（环境科学专业论文）基于gis的土地利用土地覆被变化研究——以彭州市为例.pdf

四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 近1 1 年来，研究区域各用地类犁中，城市窄间演变速度最快，然后是其 他士地、耕地、建制镇、农村居民点等，它们是导致农用地面积减少，建设用 地面积增加，未利用地面积减少的主导因素。城市、建制镇大量占用农用地， 使城市、建制周围成为农用她急剧减少的区域；城市扩展的方向以旧城为依托 向西面和北面扩展。建制镇的扩展倾向于沿着河流及交通线延伸。未利用地减 少部分主要分布在河流沿岸地区。 ( 3 ) 近1 1 年来，研究区域各用地类型转移速率较大的是水利设施用地、园地、 未利用地、农村居民点；新增速率较大的足园地、建制镇、城市；变化速率较 大是园地、特殊用地、建制镶。耕地净面积减少，大部分转化为农村居民点、 城市、其他土地：城市用地减少量极少，净面积在增加，主要从耕地、农村居 民点用地转化而来；建制镇用地净面积在增加，主要从耕地、农村居民点、独 立工矿转化而来；农村居民点有大量的流入和转出，但总的来说净面积在增加， 主要从耕地、未利用地转化而来，农村居民点用地的减少量，大部分转化为耕 地、城市、建制镇。 ( 4 ) 土地利用覆被变化的驱动因素复杂。人为因素是最主要的驱动因素， 人口的快速增长以及经济的高速发展是根本动因，它们导致了大规模建设占用； 政策因素对土地利用变化也具有举足轻重的作用；工业化、城市化、交通条件 的改变都会引起各种土地利用覆被的变化。此外，地形、气候等自然条件也是 一个影响因素。 关键词：g i s 技术、土地利用，土地覆被变化、景观格局分析、时空结构、空间 动态变化、驱动因素、彭州市 四川大学硕t 学位论文 s t u d i e so nl a n du s ea n dl a n dc o v e r c h a n g e b a s e do ng i s 一一ac a s e s t u d yo fp e n g z h o uc i t y s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：c h e ng u o - h u i a d v i s o r ：f a nh o n g l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t sa n d m a j o rc a u s e st og l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g e s ，a n ds t u d i e so ni th a sb e e nt h ef r o n t i e r a l lt h ew h i l ea f t e re n t e r i n gt h en e wm i l l e n n i u m a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e so nl u c c m a i n l yf o c u so nc l a s ss y s t e m ，d y n a m i cm o n i t o r i n g ，e n v i r o n m e n ti m p a c ta s s e s s m e n t a n da l s oo nt h ed r i v i n gf a c t o r so fl u c ca n dt h es p a c e - t i m es t r u c t u r ee v o l v e m e n t h o w e v e r , t h es u r v e yo fs p a c e - t i m es t n l c t u r ee v o l v e m e n tb a s e do ng i si ss t i l lb e i n g e x p l o r e d e s p e c i a l l y , t h ea n a l y s i so fs p a c e - t i m ee v o l v e m e n tr u l e so fh o s ta r e ai n c o u n t ys c a l ei sf e w , w h i c hi sj u s tt h ec o r eo ft h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , p e n g z h o uw a s s e l e c t e da st h er e s e a r c ha r e af o ri t sf a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , i n t e n s eh u m a n a c t i v i t i e sa n dt h eo b v i o u sl a n du s ec h a n g e t h e n , t h el u c cc h a n g ea n dt h ed r i v i n g f o r c ew h i c hr e s u l t e di nt h o s ec h a n g e sw e r ed i s c u s s e d t i l i ss t u d yw i l lm a k eg r e a t s e n s et oe c o n o m ya n ds o c i e t ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n dp r o v i d et h es i m i l a ra r e a 0 ft h en a t i o n a la n dg l o b a ll a n du s er e s e a r c hw i t ha ne x a m p l e a c c o r d i n gt o l a n du s ed a t a b a s ec r i t e r i af o rc o u n t r ya r e a t h el a n du s e s p a t i a ld a t a b a s e so ft h i sr e s e a r c h a r e ao f1 9 9 2a n d2 0 0 3w e r es e tu pb a s e do n m a s s i v ed a t u mb yg i st e c h n o l o g y t h g o u g hs e l e c t i n gt h er i g h tm o d e lo fl a n du s e a n a l y s i s ，t h el a n d s c a p ep a t t e r no fl a n du s e ，s p a c e - t i m ee v o l v e m e n tr u l e so fl a n du s e a n dd y n a m i cs p a c ec h a n g eo fl a n du s ew e r ef u r t h e ra n a l y z e d ，a n dt h es p a t i a la n a l y s i s f u n c t i o n0 fg i s t h ee x c e la n ds p s ss o f t w a r ew e r ea l s ot a k e na d v a n t a g eo fi nt h i s m 四川大学硕t 学位论文 p r o c e s s t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sw e 他a sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m p a r e dw i t ht h em o u n t a i n o u sa r e a s 。t h ep l a i na r e a sw i t hi n t e n s eh u m a n a c t i v i t i e sh a da h i g h e rf r a g m e n t a t i o n , l o w e rl a n d s c a p ed i v e r s i t ya n dl o w e r h e t e r o g e n e i t yw h i l et h ea r t i f i c i a lm o s a i cp a t c h e si n t e r f e r e df i e r c e l yb yh u m a nw e r e m o r er e g u l a r ( 2 ) t h el a t e s t1 1y e a r s ，c i t ys p a c ee v o l v e m e n tr a t eo fr e s e a r c ha r e aw a st h e h i g h e s to n eo fa l ll a n du s et y p e s ，t h e np l a n t a t i o n ，t o w na n dr e s i d e n t i a lw a sf o l l o w i n g t h e yw e r et h em a i n c a u s et h a tl e dt ot h ed e c i n eo fa g r i c u l t u r el a n da n du n u s e dl a n d a n da l s ot ot h eg r o w t ho fc o n s t r u c t i o nl a n d b e i n go c c u p i e db yc i t ya n dt o w n ，t h e a g r i c u l t u r el a n da r e ao ft h en e a r b yc i t ya n dt o w nh a dag r e a t l yd e c i n e t h ee x t e n d i n g d i r e c t i o n so ft o w na r es o u t h w e s ta n dn o r t ho ft h eo l dt o w n ；t h ec i t ye x t e n d e dm a i n l y a l o n gt h er o a d so rt r a n s p o r t a t i o nl i n e s ；m o s to ft h ed e c l i n i n ga r e ao fu n u s e dl a n d d i s t r i b u t e do nt h er i v e rb a n k s ( 3 ) t h el a t e s t11y e a r s ，i r r i g a t i o nl a n d ，g a r d e nl a n d ，u n u s e dl a n da n dr e s i d e n t i a l l a n dh a dh i g ht r a n s f o r m i n gr a t e ；r e s i d e n t i a ll a n d ，c i t y , o t h e rl a n da n ds p e c i a ll a n dh a d i l i g hn e wg r o w i n gr a t e t h ed e c l i n i n ga r e ao fc i t yw a st e e n y , b u tt h et o t a la r e aw a s a s c e n d i n g ，w h i c hw e r em a i n l yt r a n s f o r m e df r o mp l a n t a t i o na n dr e s i d e n t i a ll a n d t h e t o w na r e aw a si n c r e a s i n g ，w h i c hw e r e m a i n l yt r a n s f o r m e df r o mp l a n t a t i o n ， r e s i d e n t i a ll a n da n du n a t t a c h e di n d u s t r i e sl a n d a l t h o u g h ，t h eo u t f l o wa n di n f l o wo f r e s i d e n t i a ll a n dw a sg r e a t ，t h en e ta r e aw a si n c r e a s i n gi n t o t a l ，w h i c hw e r e t r a n s f o r m e df r o mp l a n t a t i o na n du n u s e dl a n d o nt h eo t h e rh a n d 。t h ed e c l i n e da r e a m a i n l yc o n v e r t e di n t op l a n t a t i o n 。c i t ya n dt o w n ( 4 ) l u c cd r i v i n gf o r c ew a sc o m p l e x t h eh u m a nd r i v i n gf o r c ew a gt h ec h i e f f a c t o r , b e c a u s ef a s tp o p u l a t i o ni n c r e a s i n ga n dh i g he c o n o m yd e v e l o p m e n tw e r et h e f u n d a m e n t a lp r o m o t i n gf a c t o r sw h i c hl e dt om a s s i v ec o n s t r u c t i o nl a n d s m e a n w h i l e ， p o l i c y a l s o p l a y e da ni m p o r t a n t r o l ei nl a n du s e c h a n g e i n d u s t r i a l i z a t i o n ， u r b a n i z a t i o na n di m p r o v i n go ft r a n s p o r t a t i o na l s ob r o u g h ta b o u tl u c c m o r e o v e r , t h en a t u r ec o n d i t i o n 。s u c ha sl a n d f o r m , c l i m a t ee t ew e r ea l s ot h ea f f e c t i n gf a c t o r k e yw o r d s ：g i s ，l a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e ，a n d s c a p ep a t t e r na n a l y s i s ， s p a c e t i m es t r u c t u r e ，d y n a m i cs p a t i a lc h a n g e 。d r i v i n gf o r c e ，p e n g z h o u i v 四川大学硕学位论文 1 综述 面对当前日益加剧的人口一一资源一一环境问题，全球变化研究成为近年 来国际上最为活跃的研究领域之一，而土地利用，土地覆被变化( l a n du s ea n d l a n d c o v e r c h a n g e ，简称l u c c ) ，被认为是能够从景观上表现人类活动最为典 型的过程，它不仅客观记录了人类改变地球表面特征的空间格局，而且还再现 了地球表面景观的时空动态变化过程，并且是全球环境变化的重要组成部分 t - 2 ，已成为了目前全球变化研究的核心主题之一。鉴于l u c c 在全球环境变化 和可持续发展研究中的重要地位，以及地球系统科学、全球环境变化以及可持 续发展涉及诸多的自然和人文问题，需要加强学科间的综合研究。正因为如此， 国际地圈一一生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化中的人文领域计划( j d p ) 于1 9 9 5 年联合提出了l u c c 研究计划，并于1 9 9 9 年发表了( l u c c 研究实施 策略，随后一些国家和国际组织也纷纷启动各自的l u c c 研究项目，推动了 l u c c 研究的开展，也使l u c c 研究成为了目前全球变化研究的前沿和热点课 题【1 】，是全球变化研究者兴趣中心所在。土地利用是人类活动作用自然环境的 主要途径之一，它既是一个把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程， 也是一个自然、经济、社会诸因素综合作用的复杂过程，是历史时期土地覆被 变化的最直接和最重要的驱动因子，因此，研究土地利用变化及其驱动力有助 于环境和发展的综合决策。本文主要对研究区域的土地利用，土地覆被变化进行 分析研究，采用静态、动态分析相结合，定量模拟与定性分析相结合，统计分 析和g i s 空间分析方法相结合，进行县域尺度上l u c c 研究。 1 1 土地利用与土地覆被概述 1 1 i 土地利用与土地覆被概念 土地利用是人类根据土地的特点，按一定的经济和社会目的，采取一系列 生物和技术手段，对土地进行长期性或周期性的经营活动口l 。如农业、林业、 牧业、交通等都是土地利用的概念。确切的说，土地利用是人类通过与土地结 合获得物质产品和服务的经济活动过程，这一过程是人类与土地进行物质、能 量和价值、信息的交流、转换过程，i g b p 和i h d p 把土地覆被定义为“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”【4 l 。 四川大学硕士：学位论丈 史培军等口1 认为：“土地霜被是指自然营造物和人工建筑物所覆被的地友诸要素 的综合体”。如地衷植被、土壤、冰川、耕地、林地、草地、道路等都是土地覆 被的概念。土地利用侧重于土地的经济属性，土地覆被侧重于土地的自然属性。 由此可见，土地利用和土地覆被的异同概括起来有三：土地利用是人类对陆 地地表系统的资源利用过程；土地覆被是陆地生物圈的重要组成部分，是各 种地表过程的产物；全球不同地区土地覆被的性质主要决定于自然因素，但 土地覆被的状况则主要是由人类对土地的利用活动所造成的。 1 1 2 土地利用与土地覆被变化的关系 土地利用和土地覆被有着密切的关系，任何局部或区域的土地利用变化都 影响着土地覆被的变化，而且土地覆被的变化局部地作用于土地利用。土地覆 被状况的变化分为质变和量变。量变足指土地覆被层内部属性条件的变化，如 对森林进行的采伐，或因过度放牧使草地转化为退化草地；质变足指土地覆被 层类型的变化，即一种覆被类型转变为另一种覆被类型，如森林转变为农田、 草地等。不难看出，无论是量变还是质变，人类活动对其都具有巨大作用，同 时也受到环境因素( 如气候、水文等) 变化的制约，不同的土地覆被对驱动因 子的响应具有较大的差异。 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变化与土地覆被变化联系在一起。土地利用变化导致的土 地覆被变化主要有两种类型【”：渐变( m o d i f i c a t i o n ) 和转变( c o n v e r s i o n ) 。渐变是 指同一种土地覆被类型内部条件的变化，如对森林进行疏伐，或农田施肥等： 转变则是指一种覆被类型转变为另一种覆被类型，如森林变为农田或草地等。 此外，维护( m a i n t e n a n c e ) ，即让土地覆被保持一定的状态，也是人类活动影响 土地覆被的一种形式。 2 四川大学硕士学位论文 自然菜缱厂惆 直接原因i 维护 f 宣 圈一裂t _ 蕊 塾皇至竺i 嚣墓名 图1 1 人类活动、土地利用和土地覆被之间的联系( t u n e r ，1 9 9 3 ) 图1 1 描述了土地利用与土地覆被变化以及它们与环境变化的关系。该图 中，土地覆被( 自然系统) 处于土地利用及其驱动力组成的系统关系中。驱动力 在不同社会条件下的相互作用产生了不同的土地利用，土地利用对土地覆被的 影响则通过土地覆被的渐变、转变和维护表现出来。土地覆被变化又通过环境 影响反馈回路影响到土地利用变化的驱动力。另一方面，土地覆被变化的影响 经过累积作用可以达到全球规模，继而加速气候变化，而气候变化的结果又反 馈回自然系统，影响土地覆被，并且最终通过环境影响回路对驱动力发生作用。 1 2 土地利用与土地覆被变化( l u c c ) 的研究状况 1 2 1 国际l u c c 研究状况 国外在l u c c 方面的研究起步较早，早在2 0 世纪2 0 年代，美国的l e e 于 1 9 2 2 年发表了从空中看到的地球表面，表述了自然景观和人类活动的关系。 1 9 3 1 年，w e b b 在对美国大平原农业社会的研究当中，认为当地土地利用类型 是由干旱程度决定的【3 1 。这是最早对l u c c 过程与机理从经济角度进行的探讨， 但没有考虑其他人类因素的作用。到了2 0 世纪7 0 年代，全球变化研究的兴起 以及遥感技术的发展，将l u c c 研究推进到一个新阶段，进入8 0 年代后，人 们已在非洲范围内利用气象卫星数据进行土地覆被的研究，并取得了有效成果。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着人口、资源和环境问题的日益突出，在全球环境变 3 四川大学碘十学位论文 化领域逐渐加强了对土地利用，土地覆坡变化的研究工作。1 9 9 5 年，国际地 圈一一生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化中的人文领域计划( i h d p ) 联合发表了 土地利用，土地覆被变化( l u c c ) 科学研究计划，该计划提出了l u c c 研究 已经成为目前全球变化研究的前沿和热点问趔”。1 9 9 9 年，i g b p 和i h d p 又发 表了土地利用，土地覆被变化( l u c c ) 研究实施策略，进一步提出将土地利用 的过程、土地利用土地覆被变化的人类响应、综合的全球和区域模型作为研究 的主题。其中，土地利用变化机制是l u c c 研究的三大核心问题之_ _ 1 5 1 。 自从1 9 9 5 年i g b p 和i h d p 共同拟定并发表了土地利用，土地覆被变化科 学研究计划以来，一些积极参与全球环境变化的国际组织和国家纷纷展开了 研究，1 9 9 4 年联合国环境署( u n d p ) 启动了以东南亚为研究区的“土地覆被评 价和模拟( l c a m ) 项目；1 9 9 5 年国际应用系统分析研究所( n a s a ) 开展了“欧洲 和北亚土地利用，土地覆被变化模拟”研究，1 9 9 6 年美国开展北美洲土地覆被变 化研究；同年，欧盟也推出了欧洲的l u c c 计划。此外，日本国立科学院全球 环境研究中心在日本环境署的支持下开展的“为全球环境保护的土地利用研究” ( l u g e c ) 项目，研究土地利用土地覆被的空间分布、时问动态和驱动因子，同 时强调相应对策和技术的研究。总而言之，当前国际上土地利用，土地覆被变化 研究正方兴未艾。许多高等院校、科研机构和社会团体都己参与进去【6 l 。这大 大促进了土地利用土地覆被变化研究的进展。 1 2 2 国内l u c c 研究状况 近年来，随着人类活动对土地的开发利用逐渐增强，我国的土地覆被发生 了巨大的变化，这为开展l u c c 研究提供了现实基础，但以前的研究主要侧重 于土地资源调查、分区、规划、评价及开发管理研究，如2 0 世纪8 0 年代出版 了l ：1 0 0 万中国土地利用图集：1 9 9 2 年还出版了专著中国土地利用【3 1 。 但对于将土地利用，土地覆被变化与全球变化联系起来进行综合研究，是随着9 0 年代国际l u c c 研究的趋势才逐渐发展起来的。 在我国，l u c c 研究主要包括以下几个方面： 1 2 2 1 土地利用，土地覆被的时空变化研究 ( 1 ) 建立国土资源环境动态数据库 4 四h f 大学硕十学位论文 对于建立国土资源环境动态数据库的研究，我国已利用l ：2 5 万卫片完成 全国和分省土地面积的统计、全国h2 0 0 万土地利用卫星影像图及l ：5 万主 要城市土地利用现状卫星影像图等；国家环保局于2 0 0 0 年完成了“西部遥感调 查”项目吲；还有刘纪远等开展“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”，并 建立了中国资源环境数据库。 ( 2 ) 对于土地利用与土地覆被时空变化监测技术研究 随着近年来土地利用土地覆被变化研究的深入，应用遥感与g i s 技术对不 同时期土地利用类型的时空变化进行监测变得越来越重要。目前国内土地利用 变化监测方法主要是和3 s 技术的结合，如党安荣等人利用3 s 技术对北京密云 县土地利用动态变化研究【8 l 。主要的监测方法有：分类后比较法、直接插值法、 直接主成分法、变化向量法等。这些方法虽有可行性，但有一定的不足。目前， 国内学者正致力于这方面的研究：北京师范大学潘耀忠等人给出了一种利用多 光谱t m 和全色s p o t 数据信息融合的土地利用变化监测方法一一变异特征监 测法 9 1 ，该方法避免了有些方法对数据的一些限制，在信息融合技术上加入了 时间信息，对土地利用变化的监测精度有了很大的提高。 ( 3 ) 4 - 地利用，土地覆被时空变化案例研究 国内学者不仅对各个地区的土地利用变化的速度、土地利用结构、区域差 异等进行分析，同时还利用数学方法或数学建模定量分析土地利用变化。如朱 会义等对环渤海地区土地利用的时空变化进行了分析【l o 】，洪军等人所做的上海 土地利用时空变化及其驱动力分析【1 1 l ，葛全胜等在对上个世纪中国土地利用时 空变化研究5 1 2 1 ，王思远等在遥感技术与g i s 技术的支持下，对中国近5 年来土 地利用的时间动态特征和空间动态特征进行了定量分析【1 3 1 ，张明等人用典型相 关分析法定量分析环渤海地区土地利用结构【“l 。 1 2 2 2 土地利用，土地覆被驱动力研究 l u c c 驱动力研究的目的在于揭示l u c c 的原因、内部机制、基本过程、 预测未来变化方向和后果，并制定相关的对策【1 5 1 ，也被称为l u c c 机制研究【l 郇。 导致土地利用方式和目的发生变化的驱动力主要存在于自然和社会两个系统， 在自然系统中，气候、土壤、水分等被认为是主要的驱动力类型；在社会系统 中，通常将驱动力分为6 类，即人口变化、贫富状况、技术进步、经济增长、 四川大学硕士学位论文 政治经济结构以及价值观念等【1 5 1 。由于士地利用变化是一个相当复杂的过程 同时它又受到自然、社会、经济等众多因素的影响：这些因素对土地利用变化 的作用方式与作用强度各有不同。所以，应用系统论的观点和方法，选择典型 区域进行空间差异和对比研究，是土地利用，土地覆被变化驱动力机制研究的有 效手段。张明【1 4 铡用典型相关分析法，并运用s p s s 统计软件对榆林地区各驱 动因子对土地利用结构分布贡献作用的大小做出了定量诊断。史培军等f 1 7 1 通过 回归分析和建立土地利用变化的转移矩阵，对深圳市土地利用变化的驱动力进 行了分析。另外王良健等【1 8 1 对梧州市土地利用驱动力的分析、顾朝林【1 9 1 对北京 l u c c 机制的研究、张惠远等 2 0 l 对喀斯特山区土地利用变化的人类驱动机制的 研究等都为区域l u c c 机制的研究提供了很好的思路。另外陈百明【1 研和李平等 伫1 1 分别从我国l u c c 驱动力分区和研究现状的角度对驱动力问题进行了详细论 述。当然l u c c 驱动力研究足一个复杂的问题，我们不仅要考虑各种因子的复 杂的作用机理，还要考虑“典型区”、“热点区”、“脆弱区”等不同类型区域的 选择 2 2 - 2 3 1 。 1 2 2 3 土地利用，土地覆被的环境影响 土地覆被状况不同，对气候、水文地质、生物地球化学循环的作用机制也 不同。土地覆被变化是全球变化的重要内容，在很大程度上影响了全球环境。 人类活动通过改变土地覆被改变了周围的环境，进而造成了全球环境变化。 目前l u c c 对环境影响的研究主要集中在气候方面】。史培军等1 3 1 通过遥 感影像和建立y a m a t a - m e l l o r 紊乱闭合模型对深圳市l u c c 对气候的影响进行 了模拟，进而对深圳城市化与生态环境安全水平变化之间的关系进行了分析， 还对内蒙古乌兰察布盟和湖南洞庭湖区l u c c 对农业自然灾害的影响进行了探 讨。郭东旭等研究了土地利用，土地覆被对区域气候及大气质量的影响等陋j 。傅 泊杰等以黄土丘陵区为例研究土地利用变化对生态环境的影响瞄”。 1 2 2 4g i s r s 技术的应用 g i s 瓜s 技术已成为区域l u c c 数据获取和处理分析的基本手段。利用这些 先进技术，并采用土地利用转移矩阵法、网格制图法等方法，可查明某一地区 一定时段内的l u c c 现状、格局和发展趋势。例如，在1 9 8 8 年，利用g i s 对 6 四川大学硕士学位论文 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 地利用的变化类型瞄1 ；随后，又对俄亥俄州中部地区4 6 年间土地利用，土地覆 被变化进行了研究 2 7 1 ；流域林地空间变化的研究也以g i s r s 技术为支持 2 8 1 。 利用遥感数据和g i s 软件并结合实地调奄、采样和统计分析，研究黄河三角洲 的土地利用，土地覆被的质量变化1 2 9 1 。北京地区( 1 9 7 5 - - 1 9 9 7 年) 【3 0 1 、海南( 1 9 8 6 2 0 0 0 年) 【3 l 】、晋陕蒙接壤地区( 1 9 8 6 - - 2 0 0 0 年) 3 2 1 的l u c c 研究也都以g i s r s 技术为基础而开展的。另外，后来开展的内蒙古锡林河流域土地覆被变化1 3 3 1 、 拉萨市1 9 5 1 1 9 9 9 年间不同时期城市用地变化 3 4 1 以及湖北省近l o 年来土地利用 变化【3 5 1 等研究，在技术方法上都有进一步延伸。 对g i s r s 技术在l u c c 的应用也有很多探讨。例如，尝试用变化矢量分析 与分类后比较法相结合的方法提高l u c c 监测精度1 3 6 1 。此外，基于遥感信息融 合技术，探讨不同遥感数据源的融合及应用，如通过t m 与s p o t 数据的融合， 进行土地利用动态变化信息的监测，并尝试应用于广州市的有关研究 9 1 。 1 3 当前国际上l u c c 研究的主要技术手段和研究方法 1 3 1 主要技术手段一一3s 技术结合与集成 近年来，遥感在土地利用与土地覆被变化的调查中得到了广泛应用。由于 土地利用与土地覆被变化研究要揭示变化的过程和机制。因此，首先要具有能 动态地反映变化过程的信息及其处理方法。而遥感技术在这方面大有用武之地， 因此得到广泛应用。目前利用遥感手段监测土地利用动态变化已成为l u c c 研 究的主要手段之一。但由于遥感图像本身的固有误差和其他误差，使得在遥感 图像上判读图上的区域界线比较困难。而全球定位系统( g p s ) 的应用，则为准确 地界定区域界线提供了可能【2 4 1 。地理信息系统( g i s ) 的应用，又为多种来源的海 量时空数据综合处理、动态存取、集成管理及建模和模拟提供了有效手段。因 此，利用3 s 技术的结合与集成获取l u c c 数据越来越受到重视。目前，国际 上这方面研究开展得很多，许多专家学者从不同角度对遥感和g i s 在l u c c 研 究中的应用作了有益的探索。如德克萨斯大学的k e l lac r e w s m e y e r 利用遥感 和g i s 手段来研究人类与环境之间的互动关系。德克萨斯大学的h o n g x i nl i u 提出一种新的遥感分类方法用于城市土地利用分析。田纳西大学地理系的 s h i l u n gs h a w 和x i a o h o n g x i n 提出时间g i s 概念，并建立时间g i s 模型用于 7 四川i 丈学硕士学位论文 分析土地利用和交通之间的相互作用。 1 3 2 主要研究方法一一数据采集、模型建立和分析预测 从总体上看，当前l u c c 研究方法主要足以数据采集、模型建立和分析预 测为主。数据采集方面，目前主要利用3 s 技术集成的手段获取l u c c 数据。 各类驱动因子数据尤其是人文因子数据主要从历史统计资料和实地调查访问获 取。模型建立方面。目i 猗人们已从不同的目的出发，构建了许多有关l u c c 的 模型”。】。其目的，一是对土地利用土地覆被变化过程及主要动因进行科学解 释，二是预测土地利用未来变化趋势，三是为可持续发展提供基础资料和理论 依据【柏】。目前常用的土地利用变化模型主要可以! 亡l 纳为经验统计模型、随机模 型、优化模型和动态模拟模型( 基于过程) 四大类。l a m b i n 等人的研究表明：动 态的、基于过程的模拟模型比经验的、随机的、静态的优化模型，在描述和表 达土地管理决策过程时更有用。 目前l u c c 研究中利用模型方法已相当普遍。如波士顿大学地理系的 r a m o n d j d e z z a n i 通过建立一个基于时空框架的马尔柯夫模型用来衡量波士顿 城市土地利用的变化率。印第安那大学的t o m pe v a n s 等人认为模型是强大的工 具，并提出了一种用于评价土地覆被变化的模型。勘萨斯大学地理系的 j o h a n n e j f e d d m a 则提出了在土地表面模型( l s m ) d p 应用新的土地利用分类，这 样该模型就可用于模拟大尺度的城市化和土壤退化的影响1 4 h 。 1 4 土地利用土地覆被变化研究的主要模型 土地利用变化包含几方面的内容，受多种因素的影响，各内容、各要素之 间存在着相互联系、相互影响和相互制约的关系，要定量的揭示它们之间的关 系，就必须采用数学分析的方法。数学方法，亦可称模型方法，不仅是现代地 理学研究的理论演绎和逻辑推理工具，而且也是进行定量分析、模拟运算、预 测、决策、规划及优化设计的手段。在土地利用，覆被研究应用中，主要包括以 下几个方面： 1 4 1 植被模型 植被是陆地生态系统的重要组成部分，其变化动态对地球表面与大气之间 8 四川大学硕士学位论文 的能量转换及重要物质的生物地球化学循环具有决定性的作用，这使得植被模 型成为研究最多的一类土地覆盖模型。传统的植被模型并不反映实际的植被分 布状况，因为它是根据抽象出来的“顶极”或“潜在的”植物群落构造的。所 谓“顶极”群落是指未受任何人类活动干扰，完全在自然条件下演替形成的陆 地植物群落。这种群落在现实中很少存在，因此。据此构造的植被模型及其应 用受到了很大限制。在模型的构造方法上，早期大尺度的自然植被模型多是应 用气候相关法。即根据温度、降水等气候因子与植被的相关性推算植被分布， 如h o l d r i d g e 生命区分类系统 4 2 j 。这种气候相关法所提供的植被图实际上只是 一种气候衍生图。由于未考虑土壤、地形和人类干扰等非气候因子，因而准确 性不是很高，特别是在中小尺度上。在随后的植被建模方法中，物种统计法和 生长模型法逐渐取代了气候相关法。这类方法对植被变化的生物学动态加以模 拟，同时考虑了土壤、地形等非生物因子。如s o l o m o n 和w e s t t 4 3 】应用这类方法 模拟了美国东部森林树种的养分、水分、竞争和出生与死亡情况，并预测了森 林对气候变暖的反应。在类似的工作中，s h u g a n 和w e s t t a 4 1 采用的是g a p 模型。 g a p 模型是当前研究应用较多的一类生长模型，它将每个植物个体当作独特的 实体加以模拟，考察其在正常情况或受干扰情况下整个生命周期的动态过程， 所有个体组合在一起就可以得到整个群落的结果。自从美国生态学家 b o t k i n ( 1 9 7 2 ) 最先提出g a p 模型以来，至今在全球范围内己经出现3 8 个应用模 型。目前，g a p 模型在生态学、林学、古生态学及气候变化等研究中得到了较 为广泛的应用1 4 5 1 。 1 4 2 土地利用模型 从土地利用，土地覆盖变化的涵义及研究内容出发，构建土地利用变化模型 是深入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的重 要途径，也是土地利用变化研究的主要方法。土地利用变化研究中的模型可概 括为以下三种类型： 1 4 2 1 系统诊断模型 系统诊断模型是深入了解土地利用变化机制的主要手段，可分为两种类型： ( 1 ) 基于经验的概念化逻辑诊断模型，如土地利用变化驱动力概念诊断模型。 9 四川i 大学硕士学位论文 概念化诊断模裂是一种基于经验的定性分析模型，它是建立定量分析模型的基 础。 ( 2 ) 基于经验的统计诊断模型，如土地利用变化机制统计诊断模型。由于土 地资源足一个自然一一人文综合体，土地利用，土地覆被变化不仅受自然因素的 影响，而且受社会、人文因素的综合影响，仅仅通过直接测最无法充分分析土 地利用变化的驱动力，因此需要将在一系列时空尺度下的观测结果同经验模型 相联系，用一组观察变量( 如地貌、气候、土壤、地表质地、地势等自然因素) ， 结合一组辅助性变量( 如统计数据) 进行统计分析，这样既能提供一个综合的 方法来认识土地利用变化，同时也为政策的制定提供了依据。 1 4 2 2 土地利用动态变化模型 土地覆被表达的是土地表层覆被物的自然类型和状态，土地利用则表达的 是人类对土地的利用方式和使用状态。因此。前者在空间的变化上呈现渐变状 态，在时问变化上季相特征明显；后者在空h j 变化上多呈现边界清晰的类型变 化状态，时间变化上则完全依赖于人类对土地的利用方式转变的速率，与季节 没有对应的相关性。所以，土地利用的变化主要体现在土地利用类型变化、土 地利用类型数量变化、土地资源生态背景质量变化、土地利用程度变化及土地 利用变化的区域差异等方面。土地利用动态变化模型包括土地资源数量变化模 型、土地资源生态背景质量变化模型、土地利用程度变化模型、土地利用变化 区域差异模型、土地利用空间变化模型和土地需求量预测模型等。 ( 1 ) 土地资源数量变化模型 土地资源数量变化可以用土地利用动态度来表示。 单一土地利用类型动态度，表达某研究区一定时间范围内某种土地利用 类型的数量变化情况，其表达式为： 足：竺二坚! x 三1 0 0 ，a t ( 1 1 ) 式中：k 为研究时段内菜一土地利用类型动态度；u 。、分别为研究期 初及研究期末某一种土地利用类型的数量；t 为研究时段长，当丁的时段设定 为年时，置的值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。 综合土地利用动态度( 陈述彭，1 9 9 8 ) 1 0 四川大学硕士学位论文 l c = a l u t _ j 2 l u 。 三l o o r ( 1 2 ) 式中：l u 。为监测起始时间第i 类土地利用类型面积；l ( ，。，为监测时段 内第f 类土地利用类型转为非f 类土地利用类型面积的绝对值；t 为监测时段长 度。当r 的时段设定为年时，l c 的值就是该研究区土地利用年变化率。 土地利用动态度定量地描述了土地利用的变化速度，对预测未未土地利用 变化趋势有积极的作用。 ( 2 ) 土地资源生态背景质量变化模型 土地资源生态环境背景是由土地资源所处的地貌、气候、干湿度、土壤质 地、地势等条件决定的，因此，土地资源生态环境质量评价要在综合考虑地貌、 气候、干湿度、土壤质地、地势等条件下进行。基于土地资源生态环境背景参 数，计算各行政单元的生态环境背景质量指数，在此基础上建立土地资源生态 环境背景质量变化模型。 土地资源生态背景质量指数模型 某行政单元某类土地资源生态背景质量指数模型： q j = l o o ( b ( a ，s ，) ) ( 1 - 3 ) i = l 式中：q 为第，个行政单元某类土地资源生态背景质量指数；e 为第f 级 土地资源生态背景质量等级量值；a 为第，个行政单元第i 级土地资源面积：n 为土地资源等级数；s ，为第，个行政单元某类土地资源总面积。 土地资源生态背景质量变化模型 土地资源生态背景质量的好坏可以用土地资源生态背景质量指数来表示， 土地资源生态背景质量变化情况町以用生态背景质量变化率来表达： r ：羔兰鱼二坠2 兰鱼：! ! f t ( 1 - 4 ) 。 s jx - i ， 式中：& 。) ，为第j 行政单元研究期初某类土地资源面积；s 盯为第j 行政 单元研究期末某类土地资源面积；吼) j 为j 行政单元研究期初某类土地资源生 态背景质量指数；qu 为j 行政单元研究期末某类土地资源生态环境背景质量 四川大学硕士学位论史 指数；r ，为第，行政单元某类土地资源1 午t 时段内生态背景质量变化率，当t 的 时段设定为年时，r ，的值就是该研究区某类土地资源生态背景质量年变化率。 ( 3 ) 土地利用程度变化模型 土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度，它不仅反映了土地利用中 土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素与自然环境因素的综合效应。根 据刘纪远先生等提出的土地利用程度的综合分析方法( 樊玉山，1 9 9 4 ) ，将土地 利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为