（地图学与地理信息系统专业论文）崇明东滩土地利用动态模拟与预测方法研究.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei n2 010 f r l l l lii il l l l l i j l l liii i l l i i l l l l l l l l l j y 17 4 2 9 7 5 。 u d c ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn o ：5 1 0 7 0 8 0 1 0 4 8 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o nr e s e a r c ho fl u c c a b o u t c h o n g m i n gd o n g t a n c o l l e g e ： d e p a r t m e n t ： 垒鲢q g 鲤鱼y 鱼鱼! s m a j o rf i e l d ： s u p e r v i s o r ： c a n d i d a t e ： a p r i l ，2 0 10 s h a n g h a i ，c h i n a 幽 一 一 巡 一 一 地 一 一 逃 雠 一 = d 一 = 一 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文崇明东滩土地利用动态模拟与预测方法研究， 是在华东师范大学攻读硬髟博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 期间在 作者签名：日期：加，口年月，日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 与预测方法研究系本人在华东师范大学攻读学位 ( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门 和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学 位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采 用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文幸， 于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、2 不保密，适用上述授权。 导师签名建5 盗里垒 本人签名盔旌率 沙c 。年6 月二日 幸“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 童笠焦硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 吴健平教授华东师范大学主席 叶属峰教授国家海洋局东海分局 益建芳副教授华东师范大学 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文摘要 论文摘要 土地覆被情况是地球表层和亚表层自然状况的直接反映，而土地利用状况的 研究也从一方面反映了人类对土地自然属性利用的目的、方式和意图。通过土地 利用土地覆被的研究，不仅可以定性和定量评价人类活动对全球环境变化的影 响，更能评估生态环境、模拟预测土地利用动态变化，进而为资源、环境的可持 续开发和利用提供依据。本文的研究区域崇明东滩的土地资源相当丰富，而随着 上海经济的迅猛发展，城市化进程的加快，人地之间矛盾日益突出，生态环境受 到较大影响，其土地利用方式和土地覆盖类型也发生了明显的变化。可见，对崇 明东滩的土地利用土地覆盖变化进行研究是为东滩的可持续发展提供重要的理 论参考和实际决策支持。 本文通过运用2 0 0 0 、2 0 0 3 、2 0 0 5 、2 0 0 8 四年的t m 遥感影像，以及调查统 计数据，在a r c g i s 、e n v i 、e r d a si m a g i n g 、f r a g s t a t s 、m a t l a b 等软件的支持下， 对崇明东滩土地利用土地覆被动态演变以及景观格局进行研究分析，结合3 s 技 术和现场调查，建立土地利用土地覆被演变研究的方法和指标体系，对土地利 用土地覆被的动态演变过程进行模拟预测，为进一步了解在城市化过程中，研 究区域土地利用以及景观格局变化的规律及原因，实现区域土地的可持续发展提 供一定的参考。 本论文的主要成果有： ( 1 ) 土地利用动态变化综合研究 在a r c g i s9 2 中，统计不同时期土地利用类型的数量及结构，并建立崇明东 滩的土地利用转移矩阵，在此基础上分析土地利用土地覆被时空分布特征以及 变化规律。 ( 2 ) 土地利用景观格局变化及盖度研究 利用f r a g s t a t s 软件计算崇明东滩四年的5 个具有代表性的景观格局指数，分 析不同时期东滩的景观格局特征。同时，在e n v i 中提取原始遥感图像的波谱信 息，计算典型植被的盖度，从象元级别分析东滩的土地利用变化规律。 ( 3 ) 土地利用模拟与预测 i 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 摘要 运用b p 神经网络算法在m a t l a b 软件中利用前几年数据模拟2 0 0 8 明东滩土 地利用状况，与原图进行对比从而评价模拟的准确性。在此基础上，对崇明东滩 的土地利用进行预测，达到本次研究的目的。 关键词：崇明东滩；土地利用土地覆被：土地利用转移矩阵；景观格局；植被 盖度；模拟预测 a b s t r a c t l a n dc o v e ri sad i r e c tr e f l e c t i o no fn a t u r a lc o n d i t i o n sf o re a r t h s u r f a c ea n d s u b - s a n f a c e , m e a n w h i l et h es t u d yo fl a n du s es t a t u sa l s or e f l e c tt h ep u r p o s e ，m e t h o d s a n di n t e n t i o n sf o rn a t u r a lp r o p e r t i e so fh u m a nu s e t h r o u g hl a n du s e l a n dc o v e r s t u d i e s ，w ec a nn o to n l yq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t eh u m a na c t i v i t i e so n t h ei m p a c to fg i o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g e , b u ta l s oa s s e s se c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ， s i m u l a t ea n d p r e d i c tl a n du s ec h a n g e m o r e o v e r , t h er e s e a r c hc a np r o v i d et h eb a s i sf o r s u s t a i n a b l ed e v d o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t t h es t u d ya r e a o fd o n g t a ni nc h o n g m i n gi s l a n di sr i c ho fl a n dr e s o u r c e s h o w e v e r , w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs h a n g h a i se c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n , c o n f l i c t b e t w e e np o p u l a t i o na n dl a n dr e s o u r c eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h e yn o t o n l ya f f e c t e dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tg r e a t l y , b u ta l s oc h a n g e dl a n du s ea n dl a n d c o v e rt y p e ss i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e , t h er e s e a r c ho nl a n du s e l a n dc o v e rc h a n g eo f d o n g t a ni nc h o n g m i n gi s l a n dh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e b yu s i n g2 0 0 0 ，2 0 0 3 ，2 0 0 5a n d2 0 0 8f o u r - y e a rt mr e m o t es e n s i n gi m a g e s ，a n d s u r v e y i n gd a t a ，t h i sp a p e rs t u d i e da n da n a l y z e dt h el a n du s e l a n dc o v e rd y n a m i c e v o l u t i o na n dl a n d s c a p ep a t t e r no nt h es u p p o r to fa r c g i s ，e n v i ，e r d a si m a g i n g ， f r a g s t a t s ，m a t l a ba n do t h e rs o f i w a r e sc o m b i n e dw i t h3st e c h n o l o g ya n ds i t es u r v e y , t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dar e s e a r c hm e t h o do nl a n du s e l a n dc o v e re v o l u t i o na n d i n d i c a t o r ss y s t e m ，a n dt h e ns i m u l a t e da n dp r e d i c t e dt h ed y n a m i ce v o l u t i o no fl a n du s e l a n dc o v e r t h e s ew o r k sa i m e dt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ed i s c i p l i n eo fl a n du s ea n d l a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e sa n de x p l a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eu r b a n i z a t i o na n d l a n du s e l a n dc o v e rc h a n g e m o r e o v e r , i ta l s op r o v i d e ds o m er e f e r e n c e st oa c h i e v e t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tf o rr e g i o n a ll a n d t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： ( 1 ) c o m p r e h e n s i v es t u d yo fl a n du s ec h a n g e i w i t ha r c g i s9 2 ，w es t a t e dt h ea m o u n to fl a n du s ea n ds t r u c t u r ei nd i 伍蹦m t p e r i o d s ，a n dc o n s t r u c t e dd o n g t a nl a n d - u s et r a n s i t i o nm a t r i x m e a n w h i l e ，w ea n a l y z e d s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fl a n du s e l a n dc o v e r , a n dt h ev a r i a t i o nw 弱a l c a l c u l a t e d ( 2 ) s t u d yo fl a n du s ep a t t e r nc h a n g e sa n dv e g e t a t i o nc o v e r a g e w i t hf r a g s t a t s ，w ec a l c u l a t e d5t y p i c a ll a n d s c a p ep a t t e r ni n d i c e si nd o n g t a no f c h o n g m i n gi s l a n df o r4y e a r s a n dw ea l s oa n a l y z e dl a n d s c a p ep a t t e r n so fd i f f e r e n t p e r i o d si nd o n g t a n m e a n w h i l e ，t h es p e c t r a li n f o r m a t i o nw a se x t r a c t e df r o mo r i g i n a l i m a g e st oc a l c u l a t et h et y p i c a lv e g e t a t i o nc o v e r a g ei ne n v i ，a n dt h el a n du s ec h a n g e s o fd o n g t a nf r o mt h ep i x e l - l e v e lw e r e a n a l y z e d ( 3 ) l a n du s es i m u l a t i o na n d p r e d i c t i o n w i t hb pn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m ，w es i m u l a t e d2 0 0 8l a n du s ec o n d i t i o n sb a s e d o np r e v i o u sd a t ao f d o n g t a no nt h eb a s i so fm a t l a bs o f t w a r e b yc o m p a r i n gt h er e a l l a n du s eo f2 0 0 8i nd o n g t a nt ot h es i m u l a t e dc o n d i t i o n ，w ee v a l u a t e dt h ea c c u r a c yo f t h es i m u l a t i o nm o d e l w i t ht h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k m o d e l ，w ep r e d i c t e dl a n du s e t r e n d so fd o n g t a nt oa c h i e v et h ep u r p o s eo f t h i ss t u d y k e y w o r d s ：d o n g t a n ；l a n du s e l a n dc o v e r ；l a n d - u s et r a n s f e rm a t r i x ；l a n d s c a p e p a t t e r n ；v e g e t a t i o nc o v e r a g e ；s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o n 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文目录 目录 论文摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论2 1 1 选题意义2 1 2 研究背景综述。3 1 3 研究内容。6 1 4 研究目的7 1 5 技术路线8 1 6 论文的创新之处8 第二章 研究区概况9 2 1 地理位置9 2 2 气候。l o 2 3 土壤ll 2 4 植被l l 第三章遥感影像信息的提取1 3 3 1 数据来源1 3 3 2 数据预处理1 3 3 3 研究区七地利用分类体系。1 4 3 4 遥感影像的判读1 5 3 5 遥感影像土地利用信息提取1 7 第四章 土地利用时空演变分析2 4 4 1 土地利用数量变化分析。2 4 4 2 土地利用转移研究2 7 第五章 土地利用景观格局演变分析3 5 5 1景观格局分析。3 5 5 2 景观格局变化驱动力分析4 5 第六章 基于象元盖度的互花米草扩散分析4 8 6 1 互花米草盖度分析。4 8 6 2 互花米草扩散时空特征一5 2 第七章崇明东滩土地利用模拟预测。5 6 7 1 b p 神经网络介绍5 6 7 2 b p 神经网络在模拟预测中的应用5 8 7 3 b p 神经网络模拟预测结果6 0 第八章结论与展望。6 3 8 1 结论6 3 8 2 展望“ 附录6 5 参考文献。6 6 后彳己7 0 华东师范火学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章绪论 1 - 1 选题意义 第一章绪论 土地是地球表层的陆地部分及其以上、以下一定幅度空间内的全部环境要 素，土地是人类赖以生存和发展的基础，也是人类从事一切活动的基本场所。土 地覆被是指覆盖地表的自然物体和人工建筑，最主要的组成部分是植被，同时也 包括土壤和陆地表面的水体【l l 。土地利用是人类为了某种目的，对土地进行的干 预活动，也指在特定的社会生产方式下，人类依据土地的自然和社会经济属性， 进行有目的的开发、利用、整治和保护活动，如工业用地、交通用地、居住用地 等都是土地利用的概念【2 】。土地覆被情况是地球表层和亚表层自然状况的直接反 映，丽土地利用状况的研究也从一方面反映了人类对土地自然属性利用的目的、 方式和意图【3 】。由于土地利用变化对环境的影响主要是通过改变土地覆被状况产 生的，因此，人们常把土地利用土地覆被联系在一起，简称l u c c ( 1 a n du s e - t v e r c h a n g e ，l u c c ) 。 随着人口增长、粮食短缺、环境污染、气候变异等全球问题的日益突出，人 类活动对全球环境变化的影响在相关研究领域越来越受到重视。1 9 9 5 年，“国际 地圈与生物圈计划( i g b p ) 和“全球环境变化的人文领域计划 ( i h d p ) 联合 确定“土地利用和土地覆被变化 为科学研究的核心项目，从而使l u c c 研究 成为全球变化研究的前沿和热点 4 1 。获得地表l u c c 动态变化状况，无论对宏观 大区域的规划与发展，还是对于小区域各种土地利用方式的统计与调整都具有重 要意义，特别是对于生态环境较为脆弱的区域、正在规划开发中的区域以及城市 化进程较快的区域【5 】。通过l u c c 的研究，人们不仅可以定性和定量评价人类活 动对全球环境变化的影响，更能评估生态环境、模拟预测土地利用动态变化，进 而为资源、环境的可持续开发和利用提供依据【6 】。 崇明岛地处长江入海口，是全世界最大的河口冲积岛，也是中国的第三大岛 屿，本文的研究区域崇明东滩的土地资源相当丰富。而随着上海经济的迅猛发展， 人地之间矛盾日益突出，因此，崇明东滩在今后的发展中将会受到越来越多的重 视1 7 j 。然而，崇明东滩经济相对落后，生态环境也较为脆弱，其土地利用方式和 土地覆盖类型正发生着剧烈的变化【8 】。可见，研究崇明东滩的土地利用土地覆 2 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章绪论 盖变化对于崇明东滩的可持续发展具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 2 研究背景综述 1 2 1 遥感信息提取研究进展 遥感信息提取是l u c c 研究的基础，它为探讨土地利用土地覆盖的变化机 制及趋势提供必要信息【9 1 。2 0 世纪5 0 年代以来，遥感资料被用于大尺度土地覆 盖和土地利用制图，并探索出适用于遥感数据特点的土地利用分类系统及分类方 法【1 0 1 。从1 9 7 2 年美国发射第一颗对陆地观测卫星开始，卫星遥感图像越来越多 的应用于土地利用土地覆盖的制图及动态变化监测( 史培军等，2 0 0 0 ) 1 1 】。2 0 世纪8 0 年代后，人们已在洲际范围内利用气象卫星数据进行土地覆被研究，并 着重于土地类型的分析及其光谱特征的研究。目前选用的遥感数据分为航空像片 ( 彩红外、多光谱和普通航空像片) 、航天遥感影像( m s s 、t m 、s p o t 、i i o s ) 等【1 2 1 。美国和加拿大为研究五大湖的各种污染源，使用l a n d s a t 1 号卫星数据对 五湖流域进行了土地利用状况分类。2 0 世纪8 0 年代进行的研究主要以应用气象 卫星( n o aa a 、，h r r ) 数据监测为主，如t u c k e r 和t o w n s h e d 应用多时相a v h r r 植被指数( n d v i ) 数据，分别进行了非洲和北美洲土地覆盖研究。c i h l a 等人用 n o a a a v h r r 卫星数据各波段组合方案，对加拿大北部进行土地覆盖分类研 究。美国在2 0 世纪9 0 年代中期，利用t m 影像按州进行土地利用调查。目前， 遥感数据可按统一的指标体系和图例，经过处理输出为整幅的1 ：2 0 万或1 ：5 0 万 土地利用、土地覆盖图( 施拥军，2 0 0 2 ) 【1 3 1 。 我国遥感土地利用信息提取的研究工作起步较晚，从“六五”才开始采用航 空遥感与卫星相结合的方法进行资源调查应用。北京大学遥感与地理信息系统研 究所采用变化信息直接提取法，基于s p o t 4 全色及多光谱影像对北京顺义进行 土地利用监测研究( 李天峻，1 9 9 7 ) 1 4 】。吕惠萍( 2 0 0 1 ) 利用s p o t 41 0 m 全色 影像及2 0 m 多光谱影像对南皮县土地利用变化进行调查，并编绘了1 ：5 万土地利 用现状图【l5 1 。通过近年来不同层次的遥感信息提取研究，取得了很多的研究成 果，并发挥了重要的实际应用价值。 基于光谱信息统计模式算法的单时相遥感信息提取方法主要有监督分类和 非监督分类。此类分类方法需要较多反映土地利用覆被的指标( 主要是自然环 境方面) 和研究区基础图件等本底数据，研究者还应掌握遥感地学规律。另外， 植被指数法、主成分分析法、变化矢量分析法与光谱特征变异法等多时相专题信 3 华东师范人学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章绪论 息的提取，容易增加变化信息提取的误差且只能揭示可能发生变化的区域。因此， 大范围区域性l u c c 研究中，采用分类效率适中的计算机自动分类方法与专家 知识相结合的分类后处理方法是当前与今后一定时间内l u c c 专题信息提取较 为实用的选择。 1 2 2l u c c 时空变化研究进展 土地利用及其空间结构变化是一个相当复杂的过程，它不仅是空间范围内的 改变，而且还是时间序列上的演绎，因此，l u c c 时空变化研究不仅强调对于复 杂土地利用地学现象的空间和时间上的综合表达和描述，而且更多的是通过多学 科、多种方法相结合来揭示土地利用时空结构演变的内在规律。对土地利用土 地覆被的现状特点及时空分布规律进行分析，是深入研究其变化机制的必要条件 和前提。简化和抽象化的各种模型对于理解土地利用变化的格局和过程，具有无 可比拟的作用【1 6 1 。土地利用覆被变化模型是深入了解土地利用覆被变化复杂性 的重要手段，用以对土地利用和土地覆被变化情况进行描述、解释。l u c c 模型 有两方面的主要特点：一是时间动态模拟和空间格局分析相结合；第二是自然要 素和人文要素的综合旧。 国内随着土地利用时空变化研究的深入，各类土地利用覆被变化模型大量 涌现，主要包括土地利用动态度、土地利用程度变化模型、土地资源生态背景质 量模型、土地利用变化方向模型等。彭文甫、何政伟等利用1 9 9 6 2 0 0 2 年土地利 用、社会和经济统计数据，以数理统计与定性分析相结合的方法，对成都市土地 利用变化及其驱动力进行了分析【l 引。孟飞、刘敏、吴建平等根据2 0 0 0 、2 0 0 3 年 航空影像资料，运用地理信息系统空间分析方法以及数理统计的方法，研究了浦 东新区2 0 0 0 2 0 0 3 年间土地利用的数量和空间变化特征，揭示了该区土地利用数 量变化的幅度、速度和区域分异以及土地利用空间变化的主要类型和分布特征 【l 刎。张丽萍等( 2 0 0 4 ) 采用统计分析和区位原理，经过数值计算，揭示了杭州 市区扩建过程中，土地利用动态变化的特有规律，重点讨论了耕地和农作物播种 面积的波动递减过程【删。 目前，景观生态学的理论和方法也被运用到进行城市土地利用变化格局特征 研究中，并证明了其可行性。景观生态学研究是从定性描述到定量分析的过程， 其中定量分析有景观格局指数和空间统计分析两方面，前者着眼于空间上非连续 的类型变化，而后者主要讨论空间上连续的数值关系【2 。这些研究从景观生态 4 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章绪论 学的角度，通过对研究区景观类型、景观指数、变化程度等进行讨论，分析了区 域土地利用格局变化的方向和强度，反映土地利用格局整体的变化，在土地利用 时空演变格局研究中起到了很大的作用【2 2 1 。北美一直是景观格局分析的主导， 以d a n s e r e a u ，f o r m a n ，r i s s e r ，t u r n e r 等人为代表。国内对景观格局动态的分 析始于2 0 世纪9 0 年代。曾辉等( 1 9 9 9 ) 对珠江三角洲东部区域内景观格局的异 质性特征、空间自相关特征、多粒度效应进行了综合性的研裂2 3 1 。陈文波、肖 笃宁( 2 0 0 2 ) 对于景观空间格局的指数提出了若干创见【2 4 】。田光进( 2 0 0 2 ) 利 用两期t m 影像对海口市的景观格局变化进行了研究【2 5 1 。目前，基于景观生态 学的土地利用演变研究发展十分迅速，研究领域多集中于农业、森林景观、自然 流域等。 1 2 3l u c c 模拟和预测研究进展 土地利用覆被变化的模拟预测一直是l u c c 研究的重要内容，如何引入合 适的方法描述、模拟和预测区域土地利用覆被变化是目前研究的关键问题【2 6 】。 当前l u c c 模型用来模拟和预测动态变化的模型有两种类型：静态模型和动态 模型。静念模型主要包括统计模型和空间相互作用模型，其中以地理学家l o w r y 发展的重力一引力模型为典型代表。动态模型的构建存在两种方向，一是自上而 下的基于微分方程的动力学模型，一是自下而上的基于元胞自动机、分形等概念 的离散动力学模型【2 7 】。静态模型在国内的研究较为深入，但是当前的土地利用 模型研究的热点正从静态的统计模型转向动态的空间模型。 赵庚星等( 1 9 9 9 ) 以垦利县1 9 9 1 、1 9 9 5 年两期土地利用现状图为基础，使 用马尔可夫链模型对垦利县土地利用格局变化进行了模拟【2 8 1 。龙花楼等( 2 0 0 1 ) 应用修订后的g t r ( g e n e r a l i z e dt h u n e n - r i c a r d i a n ) 模型对长江沿线样带未来3 0 年 的土地利用变化进行了模拟【2 9 1 。肖平等( 2 0 0 2 ) 提出了利用人工神经元网络进 行土地利用覆盖变化探测的方法，并对人工神经元网络的输入输出、网络结构 和不同的网络模型进行了深入研究【3 0 】。张永民等( 2 0 0 3 ) 根据1 9 8 5 年的图形数 据，结合道路、居民点、城镇、水系的分布以及地形、土壤等驱动因素，使用 c l u e s ( c o n v e r s i o no f l a n du s ea n di t se f f e c t si ns m a l ls c a l e ) 模型对奈曼旗2 0 0 0 年土地利用变化格局进行模拟，取得了较好的效果【3 1 1 。罗平等( 2 0 0 4 ) 根据城 市土地利用演化生命机制概念构建基于地理特征的城市土地利用演化c a 模型， 并以深圳特区为试验区域进行实证研究，结果表明，基于城市生命机制和地理特 5 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第一章绪论 征的城市土地利用演化c a 模型可以有效地进行城市土地利用演化的时空模拟 与预测 3 2 1 。黎夏等( 2 0 0 2 、2 0 0 5 ) 将神经网络、元胞自动机、g i s 结合起来，提 出了基于神经网络的元胞自动机，并用其来模拟复杂的土地利用系统及其演变， 取得了较好的效果【3 3 1 。何春阳等( 2 0 0 5 ) 综合自上而下的系统动力学模型和自 下而上的元胞自动机模型，从宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡的角度， 充分利用系统动力学模型在情景模拟和宏观驱动因素反映上的优势与元胞自动 机模型在微观土地利用空间格局反映上的优势，发展了土地利用情景变化动力学 l u s d ( l a n du s es c e n a r i o sd y n a m i c sm o d e l ) 模型，并利用该模型对中国北方13 省未来2 0 年土地利用变化的情景进行了模拟【3 4 】。 近年来，采用非线性技术的人工神经网络在各类预测研究中得到了广泛的应 用，取得了令人满意的效果。人工神经网络被用来模拟和预测土地利用中数量和 空间的变化，具有较强的空间表达性，可以重建土地利用演变过程，预演未来不 同发展条件下的土地利用空间格局，深入把握和理解土地利用空间变化过程和机 制，可较为全面地模拟土地利用覆被变化。 1 - 3 研究内容 本文利用崇明岛2 0 0 0 、2 0 0 3 、2 0 0 5 、2 0 0 8 年的t m 遥感影像，在a r c g i s9 2 、 e r d a s8 7 软件支持下，首先解译出各年份土地利用状况分类图。根据矢量分类图 分析崇明东滩的土地利用总体变化、土地利用结构变化以及土地利用类型的转移 状况，然后运用f r a g s t a t s 3 3 分析东滩的景观格局变化状况和特定植被盖度的变 化规律。在此基础上，探讨土地利用的变化规律，并对崇明东滩的土地利用进行 模拟预测。研究方法如下： ( 1 ) 基于遥感影像的土地利用分类 通过判读崇明东滩2 0 0 0 、2 0 0 3 、2 0 0 5 和2 0 0 8 年四期卫星遥感影像图，结合 土地利用分类体系和判别标志，在e r d a s 中使用监督分类法进行土地分类，并 参照航片进行目视修改，计算土地分类精度，最终完成各个时相的土地类型分布 矢量图。 ( 2 ) 土地利用动态变化综合研究 在a r c g i s9 2 中，统计不同时期土地利用类型的数量及结构，并建立崇明 东滩的土地利用转移矩阵，在此基础上，分析土地利用土地覆被时空分布特征 6 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 第一章绪论 以及变化规律。 ( 3 ) 土地利用景观格局变化及盖度研究 利用f r a g s t a t s 软件计算崇明东滩四年的5 个具有代表性的景观格局指数， 分析不同时期东滩的景观格局特征。同时，在e n v i 中提取原始遥感图像的波谱 信息，计算典型植被的盖度，从象元级别分析东滩的土地利用变化规律。 ( 4 ) 土地利用模拟与预测 运用b p 神经网络算法在m a t l a b 软件中利用前几年数据模拟0 8 年崇明东滩 土地利用状况，与0 8 年原图进行对比从而评价模拟的准确性。在此基础上，对 崇明东滩的土地利用进行预测，达到本次研究的目的。 1 4 研究目的 本论文依托于国家海洋局海岸带区域综合承载力评估与决策支持技术集成 及示范研究项目的子课题海岸带生态系统退化诊断及其生态化管理技术研 究。本文通过运用2 0 0 0 、2 0 0 3 、2 0 0 5 、2 0 0 8 四年的t m 遥感影像，以及调查统 计数据，在a r c g i s 、e n v i 、e r d a si m a g i n g 、f r a g s t a t s 、m a t l a b 等软件的支持下， 对崇明东滩土地利用土地覆被动态演变以及景观格局进行研究分析，结合3 s 技 术和现场调查，建立土地利用土地覆被演变研究的方法和指标体系，对土地利 用土地覆被的动态演变过程进行模拟预测，研究成果为进一步了解在城市化过 程中，土地利用以及景观格局变化的规律及原因，实现区域土地的可持续发展提 供一定的参考。 7 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文第一章绪论 1 5 技术路线 原始t m 遥感影像 崇明东滩四年土地利用分类图 土地利用数量变化分析， 土地利用转移矩阵研究 影像预处理、分类提取 f r a g s t a m)【 e n v i 景观格局变化 分析 典型植被 盖度变化分析 崇明东滩i 十地利用模拟预测图 1 6论文的创新之处 图1 1 技术路线图 b p 神经网络模拟预测 本次研究为探讨处于城市化进程中的区域土地利用演变研究提供了一定的 理论和方法上的参考。本论文的创新之处主要有： ( 1 ) 通过系统地分析崇明东滩土地利用土地覆被时空演化的特点，总结出 一套科学合理、准确高效的土地利用变化研究方法。 ( 2 ) 充分利用遥感图像的丰富波谱特性，在象元级别上计算各地物类别的 盖度，从更加微观的层次上分析崇明东滩土地利用变化的状况。 ( 3 ) 应用景观生态学理论，在g i s 技术的支持下，选用合理的景观指数， 分析东滩景观格局结构的变化特征。 ( 4 ) 将终极模拟的概念引入到土地利用变化研究中来，应用b p 神经网络 算法对研究区土地利用进行模拟预测，得出各用地类型处于平衡状态时的未来发 展趋势。 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第二章研究区概况 2 1地理位置 第二章研究区概况 上海崇明东滩处于3 1 0 2 5 3 1 0 3 8 n ，1 2 1 0 5 0 1 2 2 0 0 5 e 之间( 如图2 1 所示) ， 东临东海，是长江口泥沙的主要沉降区域之一，也是全岛最具生长性的部分，地 理位置独特，是亚太地区多种徙禽迁飞途中的落脚点和越冬地，已于1 9 9 2 年被 列入中国保护湿地名录，2 0 0 1 年被列入“拉姆萨尔( r a m s a r ) 国际湿地保护 公约 国际重要湿地名录，是重要的海岸带湿地生态系统。本文以崇明东滩陈家 镇西侧的公路为界，东滩的范围为以东的区域。 图2 1 崇明尔滩地理位置图 崇明东滩的演变历史实际上就是滩涂不断淤积冲刷和人工不断圈围的历史。 根据历史围垦工程记录资料和l a n d s a tt m 遥感影像进行综合分析( 图2 2 ) ，至 1 9 6 4 年东滩已累计围垦面积1 1 5 平方公里左右。1 9 8 3 年至1 9 9 0 年崇明东滩基本 上无围垦工程。2 0 世纪9 0 年代是崇明东滩围垦工程进展较快的年代，1 9 9 0 年 1 1 月至1 9 9 1 年2 月围垦团结沙，成陆面积1 8 3 平方公里；1 9 9 1 年6 月至1 9 9 2 9 华东师范大学2 0 1 0 届硕上学位论文 第二章研究区概况 年3 月在东滩北部东旺沙围垦造陆4 4 平方公里；1 9 9 8 年冬至1 9 9 9 年春，又在 东旺沙围垦区外高潮滩圈围2 2 6 7 平方公里，使崇明东滩海岸线从1 9 9 0 年向外 推进达7 2 公里。2 0 0 2 年至2 0 0 4 年崇明东滩基本上无围垦工程。崇明东滩围垦 历史见下图。崇明东滩围堤过程中大多实施高滩围垦，围垦大堤工程明显具有加 快滩地淤涨的作用。另外，根据上海市历年围垦记载资料，可以看出崇明岛的围 垦面积大，围垦次数多，这也在一定程度上说明崇明岛特别是崇明东滩为上海市 极其重要的滩涂资源分布区域。 2 2气候 图2 2 崇明东滩遥感影像图 崇明东滩位于北亚热带南缘，该地区气候属于东部亚热带季风气候，是东亚 季风盛行地区，夏季多从太平洋吹来的暖湿气团，雨量丰富；温和湿润，四季分 明。东滩年均日照时数2 1 3 8 h ，太阳总辐射量为4 3 0 0 , 、, 4 6 0 0 m j m 五，年平均温度 1 5 3 ，最热月为7 - - , 8 月，月平均气温2 6 8 - - 2 6 9 c ，最冷月为1 2 月，月平 均气温在3 0 - 3 9 ，冬季因三面受水面热效应的影响，气温要比崇明岛的西部 高出1 。水域不冻结，全年平均无霜期为3 2 0 天左右，非常有利于水禽的越冬； l o 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文第二章研究区概况 年降雨量l l o o m m ，相对湿度8 2 ，降水主要集中在夏季。因此，崇明东滩气候 温和湿润，阳光充足，雨量充沛，有利于动植物的生长和有机物质的积累。 2 - 3 土壤 东滩的土壤母质为河口沉积物，基底多为壤土，熟化程度较高。土壤类型可 分为水稻土、灰潮土和盐土3 种，水稻土主要分布在防汛大堤以内，其次为灰潮 土、滨海盐土。海堤外为潮滩盐土，一般含盐度0 2 - 4 ) 6 。其中，潮上滩和高 潮滩基本上是沼泽潮滩盐土，而低潮滩是潮滩盐土。潮滩盐土适宜于盐生化草本 植物群落的自然生长。 2 4 植被 由于崇明东滩是一个迅速淤涨性滩涂，每年在东旺沙滩地向外淤沙 1 2 0 1 8 0 m ，1 9 9 8 年围垦滩涂的平均滩宽为3 1 0 0 m ，2 0 0 2 年底已经成为平均滩宽 3 7 0 0 m 的半成熟潮间滩。加上人工种植的芦苇，堤外又形成了芦苇带、海三棱蔗 草带、光滩3 种典型的湿地生境。 由海向陆地方向生境分类如下： i 低潮带盐藻光滩，宽度为2 0 0 0 m 左右，聚集着大量的水禽和涉禽； i i 海三棱蔗草外带，宽度为1 5 0 m 左