唐容艳，黄义忠，吕庆波

(1.昆明理工大学，云南 昆明 650093； 2.宣威市板桥街道农业综合服务中心，云南 宣威 655413)

基于ArcGIS的禄劝县土地资源暴露风险分析

唐容艳1，黄义忠2*，吕庆波3

(1.昆明理工大学，云南 昆明 650093； 2.宣威市板桥街道农业综合服务中心，云南 宣威 655413)

随着人口的不断增长以及土地资源的不合理利用，人地关系日益紧张。为了从宏观上把握土地资源的压力与胁迫程度，本文选取对土地资源造成压力、胁迫和干扰的土地利用强度、25°以上坡地面积百分比、年平均降雨量、植被覆盖度、人口密度、GDP、地质灾害易发性等7个指标，在ArcGIS中以1 km格网为基本评价单元，采用层次分析法、ArcGIS空间分析模块下的标识工具及Excel对禄劝县土地资源的暴露风险进行分析，最后运用自然断点法将暴露风险分为暴露低风险、暴露中等风险、暴露较高风险和暴露高风险4个层次，并生成禄劝县暴露风险分级图。结果显示，禄劝县暴露风险主要集中在低风险和中等风险层次，分别占研究区总面积的48.1%和35.7%；较高风险主要分布在汤郎乡、马鹿塘乡、云龙乡、团街镇、九龙镇以及茂山镇，占研究区总面积的13.8%；高风险主要集中在转龙镇、团街镇和屏山街道，占研究区总面积的2.5%。

土地资源； 暴露风险； 层次分析法； ArcGIS； 禄劝县

土地资源作为人类最基本的生活资料和最主要的劳动对象，随着人口的不断增长和经济的飞速发展，日益突显出人地关系紧张化的态势[1]。关于土地资源，目前已经进行了大量的研究。20世纪80年代之前已有土地资源可持续利用、优化配置、生态安全等方面的研究[2-5]。20世纪80年代初，随着资源环境承载力研究的推进，又开始进行土地资源承载力方面的研究[6]。然而这些研究，都没有着重突出土地资源的暴露风险，这里的暴露是指土地资源经历外在环境、压力与胁迫的程度；土地资源暴露风险则是指通过搜集对土地资源造成压力、破坏或威胁的因素，采用一定的分析方法将这些因素进行综合，凸显区域内土地资源所面临的危机程度。我国暴露风险的相关研究最早出现于1996年，大多集中于医学和金融业，随后暴露风险也逐渐被用于水资源和生态系统中[7-11]。但在土地资源中并未得到应用。因此，本文以云南省禄劝彝族苗族自治县为例，利用Arcgis软件，采用层次分析法、标识工具并与Excel相结合对禄劝县土地资源进行暴露风险分析，得出研究区暴露格局，为土地资源的后续研究以及保护政策的制定提供理论依据。

1 暴露风险评价指标体系构建

1.1 评价指标的选取

气候、地质灾害以及人类活动都会对土地资源造成威胁，比如暴雨会引发滑坡、泥石流等地质灾害的发生，从而改变土地利用的模式；人口的增长会增加对土地资源的需求，加重人地矛盾；不合理的利用陡坡地会导致大面积水土流失等。针对研究区的实际情况，本文选取土地利用强度、25°以上坡地面积百分比、降雨量、植被覆盖度、人口密度、GDP、地质灾害易发性作为暴露风险评价指标。除植被覆盖度为负向指标外，其余指标均与暴露风险呈正相关(表1)。

表1 暴露风险指标的权重与性质

注：正向指标表示该指标与暴露风险呈正相关，负向指标表示该指标与暴露风险呈负相关。

1.2 评价指标权重的确定

美国著名的运筹学专家萨蒂于20世纪70年代提出的层次排序法(AHP法)，能利用人的经验和判断将人的思维数学化，实现定量指标与定性指标的统一。AHP法具有简洁、实用、系统等优点，并且在多个领域成功应用。因此，本文采用AHP确定各指标权重[12](表1)，根据萨蒂提出的1～9标度方法，构造判断矩阵，进行两因素之间相对重要性的比较(表2)。

表2 暴露风险指标判断矩阵

1.3 指标数据标准化

由于各指标的单位、性状状态的数值大小以及离差的不同，本文采用极差标准化方法消除指标数据量纲不一致问题，具体标准化公式：

1.4 评价单元划分

通过查阅相关文献[13-16]，结合研究需求，以行政区为底图创建1 km×1 km格网，将研究区划分为4 470个评价单元。

1.5 评价模型构建

根据以上分析，构建土地资源暴露风险评价模型。

E=∑ViWi。

式中，E表示暴露度，Vi表示暴露风险评价指标，Wi表示各评价指标权重。

1.6 暴露风险等级划定

暴露度是暴露风险的数学表达，暴露度越高则暴露风险越大。4 470个评价单元会生成4 470个暴露度，为了能更直观、清晰地看出研究区的暴露风险等级，本文采用ArcGIS中的自然断点分级法(Jenks)将暴露度划分为4个层次：暴露低风险、暴露中等风险、暴露较高风险和暴露高风险。自然断点法能够自动识别分类间隔，对相似值进行最恰当的分组，并且使各类间的差异最大化，因此采用自然断点分级法对暴露风险等级进行划定其结果是可靠的。

2 禄劝县土地资源暴露风险分析

2.1 研究区概况

禄劝彝族苗族自治县是云南省昆明市的郊区县，地处102°14′3″～102°56′8″E、25°24′39″～26°22′2″N。2015年，禄劝县全县总人口41.10万人，生产总值75.00亿元。禄劝县处于强烈的南北向切割的横断山脉中段及滇池断陷带上，地质构造复杂；境内高差较大，立体气候特征明显，年均温15.6 ℃，年平均降雨量946.7 mm。

2.2 数据来源与土地利用类型提取

本文采用的数据源主要有2015年Landsat OLI影像3景、DEM数据、以乡镇为基本统计单位的人口统计数据、经济数据及气候数据，气候数据仅指年平均降雨量。

以Langsat OLI影像为遥感数据源，经过几何纠正，图像镶嵌，彩色合成等一系列预处理，通过人机交互提取2015年禄劝县土地利用类型。根据研究区的实际情况，将土地利用类型分为耕地、林地、园地、水体、居民地和未利用地6个类型，然后提取居民地二级类型中的城镇居民地和农村居民地，本文以建制镇代替城镇居民地，用于空间人口模拟。

2.3 暴露风险评价

本文以1 km×1 km格网划分得到的4 470个方格为评价单元。由于所搜集到的数据均以行政区为统计单元，这些数据无法满足评价的需求，故而需要对所搜集到的指标数据进行格网化处理。使用空间分析工具下的标识叠加，提取每个格网对应的各指标信息，以实现评价指标的格网化。

2.3.1 土地利用强度

土地利用强度指的是土地资源利用的效率，单位用地面积投资强度或对1个单位的土地投资的强度。它与暴露风险呈正相关，土地利用强度值越大，对土地资源利用的效率越高，造成的压力、威胁和干扰越大，即暴露风险越高。根据土地利用类型的特点，把土地利用强度分为4个等级，1级未(难)利用地，2级林草水用地(林地、草地、水域)，3级农业用地(耕地、园地、人工草地)，4级建设用地(居民点、工矿及交通用地)[10]。计算评价单元的土地利用程度综合指数：

式中，yx表示第x个格网单元土地利用程度综合指数，Ai为第i级土地利用程度分级指数，Si为第i级土地利用面积，S为该格网单元内土地总面积。

利用自然断点法将土地利用强度分为4个等级：低强度、中等强度、较高强度和高强度(图1)。

图1 禄劝县土地利用强度的分级情况

2.3.2 人口密度

图2 禄劝县人口密度、GDP和植被覆盖度的情况

2.3.3 GDP

GDP是指一个国家或地区所有常驻单位在一定时期内生产的所有最终产品和劳务的市场价值，是衡量一个国家或地区总体经济状况的重要指标。一般说来，经济得到发展就会对当地进行投资建设，提供就业机会，吸引人口搬迁，就会对当地土地资源造成压力[17]。GDP与暴露风险呈正相关，GDP越高，对土地资源的压力、威胁和干扰越大，即暴露风险越高。为了将GDP格网化，本文将其与人口联系起来，通过格网对应的各乡镇人均GDP与空间化的人口数相乘得到对应格网的GDP值。采用自然断点法，将GDP分为4个等级：低、中等、较高、高(图2)。

2.3.4 植被覆盖度

植被盖度指植物群落总体或各个体的地上部分的垂直投影面积与样方面积之比的百分数，它反映植被的茂密程度和植物进行光合作用面积的大小。因为植被能够在一定程度上防止水土流失，对土地资源起到保护作用，所以植被覆盖度与暴露风险呈负相关，植被覆盖度越小，对土地资源的压力、威胁和干扰越大，即暴露风险越高。以各格网林地面积与土地总面积的比值作为本研究的植被覆盖度，利用自然断点法将植被覆盖度分为4个等级：低覆盖度、中等覆盖度、较高覆盖度、高覆盖度(图2)。

2.3.5 地质灾害易发性

地质灾害易发性是指在一定的地质环境和人类工程活动下，地质灾害发生的可能性。禄劝县是云南省滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害危害最严重的县区之一。它与暴露风险呈正相关，地质灾害易发性越高，对土地资源的压力、威胁和干扰越大，即暴露风险越高。袁佳等[18]将禄劝县地质灾害划分为地质灾害极高易发区、地质灾害高易发区、地质灾害中易发区、地质灾害低易发区4个层次。本文借鉴其研究成果，利用自然断点法将地质灾害易发性分为4个等级：低易发性、中等易发性、较高易发性、高易发性(图3)。

2.3.6 25°以上坡地面积百分比

坡度是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度和水平宽度的比叫做坡度(或叫做坡比)。过于陡峭的坡地一般不适合用于建设和耕种。研究表明，25°以上坡地，由于地势陡峭，水土不易保持，这些地区如果过度开发，就会影响当地的生态安全，造成环境破坏、水土流失、生物多样性降低等恶果[19]。因此，本文通过计算评价单元内25°以上耕地与建设用地面积与总面积之间的比值，来说明研究区内坡度对土地资源的潜在压力。25°以上坡地面积百分比与暴露风险呈正相关，比值越大，说明耕地与建设用地面积越大，越容易造成土壤流失，对土地资源的压力、威胁和干扰越大，即暴露风险越高。用自然断点法将25°以上坡地面积百分比分为4个等级：低百分比、中等百分比、较高百分比、高百分比(图3)。

3.3.7 年平均降雨量

年平均降雨量的资料大都是以乡镇为统计单元，假定乡镇对应的格网中年平均降雨量相同，用标识叠加工具直接实现两者的格网化。用自然断点法将其分为4个等级：低、中等、较高、高(图3)。

2.3.8 禄劝县暴露风险评价

根据公式叠加计算暴露风险值。用自然断点法对暴露风险值进行分割，将暴露风险分为4个层次，即暴露低风险、暴露中等风险、暴露较高风险和暴露高风险(图4)。

图3 禄劝县地质灾害易发性、25°以上坡地百分比和年降雨量的情况

图4 禄劝县暴露风险的分级情况

3 小结

禄劝彝族苗族自治县暴露风险主要集中在低风险和中等风险层次，分别占研究区总面积的48.1%和35.7%；较高风险主要分布在汤郎乡、马鹿塘乡、云龙乡、团街镇、九龙镇以及茂山镇，占研究区总面积的13.8%；高风险主要集中在转龙镇、团街镇和屏山街道，占研究区总面积的2.5%。研究表明，本文所选指标已经对禄劝县的土地资源产生了一定程度的压力、胁迫与干扰。虽然随着风险等级的增加，其所对应的面积值呈现递减趋势，但也应该引起当地对土地资源的高度重视，防止暴露低风险向高风险进一步恶化。根据所选的评价指标，可以采取控制人口增长，控制土地利用强度的增加，25°以上坡地退耕还林还草，房屋建筑拆旧盖新等措施来达到控制风险的目的。

本文以1 km格网为暴露风险评估基本单元，采用7个评价指标对禄劝县土地资源暴露风险进行分析，得出研究区暴露风险基本格局，从宏观上了解到禄劝县土地资源暴露风险主要集中在低风险和中等风险层次，较高风险和高风险层次主要分布在那些土地利用强度高、植被覆盖度低、降雨量多且容易发生地质灾害的区域。暴露风险的提出是为了引起人们对土地资源外在压力的重视，以便于从源头上找到保护土地资源的方法。

[1] 岳晓燕，宋伶英. 土地资源承载力研究方法的回顾与展望[J].水土保持研究，2008，15(1)：254-257.

[2] 孔垂思，潘艳华，郭玉蓉，等. 土地资源评价的研究进展[J].中国农学通报，2006，22(1)：323-325.

[3] 田富强，刘鸿明. 城乡统筹的土地资源配置战略研究[J]. 山东农业科学，2015，47(2)：82-85.

[4] 钱海滨，薛永森，田彦军. 土地资源合理利用评价研究综述[J].中国土地科学，2001，15(2)：14-19.

[5] 吴林筱，任志远，赵胜男，等. 山西省土地资源人口承载力多尺度时空差异分析[J]. 山东农业科学，2015，47(6): 83-86.

[6] 钟维琼.资源环境承载力应用领域综述[J].中国国土资源经济，2013(9)：51-55.

[7] 于云江，杨彦.基于GIS的松花江沿岸某区浅层地下水污染特征及人群暴露风险评价[J]. 中国环境科学， 2013，33(8)：1487-1494.

[8] 何丽，闫振广，姚庆祯，等.氨氮海水质量基准及大辽河口氨氮暴露风险初步分析[J]. 农业环境科学学报，2013，32(9)：1855-1861.

[9] 陈佳，杨新军，尹莎，等. 基于VSD框架的半干旱地区社会-生态系统脆弱性演化与模拟[J]. 地理学报，2016，71(7)：1172-1188.

[10] 王国杰，廖善刚. 土地利用强度变化的空间异质性研究[J]. 应用生态学报，2006，17(4)：611-614.

[11] 孙小涛，周忠发，陈全，等. 重点生态功能区水土流失敏感性评价与分布研究：以贵州省雷山县为例[J]. 水土保持学报，2016，30(6)：73-78.

[12] 曹茂林. 层次分析法确定评价指标权重及Excel计算[J]. 江苏科技信息，2012(2)：39-40.

[13] 叶靖，杨小唤，江东. 乡镇级人口统计数据空间化的格网尺度效应分析：以义乌市为例[J]. 地球信息科学学报，2010，12(1)：40-47.

[14] 左伟，张桂兰，万必文，等. 中尺度生态评价研究中格网空间尺度的选择与确定[J]. 测绘学报，2003，32(3)：267-271.

[15] 刘明亮，唐先明，刘纪远，等. 基于1km格网的空间数据尺度效应研究[J]. 遥感学报，2001，5(3)：183-190.

[16] 李月娇，杨小唤，王静. 基于景观生态学的人口空间数据适宜格网尺度研究：以山东省为例[J]. 地理与地理信息科学，2014，30(1)：97-100.

[17] ALQURASHI A F，KUMAR L. Spatiotemporal patterns of urban change and associated environmental impacts in five Saudi Arabian cities：a case study using remote sensing data[J]. Habitat International，2016，58：75-88.

[18] 袁佳，程先锋，祝传兵. 云南禄劝县地质灾害易发区评价及划分[J]. 云南地质，2015，34(4)：588-594.

[19] 何兴东，高玉葆，赵文智，等. 科尔沁沙地植物群落圆环状分布成因地统计学分析[J].应用生态学报，2004，15(9)：1512-1516.

(责任编辑：张瑞麟)

2017-08-09

唐容艳(1993—)，女，云南宣威人，在读硕士，研究方向为空间定位数据分析与应用，E-mail:1204546764@qq.com。

黄义忠(1972—)，广西桂林人，副教授，博士，研究方向为土地资源管理与环境地质，E-mail: hyizhong95@163.com。

文献著录格式：唐容艳，黄义忠，吕庆波. 基于ArcGIS的禄劝县土地资源暴露风险分析[J].浙江农业科学，2017，58(11)：1968-1973.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171132

X820.4

A

0528-9017(2017)11-1968-06