gis技术生态安全评价 如何用gis做生态分析

生态安全评价研究进展

3.2.1 国外生态安全研究进展

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美国国家环保局在其发起的综合风险评价研究项目中有关风险评价研究和风险管理与修复技术研究的两个次一级课题中，在地区、流域以及国家等不同空间尺度上建立了相应的评价框架，提出了十分复杂和庞大的指标系统。欧共体统计部门也提出了面向欧洲国家的环境压力指标清单，以在欧洲不同国家之间进行比较。Bertollo 等就意大利东北海岸地区生态风险问题建立了水生态系统和陆地生态系统等不同系统的生态风险评价指标; Villa等就区域风险评价的生态脆弱性问题，在综合全球范围内有关环境风险/生态脆弱性以及生态系统或环境要素质量状况评价的现状基础上，通过 SOPAC 的环境评价计划研究，建立了可以在国家间进行对比评价的生态脆弱性指标体系。人类社会发展需要建立可持续的安全生态系统，因此生态安全问题研究成为备受关注的领域，美国国际研究委员会(NRC)、美国 EPAC (Environmental Protection Agency)以及众多致力于生态风险评价研究的科学家对风险测度的定量化技术和评价方法给予了高度重视。2001 年启动了 “新千年生态系统评估”的全球性生态评估计划，旨在通过国际的合作，对全球范围内生态系统状况进行科学的评估，预测未来生态系统的变化，提出改善生态系统服务功能的有效对策。在这种背景下，生态安全评价研究在生态风险分析基础上迅速发展，同时在生态安全评价实践中，理论体系也在不断发展和完善。

3.2.2 国内生态安全研究进展

在生态安全评价方面，国内不少学者做了大量的工作。其中大部分是生态安全评价指标体系与方法研究。李晓秀 (1997)从山区生态环境的特征入手，提出了北京山区生态环境质量评价的指标体系。杨伟光 (1999)从我国农村生态环境研究入手，建立了我国农村生态环境质量评价的指标体系。叶亚平 (2000)从生态环境的形成机制出发，指出生态环境评价指标应该包括 3 个方面，即生态环境背景、人类对生态环境的影响程度和人类对生态环境的适宜度需求。吴国庆 (2001)以浙江省嘉兴市为例，讨论了区域农业可持续发展的生态安全评价的基本过程和方法。左伟 (2002)建立了区域生态安全评价的指标体系和评价标准，并对 PSR 框架模型做了扩展，制定了区域生态安全评价指标体系概念框架，据此建立了区域生态安全评价指标体系。周金星 (2003)以多伦地区为例，提出了荒漠化地区生态安全评价的具体指标体系和构建原则，并采用数量化原理与方法，对各指标进行了具体量级划分，利用关联度分析方法，确定了指标的系数，并提出了衡量生态安全程度的数量化指标、生态安全系数及其计算方法，对多伦地区荒漠化进行了生态安全评价，采用 GIS 平台得到了多伦地区的生态安全评价图。秦建成 (2004)以重庆忠县为例，讨论了三峡库区区域可持续发展的生态系统安全评价的基本过程和方法，对三峡库区生态安全进行了评价，提出了三峡库区可持续发展的生态安全建设的途径和对策。杜巧玲 (2004)从水安全、土地安全、经济社会安全角度出发，选取 3 类共 17 项指标建立了绿洲生态安全评价综合指标体系。然后，应用综合评价法、层次分析法和 GIS 等多种方法与手段，在绿洲尺度上对黑河干流中下游地区的张掖、临泽、高台、鼎新和额济纳等 5个绿洲进行了绿洲生态安全综合评价。卢金发 (2004)从起沙角度出发，借鉴风蚀理论，建立了锡林浩特市的生态安全评价指标，运用相关的数学方法计算了 44 个样地的生态安全系数; 利用 GIS 技术，运用模糊聚类法，进行了全部地块生态安全等级评定，编制完成了研究区生态安全评价图; 在此基础上，进行了研究区土地利用方式的调整。

土地资源生态安全评价样区的选择

8.1.1 评价区域概述

根据国内外土地资源可持续利用生态安全研究的工作成果，可以发现，生态安全评价区域选择主要有基于面状的矢量评价单元和点状的栅格评价单元两类。

面状评价单元是以矢量面元作为评价的信息载体，数据获取尤其是社会经济数据的获取较为方便，评价结论亦便于应用于环境管理之中。面状评价单元主要类型分为行政单元、小流域和景观单元等。

(1)行政区单元:行政区单元在以国家、省域、市域、县域等为尺度进行区域生态安全评价时采用较多，社会、经济指标均以行政单元进行统计，统计数据容易获取，所得的结论便于各行政单元生态保护与建设政绩的确定与比较。

(2)流域单元:以小流域为单元进行区域生态安全评价主要根据是区域生态系统的地貌分异以及小流域范围水文过程形成的生态空间格局。由于小流域是一个独立的地貌单元，流域内的生态系统具有从上游至下游的生态完整性，对于以水生生态系统保护与恢复为目标的区域生态安全评价具有重要意义。

(3)景观单元:景观由土地单元镶嵌构成，具有一定空间结构的自然、社会复合区域生态系统，由基质、镶嵌于基质上的拼块体，以及线状连接景观内生态系统的廊道构成。构成景观的下一级单位是土地单元，上一级单位是构成地理分异的生态区划基础单位。因此，它是连接生态区划和土地利用规划的中间环节，采用景观为单元的区域生态安全评价对于生态功能区划分和区域生态保护具有十分重要的意义。

点状评价单元是以栅格单元作为评价的信息载体和评价单元。由于栅格单元具有空间“精确位置”的含义，就使得评价结果具有“真正空间性”的意义。但是评价结论不能直接在区域之间进行比较，评价结论在环境管理中不具有区域性，不能直接应用。

8.1.2 评价区域划分原则

评价区域是研究的基础，区域选取的多少和选取的代表性都直接影响生态安全评价结果的准确性，因此在选择和划分过程中应遵循综合分析性原则、主导性原则和可操作性原则。

8.1.2.1 综合分析性原则

生态安全系统是一个多层次、多因素的复杂系统，要对这样一个复杂的系统进行评价，作为基本的评价区域要具有较强的综合分析性，既能反映生态安全的现状，也能表现出存在的生态问题，为保障土地资源生态安全提供决策依据，达到区域土地资源可持续利用的目的。

8.1.2.2 主导性原则

影响生态安全的区域有很多，而区域选取的多少和选取有代表性的区域都会直接影响研究结果的准确性，因此在评价区域的选取时一定要优选代表性区域。

8.1.2.3 可操作性原则

评价区域的选择应要充分考虑其获取数据的难易程度，并保证数据准确可靠。尽量利用统计资料数据、已有规范标准、相关规划的数据和相关部门的调查数据完整的区域作为评价区域。这样既保证能全面地反映土地资源生态安全现状及其变化趋势的各种内涵，又便于操作。

8.1.3 评价样区选择结果

根据矢量面状评价单元以及栅格点状评价单元各自的特点，结合河南省的实际情况，在本次研究中采用矢量面状评价单元中的行政区单元作为综合评价分析单元，具体操作主要通过数据库功能和GIS技术实现。

运用GIS技术，采用MAPGIS软件的多边形叠置分析法进行评价区域的选择和划分。多边形叠置分析是指将同一地区、同一比例尺的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠置，根据两组多边形的交点来建立具有多重属性的多边形或进行多边形范围内属性特征的统计分析。其实质是把两层或多层要素(面状或线状)进行叠加产生一个新的要素层。新要素层综合了原来两层或多层要素所具有的属性。

本次研究中进行空间分析的底图采用的是河南省土地利用总体规划修编基础研究中的“土地生态环境适宜性分区图”和“自然经济分区图”。在进行土地资源生态安全评价区域的选择时，将土地生态环境适宜性分区图和自然经济分区图通过MAPGIS软件进行叠加形成新的生态安全评价分区图。由于在叠加过程中会出现与实际情况不相符合的特征值个体，为消除这种特殊值个体或极值个体对评价结果的影响，综合考虑地形地貌条件、水资源分布和社会经济发展水平，对其进行了修正，确定了合理科学的生态安全评价分区图。最后在不同的区域内，按照均质性原则、独特性原则等，以县(市、区)为单位选取代表性样点，展开土地资源可持续利用的生态安全评价研究。

修正后的生态安全评价分区图分为5个区域，分别是太行山地丘陵区、秦岭-伏牛山山地丘陵区、桐柏-大别山山地丘陵区、南阳盆地区和黄淮平原区，共选取34个样点(区)。

8.1.3.1 太行山地丘陵区

太行山地丘陵区位于河南省北西部，包括安阳市(林州、安阳县)、鹤壁市(市区、淇县)、新乡市(辉县、卫辉、获嘉县)、焦作市(修武县、博爱县、沁阳市)和济源市。本区系太行山脉展布区，由一条向东南凸出的弧形山脉、东部的低山丘陵及山前平原组成。区内地貌属于陡坡中山，海拔一般在1000～1500m，山势陡峻，山坡呈梯级状陡壁，悬崖峭壁极为发育，沟谷切割深达50～200m。由于地势较高，平均气温为13℃左右，是河南省冷期最长地区之一。区内北部属海河流域，安阳河、淇河、汤河均发源于此;西部属黄河流域，黄河支流沁河、蟒河等发源于此。年降水量700mm左右，大部分集中于夏季，而且多暴雨，易引起山洪暴发、山坡塌方，水土流失严重。区内东部的低山丘陵，海拔一般400～800m，低山坡度较陡，丘陵坡度较缓，在中山或低山之间，分布着一些断陷盆地，海拔300m左右，盆地内地面平坦，土层深厚。

根据本区的地势、气温和水土等条件特征，从土地利用可持续的生态安全角度出发，以加强山地丘陵的水土流失防治为目标，考虑样点选取的均质性，选取的样点依次为林州市、辉县、修武县和济源市。8.1.3.2秦岭-伏牛山山地丘陵区

秦岭-伏牛山山地丘陵区包括崤山、小秦岭、熊耳山、外方山和伏牛山脉等，海拔一般为1000～2500m，向东和东南部逐渐降低为低山和丘陵。由于地势陡峭，宜耕地很少，但林地、荒山面积较大。区内气候复杂，各地差异很大，栾川、鲁山、南召等地降水量较多，在800～900mm之间;卢氏一带较少，仅600mm上下，年降水量有50%以上集中在夏季，降水强度大，暴雨多，易形成洪水灾害。由于生态系统的复杂性，各地差别较大。北部的义马、渑池、陕县由于矿产开发导致基岩裸露和地面沉降，造成了严重的水土流失和水污染，频发地质灾害;中部的灵宝、卢氏、洛宁、栾川和嵩县，由于深山区植被覆盖率高，具有较高的生物多样性，地貌复杂加之浅表的矿山开发，易发水土流失和地质灾害;卢氏县内的熊耳山、崤山和伏牛山之间海拔标高在500～1000m的山涧河谷地带，自然地势的密闭条件造就了稳定的生态环境，但耕地资源比较匮乏;南部的淅川、西峡、内乡和南召4县，河流密布，分属淮河流域源头和长江流域汉水中下游的主要支流源头，丹江口水库是南水北调中线工程的源头，是重要的水源涵养区和水土保持区，加之植被异常丰富，属生物多样性保护高度敏感区，但是有中低度的建筑石材和工艺石材开采，对生态有一定的破坏。

本区生态特征明显，从土地利用可持续的生态安全角度出发，考虑样点选取的均质性和区域性，从区内北部、中部、南部选取的样点依次为义马市、渑池县、陕县、卢氏、栾川、嵩县、淅川和西峡。8.1.3.3桐柏-大别山山地丘陵区

桐柏-大别山山地丘陵区位于淮河以南，南阳盆地以东，包括桐柏山的大部、大别山的北部和南阳盆地东侧的丘陵地。区内大部分为山丘，海拔1000m以上的中山分布在南部边缘。由于流水侵蚀切割，地形比较破碎，地势低缓，尤其是低山丘陵区，大部分海拔300～600m，山间谷地开阔，坡度平缓，引水方便。部分中山比较陡峻，除河谷和沟谷底部外，耕地很少，但植物资源丰富。区内处于北亚热带北部，气候温和，为全省水热资源最为丰富的地区，河流众多，水能资源丰富，土壤潜在肥力高。人类不合理的土地开发和部分矿产资源开发及过度猎捕野生动物，是导致水土流失、物种灭绝速度加快和植被覆盖率降低、土壤沙化的主要原因，是本区亟待解决的生态安全问题。

本区生态安全问题明确，从土地利用可持续的生态安全角度出发，考虑样点选取应具有集中体现本区生态问题的特性，选取的样点为泌阳、新县、商城和信阳市区。

8.1.3.4 南阳盆地区

南阳盆地区位于河南省西南部，为南襄盆地的一部分。盆地的西、北和东三面为伏牛山和桐柏山所环绕，中间为堆积平原。地势向南倾斜，比降1∶3000至1∶5000，海拔由200m降到80m。区内属于北亚热带的北缘地带，气候温和，热量资源丰富，盆地冷空气不易入侵，作物越冬条件良好，低温寒害甚少。年降水量900mm左右，有50%集中在夏季，并多暴雨，常常发生洪涝灾害;春冬季节，雨水稀少，往往出现干旱现象。区内气候条件优越，水源充足，土地生产潜力较大，是河南省粮食作物和经济作物的主要生产区。土壤主要为黄棕壤和砂姜黑土，质地黏重，结构不良，耕作性能较差，是发展农业的有害因素。

从土地利用可持续的生态安全角度出发，本区应搞好改良土壤工作，选取的样点为邓州市和镇平县。

8.1.3.5 黄淮平原区

黄淮平原区由淮河平原区和黄河泛滥冲积平原区组成，其中淮河平原区位于沙颍河以南，淮河干流以北，西接豫西山地，东至省界。地面平坦，海拔大都在40～50m，是全省最低的地方。地势由西北向东南倾斜，平原上地形多有起伏，尤以沿河地带为最大。整个平原西部稍高，有低缓岗地;东部偏低，多浅平洼地和湖积洼地。河道曲折，排水不畅，容易发生洪涝灾害，尤其是洪汝河两岸，是河南省水灾最严重的地区。本区地处暖温带南部，属于半湿润气候，热量充足，年降水量800～900mm，为河南省降雨最充沛地区。区内河流众多，地下水比较丰富，水质较好，为河南省粮、棉、油的重要产地。但是区内工业生产规模大，水环境容量有限，工业污染排放量大，水环境质量严重超标，对生态安全造成很大的威胁，因此工业应进行技术改造，严格控制污水排放。

黄河泛滥冲积平原区位于河南省东北部，西临豫西山地、黄土台地丘陵区和太行山地丘陵区，南到沙颍河，东面和北面至省界，属黄河冲积三角洲的上部，黄河从平原中部穿过。由于泥沙沉积，河床一般高出两岸平地3～7m，个别地段可达10m以上，成为地上悬河。黄河平原地势平坦开阔，只是由于黄河历史决口泛滥和改道，才形成了一些低缓起伏的微地貌形态。另外，在不同的地段，还存在面积不等的沙丘、沙地和丘间洼地，以及呈带状分布的黄河故道与古前河洼地。本区属于半干旱-半湿润气候，年平均气温在13～14℃，热量资源充足。年降水量多在600～700mm，气温和雨量都有由南向北递减的趋势。黄河水量充足，水质良好，是引水灌溉的主要水源。平原上的地下水，大部分水质较好，且埋藏较浅，水量丰富，易于开采，是良好的灌溉用水。区内是沿黄经济带和中原城市群的重要组成部分，交通条件优越，城市和工业建设初具规模，工农业发展基础好。但是旱涝、风沙、盐碱等自然灾害较严重，大气和水环境污染较重，因此决口冲积扇区应防止土地沙化，背河洼地区应预防土壤盐渍化，同时应进行大气和水环境污染防治，工业发展应进行产业结构调整，控制污染排放总量是解决土地资源可持续利用的生态安全问题的关键。

根据本区自然和特有的生态环境条件，从土地利用可持续的生态安全角度出发，保障工农业发展，选取的样点为新密市、巩义市、内黄县、延津县、兰考县、滑县、封丘、虞城、夏邑县、永城、息县、正阳县、新蔡县、宝丰市、鲁山县和叶县。

评价样区总共选择了34个样点(区)(表8.1)。河南省土地资源生态安全评价区域及样区分布见图8.1。

表8.1 土地资源生态安全评价样区

图8.1 样价区域及评区分布图

加强土地生态安全监测、评价和预警

土地生态安全监测、评估与预警系统是维护土地资源生态安全体系的核心部分。加强土地生态监测站网建设，及时注意区域内土地生态环境状况的动态变化，充分利用现有的气候、水文等基础土地生态环境监测站，合理布局监测站网，提高站网在空间上和监测对象上的覆盖面。在站网稀疏、监测资料缺乏地区要适当增加布点。在监测的基础上，建立土地生态环境变化的评价与预警系统，利用计算机技术、GIS 技术和 RS 技术等先进手段，构建生态安全信息数据库与智能决策系统，及时快捷地发现警情，确定警源，评判警度，采取措施，防患于未然。同时对生态安全建设规划的实施进行全过程监督，对实施结果进行认真评估，这样在很大程度上能确保规划顺利实施和执行。

9.5.1 土地利用遥感动态监测体系建设

随着河南省城市化进程的加快，土地资源开发利用的程度也在不断地加深，规模在逐步扩大。但目前由于保护措施不到位，缺乏宏观控制，造成了耕地减少、土地退化、资源短缺、生态环境恶化等诸多问题，从而极大地制约了经济和社会持续稳定的发展。及时掌握土地利用变化信息，是政府制定经济发展规划、保障社会经济协调持续发展的必要前提。通过土地利用动态遥感监测体系的建立，可以及时地将土地利用情况信息化，快速形成全面、准确的土地利用变化信息，定期向社会和有关部门公报。这不仅提高了土地管理水平，而且满足了土地行政主管部门全面、及时地掌握土地利用的动态情况需要。

土地利用动态遥感监测体系是基于遥感与 GIS 手段能够更准确及时地掌握土地利用结构变化、基本农田保护区的数量变化及保护情况，及时掌握耕地的最新的动态变化，可从宏观上掌握城市建设规模的年度变化情况，从而能够对地区的土地利用变化情况做出更准确的分析研究，辅助政府决策部门对地区经济发展计划做出合理的决策。通过卫星遥感动态监测等手段定期对重点城市或区域基本农田的变化情况进行动态监测，快速准确地掌握重点城市或区域基本农田的变化情况，严格限制非农建设占用，防止农业结构调整破坏耕作层，对违法、违规占用耕地 (基本农田)做到及时发现问题，及时查处纠正。

9.5.2 土地利用预警系统建设

对土地利用的预警分析是防止其利用向无序化发展和进行调控的重要途径之一，对提高风险意识的能力，促进土地资源可持续利用，改善人类生存环境具有重大意义。河南省是人口大省，地区生态环境较脆弱，城市建设用地集约化程度普遍不高。因此，通过土地利用预警系统的建设，有利于加强土地利用的警示教育，让公众全面了解和正确认识河南省土地利用的现状和形势，积极引导公众切实树立科学发展观，使土地利用向集约化转变。

河南省是全国人口大省，也是全国重要的粮食主产区，人均耕地较少，低于全国平均水平。针对河南省耕地问题的重要性，需要建立耕地预警机制。耕地预警是在耕地数量遥感监测和地区耕地质量分析的基础上，利用计算机技术、网络技术，进行耕地特别是基本农田利用和保护情况分析并发出预警等级信号。预警系统根据监测的基础数据，预测一定时期内耕地质量变化的方向与变化程度，结合作物生长发育要求进行调控，并充分考虑国家粮食安全的要求，通过人口、土地生产力和人均消费水平来预测耕地的需求量，从而对耕地进行预警。

土地生态安全预警是对土地资源或土地生态安全可能出现的衰竭或危机而建立的报警，是从发现警情、分析警兆、寻找警源、判断警度以及采取正确的预警方法将警情排除的全过程。土地生态安全预警的核心是土地生态安全的分析与评估，而影响土地生态安全的因素可能来自土地生态系统内部和外部的各个层面，因此必须选用不同的建模工具，建立模拟模型、评估模型和预测模型。通过测定土地生态系统所提供的服务的质量和数量变化来确定其安全阈值。根据安全阈值，可以监测土地生态系统结构与功能的变化及其对土地生态系统服务的质量和数量所受到的干扰，根据这些干扰与压力作出土地生态系统受到威胁的判别，从而进行土地生态安全预警。