GIS支持下的长沙市生态环境敏感性分析

宋姣姣 ，彭 鹏，周国华，舒 倩

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081；2.长沙市规划勘察设计院，湖南 长沙 410007）

GIS支持下的长沙市生态环境敏感性分析

宋姣姣1，彭 鹏1，周国华1，舒 倩2

（1.湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081；2.长沙市规划勘察设计院，湖南 长沙 410007）

生态环境敏感性分析是划定城市开发界线和保护生态资源的重要依据。根据长沙市生态本底环境，选取市域内坡度、起伏度、植被覆盖度、水域、建设用地、农田、自然保护区和地质灾害等敏感性因子，借助GIS空间分析技术，将各因子的敏感性依次分为极高、高、中、低和非敏感性5个等级，并根据其敏感程度赋予相应等级值，然后运用多因子叠加最大值法，对长沙市域生态环境敏感性定量分析。结果表明：长沙市生态环境敏感性总体偏高，极高敏感区、高敏感区、中敏感区、低敏感区和非敏感区的面积比重分别为市域面积的11.87%、48.64%、25.20%、3.41%和10.88%。守住自然生态本底，划定生态红线，是目前长沙市城市规划建设面临的迫切问题。

生态环境敏感性；地理信息系统；空间分析；长沙市

随着城市化进程的加快，城市空间急剧扩张，划定城市开发边界成为从严供给城市建设用地，引导城市有序发展，推动城镇化发展由外延扩张式向内涵提升式转变的重要举措之一。在遏制城市发展侵蚀生态环境过程中，生态环境敏感性分析是主要生态地段识别的常用方法，更是划定刚性界线的中心环节。开展生态环境的敏感性分析，识别出需要重点或优先进行生态环境保护与建设的区域，从而协调生态保护和经济发展的关系，引导城市空间合理增长。

生态环境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,说明发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小的度量[1]。在自然状态下，各种生态过程存在着某种相对稳定的耦合关系，当这种关系受外界干扰超过一定的限度时，将会发生破裂，引起一系列严重的生态环境问题。一般情况下，敏感性越高，生态系统越易损害，是生态环境保护、建设和恢复的重要区域。

目前，国内外对生态环境敏感性分析的研究已经从生态学领域单一的生态敏感问题发展到多个生态因子敏感性的综合性分析，如早期有关生态系统和土壤对酸雨沉降的敏感性分析[2-4]，湿地和水文系统对气候变化的敏感性[5-6]，土地退化与水土流失的动态敏感性研究[7-8],区域与流域的综合生态环境敏感性研究[9-12]，研究尺度从国家[1]、流域[13-15]、省域[16-18]延伸到市县域[19-23]范围，并且取得了不少成果，但这些研究多集中在尺度较大的区域，而对中小尺度市县的研究，近几年才开始逐渐增加，并且缺乏相对统一的评价指标体系。市县级的生态环境敏感性分析，侧重针对当地具体的生态环境问题，对生态环境保护与区域开发更具备实用的指导意义。本文基于GIS技术，使用单因子敏感性分析和多因子叠加求最大值法，对长沙市生态环境敏感性展开综合分析，以期为长沙生态环境保护和刚性界线划定提供理论依据。

一、研究区域概况

长沙是湖南省省会城市，处于湘江下游和长浏盆地西缘。地理坐标为东径111°53′～114°15′， 北 纬 27°51′～ 28°41′， 总 面 积 1.1819万平方公里。地形复杂，湘江两岸呈现地势低平的冲积平原，其东西两侧及东南面为地势较高的低山、丘陵。气候属亚热带季风湿润气候区，年平均气温17.2℃，全年无霜期275天左右，多年平均降水量1360 mm左右。境内水系发达，河流众多，湘江穿城而过，浏阳河、捞刀河、沩水河、靳江河贯穿东西。现辖芙蓉、天心、岳麓、开福、雨花、望城6个区和长沙、宁乡2个县及浏阳市，2015年总人口743.18万人。

二、数据来源与研究方法

（一）数据来源与预处理

选用覆盖长沙市的2015年9月四景Landsat8图像和国际科学数据服务平台提供的空间分辨率为30m的DEM数据作为基础数据源，以1：10万地形图、自然保护区分布图和行政区划图及各种社会数据作为补充信息源（见表1）。在遥感软件ENVI5.2支持下，通过辐射定标、大气校正、影像镶嵌，选择对植被反应较敏感的TM4、5、6波段进行运算，获取NDVI；然后，对NDVI展开二值化处理获得植被覆盖信息的数据，并根据行政区划的矢量图进行图像裁剪。依据研究区域的地理特征和影像质量，采取人机交互监督分类法对遥感影像解译，取得研究区土地利用信息数据，同时运用ArcGIS对水域、农田、建设用地划定敏感度等级。利用ArcGIS对DEM数据进行处理，提取坡度和起伏度数据，根据县（市）地质灾害调查与区划公布的地质灾害区和相关研究区地质灾害图进行配准，矢量化。

表1 数据来源

（二）研究方法

1.因子的选取与等级划分

生态环境敏感性区是指对区域整体生态环境起决定作用的生态要素和生态实体，这些实体和要素对内外干扰都具有较强的恢复能力，其保护、生长、发育等程度决定了区域生态环境的状况[1]。通常情况下，生态环境敏感区主要包括河流水系、滨水地区、野生生物栖息地、山地丘陵、植被、自然保护区、森林公园、滩涂湿地、水源涵养区、水质保持区、基本农田保护区等生态敏感带[24]。因此，首先需要对研究区关键生态资源进行辨识。

根据长沙市的实际情况，并结合国内外相关学者对生态环境敏感区的分类框架，将长沙市的关键生态资源分为四类（见表2）。

表2 长沙市关键生态资源分类

在生态环境敏感性因子选取过程中，遵循科学性、可操作性、主导性、系统性、动态性与静态性结合的原则，结合长沙市地区自然生态本地特征，选取地形、植被、水域、基本农田、地质灾害、建设用地、风景名胜等作为生态环境敏感性分析的主要影响因子。

根据国家生态功能区划中生态环境敏感性指标体系分级标准，并参考地区制定的生态环境质量的评分准则和相关文献的研究成果，考虑实际各因子与生态环境之间的关系，将单因子敏感性用非、低、中、高和极高敏感性5个等级进行表示；将描述性的分级属性量化成敏感性等级，各等级分别用1、3、5、7、9表示（见表3）。

表3 生态环境敏感性因子分级与赋值

2.因子叠加求最大值法

由于不同因子对生态环境敏感性的影响程度不同，需明确每个生态因子在整个指标体系中的相对重要性。多个因子加权求和的方法在一定程度上将会导致单因子评价结果之间抵消或者放大，并且权重的确定具有人为的主观性，继而会影响综合生态环境敏感性的评价结果。因此，本文采用因子叠加求取最大值法，来确定研究区的生态环境敏感性综合指数[25]，符合木桶理论，计算公式为：DES=max(Di)，i=1,2,3,4,5,6,7,8，公式中：DES—生态综合敏感性指数；Di—第i个因子的等级值。

3.空间叠加

在ArcGIS软件支持下，使用缓冲区、字段计算器、要素转栅格、重分类等工具将地形、植被、水域、基本农田、地质灾害、建设用地、风景名胜等指标分别进行相应的等级赋值，产生单因子生态环境敏感性等级图。然后使用数据管理工具依据因子叠加求取最大值法镶嵌叠合，得出综合生态环境敏感性分区结果。最后运用聚合工具，把相对集聚和邻近的图斑聚合成比较完整的图斑，得到最终的生态环境敏感性分析图。

三、结果分析

（一）单因子生态环境敏感性分析

通过上述方法，在ArcGIS中分别得出各敏感性因子的空间分布（见图1a～图1h）及表4。长沙市地形复杂多变，地势起伏较大，基于坡度、起伏度的两个因子分析结果显示，研究区的总体敏感性不高。坡度大于25°的面积为583.72km²，占长沙市面积的4.94%，属于极高敏感区；坡度在15°～25°的面积为1491.08 km²，占长沙市面积的12.62%，属于高敏感区；上述的两种敏感区主要分布在宁乡县西部的沩山和浏阳市东部的凤凰山、猴子山、大围山地区。中、低和非敏感区各占总面积的10.25%、19.22%和52.97%，主要分布在长沙市都市区（见图1a、表4）。基于起伏度因子大于80m和30～80m的极高和高敏感区各占研究区总面积的0.03%和7.38%，多分布在研究区西部和东部；30m以下的中、低和非敏感区主要分布在地势相对平坦、城市建设和农场居民点较集中地区域,占总面积的92.59%（图1b、表4）。

植被是影响生态环境敏感性的重要因子，对于促进整个区域的生态系统健康和平衡起到关键作用。长沙地貌多为低山、丘陵，山地景观丰富，植被覆盖率较高，基于NDVI的植被覆盖度生态敏感性总体偏高。极高和高敏感区占研究区面积的58.79%，多为生长在海拔较高，坡度较大的山林及平缓丘陵地带的灌木林地。中敏感区占市域面积的17.06%，主要为城市郊区的草用、农用地；低和非敏感区占市域面积的24.15%，主要包括建设用地、水域、裸地等无植被覆盖的地区（见图1c、表4）。

长沙市水系发达，连通性好，但总体水域面积较小。极高、高和中敏感区共占研究区面积的11.02%，其中极高敏感区主要为主干河流，高敏感区主要为水库和主干河流周围100m的范围，中敏感区为水库周围的200m范围，分散在研究区内；远离水域的区域没有参与水域生态环境敏感性分析，主要为耕地、林地、建设用地等区域（图1d、表4）。

自然保护区拥有一些典型的生态系统单元，观赏价值高，对于促进生态完整性和环境质量的改善具有重要的作用，属于极高敏感区，占研究区总面积的7.25%（图1e、表4）；建设用地因子面积为819.74 km²，占总面积的6.94%，主要分布在长沙市城区和宁乡县、长沙县、浏阳市的城区（见图1f、表4）；农田因子属于中敏感区，面积为4 103.27 km²，占总面积的34.72%，分布在城市周边地势低平的地区（见图1g、表4）。

长沙市地质构造较复杂，人类工程经济活动强烈，灾害较发育，主要的地质灾害为：滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡和地面塌陷。从地质灾害的易发性因子来看，分为高、中、低易发区，对应中、低、非敏感性区，中敏感区面积为3 013.84 km²，占总面积的25.50%，主要分布在宁乡县西南部、长沙县东部、浏阳市北部和南部；低敏感区面积为5 052.46 km²，占总面积的42.75%，主要分布在宁乡县西部和南部、望城区大部分、长沙县南部和北部、浏阳市东南部；非敏感区面积为3 752.96 km²，占总面积的31.75%，主要分布在长沙市城区、望城区北部、浏阳市西北部、长沙县大部和宁乡县东部等地（图1h，表4）。

图1 长沙市各生态环境因子敏感性分布

（二）生态环境敏感性综合分析

通过8个生态因子的叠加求取最大值法，获得长沙市生态环境敏感性综合分析图2及表4，长沙市的综合生态环境敏感性较高，总体的空间分布规律是大部分地区处于中高敏感区，中心城区敏感性低，周边山区敏感性高。极高敏感区和高敏感区占市域面积的60.51%，主要分布在长沙县、宁乡县和浏阳市的山区一带，这些地区坡度较大，植被覆盖率高，土地利用多为林地和灌木的林地，属于生态保护的核心区域，禁止与生态环境保护无关的建设活动，加大宜林地的绿化工作，构建山地绿色生态屏障；中敏感区域面积为2978.05 km²，占总面积的25.20%，多分布在高、低敏感区交错地带，地形相对平坦，植被分布比较稀疏，农田，水库、湖泊等地区，在保护的前提下，因地制宜的进行适度的开发；低敏感区和非敏感区占总面积的14.29%，主要是中心城区建设用地、村镇居民点及部分裸地，是城市发展建设的主要区域，可进行较高强度开发，提高土地的利用率。

图2 长沙市生态环境敏感性综合分析

表4 长沙市各生态环境因子及综合生态环境敏感性分级面积

四、结论与讨论

文章主要以长沙市为研究对象，选取坡度、起伏度、植被覆盖度、水域、自然保护区、建设用地、农田、地质灾害等8个反映研究区生态环境本底的因子，建构了生态环境敏感性评价体系。并且，借用GIS技术通过生态因子的叠加求最大值法对长沙市生态环境敏感性空间分布进行了制图表达和定量分析，从而为城市开发刚性界限的划定和环境保护提供科学的依据。具体结论如下：第一，长沙市域内极敏感区、高敏感区、中敏感区、低敏感区和非敏感区的面积占比分别为11.87%、48.64%、25.20%、3.41%和10.88%，极高与高敏感区面积之和达到了60.51%；第二，分布在坡度较大、自然保护区、植被覆盖率高、主干河流的极高敏感区和高敏感区土地生态环境都比较脆弱，而且这些区域的生态环境很容易受到破坏，一旦遭到破坏就很难在短时间之内恢复到正常水平，所以这些区域是生态环境需要重点保护的区域，也是城市划定刚性界线重要的参考依据。第三，中敏感区具有环境承载力，但能力较为有限，不宜高强度开发，但可因地制宜进行中等轻度开发，并找出导致生态环境恶化的开发活动及时有效的进行治理。第四，低敏感区和非敏感区主要为起伏度小、城区建设用地、村镇居民点及部分裸地。生态环境与其他类型相比较，自身能够经受一些外界的干扰，在保证社会经济发展的前提下，可以结合土地利用规划和布局进行合理的开发建设和项目投资，但必须严格控制“三废”。

从中小尺度层面出发，针对长沙市生态环境问题进行分析，对生态环境保护和城市开发边界的划定更具有指导意义。但是，由于缺乏一套统一的生态环境敏感性分析的指标体系，本文在选取分析要素的过程中存在一定的主观性，对研究结果有一定的影响。在今后的研究过程中，尝试建立一套相对比较统一的生态敏感性分析的指标体系，作为生态环境敏感性分析的导则，客观上指导各不同层次、不同区域的生态环境敏感性分析，从而为生态功能区划，城市总体规划等提供科学的理论依据。

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An Eco-environmental Sensitivity Analysis Based on GIS in Changsha City

SONG Jiaojiao1,PENG Peng1,ZHOU Guohua1,SHU Qian2
(1.College of Resources and Environmental Science of Hunan Normal University,Changsha 410081,Hunan,China; 2.Changsha City planning investigation and Design Institute,Changsha 410007,Hunan,China)

Eco-Environmental sensitivity analysis is an important basis of defining the rigid boundaries of urban development and protecting ecological resources.According to the ecological environment of Changsha,the sensitivity factors such as slope,fl uctuation,vegetation coverage,water,construction land,farmland,nature reserves and geological hazards are selected.By using GIS spatial analysis technology,each sensitivity factor is divided into 5 grades,they are hypersensitivity,highly sensitivity,medium sensitivity,low sensitivity and non-sensitivity,and they are assigned corresponding values.Then use the method of multi factors superposition to calculate the maximum value,make quantitative analysis to the ecological environment sensitivity of Changsha.The results show that the eco-environmental sensitivity in Changsha in general is relatively high,and the regional difference is remarkable,the area proportion of hypersensitivity,highly sensitivity,medium sensitivity,low sensitivity and non-sensitivity are 11.87%,48.64%,25.2%,3.41% and 10.88% of the city area.Keeping the natural environmental background is currently the urgent problem that Changsha’s urban planning and construction is facing.

eco-environmental sensitivity; GIS; spatial analysis; Changsha City

F205

A

1673-9272(2017)04-0021-06

10.14067/j.cnki.1673-9272.2017.04.005 http：//qks.csuft.edu.cn

2017-05-15

国家自然科学基金项目（41371144）；湖南省教育厅项目（09C650）；长沙市城乡规划局招标课题“长沙市城市开发边界研究”。

宋姣姣，硕士研究生。

彭 鹏，副教授， 博士；E-mail：pengheli@sina.com。

宋姣姣，彭 鹏，周国华，等.GIS支持下的长沙市生态环境敏感性分析[J].中南林业科技大学学报（社会科学版），2017,11(4)：21-26.

[本文编校：罗 列]