（生态学专业论文）基于遥感和gis的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究.pdf

摘要 摘要 土地利用土地覆被变化是全球环境变化研究中的核心内容。由于对了解土 地利用土地覆被变化过程的迫切需求以及不断更新的地表数据收集技术和空间 分析方法，使得土地利用土地覆被变化一直是研究者的兴趣中心所在。遥感和 地理信息系统的应用为l u c c 研究提供了有力的技术支撑，各类土地利用指数 模型方法在总结土地利用变化规律上发挥了重要作用，景观生态学理论的引入又 为l u c c 空间格局分析带来了了新的定量化手段。 本研究基于1 9 8 7 、1 9 9 1 、1 9 9 6 、2 0 0 2 年4 期l a n d s a tt m e t m + 影像数据， 利用r s 、g i s 技术及景观生态学原理对白洋淀地区土地利用土地覆被状况进行 了时空变化分析，结果表明： 1 ) 从1 9 8 7 至2 0 0 2 的1 5 间，白洋淀地区耕地面积减少了1 8 2 2 9k m 2 ，林地 面积增加了2 1 6k m 2 ，城镇用地面积增加了4 1 7 3k m 2 ，乡村用地面积增加了 9 3 5 8 k i n 2 ，水域面积增加了6 1 7 2k m 2 ，沼泽面积减少了3 6 9 4 k m 2 ，未利用土地 面积几乎没有变化。 2 ) 耕地是最重要的土地转出类型；林地与其它地类之间的转变也较多，其 中与耕地间的相互转变最为常见；城镇用地、乡村用地虽然有少量转出为耕地、 林地，但远不及其它地类转入的数量多；水域、沼泽受自然条件影响较大，二者 间的相互转变较为频繁；未利用土地由于面积非常小，其影响甚微。 3 ) 1 5 年来，耕地斑块数量增加，破碎化加大，被其它类型的斑块侵占严重； 林地斑块数量减少，破碎化加大：城镇用地斑块数量增加，破碎化不明显；乡村 用地、水域斑块数量减少，破碎化降低；沼泽、未利用土地斑块数量增加，破碎 化加大。空间分布显示，耕地、城镇用地、乡村用地、水域及沼泽向团聚状分布 趋势发展，林地、未利用土地向离散化趋势发展。 4 ) 整个景观斑块数量从1 9 8 5 年的3 1 4 5 个下降到2 0 0 2 年的2 9 3 0 个，平均 斑块面积增大，景观破碎化程度下降。平均最近邻体距离不断减小，景观中斑块 空间分布向团聚状发展。s h a n n o n 多样性指数、s h a n n o n 均匀度指数增加，各类 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 型斑块分布更为均匀，景观均衡化程度提高，土地利用更加优化合理。 关键词：白洋淀土地利用土地覆被变化遥感土地利用转移矩阵景观格局 a b s t r a c t s t u d yo nl a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g eo ft h er e g i o no fb a i y a n gl a k e b a s e do nr e m o t es e n s i n ga n dg i s m e i t i n gh o u ( e c o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f r e n z h a om a o a b s t r a c t u n d e r s t a n d i n gp r o c e s s e so fl a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g eh a sa l w a y sb e e na n i m p o r t a n tr e s e a r c hi n t h ef i e l do fg l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g e t h i sr e s e a r c hi s r e c e i v i n gr e n e w e di n t e r e s tt h a n k st oac o m b i n a t i o no fn e wd e m a n d sf o ru n d e r s t a n d i n g s u r f a c ep r o c e s sa n dt h em a t u r a t i o no ft e c h n o l o g i e su s e dt oc o l l e c ta n da n a l y z el a r g e a m o u n t so fs p a t i a l l ye x p l i c i td a t ao nt h el a n ds u r f a c e r e m o t es e n s i n ga n dg e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e ms u p p o r tr e s e a r c ho nl a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g e m a n ys o r t s o fl a n du s ei n d e xm o d e l sh a v eb e e nw i d e l ya d o p t e di nt h ea n a l y s i so fl u c c t h e i n t r o d u c t i o no fl a n d s c a p ee c o l o g yt h e o r yp r o v i d e sn e w q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fl a n d u s ep a t t e r n t h el a n du s ea n dl a n dc o v e rc h a n g eo ft h er e g i o no fb a i y a n gl a k ew a s i n v e s t i g a t e dt h r o u g hl a n du s ec l a s s i f i c a t i o no ff o u rs e t so fl a n d s a tt m e t mi m a g e s a c q u i r e di n19 8 7 ，19 91 ，19 9 6 ，2 0 0 2 ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sa r es h o w n a sf o l l o w s ： 1 ) d u r i n g19 8 7 - 2 0 0 2 ，t h ea r e ao fa r a b l el a n dd e c r e a s e d 18 2 2 9k m 2 ，m a r i s h 3 6 9 4 k m 2 ；w h i l et h ea r e ao ff o r e s ti n c r e a s e d2 1 6k m 2 ，c i t y4 1 7 3k m 2 ，v i l l a g e 9 3 58 k m 2 ，w a t e r61 7 2k m 2 t h ea r e ao fu n u s e dl a n dw a sh a r d l ya n yc h a n g e 2 ) t h ea r a b l el a n dw a st h em o s ti m p o r t a n to u t p u tt y p eo fl a n du s ec h a n g e t h e t r a n s i t i o n sb e t w e e nf o r e s ta n dt h ee l s et y p e sh a p p e n e du s u a l l y , e s p e c i a l l yb e t w e e n f o r e s ta n da r a b l el a n d t h em a i nt r a n s i t i o no c c u r r e db e t w e e na r a b l el a n dt ov i l l a g e ， a r a b l el a n dt oc i t y t h ea r e ao fw a t e ra n dm a r i s hw a sm a i n l yc o n t r o l l e db yp h y s i c a l g e o g r a p h i cc o n d i t i o n ( s u c ha sp r e c i p i t a t i o n ) ，i n t e r - t r a n s i t i o n s b e t w e e nw a t e ra n d m a r i s hw e r ef r e q u e n t t h ea r e ao fu n u s e dl a n dw a sn o ti m p r e s s e do nl u c cb e c a u s e o f a f e wa r e a 中国科学院硕j ：学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区十地利用土地覆被变化研究 3 ) d u r i n gt h ep a s t15y e a r s ，t h ep a t c hn u m b e ro fa r a b l el a n di n c r e a s e d ，t h e f r a g m e n t a t i o nd e g r e ee n h a n c e d t h ee l s et y p e so fp i n c hl a r g e l yi n v a d e dt h ep a t c ho f a r a b l el a n d t h ef o r e s tp a t c hn u m b e rd e c r e a s e d ，t h ef r a g m e n t a t i o nd e g r e ew e a k e n e d t h e c i t yp a t c hn u m b e ri n c r e a s e d ，t h ef r a g m e n t a t i o nd e g r e eh a dn oc h a n g e t h ep a t c h n u m b e ro fv i l l a g ea n dw a t e rd e c r e a s e d ，t h e i rf r a g m e n t a t i o nd e g r e ew e a k e n e d t h e p a t c hn u m b e ro fm a r i s ha n du n u s e dl a n di n c r e a s e d ，t h e i rf r a g m e n t a t i o nd e g r e e e n h a n c e d t h ea r a b l el a n d ，c i t y , v i l l a g e ，w a t e ra n dm a r i s hd i s t r i b u t e do nt h ec u r r e n to f c o n g r e g a t i o ns p a t i a l l y , w h i l ef o r e s ta n du n u s e dl a n dd i s t r i b u t e do nt h ec u r r e n to f d i s p e r s i o n 4 ) t h ep a t c hn u m b e rd e c r e a s e df r o m314 5t o2 9 3 0i nt h ew h o l el a n d s c a p ed u r i n g 19 8 7 2 0 0 2 t h em e a np a t c hs i z e ，s h a n n o nd i v e r s i t yi n d e xa n ds h a n n o ne v e n n e s s i n d e xi n c r e a s e d t h ed i s t r i b u t i o no f p a t c h e sg o tm o r eu n i f o r ms p a t i a l l y ，t h ed e g r e eo f e q u i p o i s ee n h a n c e di nt h el a n d s c a p e t h el a n du s ed e v e l o p e dt o w a r d st h eo p t i m i z e d c u r r e n ti nt h er e g i o no f b a i y a n gl a k e k e yw o r d s ： b a i y a n gl a k e l a n du s e l a n dc o v e rc h a n g er e m o t es e n s i n g l a n du s ec h a n g em a t r i x l a n d s c a p ep a a e m i v 图表清单 图表清单 图1 1 研究区域图 图1 2 技术路线图 图3 1 白洋淀地区t m 4 、5 、3 合成的自适应增强影像图 图3 2t m 图像分类散点图 图3 3 白洋淀地区土地利用分类图 图4 1 白洋淀地区土地利用动态变化图 图5 1 白洋淀地区各类型斑块数量 图5 2 白洋淀地区各类型斑块边界密度 图5 3 白洋淀地区各类型斑块平均最近邻体距离 图5 4 白洋淀地区各类型斑块散布与并列指数 图6 1 土地利用土地覆被变化研究中的不确定因素 表2 i 土地利用土地覆被变化的主要研究内容 表3 1t m 各波段参数 表3 2 白洋淀地区土地利用类型 表3 3 各土地利用类型t m 影像解译标志表 表3 4 各类别分离度( b h a t t a c h a r r y a 距离法) 表3 5 最大似然分类精度评价表 表4 1 不同年份白洋淀地区土地利用类型面积及其变化 表4 2 白洋淀地区土地利用年变化率 表4 3 土地利用程度分级赋值表 表4 4 土地利用程度变化评价表 表4 5 白洋淀地区土地利用转移矩阵 表4 6 白洋淀地区土地利用变化转移概率矩阵 表4 7 白洋淀地区土地利用的马尔柯夫过程预测值 表5 1 景观格局分析方法 表5 2 本研究所采用的景观指数 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 表5 3 白洋淀地区土地利用土地覆被格局景观指数( 斑块类型水平) 表5 4 白洋淀地区土地利用土地覆被格局景观指数( 景观水平) l i s to ff i g u r e sa n dt a b l e s l i s to ff i g ur e sa n dt a b l e s f i g 1 1 l o c a t i o nm a po f t h es t u d ya r e a f i g 1 2 t h ec h a r to ft e c h n i c a la p p r o a c ho ft h es t u d y f i g 3 1 t h ea d a p t i v ee n h a n c e di m a g e sc o m b i n e dw i t ht m 4 ，5 ，3i nt h er e g i o no f b a i y a n gl a k e f i g 3 2 t h es c a t t e rp l o to nt h ec l a s s i f i e dt mi m a g e f i g 3 3 t h el a n du s ec l a s s i f i c a t i o nr e s u l ti nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e f i g 4 1 d i s t r i b u t i o no fv a r i e t yo fl a n du s ei nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e f i g 5 1 a l lt y p e so fp a t c h e s n u m b e ri n t h er e g i o no fb a i y a n gl a k e f i g 5 2 a l lt y p e so fp a t c h e s e di n t h er e g i o no fb a i y a n gl a k e f i g 5 3 a l lt y p e s so f p a t c h e s m n n i nt h er e g i o no f b a i y a n gl a k e f i g 5 4 a l lt y p e so fp a t c h e s i l li nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e f i g 6 1 t h eu n c e r t a i nc i t e so fl u c c t a b l e2 1m a i na c t i v i t i e so fl u c c t a b l e3 1t h ep a r a m e t e r so ft mb a n d s t a b l e3 2l a n du s et y p e si nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e t a b l e3 3t h ei n t e r p r e t i n gs y s t e mo nt m i m a g eo fl a n du s et y p e s t a b l e3 4s e p a r a b i l i t y ( m e a s u r e db yb h a t t a c h a r r y ad i s t a n c e ) t a b l e3 5a c c u r a c ya s s e s s m e n tb a s e do nm a x i m u ml i k e l i h o o dm e t h o d t a b l e4 1t h ea r e ao fc l a s s i f i e dl a n du s ec h a n g ei nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e t a b l e4 2t h ec h a n g er a t eo fl a n du s ei nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e t a b l e4 3l a n dr e s o u r c e su s et y p e sa n dg r a d e st a b l e t a b l e4 4t h ee v a l u a t i o no fl a n du s ed e g r e ec h a n g e t a b l e4 5t h el a n du s ec h a n g em a t r i xi nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e t a b l e4 6t h em a t r i xo fs h i f tp r o b a b i l i t yo fl a n du s ei nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e t a b l e4 7t h ep r e d i c t i v ev a l u eo fl a n du s ew i t hm a r k o vm o d e li nt h er e g i o no f b a i y a n gl a k e i x 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 t a b l e5 1t h ea n a l y s i sm e t h o d so nt h el a n d s c a p ep a t t e m t a b l e5 2t h el a n d s c a p ei n d i c e su s e db yt h es t u d y t a b l e5 3i n d i c e so fl u c ca n a l y s i si nt h er e g i o no f b a i y a n gl a k e ( c l a s s l e v e l ) t a b l e5 4i n d i c e so fl u c ca n a l y s i si nt h er e g i o no fb a i y a n gl a k e ( 1 a n d s c a p e l e v e l ) x 1 引言 1 引言 1 1 选题依据 土地利用土地覆被变化( l a n du s e l a n dc o v e rc h a n g e ，简称 l u c c ) 在全球环境变化和可持续发展中占有重要的地位【l 】。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1 9 9 5 年联合提出了 “土地利用土地覆被变化( l u c c ) ”研究 2 】，已经成为目前全球变化研究的热 点课题，是全球变化研究者的兴趣中心所在。 土地利用是指人类有目的地开发利用土地资源的一切活动，如农业用地、工 业用地、交通用地、居住用地等都是土地利用的概念；而土地覆被则是指地表自 然形成的或者人为引起的覆被状况，包括各类作物、森林、水域、草地、建筑及 沥青路面等则为土地覆被的概念。土地利用与土地覆被有着密切的关系，可理解 成事物的两个方面，其中一个是发生在地球表面的过程，另一个则是各种地表过 程( 包括土地利用) 的产物。无论是在全球的尺度还是区域的尺度上，土地利用 i - 地覆被变化都在改变着地球陆地表面生态系统的分布格局，从而对气候、土 壤、植被、水资源及生物多样性等产生重要影响【3 】。l u c c 作为人类活动对全球 变化驱动的重要组成部分以及区域响应机制，越来越成为自然科学和人文科学的 交叉研究领域h j 。 全球环境变化包括两个层次的变化”】：系统性的变化和累积性的变化。前 者指真正全球意义上的变化，如气候波动和碳循环等；后者指区域性的变化，但 其累积效果影响到全球性的环境现象，如植被破坏、生物多样性的损失及土壤侵 蚀等。土地利用土地覆被变化对全球变化的影响主要是通过累积方式发生作用 的。小范围的土地利用变化对于整个地球系统的影响似乎可以忽略不计，然而， 这种变化在时间和空间上不断重复出现将通过累积效应达到对全球的影响【6 j 。人 类通过对土地等自然资源的开发和利用，改变了地球陆地表面的覆盖状况，对区 域水循环、环境质量及生态系统生产力产生的影响是持久而深刻的，但反过来， 对环境和生态的重建是非常困难的。土地利用覆被变化不仅客观记录了人类改变 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 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【”。 目前，国际上对土地利用土地覆被变化的研究方兴未艾。众多的国家政府 机构、科研部门与社会团体均在关注着发生在其周围的土地利用与土地覆被变 化。在我国，由于巨大的人口基数、相对有限的土地特别是耕地资源，以及急待 发展的经济与人民生活水平的提高等特殊的国情，土地利用土地覆被变化的研 究应该说具有更为突出的现实意义，它广泛涉及到全国与各地区资源的有效开发 利用与合理保护、生态环境的保护与治理、耕地保护与食物安全、社会经济的可 持续发展等一系列重大问题，从而对我n 2 1 世纪的发展具有关键性的影响【8 】。 以往研究多局限于小比例尺大区域土地利用土地覆被的宏观变化4 1 ，而 大比例尺的小区域相对较少，这使土地利用覆被变化累积过程的研究显得精度 不够，不能很好反映土地利用覆被的微观动态变化特征。本文选取白洋淀及其周 边地区( 文中简称白洋淀地区) 为研究区域，试图在小尺度上揭示土地利用土 地覆被变化规律，分析区域内景观格局的动态变化，获取对区域生态过程评价有 重要价值的景观生态学指标，为白洋淀地区生态安全提供科学依据。 1 2 研究区概况及研究目的 1 2 1 研究区概况 白洋淀地区包括白洋淀水域及其周边的4 县1 市( 图1 1 ) ，分别为河北省安 新县、高阳县、雄县、容城县和任丘市，总土地面积为3 0 7 0k m 2 。其中白洋淀水 域的8 5 位于安新县境内。该地区属于太行山山麓的海河流域洪积冲积低洼平 原，海拔高度在6m - - 3 0m 之间，气候属于暖温带半干旱气候，四季分明，光热 资源充足，年平均气温1 1 4 。c - - 1 2 4 。c ，光照时数2 2 8 0h - - 2 7 6 4h ，多年平均降水 量5 0 0m m , 5 5 4i l l l t i ，降水分布不均，8 0 集中在7 、8 、9 月3 个月。土壤以潮土 和盐化潮土为主，农作物有小麦、玉米、水稻、棉花、豆类和蔬菜等，白洋淀水 域以芦苇为主。 白洋淀属于海河流域的大清河水系，是华北地区最大的内陆淡水湖泊。古白 洋淀的形成始于第三纪晚期，成于第四纪，是河北平原北部古湖盆地的一部分， 古黄河故道和源于太行山的古河系在山前形成冲积扇群，扇与扇之间的低洼处沥 水停积，形成淀泊。黄河改道之后，海河流域的潴龙河、孝义河、唐河、清水河、 2 引言 府河、漕河、瀑河、萍河、白沟引渠注入淀中，形成现在的白洋淀，史称“九河 入梢”；下游湖水，则经淀东的赵北口枣林庄闸口东流，与海河相通。在干旱少 雨且水资源严重匮乏的华北地区，白洋淀不仅承担着维持生态平衡以及泄洪蓄洪 的重要功能，并且对减轻气候干燥、调节降水、补充地下水等起着重要作用。因 此，白洋淀一直享有“华北明珠”和“华北之肾”的美誉。但自2 0 世纪8 0 年代以 来，漕河、孝义河、瀑河仅部分季节有水，潴龙河、唐河、清水河、萍河长期断 流，府河成为保定市排放生活和工业污水的主要渠道，导致白洋淀水生态环境严 重破坏。目前，白洋淀水量主要依靠上游的西大洋水库、王快水库、安格庄水库 及海河流域南运河水系漳河出口处的岳城水库等各大水库调水来维持。 削1 1 研究区域图 f i g1 1l o c a t i o n m a po f ms m d ya r e a 1 2 2 研究目的 以白洋淀地区为研究区域，通过分析该地区土地利用土地覆技空间格局的 变化特点，以期深入理解该地区的生态过程，并最终服务于该地区的生态环境建 设及社会和经济的可持续发展。其目标主要有以下几方面： ( 1 ) 获取1 9 8 7 、1 9 9 1 、1 9 9 6 、2 0 0 2 年4 期土地利用图 ( 2 ) 分析研究区土地利用土地覆被时空变化规律 ( 3 ) 探讨研究区土地利用土地覆被景观格局变化趋势 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 1 3 技术路线 遥感与地理信息系统技术是开展土地利用变化研究最重要的技术手段。本研 究主要以陆地卫星遥感影像( l a n d s a tt m e t m + ) 为数据源，在p c ig e o m a t i c a 8 2 支持下通过解译得到土地利用图，并利用a r c g i s 8 3 进行空间分析，得出土地利 用时空变化特征。然后，通过马尔柯夫模型预测未来土地利用演变趋势。在此基 础上，运用a r c v i e w 的扩展模块p a t c ha n a l y s t q b 的f r a g s t a t s 进行景观生态学分析， 具体技术路线如图1 2 所示。 l 遥感影像地形图 几何纠正及配准研究区边界图 研究区遥感影像图最大似然法 上 土地利用分类图 上j 土地利用空间叠加分析 土地利用景观格局分析 上千t i 土地利用变化转移矩阵m a r k o v 模型斑块类型水平 景观水平 未来土地利用趋势 图1 2 技术路线图 f i g 1 2 t h ec h a r to f t e c h n i c a la p p r o a c ho ft h es t u d y 4 2 土地利用土地覆被变化研究综述 2 土地利用土地覆被变化研究综述 2 1 土地利用土地覆被变化研究的目标与主题 2 1 1 土地利用土地覆被变化的研究目标 土地利用土地覆被变化是全球变化研究的重要课题。从大的方面而言，土 地利用土地覆被变化研究在于更好地理解不同时间与空间尺度上土地利用与 土地覆被的相互作用及其变化，包括土地利用与土地覆被变化的过程、机理及 其对人类社会经济与生态环境所产生的一系列影响，为全球、国家或区域的可 持续发展提供决策依据。基于区域和地方尺度上的典型研究为土地利用土地覆 被变化的综合研究提供了丰富的区域信息，也是参与全球环境变化研究的具体 途径i ”j 。 】9 9 5 年，i g b p 和i h d p 共同制定了土地利用土地覆被变化科学研究计划， 并提出了三个重点研究目标：土地利用的变化机制。通过区域性个例的比较 研究，分析影响土地使用者或管理者改变土地利用和管理方式的自然和社会经济 方面的主要驱动因子，建立区域性的土地利用土地覆被变化经验模型；土地 覆被的变化机制。主要通过遥感图像分析，了解过去2 0 年内土地覆被的空间变化 过程，并将其与驱动因子联系起来，建立解释土地覆被时空变化和推断未来1 0 n 2 0 年的土地覆被变化的经验性诊断模型；区域和全球模型。建立宏观尺度 的，包括与土地利用有关的各经济部门在内的土地利用土地覆被变化动态模型， 根据驱动因子的变化来推断土地覆被未来( 5 0 至1 0 0 年) 的变化趋势，为制定相 应对策和全球环境变化研究服务。其中，土地利用土地覆被变化的机制对解释 土地覆被的时空变化和建立土地利用土地覆被变化的预测模型起到关键作用， 是整个全球性环境变化研究计划对土地利用土地覆被项目的要求，因而也是研 究的焦点问题。 i g b p 和i h d p 的“土地利用与土地覆被变化研究”实施战略( 1 9 9 9 ) 进一步指 出【16 】：土地利用与土地覆盖变化研究应具体回答如下与人类的生存与发展密切相 关的问题： ( 1 ) 近3 0 0 年来土地覆被是如何受人类的影响而发生变化的? ( 2 ) 在不同的地区与不同的历史时期内土地覆被的变化主要受哪些人为因素 的影响? ( 3 ) 在近5 0 1 0 0 年来土地利用的变化是怎样影响到土地覆被及其变化的? ( 4 ) 对于某一特定的土地利用类型来说，近期内有哪些人为因素或者自然环 境要素的变化影响到土地利用的可持续性? ( 5 ) 气候与地球生物化学圈层的变化是怎样影响到土地利用与土地覆被及其 变化的? ( 6 ) 土地利用与土地覆被的变化又是怎样反过来影响着人类的行为的? 土地 覆被的变化如何导致或者加剧了某些特定区域的脆弱性? 从中可见，要回答第一、二、三与第五个问题，则必须进行土地利用土地 覆被变化的预测，并探讨土地利用土地覆被变化与全球变化的相互作用关系。 而第四、第六个问题则涉及到土地利用土地覆被变化与人类自身的密切关系， 与当今人类所面临的系列有关可持续发展的问题密切相关。 2 1 2 土地利用土地覆被变化的主要研究内容 土地利用土地覆被变化研究所涉及的范围十分广泛，包括自然、经济与社 会整个系统；包括人类社会发展的过去、现在与将来整个过程；包括从大的地 球生物圈层，到一个国家、地区，再到某个农户或者土地利用行为者等各个规 模等级。如此广泛的内容不可能一一列举。但是，土地利用土地覆被变化研究 要试图回答上述的有关问题，至少应开展如下几个方面的研究1 1 6 】： ( 1 ) 土地利用土地覆被变化的类型分析； ( 2 ) 土地利用土地覆被变化的过程研究； ( 3 ) 探讨人类对土地利用土地覆被变化的反应； ( 4 ) 建立综合的全球性或区域性的变化模型，探讨不同空间尺度上土地利用 土地覆被变化的动力学机制； ( 5 ) 开展有关土地表层、生物过程及其动力机制方面的数据库建设。 综观目前国际上有关土地利用土地覆被变化研究，其内容可以大致地归纳 为三个核心( 表2 1 ) ，即土地利用的动力机制、土地覆被的变化、土地利用土 地覆被变化的区域与全球模型。 6 2 土地利用土地覆被变化研究综述 表2 1 土地利用土地覆被变化的主要研究内容 t a b l e2 1m a i na c t i v i t i e so fl u c c 2 2 土地利用土地覆被变化研究进展 自l u c c 项目开展以来，国际学术界对土地利用土地覆被变化的认识已 有了长足发展【l7 | 。从过去仅关注土地覆被转换，到现在也关注土地覆被退化和 土地覆被改良；从过去多关注热带雨林类型，到现在关注所有的土地覆被类型， 包括草地、疏林、城郊和湿地等：从过去认为变化历史简单，到现在认识到变 化受几千年人类的复杂活动影响；从过去根据同质空间来研究，到现在认识到 空间具有高度异质性，景观破坏随处可见：从过去多归因于人口增长，到现在 也归因到人们对经济环境和政策变化的影响，并伴随生物一自然和社会一经济 的突发事件；从过去多认为变化是地方性的，到现在认识到变化可受远处城市 中心的影响，随强烈的本土化和全球化相互作用而被全球化增强或削弱；从过 去多归因于农业的发展，到现在认识到土地利用的集约化和多样化；从过去多 关注碳循环的影响，到现在也关注对人类健康、生物多样性、日照反射率、水 循环、碳排放、甲烷排放、氮氧化合物排放等的影响；从过去认为影响取决于 生物一自然变化的程度，到现在认识到这种影响更取决于人类自身；从过去所 关注的地区不集中，到现在聚焦于变化的热点地区等。 土地利用土地覆被变化的研究主要体现在四个方面，即：土地利用土地 覆被变化的动态监测研究；土地利用土地覆被变化的驱动力与驱动机制研究； 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 土地利用土地覆被变化的效应与作用机制研究；土地利用土地覆被变化的 模型模拟与土地可持续利用研究。总体上看，四个部分中，土地利用与覆被变化 的状况及其驱动力的研究开展较早，成果也比较丰富；随着土地利用土地覆被 变化研究重点的转移，土地利用土地覆被变化的效应研究工作在近期得到了更 多的关注和重视；而在模型研究方面，一直有学者在进行尝试，但少有突破性成 果，这除了普适模型构建和可持续性研究本身的难度外，还受制于前述三个方面 研究的成效与进展【1 8 】。 2 2 1l u c c 的动态监测研究进展 土地利用土地覆被变化的动态监测研究是l u c c 研究开展较早的领域，最 初的土地利用覆被变化监测研究主要集中于土地利用覆被类型的人工调查、分 类与制图【1 9 】。土地利用与土地覆被状况的研究中，基本数据的获取是关键。早期 反映l u c c 情况的基本数据都是从历史调查和统计资料中获取的，有时结合有关 的地形图、土地利用图等，也有利用航空相片资料来取得有关数据。 随着多种卫星对地观测的出现和计算机技术的飞速发展，2 0 世纪7 0 年代开始 较大地理区域内的土地覆被详查和制图也便成为可能：8 0 年代以后，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，并取得了有效成果；9 0 年代卫星 遥感和地理信息系统技术在全球和区域尺度上的土地利用土地覆被变化研究中 得到了广泛应用【2 0 之3 1 ，高分辨率的遥感影像( 女 i l a n d s a tt n u e t m 、s p o t ) 成为 土地覆被研究的主要数据来源。同时，在如何更好地利用3 s 技术反映l u c c 的当 前和历史状况，诸多学者进行了大量的相关研究2 4 乏6 】。此外，由于土地利用变化 不仅表现在数量和质量方面的变化，也表现为空间格局的变化，因此，随着研究 的不断深入，l u c c 状况研究逐渐从简单的现状研究转向空间格局的分析。张惠 远等认为，空间格局及其变化是土地利用变化等研究的重要方面【2 7 】；刘湘南等进 一步指出，准确地描述土地利用空间格局及其变化是土地利用变化研究领域的一 个关键问题【z 引。 2 2 2l u c c 驱动力与驱动机制研究进展 摆万奇等指出 2 9 】，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，其中，气候、土壤、水分等被认为是自然系统中主要的驱动 力类型；m o s e r 3 0 】还把影响土地利用变化的社会经济因素分为间接因素和直接因 2 土地利用土地覆被变化研究综述 素。在区域l u c c 主要驱动力比较方面，目前较为一致的意见是：自然因素在很 大程度上决定了高原、山地等自然条件复杂地区的土地利用状况，而经济发展、 人口增长及政策等是影响人类扰动强烈、开发历史悠久而较少受自然条件约束地 区的主要因素。 土地利用土地覆被变化动力机制研究在于揭示土地利用和土地覆被变化的 原因、内部机制和基本过程，预测其未来变化发展的趋势与结果；由于多因素性 和复杂性，对于驱动机制常常采取的是“黑箱式”的研究方法，即一般只是在对 驱动力的分析基础上，通过解释和描述来分析驱动机制，真正针对驱动机制进行 研究的并不多；因此，实际研究中l u c c 驱动力与驱动机制常放在一起进行，并 且着重于驱动力的研究。土地利用土地覆被变化动力机制的研究其主要途径是 对某一区域的动力因子进行分析 3 1 , 3 2 】，研究l u c c 机制，不仅要确定驱动因子， 还要分析各驱动因子与l u c c 之间的相互关系、度量各驱动因子对l u c c 作用的 程度【3 3 1 。由于问题的复杂性，对土地利用变化驱动力必须有综合的认识【3 4 1 ，必 须充分考虑不同时空尺度条件下土地利用土地覆被发生变化的差异性，通过土 地利用土地覆被的结构、功能及与之联系的物质、能量变化的研究，揭示土地 利用土地覆被变化的过程、内在动力的演变趋势【3 5 1 。 2 2 3l u c c 的作用机制及其效应研究进展 由于土地利用土地覆被变化影响着能量交换、水分循环、土壤侵蚀与堆积、 作物生产等陆地主要生态过程的结构和功能，对土壤、气候、水文、生物地球化 学循环以及生物多样性等诸多自然要素产生重大影响，导致的土地性质与功能的 变化及其所引起的生态环境变化等，并最终造成生态系统和生态环境的变化 【3 “o 】；研究这期间所发生的变化过程、机理和变化的结果，是l u c c 的作用机制 及其效应研究的主要内容。一般来说，机理和过程研究常着重于某一自然要素， 尤其是水、土和气候等要素的研究；而效应研究除了针对某个自然要素的研究外， 通常针对研究区自然生态系统的变化和响应进行研究和评价。 研究内容上，由于土壤是土地利用与覆被变化研究的核心要素，因此对 l u c c 所引起的某些自然要素的变化方面的研究多集中在对土壤的影响研究上， 土地利用与覆被变化的土壤效应是l u c c 效应研究中的重要内容。如p e t e r j o h n 等 【4 1 1 研究了土地利用变化对土壤n 、p 、c 流失的影响；傅伯杰等【4 2 , 4 3 】、巩杰等 9 中国科学院硕士学位论文侯美亭：基于遥感和g i s 的白洋淀地区土地利用土地覆被变化研究 研究了黄土丘陵地区、河北低山丘陵区土地利用土地覆被变化对土壤养分、水 分的影响；秦明周等【4 5 j 运用修改的内梅罗公式评价不同土地利用方式及其变化下 的土壤总体质量情况：j e n n i f e rs p o w e r s 4 6 】研究了哥斯达黎加东北地区土地利用 变化对土壤碳、氮含量的影响，发现森林向香蕉园、牧场向耕地的转变都导致了 碳、氮含量的下降，施肥也没有改变耕地氮含量下降的结果。 在l u c c 对生态过程的影响研究上，美国生态学会提出，通过理解土地变化 如何改变生态过程来确定土地利用变化的生态后果【4 7 】。在区域土地利用变化的环 境效应研究方面，李锐等【4 8 】以黄土高原为重点对植被变化及其引起的土地利用变 化的环境影响的有关研究进行了比较系统的阐述；但在土地利用土地覆被变化 对全球变化影响的研究上，还缺乏对区域生态环境和生态过程方面的研究1 4 9 1 。 l u c c 效应另一个重要方面是研究土地利用与覆被变化对生态系统的影响，目前 一大趋势是联系人类活动的影响研究生态系统评价5 0 , 5 1 】，以及生态系统的健康指 标分析 5 2 , 5 3 j 。 2 2 4l u c c 模型与预测研究进展 通过l u c c 的状况、l u c c 驱动力与驱动机制以及l u c c 的作用机制及其 效应的研究，最终建立l u c c 研究模型并寻求土地可持续利用的对策是l u c c 研究的一个重要环节。建立l u c c 模型的作用和目的可以概括为对土地利用和 覆被变化情况的描述、解释、预测，并为制订政策提供科学依据1 5 4 | 。 土地利用动态变化模型研究是模型模拟研究的一个重要方向，是研究土地 利用变化过程、土地利用变化程度及未来发展变化趋势的主要手段。土地利用 动态变化模型大致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、土地利用变化区域差异模型、土地需求量预测模型与土地利用变化驱动力 模型等【5 引。刘纪远在研究中国土地利用现代过程时空特征时提出了土地利用动 态度模型来描述各土地利用类型的数量变化，并在对土地资源各参数背景值研 究的基础上，提出了土地资源生态环境质量指数和土地资源质