毕业设计论文-基于遥感技术的土地覆盖变化及其生态效应研究.docx

毕业论文 题 目：基于遥感技术的土地覆盖变化及其生态效应研究以南靖县为例 学 院： 资源工程学院 专 业： 测绘工程 学 号： 二0一六年六月三日基于遥感技术的土地覆盖变化及其生态效应研究以南靖县为例 摘要：本文从遥感数据源选择、遥感数据预处理、土地覆盖遥感分类、土地覆盖变化动态信息提取等方面对土地覆盖变化对生态环境效应影响进行系统的论述，通过遥感数据解译得到南靖县的四期土地利用数据，对遥感影像进行增强处理，采用监督分类的方法，获取南靖县各评价因子的值，最后进行必要的运算之后，并且研究了南靖县的土地覆盖变化的驱动力机制，采用综合分析的方法对南靖县的生态环境进行了评价。 关键词：遥感；土地覆盖；生态环境目录1 绪论41.1选题依据与研究意义41.2研究内容及技术路线41.2.1研究内容41.2.2技术路线42 研究区域概况52.1 自然地理概况52.2 社会经济状况53 土地覆盖变化信息提取与分析53.1遥感数字图像来源53.2土地覆盖变化分类63.3土地覆盖变化分布特点74 土地覆盖变化的驱动分析84.1 人口因素84.2 自然因素84.3政策因素85 南靖县土地覆盖变化的生态环境评价85.1生态环境评价指标体系85.1.1 生物丰度指数95.1.2 植被覆盖指数95.1.3土地退化指数的权重及计算方法95.1.4 土地胁迫指数105.1.5 污染负荷指数105.1.6 环境限制指数105.1.7 生态环境状况指数115.1.8 生态环境状态分级115.1.9 生态环境状况变化分析115.2 南靖县生态环境评价125.2.1 计算结果125.2.1生态环境评价126 结果与不足126.1结果126.2不足13参考文献 致谢1 绪论1.1选题依据与研究意义 随着经济水平的提高，如资源滥用、粮食欠缺、环境破坏、人口增长等全球性问题日趋严重，关于土地覆盖变化而成为全球变化研究领域中的热门问题之一，各国研究者加强了对LUCC的研究工作。 1995年IGBP(全球地圈与生物圈计划)和HDP(全球变化中的人文领域计划)联合提出了土地利用/土地覆被变化(Land use and Land cover change LUCC)科学研究计划，此项目利用研究土地覆盖变化、生态环境效应、人类社会因素三者之间相互作用的内在机制，从而准确预测土地覆盖变化，评价其所引起的生态环境效应。 自改革开放四十年以来，全国经济飞速发展，城市化快速进行，建设用地需求量不断增加，农业用地不断递减。本文以福建省南靖县为研究区域，通过分析区域内人类活动对土地覆盖变化的影响，找出土地覆盖变化的影响因素，研究土地覆盖变化特点和内在变化机制，并对土地覆盖变化的生态环境效应进行评价。本文通过对县域尺度的研究，为其他地区区域土地覆盖变化研究的提供典型案例，对其他县域地区土地覆盖变化及其生态环境效应分析研究具有较好的参考意义，同时研究成果可为南靖县土地利用可持续发展，人类与自然和谐发展，制定政策提供一定的理论依据。1.2研究内容及技术路线1.2.1研究内容 本文以南靖县为主要研究对象，使用遥感技术对南靖县进行土地利用动态监测和生态环境评价，主要内容如下：1、遥感信息提取技术的研究:研究使用遥感数据资源并结合其他辅助资料如何提取土地利用信息和相关生态环境信息的遥感影像处理方法，为今后研究应用遥感技术、开展高效的监测评价机制开辟新途径。2、土地利用动态监测:以遥感数据为主要数据源，以地理信息系统软件和遥感软件作为分析平台，研究南靖县近二十年(1996、2002、2009、2014)的土地利用的变化情况以及未来的变化趋势，也同时分析研究区域内的土地覆盖的动态变化的驱动力机制，为政府部门提供实时性、基础性、全面性的信息，为政府决策提供信息。3、生态环境评价:结合遥感信息和遥感监测结果，选取适合的生态环境评价的评价因子，构造生态环境评价模型，对南靖县的四期生态环境进行比较评价，通过得到的监测和评价的结果对研究区进行生态环境分区，并对各个区域给出可持续发展的合理建议，促使人类与自然协调发展，实现经济社会、土地资源、生态环境的可持续发展。1.2.2技术路线 技术路线：系统地整理二十年以来南靖县土地利用有关资料，应用遥感技术，对本区土地演化进行动态的时空一体化研究，摸清土地类型演变的原因和动态规律，找出其内在变化机理。并参照多学科先进理论与方法，发挥多学科优势，例如地理学、湿地学、生态学、遥感和地理信息系统科学、农业科学等，围绕土地覆盖与生态环境动态变化及其内在机制，对南靖县土地利用及其对生态环境的影响进行整体综合研究。综合运用地理湿地学、生态环境科学、遥感技术科学，借助先进的3S技术(遥感技术RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS)强大的空间数据分析与集成能力，配合野外调研与实验，对南靖县土地利用与生态环境系统的正常演化、相互作用过程进行大面积、动态的时空一体化的研究，寻求适应南靖县土地资源的可持续利用。图1-1 技术路线图2 研究区域概况2.1 自然地理概况 南靖，隶属漳州市，县内坐落非常多的世界文化遗产土楼，位于九龙江西溪上段，距厦门90多公里，众多国道、高速、铁路穿境而过。东南西北分别与华安县，平和县，永定县，龙岩市相连。南靖县境内因受地壳运动的影响，致使南靖县受断裂带和褶皱带影响，分别受力点为东南部和西部，整个县域地势成西北向东南倾斜，构成县境内复杂的地貌特点。海拔最高与最低相差1000多米，各山谷交错，群峰分布，地处亚热带地气候区适合亚热带经济作物的生长，可依次分为山地、丘陵、山谷和平原。2.2 社会经济状况 近年来，南靖县经济蓬勃发展，2014年全县GDP达到195.5亿元，人民生活水平不断的到改善，另外南靖县旅游业发达，有名胜古迹金山鹅髻山、凉露亭，和溪碧云岩，宝珠山道源亭，龙山白石岩龙凤山庙，书洋塔下德远堂。特产有南靖芦柑，南靖金线莲，南靖兰花，南靖香蕉等。 南靖是第二批农产品无公害示范县、闽台农业合作示范县和高优农业示范区，是科技工作、体育工作、民政工作、村镇建设、文物保护先进县，水土保持生态建设示范县，福建省林业工作十佳县，是原中央苏区县。3 土地覆盖变化信息提取与分析3.1遥感数字图像来源 本文选取1996年至2014年南靖县遥感图，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心（表3-1）。表3-1 遥感影像一览表年份数据类型空间分辨率获取时间1996年2002年2009年2014年Landsat TMLandsat ETMLandsat TMLandsat OLI30m30m30m30m1996年10月31日2002年10月8日2009年10月19日2014年10月17日3.2土地覆盖变化分类 本次研究应用监督分类中的最大似然法，参照土地利用现状图，结合实地调查获取的先验知识，在四期遥感影像上分别选择耕地、植被、水域、城市用地和未利用地等5类土地覆盖的分类样本。评价分类样本的精度常用的方法是检查样本的可分离性，可用J-M距离来表示，J-M距离介于0-2之间，越大表明样本可分离性越高，一般要求大于1.8。在Envi4.6中通过建立分类样本区域(ROI选取好训练样本后，利用ComputeROI Separability功能计算各分类样别之间的J-M距离，经过反复修改训练样本，各类别之间的J-M距离均大于1.8。遥感影像分类的精度直接影响遥感影像分类结果的可信度。分类精度常用总体精度(Overall Accuracy)和Kappa系数(KappaCoefficient)来评价，常用的抽样方法有系统抽样、随机抽样、分区抽样和系统分区随机抽样。本研究参考2014年土地利用现状图通过目视判读法在1996、2002、2009、2014年遥感影像上分别随机抽取1563、2182、2231、1762个地面检查点，利用Classification模块PostClassification子模块下混淆矩阵(Confusion Matrix)对两期遥感影像分类结果进行评价。结果表明:1996年遥感影像分类总体精度为80.1%， Kappa系数为0.81 , 2002年遥感影像分类总体精度为81.21% ，Kappa系数为0. 84，2009年遥感影像分类总体精度为84.23%， Kappa系数为0.82，2014年遥感影像分类总体精度为81.84%， Kappa系数为0.80，可以达到分类精度要求。 将研究区内的土地覆盖分为五个类型：耕地、植被、水域、城市用地、未利用地。其中植被包括草地与林地。根据遥感影像的色调、纹理等特征建立五种土地覆盖类型的遥感解译标志。分类结果如图3-1：图3-1 1996年2004年土地覆盖类型分布图3.3土地覆盖变化分布特点 根据遥感影像和建立的解译标志，获得研究区1996、2002、2009、2014年土地覆盖现状，各类型土地组成见表3-2，1996年到2014年各类型土地变化见图3-3。表3-2 1996年2014年土地组成类型面积变化表/ hm2年份植被耕地水域城市用地未利用地1996200220092014132065.07135127.96134952.34134073.2925958.3524136.2623076.9420890.602125.692507.112268.242594.587393.218482.3210568.7416176.9127346.2024634.8724022.2621153.14图3-3 1996年2014年土地覆盖面积变化图 根据表3-2与图3-3，可知：南靖县的植被面积最为广阔，约占总面积的70%，其次是未利用地与耕地，基本占总面积的10%-15%，城市用地第三，所占比例不超过10%，而水域面积所占比例最小，为1%左右。植被面积1996年为132065.07 hm2，后不断上升，到2009年时面积已有134952.34 hm2，但2014年面积稍有减少，为134073.29 hm2，但总体呈上升趋势。随着南靖县的不断发展，耕地面积逐年递减，从1996年的25958.35 hm2减少到了2014年的20890.6 hm2。与之相反的是城市用地，其面积从1996年的7393.21 hm2增加到2014年的16176.91 hm2，而未利用地也随着城市的发展呈逐年递减的走势，由1996年的27346.2 hm2减少为21153.14 hm2，此外水域面积稍有变化，但波动较不明显。4 土地覆盖变化的驱动分析4.1 人口因素 人口因素是导致区域内土地利用变化的重要影响因素之一，随着社会生活水平的提高，人口不断增长，必然交通、用水、用地的需求量增加，农业用地不断减少，这也随之影响土地覆盖变化，从而影响生态环境，虽然国家有对农用地占补平衡的政策，但最终效果不佳，这样加剧生态环境的恶化。4.2 自然因素 水文、降水、气候、日照等自然地理的因素对南靖县的土地覆盖变化有着重要的作用。首先，较为平坦的地区为南靖县城市建设用地的扩展提供了广大的空间，南靖县城市建设用地可以较为空旷的地区发展而不会受到地形的阻碍，这使得南靖县城市建设用地高速增长，区域内的农业用地则迅速减少。其次，南靖县河网密集，溪流发达，这些水系为农业生产提供了充足的水源和水能。4.3政策因素 国家对基础设施和房地产的不断投入，是为了增加经济的发展，增加就业机会，然而导致城市建设用地与农业用地的矛盾进一步加剧。随着农业用地和城市建设用地的不平衡发展，耕地减少、林地大幅缩减、水域面积缩小等情况的发生，国家政策的变化对南靖县土地覆盖变化产生了较大影响，今后依然产生深刻影响。5 南靖县土地覆盖变化的生态环境评价5.1生态环境评价指标体系 国家环保部于2015年3月13日发布了生态环境状况评价技术规范（试行）（HJ 192-2015），本文利用其规定的生态环境状况评价指标体系和各指标计算方法对南靖县的生态环境状况进行评价。5.1.1 生物丰度指数5.1.1.1 权重表5-1 生态环境质量指数各类型分权重类型林地草地水域湿地耕地建设用地未利用地权重0.350.210.280.110.040.015.1.1.2 生境质量指数计算方法 中间值=G（A0.35+B0.21+C0.28+D0.11+E0.04+F0.01）整区面积式中A、B、C、D、E、F按顺序依次表示土地覆盖类型，G为归一化指数5.1.2 植被覆盖指数5.1.2.1 权重表5-2 土地覆盖植被各类型分权重类型林地草地农业用地建设用地未利用的权重0.390.330.180.090.015.1.2.2计算方法 中间值=F（A0.39+B0.33+C0.18+D0.09+E0.01）整区面积式中A、B、C、D、E按顺序依次表示土地覆盖类型，F为归一化指数5.1.2 水网密度指数 水网密度指数=A X水流总长/整区面积+B X湖泊水库总面积/整区面积+C X水流总量/整区面积式中:A一河流长度的归一化系数，式中:B一湖泊水库面积的归一化系数，式中:C一水流总量的归一化系数。5.1.3土地退化指数的权重及计算方法5.1.3.1权重表5-3土地退化指数分权重类型轻度中度重度权重0.060.270.675.1.3.2计算方法 中间值=D X ( 0.06X A+0.27 X B+0.67 X C）/整区面积式中，水流总长的归一化系数，参考值为84.3704083981；水域面积的归一化系数，参考值为591.7908642005；水流总量的归一化系数，参考值为86.3869548281。A、B、C分别表示土地退化程度，D归一化指数。5.1.4 土地胁迫指数5.1.4.1权重表5-4 土地胁迫指数分权重类型重度侵蚀中度侵蚀建设用地其他土地胁迫权重0.40.20.20.25.1.4 .2计算方法 中间值=E（A0.4+B0.2+C0.2+D0.2）整区面积式中A、B、C、D、按顺序依次表示土地侵蚀类型,E为归一化指数5.1.5 污染负荷指数5.1.5.1权重表5-5 污染负荷指数分权重类型化学需氧量氨氮二氧化硫烟、粉尘氮氧化物固体废物权重0.200.200.200.100.200.105.1.5.2计算方法 中间值=归一化指数（化学需氧量0.20+氨氮0.20+二氧化硫0.20+烟、粉尘0.10+氮氧化物0.20+固体废物0.10）整区面积式中，COD的归一化系数参考值为4.3937397289； 氨氮的归一化系数参考值为40.1764754986； SO2 的归一化系数参考值为0.0648660287； 烟、粉尘的归一化系数，参考值为4.0904459321； 氮氧化物的归一化系数，参考值为0.5103049278； 固体废物的归一化系数，参考值为0.0749894283。5.1.6 环境限制指数 环境限制指数可以很好地反应生态环境状况，指数的大小可以用来来评价生态环境质量状况，根据质量状况的严重程度分为不同程度的事件，在依据评价的不同程度的事件作出相应的措施和判断。如下表：表5-6 环境限制指数约束内容分类判断依据约束内容突发环境事件特大环境事件按照突发环境事件应急预案，区域发生人为因素引发的特大、重大、较大或一般等级的突发环境事件，若评价区域发生一次以上突发环境事件，则以最严重等级为准。生态环境不能为“优”和“良”，且生态环境质量级别降1级。重大环境事件较大环境事件生态环境级别降1级。一般环境事件生态破坏环境污染环境污染存在环境保护主管部门通报的或国家媒体报道的环境污染或生态破坏事件（包括公开的环境质量报告中的超标区域）。存在环境保护部通报的环境污染或生态破坏事件，生态环境不能为“优”和“良”，且生态环境质量级别降1级：其他类型的环境污染或生态破坏事件，生态环境级别降1级。生态破坏生态环境违法案件存在环境保护主管部门通报或挂牌督办的生态环境违法案件。生态环境级别降1级。被纳入区域限批范围被环境保护主管部门纳入区域限批的区域生态环境级别降1级。5.1.7 生态环境状况指数表5-7 各项评价指标权重指标生物丰度数植被覆盖数水网密度数土地胁迫数污染负荷数环境限制指数权重0.350.250.150.150.10约束性指标中间值=A0.35+B0.25+C0.15+D0.10+E待定（约束性指标）式中A、B、C、D、E、F按顺序依次表示各评价指标5.1.8 生态环境状态分级 根据生态环境状况指数，将生态环境分为5级，即优、良、一般、较差和差。表5-8 生态环境状况分级级别指数优良一般较差差描述植被覆盖度高，生物多样性丰富，生态系统稳定，植被覆盖度较高，生物多样性较丰富，适合人类生活。植被覆盖度中等，生物多样性一般水平，但有不适合人类生活的制约性因子出现。植被覆盖较差，严重干旱少雨，物种较少，存在着明显限制人类生活的因素。条件较恶劣，人类生活受到限制。5.1.9 生态环境状况变化分析 根据生态环境状况指数与基准值的变化情况，将生态环境质量变化幅度分为4级，即无影响、稍有影响（好或差）、明显改善（好或差）、显著变化（好或差）。表5-9 生态环境状况变化度分级级别无明显变化略有变化明显变化显著变化变化值描述生态环境质量基本无影响若绝对值为正，则生态环境质量稍有改善；反之，则生态环境质量稍有退化若绝对值为正，则生态环境质量明显改善；为负，则生态环境质量明显退化；如果生态环境状况类型发生改变，则生态环境质量影响大。若绝对值为正，则生态环境质量明显改善；反之，则生态环境质量明显退化。5.2 南靖县生态环境评价5.2.1 计算结果 根据前文叙述公式，可得生态环境评价各项指数计算结果：表5-10 生态环境评价各类指标计算结果年份生物丰度指数植被覆盖指数水网密度指数地胁迫指数污染负荷指数生态环境状况指数1996年2002年2009年2014年23.3123.4323.4924.2325.0425.3225.4125.76112.31113.23113.09112.898.117.257.357.4641.2141.4241.5241,6788.9189.3688.5287.45。5.2.1生态环境评价根据计算结果表明: 根据生态环境质量分级标准判断南靖县四年的质量分级均属“优”。其中1996年南靖县生态环境效应评价质量指数(EQI为87.91，而2002年南靖县生态环境效应评价质量指数(EQI为89.46。对比结果可以看出，南靖县2002年生态环境效应质量状况与1996年相比有所改善，但总体调整范围不大，同样处于一个状况级别。结合土地利用/覆盖变化情况分析，尽管短期内该区域草地面积减少幅度挺大，加之少部分未利用土地的开发。使得南靖县植被覆盖情况有所改善，加之人们环境保护意识的增强，进而使得南靖县总体的生态环境质量有所改善。但从变化结果中可以看出一个突出问题就是短期内水体面积大幅度减少，今后应该引起足够重视，完善水利设施建设，避免发生连锁反应，进而影响整个地区生态环境质量状况。6 结果与不足6.1结果 土地覆盖变化是研究全球性变化问题的内容之一，土地覆盖变化必然引起生态环境质量的改变。主要变现在两个方面，首先，土地覆盖变化影响土壤、植被、气候、水流以及气候而对生态环境引起改变，另外，土地覆盖变化引起地表景观格局的变化，进而影响地面生态系统的多样性、生态系统的平衡、功能与结构导致生态环境的改变。随着研究的不断的深入，土地覆盖变化对生态环境的作用已然成为全球变化研究的重点与热点。但由于土地覆盖变化研究的多样性和复杂性，一般土地覆盖变化都采用区域的研究方式来进行。这样既可以阐述区域的土地覆盖变化过程及其对生态环境产生的影响，也为区域的土地利用可持续发展和生态环境的改善提供了有利的理论依据。 本文以南靖县为研究区域，先是分析了南靖县四期土地覆盖变化，继而分析了土地覆盖变化对生态环境的影响，然后分析南靖县土地覆盖对生态环境带来的一系列的影响。总结本文的研究工作，得出以下结论:1、南靖县土地覆盖变化分析。本文分别分析了南靖县1996、2002、2009、2014年土地覆盖类型的数量、结构、格局变化情况。研究结果显示:数量变化:耕地面积共减少了4289.98 hm2，是南靖县各土地覆盖类型中缩减量最大的，植被的面积变化不大，水域及建筑用地、交通用地、基础设施用地持续增长，年增长率分别为0.30%.2.01%, 0.29%，土地利用率不断提高，其年增长率为0.28%。 2、土地覆盖变化对生态环境的影响。本文在研究土地覆盖变化对地表生态环境的影响机制上，依次就南靖县农业用地、建设用地和生态用地对生态环境的影响作出评价。3、土地覆盖变化对生态环境影响评价。通过全面的分析南靖县区域内的各乡镇土地覆盖变化对生态环境的影响进行评价，最终发现各乡镇对生态效应影响不一，根据评价结果，将其划分为生态环境负效应区、生态环境效应平衡区和生态环境正效应区。在这样的基础上，分区对南靖县土地覆盖变化对其生态环境影响做出了分析。6.2不足 本文虽然在土地覆盖变化对生态环境作用给出了综合评价，从结论上看，也具有一定的价值、科学性和现实性。但由于土地覆盖变化的驱动因子存在复杂的作用机制，对生态环境的作用也当然是复杂的，具有不确定性，且南靖县的发展既有社会经济和内部条件的影响，虽然本文在一定基础上对南靖县土地覆盖变化对生态环境影响作出评价，但是由于我们所获取的资料不够全面，研究与分析还不够深入与全面，各乡镇对生态环境效应影响还有待深入。在研究方式与技术路线上还不够创新，我们知道，对区域土地覆盖变化的生态效应评价来说，包含社会、经济、生活各个方面。换句话说，土地覆盖变化的生态效应与人类活动密切相关，应寻求一个更综合、全面、深入的方法，这也是本文需要加强和努力的方向参考文献1 Turner B L II, S kole D, Fisher G, etc. 1995. 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