層次聚類分析法在貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃中的應(yīng)用

李 瑞，李 勇

(1.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州貴陽(yáng) 550002;2.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站，貴州 貴陽(yáng) 550002)

層次聚類分析法在貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃中的應(yīng)用

李 瑞1，2，李 勇2

(1.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州貴陽(yáng) 550002;2.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站，貴州 貴陽(yáng) 550002)

層次聚類分析法;水土保持區(qū)劃;四級(jí)區(qū)劃;貴州省

通過(guò)貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃試驗(yàn)，探討層次聚類分析法在水土保持區(qū)劃中的應(yīng)用，為貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃及其他水土保持規(guī)劃工作提供參考。根據(jù)劃分結(jié)果，將國(guó)家水土保持三級(jí)分區(qū)中的滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)劃分為黔西北山地河谷農(nóng)田保護(hù)與水質(zhì)維護(hù)區(qū)和黔西南高原山地保土蓄水區(qū)，并依據(jù)行政區(qū)劃連續(xù)性原則進(jìn)行人工調(diào)整得到最終分區(qū)結(jié)果。最后，對(duì)比數(shù)學(xué)模型法和定性定量分析法，驗(yàn)證了層次聚類分析法的應(yīng)用效果。

根據(jù)水利部批復(fù)的《全國(guó)水土保持規(guī)劃任務(wù)書》(水規(guī)計(jì)［2010］540號(hào))，全國(guó)水土保持規(guī)劃的首要任務(wù)是制定全國(guó)水土保持區(qū)劃方案，目前已經(jīng)完成了全國(guó)水土保持一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)區(qū)劃工作。貴州省全境涉及1個(gè)國(guó)家一級(jí)分區(qū)(西南巖溶區(qū))、1個(gè)二級(jí)分區(qū)(滇黔桂山地丘陵區(qū))和4個(gè)三級(jí)分區(qū)(滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)、黔中山地土壤保持區(qū)、黔桂山地水源涵養(yǎng)區(qū)和滇黔桂峰叢洼地保土蓄水區(qū))?？紤]到國(guó)家三級(jí)分區(qū)中的黔中山地土壤保持區(qū)和滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)涉及貴州省的縣級(jí)行政區(qū)多、面積大，需對(duì)這兩個(gè)三級(jí)分區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)劃，完成貴州省水土保持四級(jí)分區(qū)。借鑒國(guó)內(nèi)水土保持區(qū)劃方法［1－2］，筆者以滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)為例，探討層次聚類分析法在水土保持區(qū)劃中的應(yīng)用，以期為貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃及其他水土保持規(guī)劃工作提供參考。

1 層次聚類分析法

層次聚類是目前應(yīng)用最為廣泛的一種聚類方法，其基本思想是:先將待聚類的n個(gè)樣品(或者變量)各自看成1類，共有n類;再按照選定的方法計(jì)算每2類之間的聚類統(tǒng)計(jì)量，即某種距離(或者相似系數(shù))，將關(guān)系最為密切的2類合為1類，其余不變，即得到n－1類;然后按照前面的計(jì)算方法計(jì)算新類與其他類之間的距離(或相似系數(shù))，將關(guān)系最為密切的2類并為1類，其余不變，即得到n－2類;如此下去，每次重復(fù)都減少1類，直到最后所有的樣品(或者變量)都?xì)w為1類為止［3］。

應(yīng)用層次聚類分析法進(jìn)行水土保持區(qū)劃的基本步驟:①數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。水土保持區(qū)劃中被聚類的對(duì)象是由多個(gè)要素構(gòu)成的，不同要素的數(shù)據(jù)往往具有不同的單位和量綱，且數(shù)值差異可能很大，這會(huì)對(duì)分類結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，在分類要素的對(duì)象確定后、進(jìn)行聚類分析前，要先對(duì)各聚類要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要方法有總和標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化及極大值標(biāo)準(zhǔn)化等。②樣品與樣品之間的距離。在應(yīng)用層次聚類法進(jìn)行水土保持區(qū)劃實(shí)踐中，把每個(gè)分類對(duì)象(一般以縣級(jí)行政區(qū)為單元)稱為樣品，樣品與樣品之間的距離一般采用歐式距離或歐式距離平方。本研究采用歐式距離平方計(jì)算樣品與樣品之間的距離。③聚類方法。主要有直接聚類法、最短距離聚類法、最遠(yuǎn)距離聚類法、ward聚類分析法等。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ward聚類法在貴州省水土保持區(qū)劃中分類效果最好，因此本研究擬采用ward聚類分析法進(jìn)行貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃。

層次聚類分析法具有分類客觀、科學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)該方法是將各樣本的不同要素(指標(biāo))進(jìn)行計(jì)算后按照一定規(guī)則聚類，在水土保持區(qū)劃中難以保障行政區(qū)劃的連續(xù)性，因此運(yùn)用層次聚類分析法計(jì)算后需對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行人工調(diào)整，以保證縣域行政區(qū)的連續(xù)性。

2 貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃

根據(jù)貴州省水土保持區(qū)劃綱要，其水土保持四級(jí)區(qū)劃將在國(guó)家水土保持三級(jí)區(qū)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行，主要任務(wù)是對(duì)涉及縣域較多的三級(jí)分區(qū)——黔中山地土壤保持區(qū)和滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)進(jìn)行四級(jí)區(qū)劃。本研究以滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)為例，探討層次聚類分析法在貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃中的應(yīng)用。

2.1 區(qū)劃指標(biāo)及取值

滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)涉及貴州省21個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。以這21個(gè)縣級(jí)行政區(qū)為樣本，區(qū)劃指標(biāo)主要有海拔、人均GDP、多年平均氣溫、≥10℃活動(dòng)積溫、人口密度、坡耕地占土地利用面積比例、森林覆蓋率、石漠化面積比例、水土流失面積比例、水土流失治理面積比例等。根據(jù)各縣上報(bào)的區(qū)劃指標(biāo)最新數(shù)據(jù)，進(jìn)行校正后作為最后劃分依據(jù)。因各指標(biāo)觀測(cè)值具有不同的數(shù)量級(jí)和單位，直接計(jì)算距離常使數(shù)值較小的指標(biāo)失去作用，為提高分類效果，本研究采用總和標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 區(qū)劃結(jié)果

采用ward聚類分析法，基于統(tǒng)計(jì)分析軟件平臺(tái)IBM SPSS 19進(jìn)行貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃。

依據(jù)SPSS平臺(tái)輸出的樹狀圖，將滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)初步劃分為2個(gè)四級(jí)分區(qū)，再進(jìn)一步根據(jù)涉及縣區(qū)的水土流失、保土蓄水、地形地貌等特征，將初步劃分結(jié)果分別命名為黔西北山地河谷農(nóng)田保護(hù)與水質(zhì)維護(hù)區(qū)和黔西南高原山地保土蓄水區(qū)。按照貴州省行政區(qū)劃圖，根據(jù)區(qū)劃連續(xù)性原則，對(duì)初步劃分的四級(jí)分區(qū)進(jìn)行調(diào)整，即將普安縣從黔西北山地河谷農(nóng)田保護(hù)與水質(zhì)維護(hù)區(qū)調(diào)整到黔西南高原山地保土蓄水區(qū)，將赫章縣從黔西南高原山地保土蓄水區(qū)調(diào)整到黔西北山地河谷農(nóng)田保護(hù)與水質(zhì)維護(hù)區(qū)，調(diào)整后的水土保持四級(jí)區(qū)劃結(jié)果見表1。

表1 滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)四級(jí)區(qū)劃結(jié)果

本次劃分結(jié)果比較理想，符合《全國(guó)水土保持區(qū)劃導(dǎo)則》中水土保持區(qū)劃保持縣級(jí)行政區(qū)完整性和連續(xù)性的基本原則。黔西北山地河谷農(nóng)田保護(hù)區(qū)與水質(zhì)維護(hù)區(qū)包括遵義市的桐梓、習(xí)水、赤水、仁懷以及畢節(jié)市的威寧、赫章、畢節(jié)、大方、黔西、金沙、織金、納雍，共計(jì)12個(gè)縣級(jí)行政區(qū);黔西南高原山地保土蓄水區(qū)包括六盤水市的鐘山、六枝、水城、盤縣，安順市的關(guān)嶺以及黔西南州的興仁、晴隆、貞豐、普安，共計(jì)9個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。兩個(gè)四級(jí)分區(qū)的地形地貌、水土流失及石漠化特征明顯不同。黔西北山地河谷農(nóng)田保護(hù)與水質(zhì)維護(hù)區(qū)海拔約1 000 m，石漠化面積約占30%，坡耕地占土地利用面積的30%以上，森林覆蓋率在40%以上，坡耕地面積大是造成該區(qū)水土流失的重要原因。黔西南高原山地保土蓄水區(qū)位于貴州省西南部，西接云南，海拔約1 500 m，森林覆蓋率約30%，石漠化面積比例在40%以上，坡耕地占土地利用面積的20%左右，植被破壞及石漠化是導(dǎo)致該區(qū)水土流失的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

以國(guó)家水土保持三級(jí)分區(qū)——滇黔川高原山地保土蓄水區(qū)為例，采用層次聚類分析法中的ward聚類分析法進(jìn)行貴州省水土保持四級(jí)區(qū)劃，劃分結(jié)果較為理想。一方面層次聚類分析法計(jì)算方法較客觀，各指標(biāo)取值確定后不受人為因素干擾;另一方面基于SPSS等統(tǒng)計(jì)軟件平臺(tái)，劃分過(guò)程高效快捷，且易掌握。不足之處是行政區(qū)劃連續(xù)性相對(duì)較差，要對(duì)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行人工調(diào)整。從本次試驗(yàn)結(jié)果看，選取恰當(dāng)?shù)木垲惙椒商岣邊^(qū)劃準(zhǔn)確度，例如本研究選用ward聚類分析法進(jìn)行區(qū)劃時(shí)僅需對(duì)2個(gè)縣級(jí)行政區(qū)進(jìn)行人工調(diào)整。

此外，為了驗(yàn)證不同計(jì)算方法的區(qū)劃效果，筆者還采用數(shù)學(xué)模型法和定性定量分析法等進(jìn)行了區(qū)劃試驗(yàn)。其中，數(shù)學(xué)模型法的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方法比較客觀，引入權(quán)重可以使指標(biāo)的重要性得以體現(xiàn)，缺點(diǎn)是縣級(jí)行政區(qū)連續(xù)性不好解決，權(quán)重的取值具有一定的主觀性，會(huì)影響最終區(qū)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性;定量定性結(jié)合分析法的優(yōu)點(diǎn)是行政區(qū)劃的連續(xù)性較好，缺點(diǎn)是不能全面體現(xiàn)各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，主觀性較大，工作人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備將直接影響最終的劃分結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比數(shù)學(xué)模型法和定性定量分析法，層次聚類分析法計(jì)算簡(jiǎn)單、區(qū)劃效果好，并決定選擇層次聚類分析法作為最終的區(qū)劃方法。

［1］韓成軍.關(guān)于青海省水土保持區(qū)劃的思考［J］.中國(guó)水土保持，2011(9):45－47.

［2］景可.黃土高原生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃研究［J］.中國(guó)水土保持，2006(12):11－13.

［3］言迎，王應(yīng)龍，楊延.層次聚類分析法在土地利用分區(qū)中的應(yīng)用——以益陽(yáng)市南縣為例［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2009(5):83－85.

S157

A

1000－0941(2013)02－0021－02

李瑞(1979—)，男，貴州盤縣人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水土保持研究及管理工作。

2012－10－30

(責(zé)任編輯 李楊楊)