基于空间聚类法的郧阳区林地资源质量评价研究

胡 彦，聂 艳，于 雷，何新莹，沈 洁

（1.武汉洪房房地产土地估价有限公司，武汉 430070；2.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉 430079）

林地资源是整个山水林田湖草生态系统的重要组成部分，是可直接或间接用于林业的土地，对自然、社会、经济、生态、环境复合系统的可持续发展具有极其重要的意义［1］。开展林地资源资产评价体系研究，对科学编制自然资源资产负债表、优化配置自然资源要素市场、建立林地生态补偿等具有重要价值［2-4］。国内外学者对林地资源质量和价值评估的必要性、评价方法、评价准则以及具体实践方面开展了有益探索，但在研究尺度上以大中尺度为主，数据来源时效性偏弱，借助现代地理信息技术研究的相对较少［4-7］。因此，本研究以新时代背景下生态文明体制建设对林地资源资产评价的需求作为一个基本框架，选择郧阳区林地资源为研究对象，从林地自然经济质量和景观质量两个维度构建了林地质量评价指标，并借助空间聚类对林地资源质量进行了分类，以期为林地资源资产的评价提供理论依据和技术支撑，为拓展自然资源资产评价内涵提供借鉴。

1 研究区概况

郧阳区地处北纬32°25′—33°16′，东经110°07′—111°16′，位于湖北省西北部，汉江上游，鄂、豫、陕三省边沿，是南水北调中线工程水源区，地貌类型多样，整体呈现出中间低、南北高的空间分布特征。郧阳区国土总面积3 863 km2，第三次国土调查结果显示林地面积2 931.37 km2，约占总面积的76%，以乔木林和灌木林为主；林木种类丰富，有141属，299个品种，其中幼林面积占近50%。为科学显化郧阳区林地资源生态价值，亟需开展林地资源质量评价。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

专题图件：郧阳区第三次国土大调查数据库、郧阳区土壤图、郧阳区耕地质量等年度更新数据库；地理空间数据云、地理国情监测云平台的网上下载数据。属性数据：统计年鉴（2019年、2020年）、气象站点观测数据、政府公报等。

2.2 研究方法

选用K均值空间聚类法对林地图斑质量进行聚类，划分类别。K均值空间聚类的基本流程如下。从郧阳区n个林地图斑中任意选择K个图斑作为初始聚类中心，借助ArcGIS获取图斑的中心点坐标后，计算各林地图斑到聚类中心的距离，将全部林地图斑分为K个区域；逐步确定每个区域分类数，重新计算新划分的聚类中心；不断重复该过程直到均方差收敛为止，最后获得的K个聚类具有内部紧凑、聚类间相宜的特点，即为最终的林地质量级别和空间分布特征［8］。K均值聚类过程借助MATLAB编程和ARCGIS实现。

3 结果与分析

3.1 评价指标体系的构建

依据林地资源资产提供的功能与服务类型，从林地自然经济和景观2个尺度建立林地资源质量评价指标。林地是树木生长的基础，其自然经济质量由森林资源的生长和改善人类的生产、生活环境共同决定，主要包括林学质量（林地立地质量及其他自然条件）和经济质量（林地地利条件及经营管理水平等）［9-12］。

林地景观质量主要受到林地景观的美学价值，以及区域内的生态承载力与经济发展水平、区位优势的影响。其中林地景观的美学价值是林地旅游开发的重要衡量尺度，而景观指数作为景观格局特征分析的量化指标，是高度浓缩的景观格局信息，能够很好地反映区域景观结构组成和空间配置状况，是景观美学的基础，而游客对于该地景观的认可度，是其景观美学潜在经济价值的体现。因此从景观格局指数和游客感知指数入手选取林地景观美学价值的评价指标；林地景观质量的承载力是区域景观价值的基础性条件，主要体现在其生态风险以及地质灾害的稳定性方面；林地景观的区位优势对其区域林地景观的发展具有导向作用，区域内林地景观的经济繁荣度和路网密度越高，其林地景观被开发的潜力以及景观价值就越高。

根据上述分析，参考《可持续土地评价纲要》《森林资源资产评价技术规范》，结合郧阳区自然条件、林地资源的实际情况及相关研究成果，并遵循指标影响较大、属性值在区内存在差异、指标属性值相对稳定、以定量可测度指标为主等原则，最终从林学质量和经济质量2个维度建立了7个因子的林地资源自然经济质量评价指标，从林地景观的美学价值、景观承载力和景观区位3个方面建立了8个林地资源景观质量评价指标。利用YAAHP软件生成调查问卷，邀请生态学、地理学和林学等专业的15位专家进行打分，YAAHP软件计算评价指标的权重，一致性比率均小于0.1，通过检验，得到各评价的权重（表1）。

表1 郧阳区林地资源质量评价指标

3.2 评价单元及属性数据获取

评价单元定义为林地图斑。各评价指标的属性数据采用DEM分析、缓冲区分析、景观格局指数、植被指数、核密度等方法获取。

1）年均降水量。收集郧阳区近5年的气象站点观测数据，计算得到5年的年均降水量，借助ArcGIS空间插值工具获取研究区年均降水量的空间分异。郧阳区的降雨量在764～1 145 mm，为落叶阔叶林木本植物的适宜生长区；降雨量大于900 mm的高值区主要分布在叶大乡、鲍峡镇、胡家营镇等西南部地区，面积约为1 637 km2，占总面积的43.31%；降雨量小于800 mm的区域仅占3.49%，主要分布在东北部的谭山镇、梅铺镇。

2）地形坡度和坡向。从地理空间数据云上下载30 M的数字高程数据，并结合郧阳区地形图，利用ArcGIS的3D Analyst扩展模块获取坡度和坡向。结果显示郧阳区境内整体坡度起伏较大，小于5°的面积不多，仅占9.37%，主要分布在中部、东部的城关、茶店和安阳等镇，汉江横穿该地区，坡度整体较小；北部和西部区域坡度较大，以25°以上为主；从坡向来看，南、东南和西南方向多为阳坡，利于林木果树生长。

3）土壤质地。收集郧阳区土壤图，根据不同土壤类型的诊断特性确定土壤质地。郧阳区土壤类型有8种，以黄棕壤和红色石灰土为主，土壤质地多为壤土、沙壤土。

4）道路可及度、景区带动度和城镇影响度。道路可及度表征采伐木材的运输距离和成本费用；区域内旅游景点的集聚程度越高，林地景观被游客所感知的潜力越高，且相关旅游景观的发展能带动周围林业景观美学价值的提升；距离城镇越近，越有利于林地经济和生态价值的转化。因此，借助空间缓冲区分析方法，从郧阳区第三次国土大调查数据库中提取国道等不同类型的道路线图层，获取城镇中心点图层，从郧阳区旅游局收集全部旅游景区景点转化为点图层，然后分别做缓冲区分析获取对应的单因子图层。从景区带动度来看，主要景点分布在中部汉江沿岸的柳陂、茶店、青曲等镇，如国家地质公园、猿人遗址、明代大丰仓、古麇梦幻谷等；而东北部地区的集聚程度高于西南地区。

5）采运成本和路网密度。从三调数据库中提取住宅用地和农村宅基地，借助ArcGIS的Spatial Analyst工具箱核密度分析获取人口密度的空间差异，从空间分布结果来看核密度值大于80%主要分布在城关、青曲、茶店、杨溪铺等乡镇，占比在32.43%；西北和西南的大柳乡、叶大乡、鲍峡镇人口密度值偏低。路网密度为面状要素，采用乡镇面积除以各类型路网长度表征，大于0.7 km/km2的主要为中东部地区的青山镇、茶店镇、杨溪铺镇和柳陂镇，约占21.53%，低值区则主要分布在叶大乡和大柳乡等乡镇。

6）森林覆盖率。从陆地观测卫星数据服务平台下载研究区7—8月的云量小于10%的高分一号影像，经辐射定标、大气校正、几何校正、镶嵌和裁剪、图像融合等预处理，借助ENVI计算归一化植被指数得到研究区植被覆盖度。从结果来看，郧阳区的植被覆盖度以中、高值覆盖度为主，面积约为2 839 km2，占73.49%，植被覆盖度良好；非植被和低植被覆盖区仅占7.87%，主要分布在中心城区。

7）最大斑块指数、香农多样性指数和蔓延度指数。以三调土地利用现状为基础，借助Fragstats软件分别计算3个景观格局指数获取对应的单因子分布。以蔓延度指数为例，大于75的面积为1 891.41km2，约占48.96%，主要分布在北部的大柳乡和西南的胡家营镇、鲍峡镇，林地团聚程度高，斑块连通性好，景观优势比较明显；而青曲镇、安阳镇和梅家铺镇的蔓延度指数小于55，林地景观较为破碎，林地景观的连接性较差。

8）景观生态风险指数和地质灾害风险指数。景观生态风险指数主要表征区域内景观格局和景观生态相互作用间不良生态影响产生的可能性与损失，借助Fragstats计算出景观破碎度、分离度、优势度指数后获取景观干扰度指数，再结合不同景观类型的脆弱度计算景观损失度指数，最后测算出景观生态风险指数。从结果来看，高风险区主要分布在东南部的乡镇以及北部的大柳乡，面积较少，仅占5.02%；较低和低生态风险区则主要分布在中部和东北部区域的乡镇，面积为2 212.85 km2，占57.29%。地质灾害风险指数主要表征山体滑坡、泥石流等地质灾害潜在的危险性，选择海拔、坡度和降雨量3个因子进行等权线性叠加获取。从结果来看，中高度风险区主要分布在地形起伏较大且降雨量较大的东南部地区，以及西北部的大柳乡；较低和低度风险区则分布在地势较为平坦的中部城区以及东北角地区。

3.3 属性数据的标准化处理

由于指标性质不同、量纲不一且值域差异较大，需要对各个指标的属性数据进行标准化处理得到［0，1］后才能借助加权求和模型获取林地质量综合评价指数。将15个指标分为离散型、阈值型和空间扩散型分别做标准化处理。属于离散型的指标包括地形坡度、坡向和土壤质地3个，参考《森林资源资产评价技术规范》《农用地质量分等规程》分别建立对应的隶属度值（表2）；道路可及度、景区带动度、城镇影响度为空间扩散型指标，经缓冲区分析后的影响度值已经标准化到［0，1］；其他指标属于阈值型，采用极值法进行标准化。

表2 部分因子评价指标和隶属度值

3.4 总分值计算和空间聚类

采用上述标准化模型对评价单元各指标属性值进行标准化处理后，借助加权求和模型计算获取各林地图斑的自然经济质量指数、景观指数和综合质量指数，指数越大表明林地质量等级越高。

借助ArcGIS获取林地图斑的中心点坐标，然后连同ID、各个指数导出为外部Excel数据，根据空间聚类方法利用MATLAB编程实现林地质量空间聚类，经100次迭代后，最终将林地质量分为4类；然后以ID为关键字段，将聚类结果链接到空间数据图层，得到林地质量的空间分布（图1、图2）和各类型面积统计结果。

图1 林地自然经济质量分类结果

图2 林地景观质量分类结果

从林地自然经济质量来看，以Ⅰ、Ⅱ类为主，整体质量较好，主要是因为郧阳区虽然地处鄂西山地，但是区域内由汉江横贯流经且随着2014年撤县改区后，经济发展水平与基础设施条件都得到了极大的改善，从而为林地自然经济质量的改善与提升提供了良好的外部条件。Ⅰ类林地面积有716.84 km2，占总面积的24.45%，主要分布在主城区周围的茶店镇、青曲镇、城关镇、杨溪铺镇等区位条件便利的区域，以及鲍峡镇北部和叶大乡东部等林学质量较高的区域，因为这些区域内地处河谷地带，地形坡度起伏较小，有利于林业资源的发展，且这些区域靠近主城区附近，离市场近，区域内路网密度高，林地资源的采运成本低。Ⅱ类林地面积有958.23 km2，占总面积的32.69%%，主要分布在东北部的白浪镇、白桑关镇以及南化唐镇的中北部区域和大柳乡的中部地区，以及东南部的五峰乡、胡家营的北部以及鲍峡镇的中部区域，主要是因为这些区域内年均降水量相对丰富，地形坡度相对较缓，土壤质地以黄棕壤为主，林业资源发展的自然资源禀赋相对较好，且这些区域离主城区相对较近，区域内经济质量相对较高。Ⅲ类林地面积有747.27 km2，占区域总面积的25.49%，Ⅳ类林地仅占17.36%，Ⅲ类和Ⅳ类区域则主要镶嵌分布在郧阳区的西北角和东北角以及西南角等离主城区较远、经济质量和林学质量较差的边缘地带，这些区域是郧阳区的山区地带，林业资源生产的自然资源禀赋条件相对较差，虽然是郧阳区主要的林地分布区，但是因为地处山区地带，远离主城区、境内交通通达度不高使得区域内林地资源的经济质量较差。

从林地景观质量来看，以Ⅱ、Ⅲ类为主，景观质量整体一般，主要是因为郧阳区林地资源丰富度虽然较高，但是区域内林地景观的丰富程度低、独特性较差以及市场配合度不高，从分布规律来看，具有与自然经济质量类似的空间分异特点。Ⅰ类林地面积有325.59 km2，占总面积的11.11%，主要分布在中心城区周围的美学价值、景观承载能力和经济价值具佳的区域，少部分分布在东北部景观承载能力和经济价值较高的区域，主城区的林地景观价值高主要是因为区域内的路网密度高，距离客源市场近且区域内的景观生态风险以及地质灾害的发生概率低，区域内的景观承载力强，东北部的林地景观质量较高主要是因为区域内林地景观的丰富度较高，区域内林地景观的美学价值高。Ⅱ类林地面积有742.72 km2，占总面积的25.34%，主要镶嵌分布在Ⅰ类区域的周围地带，分布相对集中的区域有青山镇、杨溪铺镇、青曲镇、刘洞镇、谭山镇、白桑关以及五峰乡等乡镇，这些区域离主城区相对较近，所以区域内的基础设施水平相对较高，景观的经济水平与景观承载力强，林地景观质量较好。Ⅲ类林地面积最多，有1 130.73 km2，占总面积的38.57%，Ⅳ类林地面积有732.32 km2，占总面积的24.98%，Ⅲ类和Ⅳ类区域分布范围较广，主要分布在景观承载能力和经济价值较差的东南部乡镇和西北部乡镇，这些区域虽然林地资源丰富，但是林地景观较为单一，景观的美学度不高且远离中心城区，区域内的经济发展水平与基础设施条件较差，从而导致区域内的林地景观美学价值不高。

4 结论

统筹兼顾林地资源的自然、经济、景观等多种功能，从林地资源自然经济质量和景观质量2个维度，构建了林地资源质量评价的体系框架，对指标选择、数据获取方法、级别进行了说明，丰富了林地资源资产评价的相关理论与方法。郧阳区的实证结果显示，林地自然经济质量整体较好，以Ⅰ、Ⅱ类为主，约占57.14%；林地景观质量整体一般，Ⅰ、Ⅱ类区域仅占36.45%。研究结果对全方位、多尺度掌握林地资源质量的空间分布、合理确定林地资源的重点保护区和生态保护区具有参考价值。结合山水林田湖草生命共同体理念，构建林地生态价值评价体系，实现林地生态产品价值的转换，将是今后的研究重点。