（自然地理学专业论文）近30年秦岭山地林地类型时空变化及其人为驱动力研究.pdf

摘要 秦岭是我国南北地区的天然分界线，是全球变化的敏感区域。本文以地处秦岭南坡 东部的商洛市为主要研究区域，采用监督分类法、样区法、景观格局指数法对近3 0 年 来商洛市林地类型的时空变化特征进行了分析，并采用主成分分析法以及人为干扰模型 法对研究区林地类型变化的驱动力进行了研究，旨在揭示秦岭山地林地类型变化的人为 驱动机制。本文通过研究取得如下结果和进展： ( 1 ) 通过对纬度相近、气候条件相似的秦岭东部商南县和西部略阳县林地类型时 空变化研究，发现近3 0 年来无论是林地类型面积还是景观格局指数，秦岭东部商南县 的变化均高于西部略阳县。 ( 2 ) 近3 0 年来，商洛市林地总面积呈现增加趋势，由1 9 7 8 年的1 2 5 8 4 5 5k m 2 增 加到2 0 0 6 的1 4 4 4 9 4 4k m 2 ，其中针叶林和灌丛面积变化较大。1 9 9 0 年以前，原始林地 的破坏严重，针、阔叶林的面积减少，1 9 9 0 - - 2 0 0 0 年问灌丛的面积大幅度减少，2 0 0 0 年以后，针叶林、混交林、阔叶林的面积均略有减少。 ( 3 ) 商洛市林地空间变化与海拔紧密联系，虽低海拔地区与高海拔地区林地的总 体变化趋势相同，即阔叶林被灌丛和非林地替代近半，但低海拔区变化更加剧烈。近 3 0 年来，研究区内各类型林地均发生较大的转移，虽林地的总面积有增加趋势，但原 始林地面积却在逐年减少。分离度最大值出现在1 9 7 8 年的混交林，其值为0 1 2 4 ，分形 维数最小值出现在1 9 9 0 年的混交林，其值为1 3 4 7 ，破碎度最大值出现在2 0 0 6 年的非 林地中，其值为0 6 4 1 ，近3 0 年来商洛市林地的自然度、稳定度在降低，破碎化程度加 深。 ( 4 ) 影响商洛市各类型林地变化的主要驱动力为区域社会经济发展力、农民收入 和适耕地的多寡，且影响不同类型林地的主要驱动因子不同；随着海拔的降低、林地类 型变化，驱动力的重心亦由农业发展状况转向区域社会经济发展状况。 ( 5 ) 通过构建人为干扰模型，发现商洛市人为干扰程度在逐渐加深，且随着人为 干扰强度的增加，各类型林地面积也在发生变化。干扰级别增加的区域为各类型林地转 化的主要区域，各类型林地转入、转出与人为干扰强度的转移有密切关系。 关键词：秦岭山地，林地类型，时空变化，驱动力，商洛市 s p a t i a t e m p o r a lc h a n g ea n d i t sh u m a n d r i v i n g f o r c e so f w o o d l a n d si nt h eq i n l i n gm o u n t a i nd u r i n gt h el a s t3 0y e a r s a b s t r a c t q i n l i n gi sn a t u r a lb o u n d a r yi ns o u t h e r na n dn o r t h e r no fc h i n aa n ds e n s i t i v ea r e ai n g l o b a lc h a n g e s h a n g l u oa sm a i ns t u d ya r e ai sl o c a t e di nt h es o u t h e a s to fq i n l i n g b yu s i n g s u p e r v i s ec l a s s i f y , s a m p l ep l o ta n dl a n d s c a p ei n d e xm e t h o d st oa n a l y z ec h a r a c t e ro f w o o d l a n ds p a t i a l - t e m p o r a l c h a n g e o fs h a n g l u oi nt h ep a s t3 0 y e a r s a p p l yp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i sa n dh u m a nd i s t u r b a n c em o d e lt os t u d yd r i v i n gf o r c eo fw o o d l a n dc h a n g e t h ea i mi sr e v e a l e dh u m a nd r i v i n gm e c h a n i s mo fw o o d l a n dv a r i a t i o ni nq i n l i n g w ea r r i v ea t s o m ec o n c l u s i o n sa n d p r o g r e s s e sa sf o l l o w ： ( 1 ) s t u d yw o o d l a n d s p a t i a - t e m p o r a lc h a n g ei ns h a n g n a nc o u n t yi ne a s t e r nq i n l i n ga n d l u e y a n gc o u n t yi nw e s t e r na r e ai nw h i c hl a t i t u d en e a r l ya n dc l i m a t ec o n d i t i o nc l o s e d ，f o u n d t h a tt h ec h a n g eo fw o o d l a n da r e aa n dl a n d s c a p ep a t t e r ni n d e xi ns h a n g n a ni sh i g h e rt h a n l u e y a n g i nl a s t3 0y e a r s ( 2 ) t o t a la r e ao fw o o d l a n da r ep r e s e n t e di n c r e a s et e n d e n c yw h i c h1 2 5 8 4 5 5k m i n1 9 7 8 i n c r e a s et 01 4 4 4 9 4 4k m 2i n2 0 0 6 t h ea r e ao fc o n i f e r o u sf o r e s t sa n ds h r u b sb o t hi n c r e a s e d v i r g l nf o r e s tw e r ed i s t o r t e ds e r i o u s l yi nt h e r ea r e ao fc o n i f e r o u sf o r e s t sa n dl a t i f o l i a t ef o r e s t s w e r ed e c r e a s e db e f o r e1 9 9 0 s h r u ba r e a sd e c r e a s el a r g e l yb e t w e e n1 9 9 0a n d2 0 0 0 t h ea r e a o fc o n i f e r o u sf o r e s t s ，b r o a dm i x e df o r e s t sa n dl a t i f o l i a t ef o r e s t sd e c r e a s eal i t t l ea f t e r2 0 0 0 ( 3 ) t h es p a t i a lc h a n g eo fw o o d l a n dh a sc l o s e dr e l a t i o nt oa l t i t u d ei ns h a n g l u o t h eh a l f o ft h el a t i f o l i a t ef o r e s t sh a sb e e nr e p l a c e db yt h ec o n i f e r o u sf o r e s t sa n dn o n - f o r e s t t h e w o o d l a n d c h a n g e si nl o w e ra l t i t u d er e g i o na r em o r eo b v i o u s l ya l t h o u g hb o t hl o w e ra n d u p p e ra l t i t u d er e g i o na p p e a rt ot h es a m et e n d e n c y t h et r a n s f o r ma m o n gw o o d l a n da r el a r g e w h i c hl e a dv i r g i nf o r e s td e c r e a s et h o u g ht h et o t a la r e ai si n c r e a s e d m a x i m u mo fs e p a r a t i o n d e g r e ei s0 1 2 4i nm i x e df o r e s t si n1 9 7 8 ，m i n i m u mo ff r a c t a ld i m e n s i o ni s l 3 4 7i nm i x e d f o r e s t si n1 9 9 0a n dm a x i m u mo ff r a g m e n t a t i o ni s0 6 4 1i nn o n f o r e s ti n2 0 0 6 n a t u r a l n e s s a n d s t a b i l i t yo fw o o d l a n dw e r ed r o p p e da n df r a g m e n t a t i o nw a s r a i s e d ( 4 ) m a j o rd r i v i n gf o r c e st h a t i n f l u e n c ew o o d l a n d c h a n g ei ns h a n g l u oi sr e g i o n a l s o c i o e c o n o m i cr e s o u r c e s ，f a r m e r s i n c o m e sa n dt h ea r a b l el a n dd e m a n d s w o o d l a n dt y p ea r e t t l c h a n g ew i t ha l t i t u d er e d u c et h a tf o c u so fd r i v i n gt u r na g r i c u l t u r ed e v e l o p m e n ts t a t u sf r o m s o c i o - e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ( 5 ) b yu s i n gh u m a nd i s t u r b a n c em o d e lf o u n dt h a t h u m a nd i s t u r b a n c ei n t e n s i t ya l e i n c r e a s e da n di nt h i ss i t u a t i o nt h et y p e sw o o d l a n dw e r ec h a n g e d t h er e g i o no fh u m a n d i s t u r b a n c el e v e lr i s ei sa r e ao fw o o d l a n dc h a n g ea n dw o o d l a n dr o l l i na n dr o l l - o u th a d i n t i m a t ec o n n e c t i o nw i t hl e v e lo fh u m a nd i s t u r b a n c et r a n s f o r n l k e y w o r d ：q i n l i n gm o u n t a i n ，w o o d l a n d s ，s p a t i a t e m p o r a lc h a n g e ，d r i v i n gf o r c e s ， s h a n g l u oc i t y i v 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：豹欠逸固 指导教师签名：么幺壅 弘声年月，7 日 圳年月，多日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡巴 思。 学位论文作者签名：认葫西 砷年多月，7 日 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 全球变化是当今地理学界研究的热点之一，随着人类社会的不断进步，其对地理环 境的影响亦在不断深入，人类正面临着全球变化所带来的各种影响。全球变化主要是受 自然和人为因素的影响，所造成全球性的环境变化，由人类活动引起的土地利用 变化是全球变化得重要内容。而林地作为土地利用的主要类型，其兴衰直接影响生 态环境的稳定，迸一步关系到经济和社会的发展f ，引起全球性的变化。因此，加强 林地类型变化的研究，对生态系统安全具有重大研究意义。 森林作为陆地生态系统的主体，既是全球变化的主要研究内容，又是全球变化的指 示器，更是人类和各种生物赖以生存和发展的基础，具有改善生态环境、维护全球碳平 衡、保护生物多样性、保持水土、涵养水源等作用【2 1 。林地作为森林资源的重要组成部 分，保持其结构功能稳定不仅是林业可持续发展的基础，也是维护森林生态服务功能和 环境价值的前提。 森林锐减和物种灭绝被认为是当前5 大全球性环境问题之一( 全球变暖，臭氧耗损， 淡水资源短缺，土地荒漠化) 1 3 j 。根据国际环境与发展研究所资料显示，在人类活动干 扰以前，全球森林和林地的总面积为6 1 0 9 h m 2 ，到1 9 5 4 年全球森林和林地面积减少为 4 1 0 9 h m 2 ，1 9 9 5 年约为3 5 1 0 9 h m 2 。导致全球森林退化和消失的原因有很多，包括农 业扩张、采矿、人工林建造、基础设施建设、森林火灾等。由于森林不断遭受人为破坏， 全球植物的吸碳能力等生态服务功能由此大大减弱，森林面积的不断减少还直接导致生 物多样性的消失和物种的灭绝，人类正面临着空前严峻的危机。 秦岭高大的山体是我国重要的生态屏障，它阻止冬季冷空气南下，拦截夏季东南季 风带来丰沛水汽的北上，是我国南北环境的天然分界线，也是长江和黄河的分水岭。秦 岭森林资源丰富，生物种类多样，森林覆盖率高。但近半个世纪以来，秦岭有林地面积 减少了1 2 万h m 2 ，森林覆盖率由5 0 年前的6 4 减少到现在的4 6 ，林地的储量下降了 7 0 以上。以上现象均因对该区域森林生态特征生态服务功能的认识不足和自然资源不 合理的开发利用引起的1 4 j ，随着社会经济和生态旅游的迅速发展、道路的扩展，森林的 生态功能和生态安全将受到更严重威胁。 人类社会的进步和发展导致人为作用对森林生态系统的干扰和影响远远大于自然 西北大学硕上学位论文 作用1 5 j ，人为干扰已成为公认的改变地表生物圈的主要动力，它比自然因子更能改变生 物圈的状态和能量平衡【酬。林地类型的发生和发展受到区域自然地理环境背景的直接控 制，但在较短时间尺度上主要受人类活动的干扰，其表现为人类影响的可达程度与频率， 以及对林地利用方式的选择【7 1 。探讨秦岭山地林地资源与人为干扰相互作用，为保护秦 岭山地生物资源多样性、维护生态平衡、促进森林资源可持续性发展提供理论依据，并 具有实际指导意义，也为以后合理开发利用生物资源、保护自然生态系统、维持正常的 生态学过程与进化过程奠定基础。 商洛市位于秦岭南坡的东部，经对秦岭地区植被研究发现，秦岭东部的植被覆盖度 变化幅度与西部相比变化较大，而商洛市的变化更加剧剥8 1 ，该区域已成人类活动干扰 较大的区域之一，通过对秦岭东部的商洛市林地类型时空变化研究，揭示林地类型的变 化驱动作用，为保持秦岭森林生态系统持续发展提供科学依据。 1 2 林地动态变化研究进展 1 2 1 林地动态变化研究现状 森林生态系统在生态环境建设中处于主体地位，林地研究是土地利用研究的重要内 容，也是植被覆盖研究的主要对象【们。外国学者进行了大量的研究工作，k n i g h t 等利用 不同时期航空遥感数据、地貌数据以及地形高程模型作为数据层进行空间叠加，分析不 同地貌类型、不同流域的森林动态及变化【1 0 l 。m n s i d d i q u i 用r s 和g i s 手段相结合监 测河岸森林的变化情况【1 1 】。i m i s w r i v e r a 研究了波多黎哥地区森林的恢复情况【1 2 】。 j l e h m a n a 等调查研究了气候改变对森林物种组成的影响1 1 3 j 。 国内在7 0 、8 0 年代也进行了大量研究，王宪英对大兴安岭林区图强林业局在1 9 8 7 年特大森林火灾前后的二次森林资源清查数据进行了对比分析【1 4 1 。崔越香等对内蒙古阿 里河林业局1 9 8 8 、1 9 9 9 年森林资源数据进行了对比分析【1 5 l 。林媚珍等对海南、广东省 的森林资源的动态变化进行分析i 摇1 7 1 。邱扬等分析了山西省森林资源1 9 9 0 1 9 9 5 年间的 动态变化及其原副1 8 】。但新球等分析了近2 0 年广西森林资源消长变化动态及林木资源 消耗的特点及趋势1 1 9 】。刘标等分析了湖南省1 9 5 7 1 9 9 5 年来森林资源的动态变化、现状 特点及存在的问题，提出了森林资源持续发展的对策【2 0 1 。何文庆等对牛达林场从1 9 6 2 年到1 9 9 0 年的森林资源结构变化进行了分析1 2 。 进入2 1 世纪以后，随着3 s 技术的逐步推广与完善，王庆锁对河北北部和内蒙古东 部森林一草原交错带的森林景观格局进行初步研究1 2 2 1 。宁波对黑龙江境内的帽) l t h 森林 2 第一章绪论 资源变化进行分析【2 3 1 。赵清等对南京城市森林景观的空间特征进行分析研究，并提出了 该区域森林景观发展的主导方向【2 4 】。郭泺等对广州市森林景观格局进行时空分异研究， 提出在空问和类型上局部的变化均大于整体的表现形式【2 5 1 。宋涛等对西洞庭湖区森林景 观空间格局进行了综合评价【2 剐。 1 2 2 林地动态变化驱动力研究现状 林地变化驱动力及其变化机制研究对于揭示林地变化的原因、内部机制、基本过程、 预测未来变化方向和后果以及制定相应的对策至关重要，在自然因素一定的情况下，社 会经济因素、技术因素和政策法规往往决定了林地演替的方向、结构、规模、布局和途 径。国外早在1 7 9 8 年m i e s z k o w 就建立了驱动力研究雏形一人口增长与土地生产力关 系模型【2 7 1 。上世纪7 0 年代初，f i s h e r 分析了土地利用变化的主要原因，包括土地利用 的决策、外界自然环境的变化、社会经济变化以及人类价值观的转变【2 8 1 。近期研究成 果丰硕，2 0 0 7 年a k l i l u a m s a l u a 总结出土地资源利用长期动态变化的驱动力，放牧、水 资源以及当地土壤肥力是其变化的主要影响因子【2 9 1 。2 0 0 8 年a c h i mr 6 d e r 和j o a c h i m h i l l 运用多时相遥感影像图分析火灾发生前后生态系统变化的驱动因子 3 0 l 。c h e i k h m b o w a 通过遥感图像分析出生态环境变化与适应的驱动力【3 1 】。而r i c h a r dh o b b s 从生态、 历史、文化、经济和政治方面的变化分析苏格兰林地的恢复情况【3 2 1 。2 0 0 9 年a g n i e s z k a l a t o c h a 分析了土地利用变化与驱动力之间相互影响关系【3 3 1 。 在国内，张吉祥、王定胜、许成辉等分别以浙江省永嘉县、江苏连云港市、呼玛县 林业局、毕拉河林业局为研究对象，分析了从上个世纪8 0 年代中期到本世纪初森林资 源消长情况，并对变化的原因进行探索研究阻3 6 1 。2 0 0 4 年徐新良研究了海南岛林地资 源变化的政策驱动作用，以及分析出东北地区林地变化驱动力主要为人口分布、交通状 况、社会需求以及经济产业结构等，并认为全国林地的驱动力为采伐开垦、植树造林和 自然灾害【3 7 。3 8 1 。解伏菊等对大兴安岭西北坡火烧迹地湿地格局变化的影响因子进行研 究，火烧强度以及地形是主要影响因子1 3 9 1 。毕晓丽发现经济发展和人口增长是泾河沿岸 景观格局发生巨大变化的主要原因【删。邹秀萍等对怒江流域景观的演变过程和驱动力进 行分析【4 。张秋玲等对兴隆山地区的景观格局变化驱动因子进行研究，在不考虑人为因 子的条件下，土壤水和稳定湿度对景观多样性的影响较大1 4 2 1 。程肖侠等研究气候变化对 中国东北主要森林类型的影响【4 引。 3 西北大学硕士学位论文 1 3 秦岭地区森林研究现状及其存在问题 1 3 1 秦岭地区森林研究现状 秦岭山地以其独特的地理位置、古老的地质演化历史、复杂的自然环境特点孕育了 丰富的天然生物资源，对秦岭地区植物资源的研究大致可分为四个阶段：建国前、建国 后至七十年代末、八十年代后及新科技时代。 解放以前，对秦岭地区森林的研究都比较概括，许多西方国家的外籍人士，不断来 到我国进行资源考察，陆续进入秦岭地区对植物资源进行调查，但仅对区内的一些著名 山地的植物群落及植物区系进行了探索l 矧。之后我国胡先骗、刘慎谔、钟补求等教授对 秦岭的主要树种、植物分区进行了大量的研究。 解放以后，对秦岭植物研究进行大规模有组织的调查，研究成果颇丰，1 9 5 4 年中国 科学院西北生物土壤研究所编写了西北野生有用植物手册；1 9 5 7 年中国科学院地理 研究所等编了汉江流域地理调查报告；1 9 5 8 年郑勉发表了陕西植物概观；1 9 6 0 年侯学煜教授所著的中国的植被和1 9 6 2 年陈嵘教授编著中国森林植物地理学 均对秦岭山地的植被进行了较详细的研究与描述。 8 0 年代起，许多学者对该区植物种类、起源、性质、分区以及土壤、水文、气候等 生境因子进行了详细的调查研究，主要专著有中国植被( 1 9 8 0 ) 、中国自然地理 植物地理( 1 9 8 3 ) 、陕西农田杂草图志( 1 9 8 4 ) 、秦岭植物志( 1 9 7 4 1 9 8 5 ) 、陕西 森林( 1 9 8 9 ) 、太白山自然保护区综合考察论文集( 1 9 8 9 ) 、陕西省第一批珍稀濒危 保护植物( 1 9 8 9 ) 等。西北大学朱志诚教授对秦岭南北坡的植被尤其是太白山的起源、 发展、变迁、趋势以及秦岭落叶松林、油松林、栎林、灌木林类型分布趋势进行了研究 1 4 5 - 4 6 1 。还有崔友文【4 7 1 、张志英【船】等在这一时期也做了大量研究工作。 8 0 年代末以后，一方面主要对秦岭植被区系、濒危物种【4 9 】以及植被与环境之间的 响应关系【5 0 】进行研究，主要专著如陕西省第一批珍稀濒危保护植物( 1 9 8 9 ) 、陕西 森林( 1 9 8 9 ) 、陕西树木志( 1 9 9 0 ) 、秦岭植物区系和植被( 1 9 9 8 ) 、陕西植被 ( 1 9 9 9 ) 、秦岭种子植物区系地理( 2 0 0 1 ) 、秦岭南北环境响应程度比较( 2 0 0 6 ) 等。 另一方面应俊生、张秦伟教授等对秦岭植物区系起源、分布区类型和区系分区等进行了 系统和严谨的研究【5 1 。5 2 1 。 随着“3 s 技术广泛应用，遥感技术为较大时空尺度研究林地变化提供了良好的 数据源，结合地面观测、调查和试验，为多尺度生态学研究奠定了基础，使大尺度上获 4 第一章绪论 取各种生态和物理信息得以实现。2 0 0 2 年刘康教授等将秦岭生态功能区1 ：2 5 万遥感 影像进行解译，将秦岭植被分为2 3 类，并对植被类型整体空间分布状况进行分析。刘 雪华、雒新萍、孙华等利用n d v l 分析了秦岭地区的植被覆盖的变化情况【5 ”4 1 。莫申国、 朱晓勤将秦岭植被与环境梯度相结合进行分析1 5 5 - s 6 1 。 王夏等对秦岭中山区宁陕县长安河流域的山地景观格局变化和驱动力进行研究，认 为人为活动和政策法规的导向是影响秦岭山地景观的主要驱动因素1 5 7 1 ，路莉等对秦巴山 区汉中市的植被类型时空变化特征以及驱动力进行研究，认为土地利用政策、区域经济 活力和人口是影响林地变化的主要驱动力【5 引。 1 3 2 秦岭山地林地类型动态研究亟待解决的问题 经过近百年的考察研究，对秦岭的地表植被、濒危物种以及区系划分都有了详尽的 阐明，主要立足于描述秦岭的物种或植被，较少定量的探讨林地空间结构和景观格局变 化的原因与机制。 由于经济迅速发展及全球气候变化的影响，秦岭山地的自然环境和人文环境已发生 了明显的变化，对本区生态系统、植物群落及种类、特有种质资源产生明显的影响。尤 其是八十年代以后，人类活动对秦岭山地植被的影响越来越大，秦岭山地林地类型的变 化与人类社会行为关系如何? 不同植被类型的变化状况及其森林结构有无变化? 随着 3 s 技术的不断发展和应用，如何探讨林地类型的社会经济影响因子，其驱动机制是什 么? 1 4 研究内容与技术路线 1 4 1 研究内容 本论文研究的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 以商南县、略阳县为例，利用遥感和地理信息系统技术，对近3 0 年秦岭山地 东西两县区林地类型时空变化的差异性进行对比，定量阐述影响两县区林地类型变化的 主要成因。 ( 2 ) 利用商洛市1 9 7 8 年的m s s 、1 9 9 0 、2 0 0 0 年的t m 、2 0 0 6 年的e t m 遥感影像 图，在e r d a s 环境下进行监督分类，将林地类型划分为针叶林、针阔混交林、阔叶林、 灌丛和非林地五种类型，分析近3 0 年来商洛市林地类型的动态变化，并以地处商洛市 较高海拔的牛背梁和较低海拔的梳洗楼作为样区对林地的空间变化进行定量分析。 5 西北大学硕学位论文 ( 3 ) 选取可以反映人为活动影响程度的分离度、分形维数和破碎度三个指标，研究 分析研究区林地景观格局的变化特征，得到了近3 0 来商洛市林地结构受人为活动影响 的程度及趋势。 ( 4 ) 选取商洛市影响林地变化的9 个社会经济因子，并同时考虑到社会经济因子对 森林类型影响的滞后效应，运用相关分析法找出影响各类型林地变化较大的因子做主成 分分析，得出影响各类型林地变化主要社会经济驱动因子。 ( 5 ) 通过构建人为干扰强度模型，分析3 0 年来商洛市人为干扰强度的时空变化特 征及其与各类型林地的相关性，进一步揭示引发林地类型变化的机制。 6 第一章绪论 1 4 2 技术路线 近3 0 年研究区四期遥感影像图 遥感影像预处理 上 研究区相关图件资料 h 遥感影像监督分类i 一野外调查g p s 数据与统计资料 t d e m交通和行 选取秦岭东 部商洛市林 上上 地形图政区划图 地变化进行 秦岭秦岭 驱动力分析 东部 西部 1 r1r1 r 林地林地 坡居道 上上 类型类型 度民路 商商商时空时空 空点空 洛 洛 洛变化变化 间空间 市市市 分间 差 景林林 对比分析 布差值 观地地 上 图值图 格类类 图 局型型秦岭东部林地 指 空 动 类型变化明显 数 间 态 构建人为干扰强度模型 变变变 1r i 化化化 li 商洛市社会、经济统计资料 i1 il 土 人为干扰人为干扰 强度总体级别时空 指标选取 发展趋势变化特征 上 上 相关性分析主成分分析 j工 商洛市林地类型变化与商洛市各类林地变化 人为干扰的相互关系的主要社会经济驱动 l 上 商洛市林地类型时空变化的人为驱动作用 7 第二章研究区概况及研究方法 2 1 研究区概况 2 i t 自拣地理状况 秦岭山地位于陕西省南部，大约界于东经1 0 5 3 0 1 1 0 。0 5 ，北纬3 2 n 4 0 3 4 + 3 5 r 之间被威阳及宁陕一线所在经度1 0 8 0 e 划分为东西两段，商南县、略阳县分别位于秦 岭山地的最东部和最西部。 商洛市位于秦岭东段南麓，界于东经1 0 8 6 3 4 2 0 - - - 1 1 1 0 0 1 2 5 一，北纬3 3 + 0 2 3 0 - l ， 3 4 。2 4 4 0 ”，东与河南省的灵宝、卢氏、西峡、浙川县市接壤；南与湖北省的郧县、郧西 相邻：西与安康、宁陕、旬阳、长安、蓝田毗邻l 北与渣关、华阴、华县相连。研究区 内丹江上游大部分属长江流域。其中商南县属黄柯流域。全市东西长2 2 9 k m ，南北宽 1 3 8 l 皿，总面积1 9 2 9 2 k m 2 ，占全省总面积的9 3 6 。 诗辩黠餐怒； 圈2 研兜区况圈 商洛市谷岭结构明显，地质结构脆弱，地势总体西北高、东南低山势白西北向东 南延伸，主要地貌类型有河谷川城、低山丘陵、中山坡槽。境内有秦岭主脉及其支脉蟒 岭、流岭、鹘岭、新开岭和郧岭，绵延起伏，丹江、洛河、金钱河、乾佑河、旬河五大 西北人学硕上学位论文 河流纵横交错。海拔最高点位于柞水县北秦岭主脊牛背梁( 2 8 0 2 1m ) ，最低点位于商南 县梳洗楼附近的丹江谷地( 2 1 5 4 m ) 。 比例尺：r 一r 1 r 一r 1 r r 1 0 2 5 5 0 1 0 0k i1 0 m e t 6 1 8 图例：山岭一研究样区，河流 图3 商洛市地貌图 商洛市属温带、亚热带过渡型半湿润山地季风气候，四季分明，降雨充沛。年平均 气温7 旺1 3 9 。c ，年降雨量为7 1 旺9 3 0 毫米，无霜期2 1 0 天。具有冬无严寒，夏无酷 暑，秋季多雨，春冬易干旱的气候特征。 土壤类型有褐土、棕壤、黄棕壤等8 个土类、1 9 个亚类和7 0 个土种，且分布具有 明显的水平地带性、垂直地带性和地域性的特点，自北向南随着纬度的变化而变化，北 部主要为褐土( 板土) ，南部为黄褐土( 黄泥士) 。山地土层多为变质岩和暗棕色草甸土， 河谷以泥沙土居多，土层结构极不稳定，易发生水土流失。 略阳县位于秦岭西段南麓，年平均气温1 3 5 4 ，降雨量6 4 7 5 7 m m ，总面积2 8 3 1 k m 2 ，与商南县大致处于同一纬度带，气候条件相似，均属于亚热带与暖温带过渡型山 地季风气候，。略阳县呈高山狭谷地形地貌，海拔1 0 0 0 米以上地区占全县面积的7 0 2 5 。 2 1 2 社会经济状况 商洛市辖商州、洛南、丹风、山阳、商南、镇安、柞水7 县( 区) ，6 7 个乡，9 2 个镇， 4 个办事处。至2 0 0 8 年底，全区总人口2 4 2 4 8 万人，其中：农业人口2 0 2 6 2 万人，非 1 0 第= 章研究e 概况厦研究方法 农业人口3 9 8 5 万人。 商洛市境内国道、省道、县乡道以及铁路相互交织，构成其基本交通框架，其中 3 1 2 国道选经商州、丹风、商南三县，可选河南、湖北两省。省道3 0 7 连接商洛与安康， 直通河南省，省道2 0 3 纵贯商洛南北，连接洛南、商州、山阳和湖北省，省道2 0 2 向北 可抵西渣高速公路。西南、西康线铁路分别贯穿商洛东西部。 e 抖嫡i p - - 书 目倒， e 目hf r t t 7 1 l ：“ f 一 圈4 商洛市；蹑鼍况函 2 2 数据来源及其处理方法 2 2 1 数据来源 遥感影像数据主要是来自马里兰大学1 9 7 8 年5 月份的分辨率为5 9 米的m s s 影像 图，1 9 9 0 年5 月份的分辨率为3 0 米的t m 影像图，2 0 0 0 年5 月份的分辨率为3 0 米的 t m 影像图，2 0 0 6 年1 0 月份的分辨率为3 0 米的e t m 影像图，在影像拼接时尽量采用 年份与月份相近的遥感影像图，但由于2 0 0 6 年的同月资料收集困难所以柞水和镇安 地区的资料采用1 1 月份的影像数据。 其他图件资科有1 9 7 6 年比例尺为1 ：9 6 万的商洛地区行政区划图，1 9 8 7 年比例尺为 1 ：1 4 0 万的商洛地区交通图，2 0 0 1 年比例尺为1 ：9 7 万的陕西省地图，2 0 0 7 年比例尺为 1 ：6 0 万的商洛市行政区划圈，商洛市l ：5 万的地形图1 9 8 4 年、2 0 0 0 年商洛市土地利 用现状图和g p s 野外考察数据。 社会经济统计资料主要来源于商洛市年鉴和统计年鉴以及宏观数据挖掘网、中国资 源环境经济人口数据库的相关资料。 襟一，j一 厂上#，耧 、】 西北大学硕士学位论文 2 2 2 数据处理 为对比、分析商洛市近3 0 年来林地的变化情况，选取1 9 7 8 、1 9 9 0 、2 0 0 0 和2 0 0 6 年的5 月份或1 0 月份的四期遥感影像数据作为数据源。因为5 月份树木处于展叶时期， 此期间的遥感图像不仅树木种群的光谱离散度最大，而且大田作物正处于萌发期或苗 期，盖度较小，部分土壤还裸露着，所以林地与背景之间有较强的反差，可以得到较大 的灰度值，有利于种群的分类识别，是森林调查的最优时相【5 9 】。但由于2 0 0 6 年无法收 集到5 月份的影像资料，根据雒新萍【8 l 对植被覆盖指数的研究发现5 月份和1 0 月份的 植被覆盖指数相近，且1 0 月份属于树叶的变色期，有利于树种分类识别，故选取5 月 份或1 0 月份含云量少的四个时期影像图作比较。 2 2 2 1 几何校正 在遥感影像图成像时，往往会因为遥感传感器、遥感平台以及地球星体本身等方面 的原因引起难以避免的几何畸变。而几何校正就可以校正成像过程中所产生的几何畸 变。图像几何校正是将数字图像投影到地面上，使其符合地图投影的过程。由于所搜集 到的遥感影像都已经过辐射校正和几何粗校正，因此在本研究中仅对影像进行几何精校 正。其主要步骤为在e r d a s 环境下选取地面控制点，计算变化矩阵的参数，然后进行 图像重采样，最后输出图像文件。 几何校正的类型很多，本研究主要采用多项式法。多项式法【印】用于未能取得传感器 的坐标和姿态参数的情况下，考虑图像的变形、缩放、旋转、仿射、偏扭或更高次基本 变形的综合结果，反映在纠正前、后相应点的坐标差上，本文使用三阶多项式进行遥感 影像精校正，选取2 0 个控制点，r m s 误差均在1 0 以内。选择立方卷积插值法进行图 像重采样，此方法可得到较高的图像质量，图像边缘亦有所增强，并具有均衡化和清晰 化的效果。 本研究利用e r d a si m a g i n e 软件g e o m e t r i cc o r r e c t i o n t o o l 模块，将已经矫正好 的2 0 0 0 年t m 影像图作为标准，对其余的影像图进行几何精校正，并将4 期影像数据 统一为相同的坐标系统w g s 一1 9 8 4 _ u t m z o n e4 8 n 。 2 2 2 2 研究区遥感影像图裁切 图像裁切分为规则裁切和不规则裁切，本研究使用不规则裁切法。首先利用a r c g i s 将研究区的行政边界的矢量格式存为a r c 斛f o 图层，然后在e r d a s 下对研究区域 创建a o i 感兴趣区，利用s u b s e t 功能，将四期遥感影像按照感兴趣区域的a o i 边界 1 2 第二章研究区概况厦醑览疗法 切割出来，得到四期研究区的遥感影像图( 见图5 ) ， 赡 嚏焉瘫 圈5 膏洛市1 9 8 、l 螂、舢和撕年的鼍影像教墨田 2 223 瞄像量佳谴段选取与增强处理 使用不同波段进行组合，目的是找出那些同类像元聚集性和异类像元离散性都相对 较好的波段，已构成有利于突出目标信息的波段组合空间。t m 波段可以分为三个相对 独立的子集：1 m ( 1 、2 、3 ) 、t m ( 4 ) 和t m ( 5 、7 ) ，每个子集内部相关性高，信 息重复量大，因此，只有从每个子集中各选一个波段进行假彩色合成，才可以获得层次 多、表现力强的图像堋。通过广泛的研究和实践认为1 m ( 4 、5 、3 ) ( r 、g 、b ) 假 彩色合成组合的色彩最丰富、显示能力最强、分类性能较好，以红黄两色以及黄色向红、 蓝两色的过渡色显示森林植被。是一种比较理想的假彩色合成波段。本研究中l 锄d s a t m s s 影像数据选取1 、2 、4 波段进行假彩色合成l 丑n d 僦t m 、e t m + 影像数 据选取4 、5 、3 波段进行假彩色合成。 本研究采用主成分法进行图像融合来实现图像增强。主成分变化是把各波段信息压 缩在呈正交的三维变量中，叩通过信息来集中信息，提高信息的利用率。融合后的影像 整体较光亮均匀，色彩反差适中，纹理色彩的信息量丰富，地物分异明显，色调基本达 到自然彩色的效果。此方法既可队突出森林的特点，又可以突出与森林有关的环境特征， 既利于目视解译。又有利于森林的状态识别和环境分析。也为计算机分类提供了有力的 条件。 西北大学硕士学位论文 2 3 研究方法 2 3 1 林地类型动态变化研究方法 2 3 1 1 监督分类法 遥感影像分类主要依据是地物的光谱特征，即地物电磁波辐射的多波段测量值，这 些测量值可以作为遥感影像分类的原始特征变量。分类是对图像上每个像素照亮度接近 程度给出对应类别，以达到大致区分遥感图像中多种地物的目的。经过大量研究发现对 不同类型的森林进行监督分类效果最好，监督分类是将遥感影像通过建立训练样本和判 别函数，将待分像元代入判别函数进行判别的过程。而实际中常常采用人机交互式判断 影像，即根据给定区域，按照解译标准对遥感影像进行分类。 本研究主要采用遥感影像图并与野外样点调查相结合来进行秦岭山地林地类型分 类，分类时依据不同土地覆盖类型的色调、纹理等特征，并参考陕西植被图、土地利用 现状图和地形图，编制目视解译标志数据库( s i g n a t u r ee d t i o r ) ，利用s u p e r v i s e d c l a s s i f i c a t i o n 功能进行监督分类，借助g p s 野外实际调查结果对分类结果进行精度评价， 森林类型的解译正确率达9 0 以上。在此基础上，进一步对分类结果进行纠正，最终获 得近3 0 年商南县、略阳县、商洛市林地类型分类结果图( 见图7 、9 、1 0 ) 。 2 3 1 2 景观格局指数法 森林景观是研究以森林生态系统为主体的森林景观和在森林景观整体格局和功能 中发挥重要作用的其他类型景观，目的在于通过森林景观结构、功能、动态变化、相互 影响和控制机制来研究并揭示森林的生成和演替的基本规律【6 1 1 。森林景观过去和现在的 结构变化可以用景观指标来衡量，本文选取可以反映人类活动影响程度的分离度、分形 维数、破碎度指标来分析研究区森林景观格局变化。 ( 1 ) 分离度 分离度指景观类型中不同元素或斑块个体分布的分离程度。它在一定程度上反映了 人类活动强度对景观结构的影响1 6 2 1 。分离度越大，表明景观类型在地域上越分散，其稳 定性越差。 f - 7 f i ；：q n a 2 a i ( 2 1 ) 式中：仃为景观分离度，n 为景观类型f 的元素数，彳f 为i 类景观的面积，a 为研究区 1 4 第二章研究区概况及研究方法 总面积。 ( 2 ) 分形维数 景观斑块的分形维数是指运用分维理论来测量斑块空间形状的复杂性【6 3 1 ，可以反映 景观形状的复杂程度和景观空间的稳定程度，它采用周长与面积关系进行计算。分维数 一般处于1 2 之间，其值愈趋近于1 ，则斑块的几何形状愈趋于简单、规则，表明受 干扰的程度愈大。反之，愈趋近于2 ，斑块的几何形状愈复杂，自然度越强。 f d ：。2 1 o g ( p 4 4 ) l o g a ( 2 2 ) 式中：f d 为分形维数，p 为某类型林地斑块周长，a 为某类型林地斑块面积。 ( 3 ) 破碎度 破碎度是指某景观类型在特定时间里和特定性质上的破碎化程度，反映景观空间结 构复杂性和人类活动对景观结构的影响程度【6 4 1 。本文选取综合程度较好的斑块破碎化指 数作为破碎度指标。 f n 。辱一1 ) 彳、。 ( 2 3 ) 式中：剧为某景观类型的破碎化指数，a 为景观内所有斑块平均面积，a 为研究区景 观总面积，n f 为某景观类型的斑块总数。 2 3 2 驱动力研究方法 2 3 2 1 主成分分析法 主成分分析法是将多个指标转化为少数几个互相无关的综合指标的一种多元统计 分析方法【6 5 1 。本质是对变量系统进行最佳综合与简化降维，使新变量成为原变量的线性 组合，同时客观地确定各个指标的权重【6 6 1 。 主成分分析可以消除指标样本问的相互关系，用较少的新变量代