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基于ALOS遥感影像的黄土丘陵区典型流域景观制图及格局研究

作　者: 买凯乐
导　师: 张文辉
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 森林培育
关键词: 黄土丘陵区 ALOS影像土地利用合理度面向对象分类景观功能
分类号: S127
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以黄土高原丘陵沟壑区的典型小流域燕沟为研究对象,基于野外现地勾绘和基于遥感影像的方法制得燕沟土地景观图,研究了燕沟流域当前的景观格局、景观斑块多样性和异质性、景观功能类型、土地利用合理性和近20年的土地利用变化,确定了燕沟流域的景观格局特征和土地利用的特点及演变趋势,探索了基于面向对象分类方法在制取黄土高原小流域土地景观图的途径,提出了优化燕沟景观格局提高土地利用合理性的途径,为黄土高原水土流失区域植被景观优化配置提供了科学依据。主要研究结果如下:(1)燕沟流域当前的景观格局特征。流域景观斑块共2679块,斑块分维数为1.0855,表明该流域景观类型的形状简单,景观格局稳定。该区主要景观类型为灌丛和林地,分别约占流域面积的43%和19%。辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz)林地是流域内仅存的天然林地,分布于流域沟掌处。草地的平均斑块面积为0.0041km2,斑块数量众多,在流域景观破碎度上起着主要贡献。耕地和果园的斑块密度分别为51和25个/km~2,对流域景观的破碎化起到了缓冲作用。(2)燕沟流域的景观基质是生态防护型景观。生态防护型景观的斑块数为总斑块数的3/4,面积约占总流域面积的70%,生产经济型景观斑块在流域中零星镶嵌,斑块数约为生态防护型景观斑块的1/4,面积占流域面积的近1/3。生活服务型景观约占流域面积的3%。生态防护型景观、生产经济型景观和生活服务型景观的面积比约为23:9:1,其斑块平均周长分别约为663m、1028m和472 m。(3)燕沟流域土地利用整体合理。燕沟土地利用的整体合理度为0.76。局部区域的土地利用合理度情况为:阴坡为0.94,在各坡向中为最合理,半阴坡最不合理,为0.74。在海拔小于900时,土地利用合理度仅为0.02,在900～1000米时,为0.998,合理度最高。海拔大于900m时,土地利用合理度随着海拔的增加而逐渐降低。(4)燕沟流域景观近20年的显著变化特点是灌丛、林地和果园面积大幅度增加。燕沟的主要景观类型为灌丛和林地,并且主要分布在大于25°的坡面上,流域景观分维度为1.0855,表明景观格局稳定。20年来,林地和果园面积增加了近一倍,灌丛增加了约11%。荒坡沟草地面积减少,居民地面积增加了1%。燕沟流域治理初期(2000年)和治理后期(2007年)的主导景观均为灌丛,治理初期,分布在陡峭坡面(大于25°)的土地景观类型主要是封禁的荒坡地,而在治理的后期,则主要为灌丛和林地。(5)基于面向对象分类的方法能高效、高精度制取燕沟土地利用图,为适合该区的土地景观图制取方法。在所采用的土地景观图的制取方法中,基于面向对象分类方法制取的燕沟土地利用图的精度最高,为77.73%,Kappa值为0.7144;野外现地勾绘结果的精度为37.89%,Kappa值为0.1935;监督分类的精度为59.38%,Kappa值为0.4937;其中,目视解译方法较费时费力,所得流域景观斑块比较破碎。现地勾绘所得的土地景观类型多达24种,而其他几种分类方法所得的土地景观类型仅为灌丛、林地、草地、农田、果园、居住地和水体7类。(6)不同景观制图方法对三大景观功能类型斑块和面积比例的影响。监督分类结果的景观斑块总数为10,447,约为目视解译所得斑块总数(2679块)的4倍,远大于野外勾绘(920块)和基于面向对象分类(900块)结果的总斑块数。并且,几种分类方法所得的生态防护型、生产经济型和生活服务型三大景观的面积比例情况:野外现地勾绘,21:10:1;目视解译,23:9:1;监督分类,8:7:4.6;基于面向对象分类,23:13:1。(7)基于面向对象分类适地添加数字高程模型(DEM)和归一化植被指数(NDVI)辅助数据提高分类效果。这两种辅助数据可以增加地形和植对该区土地利用类型布局的影响,还增加了高分辨率全色立体影像在面向对象影像分割和分类中的比重,利用不同景观类型的分类阈值,并设置影像的分割尺度为150,颜色/形状比值为0.9/0.1,紧密度/平滑度比值为0.5/0.5时,分割效果就最好。(8)不同分类方法对燕沟土地景观图的面积扩展影响不同。基于面向对象分类方法和目视解译方法所得的各个土地景观类型面积分布近似。监督分类方法对灌丛、农田、居住地和水体所分布的面积较多。野外勾绘对于具有较大斑块的林地、果园和易于与农田混淆的草地分配了较多的面积。几种方法的空间面积扩展小于2%,并且都能将自然的土地利用类型分出,且灌丛为流域的主导景观。

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摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-29
  1.1 研究背景  13-15
    1.1.1 黄土高原优化景观防治水土流失  13
    1.1.2 黄土高原土地景观优化存在的主要问题  13-14
    1.1.3 黄土高原景观生态学应用研究  14-15
  1.2 研究现状  15-18
    1.2.1 景观生态学研究现状  15-16
    1.2.2 景观生态学在黄土高原的应用  16
    1.2.3 流域景观生态学研究  16-17
    1.2.4 景观格局分析的过程和方法  17-18
  1.3 景观生态研究中数据来源及处理方法  18-22
    1.3.1 景观格局研究中的数据来源  18-19
    1.3.2 野外现地勾绘  19
    1.3.3 遥感影像信息分类  19-22
  1.4 土地覆盖与土地利用的遥感制图  22-24
  1.5 研究的目的  24-25
  1.6 研究的内容  25-26
    1.6.1 野外现地勾绘燕沟土地覆盖/土地利用图  25
    1.6.2 目视解译燕沟的ALOS 遥感影像  25
    1.6.3 基于像素分类燕沟的ALOS 遥感影像  25
    1.6.4 基于面向对象分类燕沟的ALOS 遥感影像  25-26
    1.6.5 土地利用合理性评价  26
  1.7 研究的意义  26
  1.8 技术路线  26-29
第二章研究区、研究数据及分析指标  29-39
  2.1 研究区概况  29-34
    2.1.1 黄土丘陵沟壑区概况  29-30
    2.1.2 燕沟小流域概况  30-31
    2.1.3 燕沟小流域生态建设与植被恢复历史  31-34
  2.2 研究数据  34-36
    2.2.1 野外现地勾绘及样地数据收集  34
    2.2.2 遥感数据校正  34-35
    2.2.3 数字化地形图及数字高程模型建立  35-36
  2.3 景观格局和指数提取  36-37
  2.4 分类精度评价  37-39
第三章基于野外现地勾绘和ALOS 遥感影像的土地景观制图及参数分析  39-73
  3.1 基于野外现地勾绘的燕沟土地景观图及景观参数分析  39-47
    3.1.1 研究方法  40-41
    3.1.2 野外现地勾绘结果的精度评价  41-43
    3.1.3 基于野外现地勾绘结果的燕沟土地景观分析  43-46
    3.1.4 小论  46-47
  3.2 燕沟ALOS 遥感影像目视解译及景观参数分析  47-52
    3.2.1 ALOS 遥感影像的特征特点  47-48
    3.2.2 研究方法  48-49
    3.2.3 基于目视解译结果的燕沟流域景观景观分析  49-52
    3.2.4 小论  52
  3.3 基于像素的土地利用图制取及所得景观参数分析  52-59
    3.3.1 研究方法  53-54
    3.3.2 基于像素分类及结果输出  54-55
    3.3.3 基于像素分类结果的精度评价  55-56
    3.3.4 基于像素分类的土地景观分析  56-59
    3.3.5 小论  59
  3.4 基于面向对象的土地利用图制取及景观参数分析  59-71
    3.4.1 研究方法  59-64
    3.4.2 影像的基于面向对象分类  64-65
    3.4.3 精度评价  65-67
    3.4.4 基于面向对象分类结果的土地景观分析  67-69
    3.4.5 不同影像分类方法对土地景观图空间扩展的影响  69-71
    3.4.6 小论  71
  3.5 小结  71-73
第四章基于ALOS 影像及DEM 数据的燕沟景观时空分异分析  73-84
  4.1 燕沟景观空间分异  73-78
    4.1.1 研究方法  73-75
    4.1.2 结果  75-78
    4.1.3 小论  78
  4.2 燕沟流域近20 年土地景观的时间分异  78-83
    4.2.1 研究方法  78-79
    4.2.2 结果  79-82
    4.2.3 小论  82-83
  4.3 小结  83-84
第五章基于ALOS 影像及DEM 数据的燕沟土地利用合理性评价  84-99
  5.1 研究方法  84-85
  5.2 不同坡向的土地利用合理性评价  85-91
    5.2.1 坡向为0，平坡或凹地的土地利用合理性评价  85-86
    5.2.2 坡向为阴坡时，土地利用合理性评价  86-87
    5.2.3 坡向为半阴坡时，土地利用合理性评价  87-88
    5.2.4 坡向为半阳坡时，土地利用合理性评价  88-90
    5.2.5 坡向为阳坡时，土地利用合理性评价  90-91
  5.3 不同海拔上的土地利用合理性评价  91-97
    5.3.1 海拔小于900 米时，土地利用合理性评价  91-92
    5.3.2 海拔900～1000 米时，土地利用合理性评价  92
    5.3.3 海拔1000～1100 米时，土地利用合理性评价  92-94
    5.3.4 海拔1100～1200 米时，土地利用合理性评价  94-95
    5.3.5 海拔1200～1300 米时，土地利用合理性评价  95-96
    5.3.6 海拔1300～1410 米时，土地利用合理性评价  96-97
  5.4 小结  97-99
第六章结论与建议  99-102
  6.1 主要结论和创新点  99-100
    6.1.1 主要结论  99-100
    6.1.2 主要创新点  100
  6.2 建议  100-102
    6.2.1 提高三大景观功能类型的质量的建议  100-101
    6.2.2 提高土地利用合理性的建议  101
    6.2.3 提高黄土丘陵沟壑小流域土地利用图制取精度的建议  101-102
参考文献  102-114
致谢  114-115
作者简介  115

基于ALOS遥感影像的黄土丘陵区典型流域景观制图及格局研究

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