GIS支持下的林地适宜性评价研究.docx
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GIS支持下的林地适宜性评价研究
GIS支持下的林地适宜性评价研究
—以仁兆镇为例
摘要：
土地适应性评价就是评定土地对于某种用途是否适宜以及适宜性评价，它是进行土地利用决策，确定土地利用方向的基本依据，是近20年来土地资源研究的主要内容。
农用地适宜性是土地适宜性评价的主要内容之一，通过对用于农业生产的土地进行适宜性等级的划分，揭示其作为农用地的适宜性大小，从而为摘要：
土地适宜性评价就是评定土地对于某种用途是否适宜以及适宜的程度，调整和优化土地利用结构，制定合理的土地开发整理规划提供科学依据。
本次研究将地理信息系统和数学评价模型相结合，以仁兆镇的林地作为评价对象，评价单元选取的是精度为30m×30m的栅格数据。
根据研究区域的实际情况，遵循评价因子选取的原则，选定了海拔、坡向、坡度、水源灌溉、交通等级和交通通达性六个评价因子作为农用地适宜性的评价体系。
利用地理信息系统的空间数据库技术建立了研究区域的土地适宜性评价数据库，在评价数据库的基础上，借助GIS的叠加分析、栅格数据聚类分析、DEM地形分析和缓冲区分析等空间分析功能，获取了研究区域的评价因子专题层。
利用层次分析法、限制性因素法和加权指数和法模型对研究区域的农用地进行了适宜性等级的评价。
我们的研究结果表明，仁兆镇的土地整体比较平坦，水源灌溉条件非常好，交通便利，很适合农用地的布局。
从总体上看仁兆镇的林地布局是比较合理的。
关键词：
适宜性评价；林地；地理信息系统；空间分析；模型III
目录
第一章前言1
1.1问题的提出1
1.2研究现状1
1.3研究内容3
1.4研究技术路线3
1.5文章的组织4
第二章基础理论4
2.1基本概念4
2.2研究技术方法5
第三章研究区域概况8
3.1地理位置8
3.2区划沿革8
3.3经济状况8
3.4农业8
3.5社会事业8
3.6人口数据9
3.7交通9
第四章农用地适宜性评价数据库的建立10
4.1数据搜集10
4.2数据建库实现10
第五章林地适宜性评价技术与方法12
5.1评价目标的确定12
5.2评价体系的拟定12
5.3评价因子的选取13
5.4评价因子数据获取13
第六章评价分析模型与结果分析19
6.1评价分析模型19
第七章结论与展望20
7.1结论20
7.2展望21
参考文献21
第一章前言
1.1问题的提出
土地资源是进行农业生产的最基本的物质条件。
农业生产同土地和自然环境的关系特别密切。
没有土地就没有农业生产。
在农业生产中，土地不仅被当作基地、立足点和空间操作场所而发挥作用，而且被当作极其重要的劳动对象和劳动资料而发挥作用，是最重要的不可替代的基本生产资料。
因此，“十分珍惜和合理利用每一寸土地，切实保护林地”是我国一项基本国策。
在农业生产发展的历史中，很大程度上就是人类利用和改造土地的历史。
在传统农业向现代农业发展的转化过程中，农用地的土地利用方式是多样的，但是总体目标是寻求一条符合客观规律和可持续发展的道路。
土地资源客观存在的有限性在人类发展的早期，人口规模小，生产活动范围小，强度不大。
人多地少，可谓“地大物博”。
然而，随着人口增加，大工业，大城市的发展，土地的有限性逐渐显露出来，产生了林地锐减、林地缩小、生态破坏、水土流失问题等土地利用问题。
土地资源作为资源的重要组成部分和核心内容，在我国社会主义市场经济体制下，也将作为不可替代的生产要素趋于市场化。
土地利用空间布局合理与否取决于土地利用方式与土地自然构成要素空间分布的合理程度，即土地利用是否与土地自然要素的客观要求相一致，从这一点上来说，实现土地资源持续利用便是保持土地利用适宜性在时间上的延续。
农用地适宜性研究是县域土地利用总体规划编制的需要。
农用地资源是县域土地资源的重要组成部分。
农用地资源优化配置在现阶段人地矛盾突出的时期，优化土地利用结构，提高单位土地的利用率，实现经济效益、社会效益、生态效益的最优化是土地可持续利用、经济可持续发展的重要保障。
以适宜性评价结果为依据，将土地资源与其空间分布相结合，从空间适宜性角度深入探讨土地资源地域差异性，在此基础上进行土地资源优化配置研究，有较高的精度和效率，代表了土地资源优化配置研究的方向，为土地利用规划编制提供了有力的参考依据。
土地资源具有自然特性、社会特性和生态特性，并且它们互相交融，这就决定了土地资源系统是一个包含有庞大信息的巨大系统。
农用地作为土地资源二系统的一个子系统，具有独特的系统特征，用传统搜集和处理信息的技术和手段，已经不能满足农用地土地利用科学管理的需求，计算机技术与GIS技术等飞速发展为此提供了强有力的分析手段和决策辅助工具。
将GIS技术与土地适宜性评价相结合，不仅使得评价流程简单科学化，而且评价结果更加直观化。
1.2研究现状
根据《中华人民共和国土地管理法》规定，农用地是指直接用于农业生产的土地，包括园地、林地、草地、农田水利用地、养殖水面等。
我们小组这次做的就是林地的适宜性评价。
农用土地适宜性评价是土地资源评价的一种类型，其基本原理是在现有生产力经营水平和农业耕作利用方式条件下，以土地自然要素与社会经济要素相结合作为评价因子，采用科学方法和综合分析土地各构成要素对作物生长的适应性与限制性，以此反映土地对作物的适宜程度、质量高低及其限制强度，从而对农用地进行分类定级。
近20多年来，农用地适宜性评价主要围绕评价因子体系建立、评价模型及评价方法、评价单元、评价技术手段以及评价结果应用进行研究。
我们的林地适宜性评价就是建立在上面的农用地的适宜性评价的基础之上的。
（1）评价因子体系的构建及权重的确定
参评因子的选取是土地适宜性评价的关键，它直接影响评价结果的可靠性和准确性。
综合许多学者在对土地适宜性评价研究时在因子选取方面遵循的原则，归纳有以下几点
①选取评价区内差异较大，相关性较小的因子，如海拔高度与热量条件之间的相关性极为显著，考虑到海拔高度的数据比较容易获取，故选择前者；
②选取那些对研究区林地生产力起长期、主导作用的因子，但是对耕生产影响大、变化规律明显的不稳定性因子也应该考虑；
③要考虑数据的可得性，为实现定量评价，尽可能选择可测量的因子，同时还要考虑国家当前的土地利用政策。
林地适宜性因子的构建主要以影响生产力的自然条件和社会经济条件作为参评因子
④土地各构成因素有定量和定性因素之分，评价因子应该尽量选择可量化的因素，以减少主观成分对评价结果的影响。
在因子权重确定方面，主要采用的方法有专家分析法和层次分析法。
在我们的报告里使用的是层次分析法。
（2）评价方法及模型
林地适宜性评价的方法有很多种。
联合国粮农组织专门制定了一套比较系统的土地适宜性评价方法和程序，但主要是偏重于定性评价，容易“以点代面”，特别是进行大规模地区的土地适宜性评价时，不容易进行展开。
80年代末，随着计算机技术、地理信息系统、遥感和专家系统等技术的发展，将传统的评级方法进行发展和应用，在土地适宜性评价上取得了很大的进步，同时数理统计方法也开始应用于土地资源的评价，使得土地适宜性评价的方法走向定量化、信息化和精确化。
现在常用的评价方法有加权指数和法、主成分分析法、关联度分析法、模糊集合综合评价法、模糊神经网络方法、聚类分析法、物元分析法等。
1.加权指数和法：
在土地适宜性评价中，最经典的、最常采用的评价方法。
加权指数和法是在确定各参评因子权重的基础上，将每个单元针对各不同适宜类所得到各参评因子等级指数分别乘以各自的权重值，然后进行累加分别得到每个评价单元的适宜类和适宜级别。
2.主成分分析法：
土地适宜性评价往往涉及大量的相互关联的自然和社会经济要素，众多的要素常常给评价模型的构造带来很大的困难，因此我们在选择评价要素的时候，有必要删减某些数据而保留必要的信息。
主成分分析是通过数理统计分析，求得各要素之间线性关系的实质上有意义上的表达式，将众多要素的信息压缩表达为若干具有代表性的合成变量，这就克服了变量选择时的冗余和相关，然后选择信息最丰富的少数因子进行聚类分析，构造应用模型。
3.模糊综合评价法：
把模糊综合评判法用于土地适宜性评估，使得评估结果更加真实，与土地实际状况更吻合，有利于更好的利用有限的土地资源。
4.模糊神经网络法：
将模糊逻辑和神经网络结合成一个系统进行研究，并称其为模糊神经网络或模糊神经系统。
模糊神经网络可以部分或全部地克服一般神经网络规则隐含、难于理解的缺点。
隶属函数和隶属度是模糊方法的核心，隶属度用来描述元素对模糊集合的隶属程度。
在土地适宜性评价中，用隶属度描述因子值对级别的隶属程度，在评价结果中，隶属度用以描述地块单元对级别的隶属程度。
模糊系统应用于土地评价需要解决的问题：
①如何合理确定隶属函数②如何合理制定模糊规则。
5.物元分析法：
物元分析是系统科学、思维科学与数学交叉的边缘学科，是贯穿自然科学和社会科学应用广泛的横断学科。
它可以将复杂问题抽象为形象化模型，并利用这些模型研究基本理论，提出相应的应用方法。
利用物元分析法可以建立多指标性能参数的质量评定模型，并能以定量的数值表示评定结果从而较完整的反映事物质量的综合水平。
除此之外，其他学者还采用了还有一些其他方法进行土地适宜性评价，如：
杨子生利用土壤流失方程评定了各类林地的适宜性和持续性等级等等。
（3）评价单元的划分
林地评价单元是性状比较一致的独立的土地单元，是各个评价因子综合迭加而成的最基本单元。
目前林地适宜性评价中评价单元的划分方法较常见的主要有四种：
一是以土壤类型图斑为评价单元，二是以土地类型图图斑为评价单元，三是以土地利用现状图图斑为评价单元，四是以一定大小的栅格作为一个基本的评价单元，四种方法有可取之处和不同程度的缺陷，这里就不多做介绍了。
经过综合比较和建立的评价数据库，我们7采用栅格作为基本的评价单元。
为了提高评价的精度和准确性我们确定栅格的精度是30m×30m。
（4）适宜性评价结果的应用
林地的适宜性评价结果主要应用于土地的优化布局研究中。
土地资源优化配置的基本任务之一就是对比分析土地利用现状与土地质量结构的对应匹配关系，确定土地利用调整对象和重点，初步提出土地利用优化配置的目标。
因此土地适宜性评价的结果为土地资源的优化配置提供了最根本的布局依据。
本文在研究农用地适宜性评价的时候根据研究区域的实际情况，综合其他各方面的因素，选取层次分析法进行因子权重的确定，在GIS技术的支持下准确的获取评价数据和确定评价单元，但是由于参评因子之间是相互独立的，某些指标在一定条件下可能对农用地的适宜度为零，如坡度大于25的土地必须退耕还林，但在GIS支持下进行图形叠加时候，若其他评价指标均适宜，可能最终得到的评价结果为适宜或临界适宜，为避免这种情况的发生，我们在评价时将加权指数和法与限制性因素法相结合，选取仁兆镇为例，进行林地适宜性评价。
1.3研究内容
本文的研究内容主要包括以下几个方面：
（1）根据研究区域的实际情况和数据搜集的完备程度，建立研究区域林地适宜性评价因子体系。
（2）利用层次分析法和数学分析软件得到研究区域的评价因子的权重值。
（3）借助GIS技术构建农用地适宜性评价数据库，并在评价数据库的基础上采用空间分析方法，如空间查询法、缓冲区分析法、空间叠加分析等方法从评价数据库中提取评价因子专题数据。
（4）利用综合评价模型对研究区域的农用地进行适宜性评价。
1.4研究技术路线
本文以仁兆镇林地资源作为研究对象，在地理信息系统技术的支持下，建立评价目标的适宜性评价数据库，利用层次分析法构建土地适宜性评价体系和确定因子权重，根据综合评价模型得到研究区域的林地、林地、园地适宜性评价结果，适宜性评价结果可以为政府部门进行土地利用调整提供参考信息，具体流程见图1－1。
确定评价目标
评价数据库的建立选取评价因子因子量化分级标准、空间分析、层次分析法。
林地适宜性评价结果评价单元综合分值土地适宜性分级区间土地评价模型单因子评价专题层因子权重确定。
1.5文章的组织
第一章前言，从论文提出的背景入手，分析了林地适宜性评价的意义，阐述了本文的研究目标和研究内容。
第二章介绍了林地适宜性评价中所涉及的基本概念以及在评价过程应用的一些技术方法理论。
第三章分析了研究区域的现状，包括地理位置，自然特征和土地利用现状。
第四章利用GIS的空间数据管理技术建立了研究区域林地适宜性评价数据库。
第五章具体讲述了林地适宜性评价的过程，包括评价体系的构建和评价因子权重的确定以及评价专题数据的获取。
第六章根据林地适宜性评价模型得到评价单元的适宜性综合分值和适宜等级。
第七章对本文所作的主要成果进行总结，并在此基础上讨论了以后研究需要注意的一些问题。
第二章基础理论
2.1基本概念
土地适宜性是指土地持续利用于某种特定用途时的适宜状况，包括适宜与否与适宜程度的高低，用以反映土地的质量等级。
鉴于不同用地类型要求不同的土地条件，因此土地的适宜性只能对特定的用地类型才有意义。
实际上，即使单宜性土地，其适宜幅度也有很大区别。
土地限制性是指土地对某种（或某些）土地利用类型的局限性。
这些局限性往往是由某种（或某些）不利的土地组成因素的特性所引起的。
土地限制性是从与土地适宜性相立的角度揭示土地的特性，同样是用来表示质量状况的一种方法。
它是借助土地组成要素对待定利用类型的限制强弱来反映，如陡坡的坡度限制林地的发展。
土地适宜性评价，是指某块土地针对某种特定利用方式是否适宜，如果适宜，其适宜程度如何，作出的等级评价。
农用土地适宜性评价是土地资源评价的一种类型。
其基本原理是在现有生产力经营水平和农业耕作利用方式条件下,以土地自然要素与社会经济要素相结合作为评价因子,采用科学方法和综合分析土地各构成要素对作物生长的适应性与限制性,以此反映土地对作物的适宜程度、质量高低及其限制强度,从而对农用地进行分类定级。
2.2研究技术方法
2.2.1层次分析法
层次分析法（简称AHP）是美国运筹学家A.L.Saaty教授于二十世纪80年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方案方法。
它的基本思想是运用系统分析方法建立层次根系模型，根据决策判定量化原则，对评价指标进行两两比较和重要性评分，建立判断矩阵，用方根法或乘幂法对评价指标向量归一化处理后，用一致性指标CR检验评价指标权重判断矩阵有无逻辑混乱，无则具有满意的一致性，有则需要调整判断矩阵。
层次分析法的基本步骤包涵以下几个过程：
（1）明确问题：
首先弄清楚研究问题的范围、目的、要求和所能掌握的原始信息，其中最主要的两点是决策者要求分析者回答什么问题和分析者从决策者和其他来源能够获取什么样的资料和数据等原始信息。
（2）划分和选定有关因素：
在明确问题的基础上，弄清所要决策的问题将要涉及到的主要因素。
（3）建立系统的递接层次结构：
将所面临的问题中包涵的因素划分为不同的层次，如目标层、准则层、指标层、方案层、措施层等等，用框图形式说明层次的递接结构和因素的从属关系。
（4）构造判断矩阵：
在同一层次上的各因素，按照优良程度或重要性程度可以划分为若干等级，赋以定量值。
一般采用5级定量法进行赋值，即相等、弱、强、很强、极强，相应的赋值也可以是1，3，5，7，9，如表2－1所示。
有时候采用的5级定量赋值精度不是很高，有时候还可以考虑进行内插，形成1－9级分级。
重要程度或优良程度
赋值
说明
两个因素同样重要，或者一样好
1
两个因素对某些性质有相同的贡献
某个因素对另一个因素弱重要，或稍好
3
从经验判断，某个因素稍重要于另一个因素
某个因素对另一个因素较重要，或较好
5
从经验判断，某个因素偏重要于另一个因素
某个因素对另一个因素很重要，或很好
7
在实践中显示出某个因素占有主导地位，比另一个因素最强烈重要或很好
某个因素对另一个因素极重要，或极好
9
这是判断的最高等级，两因素中某个因素占有绝对重要的地位
至于一个元素比另一个元素为次要，则其定量赋值可取上述1、3、5、7、9的倒数。
进行定量分级后，建立判断矩阵。
对某一层次的因素比如有A1,A2...An，于是就可以建立一个判断矩阵，见表2－2。
甲因素
乙因素
A1A2…Ai…An
A1
A2
…
Ai
…
An
a11a12…a1i…a1n
a21a22…a2i…a2n
…………
ai1ai2…aii…ain
…………
an1an2…ani…ann
矩阵中的赋值aij表示甲因素对乙因素的重要程度的赋值。
这些赋值的根据或者来源，可以是有决策者直接提供，或由决策者同分析者对话来确定，或由分析者通过各种技术咨询获取，或者通过其他合适的途径来酌定。
（5）检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵：
第一步求出检验的体验指标CI（2.2.1.1）其中n为判断矩阵的维数；λmax为判断矩阵的最大特征值。
第二步：
求出平均随机一致性指标RI，单层次判断矩阵的平均一致性指标随矩阵的维数而变动，其取值如表2－3。
矩阵维数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RI
0.00
0.00
0.58
0.90
1.12
1.24
1.32
1.41
1.45
第三步：
求出相对一致性指标CR（2.2.1.2），CR值小于0.1则一致性好；如果大于0.1则不好，需要重新调整判断矩阵。
（6）确定各层中各因素的优先次序：
在通过一致性检验后的判断矩阵基础上就可以得到表征各个因素A1,A2，…，An优先次序的权系数。
2.2.2GIS与空间分析
空间分析是地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息（特别是隐含信息）的提取、表现和传输功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征。
空间分析是分析空间数据有关技术的统称，根据作用数据的不同可以分为：
（1）基于空间图形数据的分析运算；
（2）基于非空间属性数据运算；
（3）空间和非空间数据的联合运算。
空间分析的目的是解决某类与地理空间相关的问题，以地理空间数据库为基础，运用包括几何的逻辑运算、数理统计分析与代数运算等手段，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。
下面介绍几种在本研究中应用的主要的几种空间分析方法。
（1）空间查询
图形与属性互查是最常用的查询，主要有两类：
第一类是按属性信息的要求来定位空间位置，称为“属性查图形”。
第二类是根据对象的空间位置查询有关属性信息，称为“图形查属性”。
（2）空间叠加分析
叠加分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作，其结果将原来要素通过分割或合并等生成新的要素，新要素综合了原来两层或多层要素所具有的属性。
叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较。
空间叠加分析包括矢量数据的叠加分析和栅格数据的叠加分析。
矢量数据的叠加分析包括：
点与多边形叠加，线与多边形叠加，多边形叠加。
栅格数据的叠加分析分为基于单层栅格数据的分析和多层栅格数据的分析。
单层栅格数据运算分为：
布尔逻辑运算、重分类、滤波运算、特征参数计算、相似运算。
多层栅格数据的叠置分析是指将不同图幅或不同数据层的栅格数据叠置在一起，在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法。
（3）栅格数据聚类聚合分析
栅格数据的聚类、聚合分析方法均是将一个单一层面的栅格数据系统经某种变换而得到具有新含义的栅格数据系统的数据处理过程。
栅格数据聚类是根据设定的聚类条件对原有栅数据系统进行选择而建立新的栅格数据系统的方法。
栅格数据聚合分析是指根据空间分辨率分类表，进行栅格数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。
空间聚合的结果往往将复杂的类别转换为较简单的类别，此方法是在进行适宜性分类合并时采用的一种主要方法。
（4）DEM地形分析
数字地形分析是随着数字高程模型发展起来的。
数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
15数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）。
高程是地理空间中的第三维坐标。
DEM在地形分析中的应用主要有两点：
一是GIS中的三维可视化，二是进行基本地形因子的计算，包括：
坡度、坡向、坡度变化率和坡向变化率的计算，DEM还可以进行特征提取，特征提取包括地形特征提取和水系特征的提取。
在本文研究中，主要利用DEM数据模型进行简单地形因子的分析。
（5）缓冲区分析
缓冲区分析是GIS空间分析的重要功能之一，是对空间特性进行度量的一种重要方法。
它是指在地理实体或空间物体周围建立一定距离的带状区，用以识别这些物体对周围的邻近性或影响度，根据物体对周围空间作用性质不同，一般分为静态缓冲带分析和动态缓冲带分析。
当空间物体对邻近对象只呈单一的距离关系，称为静态缓冲带分析。
当空间物体对近对象随距离变化而呈不同强度的扩散或衰减关系，例如污染源对周围环境的影响是随距离而呈梯度变化的，称为动态缓冲带分析。
动态缓冲带分析根据物体对周围空间影响度的变化性质，分别采用以下3种不同的分析模型：
①物体对周围空间的影响度Fi，随距离ri呈线性形式衰减；
②物体对周围空间的
影响度Fi，随距离ri呈二次形式衰减；
③物体对周围空间的影响度Fi，随距离ri呈指数形式衰减。
第三章研究区域概况
3.1地理位置
仁兆镇位于平度市东南部，地处东经120°09′，北纬36°40′,东西横距14.5公里，南北纵距13.5公里，总面积119平方公里，林地面积7242公顷。
地势东高西低，东部大沽河沿岸系平原。
境内主要河流有大沽河、落药河、堤沟河等三大水系。
3.2区划沿革
1943年为仁兆区。
1958年2月撤区建乡，为仁兆乡，同年9月，改称仁兆人民公社，原冷戈庄乡撤销，并将冷戈庄以南29个生产大队划归仁兆公社，辖62个村。
1976年，将仁兆公社大刘戈庄等7个大队划归冷戈庄公社，将鲁家等3个大队划归郭庄公社，仁兆公社辖52个大队。
1984年春改社为乡，为仁兆乡。
1985年11月改称仁兆镇。
1994年12月冷戈庄乡与仁兆镇合并，称仁兆镇，辖91个行政村。
3.3经济状况
2005年国内生产总值12.2亿元。
财政收入1069万元，财政支出1047万元。
农民人均纯收入6180元。
完成工业总产值（现价）14.23亿元。
新发展个体私营企业25家，个私企业累计达到86家；新发展个体工商户74家，个体工商户总数达到1865户。
个体私营经济税收1000万元。
年内入驻项目20个。
出口创汇1700万美元。
3.4农业
2005年完成农林牧渔总产值（现价）6.83亿元。
粮食总产7.3万吨，花生总产1600蔬菜、瓜类总产31.2万吨，水果总产200大牲畜年末存栏5110头，猪年末存栏2.9万头、出栏3.5万头，家禽年末存栏16万只、出栏16.2万只，肉蛋奶总量4.75万吨。
拥有大小机械7890台，农业机械总动力17.9万千瓦。
有平塘62个，拦水坝4座，有效灌溉面积6000公顷。
3.5社会事业
2005年有中学2处、小学11处，年内共有在校学生7012名。
医疗卫生院（所）2个。
电话装机量达到1.4万部，占全镇总户数的75%。
有线电视用户1.00万户，占全镇总户数的60%。
人口自然增长率4.46‰。
3.6人口数据
总人口
66886
男
34054
女
32832
家庭户户数
21163
家庭户总人口（总）
66828
家庭户男
34025
家庭户女
32803
0-14岁（总）
14304
0-14岁男
7637
0-14岁女
升级会员 