全 文 ：林业科学研究 2008, 21 (增刊 ) : 74～79
Forest Research
文章编号 : 100121498 (2008)增刊 20074206
基于 GIS的洞庭湖流域农用地适宜性评价
唐晓旭 1, 2 , 张怀清 , 刘 锐 2
(1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091; 2. 北京师范大学地理学与遥感科学学院 ,北京 100875)
摘要 :本文将传统土地适宜性评价的数值计算和 GIS图形处理有机地结合起来 ,以洞庭湖流域为例选取了土壤侵
蚀、环境、洪水威胁、气候 4个因子作为参评因子 ,利用成对比较排序法确定各评价因子的权重 ,然后通过 GIS工具
运用多因素综合评价方法对洞庭湖流域的农用地进行了适宜性评价 ;同时考虑研究区的特殊地理区位 ,对该流域农
用地影响较大的自然灾害因子权重加大后重新进行评价并与一般的评价进行比较 ,获得了较逼真的评价效果。
关键词 :洞庭湖流域 ;农用地 ; GIS;适宜性评价
中图分类号 : S127 文献标识码 :
收稿日期 : 2007212209
基金项目 : 国家“十一五”科技支撑重点项目课题“湿地资源监测与评估技术研究 (2006BAD23B03) ”
作者简介 : 唐晓旭 (1985—) ,男 ,辽宁岫岩人 ,硕士研究生 ,主要从事湿地资源监测研究.3 通迅作者 : 张怀清 (1973—) ,男 ,湖南宁乡人 ,副研究员 ,硕士生导师 ,主要从事林业可视化模拟技术研究.
G IS2ba sed Su itab ility Eva lua tion of Agr icultura l Land in
D ongting Lake Reg ion
TANG X iao2xu1, 2 , ZHANG Huai2qing1 , L IU Rui2
(1. Research Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF, Beijing 100091, China;
2. School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)
Abstract: In this paper, the numerical calculation of traditional land suitability evaluation is integrated with GIS
graphical p rocession effectively. Taking Dongting Lake Region as an examp le, the soil erosion, environment,
threaten of flooding and climate factor are four contestant factor through using paired comparison method to determ ine
the weight of each factor. Then the multi2factor evaluation method was used to evaluate the agricultural lands which
locate in the Dongting Lake Region. Moreover, considering the special geographical location, the natural disaster
weight was increased for the reevaluation and it was compared with the traditional evaluation for drawing some valid
conclusions.
Key words: Dongting Lake Region; agricultural land; GIS; suitability evaluation
农用地适宜性评价是评定土地用于农作物种植
的适宜性程度的过程 [ 1 ]。从国内外土地适宜性评价
研究来看 ,大多数都是把重点放在分析土地的自然
属性 ,分析社会、经济等因素对土地利用的影响 [ 2 ] ,
但从方便农业生产的角度分析区位因素影响土地的
宜耕性以及加大区位特殊因子影响的研究较少。基
于此 ,以洞庭湖流域为例选取了土壤侵蚀、环境、洪
水威胁、气候 4个因子作为参评因子 ,利用成对比较
排序法确定各评价因子的权重 ,然后通过 GIS工具
运用多因素综合评价方法对地处洞庭湖流域的农用
地进行适宜性评价。同时考虑研究区的特殊地理区
位 ,将对该流域农用地影响较大的自然灾害因子权
重加大后重新进行评价并与一般的评价进行比较 ,
为土地利用管制政策的制定提供决策支撑。
1 研究区概况
洞庭湖是中国的第 2大淡水湖 ,号称八百里 ,衔
远山、吞长江、纳四水 ,位于长江中游以南 ,湖南省北
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部 (110°25′～114°9′E, 27°58′～30°20′N )。属中亚
热带温和多雨气候 ,年均气温 16. 9 ℃,年降水量
1 355 mm,无霜期 271 d。以洞庭湖为核心 ,向东、
南、西三面过渡为河湖冲积平原 ,环湖为丘陵岗地、
低山 ,成一碟形盆地。其中湖南部分的土地面积
3. 17万 km2 ,占全省的 15% ,耕地面积 90. 5万 hm2 ,
占全省的 23. 7% ,人口密度为 349人 ·km - 2。洞庭
湖面积 3 968 km2 ,主要由东洞庭湖、万子湖、目平
湖、大通湖、横岭湖、漉湖等湖泊组成。湘江、资江、
沅江、澧水四大河流汇入洞庭湖。洞庭湖素有“鱼米
之乡 ”的美誉 ,一直是我国重要的商品粮、淡水鱼、
棉、麻生产基地 ;同时 ,洞庭湖自然资源丰富 ,内有君
山保护区、万子湖自然保护区等重要生物集散地 ,其
中的西洞庭湖湿地还被国际湿地公约组织列入《国
际重要湿地名册 》。
2 数据源
(1)空间数据 洞庭湖流域地理基础底图数
据 ,洞庭湖流域地形图、历史洪水灾害分布、流域污
染源数据 ,降水量及气温分区图等面数据 ,这些数据
均由 GIS软件数字化得到。
(2)属性数据 洞庭湖流域各类地形的名称、
污染源点数统计量、各参评因子的指标值等。
3 适宜性评价
3. 1 评价原则
3. 1. 1 因地制宜原则 土地适宜性评价要根据评
价区域的具体情况进行分析 ,自然条件、技术、社会
经济、地理位置的差异影响着土地的适宜性。对土
地进行评价时 ,要考虑到当地的自然条件和社会经
济条件 ,选取关键因子评价土地适宜性 ,做到因地
制宜。
3. 1. 2 可持续利用原则 土地退化是土地持续利
用的潜在威胁 ,是土地利用中防治的重点。在针对
某种利用方式对某块土地做出评价时 ,必须确保不
因这种利用而导致土地退化和生态环境恶化 ,坚持
当前与长远、用地与养地相结合 ,以土地的可持续利
用为前提。
3. 1. 3 综合性与主导性相结合原则 土地是在特
定时空由地貌、土壤、气候、水文和生物等要素组成的
自然综合体 ,并受到人为因素的影响。土地的性质取
决于这些因素的综合作用 ,而且 ,各个因素的作用强
度是不等同的 ,在特定的时间和空间里某些因素起主
导作用。因此 ,在强调综合分析的基础上进行评价
时 ,抓住主要限制因素和主导因素进行分析评价 [ 3 ]。
3. 2 评价系统和评价指标
3. 2. 1 评价系统 整个评价系统分为 3等 ,每一个
等级都反映土地对评价用途的适宜状况 :
1等地 (Ⅰ) :在农用地利用上非常适合 ,基本无
自然条件限制 ,农业经济效益好 ,可以持续利用 ;
2等地 (Ⅱ) :在农用地利用上基本适宜 ,自然条
件有一定限制 ,农业经济效益一般 ,不适当的开发利
用可能导致土地质量恶化 ;
3等地 (Ⅲ) :在农用地利用上有较大限制 ,勉强
适宜 ,农业经济效益差 ,不加重视非常容易产生土地
退化。
3. 2. 2 评价指标的确定 在评价过程中 ,本着可持
续利用以及综合性与主导性相结合的原则 ,选择少数
最具代表性的几个因子来进行评价 ,既能很好地反映
出该地区的土地适宜性程度 ,又利于评价工作的简
化。考虑到研究区的特点最终选取了土壤侵蚀、环
境、洪水威胁、气候 4个因子作为参评因子 (图 1)。
图 1 洞庭湖流域农用地适宜性评价指标体系
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林 业 科 学 研 究 第 21卷
3. 3 评价单元的选取
本文由于结合了 GIS软件进行评价 ,因此最后
选择以土地多种因素综合叠加后所确定的单元作为
土地评价单元 ,获取过程如下 :将所得洞庭湖流域的
相关专题图件等数据进行数字化 ,采用统一的地理
坐标分别得出每个限制因子的分区图 ,并输入各子
区的属性数据 ,从而得出 4张矢量图。在 GIS软件
中对 4张图进行 Union叠加 ,叠加后的地图中对多
边形重新划分 ,得到洞庭湖流域土地适宜性评价的
评价单元。
3. 4 单因素评价
分别对每张图按评价单元来进行分类 ,分类的
标准就是针对评价因子中不同类型对农用地的影响
程度的不同 ,在咨询相关专家的基础上采用专家打
分法 ,分别赋予分值进行分类。
3. 4. 1 土壤侵蚀因子 用地形指标来指示土壤侵
蚀。从地形的空间分布分析 (图 2) ,该流域的西南
部地区以及湖中岛屿均为山地 ,西北部以丘陵和山
前平原地为主 , 丘陵山地占洞庭湖流域面积的
20% ;北部和中部湖泊东南部地区分布着一部分的
洼地和高亢平原地 ,其余地区就是三角洲平原地、河
谷与沟谷地以及水网平原地 ,面积占 75%。因此 ,
除去水体 ,洞庭湖地区的地形类型共分为 :山地、丘
陵、山前平原地、洼地、高亢平原、三角洲平原地、河
谷与沟谷地、水网平原地 8类。根据每种地形土壤
侵蚀的严重性对其排序并专家打分。
图 2 地形指标分类
3. 4. 2 环境因子 洞庭湖流域的污染点源所生成
的污染点源图 (图 3)与评价单元图叠加 ,然后统计
出每个单元中的点源个数。用每个单元中的点源个
数除以该单元的面积 ,得出 1个污染密度 ,用这个密
度作为评价污染状况的指标。共分为 4个类别 :基
本无污染、污染较轻、污染较严重、污染严重 ,分数从
高到低为 10、8、3、1分。从而得到一张污染分类图
(图 4)。
图 3 污染点源图
图 4 污染程度指标分类
3. 4. 3 自然灾害因子 洞庭湖流域地形地势从西
南向东北倾斜 ,呈围椅形 ,整个湖南省 21万 km2面
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积的积水 ,最后几乎均汇集洞庭湖 ,然后入长江。因
此 ,洞庭湖宛如湖南唯一的排水口。因此 ,用有无湖
水威胁指标来指示自然灾害因子。根据历年来洪涝
灾害记录 ,绘制出洪水威胁图 ,分为“有洪水威胁 ”
和“无洪水威胁 ”2种类型 ,分别打分为 1分和 10
分。从洪水威胁的空间分布可以看出 ,有洪水威胁
的地区大都分布在湖泊附近 (图 5)。
图 5 洪水威胁指标分类
3. 4. 4 气候因子 用降水量与气温 2个指标来评
价气候因子。研究区年平均降水总量 1 200 ～
1 400 mm,自北向南逐渐增加。研究区年平均气温
16. 4～17. 0 ℃,南高北低 ,呈纬向分布。结合研究
区的降雨和气温的特点对这 2个指标分别进行打
分 ,然后取每个单元中这 2个指标的平均值作为气
候因子的分数 ,从而得出气候因子的分类图 ,其中分
为“适宜地区 ”、“较适宜地区 ”、“适宜性弱地区 ”以
及“适宜性差地区 ”4类 (图 6)。
3. 5 指标值与权重值的计算
3. 5. 1 确定权数集
3. 5. 1. 1 成对比较法原理 [ 4 ] 首先 ,对 n个因子中
任意 2个因子之间的重要性进行两两比较 ,给出比
值 ,得到判断矩阵 :
Cij =
C11 C12 ⋯ C1n
C21 C22 ⋯ C2n
… …
Cn1 Cn2 ⋯ Cnn
(1)
式 (1)中 Cij表示第 i个因子与第 j个因子重要
性的比值 ( i, j = 1, 2, ⋯, n ) ,取专家赋值的均
值 ;然后对矩阵 C每一行元素求其几何平均值 ,得一
图 6 气候指标分类
向量 :β= (β1 ,β2 , ⋯βn ) T ,βi = ∏
n
j = 1
Ccij
1 / n。做归一
化处理 ,即令 ai =
βi
∑
n
i = 1
βi
,于是得另一向量 : A = (α1 ,
α2 , ⋯,αn ) ,并满足 ∑
n
i = 1
αi = 1。经检验判断矩阵具有
满意的一致性时 ,向量 A即可作为权数集。
3. 5. 1. 2 权数集计算 根据以上方法 ,首先按 4个
因子的重要性排序由大到小依次为“地形、污染程
度、洪水威胁、气候 ”来计算权重集 ,并依次赋值为 :
4、3、2、1;因此 ,
Cij =
C11 C12 C13 C14
C21 C22 C23 C24
C31 C32 C33 C34
C41 C42 C43 C44
=
1 1. 33 2 4
0. 75 1 1. 50 3
0. 50 0. 67 1 2
0. 25 0. 33 0. 50 1
(2)
β= (β1 ,β2 ,β3 ,β4 ) T = ( 1. 806, 1. 355, 0. 905,
0. 451) T
A = (α1 ,α2 ,α3 ,α4 ) T = (0. 4, 0. 3, 0. 2, 0. 1) T ,即
此 A为权数集。
3. 5. 2 指标值计算 前面已经对每个因子中不同
的分类级别分别进行了打分。每个分类级别按其对
于土地利用的影响从优到劣 ,分数也随之从高到低 ,
指定每个因子中最高分为 10分 ,最低分为 1分 ,各
因子分数综合显示 (表 1)。
4个因子的数据已经在 GIS软件中进行了叠
加 ,这样它们的属性表也合为 1张表 ,便于综合计算
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林 业 科 学 研 究 第 21卷
每个评价单元的指标值。采用综合指数法得出每个
评价单元的综合指标值 :
L i =A1 ×Pi1 +A2 ×Pi2 + ⋯⋯ +A j ×Pij
( i = 1, 2, ⋯⋯n; j = 1, 2, ⋯⋯, m ) (3)
式 ( 3)中 : L i 是第 i个评价单元综合指标值 ; A j
是第 j个因素的权重值 ; Pij是第 i个评价单元第 j项
评价因素指标值 ; n是评价单元总数 ; m 是评价因素
总数。根据式 (3)计算出每个评价单元中每个限制
因子的综合指标值 ,总分越高其优越性越高。
表 1 各评价因子分数
地形因素 污染程度 (点密度 ) 洪水威胁 气候降水量 气温
水网平原地 10 0. 000～0. 085 10 无 10 ≥1 400 10 > 16. 0 10
三角洲平原地 9 0. 085～0. 286 8 有 1 1 300～1 400 7 15. 5～16. 0 7
河谷与沟谷地 8 0. 286～0. 592 3 1 200～1 300 4 15. 0～15. 5 4
高亢平原地 6 0. 592～1. 001 1 ≤1 200 1 < 15. 0 1
洼地 5
山前平原地 3
丘陵 2
山地 1
4 结果与分析
将上面的每个单元的综合值进行分类 ,在 GIS
软件中关于“综合指标值 ”字段分为 3类 ,将一定分
数范围内的评价单元归为一类 ,这样就得出一张土
地等级图 (图 7) ,除了水体外共分为 3等。
图 7 农用地等级图
由于洞庭湖流域范围较小 ,区内气候、地形等自
然条件差别不大 ,因此最终将全流域划分为 3个土
地等级。
1等地是对种植业利用无限制或较小限制因素
的土地 ,是流域内质量最好的土地 ,且以水田为主。
该类土地是洞庭湖流域面积最大 ,经人们长期的耕
垦利用 ,完全改变了原有的自然面貌 ,已成为洞庭湖
流域粮食、油菜、棉花、麻类和蔬菜等作物的重要生
产基地 ,绝大部分分布在平原地区和河谷地区。
2等地是存在一定限制因素 ,需要采取一定的治理
措施才能成为稳产高产的基本农田 ,这类土地集中
在丘陵山区 ,极少部分在平原 ,对农业利用有一定限
制 ,土地质量中等 ,而对林业利用则是较为适宜 ,质
量较好的土地。这部分地区中的丘陵山区适宜发展
经济林以及以柑桔为主的常绿果树。3等地在利用
上有较大限制 ,勉强适宜 ,经济效益差 ,易产生土地
退化的土地。如图 7所示 , 3等地多是分布在流域
北部和东部的山地丘陵 ,洼地与城市地区。这些地
区平均气温较其它地区低 ,降水量较少 ,属于污染严
重、历史洪涝灾害多发地区 ,就地形来看 ,多坡地与
洼地 ,极易产生土壤侵蚀导致土地退化。
5 加重洪水权重进行对比
洞庭湖流域的主要自然灾害是由降雨和台风暴
雨所造成的洪涝灾害 ,该流域湖泊众多。洞庭湖是
调节流域洪、枯水的中枢 ;这里水网密布 ,河道密度
达 3～4 km ·km - 2 ,河网纵横交织 ,与湖泊相互沟
通 ,兼起蓄、泄作用 ;但是河道比降十分平缓 ,又受潮
水顶托 ,泄水能力小 ,易成洪涝灾害 ,水位的变化对
地区治理常有较大影响。据统计资料表明 , 20世纪
60年代洞庭湖高洪水位持续时间平均为 20 d, 80年
代增至 31 d,进入 90年代达到 60 d。1998年洞庭湖
出现高危洪峰 5次 ,长江出现高危洪峰 8次 ,洪水前
后持续时间长达 10 d,超过历史最高记录达 45 d,其
中 ,超历史最高洪水位时间长达 29 d。湖南省人民
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增刊 唐晓旭等 :基于 GIS的洞庭湖流域农用地适宜性评价
政府有关报告显示 ,在 20世纪 90年代 ,洞庭湖地区
水灾造成的经济经济损失很严重 , 1991年为 28亿
元 , 1993年为 92亿元 , 1994年为 152亿元 , 1995年
为 202亿元 , 1996年高达 300亿元 , 1998年更高为
329亿元 , 1999年损失达到 246亿元 [ 4 ]。
由于洪涝灾害对洞庭湖流域土地利用的影响越
来越大 [ 6 ] ,洪水威胁在土地适宜性评价中必然是一
个极为重要的限制因子。因此 ,本文又将洪水的威
胁性提高 ,权重加大 ,重新做出一张土地等级图 ,然
后将 2张图进行比较 ,最后得出一定的结论。
将 4个因子的重要性重新排序 ,由大到小依次
为 :洪水威胁、地形、污染程度、气候 ,并依次赋值为 :
6、2. 5、1、0. 5。因此 ,
Cij =
C11 C12 C13 C14
C21 C22 C23 C24
C31 C32 C33 C34
C41 C42 C43 C44
=
1 2. 4 6 12
0. 416 7 1 2. 5 5
0. 167 0. 4 1 2
0. 083 0. 2 0. 5 1
(4)
β= (β1 ,β2 ,β3 ,β4 , ) T = ( 3. 626, 1. 511, 0. 605,
0. 302)
A = (α1 ,α2 ,α3 ,α4 ) T = (0. 6, 0. 25, 0. 1, 0. 05) ,
此 A为权数集。
同样再用综合指数法算出每个评价单元中的
指标值 ,并用 G IS软件进行归类、分级 ,得到另外
一张等级图 (图 8 ) 。根据图 7的分级情况 , 1、2、
3等地的面积分别为 5 402. 0、2 499. 61、, 239. 28
km2 ;根据图 8的分级情况 , 1、2、3等地的面积分
别为 4 064. 3、3 469. 7、427. 19 km2。加大洪水
威胁指标的权重后 , 1等地的面积减少了 ,而 2等
地和 3等地的面积增加了。由于洪水的权重加
大 ,地形坡度、污染程度和气候指标权重减小 ,也
就是说这几个因子对土地分等时的贡献变化了。
某些原先因为这些因子的作用而被分到优等的
地块反而被分到了其它等级范围内。例如 ,流域
西北部山地和东南部平原的几个单元从 1等降为
了 2等 ,而中西部和西北部山地和洞庭湖东部的
水网平原地从 1等降为了 3等 ,都是因为这些地
区的洪水威胁大 ,尽管它们的土地质量很好 ,但
却有遭受洪涝灾害带来的巨大损失的可能。实
际上 ,如果基于对洪涝灾害严重性的正确认识和
充分的警惕性与防灾意识 ,那么将自然灾害因子
放在第一重要的位置来进行评价则是非常有必
要的。
图 8 加大洪水威胁第 2次分等
6 结论与讨论
(1) GIS的土地适宜性评价方法将数值计算和
图形处理有机地结合起来 ,具有简洁、直观、易操作
和快速等特点。
(2)结合研究区受到很大的洪水威胁的特殊情
况 ,从而加大洪水因子权重后的评价结果更加真实
的反映了研究区的农用地的适宜性情况。
(3)在选择影响因子以及打分上还可以进行进
一步研究 ,而且在评价因子权重的确定方法上也有
很多方法可以尝试 ,下一步有必要对此进行深入
研究。
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