（自然地理学专业论文）土地利用变化图形信息及其地学机制初步研究.pdf

摘要 地理事物或空间目标的一个重要特征就是表现为特定时空序列中的 图形：图形的千差万别反映了它们成因机制、行为特征及演化差异的信 息，对地理空间图形的研究可以反演空问事物的分异演化规律。土地利 用斑块作为人类与自然相互作用的产物，其形状特征随人地相互作用的 强度和方向改变而变化，是土地利用功能和动态变化研究的基础。不同 土地利用类型斑块有不同的空间图形特征，同一土地利用类型斑块在不 同演化阶段或处于不同环境中其空间形状也有差异。而由土地利用斑块 的类型、数量、大小、形状、边缘特征、位置空间关系等决定的土地利 用空间格局，更蕴含着土地利用丰富的时空演变信息。 本文以吉林省长岭县为研究区，综合运用遥感数据和其它相关数据 资料得到研究区1 9 9 1 ，1 9 9 5 和2 0 0 0 年的土地利用图：借助地理信息系 统的空间分析功能和统计分析软件，应用地理图形信息分析方法，建立 了土地利用变化的图形信息表达方法，并对其地学机制进行了概括。地 理图形信息方法的应用是进行土地利用，土地覆被研究的崭新途径，从图 形信息分析角度进一步发掘土地利用格局及其动态变化的驱动机制，这 对完善土地利用，土地覆被时空演化过程描述与分析是一种新的尝试，具 有一定的创新性和理论意义。0 全文共分为五部分，第章陈述土地利用变化的图形信息表达与地 理机制研究的意义，在综述该研究领域国内外研究现状之后，阐明本文 的主要研究内容与目的，并说明本文研究所需的数据资料来源以及数据 处理分析的方法与手段。第二章介绍本文的研究区吉林省长岭县的 自然环境背景及社会经济发展现状，论述为什么选择长岭县作为本文的 研究区。第三章基于长岭县的土地利用数据，研究土地利用斑块和土地 利用空间格局的图形信息涵义。第四章分析了长岭县研究时段内土地利 用变化的图形信息特征及其地学机制。第五章提出本文的研究结论。 关键词：土地利用j 图形信息分析i 遥莹地理信息系统j 地学信息图谱、长岭县 、 a b s t t a c t o n ei m p o r t a n tf e a t u r eo fg e o g r a p h yp h e n o m e n o no rs p a t i a lo b j e e tw a s t h a tt h e yw e r e r e p r e s e n t e da sg r a p hi ns p e c i f i ct e m p o r a la n ds p a t i a ls e q u e n c e t h ed i f f o r m i t yo ft h e s eg r a p h sr e f l e c t e dt h ed i v e r s i t yo ft h e kf o r m a t i v e m e c h a n i s m , b e h a v i o rc h a r a c t e ra n dd e v e l o p m e n tp h a s e t h u st h er e s e a r c hf o r g e o g r a p h ys p a t i a lg r a p hc o u l de d u c e t h ee v o l v e m e n tl a w a st h er e s u l to f t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nh u m a n b e i n ga n dt h en a t u r e , t h es h a p ec h a r a c t e ro f l a n d u s ep a t c hw a sc h a n g i n gw i t ht h ei n t e n s i t ya n dd i r e c t i o no ft h i sf o r c ea n d b e c o m i n gt h ef o u n d a t i o no f l a n du s ef u n c t i o na n dd y n a m i cc h a n g er e s e a r c h p a t c ho fd i s s i m i l a rl a n du s et y p e sh a dd i f f e r e n ts p a t i a lg r a p hc h a r a c t e r , a n d p a t c ho ft h es a m el a n du s et y p ea l s oe x h i b i t e dd i f f e r e n ts p a t i a ls h a p ei n d i f f e r e n te v o l v e m e n tp h a s eo ri nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r el a n du s e s p a t i a lp a t t e r nc o m p o s e do ft h el a n du s ep a t c h 劬e ，a m o u n t , s i z e , f i g u r e , e d g ec h a r a c t e r , l o c a t i o na n ds oo nc o n t m n e da b u n d a n tl a n du s et e m p o r a la n d s p a t i a le v o l v e m e n ti n f o r m a t i o n t h i sp a p e rt o o k c h a n g l i n gc o u n t y j i n l i np r o v i n c ea st h es t u d ya r e a , a n d i n t e g r a t e dr e m o t es e n s i n gd a t aa n do t h e rc o n e l a t i v em a t e r i a lt og e tt h el a n d u s em a p sf o r1 9 9 1 ，1 9 9 5a n d2 0 0 0y e a r s a n dr e c u rt ot h es p a t i a la n a l y s i s f u n c t i o no f g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e ma n ds t a t i s t i c a la n a l y s i ss o f t w a r e , t h e g r a p h i n f o r m a t i o n e x p r e s s i o nm a a n so f l a n du s ec h a n g ea n di t sg e o g r a p h y s i g n i f i c a n tw e r es t u d i e d t h i ss t u d ym e t h o dw a san e ww a yf o rl u c c r e s e a r c h f a r t h e re x p l o r a t i o no f t h ed r i v e nm e c h a n i s mo f l a n du s e p a t t e r na n d i t sd y n a m i cc h a n g ef r o mt h eg r a p hi n f o r m a t i o np o i n tw a san e w a t t e m p tt o p e r f e c tt h ed e s c r i p t i o na n da n a l y s i so fl u c ct e m p o r a ls p a t i a le v o l v e m e n t p r o c e s s i t w a sa ni n n o v a t i o ni n s o m ed e g r e ea n dh a ss o m et h e o r e t i c s i g n i f i c a n c e t h ep a p e rw a sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sf o l l o w s ：t h ef i r s t c h a p t e r s u m m a r i z e dt h es i g n i f i c a n c eo f g r a p h i ci n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n , a n dr e v i e w s t h ep r e s e n ts t u d ya b o u ti ta th o m ea n da b r o a d a n dt h e ne x p l a i nt l l e m a i n m s t u d yc o n t e n t ，a i m a n ds t u d ym e t h o di nt h i s p a p e r t h e s e c o n dc h a p t e r i n t r o d u c e dt h e s t u d ya r e a , i n c l u d i n g i t sn a t u r ee n v i r o n m e n ta n ds o c i a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h et h i r dc h a p t e rs t u d i e dt h ef a p h i ci n f o r m a t i o n s i g n i f i c a n to f l a n du s ep a t c ha n dl a n du s es p a t i a lp a t t e r nb a s e do nt h el a n d u s ed a t ai nc h a n g l i n gc o u n t y t h ef o r t hc h a p t e ra n a l y s e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl a n du s ec h a n g ea n di t sg a p h i ci n f o r m a t i o n t h cf i f t hc h a p t e rs t a t e d t h ec o n c l u s i o no f t h i s p a p e r k e yw o r d s ：l a n du s e , 掣a p h i ci n f o r m a t i o na n a l y s i s ，r e m o t es e n s i n g ，o i s ， g e o - i n f o m a t i ct u p u ，c h a n g | i gc o u n t y i v 独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人为获得东北师 范大学或其它教学机构的学位或证书而取得的研究成果。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 示谢意。 签名：日期：皇! ! 堡：! ：! 关于论文使用授权的说明 本人了解并遵守东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、向国家有关部门送交学位论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：塑 指导教师签名： 日期：盘! 堕! ：!e t 土地利用变化图形信息及其地学机制初步研究 第一章前言 人类在创造历史与发展文明的同时也在大量的掠夺着地球上有限的资 源，打破了自然界亿万年来的平衡，由此产生了一系列环境问题，从臭氧 层破坏、温室效应、气候变化、物种多样性丧失到愈来愈频繁的沙尘暴， 不仅干扰了人类的发展，也威胁到人类的生存，因而加强全球环境变化研 究，了解人类对环境影响的作用及后果显得尤为紧迫，它也因此而成为近 年来国际上最为活跃的研究领域之一【l “。 土地利用，土地覆被作为全球环境的下垫面因子，受自然地理环境和人 文社会活动的双重制约。人类在地表的生产活动改变了地球陆地表层的覆 被状况，而土地覆被的变化也对区域水循环、土壤质量等多种自然生产力 因素产生深刻的影响，又将引起人类对土地利用方式的调整。可以说，土 地利用土地覆被格局是在长期的人地相互作用下形成的，是自然与人文过 程交叉最为密切的问题，因此随着全球人口一资源一环境问题的日益严峻， 土地利用，土地覆被研究逐渐成为全球变化研究和可持续发展的热点研究 领域，而由国际地圈生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化人文因素计划 ( i h d p ) 1 9 9 5 年联合提出的“土地利用土地覆被变化研究( l u c c ) ”也被列 为国际全球变化研究的核心计划p 羽。 在我国，土地资源尤其是耕地资源由于巨大的人口基数、经济的快速 发展以及人民生活水平逐步提高等一系列特殊国情而日趋紧张。生态环境 的保护与治理，耕地保护与食物安全，资源的有效保护和可持续利用等都 对我国2 1 世纪的发展具有关键性的影响。因而士地利用土地覆被及其变 化的研究就具有更为突出的现实意义。 土地利用土地覆被变化研究的最终目的是通过对土地利用土地覆被 变化的动态监测，驱动因子及驱动机制分析及其资源环境响应模拟来建立 多尺度综合评估模型，对土地利用进行优化调控，以确保土地资源的可持 续利用。其中，不同尺度土地利用土地覆被变化的时空过程描述，是土地 利用土地覆被研究的基础工作，是保证后续研究顺利进行的前提条件。因 而准确定量的提取土地利用变化信息就显得尤为重要。 堡主兰竺堡兰 一 土地利用土地覆被在复杂时空序列中表现为特定的图形，不同的成因 机制、行为特征及演化阶段的土地利用图形形态上千差万别，进行此类地 理图形的研究可以揭示土地利用土地覆被丰富的分异演化信息睁”。因此， 本文将从地理空间图形信息分析的角度入手，计算土地利用变化的斑块及 其格局的几何特征值，分析土地利用斑块及其格局的形态与受力状况的关 系，从图形角度进一步发掘土地利用格局及其动态变化的驱动机制，这对 完善土地利用，土地覆被时空演化过程描述与分析是一种新的尝试。 第一节国内外研究现状 有关空间目标地理事物的图形信息包括空间目标的几何形态，目标 之间的相连，相邻与共生关系；目标几何性质与属性之间的关系等p ”】。 定量清晰地表达图形信息，从图形信息角度探索地理事物的分异与演化， 是地理信息科学的一个发展方向。 用图形来表达空间目标的最好实例就是地图，地理学家从来都把地 图视为“第二语言”例，从地图这种对空间客体和现象的特征、分布及 规律的图形表达形式上认识世界，显然比用表格和文字来实现同样的目 的直观简便有效得多。 早在1 8 世纪到1 9 世纪，科学家就用地图分析研究大陆、海洋的位 置，计算它们的高度、深度，研究它们的形状特征及海陆系统的分布规 律。法国地理学家勃尤沙在1 7 5 3 年就根据地图研究了地球上最重要的山 脉和河流的分布。2 0 世纪初，地图的精度和详细程度提高，对地图的研 究促进了地理地带性基本规律的发现。例如，地球的气候和植被的地带 性( 古姆鲍利德特) ，整个地理环境的地带性( 道库恰耶夫) ，并在地图 上发现了南美洲东海岸与非洲大西洋沿岸轮廓的拼合性( 魏格纳) 。 随着人类与环境间互动关系的密切，地图分析成为地理科学研究的 强有力手段，这也要求地图分析应用数学方法和计算机技术，寻求地理 现象发生性质变化的数量量度。构建数学地图模型，对原始的地图 表象加以处理和变换，是当代地图分析的最新发展方向。 另外，分形理论、景观生态学都有对图形定量描述问题的研究。 分形理论是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的另外一种研究图形信息的 2 圭丝型旦奎些鬯垄堕星墨苎垫堂垫型垫i ! ! 堕 方法”们。借助分形理论刻划自然界和人类社会中一些不规则、不稳定和 具有高度复杂结构的现象和图形，已经取得了异乎寻常的效果，这些应 用不仅促进了分形理论本身的发展，而且也深化了对纷繁世界诸多事物 外在特征以及内部发生机制的认识。分形理论迄今只有3 0 多年的历史， 但却已被国内外大批的数学、物理、化学、生物、材料科学和地质等学 科的学者们引入自己的研究领域，在2 0 世纪8 0 年代中期空前活跃【1 1 ”1 。 地理现象的分形研究也取得了卓著的成果，已经渗透到地质、地貌、水 文、气候、植被和土壤等自然地理学的各个领域，分形地理学正孕育为 地理科学的新分支。 土地利用分形性质的研究也初见端倪。曹天邦等人对土地利用类型 的分布是否具有分形结构及其在土地利用总体规划中的应用作了初步探 讨，证明了土地利用类型的分布具有分形结构，其分维数可以量度或表 征各土地利用类型空间分布特征并作为进行相关深入研究的新的有用参 数i 切。 陈彦光等对描述城市土地利用形态及其空间结构特征的两种分维， 即边界维数和半径维数进行了总结论证。认为这两种维数具有一定的地 理几何意义并以实例说明了其应用方法【1 8 】。f r a n k l i n 等人在景观生态学 中引用分形理论进行景观空间格局分析；b a i 1 i a n l i 进行了分形理论在斑 块格局和动态变化的描述和分析中的应用的研究1 1 9 l ；朱晓华等进行了海 岸线空间分形性质的探讨；可以说，分形理论为图形的定量表达提供了 很好的描述语言。 近年来，景观生态学提出了很多景观格局图形信息定量描述的方法， 例如对景观斑块的内缘比、分维数和形状指数，景观格局中斑块密度、 优势度指数和分离度等的测度1 2 0 - 2 卯。肖寒对海南岛景观空间结构的分析 ”9 i 和刘灿然所做的北京地区植被景观中斑块形状的指数分析中都提出了 对景观斑块及空间格局的图形描述的方法【2 1 j ；国外有学者进行生境镶嵌 体图形表达方式的研究( c a a t w d l , md e t c ) t a n o t h yhk e i t t l ( u n i v e r s i t yo f n e wm e x i c o ) 等也试图用图形理论( g r a p ht h e o r y ) 进行 尺度对景观连通度的影响的研究【2 扪。 土地利用，土地覆被变化作为自然与人文交叉最为密切的问题，在全 球环境变化和可持续发展研究中占有重要的地位。2 0 世纪9 0 年代以来， 堡主堂堡堡茎 “国际地圈与生物圈计划”( i g b p ) 和“全球环境变化人文计划”0 h d e ) 积极运作推动l u c c 研究。许多国家和其他有关的国际组织相继在这一 领域启动一系列研究计划1 2 6 - 3 5 。联合国粮农组织( f a o ) 、联合国环境署亚 太地区环境评价计划咖髓a p a p ) 、气候变化政府间工作委员会 ( w c c ) 、国际应用系统分析研究所( a s a ) 、“土地利用转化和影响模型” ( c l u e 研究小组等都确立了与“土地利用，土地覆被变化”的科学研究计 划相应的研究项目脚蜘。我国也在集中子沿北纬4 3 。3 0 一线，东起长 白山，西至内蒙古高原的东西样带和北起中蒙边境中部，经黄土高原、 河南、湖北、江西至广东珠江三角渊的南北样带开展了多项土地利用土 地覆被变化研究的工作。 目前土地利用5 = 地覆被变化研究更多的集中于一些“热点地区”、脆 弱区与典型地区。自然、社会、经济以及发展历史等条件的区域差异，使 不同地区土地利用土地覆被变化的动力机制、演变过程大不一样，这样那 些目前或者过去近一段时期内土地利用与土地覆被变化剧烈或者未来一段 时期内将要发生较大变化的地区就成为土地利用土地覆被变化研究的 “热点地区”。在“脆弱区”进行土地利用土地覆被变化的研究有利于人 们对脆弱性的认识，通过案例研究来揭示脆弱区的形成演变机制，揭示各 种自然的、社会的、经济的因素对土地利用可持续性的影响，建立一种土 地利用，土地覆被变化的预警系统。 “典型地区”土地利用4 - 地覆被变化研究可以深入探讨土地利用与 土地覆被变化的复杂性，更进一步地研究土地利用变化的动力学机制，避 免大规模尺度上分析的表面性。 从研究方法上看，土地利用土地覆被变化研究多借助于3 s ( g i s ，g p s 和r s ) 集成方法l 螂9 】获取土地利用变化数据，运用统计学方法构建土地利 用变化模型( l u c c 模型) ，以了解土地利用变化成因、过程，预测未来发 展变化趋势及环境影响。 遥感、地理信息系统与全球定位系统的发展成为土地利用土地覆被研 究的重要技术支撑。其集成不仅可以快速、准确地获取土地利用动态变化 状况，而且可以结合数学模型完成土地利用动态变化的表示和趋势预测。 由于遥感( r s ) 数据具有覆盖面广、宏观性强、快速、多时相、丰富 的综合信息等优点，而成为土地利用空间变化研究的一类重要信息来源， 4 圭些型旦窒些堕墅笪墨墨苎丝兰垫型垫生! ! 茎 在土地调查制图与监测中得到广泛的应用【4 0 l 。有效使用遥感数据的关键是 对遥感图像的准确解译。目前的解译方法有目视解译和自动分类两种，其 中基于光学和计算机图像处理技术进行人工目视解译是常用的一种方法， 而遥感影像的自动识别技术尚不完善，达不到实用化的要求，需要迸一步 的探讨。本文中遥感数据的使用也是通过p c i 对遥感影像进行图像处理后 并融合其它非遥感数据人机交互解译后获取的。 利用地理信息系统( g i s ) 空间分析方法研究区域土地利用变化不乏 先例h ”。i v c r s o n0 9 s s ) 乖 用g i s 对美国伊里诺斯州土地利用现状和此前 1 6 0 年的土地利用进行比较，分析该区土地利用的变化类型。b o c r n e r 等 f 1 9 9 6 ) 对俄亥俄州中部地区4 6 年间土地利用，土地覆被变化的研究、 s k i 肌酬1 9 9 5 ) 对流域林地空间变化的研究以及刘盛和对北京市城市土地利 用变化的研究等都应用了g i s 的空问分析方法【4 。蔡博文还把地理信息系 统的空间分析功能和m a r k o v 随机过程分析方法相结合，分析台湾云林县 沿海地区土地利用变化状况【4 2 l 。 全球定位系统( g p s ) 泛指利用卫星技术，实时提供全球地理坐标的系 统。可以实时、快速地提供目标( 包括各类传感器和运载平台) 的空间 位置，为准确把握土地利用变化区域提供了技术支撑，对遥感信息也是 一个必要的、有益的补充。土地利用大面积的变化区域可以通过卫片大 致确定，而对于小面积的或突然发生的有较大影响的变化，卫片上或反 映不出来，或没有必要用遥感手段确定，这时就可用g p s 接收机在野外 很方便地获取变化区域的数据并对动态监测信息系统数据库进行更新。 所以，g p s 不仅起到对遥感成果野外定位的量化作用，而且也是一种独 立的数据源 s 3 - 5 4 j 。 目前从图形特征角度进行l u c c 研究的案例还很少，王成等研究了 太行山区河谷内居民点的特征及其分布格局的图形信息，徐雪人等进行 了洪泛平原农村居民地空间分布特征定量研究及应用探讨【筇l 。 以各种不拘形式的图形，概括和反映地理客体的空间分布规律，摆 脱了长期以来人们只用文字或复杂的数学公式描述地理环境规律时的艰 难和无奈，这也是近年来提出的地球信息图谱【5 e , - 5 9 1 的观点之一。 陈述彭先生提出的地球信息图谱就是对地球信息的时空变化的图形 表达，从“图”这种空间信息的表现形式和“谱”这种不同类型事物特 硕士学位论文 征有规律的序列编排角度，应用计算机技术、虚拟现实技术等阐明地理 过程的现状，反演其历史，虚拟其未来。 作为地理信息的表达和研究手段，地球信息图谱载荷了表征一定范 围的资源、环境乃至社会经济的性质、特征和状态的对空分布及其结构 状态的系列图形信息，是未来地理信息科学发展的新方向。 第二节本文的研究目标与意义 一、研究目标 土地利用斑块及其格局的外部形状与成因之间的某种内在联系是本 文试图解决的主要问题之。对土地利用变化图形信息地学机制的研究， 也是探究土地利用变化驱动机制的一种方法。 面状地物均具有特定的坐标、形状和拓扑关系，土地利用图斑作为 面状要素，其空间形态与属性之间具有不可否认的密切联系，而认识这 种联系，就需要获取各类土地利用斑块形状的定量信息作为研究的前提。 本文基于长岭县1 9 9 1 年，1 9 9 5 年和2 0 0 0 年的土地利用数据，采用多个 指标从单个土地利用图斑和土地利用空间格局两个方面定量描述土地利 用及其空间变化的图形信息，探讨了土地利用变化的图形信息表达方法 及其地学机制。 二，研究意义 以吉林省长蛉县为例，从图形信息的角度进行土地利用变化及其地 学机制的研究，具有下列意义： ( 1 ) 新的信息获取方式 传统统计方法建立在样本独立和大样本两个基本假设之上，由于地 理现象的空间依赖与空间异质，造成常规的统计学方法在分析空问数据 时存在致命的缺陷 6 0 1 。从斑块中直接提取的几何形状的特征值，从新的 角度实现了对空间信息性质的分析和鉴别。这种让数据说明其本身的分 析技术，也被称作空间数据探索分析1 6 1 j ( e x p l o r a t o r ys p a t i a l d a t a 6 土地利用变化图形信息及其地学机制初步研究 a n a l y s i s ) ，简称e s d a 。 ( 2 ) g i s 空间分析功能的扩展 缺乏有力的空间数据分析功能限制了g i s 作为分析空间数据及其相 互关系的研究工具的应用1 6 2 6 3 。土地利用图斑图形定量描述，以及对空 问数据进行的精确的模型运算，实质是对空间目标形态、目标问关系、 目标的行为进行描述，这种空间信息的获取方式，与g i s 的结合必将扩 展g i s 空间分析的内涵，增强g i s 空间分析的能力。 ( 3 ) 土地利用问题的研究意义 土地利用是自然与人文过程交叉最为密切的问题，其变化是引起其 它全球变化问题的主要原因之一。“土地利用1 地覆被变化研究( l u c c ) ” 已成为国际全球变化研究的核心计划，与全球变化有关的各个科学组织 和各类科学计划纷纷将士地利用，土地覆被变化研究作为研究的重点。计 算土地利用变化的斑块及其格局的几何特征值，分析土地利用斑块及其 格局的形态与受力状况的关系，可以从新的角度发掘土地利用格局及其 动态变化的驱动机制。 ( 4 ) 研究区的选择 地处森林草原向荒漠草原过渡带的吉林省西部也是我国北方典型的 农牧交错带，是全球变化反应敏感的生态脆弱带之一，是我国水土流失、 草场退化、沙漠化等环境问题最为突出的地区之_ c “- 6 6 1 。经济发展( 主 要是农牧业) 与环境安全之间的竞争已经成为该地区可持续发展的瓶颈 问题。因而选择长岭县作为研究区具有分析土地利用问题的典型意义。 另外，吉林省西部地区历来是学者的关注研究区，积累了丰富的研 究素材和成果。因而，研究长岭县土地利用的图形信息及其地理机制具 备可操作性和实际意义。 ( 5 ) 研究方法的发展 分形理论对具有不规则、不稳定和高度复杂结构的现象和图形的研究 取得了超乎寻常的效果，而土地利用斑块受多种自然人文因素干扰，其形 态也有上述特点，但目前少有涉及土地利用类型的分布是否具有分形结构 的研究。本文将借助分形理论和其它方法刻划土地利用斑块这种不规则的 空间目标，不仅可以深化对土地利用斑块外在特征及内部发生机制的认识， 同时可以促进分形理论本身的发展，而且也可以发展一些颓的土地利用动 1 堡主兰垡堡奎 一 态变化监测及驱动机制研究方法。 第三节数据资料与工作路线 一、数据资料 1 图件资料 本文进行土地利用变化的图形信息研究，因而获取真实可靠的土地 利用及其变化数据是整个研究工作的基础。为此，本文采用了一系列的 图件资料，包括：遥感影像( 1 9 9 5 年9 月和2 0 0 0 年9 月l a n d s a tt m ， 比例尺l ：1 0 0 0 0 0 ) 、地形图( 1 ：1 0 0 0 0 0 ) 、长岭县土壤图、长岭县地貌 图，1 9 9 1 年土地利用图( 1 ：1 0 0 0 0 0 ) 。 2 统计数据 可分为两类：包括人口、交通、经济结构、各类用地面积等多个指 标的多年社会经济统计数据和包括土壤、地形、植被、气候等指标的自 然环境统计数据。 以上数据主要出自长岭县志( 1 9 9 3 ) 、长岭县土壤志( 1 9 8 5 ) 、 长岭县乡级土地利用总体规划( 1 9 9 8 ) 、1 9 8 0 - 2 0 0 0 年长岭县国民经济统 计资料、1 9 7 8 1 9 8 9 长岭县社会经济简要资料、松原年鉴( 1 9 9 2 1 9 9 6 ) 、 吉林省统计年鉴( 1 9 8 9 1 9 9 9 ) 等。 二、工作路线 1 土地利用分类 参照国家土地资源遥感调查分类系统，结合长岭县土地资源的经营 特点和利用方式，考虑到数据资料充分合理的利用以及本研究目标的需 要，将土地利用分为6 个一级类型，即耕地、林地、草地、水域、居民 点及工矿用地、未利用土地。 2 数据处理 1 ) 遥感图像纠正与配准 在地形图和l a n d s a tt m 影像上均匀选取多个同名典型地物点作为控 制点，使用遥感图像处理软件p c i 对t m 影像进行假彩色合成、增强和 几何校正，将遥感影像与地形图配准。 g 圭丝型星奎些璺! 丝垦墨茎垫兰塑型塑i ! ! 堕 2 ) 根据影像特征建立判读标志，参照非遥感资料通过人机交互判读 完成遥感影像的解译，将解译结果导入到a r c 胂o 转换为c o v e r a g e 文件格式，得到1 9 9 5 年和2 0 0 0 年的土地利用矢量数据。 3 ) 在m a p i n f o 环境中对扫描的1 9 9 1 年土地利用圈跟踪矢量化， 并转换为a r c i n f o 的c o v e r a g e 文件格式，进行投影转换，得到1 9 9 1 年土地利用矢量数据。 4 ) 在a r c i n f o 环境中，将建立多边形拓扑关系的三期土地利用矢 量数据用“i n t o r s e c t ”两两叠加，并用“e l i m i n a t e ”去除那些因为叠加产 生的碎多边形( 面积小于o 0 0 5 k r n 2 且面积周长比小于1 0 的多边形) ，得 到土地利用转移方向与数量。 3 数据分析 基于三期土地利用矢量数据的多边形属性表与弧段属性表，获取有 关土地利用斑块的图形信息。通过a r c v i e w 的查询功能和s p s s 的统 计分析功能，定量描述土地利用的图形信息以及土地利用变化与其图形 特征变化的互动机制研究。 图1 3 1 为本文的工作流程图。 图1 3 1 工作流程图 9 硕士学位论文 第二章研究区概况 吉林省长岭县地处松嫩平原的南部，科尔沁沙地东缘，地理位置介于 1 2 3 。0 7 e 1 2 4 。4 5 e ，4 3 。5 9 n 4 4 。4 5 n 之间，总幅员面 积5 7 2 8 4k m 2 。长岭县隶属于松原市，东依农安县，西靠科尔沁左翼中旗， 南接公主岭市，双辽县， 北连通榆，乾安， 前郭尔罗斯蒙古族自治县。 1 0 第一节自然地理环境 一、地质地貌 长岭县在大地构造上属松辽坳陷的东南部沉积带，白垩纪时期为一古 洼地，湖相沉积物巨厚，后来燕山期和喜山期的构造运动使白垩纪地层发 生褶皱和断裂，成为本县的基底构造。 海拔高度1 4 5 2 7 4 米之问，境内无河流分布，无山岭点缀，地势平坦， 但新生代以来，继续活动的新构造运动使本县地层震荡性上升，东部上升 幅度较大，西部上升幅度较小，形成由东南向西北逐渐倾斜的地势，平均 比降为1 1 3 0 0 。 按成因和形态，长岭县的地貌类型可分为三类：剥蚀堆积型浅丘状高 台地、堆积型冲积微波状低平原、堆积型风积冲积起伏沙地( 见图2 1 2 ) 。 1 ) 台地主要分布在东南部巨宝山、三青山、太平山、永久、三县堡 带，面积约为全县土地总面积的1 3 ，主要由黄土状含砂亚粘土或亚砂 土与红色砂砾石粘土组成。台地海拔在2 0 0 2 7 4 米之间，地表剥蚀强烈， 多冲沟，坳谷和陡坎。 2 ) 低平原分布于龙风乡经前七号镇至永升乡一线以东，台地缓坡边 缘以西，面积约占全县土地总面积的6 8 ，主要由冲积黄土状亚砂土和风 积沙组成。海拔1 6 0 2 3 0 米，由东向西略有倾斜，地势比较平坦，是本 县的主要农作区。 3 ) 西北部为由风积物及浅湖湖积物组成的堆积型风积冲积起伏沙地 ( 沙丘，平原) ，海拔在1 4 0 1 9 0 米之间，地表为沙丘覆盖，沙丘多以固 定或半固定的沙堆、垄状沙丘，纵向沙垄的形态与甸子地相问分布，并构 成向南突出的东西向沙带。 二、气候条件 长岭县属中温带半干旱、半湿润大陆性季风气候，春迟秋早，夏短 冬长，温差悬殊，四季分明。 长岭县历年平均年日照时数为2 8 7 1 5 小时，日照百分率为6 5 ，农作 堡主堂堡丝奎 物生长期f5 9 月) 日照时数为】3 1 3 1 小时，占周期目可照时数的6 0 。地 面温度累年年均6 2 c ，气温年均为49 c ，最冷月1 月平均气温为一1 6 1 ， 最热月7 月平均气温为2 3 2 ，极端最低气温为3 3 9 c ，极端最高气温为 3 65 c ，1 0 积温年均2 9 3 2 8 ，持续日数年均1 5 19 天。无霜期多年平 均为1 4 2 天，最长为1 7 4 天( 1 9 8 1 年) 。最短为1 2 4 天( 1 9 5 4 年) ，初霜最早在9 月上旬，终霜最迟在5 月中旬 据t 9 s 3 1 9 8 5 年气候资料1 。 由于受季风气候的强烈影响，长岭县的盛行风向为西南，西北风。年 平均风速35 米，秒，4 、5 月风力较强，平均风速为4 5 米秒，全年5 5 1 3 的6 级大风也出现在4 、5 月。 长岭县干旱少雨，1 9 5 3 1 9 8 5 年降水量年均为4 7 2 5 毫米，年际变率 平均为1 7 。降水量年际波动较大，最大年降水量7 1 6 2 毫米，最小年降 水量2 7 7 4 毫米，且年内降水量6 9 2 集中于夏季。蒸发旺盛，年平均蒸发 最1 6 1 27 毫米( 为降水量的3 4 倍) 。区域差异显著，多年平均降雨量东部 为4 5 0 毫米5 0 0 毫米，中部为4 5 0 毫米左右，西部为4 0 0 4 3 0 毫米。蒸发 量则由东南向西北逐渐增大。 长岭县年平均相对湿度为6 1 ，春季为4 8 ，夏季为7 2 ，秋季为6 4 ， 冬季为6 2 。干燥度自西北向东南递减，气温i o c 期间的干燥度，中 部为1 1 ，属于半干旱草原区；东部随着降水量增加，干燥度在1 1 以下， 属于半湿润森林草原区；西部干燥度在1 1 以上，比中部东部要干燥一些， 为半干旱沙丘草原区。 长岭县地表水贫乏，只有东南部和西北有一些小湖泡。受气候影响， 年均降水量少且集中子夏末秋初，遇到丰水年时容易造成内涝。春季则多 风少雨，造成春旱风蚀，旱灾和风灾成为本县最主要的自然灾害。干旱主 要是春旱，其次是夏旱和秋旱。建国后的几十年里，耕地遭旱灾面积大于 j 0 0 力- 亩的有5 个年份，约9 年一遇；旱灾耕地面积大于5 0 万亩的有】4 个年 份，平均为3 6 年一遇；受早耕地面积大于l o 万亩的有3 3 个年份，约1 5 年 一遇。本县遭受风蚀灾害，中、西部尤为严重，全县每年因受风灾而毁种 或补种的耕地平均为l o 万亩。 三、土壤植被 根据1 9 8 0 年普查结果，采用4 级分类制，长岭县土壤共分为9 个土类， 1 2 土地利用变化图形信息及其地学机制初步研冤 1 9 个亚类，2 7 个土属( 土族) ，8 0 个土种。这9 大土类分别是黑土、黑钙土、 淡黑钙土、草甸土、碱土、盐土、 沼泽土、泥炭土、风沙土。依据各土 壤类型的分布，长岭县可分为3 个土壤类型区：东南部黑土、黑钙土区； 中部淡黑钙土区；西部风沙土、盐碱土区，分布范围大致与地貌类型区相 配合。全县土壤腐殖质含量平均为1 4 3 9 0 ，全氮0 1 4 4 ，全磷0 0 5 4 6 ，全钾 2 8 8 ，速效磷4 4 ，速效钾8 2 2 2 ，碱解氮8 1 6 7 ，各土壤类型中以黑土、黑 钙土、淡黑钙士肥力最高( 详见表幺1 1 ) 。 各沉积地层形成年代由老到新分属白垩纪( k ) ，上第三纪( n ) ，第四 纪( q ) 三个地质时期，与土壤形成密切相关的主要地层为第四纪( q ) 沉 积物，中生代，新生代沉积地层覆盖全境，但局部地方也有上第三纪( n ) 和自垩纪( k ) 岩层出露。地带性土壤为淡黑钙土，也分布有大面积的苏 打草甸土和盐碱土。 表2 1 1 长岭县各类土壤营养成分含量表 庸殖质全氮 全磷全钾碱解氯速效礴速效钾 土类 ( )( )( )( )( p p m )( p p m )( p p m ) 黑土13 3 3 30 0 9 9 50 0 4 9 2 3 1 01 0 3 95 51 0 09 黑钙土l5 3 3 40 1 1 8 00 0 5 7 82 8 01 0 2 25 1 9 9 0 淡黑钙土 14 0 2 20 0 9 9 20 0 6 3 830 78 9 55 5 9 1 3 草旬土1 7 1 9 50 1 3 4 1 0 0 5 8 12 7 69 374 68 l9 盐土05 3 8 900 4 9 50 0 2 5 233 05 3 9 3 36 5 6 碱 土1 6 5 9 60 1 2 4 10 0 4 6 82 7 07 6 3 4 o1 1 05 沼泽土 1 1 9 7 60 0 8 8 00 0 6 5 031 05 1 41 8 0 泥炭土 28 1 0 00 1 6 3 3o 0 7 6 02 3 51 1 lo 3 91 2 4 4 风沙土0 7 7 5 00 0 6 4 6o o 瞄2 9 05 4 1 3 14 8 4 平均 14 3 6 9 00 1 0 4 40 0 5 4 62 8 88 1 6 74 48 2 2 2 长岭县自然植被覆盖率为2 65 1 ，属于半干旱草原型。据历史资料和 1 9 8 0 年普查结果，长岭县自然植被类型可分为6 种：半干旱区典型羽茅，西 伯利亚蒿植被群落，主要分布在东部台地与中部平原区；半干旱区典型羊 草草甸草原植被群落一般分布在平川甸子地；碱蓬沙地蓼耐盐植被群落 主要分布在泡沼边缘或盐碱洼地；香蒲，芦苇沼泽植被群落多分布在泡沼 边缘季节积水地段；拉条榆，甘草沙地植被群落主要分布在西北部起伏沙 丘地带；典型轻度盐化土壤植被群落分布在羊草草原的低平地处。 图2 1 2 长岭县地貌图 第二节社会经济发展现状 一、人口 长岭县隶属于吉林省松原市，辖1 2 镇1 9 乡，2 5 1 个村，7 个农林牧场， 1 9 9 9 年末总人口为6 3 23 9 6 人，其中农业人n 5 2 万人，城镇人口1 1 万人， 农业人口比重高达8 2 2 ，城市化水平较低。境内有汉族、朝鲜族、蒙古 族、满族、回族、达斡尔族等十几个民族，汉族人口比重在9 0 以j sa 多 年平均人口自然增长率为5 ，人口密度为8 7 1 a a j n 2 。 二、经济结构 长岭县是全省重点产粮县之一，经济结构以农业为主。 1 9 9 9 年，实现国内生产总值为2 3 4 4 2 8 万元，其中第一产业增加值为 1 7 0 2 8 2 万元，第二产业增加值为2 3 7 6 6 万元。可见大农业是长岭县的支柱 产业。农业又以种植业和畜牧业最为发达，主要农作物有玉米，高粱，谷 子，小麦，水稻，大豆，葵花等，属典型的农牧交错区经济模式。 1 4 圭丝型里壅些望丝堡皇墨基丝兰垫型塑i ! ! 堕 第三章土地利用格局的图形信息 第一节个体土地利用斑块的图形特征 一、土地利用斑块规模特征 面积是进行土地利用统计的一项重要指标，土地利用斑块的面积大 小确定了土地利用斑块的规模，规模大小隐含着有关原始土地覆被性质 的信息，也影响着人类对该地块的使用与选择，这就使得面积这个指标 可以从一个方面反映出人类对其开发利用的程度与方式。另外，面积的 大小还具有许多生态学涵义，比如面积的大小影响着斑块的稳定性、斑 块之间的物种传播等。因而，本文比较了不同土地利用类型斑块的规模 特征，结果列于表3 1 1 中。 分析表3 1 1 可知，在各类土地利用斑块中，耕地斑块的总面积和平 均面积都是最大的，而其斑块数量相对林地和居工地来讲却是很少的， 这反映了长岭县作为吉林省的重要产粮县的土地利用结构的特征。该县 以大面积的农田为土地利用的主体，反映了人们对农业作物产出的需求， 人类对于高产稳产田更趋向于集约经营，以实现最大的经济产出；也与 东北地区地广人稀，城市化水平较低，城镇体系不完善有很好的相关性。 同时，耕地的面积标准差是其它各地类的几十倍，表明耕地斑块的面积 距离其均值的偏差是最大的。可以说，“大”是耕地这种土地利用类型的 一个重要图形特点。 表3 1 1 长岭县土地利用斑块的规模特征 4 ：1 9 9 1 年 辫地林地草地水域居工地未利用地 斑块个数 3 1 88 8 52 7 79 61 1 1 31 7 2 斑块数比例1 l1 1