基于投影寻踪的土地复垦适宜性评价

贾文豪，董增川，耿 芳，段长桂

（河海大学水文水资源学院，江苏南京210098）

基于投影寻踪的土地复垦适宜性评价

贾文豪，董增川，耿 芳，段长桂

（河海大学水文水资源学院，江苏南京210098）

为确定扰动区不同单元适宜的复垦方向，进而指导扰动区的生态恢复，研究提出了基于投影寻踪算法的模糊识别模型用于土地复垦适宜性评价，并选择黑河市堤防扰动区为研究区进行了实例研究。结果表明，各评价单元因基本条件不同，在复垦方向上存在显著差异，将待复垦土地最终确定为农业用地和林业用地2个不同的利用方向。投影寻踪法得到的土地复垦适宜性评价符合扰动区实际状况，对土地复垦与生态恢复具有现实指导意义，并可将模型推广应用于类似工程的土地复垦适宜性评价。

生态恢复；土地适宜性评价；扰动区；投影寻踪法；黑河市堤防

1 土地复垦适宜性评价方法研究

针对土地复垦适宜性评价中指标体系层次多且复杂，具有高维、非线性、非正态的特点，本研究选用投影寻踪模型对多指标数据进行降维处理，在确定评价指标后，土地复垦适宜性评价把现状值与标准值进行分析和比较，并判断与哪一分级标准更接近，因此，属于模糊模式识别问题。

本研究结合投影寻踪法与模糊模式识别，运用投影寻踪法确定土地适宜性评价的指标权重[7]，并构造模糊识别模型对黑河堤防工程扰动区的土地复垦适宜性进行评价。

进行等级划分后，设样本的经验等级为y（i），各响应的指标分别为1，2，…，n。其中，n 为样本个数，p 为指标个数，其中，“一等（适宜）、二等（较适宜）、三等（勉强适宜）、四等（不适宜）”4 个等级分别对应“1，2，3，4”这 4 个数。用投影寻踪法建立模糊模式识别模型的具体步骤如下。

1.1 标准化处理

由于各评价指标量纲的不同以及变化范围上的差异，需要对各指标运用极差法进行归一化处理，使其具有可比性。对于正向性指标，即数值与指标等级呈正相关的指标，归一化方法如下。

对于负向性指标，即数值与指标等级呈负相关的指标，归一化方法如下。

式中，xmin（j），xmax（j）分别表示原始数据中第j个评价指标最小值与最大值。

1.2 投影目标函数构造

设 a（j）是投影方向向量，样本 i在 a（j）方向上的一维投影值如下。

在优化一维投影值时，要求投影值Z（i）尽可能体现出小集中、大分散的散布特征。为此，用下式构造投影目标函数。

式中，Sz，Qz分别为投影值 Z（i）的标准差和局部密度。

式中，E（Z）为序列的平均值；R为局部密度的窗口半径，r（i，j）表示样本间的距离。

1.3 投影指标函数的优化

当各指标的样本集确定后，投影目标函数Q（a）仅由投影方向向量决定。不同的投影方向向量反映出不同的数据结构特征[8]。最佳投影方向向量可以通过设定约束条件后，求解其目标函数确定。

目标函数最大化方法如下。

通过以上转化，将投影指标函数的优化问题变成以a（j）为变量的非线性优化问题。常规的线性方法难以处理，因而，选用在全局优化方面通用性优异的加速遗传算法，来实现有效的高维全局寻优。

1.4 建立投影寻踪模糊模式识别模型

设有需要对模糊子集A进行识别的s个样本组成的集合，样本的整体特征可用有m个指标特征值组成的矩阵X表示。

式中，xij表示样本j的第i个指标的特征值。

将m项指标c个级别标准评价，则有指标标准矩阵如下。

式中，yih表示样本h的第i个指标的标准特征值。

对于指标特征值y′ih随级别h的增大而减小的指标以及指标与指标标准特征值对A的隶属度分别如下。

设指标的权重向量为 w＝（ω1，ω1，…，ωm），应用拉格朗日函数[9]推导模糊识别模型如下。

2 实例应用

2.1 研究区概况

黑河市城区堤防是黑龙江干流堤防工程的重要组成部分，堤防长度为21.493 km，位于黑河市东部。该段堤防主要保护黑河市城区及4个乡镇约20万人，具有重要的社会经济效益。该区呈中温带大陆性季风气候特征，多年平均气温为-0.5℃，极端最低气温为-40℃，多年平均降水量为537.7 mm，降水量的年内分配极不均匀，主要集中在七八月，其占年降雨量的47.1%。扰动区的土壤土层较薄，土质主要为黏土与砾石等。

扰动区占地面积总计约1 887 hm2，占地类型包括耕地、草地以及林地，其中以耕地为主。由于堤防修建产生扰动，使得占用的土地大多被破坏。

2.2 评价原则确定

2.2.1 因地制宜原则 本着“宜农则农、宜牧则牧、宜林则林”的原则，尽量恢复为耕地，以保护农田。

2.2.2 综合原则 使综合效益最大，也即综合考虑社会、生态与经济的效益。

2.2.3 主导因素原则 综合对比分析土地复垦利用相关的诸多因素，最终确定影响复垦利用的主导因素。

2.3 评价单元划分

评价单元是土地复垦适宜性评价的具体对象，评价单元及其组合可以反映土地对农牧林业利用类型的适宜程度以及不同用地类型的地域分布状况。评价单元的划分决定了适宜性评价结果的精度、评价工作量的大小以及评价成果的可应用性。评价单元的划分依据应综合考虑土地破坏程度、限制性因素、破坏类型的影响。根据工程破坏土地的分析结果，将扰动区的评价单元划分为主体工程区、料场区以及临时道路区3个部分。

2.4 评价因子选取

在综合考虑黑河堤防修建扰动区的地形条件、土质情况、基础设施条件以及土地破坏程度的基础上，选取10项土地适宜性评价因子[10-14]，分别为：地形坡度、有效土层厚度、水土流失强度、土体容重、pH值、表层土壤质地、损毁程度、灌溉条件、排水条件、交通条件。

2.5 评价等级确定

表1 黑河市堤防修建扰动区评价标准

根据《土地复垦技术标准》、《耕地地力调查与质量评价技术规程》（NY/T 1634—2008）等相关政策法规，参照“中国1∶100万土地资源图”的土地适宜类、土地限制型与土地质量等级，结合现有研究成果[15-19]，按参评因素对耕地、林地、草地的影响，把土地复垦适宜性评价等级确定为4级（表1）。

2.6 评价结果

根据黑河市堤防修建扰动区各单元实际情况，得到各评价指标值列于表2。

表2 黑河堤防土地复垦适宜性评价指标值

利用评价指标标准化后的值，建立起投影寻踪聚类评价模型，代入投影寻踪模型进行优化计算，得出最大投影值为2.644 6。最佳投影向量与权重分别为 0.537 8，0.498 6，0.222 7，0.203 3，0.203 3，0.128 5，0.497 9，0.157 5，0.128 6，0.181 8（最佳投影方向）；0.289 2，0.248 6，0.049 0，0.041 3，0.041 3，0.016 4，0.247 9，0.024 8，0.018 5，0.023 0（权重）。将一等、二等、三等、四等对应的指标值代入模糊识别模型中[20]，得到不同等级对应的投影值范围列于表3。

表3 土地适宜性评价级别判定范围划分

将各单元的指标值代入模糊模式识别模型中，即可得到各单元土地复垦适宜性评价的最终结果以及相应的等级（表4）。

表4 各单元土地复垦适宜性评价结果

3 结语

本研究基于黑河是堤防工程扰动区的特点，构建了黑河市堤防工程扰动区土地复垦适宜性评价指标体系，并建立了全面的土地复垦适宜性评价的等级标准。采用基于投影寻踪法的模糊模式识别模型对黑河市堤防工程破坏的土地进行评价，该模型采用投影寻踪法确定各指标权重，确保了权重分配的客观合理性，选用模糊模式识别模型判别土地复垦适宜性评价等级，对各单元不同的适宜性等级进行了划分，实现了土地复垦适宜性评价，确定了待复垦土地合理的利用方向。对黑河市堤防扰动区的评价结果与黑河实际情况相符，验证了文中投影寻踪的模糊模式识别模型的可行性与可靠性。本研究结果不仅对黑河堤防扰动区落实生态文明建设、实现可持续发展具有重要的意义，也对类似工程的土地复垦评价具有一定的参考价值。

［1］MOOSAVIRAD S M.Suitability evaluation for land reclamation in mining areas：Gol-e-Gohar iron ore mine of sirjan，kerman，iran[J].International Journal of Mining Reclamation and Environment，2017，31（1）：38-57.

［2］文沛沨，夏建国.基于免疫克隆算法的土地复垦适宜性评价[J].山东农业大学学报（自然科学版），2015（3）：379-384.

［3］王欢，王平.土地复垦适宜性评价方法[J].中南林业科技大学学报，2010（4）：154-158.

［4］王世东，郭徵.基于极限综合评价法的土地复垦适宜性评价研究与实践[J].测绘科学，2012（1）：67-70，66.

［5］卢晓杰.水电站工程土地复垦适宜性评价方法与实践 [J].中国农村水利水电，2015（7）：182-184.

［6］薛联青，朱祎真.基于投影寻踪的湖泊生态健康评价[J].水资源保护，2016（2）：67-72.

［7］韩锐，董增川，施露，等.投影寻踪法在滦河流域生态系统健康评价中的应用[J].水力发电，2016，42（9）：5-8，86.

［8］邓楚雄，谢炳庚，李晓青，等.基于投影寻踪法的长株潭城市群地区 耕地集 约 利 用 评 价 [J].地 理 研 究 ，2013，32（11）：2000-2008.

［9］闵泰善，郭新宇.模糊识别模型在地下水资源承载力评价中的应用：以三江平原井灌区为例 [J].黑龙江大学工程学报，2012（2）：33-37.

［10］陈旭欣.基于适宜性评价的土地复垦技术体系研究[D].北京：北京林业大学，2009.

［11］向保林.高速公路弃渣场设计及其堆置地复垦适宜性的评价[D].重庆：西南大学，2012.

［12］宋可实.采煤塌陷区土地复垦适宜性评价研究[D].重庆：重庆大学，2014.

［13］樊彦国，李祥昌，吴超.葛亭煤矿土地复垦适宜性分析[J].山西农业科学，2015，43（2）：172-175.

［14］杜开元，胡海峰，康立勋.适宜性评价在矿区土地复垦技术中的应用[J].山西农业科学，2010，38（2）：46-48，52.

［15］陆丹丹.基于土地适宜性评价的煤矿土地复垦研究[D].太谷：山西农业大学，2013.

［16］王铎霖.基于适宜性评价的土地复垦技术措施研究[D].长春：东北师范大学，2012.

［17］于英娜.草原生态脆弱区煤矿土地复垦适宜性评价研究[D].北京：中国地质大学，2008.

［18］凌云川.土地适宜性评价理论与方法研究 [J].现代农业科技，2007（18）：191-192，194.

［19］刘忠秀，谢爱良.区域多目标土地适宜性评价研究：以临沂市为例[J].水土保持研究，2008（1）：176-178，181.

［20］李祚泳.可持续发展评价模型与应用[M].北京：科学出版社，2007：151-165.

Suitability Evaluation of Land Reclamation Based on Projection Pursuit

JIA Wenhao，DONG Zengchuan，GENG Fang，DUAN Changgui
（College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China）

To determine the suitable reclamation of disturbed zone,and guide the ecological restoration of disturbed area,this study proposes the land reclamation suitability evaluation of fuzzy recognition model based on projection pursuit algorithm.Heihe city local disturbance zone was studied as an example in study area.The results showed that the evaluation unit for different soil conditions,there were significant differences in the direction of reclamation land reclamation,eventually identified as agricultural land and forestry land use 2 different directions.The suitability evaluation of land reclamation by projection pursuit method accords with the condition of the disturbed area,has practical significance for land reclamation and ecological restoration and land reclamation model can be applied to similar engineering suitability evaluation.

ecological restoration;land suitability evaluation;disturbance zone;projection pursuit method;Heihe dike

TD88

A

1002-2481（2017）10-1667-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.23

堤防修建过程中，工程临时用地的占用以及修建活动均会对土地造成挖损、压占等破坏，导致生态系统功能出现退化，进而使区域植被覆盖率降低、水土流失强度增加、生物多样性减少的问题逐渐凸显。土地复垦适宜性评价是确定待复垦土地合理利用方向的一种有效的手段，在土地复垦中具有重要的地位[1]，但不同土地复垦适宜性评价方法对评价结果的准确性与客观性具有较大差异[2]。

国内外学者对土地复垦适宜性评价已陆续开展了一系列研究。在不同评价方法中，王欢等[3]对土地复垦适宜性评价的方法进行了总结，重点介绍了极限条件法、可拓法、指数和法、模糊综合评价法以及人工神经网络模型等5种方法；王世东等[4]提出了一种新的极限综合评价法，对鹤壁矿区土地复垦的适宜性进行了评价；文沛沨等[2]引入免疫克隆算法，对巴广渝高速公路的土地复垦适宜性评价进行研究；卢晓杰等[5]运用模糊综合评判法对响水涧抽水蓄能电站工程待复垦地进行了实例探究。上述方法已在土地复垦评价中得到了广泛的应用，并对土地复垦具有一定的指导意义。然而，这些方法基本都需要对指标进行赋权，存在主观性与人为干扰性，且对高维数据处理难度较大[6]。

本研究选取黑河市堤防工程扰动区为研究对象，综合考虑区域的社会、经济及土地使用情况，对评价单元进行了划分，构建了土地适宜性评价指标体系，建立基于投影寻踪的模糊模式识别模型进行土地复垦适宜性评价。该工程使用的评价方法及实践经验，将有助于全面了解堤防工程施工占地的土地复垦适宜性评价方法，并依据实际情况及时提出完善措施，以切实保护土地、恢复生态、实现工程及所在区域的可持续发展。

2017-03-28

黑龙江省应用研究与开发计划项目（GZ16B035）

贾文豪（1994-），男，安徽毫州人，在读硕士，研究方向：生态水利。