化的投入产出比；加强化肥农药施用造成的农村土壤污染的有效监测。

[1] 袁丽娟.土地资源生态安全评价研究综述[J].西部资源,2013(3):179-181.

[2] 邓楚雄,谢炳庚,吴永兴,等.上海都市农业生态安全定量综合评价[J].地理研究,2011,30(4):645-654.

[3] 曾洪云,赵俊三,王庆龙.基于投影寻踪法的滇中经济区土地资源生态安全评价[J].云南地理环境研究,2013,25(1):100-105.

[4] 类淑霞,郝晋珉,尚韬.基于土地利用变化的区域土地生态安全动态评价：以北京市朝阳区为例[J].生态经济,2011(7):38-42.

[5] 李静,李子君,吕建树.聊城市土地生态安全评价[J].水土保持通报,2011(2):198-202.

[6] 孙丕苓,杨海娟,刘庆果.南水北调重要水源地的土地生态安全动态研究：以陕西省商洛市为例[J].自然资源学报,2012(9):1520-1530.

[7] 封志明,郑海霞,刘宝勤.基于遗传投影寻踪模型的农业水资源利用效率综合评价[J].农业工程学报,2005(3):66-70.

[8] 安康市统计局.安康统计年鉴(2002～2012)[M].北京:中国统计出版社,2003-2013.

[9] 付强,赵小勇.投影寻踪模型原理及其应用[M].北京:科学出版社,2006.

[10] 李红霞,李霖,赵忠君,等.投影寻踪法的土地生态安全评价[J].测绘通报,2011(6):67-69.

[11] 李智国,杨子生.中国土地生态安全研究进展[J].中国安全科学学报,2007(12):5-12.

[12] 王芳,冯艳芬,卓莉,等.基于改进遗传算法投影寻踪的大城市郊区耕地安全综合评价[J].热带地理,2013,33(4):373-380.

[13] 董立国.遗传算法和投影寻踪分类模型在工程评标中的应用[D].邯郸:河北工程大学,2010.

[14] 李红霞,李霖,赵忠君.基于模拟退火算法的投影寻踪模型在土地生态安全评价中的应用研究[J].国土与自然资源研究,2011(1):62-64.

(责任编辑：管珊红)

Ecological Safety Assessment of Land in Ankang City Based on Projection Pursuit Model

ZHANG Hong-xia, CHENG Zhong-xu, ZHANG Xiao-cun

(College of Urban and Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

In this article, the ecological safety assessment system of land in Ankang City was established by selecting 17 indexes from the aspects of nature, society and economy, and the corresponding exploration was conducted by using projection pursuit model. The results indicated that the projection value in Ankang rose from 0.5427 in the year 2001 to 3.2170 in 2011, suggesting that the degree of land ecological safety increased continuously. The land ecological safety in Ankang City was threatened mainly by the land economic and ecological system, while the restriction of the land social and ecological system to the land ecological safety decreased continuously at the same time. The per-capita water resource rate, the population density, the grain yield per unit area, the agricultural, forestry, animal husbandry and fishery output value per unit area, and the mechanization level per unit area were the main limiting factors of the land ecological safety in Ankang City.

Land ecological safety; Projection pursuit model; Accelerating genetic algorithm; Ankang city

2016-05-13

张红侠(1978—)，女，陕西咸阳人，副教授，硕士，研究方向：土地资源利用与区域发展。

F301；F323

A

1001-8581(2016)11-0094-05