基于GIS的威州地区地貌环境评价

(成都理工大学 四川 成都 610059)

引言

在城市建设的过程中，不合理的地貌利用，给人居环境带来了影响。汶川地震的发生，对周围地形形体、道路、河流形态及水文效应、区域经济等都产生了很大的影响。地震后复杂的地貌环境不仅对人居环境的安全造成了影响，而且对汶川县可持续发展也产生了影响。汶川地震的发生对自然、社会、经济等各方面产生了巨大的影响，并且威州地区又是属于一个山多、平地少、地貌灾害较多的环境，因此对于威州地区的发展起着阻碍的作用。所以为了实现威州地区的发展，本文从GIS出发，对汶川县的威州地区进行地貌环境的评价。在城市土地利用以及发展建设中，当地的地质条件、地貌概况如高程、坡度、坡向等的分析调研显得十分重要。通过对威州地区地貌环境质量的综合评价，对威州地区城市规划和土地利用规划有指导作用，评价分析区域的安全性并划分安全区与非安全区，对于非安全区域，从措施上进行防止，由此实现城镇的社会、经济、环境的可持续发展。

一、研究区概况

威州地区位于青藏高原东部边缘地带、在四川省的西北方向，南距省会成都131km，北离州府马尔康207.4km，介于31°15′～31°43′N与103°28′～103°44′E之间(图2-1)。本文所研究的威州地区范围包括威州镇、绵虒镇、龙溪乡、克枯乡和雁门乡，共计两镇三乡，幅员面积820.21km2。汶川县地处西风带，气候特征是冬季干冷、夏季温湿多雨。威州地区境内水系以岷江为主，年平均降水量730～850mm，水分条件好。威州地区的地层主要有震旦系、志留系、泥盆系等。威州镇的经济以发展农业为主，主要的粮食作物有玉米、小麦、土豆，主要的经济作物是油菜及豆类。

二、数据与方法

(一)数据来源与处理

前人针对地貌环境评价已经开展了大量的调查和研究工作，建立了较为完整的指标体系，本文从地貌角度出发，把地貌因子分为微观地貌指标、中观地貌指标和宏观地貌指标。其中，微观地貌指标分别为坡度、坡向，中观地貌指标为地貌分维度，宏观地貌指标分别为地表粗糙度、沟壑密度、平面曲率、坡面曲率和地形起伏度，以上指标均由威州地区30m分辨率DEM数据提取。根据威州地区的面积与规划制图的需要，以及对评价精度的保证，选择30m*30m的栅格尺度作为威州地区地貌环境评价的评价单元。根据威州地区实际面积的大小，在ArcGIS中生成了911362个30m*30m的单元。将各个地貌指标分成四级(表1)。

(二)主成分分析法

1.归一化

在多种计算中都经常用到归一化的方法。归一化是指把不同参考系下的指标进行转换，变成同一参考系下的指标。在威州地区的地貌环境评价过程中，首先要对各个指标进行归一化处理，使它们从不同的来源统一到一个参考系下。其归一化的模型为：

(1)

式中：X为转换前的值，Y为转换后的值；为样本的最大值，为样本的最小值。

2.主成分分析法

主成分分析是指对一组栅格波段执行主成分分析(PCA)并生成单波段栅格作为输出。在威州地区地貌环境的评价过程中，选取了许多地貌环境的指标，把这些指标通过采用这种方法然后生成一个单独的指标。这个工具生成后，就会得到跟输入的指标相同的指标数。在生成的这些指标中，就会有一定的比较，比如，排在第一的指标就有最大的方差，排在第二的指标方差第二，依次类推。多数情况下，主成分工具生成的多波段栅格中的前三个或前四个栅格将对 95% 以上的方差进行描述。可以将其余各栅格波段删除。因为新的多波段栅格所包含的波段数较少，而且 95% 以上的原始多波段栅格方差保持不变，因此计算速度更快，同时还保持了精度。

三、结果与分析

两个变量的指标之间的相关密切程度称为相关性分析。但是，这些指标都必须存在着一定的联系与概率。从表4-3中可以看出，威州地区地貌环境的指标中，坡度与地表粗糙度呈正相关，并且相关性最大；其次是坡度与地貌维度；平面曲率与坡面曲率呈负相关，且相关性最小，其次是平面曲率与沟壑密度。

在主成分分析中，获得各个指标的特征值百分比，将其作为各个评价指标的权重表(表4-5)，得到权重值。由表4-5可以看出，地貌维度的权重最大，其次是地表粗糙度；坡度和地形起伏度权重最小。由此可以说明，在威州地区地貌环境的研究中，地貌维度和地表粗糙度对威州地区地貌环境的影响最大，坡向与地形起伏度对威州地区地貌环境的影响最小。

在经过了主成分分析法确定了各个指标的权重后，却只能了解各个指标在威州地区对地貌环境影响的程度，但是无法确定这些指标在威州地区的空间分布，所以必须要依靠GIS技术。前文中提到，威州地区地貌环境评价的指标之间都有着不同的尺度，所以要对这些指标进行处理后，才能一起运算。按照数值4、3、2、1对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。通过主成分分析得出各个指标的权重，运用地貌环境质量的计算公式(公式4-2)：

H=0.6647X1+0.1801X2+0.0810X3+0.0684X4+0.0022X5+0.0015X6+0.0010X7+0.0010X8

(公式4-2)

式中：H代表地貌环境质量评价结果，代表地貌环境质量水平的评价等级的赋值，前面的系数代表对应地貌指标的权重系数。

结合威州地区的实际，并按照自然间断点分级法进行分类，对计算结果按照数值>0.3431，0.2487-0.3431，0.1738-0.2487，<0.1738作为划分威州地区地貌环境质量等级的界限值，即可得到威州地区地貌环境质量评价图(图4-7)。

利用ArcGIS10.3的统计分析功能,可得出威州地区地貌环境质量的最后评价结果统计表(表4-6)。

表4-6 威州地区地貌环境评价结果统计表

通过图4-7和表4-6可以得出，被评价为Ⅰ级的地貌区，总面积为177.8391km2，占研究区总面积的22.98%，主要分布在威州镇、雁门乡和龙溪乡，分布方式以带状和面状为主，并且范围较大，人口、道路、河流和耕地也主要分布在Ⅰ级地貌区；被评价为Ⅱ级的地貌区，总面积有318.4497km2，占威州地区总面积的41.14%，匀称的分布在威州地区内，分布方式以面状和块状为主，该区域的植被主要为草地和灌木，林地较少，还有些少量的居民地、道路、水系和耕地；被评价为Ⅲ级的地貌区，总面积有220.014km2，占研究区总面积的28.43%，以块状分布研究区内的山脊、陡坡等地带，基本无居民点分布；被评价为Ⅳ级的地貌区，总面积为5.76711km2，占研究区总面积的7.45%，主要以点状分布在绵虒镇、克枯乡、雁门乡的陡峭区域，主要为陡崖、陡坎，无居民点分布。

图4-7 威州地区地貌环境质量评价图

结论

通过对威州地区的地貌环境评价，可以得到下列结论：

1.结合威州地区地质条件、地理条件和生态条件，基于GIS 技术，通过ArcGIS平台，对威州地区进行生态地质环境质量评价，将威州地区分为Ⅰ级地貌区、Ⅱ级地貌区、Ⅲ级地貌区、Ⅳ级地貌区，并进行建设用地适宜性分析。

2.威州地区是西南地区山地城镇的典型代表，通过对威州地区的研究，利用GIS分析和主成分分析法，构建威州地区地貌环境质量评价指标体系，对指标体系中的各个评价指标进行全面评价及定级。计算出地貌指标相对应的权重。最后得到地貌环境综合指数，对威州地区未来城市规划和相似研究具有重要参考价值。