基于GIS的云南烤烟种植地形地貌适宜性评价

　　摘要：根据烟草生长发育生态条件，以地形地貌作为烟草种植适宜性评价的指标，借助GIS技术平台，利用层次分析法和探测法，得到云南省烤烟种植适宜区划数据，为云南省烤烟种植基地优选提供科学依据。
关键词：烤烟；生态适宜性；GIS；评价
1    烤烟生长生态适宜性地形地貌条件分析
地形地貌不仅对光、热、水进行再分配，而且还控制土壤类型的发生及其在空间上的分布规律，从而影响和决定着烟草的生长发育及烟叶质量。从世界烟草生产情况看，优质烟均产自排水良好的山地丘陵地区，如日本、美国种植左陵地带的烟叶质量最优，津巴布韦烤烟则多种植在多山的高原。一般来说，丘陵山区自然坡度15度以下的耕地为宜烟耕地，平地次之，洼地最差。生产优质烤烟的土壤条件以山坡地、山麓和丘陵地的坡脚为好。地势高，排水好，地下水位低，土壤通透性好，土壤有效钾含量高，烟株通风透光良好。分析各因子：
1.1海拔
海拔高度是影响气温的最重要、最直接因素，而气温是影响烤烟生长的重要因素。云南省地处高原山区，山地面积约占84%，高原、丘陵约占10%，盆地、河谷约占6%，因此，海拔高度是烟叶种植评价的一个非常重要的指标。
1.2坡向
在山地条件下是影响光照的重要因素之一。对于北半球，在烤烟生长期（7-8月份），北纬25度线（云南省主要烟区），正南北坡向15度的耕地上，正午12点时，太阳光线入射角θ1可用（1）式计算，南向、北向入射角分别是0°、30°，北向光照仅为南向的0.86倍。
cosθ1=sin（φ－α）sinδ＋cos（φ－s）cosδcosω（1）
式中：φ——地理纬度；
α——耕地坡度；
δ——太阳赤纬；
ω——太阳时角。
除此以外，坡向还影响降雨。在云南中西部地区，主要受西南暖湿气流影响，西坡为迎风坡，东坡为背风坡，一般情况下西坡降水量多于东坡；东南部地区受东南暖湿气流、西南暖湿气流影响，南坡为迎风坡，北坡为背风坡，一般情况下南坡降水量多于北坡；滇东北地区东北坡为迎风坡，西南坡为背风坡，一般情况下东北坡降水量多于西南坡。
1.3坡度
从农业种植适宜性上，坡度影响水、养份、耕层堆积厚度等指标。例如25度以上极易造成水土流失，对烟草生长不利，这也是当前国家推行的退耕还林区。而坡度太小的平原或低洼地区，易于水处聚集，水肥过剩，也不适宜烟草生长的需要。理想的烟草生长条件为缓缓起伏的坡地，一般坡度以5%为最宜。这类缓坡地不仅土层较厚，而且排水通畅，空气流通。如在冬季夜间温度降低，冷空气顺坡下注，聚集于谷地中，而坡上空气则比较温暖，利于烟草生长。
上述三个指标可用连续的空间分布数值来描述，具有稳定性、基本不随时间的变化，每个空间栅格数值可以准确地从DEM（数字高程模型）计算推导。因此，选择海拔高度、坡度、坡向三项作为评价的主导指标，满足稳定性、主导性、可量化性、可获取原则，是理想的地形地貌评价指标。

2指标权值的确定
权值确定通常有专家咨询法（DELPHI）、层次分析法（AHP）。这里用AHP法，层次分析法(Analytia1HierarchyProcess，简称AHP)是美国匹兹堡大学教授A．L．Saaty于20世纪70年代提出的一种系统分析方法。用AHP分析问题大体要经过以下五个步骤：(1)建立层次结构模型；(2)构造判断矩阵；(3)层次单排序；(4)层次总排序；(5)一致性检验。这里由于因素较少，仅作步骤（2）、（3）、（5）。
1）构造判断矩阵，构造判断矩阵是AHP的关键一步。假设有B1、B2、…Bn因素，咨询并请专家打分，两两比较其重要性：
其中：bij是bi对bj的相对重要性，通常取1，2，3，…，9及它们的倒数，其含义为：
bij=1表示Bi与Bj一样重要，bij=2表示Bi与Bj稍重要
bij=3表示Bi比Bj重要一点，bij=5表示Bi比Bj重要
bij=7表示Bi比Bj重要得多，bij=9表示Bi与Bj极端重要
显然bij=1，bij=1/bji，因此仅需给出上或下三角矩阵。
2）层次单排序，即根据判断矩阵计算各因素的重要性次序的权值，可以归结为计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，即对判断矩阵B，计算满足BW＝λmaxW的特征根与特征向量，式中λmax为B的最大特征根，W为对应于λmax的正规化特征向量，W的分量Wi是相应因素单排序的权值。特征根和特征向量的计算方法有多种：幂法、方根法、和积法，这里采用方根法。
i）    B元素按行相乘
ii）    所得的乘积开n次方
iii）    将方根向量正规化，得特征向量
iv）    计算判断矩阵最大特征根
3)一致性检验，CI=(λmax-n)/(n-1)，如果CI＝0表示完全一致，CI越大，一致性越差。

表1是用地形地貌三项主导指标、按上述方法和步骤计算的结果，CI=7.5E-7,一致性较好。
表1地形地貌权值计算表
    海拔    坡度    坡向    权值    特征向量
海拔    1    3    6    0.667    1.999
坡度    1/3    1    2    0.222    0.666
坡向    1/6    1/2    1    0.111    0.333

3评价处理和结果
3.1空间数据处理
1）    海拔空间数据，可从测绘部门直接获取数字高程模型（DEM）。DEM是测绘生产地形图时，从航测摄影、构成立体像对、直接测量获取的结果，具有直接测量、精确及稳定不变的特点，已经是空间栅格数据格式。根据精度需求，有不同分辨率（栅格大小）的DEM可供选用，太大，不能满足空间精度要求；太小，数据量大增，造成数据资源、存储空间、分析计算的无谓浪费。对云南全省来说，地形起伏较大、变化剧烈，结合DEM的原始分辨率，选90米x90米、每单元接近1公顷，即考虑到宏观面、也照顾微观面的实用性，是合适的选择。根据概述中云南省东西宽865千米、南北长990千米，栅格数据层的单元数是9600x11000超过1亿个，数据量大小已十分可观。
2）    坡度、坡向数据：可由DEM逐点精确计算，有多种算法，如梯度法、中心点8方向法。这里选用的是后一种，为保持坡度、坡向结果总体趋势一致性，避免结果太零碎，需要事先对DEM进行一定平滑处理。
3.2指标定量评价
1）指标定量评价的意义：参与评价的各因子量纲、物理意义、单位大小等不一致，有的是以数字表达，有些是字符型。如果不进行处理，后续的评价分析难以进行，因此，需要对各因素进行分值化处理。过程是：确定指标要素值域范围，确定打分标准，给出分值化函数和参数，分值化处理。
2）打分标准：为便于实际评分操作，常先设置评价分段数，一般常设置4段：最适宜、适宜、次适宜、不适宜或优、良、中、差。为拉伸评分值段、细化评价结果，并考虑到可操作性，分段数可适当增加，这里在上下段各加一段、分为6个段：最适宜+、最适宜、适宜、次适宜、不适宜、完全不适宜。“最适宜+”是最好的参数段，对应100分值；“不适宜”则是一灰色过度带，因考虑到有的地方不会因为一项因子的不适宜就使烟草农作物完全绝收；“完全不适宜”是一票否决制，只要一项因子的不适宜就不适宜种植烟草作物。分值化有多种方式：直线型、指数型，本文主要采用指数型，即遵照传统：60以上为合适，80以上为良好，故：最适宜+、最适宜、适宜、次适宜、不适宜、完全不适宜六个级别段的分值对应：100、100-95、95-80、80-60、60-40、40-0。
3）分值化函数和参数：重点是分段拐点的参数。拐点的参数确定后，分值化函数可用样条、折线等函数。拐点参数的确定可请有经验的专家给出，或利用前人研究的成果，或对比探测法。对比探测法的主要思路是：先将经验值作为初始分级值，然后分别对各因子进行评价，用实际观测的样本数据与评价结果进行比较，看评价结果是否与实际样本数据相符，这样循环进行，直到评价结果与实际样本数据非常相近为止。


图1探测法的流程图

    首先设置种植适宜的级别段数为：最适宜、适宜、次适宜和不适宜四个级别。根据经验值分别设置各指标的分级段的数值，见表2。
表2各指标分级段数值
分级    单位    最适宜    适宜    次适宜    不适宜
海拔（DEM）    米    1400--2000    2000--2200
1400--1200    2200--2400
1200--800    <800or>2400
坡度（DEG）    度    <10    0--15    0--25    >25
坡向（ASP）    （方位）度    90--270    45-315    0--360    
    在上述参数探测评价的基础上，再按六个级别段的分值细化，经过多次循环、探测、比较，海拔（DEM）、坡度、坡向的三项因子的评价参数见表3：
表3海拔、坡度、坡向的三项因子评价参数
分值    100    100-95    95-80    80-60    60-40    0
海拔（DEM）米    1600--1800    1800—2000
1600--1400    2000--2200
1400--1200    2200--2300
1200--800    2300—2400
800--700    >2400
<700
坡度（DEG）
度    0-5    5-10    10--15    15--25        >25
坡向（ASP）
（方位）度    135-215
-1    215-270
90-135    270-315
45-90    315-360
0--45        
    
4）综合评价，即进行个指标要素的空间叠加分析，模型表达式为（2）；

    式中S——每个评价单元的适宜性综合评价指数；
        ——第i个评价因子的相对权重；
        ——第i个评价因子的指标定量评价；
        n——为评价因子数。

5）、分级定性评价，为便于区划、统计分析及指导实践，需要对评价连续分值结果进行分级、定性评价，
3.3评价结果分析
地形要素综合评价结果统计见表4
表4地形要素综合评价结果统计表
    最适宜    适宜    次适宜    不适宜
面积（KM2）    ７６４０５    １３４２５５    ４９８４１    １２２７１５
百分比（%）    ２０％    ３５％    １３％    ３２％
从表4看出，仅考虑地形地貌的基本要素时，全省有一半左右的国土面积是适宜烤烟种植的，最适宜的面积大概占五分之一，不适宜的面积大概占三分之一。从分布范围看，最适宜区域在中部纬度，主要集中的区域是滇东部分，昆明、玉溪、红河、曲靖、文山几个地州，其次是楚雄、昭通、大理、保山，这与传统的烟区分布是一致的。用全省基本烟田分布叠加后检查，全部位于由于最适宜、适宜区域，说明评价结果是可靠的。
放大图形窗口来看，即使在比较集中的最适宜区域，也还是夹有许多不适宜的小块，这主要是云南的地形破碎，而评价栅格单元是90米x90米，这也放映了这次评价的精细性。总体来看，由于数据采集的困难性，该评价只选取了地形地貌的几项基本要素，没考虑微观环境多方面的因素，实际的最适宜、适宜区域应比这结果要小一些。
参考文献
[1]云南省计委、云南省国土厅，云南省国土资源遥感综合调查[M]，云南省科技出版社，2004，P15
[2]邬伦、刘瑜、张晶等，地理信息系统原理、方法和应用[M]，北京大学出版社，2000
[3]AndyMitchell.TheESRIGuidetoGISAnalysis[M].NewYork:ESRI,2000
研究方向：“3S”集成与应用