（环境工程专业论文）基于多时相遥感数据的天津市区土地利用土地覆盖变化检测.pdf

摘要 摘要 土地利用土地覆盖变化研究是全球环境变化研究的热点问题，也是环境科 学领域研究的重要内容。研究土地利用与土地覆盖的变化，对于理解全球环境 的变化，协调土地利用与环境保护的关系具有重要的意义。 本文选取天津市区为研究区域。天津市地处我国华北平原的东北部，是环 渤海经济区的重要组成部分。近些年，工业化和城市化进程的加快使得天津市 的土地利用土地覆盖发生了很大变化，尤其是市区区域内，城市扩张明显，耕 地面积大量减少。 本文以1 9 7 9 年5 月2 9 日的m s s 影像和1 9 9 3 年6 月1 5 日、2 0 0 1 年9 月1 日、2 0 0 5 年9 月4 日的t m 影像为主要数据源，结合地形图等数据，利用e r d a s 和a r c g i s 软件平台，对研究区域内的土地利用土地覆盖变化进行检测。具体 过程是：首先对影像数据源进行预处理和影像分类，然后对分类影像进行变化 信息提取并进行结果的统计分析，最后进行土地利用变化驱动力分析。旨在实 现土地利用土地覆盖变化研究在天津市的尝试，为更好地制定土地利用的政策 和生态环境的保护提供依据。 论文结果及主要结论如下： ( 1 ) 研究区域内的土地利用土地覆盖类型主要为耕地、非农用地、水域和 林草地。 ( 2 ) 从1 9 7 9 年到2 0 0 5 年，研究区域内耕地面积大量减少。从1 9 7 9 年的7 3 8 3 减少到2 0 0 5 年的4 7 3 9 。分区统计的结果进一步显示，津南区的耕地面积减少 幅度最大，减少比例为3 5 2 8 ，且到2 0 0 5 年，环城四区中的西青区和东丽区耕 地面积比例已经不足5 0 ，分别为4 4 7 5 、4 7 7 1 。耕地的主要流向为非农用 地，每个时期的流向比例分别为：6 2 8 ( 1 9 7 9 1 9 9 3 年) 、1 3 1 4 纵1 9 9 3 2 0 0 1 年) 、 1 1 8 4 ( 2 0 0 1 2 0 0 5 年) ，从年均流失率看呈现逐年增大的特点。 ( 3 ) 从1 9 7 9 年到2 0 0 5 年，研究区域内非农用地面积明显增多。从1 9 7 9 年 的7 6 3 增加到2 0 0 5 年的2 9 1 7 。其中，中心城区的非农用地面积增幅最大， 增加比例为2 5 5 3 。增加的非农用地主要来源为耕地，也有少量水域。 ( 4 ) 从1 9 7 9 年到2 0 0 5 年，研究区域内的水域和林草地有所变化。其中，水 域面积从1 9 9 3 年的1 2 增加到2 0 0 1 年的1 6 5 3 ；林草地在面积总量上变化不 i 摘要 大，维持在6 5 9 之间，但转变频繁。水域和林草地的变化主要与天津市的 城市规划和建设有关系，比如河道的改造和城市绿地的消长等。 ( 5 ) 天津市区土地利用土地覆盖变化的主要驱动力为人口的增长、经济的 发展、交通的影响和政策的导向。 通过对不同时相的卫星遥感影像进行处理，检测了天津市区1 9 7 9 2 0 0 5 年间 的土地利用土地覆盖变化。结果显示，研究时间段内天津市区的土地利用土 地覆盖变化明显，尤其是耕地的减少和非农建设用地的增加。为了将来对此课 题的更深入研究，文章最后对本论文的研究进行了总结和展望。 关键词：土地利用土地覆盖变化检测 驱动力分析卫星影像天津市区 i i a b s t r a c t a b s t r a c t l u c c ( l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e ) i st h eh o t s p o to ft h eg l o b a l 姐v i r o m e n t a lc h a n g e sr e s e a r c h , a n di sa l s ot h ei m p o r t a n tp a r to fe n v i r o n m e n t s c i e n c ef i e l d i ti sm e a n i n g f u lt od or e s e a r c ho nl u c ct ou n d e r s t a n dt h eg l o b a l e n v i r o n m e n t a lc h a n g e sa n dh a r m o n i z et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n d u s ea n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , w ec h o s et i a n j i nu r b a na r e aa st h es t u d ya r e a t i a n j i ni sl o c a t e di n t h en o r t hc h i n ap 1 a i 玛a n di st h ep r i m a r yp a r to fc i r c u m - b o h a ie c o n o m i cz o n e d u r i n gt h e s ey e a r s ，t h er a p i di n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o nh a v eb e e nc h a n g i n g t h el a n du s e c o v e ri nt i 画i n e s p e c i a l l yi nt h eu r b a na r e aw h e r et h ef a r m l a n dh a s1 1 1 1 1 o u tb e c a m eo ft h ec i t ye x p a n s i o n m u l t i t e m p o r a ll a n d s a ti m a g e sw e r eu s e d a s t h em a i ns t u d yd a t aa n dt h e t o p o g r a p h ym a pw a st h ea c c e s s o r i a ld a t a b a s e do nt h es u p p o r to fe r d a sa n d a r e g i ss o l , w a r e , w ed i s c u s s e dt h e1 a n du s e c o v e rc h a n g e si nt h es t u d ya l e a n e d e t a i l e ds t e p si n c l u d e dt h ep r e t r e a t m e n to ft h ei m a g e s ，i m a g e sc l a s s i f i c a t i o n , c h a n g e d e t e c t i o na n dd r i v i n gf o r c e sa n a l y s ei ns u c c e s s i o n 1 1 1 er e s u l t sa l es h o w na sf o l l o w ： 1 ) i nt h es t u d ya r e a , t h em a i nl a n du s e c o v e rt y p e sw e r ef a r m l a n d ，b u i l t - u p s ， w a t e ra n df o r e s t - g r a s s 2 ) mf a r m l a n dl a r g e l yd e c r e a s e di nt h es t u d ya r e ab e t w e e n1 9 7 9a n d2 0 0 5 m a r e ao ff a r m l a n dd e c r e a s e df r o m7 3 8 3 i n1 9 7 9o f t h es t u d ya r e at o4 7 3 9 i n2 0 0 5 。 a n dt h ed i s t r i c to fj i n n a nd e c r e a s e dm o r et h a no t h e rd i s t r i c t s w h i c hd e c r e a s e d 3 5 2 8 b e t w e e n1 9 7 9a n d2 0 0 5 i n2 0 0 5 t h ea r e ao ff a r m l a n di nt h ed i s t r i c to f x i q i n ga n dd o n 酉iw e r e4 4 7 5 ，4 7 71 s e p a r a t e l y , w h i c hw e r el o w e rt h a n5 0 n l ef a r m l a n dm a i n l yt r a n s f o r m e dt ob u i l t - u p s t h et r a n s f o r m a t i o nr a t i oi nd i f f e r e n t p e r i o d sw e r e ：6 2 8 ( 1 9 7 9 1 9 9 3 ) ，1 3 1 4 ( 1 9 9 3 - 2 0 0 1 ) ，1 1 8 4 ( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) s e p a r a t e l y , a n dt h ea n n u a la v e r a g ew a si n c r e a s i n g 3 ) 1 1 1 eb u i l t - u p sl a r g e l yi n c r e a s e di nt h es t u d ya r e ab e t w e e n19 7 9a n d2 0 0 5 m a r e ao fb u i l t - u p si n c r e a s e df r o m7 6 3 i n19 7 9o ft h es t u d ya r e at o2 9 17 i n2 0 0 5 i i i a b s t r a c t a n dt h ec e n t e ra r e ao ft i a n j i ni n c r e a s e dm o r et h a no t h e rd i s t r i c t s n l eb u i l t u p sw e r e t r a n s f o t i n e df r o mm u c hf a r m l a n da n ds o m ew a t e r 4 ) 硼舱a r e ao fw a t e ri n c r e a s e df r o m12 i n19 9 3o ft h es t u d ya r e at o16 5 3 i n 2 0 01 田1 er e b u i l do fw a t e r c o u r s ei nt i a n j i nc a u s e dt h ew a t e ra r e ac h a n g e b e t w e e n 19 7 9a n d2 0 0 5 ，t h ea r e ao ff o r e s t - g r a s sw a ss t a b l e ，b u tt h el a n du s es t r u c t u r eh a s g r e a t l yc h a n g e d 1 1 l ec h a n g eo fu r b a ng r e e n b e l tc a u s e dt h ec h a n g eo ff o r e s t g r a s s 5 1n em a i nd r i v i n gf o r c e so fl a n du s e c o v e rc h a n g e si nt i a n j i nw e r ep o p u l a t i o n , e c o n o m i cd e v e l o p m e n t , t r a n s p o r t a t i o na n dp o l i c y l u c ci nt i a n j i nu r b a na r e aw a sd i s c u s s e db yc o m p a r i n gt h em u l t i t e m p o r a l i m a g e r i e s a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h el a n du s e c o v e rc h a n g e si ns t u d ya r e a b e t w e e n19 7 9a n d2 0 0 5w e r eo b v i o u s a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ec o n c l u s i o no ft h e w h o l es t u d yw a sa n a l y z e d , a n dt h ee x p e c t a t i o nw a sm a d ef o rt h e 。f u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：l u c c ，c h a n g ed e t e c t i o n , d r i v i n gf o r c e s ，s a t e l l i t ei m a g e r y , t i a n j i nu 而a na r e a 第一章绪论 第一章绪论 第一节问题的提出及研究意义 1 1 1 土地利用与土地覆盖的概念 土地利用土地覆盖变化( l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e , l u c c ) 的研究包 括土地利用和土地覆盖两方面的内容。两者在概念上既有区别又相互联系。从 属性范畴上区分，土地覆盖侧重于土地的自然属性，土地利用侧重于土地的社 会经济属性。土地覆盖和土地利用相互依赖、相互影响，共同组成土地资源的 双重属性。 1 1 1 1 土地覆盖 土地覆盖( l a n dc o v e r ) 是随遥感技术的应用而出现的新概念，是指覆盖地面 的自然物体和人工建筑物，它反映的是地球表层的自然状况【4 1 。国内部分学者也 称之为土地覆被。 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( i h d p ) 将土地覆盖 定义为“地球陆地表层和近地面层的自然状态，是自然过程和人类活动共同作 用的结果州1 4 1 ；美国“全球环境变化委员会 ( u s s g c r ) 将其定义为“覆盖着地 球表面的植被及其它特质 【8 3 】；另有学者称土地覆盖为“具有一定地形起伏的 覆盖着植被、雪、冰川或水体，包括土壤层在内的陆地表层 瞰】。综述这些定 义可以看出，土地覆盖的主要组成部分是地面上的植被，也包括土壤和地表水 体等【2 】。 全球不同区域范围内土地覆盖的类型主要取决于当地的地形地貌、土壤特 质和气候特征等自然因素。比如，低纬度的热带地区范围内土地覆盖类型多为 热带雨林，而地处高纬度的地区主要的土地覆盖类型一般是苔原等低矮植被。 土地覆盖的变化主要表现在地面植被覆盖、生物多样性、土壤肥力、地表径流 平衡和侵蚀沉积等土地第一生产力特性方面的变化。作为地圈和大气圈的界面， 土地地表覆盖承担着自然界重要的物质和能量循环，对土壤生产力、水文环境 第一章绪论 和气候变化起着重要的作用，是土地系统不可缺少的组成部分。 1 1 1 2 土地利用 与土地覆盖的自然属性有所不同，土地利用侧重的是土地的社会属性。土 地利用( l a n du s e ) 是指人类对土地自然属性的利用方式和利用状况，包含着人类 利用土地的目的和意图，是一种人类活动，也就是把土地的自然生态系统根据 一定的社会经济目的改变为人工生态系统的过程和结剁5 1 。 世界粮农组织( f a o ) 1 9 8 5 年指出：“土地利用是由自然条件与人类活动的干 涉所决定的土地功能 ：许炎谟和陈章琛1 9 8 7 年将土地利用定义为搿一种社会 经济现象，是人类在漫长的历史进程中对土地资源进行持续开发和改造治理的 结果【s 2 1 ；陈百明1 9 9 6 年将土地利用定义为“人类为了经济社会目的而进行 的一系列生物和技术活动，对土地长期或周期性的经营活动刀【5 3 】。这些定义都 主要强调了土地利用是一种人类参与的活动，也就是说土地利用是以人类为主 体的有目的地对土地这一客体进行整治与改造的过程及结果。 作为土地资源的社会属性，土地利用的类型主要取决于人文社会因素。包 括经济社会发展的目的和需求、当地政府的政策等。比如，人类根据一定的目 的开发建造出农用地、商业用地等不同功能区的土地利用类型。随着经济社会 的发展和科学技术的进步，人类对土地的需求目的和利用方式也不断变化着， 土地利用的类型也在很大程度上发生着与以往不同的变化，呈现出形式的多样 性。 土地利用和土地覆盖同属于土地资源的研究范畴，两者在概念上的相互区 别和联系决定了两者之间存在着特殊而密切的关联性。这种关联性既是土地利 用土地覆盖变化研究的主要原因，也是其研究的重要内容。 人类对土地的利用是基于土地覆盖的自然属性，而土地覆盖的变化则受到 人类活动对土地各种利用目的直接影响。在长时间范围内，土地覆盖的变化主 要受自然因素的影响，而在短时间尺度上，土地覆盖的变化更主要的受到人类 对土地利用目的的制约。尤其是在今天，工业化进程和城市化进程不断加快， 人类对土地的利用强度和频度也逐渐加大，土地利用成为土地覆盖变化最主要 的影响因素。同时，土地覆盖的变化又会反作用于土地利用。土地覆盖是土地 利用的自然和物质基础，一切土地利用活动都是在这个基础上进行的。因此， 土地覆盖的自然状况直接制约着人类对土地的利用。 2 第一章绪论 1 1 2 土地利用与土地覆盖变化的环境影响 土地覆盖对地球物理化学环境、土壤质量和气候等自然系统的组成有重要 作用，因此，土地覆盖的变化会对地球的环境质量、水文循环和自然生态系统 的生产力等产生极大的影响。另一方面，人类活动对土地的利用也在一定程度 上改变了地球陆地表面的土地覆盖状况。因此可以看出，土地覆盖与土地利用 的变化直接或间接地影响着地球的环境变化。 土地利用与土地覆盖变化对环境的影响作用主要表现在气候、土壤生产力 和水文环境三方面的变化： ( 1 ) 对气候的影响 地球的能量主要来自太阳辐射，地表及其覆盖的植被决定了太阳辐射在地 球表面的分配。地面特性及覆盖发生变化时引起辐射能量分配的变化，从而影 响地球气候的变化。土地覆盖对地球碳、氮等元素的循环起着重要作用，在一 定程度上决定了二氧化碳、二氧化氮等气体的收支平衡。目前，人类对土地的 利用活动一方面导致了地面植被覆盖的减少，一方面导致了大量二氧化碳等温 室气体的排放，从而使得全球气候发生了变化，产生了诸如城市热岛效应、全 球变暖等突出的环境问题。 ( 2 ) 对土壤生产力的影响 + 土壤生产力作为土地的主要自然特性，直接受到土地利用土地覆盖变化的 影响。土地利用与土地覆盖变化对土壤的影响主要表现为不同形式的土壤退化、 土壤侵蚀、土壤污染等。比如，过度砍伐森林、矿区开采、开垦陡坡等不合理 的土地利用方式造成了土地沙化或土壤侵蚀等严重后果。 ( 3 ) 对水文环境的影响 土地利甩与土地覆盖变化对水文环境的影响主要表现在水资源的缺乏、水 体污染和水体循环等。比如，工农业用水改变了地表和地下径流，带来干旱或 洪涝等自然灾害。同时也导致了水环境的污染。 土地利用与土地覆盖变化所产生的环境效应并不是单一的，而是一系列的 连锁效应。比如，土壤的退化会导致水体径流的变化，发生滑坡、泥石流等洪 涝灾害，地下水的污染会带来土壤的污染，气候的变化会导致降水的变化等。 同时，气候、土壤和水文等自然环境的变化又会影响到生物多样性的变化。从 空间尺度上看，土地利用与土地覆盖变化所产生的生态环境效应不仅仅局限于 3 第一章绪论 当地的区域范围，对相邻区域甚至全球都会产生很大的影响【2 1 。因此，开展土地 利用土地覆盖变化的研究对于全球环境变化的研究具有现实而深远的意义。 1 1 3 土地利用土地覆盖变化研究的意义 地球是人类赖以生存和发展的重要场所，随着经济社会的快速发展、人口 的急剧增长和科学技术水平的不断提高，人类活动对地球表面的作用不断增强， 对土地的利用越来越直接和频繁。人类对地球的整治和改造活动使得全球环境 发生了极大的变化。环境污染、生态破坏的问题日益突出，已经成为全球性的 环境问题。这些突出环境问题的出现促使人们更多地关注全球变化。土地作为 地球环境的重要组成部分，是人类活动的主要客体。因此，对土地利用土地覆 盖的变化进行研究是全球环境变化研究的重要内容之一。 土地是人类赖以生存的最基本的自然资源，是人类生存和发展的最重要的 物质基础。土地作为地球物质和能量循环的承载体，最直接地受到人类活动的 影响。人类自诞生以来，为了自身的生存与发展，不断地对土地进行整治与改 造。从原始的刀耕火种到如今农业机械化的大规模实现，从穴居山洞到住房的 建造及城市的集聚，在一定程度上可以认为人类的发展史本质上就是对土地整 治和利用的历史【l 】。在漫长的人类发展历程中，由于人类活动对土地的不合理利 用，使得地球表面的自然生态系统受到严重的破坏。土地的沙化、草原森林的 退化、生物多样性的消失，这些都是由于人类活动对土地的不合理利用所带来 的生态系统失衡问题，而这些环境问题的出现以及所引发的一系列连锁性的生 态环境效应又反过来影响到人类的生存和发展，甚至对人类的生存构成无法预 测的威胁。因此，研究土地利用土地覆盖的变化、把握土地利用的变化规律对 于全球生态环境的保护和人类的可持续发展是极其必要和必须的。 土地利用土地覆盖变化的研究涉及到自然和人文等多个方面的问题，可以 说是自然与人文领域交叉最为密切的研究课题【2 】。随着全球环境问题的日益突出 和人类生存要求的不断提高，土地利用土地覆盖变化的研究已经成为国内外相 关领域学者研究的前沿和热点课题。1 9 9 5 年，i g b p ( 国际地圈与生物圈计划) 和 i h d p ( 全球环境变化人文计划) 制定执行的“土地利用土地覆盖变化科学研究计 划 在很大程度上推动了全球土地利用变化研究的进展，促进了各国专家学者 对土地利用土地覆盖变化的开展研究【3 1 。 4 第一章绪论 我国具有广阔的土地面积、复杂的自然环境和庞大的人口数量，这些突出 的现实问题造成了我国在土地利用上的特殊性。因此，相对于其他国家，我国 对土地资源的利用属于比较强烈的地区。尤其是近些年，我国的经济社会都处 于飞速发展的阶段，城市化进程不断加快，对土地的利用活动越来越多，导致 出现的环境问题也越来越突出。因此，研究分析土地利用土地覆盖变化的现象， 掌握土地利用变化的内在规律，对我国土地资源的可持续利用和生态环境的保 护具有非常重要的现实意义。 第二节土地利用土地覆盖变化研究动态 土地利用土地覆盖变化是全球变化的重要组成部分和主要原因【3 1 。研究表 明，土地利用土地覆盖变化所带来的生态环境效应是全球变化的主要因素，而 全球性的环境问题严重威胁人类的生存和发展。因此，土地利用土地覆盖变化 的研究历来是地学、生态学等相关领域专家学者研究的热点课题，也是全球环 境变化研究的核心课题之一。 土地利用土地覆盖变化的研究大致可以分为两个阶段：在2 0 世纪9 0 年代 以前，土地利用的研究主要是为满足人类土地利用的功能目的，因此主要偏重 于土地生产的利用和规划；2 0 世纪9 0 年代以后，在全球环境变化研究的热潮中， 土地利用变化的研究呈现出综合化研究的趋势，开始偏向于土地利用变化的生 态环境效应的影响与评价，而且越来越重视土地利用变化对全球变化和生态环 境的影响【6 】。正是在这样的研究背景中，国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 和全球环 境变化中的人文领域计划( i h d p ) 于19 9 5 年联合提出了“针对人类活动和全球变 化间的人和生物驱动影响土地利用与土地覆盖及其对环境和社会的影响 的 “土地利用土地覆盖变化( l u c c ，l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e ) 研究计划 【l 】。此研究计划的根本出发点是通过对土地利用土地覆盖变化所引起的全球变 化和生态环境效应之间的相互作用机制的掌握，预测控制土地利用土地覆盖的 变化。 i g b p 和i h d p 提出并开展的“土地利用土地覆盖变化 的研究计划极大地 推动了国际上土地利用变化的研究。自此，土地利用变化研究成为全球变化研 究的前沿和热点课题。各国相关领域的专家学者纷纷开展土地利用土地覆盖变 化的研究项目，并取得丰硕成果，使得土地利用变化的研究工作无论是在数据 5 第一章绪论 获取的方式上还是研究的内容和技术手段上都取得了很大的进展。 1 2 1土地利用土地覆盖变化研究的数据来源 早期的土地利用土地覆盖变化研究的数据主要是通过野外实地调查的方 式获取，然后以获取的数据为基础结合历史统计资料进行土地制图，这就是早 期的土地利用图【。 当时国内外研究者及相关研究机构都曾通过这种获取数据的方式对土地利 用现状进行过调查研究，并取得进展性成果。例如，英国于1 9 3 0 年成立了土地 利用调查所，并在s t a m p l d 的负责主持下，带领众多学生于1 9 3 1 1 9 3 5 年间 开展了全国性的土地利用调查，完成了全国范围的土地调查总结报告、各郡分 报告及土地利用专题图等一系列成果【6 】；我国于1 9 5 8 1 9 6 2 年间在全国范围内开 展了第一次群众性的土地普查工作，并制得全国1 ：4 0 0 万土壤图、土地利用现状 图、土壤改良分区图、土壤养分分图和全国土壤志【l 】。 尽管这种大规模的野外实地调查为土地利用的研究提供了有效的数据来 源，在当时也极大地促进了土地利用研究的进展，但不可否认的是，这种数据 获取的方法费时、费力，数据更新速度很慢，给土地利用土地覆盖变化的研究 带来很大的不便和阻碍。 2 0 世纪7 0 年代，随着科学技术的发展，遥感技术开始应用于土地利用土 地覆盖变化的研究中，成为其数据获取的主要方式。 遥感对地观测技术具有覆盖面广、多时相、信息更新快等优点，可以实时 进行监测，发现地球表面的各种变化，已经被广泛应用于土地监测及土地利用 变化的研究中【l 】。遥感数据的应用支持，极大地促进了土地利用变化研究的进展。 特别是对于大尺度的研究，没有遥感数据，许多工作是不能完成的。 计算机技术的飞速发展，地理信息系统软件的开发，为土地利用变化研究 的数据获取提供了更高的技术平台。地理信息系统软件具有强大的空间数据处 理、分析和制图功能，尤其是对海量数据的集成和处理，具有其他工具不可替 代的功能。因此，地理信息系统软件的应用开发为土地利用的研究工作提供了 很大的方便。另外，在土地利用变化研究的数据获取中，g p s ( 全球定位系统) 技术也被广泛应用。g p s 技术在土地利用变化的研究中，既可以作为遥感数据 的辅助数据，也可以通过其测量定位的功能作为单独的数据源获取手段。 6 第一章绪论 _ ：- ，= = ? - ：_ - _ - - - _ - ，- _ - _ _ - - _ - _ - - - - _ _ _ _ _ _ 号霜= = ，一 目前，土地利用土地覆盖变化研究的数据获取方式已从早期的人工调查发 展到更快捷准确的3 s 技术相结合，数据获取的方式更加快捷、全面，土地利用 变化研究中数据库的更新也更加及时有效。 尽管卫星遥感技术和计算机软件技术已经发展到很先进的程度，但误差还 是不可避免的。即便是科技高度发展的今天，研究者在进行土地利用土地覆盖 变化的研究工作中依然很重视传统技术方法的价值，注重数据获取方式的多样 性和全面性。因此，在土地利用变化研究的实际应用中，一般是以遥感数据为 主要的数据来源，同时结合野外实地调查、历史统计资料获取辅助数据，以此 获得更全面、准确的土地利用变化研究的数据。 1 2 2 土地利用土地覆盖变化研究的内容 土地利用土地覆盖变化的研究发展到今天，在研究内容上大体经历了三个 方面的演变。首先是对土地利用变化的过程的研究，即探讨如何变的问题；其 次是探讨为什么变的问题，即土地利用变化驱动力分析；再次是对土地利用变 化的预测，即探讨怎样变的问题。 1 2 2 1 土地利用变化的过程 土地利用土地覆盖变化的过程主要指土地利用类型的转变和转化。其中， 转变是指土地利用类型间的变化，也就是指从一种土地利用类型变为另一种土 地利用类型，如农用地转变为非农用地：转化是土地利用类型内部的变化，这 种变化可能是密度的变化，也可能是功能上的变化，如建筑用地中的住宅区转 化为商业用地【l 】。在土地利用土地覆盖变化的研究中，土地利用类型的第一种 变化是学者研究较多的。目前，对土地利用类型转变过程的研究中，研究者主 要集中研究了以下两方面的内容： ( 1 ) 农田用地转变为非农用地 农用地是土地的重要组成部分，而且在很多区域内农用地属于土地资源中 拥有较好生产力的土地。农用地与人类的生存息息相关，是人类生存和发展的 物质基础。但是随着经济社会的发展，大量的农用地被侵占用于建设用地，加 剧了粮食短缺问题的严重。因此，土地利用变化中农用地转变为非农用地一直 是土地利用变化研究的热点课题和重要内容。很多研究者在这方面已做了大量 研究，并取得进展性成果。例如，黄成毅等人对成都市1 9 9 6 2 0 0 2 年6 年间的土 7 第一章绪论 地利用变化进行了动态检测，得出土地利用类型转移矩阵，并且着重分析了城 市建设用地造成耕地大量流失的情况【7 】；谈明洪等人利用1 9 9 0 年和2 0 0 0 年两期 土地利用现状图为主要数据源研究分析了2 0 世纪9 0 年代中国大中城市建设用 地扩张对大量耕地的占用情况【8 】；黎夏、诸云强也都分别以遥感影像数据为主要 数据对广东东莞和兰州安宁经济技术开发区的土地利用变化进行了动态检测， 指出大量耕地流失被用作建设用地的事实【9 , 1 0 】。 ( 2 ) 土地利用变化中的湿地、草原等生态景观的破坏 湿地、草原等自然生态系统是地球陆地表面重要的土地覆盖类型，这类土 地覆盖的存在对于自然景观的完整、生物物种多样性以及整个生态系统的平衡 都具有至关重要的作用。人类对土地的不合理利用和过度开发，使得这些土地 覆盖类型受到严重的破坏，造成很多宝贵自然资源的退化、流失，破坏了原有 的生态自然平衡。很多研究者对此也做了相关的研究。例如，孟伟庆等人对天 津滨海新区近3 0 年的湿地景观格局进行了遥感动态检测研究，指出由于城市建 设导致大量滨海滩涂湿地被围填占用，使得研究区域内湿地景观破碎度增加， 得出人类经济社会活动对湿地等自然生态系统造成严重破坏的结论：胡振琪 等人研究了内蒙古霍林河矿区1 9 8 7 2 0 0 3 年的草地沙化情况，通过对该矿区十几 年间土地利用土地覆盖变化的遥感检测分析，指出由于人类的经济活动使得该 研究区域内草地破坏和草地沙化的面积正在逐年扩大的事樊1 2 1 。 在对土地利用变化过程的研究中，通常是利用土地覆盖的变化类型去推断 和演绎土地利用的变化类型。因此，为了更方便的总结土地利用类型的转变， 研究者对土地覆盖的类型进行了分类，即土地分类系统。 由于不同区域的地貌和气候特征存在很大的不同，造成地面土地覆盖类型 的显著差异，因此，不同地区的土地系统分类标准有所不同。美国地质调查局 在2 0 世纪7 0 年代就已建立了专门的土地利用分类系统，以适应基于遥感技术 进行土地利用制图和土地利用土地覆盖的变化检测【6 1 。我国建立土地系统的分 类标准是比较晚的，直到2 0 0 7 年我国的土地利用现状分类才第一次拥有了全国 统一的分类标准。此分类标准采用了一级和二级两个水平的分类体系，共分1 2 个一级水平类别和5 6 个二级水平类别。 目前，国际上公认的土地分类系统是a n d e r s o n 土地分类系统。在a n d e r s o n 土地分类系统中，将土地分为9 个一级土地利用类型，每个类型包括多个二级 土地利用类型【l 引。研究者一般根据此分类系统，结合各自研究区域的实际情况 8 第一章绪论 和研究目的建立自己的土地分类系统，并以此为标准进行土地利用土地覆盖变 化的研究。 1 2 2 2 土地利用变化驱动力分析 土地利用变化的驱动力是指导致土地利用土地覆盖类型发生变化的主要 生物物理和经济社会因素。土地利用土地覆盖变化的驱动力及动力学机制是当 前土地利用变化研究的重要内容和热点课题。对土地利用变化的各种驱动力进 行研究，有利于认识和把握土地利用的变化规律，更好地制定土地利用相关的 政策。 土地覆盖和土地利用分别属于土地资源的自然和社会属性，因此，土地利 用土地覆盖的变化也同时受到自然条件和人类社会活动的影响。土地利用变化 的驱动力因素主要包括自然驱动力和人文驱动力两方面。自然因素主要包括地 貌、气候、土壤生产力等。例如，气候因素所引起的降雨量的减少可能会造成 绿洲变成沙漠的发生；社会经济因素主要包括人口增长、经济发展、政府体制、 传统文化等方面。两者在不同空间、时间尺度上各自起着主导作用。研究表明， 在长时间、大尺度范围上，自然环境条件的改变对土地利用变化起着主导作用， 在短时间、小尺度范围内，人文社会经济条件的变化对土地利用变化起主导作 用【6 】o 随着经济的发展和人口的增长，人文社会驱动力因素越来越多地主导着土 地利用的变化，成为土地利用土地覆盖变化最主要的内在驱动力。为此，国内 外很多学者在不同尺度范围内对土地利用变化的驱动机制进行了研究。例如， t u r n e r 于1 9 9 5 年曾指出，人口、收入、政治经济和文化、技术等是人类活动对 土地利用变化的主要驱动力【1 4 1 ；牟凤云等人利用多源遥感数据对北京市 1 9 7 3 2 0 0 5 年间城市建成区的变化作了研究，并着重对这种变化的驱动力进行了 分析，指出人口增长、经济增长、交通发展和政策制度因素是造成这种土地利 用变化情况的主要驱动力【1 5 】；吴宏安等人对西安市2 0 0 0 2 0 0 3 年间的土地利用变 化进行了研究，尤其分析了城市经济的快速发展对城市建设面积增多的驱动作 用【1 6 】；梅卓华等人在对南京市土地利用变化的遥感监测研究中，也对其土地利 用变化的原因进行了分析，得出人口的增加、经济的发展和城市规划变革驱动 影响了南京市土地利用变化的结论【1 7 1 。综述众多学者的研究可以看出，土地利 用土地覆盖变化的人文社会驱动力主要包括经济的发展、人口的增加和政策规 9 第章绪论 划的导向等驱动因素。 在对土地利用变化内在驱动力的分析研究中，研究者除了在概念上定性地 分析土地利用变化的驱动力，还对土地利用变化的驱动因素进行了定量的研究。 很多学者通过对大量土地利用变化的历史数据进行分析，采用多种数学统计方 法和系统动力学方法，探讨土地利用变化驱动因素的相关主导因子，建立了许 多数学模型和系统动力学模型。例如，摆万齐等人应用系统论的方法对土地利 用变化驱动力的整体性、层次性进行了深入分析，回答了土地利用变化的动力 源、驱动力系统内部分力与合力的关系，以及驱动力因子与土地利用变化之间 存在的非线性反馈关系等问题【1 8 1 ；叶宝莹等人以嫩江中上游地区为例，选取坡 度、人口、大牲畜头数等因子，利用空间多元线性回归函数建立了该研究区域 土地利用土地覆盖变化的驱动力模型【1 9 1 。 1 2 2 3 土地利用变化的预测 土地利用变化的预测是在获得已有土地利用变化现状的数据和所掌握到的 变化规律的基础上，预测未来一段时间内土地利用变化的发展趋势。土地利用 变化的预测可以为土地管理决策者制定土地利用政策提供科学依据，对土地资 源的可持续性利用具有实际意义。 目前，国内外学者对土地利用变化的预测研究主要是通过数学方法和系统 动力学的理论建立模型进行定量的预测分析。这些模型包括马尔科夫模型、灰 色预测模型、系统动力学模型等。例如，于兵利用1 9 7 8 2 0 0 1 年间的5 期t m 影 像数据，在分析土地利用动态变化的基础上，应用马尔科夫模型对大庆市未来 几十年的土地利用变化进行了模拟预测和定量分析【2 0 】；程锋等人在对土地利用 变化的驱动因子进行分析的基础上，也利用马尔科夫模型对北京市门头沟区永 定镇未来的土地利用变化进行了预测【2 u ；梁发超等人以福建省漳州市为例，分 别运用马尔科夫模型和灰色模型对研究区域的土地利用结构变化进行了成功模 拟和预测【捌；唐亚平等人在因果分析的基础上，运用系统动力学的理论方法， 以陕西省为例，建立了土地利用动态仿真模型，预测了陕西省土地利用未来的 发展趋势1 2 3 。 在对土地利用变化的预测研究中，运用数学和系统动力学理论建立模型进 行预测，很多时候是基于一定的约束条件下进行的。比如马尔科夫模型在建模 的过程中要求状态转移概率矩阵必须具有一定的稳定性，同时为保证预测结果 1 0 第一章绪论 的精度和准确性必须有足够多的统计数据【。为此，很多学者根据一定的研究目 的对现有模型进行了修正。元胞自动机模型就是经过修正和综合之后的预测模 型。 元胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t a , c a ) 模型是一种时间和空间上都离散的模型， 具有强大的空间运算能力，能够通过局部运算形成全局的复杂模式。它依据特 定的转换规则预测空间变量随时间演变过程中的状态变化，已被广泛应用于土 地利用变化的预测研究中【2 4 2 5 ，2 6 如。国内外很多学者应用元胞自动机模型进行了 土地利用变化的模拟，并取得大量成果。例如，国外学者k c i t hc c l a r k e 等人利 用土地利用变化的历史数据建立s l e u t h 模型对美国西海岸的旧金山和东部的 华盛顿一巴尔的摩地区的土地利用变化进行了长期预测【2 8 2 叨；国内学者黎夏等人 利用元胞自动机模型对广东东莞等地进行了未来土地利用变化的成功模拟和预 测e 2 5 3 0 1 。 随着计算机技术的高速发展和系统动力学理论的不断完善，建模的理念逐 渐深入到科学研究的各个领域。在土地利用变化的研究中，通过对现有土地利 用现状的分析，结合以往土地利用变化的规律，应用模型对土地利用未来的变 化情况进行模拟预测，为政府和土地决策者制定土地利用政策提供了科学依据， 对土地资源的可持续利用具有重要的意义，是当今和未来土地利用变化研究的 一个重要内容和前沿课题。 1 2 3 r s 和g i s 技术在土地利用土地覆盖变化研究中的应用 ， 1 2 3 1 r s 技术在土地利用土地覆盖变化研究中的应用 遥感( r e m o t es e n s i n g , r s ) 可从多波段、多时相和全天候角度获得全球观测 数据，这在全球环境变化研究中是其他任何方法和技术无可替代的【5 1 。遥感技术 具有速度快、精度高、范围广的优点，而且遥感卫星影像能够为土地利用变化 提供事实影像数据，是土地利用变化动态检测研究的重要数据源。目前，r s 技 术已被广泛地应用到土地利用变化检测的研究中。 遥感技术在土地利用变化研究中的应用大致经历了三个阶段的发展： ( 1 ) 遥感数据成为土地利用变化研究的主要数据源 r s 技术被人类广泛应用进行大范围土地利用土地覆盖变化的研究开始于 2 0 世纪7 0 年代。早期的土地利用研究侧重于定性的方法和手段，自2 0 世纪7 0 第一章绪论 年代地球资源卫星成功发射以来，遥感影像的多光谱、多时相数据为土地利用 变化的动态检测及定量分析提供了丰富可靠的信息，极大地促进了土地利用变 化动态检测的研列6 1 。研究者从遥感影像上获取土地利用土地覆盖变化研究的 数据，这种数据获取的方式比传统获取土地利用数据的方式要更快捷、更精确。 而且遥感数据的宏观性是其他数据获取方式无法比拟的。因此，长期以来卫星 遥感影像都被作为土地利用土地覆盖变化研究的主要数据源。 ( 2 ) 利用遥感技术进行土地利用变化的动态检测 2 0 世纪8 0 年代，r s 技术在土地利用研究中的应用方法逐渐发展完备，被 广泛用于土地利用变化的动态检测中。在国外，众多学者广泛利用遥感技术进 行土地利用变化的动态检测研究。例如，i m b e r n o n 以航空照片和s p o t 卫星影 像为基础，研究分析了肯尼亚丘陵地区近5 0 年的土地利用变化情况，结果显示 遥感信息源能很好地应用于土地利用变化的动态检测研刭3 1 】；t h o m s o n 等人以 曼谷城市地区的遥感影像为基础数据信息源，研究分析了城市居住区土地利用 的变化情况【3 2 1 。国内相关领域的专家学者也曾利用遥感技术进行了大量土地利 用变化动态检测的研究。例如，陆惠文等人从多时相航空遥感影像上提取城市 的基础信息，对汉阳建成区的土地利用变化进行了遥感检测与分析【3 3 】；郑宇源 等人利用航空遥感影像解译与野外实地调查相结合的方法，研究了上海青浦县 土地利用变化的情况瞰】。 ( 3 ) 遥感分类精度评估 2 0 世纪9 0 年代，研究者开始对土地利用变化的遥感动态检测技术进行精度 评估。这些精度评估大都基于统计分析的方法，如混淆矩阵( c o n f u s i o nm a t r i x ) 、 k a p p a 参数检验、t 检验等。例如，胡伟平等人在计算机自动分类的基础上利用 专家知识改进了遥感分类的结果，提高了分类精度，同时比较了最大似然法、。 上下文分类法、人工神经网络三种分类方法的优缺点【3 5 】；黎夏、叶嘉安利用主