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20110326GIS支持下的山区苹果园地优化布局研究(二稿).doc

20110326GIS支持下的山区苹果园地优化布局研究(二稿)

yanqingyong85
2011-04-09 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《20110326GIS支持下的山区苹果园地优化布局研究(二稿)doc》,可适用于高等教育领域

基于最小累积阻力模型的山区景观生态优化研究GIS支持下的山区苹果园地优化布局闫勇齐伟**王丹李云强路超(山东农业大学资源与环境学院山东泰安)摘要:栖霞市是我国苹果主产区光、热条件及地形是影响当地苹果分布和品质的主要因素基于生态适宜性建立苹果园地单项土地利用优化模式是栖霞市农业结构调整所需要的。本研究在对光、热条件及地形空间分布模拟的基础上以土地利用现状类型为景观介质表面利用GIS的空间信息处理技术建立了苹果园地最小累积阻力模型探讨山区苹果园地单项土地利用优化的技术途径。将栖霞市划分为极度适宜区、高度适宜区、适宜区和初度适宜区个适宜分区各区的面积分别为hm,hm,hm,hm极度适宜区和高度适宜区面积占县域面积的苹果园地开发的适宜性较大。结果表明:苹果园地开发最小累积阻力模型(MCR)是安排苹果园地开发的技术途径本研究为当地苹果产业开发和农业结构调整提供决策依据。关键词:空间布局优化最小累积阻力模型地形位指数栖霞市中图分类号 FS 文献标识码 A 文章编号 TheSpatialPatternOptimizationofAppleOrchardinMountainsareaBasedonGISYANYong,QIWei,WANGDan,LIYunqiang,LUChao(CollegeofResourcesandEnvironment,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong,China)Abstract:QixiaCityisoneofthemajorappleproductionareasinChinaIllumination,heatconditionsandterrainarekeyfactorsforlocalappledistributionandqualityItisnecessarytodeterminethesingleoptimizationlandusepatternofappleorchardbasedontheecologicalsuitabilityforagriculturestructureadjustmentofQixiaCityBasedonthesimulationofillumination,heatconditionandtopographicaldistributions,andchoosinglandusetypesaslandscapemediumsurface,thispaperestablishedaminimumcumulativeresistance(MCR)modelbyusingGIStechnology,andexploredthesinglelanduseoptimizationmethodofappleorchardinmountainsareaQixiaCitywasdividedintofourdevelopmentalzones:themostsuitablezone,highsuitablezone,suitablezoneandthesubsuitablezonewhichwerehm,hm,hm,hm,respectivelyTheacreageofthemostandhighsuitablezoneforappleplantingwasofthetotalareaOurresultshowedthattheminimumcumulativeresistance(MCR)modelwasafeasibletechnologicalapproachofappleorchardoptimizationThisresearchprovideddecisionmakingbasisforappleindustrydevelopmentandagriculturestructureadjustmentofQixiaCityKeywords:spatialdistributionoptimizationpatternminimumcumulativeresistance(MCR)terrainnicheindexQixiaCity随着人口的增加和各行各业的发展我国土地供需矛盾日益突出土地利用效率低土地利用结构失衡已对国家资源安全构成严重威胁优化配置土地资源节约集约用地是保障国民经济发展的需要。目前土地资源优化配置的研究在关注土地利用数量结构优化同时开始重视土地利用空间格局对诸多生态过程的影响,特别是在GIS支持下基于生态过程的土地利用空间格局优化已成为研究趋势(罗鼎等)。张惠远和万军等()以中国西南喀斯特山地为例采用适宜性评价与景观整体格局优化相结合的方法利用遥感技术和GIS技术对山地景观生态优化的实践探索进行了探讨牛振国等()以受沙质荒漠化威胁地区较严重的鄂尔多斯高原的考考赖沟流域为例,借助GIS技术在对主要生态水文过程模拟的基础上建立土地利用最小累积阻力模型探讨了土地利用时空格局优化模式研究的技术途径。栖霞市位于胶东低山丘陵区是中国苹果主产区之一在不同地形条件下随着光、热条件的变化当地苹果品质与产量差异明显(曲衍波等)。本文利用GIS空间信息处理技术以光、热条件及地形为主要因子以土地利用现状类型为景观介质表面建立苹果园地开发最小累积阻力模型(MCR)探讨山区苹果园地优化布局的技术途径为当地苹果产业开发和农业结构调整提供指导。研究地区与研究方法研究区概况栖霞市位于胶东半岛中部°′E°′E、°′N°′N土地总面积,km海拔~m群山起伏丘岭连绵地形复杂素有“六山一水三分田”之说和“胶东屋脊”之称。土壤类型主要为棕壤、潮棕壤和河潮土。气候属暖温带季风型半湿润气候四季分明光照充足多年平均气温℃年均降水量mm无霜期d年日照总时数均值h。栖霞市苹果园地面积hm占全市土地总面积的苹果产业化、标准化和国际化水平位居全国前列被国家确定为“中国苹果第一市”和“全国无公害苹果生产示范基地市”享有“苹果之都”的美誉。研究方法借鉴最小累积阻力模型MCR(minimumcumulativeresistance)和景观综合格局思想(Formanetal,俞孔坚Adriaensenetal,Wattsetal,)(KevinWatts等Adriaensen等Forman等俞孔坚)建立苹果园地开发的最小累积阻力模型。其步骤是先确定模型的目标“源区”然后建立基于光、热条件及地形适宜性评价的模型。苹果园地开发的最小累积阻力表面在空间上的不均匀性反映了各因子综合作用对优质苹果开发所要付出代价随空间的变化。分析最小累积阻力表面的变化特征可作为山区苹果园地单项土地开发与格局优化的一种技术途径。苹果园地优化布局模式确定技术路线(图)。图山区苹果园地优化布局研究流程图FigFlowchartoftheoptimizationmethodofappleorchardinmountainsarea地形位指数模型利用MAPGIS扫描矢量化栖霞市地形图利用ArcGIS工具完成数据接口转换建立栅格DEM模型。为综合反映地形因子的空间分异利用地理信息模型建模方法将高程和坡度组合成一个地形位指数模型(斯钧浪)以便对栖霞市的地形特征进行重新描述和分类。地形位指数的公式如下:()式中T为第i个单元的地形位指数E、分别代表第i个单元的高程值和全市的平均高程值S、分别代表第i个单元的坡度值和全市的平均坡度值。利用上式模拟后得到栅格大小为m×m的栅格数据原来的地形属性(包括高程与坡度)即可以由地形位指数来综合描述高程低、坡度小处的地形位小而高程高、坡度大处的地形位大其他组合情况的地形位则居于中间值位置。景观表面介质以年月日的LandsetTM遥感影像为数据源首先在ERDAS对遥感影响进行几何精校正和图像配准选择对绿色植被反映敏感的TM、、波段进行RGB假彩色合成后进行监督分类然后参照土地利用现状数据库进行纠正制成图像解译模板数据库。针对栖霞市的实际情况提取种土地利用类型即林地、苹果园地、草地、自然保留地、耕地、水域和建设用地作为景观表面介质形成栅格大小为m×m的栅格数据。“源区”“源区”是建立模型的目标(牛振国等)。结合实际调查选择分布于最佳地形位上、规模较大(≥hm)且具有较大缓冲区的优质苹果集中区为“源区”。最小累积阻力模型苹果园地开发最小累积阻力表面模型反映了苹果园地扩张的可能性及趋势。最小累积阻力模型考虑了景观表面介质、距离和源三方面的因素(俞孔坚李纪宏和刘雪华刘孝富等曲艺和栾晓峰)。最小累积阻力模型基本公式如下:()式中MCR为第i个单元被开发为苹果园地的耗费值Di,j为第i个单元与源地j的距离Ri为第i个单元的阻力值m为源地j到第i个单元所经过的单元的个数n为研究区内所有单元的个数(Di,j×Ri)累积值是第i个单元被开发为苹果园地的代价其中从所有源到第i个单元累积阻力的最小值被用来衡量第i个单元被开发的代价。光、热、水条件空间分布的模拟影响山区气候条件的因素主要有经度、纬度、高程、坡度和下垫面性质等。当山区范围较大时经度、纬度、海拔高度是主要影响因素当山区范围较小时经度和纬度的变化很小气候差异主要由复杂的中小地形影响。栖霞市经纬度变化区间较小地形条件是影响气候差异的主导因素选用高程和坡度作为自变量进行栖霞市光、热、水条件模拟。首先以DEM为基础利用多层面复合分析法完成栖霞市年日照时数的空间模拟(曲衍波等)然后应用栖霞市内个监测站点近年的≥℃年积温和年降水量采用线性回归和空间插值法得到≥℃年积温和年降水量的空间分布数据(曲衍波等)日照时数、≥℃年积温和年降水量的空间模拟数据均为栅格大小m×m的栅格数据(图)。a 年日照时数分布图b ≥℃年积温分布图c 年降水量分布图aAnnualsunshinedurationbAnnualaccumulatedtemperatureabove℃cAnnualprecipitation图 栖霞市气候条件分布图Fig MapofspatialdistributionofmeteorologicalfactorsinQixiaCity根据空间模拟结果栖霞市年日照时数为~h平均值为h栖霞市≥℃年积温为~℃平均值为℃栖霞市年降水量为~mm平均值为mm。栖霞市优质苹果最适宜光、热、水条件是年日照时数≥h、≥℃年积温为~℃、年降水量为~mm(LiHetal,QiuBWetal,曲衍波等樊晓春等蒲金涌)。栖霞市年降水量空间差异相对较小且能满足优质苹果的生长选择光、热条件作为影响栖霞市苹果园地开发的气候限制因子。栖霞市土壤质地以轻壤土()和沙壤土()为主土壤质地差异相对较小均是苹果种植的适宜质地根据烟台市土壤表层养分分级标准土壤有机质含量达到g∙kg为中等有机质含量达到g∙kg为优等栖霞市土壤有机质平均含量属于中等绝大部分集中于>g∙kg苹果园地土壤状况对果树生长、果实品质的影响主要通过果园土壤营养成分间接地影响果实品质影响苹果品质的营养元素为N、K、Ca等在实际苹果生产中通过施用化肥能够满足苹果品质对它们的需要。所以本研究不考虑土壤限制因子。最小累积阻力模型应用苹果园地开发阻力表面模型的建立以优质苹果开发为目标建立苹果园地开发阻力表面的基本原则主要考虑如下:)考虑优质苹果的生长和品质的适宜性及生态安全)在栖霞市处于优质苹果最适宜光、热条件上的土地利用类型调整为苹果园地的阻力值最小)在栖霞市优质苹果的最适宜海拔是~m、最适宜的坡度条件是°~°最适宜的地形位指数为~)随着地形位指数的增加侵蚀危险性增大土层变薄生态环境趋向脆弱发展优质苹果的优先级减少)现有自然保留地和处于高地形位区域应该封育是发展为草地、林地的优先地段。景观介质表面分级根据土地利用类型将景观介质表面分级如下(如图):C苹果园地C耕地C草地C林地C建设用地C自然保留地C水域。各土地利用类型调整为苹果园地的阻力C﹤C﹤C﹤C﹤C﹤C﹤C。图 栖霞市土地利用类型图Fig ThemapoflandusetypeinQixiaCity地形位指数分级根据地形位指数分布频率图(图)划分等级如下(图):T:T:(,)∪(T:(T:(T:(。在同一土地利用现状条件下调整为苹果园地的阻力为T﹤T﹤T﹤T﹤T。图地形位指数分布频率图Fig Distributionfrequencyofterrainnicheindex图 地形位指数分级图Fig Theclassificationmapofterrainnicheindex基于地形位指数与土地利用类型的苹果园地开发阻力分级将栖霞市数字高程模型生成的地形位指数分级数据库与栖霞市土地利用类型分级数据库进行组合形成以地形位指数分级和土地利用类型分级两项指标为标识的种空间单元按照苹果园地开发的优先程度分别对这种单元进行判别分析和类型合并、排序得到以苹果园地开发的相对阻力分级为属性的种空间单元(优先级数值越高意味着被开发为苹果园地的阻力越大)(表)。表 基于地形位指数与土地利用类型的苹果园地开发阻力分级排序表Tab ThelevelofappleorcharddevelopingbasedonterrainnicheindexandlandusecoveragetypeTTTTTCCCCCCC年日照时数、≥℃年积温的阻力分级采用逆向极差标准化进行量化处理确定年日照时数阻力值公式如下:()式中Xi为第i个单元的年日照时数阻力值xi为第i个单元的年日照时数xmax为栖霞市年日照时数的最大值xmin为栖霞市年日照时数的最小值。积温对苹果的生长、发育、产量和品质有着重要的影响。适宜的积温有益于提高苹果的产量和品质而偏低或较高的积温条件将抑制苹果的生长发育影响苹果理化性状和质量(樊晓春等)。以℃为最优标准建立≥℃年积温隶属函数进行阻力分级确定≥℃年积温阻力值公式如下:()式中Yi为第i个单元的≥℃年积温阻力值yi为第i个单元的≥℃年积温。苹果园地开发阻力表面苹果园地开发阻力表面采用式()模型合成:()式中Wi为第i个单元的苹果园地开发阻力值Xi为第i个单元的年日照时数阻力值Yi为第i个单元的≥℃年积温阻力值(CiTi)为第i个单元基于地形位指数与土地利用类型的苹果园地开发阻力值。苹果园地开发阻力表面如图。图 苹果园地开发阻力表面Fig Theresistancesurfaceofappleorcharddeveloping 苹果园地开发最小累积阻力表面把“源区”作为源属性文件将苹果园地开发阻力表面作为阻力面文件利用ArcGIS“成本距离加权(CostWeight)”(ESRI)工具生成栖霞市苹果园地开发利用最小累积阻力表面(图a)。a 苹果园地开发利用最小累积阻力图b 苹果园地开发利用最小累积阻力表面阻力分布频率图a TheMCRofappleorcharddevelopingb DistributionfrequencyoftheMCRofappleorcharddeveloping图苹果园地开发利用最小累积阻力表面FigTheminimumcumulativeresistanceofappleorcharddeveloping苹果园地优化布局对最小累积阻力表面进行统计得到图b。可以看出随着累积阻力的增大被调整为苹果园地的面积变化具有明显的波动。在A、A和A处发生明显转折以这些转折点的阻力为阈值将栖霞市进行划分得到栖霞市苹果园地优化布局分区(图)。图苹果园地优化布局分区FigTheoptimizationzoningofthespatialdistributionofappleorchard图中在拐点A之前随累积阻力增大适宜于调整为苹果园地的面积急剧减少这一区域处于优质苹果最适宜的光、热条件和地形条件的向阳、开阔的缓斜地年日照时数均值为h≥℃年积温均值为℃地形位指数均值为是优质苹果开发的极度适宜区主要的土地利用类型是园地和耕地占极度适宜区的各土地利用类型调整为苹果园地的阻力较小光、热条件及地形有利于苹果生长和品质发展优质苹果的聚集优势明显应优先发展优质苹果。极度适宜区面积hm占县域面积的。A和A之间随累积阻力增大适宜于调整为苹果园地的面积减少大都处于苹果园地适宜的光、热条件和地形条件的缓斜地年日照时数均值为h≥℃年积温均值为℃地形位指数均值为是优质苹果开发的高度适宜区,主要的土地利用类型是园地和耕地占高度适宜区的调整为苹果园地的阻力较小应重点发展优质苹果形成聚集优势。高度适宜区面积hm占县域面积的。A与A之间的区域随累积阻力增大适宜于调整为苹果园地的面积变化趋于稳定表明对开发的敏感性有所降低年日照时数均值为h≥℃年积温均值为℃地形位指数均值为该地区光、热条件基本满足优质苹果生长要求是优质苹果开发的适宜区主要的土地利用类型是园地、耕地和林地占中度适宜区的调整为苹果园地的阻力增大应适度发展优质苹果苹果园地的选择应避开不利的地形中度适宜区面积hm占县域面积的。A以后的区域随累积阻力增大分布频率迅速下降年日照时数均值为h≥℃年积温均值为℃地形位指数均值为苹果园地开发不仅要投入较大的经济成本而且还会引发潜在的生态不安全性因素若管理措施不当极容易造成水土流失问题的发生是优质苹果开发的初度适宜区主要的土地利用类型是林地、耕地和园地调整为苹果园地的阻力最大不宜大面积发展优质苹果选择较适宜的光、热条件及地形零星发展为主初度适宜区面积hm占县域面积的。栖霞市苹果种植历史悠久是久负盛名的苹果主产区逐步形成了一定程序的管理措施苹果产业建设、基础设施建设较为完备在苹果产业升级、提升产品效益上还有较大的发展空间。在极度适宜区和高度适宜区应保持苹果产业的优势地位发挥聚集优势稳步推进品种结构优化加强管理巩固其苹果生产中心基地地位在适宜区要因地制宜适度发展优质苹果大力发展观光旅游农业着力提高农业综合效益在初度适宜区应限制苹果产业发展以自然植被保护为主加强水土保持林建设增加区域植被覆盖度防止水土流失。在全市合理安排苹果加工产业园区培植龙头企业促进加工产业升级实现苹果“采摘分级清洗储藏运输”链条化。结论与讨论最小累积阻力模型的应用体现了景观生态学中Forman所提倡的景观总体布局原则即土地利用单元按功能所属集中分布形成优质苹果集中分布格局充分发挥县域光、热条件体现土地产出最大化的原则。上述土地利用格局也是土地的经济与生态要求所协调的结果。通过分析与模拟光、热条件及地形基于最小累积阻力模型的栖霞市山区苹果园地优化布局研究较以往单纯以数量结构的生态优化和基于生态过程的景观格局整体优化的土地利用配置更适用于单项土地利用和农业结构调整的指导工作实现了各土地利用类型调整为苹果园地的生态过程的模拟为山区苹果园地开发和农业结构调整提供了一种有效的依据。以往在多因素综合法基础上进行适宜性评价的土地利用规划依靠人为给定阈值来进行本文在建立阻力表面的基础上利用GIS技术结合最小累积阻力模型来确定苹果园地优化布局分区具有一定客观性和可操作性。地形位指数模型的应用可以综合的反映地形空间分布与变化的详细信息但不能够反映坡向对苹果生长分布的影响评价因子的选择与赋值是影响评价结果的重要因子地形因子的分级以及苹果园地开发的相对优先级直接影响了评价结果的客观性在未来应引入数学方法改进赋值方法。本文所指的各土地利用类型调整为优质苹果集中区的适宜性较模糊只能说明被评价土地调整为优质苹果集中区的适宜性不能说明就不是更适宜于其他土地利用类型。参考文献樊晓春王位泰杨晓华等六盘山东西两侧苹果物候期对气候变化的响应生态学杂志():李纪宏刘雪华基于最小费用距离模型的自然保护区功能分区自然资源学报():刘孝富舒俭民张林波最小累积阻力模型在城市土地生态适宜性评价中的应用以厦门为例生态学报():罗鼎许月卿邵晓梅等土地利用空间优化配置研究进展与展望地理科学进展():牛振国李保国张凤荣基于区域土壤水分供给量的土地利用优化模式农业工程学报():蒲金涌姚小英西北旱作区苹果水分适宜性以天水为例生态学杂志():曲衍波齐伟商冉等基于GIS的山区县域土地生态安全评价中国土地科学():曲衍波齐伟赵胜亭等胶东山区县域优质苹果生态适宜性评价及潜力分析农业工程学报():曲艺栾晓峰基于最小费用距离模型的东北虎核心栖息地确定与空缺分析生态学杂志():斯钧浪齐伟曲衍波等胶东山区县域土地利用在地形梯度上的分布特征应用生态学报():尹发能王学雷基于最小累计阻力模型的四湖流域景观生态规划研究华中农业大学学报():俞孔坚生物保护的景观生态安全格局生态学报():张惠远万军GIS支持下的山地景观生态优化途径水土保持研究():赵筱青王海波杨树华等基于GIS支持下的土地资源空间格局生态优化生态学报():FAdriaensenF,JPChardonJP,GDeBlustGD,etalTheapplicationof‘leastcost’modelingasafunctionallandscapemodelLandscapeandUrbanPlanning,:ESRI(EnvironmentalSystemsResearchInstitute)CostDistancealgorithmUS:ESRI,IncFormanRTTLandMosaic:theecologyoflandscapeandregionsCambridge:CambridgeUniversityPressKevinWatts,DuncanRay,ChristopherPTargetingandevaluatingbiodiversityconservationactionwithinfragmentedlandscapes:anapproachbasedongenericfocalspeciesandleastcostnetworksLandscapeEcology,:LiHong,SunDanfengF,ZhangFengrong,RetalSuitabilityevaluationoffruittreesinBeijingwesternmountainareasbasedonDEMandGISTransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringCASE,():QiuBingwenBW,ChiTianheTH,WangQinminQMFruittreesuitabilityassessmentusingGISandmulticriteriaevaluationTransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringCASE,():WattsK,RayD,ChristopherPTargetingandevaluatingbiodiversityconservationactionwithinfragmentedlandscapes:anapproachbasedongenericfocalspeciesandleastcostnetworksLandscapeEcology,:作者简介:闫勇男年月生硕士研究生。研究方向为国土资源信息化。Email:yanqingyongcom

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