【毕业学位论文】（Word原稿）基于GIS的环境问题尺度推绎研究——以黄土高原延河地区为例环境工程硕士论文

密级 论文编号 中国农业科学院 学位论文 基于 环境问题尺度推绎研究 以黄土高原延河地区为例 on in of IS in i on in of IS in 要 本文是以黄土高原小流域成功治理经验向大区域推广的研究背景为依托，以探讨环境问题中尺度推绎（上推）的理论 和方法为目的，围绕着如何进行尺度推绎而展开论述，并最终为黄土高原水土流失治理、生态重建及该地区环境系统的可持续性发展提供技术指导和服务。 本文首先阐述了黄土高原地区实现尺度推绎的理论与方法，提出以尺度域为单元进行尺度推绎，并在中观尺度域内建立了适合本文研究背景的尺度等级；为克服尺度推绎中常常出现的空间异质性问题而采取了先通过自然生态与社会经济综合区划确定中尺度同质区域，再计算小流域与中尺度同质区域相似性的方法，确定尺度推绎适宜区域，并建立了适宜于整个黄土高原综合区划指标体系和尺度推绎评价指标体系。 本文选择 延河流域和纸坊沟试点区为实证研究区域，在数据收集处理的基础上，应用极差标准化、 权法和系统聚类分析法得到综合区划结果，进而应用相对综合指数和距离指数找到尺度推绎适宜区域，并对综合区划和尺度推绎的合理性，所采用的理论和方法以及存在的问题进行了细致的讨论。 本文在研究方法方面，首次提出以尺度域的划分为背景，建立尺度等级，并应用自然生态和社会经济综合区划的方法寻找中尺度的同质区域，以克服环境科学中其它尺度推绎方法 有处理好的空间异质性问题，它对于填补尺度推绎方法的空白，完善尺度推绎理论和方法体系是有借鉴和推 动作用的。 关键词：环境，黄土高原，尺度推绎，综合区划，指标体系 he is on of of in to a in of is to of in of to of in of in in As s of be on is to to be in of In to of of is so as to on is to be of On of on as in On of of be by of to of of in be on in is of to on so a to in be is a of in an in of 录 第一章 绪 论 . 1 境领域中尺度及尺度推绎的概念 . 1 境领域中尺度推绎研究的现状 . 1 际尺度推绎研究的现状 . 1 内尺度推绎研究的现状 . 2 文的研究背景 . 3 文的研究目的与意义 . 4 文的研究目的 . 4 文的研究意义 . 4 第二章 理论与方法 . 5 论基础 . 5 度域 . 5 间异质性 . 6 究方法 . 6 合区划方法 . 7 尺度推绎方法 . 9 . 11 第三章 研究区域 . 13 河流域概况 . 13 然生态背景 . 14 会人文背景 . 15 点区安塞县纸坊沟概况 . 15 然生态背景 . 16 会人文背景 . 17 第四章 数据处理 . 18 据的获取 . 18 化指标 . 18 始数据的预处理 . 19 . 19 据的预处理 . 20 影变换 . 20 . 21 . 21 . 23 . 23 . 24 政单元数据的处理 . 25 乡为统计单位的图层生成 . 25 值数据的处理 . 28 . 29 . 30 . 31 据的标准化处理 . 32 第五章 自然生态与社会经济综合区划 . 35 据加权 . 35 权法的基本原理 . 35 应用 . 36 类分析 . 42 合区划结果 . 45 . 45 . 45 v 于综合区划结果的讨论 . 47 . 47 . 48 第六章 尺度推绎 . 50 化尺度推绎指标体系 . 50 对综合指数 . 51 度推绎结果 . 52 于尺度推绎结果的讨论 . 52 度推绎结果的合理性 . 52 . 53 第七章 分析与讨论 . 54 文研究的实践意义 . 54 于理论与方法的探讨 . 54 于理论模式的讨论 . 54 . 54 度推绎研究方法的对比 . 55 于数据处理的探讨 . 55 文研究中的主要问题 . 56 . 56 . 56 第八章 结语 . 57 参考文献 . 59 致 谢 . 65 附 录 . 66 作者简历 . 76 表目录 图 2综合区划指标体系框架图 . 8 图 2尺度推绎技术路线图 . 12 图 3延河流域三县（区）地理位置图 . 13 图 3纸坊沟地理位置图 . 16 图 4配准用图 . 21 图 4延河流域三县（区） . 21 图 4延河流域三县（区）乡镇行政区划矢量图 . 21 图 42000年土地利用类型矢量 . 21 图 4延河流域三县（区）坡度图 . 24 图 4延河流域三县（区）坡向图 . 24 图 4延河流域三县（区）土地利用类型栅格图 . 26 图 4延河流域三县（区）土地利用程度图 . 26 图 4延河流域三县（区）农村居民点分布图 . 27 图 4河流域三县（区）人口密度图 . 28 图 4河流域三县（区）粮食单产图 . 28 图 4河流域三县（区）人均 . 28 图 4河流域三县（区）单位耕地面积上水利设施个数分布图 . 28 图 4河流域三县（区）降雨分布图 . 29 图 4河流域三县（区）气温分布图 . 30 4河流域三县（区）道路通达性图 . 31 图 4河流域三县（区）灌溉潜力图 . 31 图 5延河流域三县（区）自然生态与社会经济综合区划预处理图 . 41 图 5栅格数据 值导出过程图 . 43 图 5样本区间聚类树形图 . 44 图 5延河流域三县（区）自然生态与社会经济综合区划生成图 . 45 图 5延河流域三县（区）自然生态与社会经济综合区划结果图 . 46 图 5综合区划类型区域所含乡镇个数占延河流域全区总乡镇个数的比例图 . 48 图 6综合区划类型相对综合指数对照图 . 53 表 4综合区划指标体系量化表 . 18 表 4. 20 表 4以乡为单位的社会经济量化指标值表 . 21 表 4以县为单位的社会经济统计数据量化指标表 . 23 表 4土地利用类型及分级表 . 25 表 4延河流域三县（区）土地利用程度表 . 25 表 4延河流域三县（区）部分以乡镇为统计单位的量化指标指数标准化值表 . 33 表 5判断矩阵 . 35 表 5. 36 表 5平均随机一致性指标 . 36 表 5延河流域三县（区）社会经济指标体系的层次结构表 . 37 表 5. 37 表 5断矩阵 . 37 表 5. 38 表 5. 38 表 5. 38 表 55. 38 表 5层排序与一致性检验表 . 39 表 5河流域三县（区）社会经济指标体系权值表 . 39 表 5河流域三县（区）自然生态与社会经济综合区划指标体系权值表 . 40 表 5本区间表 . 43 表 5终聚类区间表 . 45 表 5合区划类型区域覆盖表 . 46 表 5合区划类型区域乡镇所占各自所属县（区）乡镇总数的百分比表 . 47 表 5河流域各区县所含乡镇所占综合区划各类型乡镇总数的百分比表 . 47 表 6延河流域三县（区）尺度推绎评价指标体系表 . 50 表 62000 年综合区划类型区域尺度推绎评价指标体系指数值表 . 51 表 6纸坊沟尺度推绎评价指标体系指数值表 . 51 表 6延河流域三县（区）尺度推绎评价指标体系权值表 . 51 表 6相对综合指数表 . 52 表 6距离指数值表 . 52 业术语汇集表 专业词汇名称 解释说明 矢量 矢量是指通过记录地理实体坐标的方式精确地表示点、线、面等实体的空间位置和形状 栅格 栅格是指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示 地理实体的一种数据组织形式 配准 将一个图层的投影坐标转换为基准的投影坐标的过程 图层 图层是地理信息系统软件基本的存储单元，它是地图某个专题的地理特征的空间信息的逻辑集合 字高程模型 理控制点，用来将全部 征登录到同一个坐标系 件图形和属性编辑模块 件处理栅格图层模块 件 块计算坡度的命令 件 块计算坡向的命令 件传递矢量图层特征的命令 件中提取图形特征的命令 件由矢量多边形转换为栅格多边形的命令 件计算同一地区点到线距离的命令 件进行克里金插值运算的命令 件 块中完成循环功能的子模块 件重新选择多边形特征的命令 件多边形与多边形叠加并 保存交集特征的命令， 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 境领域中尺度及尺度推绎的概念 尺度（ 大环境系统中各个子系统传递信息的空间和时间范畴（孙美玲等， 2002），环境科学领域内许多的理论和方法体系都要涉及到尺度，因此尺度问题是研究环境科学的学者所共同关心的问题。在环境科学领域内尺度被定义为：尺度是空间和 /或时间的分析范围，在这一分析范围内，可以用来测量和研究事物及过程。 尺度推绎（ 指利用某一尺度上所获取的信息和知识来推测其他尺度上的现象。在这一过程中，包含 3 个 层次的内容： （ 1） 尺度的放大或缩小； （ 2） 系统要素和结构随尺度变化而重新组合或显现 ；（ 3） 根据某一尺度上的信息（要素、结构、特征等），按照一定的规律或方法，推测、研究其它尺度上的问题。一般而言，在环境领域中所研究的尺度是一种时空尺度，是指所研究客体或过程的时间维和空间维，常用粒度 （ 幅度 （ 描述。 境领域中尺度推绎研究的现状 环境系统是由不同级别子系统构成的复杂巨系统，在其系统内的不同层次和不同运行周期上存在着明显的时空尺度，在试图用某一尺度上发生的某种机制来单纯解释多个 尺度运行机制或层次格局特征的科学合理性被否定掉之后，探讨不同尺度之间信息的传递规律，获取未知尺度信息的尺度推绎研究一直是环境领域研究的重要内容和关注焦点。近几十年来，随着生态学、地学的发展和复杂系统研究的深入，尺度推绎研究在环境领域内取得了长足的发展，并形成了相应的尺度推绎理论和方法，尺度推绎研究内容在逐渐被完善。 际尺度推绎研究的现状 国际尺度推绎研究的成果主要体现在尺度推绎分类、尺度推绎理论和尺度推绎方法三个方面。 （ 1）尺度推绎分类 尺度推绎分类是尺度推绎研究的序曲，是尺度推绎研究中很重 要的一部分内容。在这方面， 理论比较有代表性，他们认为尺度推绎可以分为两种类型：尺度上推（ 将小尺度的信息推绎到大尺度的过程）和尺度下推（ 将大尺度的信息推绎到小尺度上的过程）。而 照构建尺度推绎模型的过程不同，把尺度推绎划分为显式尺度推绎 (隐式尺度推绎 (此外据尺度推绎所依据的时空纬度不同，把尺度推绎划分为空间尺度 推绎(时间尺度推绎 (前者指在空间范围上进行尺度推绎，后者指在中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 2 时间幅度上开展尺度推绎。 （ 2）尺度推绎理论 尺度推绎理论是尺度推绎方法的基石，在研究尺度推绎方法之前必须先解决好尺度推绎理论的问题。 提出的等级理论对尺度推绎的研究十分有益，该理论能够简化复杂的环境系统，将不同的环境子系统过程纳入离散的时空尺度，解析不同尺度等级上环境子系统的结构、特征、功能及相互关系，从而为构建尺度推绎模型提供理论依据。 为分形理论可以联系环境系 统中不同等级尺度上的格局特征，揭示多等级尺度上系统特征的相似性和差异性，从而为多尺度、跨层次、系统性地研究格局特征、功能和相互关系，进行尺度转换分析和尺度推绎提供依据。除此以外， 区域化随机变量理论、 重正化理论及邬建国的等级斑块动态范式理论都是与尺度推绎有关的理论，这些理论的提出为尺度推绎方法研究打下了坚实的基础，并为尺度推绎方法的发展提供了理论保障。 （ 3）尺度推绎方法 尺度推绎方法的研究是尺度推绎研究的核心内容，它对于解决实际的尺度推绎问题具有无法替代的作用。在这一领域中， 最具有代表性的人物是 总结了尺度推绎的一些基本方法（简单聚合法、直接外推法、期望值外推法等方法），这些方法奠定了尺度推绎方法论的基础。 型应用 统计回归相结合的方法，分析在不同尺度上土地利用驱动力与主要土地利用类型之间的关系，为在多尺度上进行尺度推绎研究提供了很有价值的借鉴。而 出的直接求和法和平均法，是通过小尺度上的信息直接相加或者计算参数平均值，来估计大尺度的信息； 尺度下推的研究中，利用大气环流模式 (栅格细胞的气候异常平均值作为气候变化的信号，通过 粒度和幅度的直接缩小来实现尺度下推；同尺度背景要素之间的关系来进行尺度推绎，是一种间接尺度推绎的研究方法，这些方法都是尺度推绎研究方法的补充，为完善尺度推绎方法体系起到了很重要的作用。 内尺度推绎研究的现状 国内的尺度推绎研究起步较晚，在尺度推绎研究的各个方面还没有形成完整的体系，虽然如此，我国的科研工作者还是为尺度推绎研究的发展做出了一定贡献。赵文武等在“尺度推绎研究中的几点基本 问题”对于尺度研究的现状进行了全面的归纳阐述，为以后的尺度推绎研究的发展提供了有利的参考，是一篇尺度推绎研究方面提纲挈领式的文章。吕一河等在“ 文中论述了跨尺度研究的复杂性；辛晓平，徐斌等在“恢复演替中草地斑块动态及尺度转换分析”中提出尺度的上推或下推一般通过变化模型的粒度和幅度来实现；苏理宏，李小文等在遥感尺度问题研究进展中提出了尺度域的概念；而郭达志等在“论复杂系统研究的等级结构与尺度推绎”中针对复杂系统采用等级理论研究的适宜性及等级结构与尺度推 绎的关系进行 了论述。这些研究都为将来中国广义上的环境尺度推绎研究奠定了良好的基础。 虽然尺度推绎研究在各个方面取得了一定的成果，但是还有相当多的难题悬而未决，例如，尺度推绎理论的完善，尺度推绎方法的发展，尤其是跨尺度推绎方法的成形，需要进一中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 3 步的研究。由于系统的空间异质性、非线性关系、尺度效应和不同尺度上的正负反馈机制等因素而造成的尺度推绎研究过程的复杂性及尺度推绎结果误差来源的多样性、研究结果的不确定性、验证的困难性等也增加了尺度推绎研究体系完善的必要性。另外，因为尺度域（尺度域指的是具有过程、特征相似性的 尺度范围）的科学划分是进行尺度推绎的基本前提，所以尺度域的确定也是一个比较重要的问题。本文正是在这种学术环境背景下，基于尺度推绎方法研究而立题，进行尺度推绎方法的探索，用以完善尺度推绎研究方法体系，为其它领域的尺度推绎研究提供借鉴。 文的研究背景 黄土高原具有十分独特的自然生态景观，以及在此基础上发展的区域社会与经济特征。黄土高原地区水土流失的治理、开发与发展问题长期以来得到了中央与地方各级政府的高度重视，特别是在目前我国所实施的西部大开发与生态环境建设过程中更具有举足轻重的地位。黄土高原地区也是 国际国内科研单位、大专院校与生产实践部门所关注的热点地区，它们长期以来广泛地在这一地区开展了有意义地研究与探索，开发建立了治理试点区，取得了较多的成功治理经验。小流域治理经验就是其中的成功典范之一。 小流域治理是通过对一个单元小区或流域小区内自然资源的合理利用，对农、林、牧地的统一规划与布设，通过生态重建、产业调整、投资分配和土地优化利用等途径，采取科学的工程措施和管理方法，实现水土资源的最佳配置和各种资源的综合有效利用，以建立一个稳定、持久、高效的自然生态与社会经济复合系统。自黄土高原开展小流域试点治理和 试点推广以来，财政部拨出专款，对黄土高原有关小流域治理进行重点扶持；黄土高原地区的地方各级政府和有关部门，在黄土高原相继开展了多条小流域试点的治理工作；“七五”、“八五”和“九五”期间，国家科技部又在黄土高原设立区域治理科技攻关项目，在不同类型区建立了 11 个综合治理试验示范区，并采取以小流域为单元、多学科协同作战、地方力量参与的方式进行治理。小流域试点对水土流失治理的效果比较明显，人均粮食产量稳步增长，人均纯收入显著增加，小流域试点的自然生态和社会人文状况也得到了明显的改善。小流域试点提供了一批水土资源综合 利用优化模式，积累了治理的经验，为治理区农业发展和生态恢复重建打下了坚实的基础。 但是，面对 60万平方公里广袤的黄土高原，如何在众多基础而又成功的试点（或称试区，每个面积不超过 10 平方公里）基础上总结出带有规律性和普遍推广意义的结论（或模式，或经验等），是摆在黄土高原目前开发发展与治理过程中的一个重要课题。黄土高原区域过去在一定区域内选择了一批有代表性的试点，进行治理经验的推广，但是无论这些试点当初选得如何有代表性，无论各级领导或科技人员如何亲自抓推广，想把所获得的模式或经验推广到大面上，事实上往往事与愿违 ，效果并不理想。黄土高原地区大量的事实证明，“典型引路”的思维，在要求生态环境重建的同时农村经济也须得到发展的态势下，以及面对千差万别的社会 经济 生态复合环境，是行不通的。 总而言之，小流域试点的成功经验无法在面上推广，其主要原因还是未解决好尺度推绎或者说尺度放大的问题。综合以上因素，本文力图在空间尺度推绎（放大）方法研究方面有所突破，从而实现科学的小流域治理经验推中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪 论 4 广。 文的研究目的与意义 文的研究目的 （ 1） 本文是以黄土高原小流域成功治理经验的推广为依托，重点研究论述环境领域中尺度推绎的理论和方法（尺度放大的方法），其主要目的在于尺度推绎方法的研究和探索，为以后环境领域中尺度推绎方法的研究提供借鉴。 （ 2） 为黄土高原小流域成功治理经验推广提供技术指导。 文的研究意义 （ 1） 尺度推绎作为一个新的学科发展方向，其研究尚存在诸如基础理论的完善、非线性复杂系统的数学表达、推绎结果的不确定性分析等一些亟待解决的问题。对于这些问题的解决，不仅需要多学科的交流，新的理论、方法和计算机模拟、遥感、 技术的引进，更需要在实际问题中不断探索，进行理论与方法的创新，以推动尺度域识 别、跨尺度信息转换等尺度推绎研究的深入，从而更好地为环境及相关学科的发展服务。本文在尺度推绎方法（尺度放大）方面，进行了有益的探索，为完善尺度推绎理论，开拓尺度推绎方法提供了参考和借鉴。此外，本文还从理论与方法角度拓展了传统的区划研究，在综合区划的技术手段方面进行了积极的尝试，为自然生态与社会经济综合区划的发展做了有益的探索。 （ 2）本文为分析评价延河流域内自然与生态环境、社会经济发展的分布特征、区域资源的综合开发与合理利用、生态环境的整治、保护与重建、因地制宜地发挥地区优势，进一步挖掘区域内资源的潜力并有 效地克服其限制性因素，从而引导区域资源的高 效持续利用模式的优化与发展，为黄土高原地区已经存在的小流域治理模式实现更大范围的应用与推广等方面提供科学依据。本文的研究对黄土高原地区资源的合理开发与利用，社会经济的可持续发展具有较大的实践指导意义。 中国农业科学院硕士学位论文 第二章 理论与方法 5 第二章 理论与方法 理论与方法是科学研究最基本的研究内容，是支撑起科学体系最重要的框架。理论和方法是相辅相成的：理论是方法的基础，而方法是理论的延续，二者缺一不可。本文的核心内容也正是对环境系统中尺度推绎理论和方法的阐述和探讨。 论 基础 理论的研究一般分为三个步骤：提出问题，分析问题和解决问题。而问题的提出往往来源于人们的生产实践，本文也是如此。在第一章研究背景的论述中已经谈到，黄土高原地区的自然生态与社会经济具有十分独特的特征：水土流失严重，自然生态与环境遭到破坏，社会经济发展迟缓。在这种背景下，一些科研院所、 大专院校与生产实践部门，开发建立了治理试点区，取得了较多的小流域成功治理经验，然而成功的治理经验在几万甚至几十万平方公里的大区域上的推广并不成功， 其关键在于：一是过去对“典型”所能代表的区域尺度期望过高，以行政式小流域经验的推 广方式，未考虑社会（组织、领导机制、 粮食保障）、人文（传统观念、习惯）、经济（投资、信息、运输、市场、原料供应、产业形式等）因素，忽略了随着尺度的增大，所涉及的因素会越来越多，以至使在小尺度试点上能成功的做法，到了大尺度上就几乎无法适用，因而即使是本身很成功的小流域经验，也不可能自动地适用于大尺度的区域；二是基础自然条件相同度的不明晰（没有可操作的判别方法），即无从标识某一个小流域其基础自然生态条件的特定性，以及将自然生态条件基本相同的地域单元进行按类归并，也无法使小流域经验的推广建立在科学的基础之上。基于 这两点原因，可以得到这样的结论，如果在黄土高原地区进行尺度推绎研究，就必须解决好尺度域和空间异质性的问题。 度域 尺度域是指具有过程、特征相似性的尺度范围。由于受制于相应的尺度，当时空尺度发生变化时，这些系统实体和过程的性质也会发生变化，甚至显著变化而表现出以断点为标志的尺度域（赵文武等， 2002）。在同一尺度域内，其系统过程具有相似性，尺度推绎容易，模型简单，可预测性高；而当跨越尺度域进行尺度推绎时，由