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基于GIS的黄土高原南部土地景观动态及优化

作　者: 郭斌
导　师: 任志远
学　校: 陕西师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 黄土高原南部 土地景观格局动态 尺度响应 多源数据融合 土地优化
分类号: P901
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


目前土地利用与土地覆盖动态研究成为国内外研究的热点问题,以土地利用/土地覆盖变化(land use/land cover change,LUCC)为切入点,利用历史时期的土地利用状况预测将来时期的土地利用情况,并按照因地制宜原则进行土地类型数量和空间分布优化成为土地科学的难点问题之一。黄土高原南部地区地形地貌较复杂,土地景观类型丰富多样,与黄土高原其余地区相比,南部区内城市密集,人口稠密,产业集聚。不合理的土地利用方式使土地生态系统面临巨大压力,社会经济发展中土地利用程度不够集约、还存在牺牲生态环境效益获取经济效益的情况,使得区内人地矛盾愈加突出。进行土地景观格局动态及优化研究,对本区土地资源集约合理利用具有重要理论与实践价值。本文以黄土高原南部为研究区,通过野外实地调查,利用遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统技术手段,应用数学模型、空间统计分析等方法,在LUCC理论、景观生态学理论、土地优化配置理论、空间分析理论、数理统计等理论支持下,对黄土高原南部土地景观进行动态分析与优化。本文的主要研究内容有：(1)遥感影像的预处理、分类与解译、按照不同尺度进行土地利用变化时空动态分析；(2)利用GIS空间分析技术开展尺度响应及尺度选择研究,按照最佳尺度进行景观格局时空动态分析；(3)利用矢量栅格一体化数据模型构建土地景观格局与影响因素数据库,确定土地景观格局与影响因素间的定量关系；(4)进行土地景观格局预测；(5)构建土地景观格局优化模型(LSOM, landscape optimization model),通过编程在MATLAB中实现LOSM模型,得到黄土高原南部土地景观格局的数量优化方案及空间优化分布图。通过研究得到以下主要结论：(1)1980-2005年间黄土高原南部地区建设用地面积由3555.99 Km2增加到4794.28 Km2,耕地面积由1980年的100004.79 Km2减少至2005年的98561.57 Km2；土地利用结构基本保持稳定,耕地、草地、林地是黄土高原南部地区主要的土地景观类型；不同的省域单元和土地利用区划单元内,土地利用类型变化重要值各不相同,说明各地由于不同的自然因素和人文因素影响,土地利用类型转化存在明显的区域差异。(2)通过对类型水平上与景观水平上的粒度响应研究发现,类型水平上的景观指数粒度响应比景观水平上强烈；表征斑块破碎度、斑块形状、斑块聚集程度、斑块连接程度的指数的粒度响应较明显；且表现出明显的“临界阂值”粒度现象,150米与600米是多种景观指数随粒度变化发生明显变化的粒度,选取150米与600米为黄土高原南部地区景观格局特征的“临界阂值”粒度。选取临界阈值粒度及以下的任一粒度时,不会对研究结果产生质的影响,本文一并考虑粒度对研究精度和数据处理量的影响,决定选择150米为幅度响应分析、景观格局动态的最佳粒度,这样既能保证数据分析质量,又不至于使粒度太小而增加空间分析中的数据量与工作量,并且这样做也很好的规避了粒度响应对景观格局分析结果的影响。(3)类型水平上景观格局时空动态结果显示,1980-2005年间林地、建设用地和水域斑块密度指数逐年上升,未利用地斑块密度指数逐年降低,草地与耕地的斑块密度指数先降低后升高。林地、草地、建设用地和水域斑块面积百分比逐年上升,未利用地和耕地斑块面积百分比逐年降低。水域、未利用地、林地、草地平均分维数较高,建设用地与耕地平均分维数较低。林地、建设用地、未利用地平均分维数逐年上升,耕地平均分维数先降低后升高。耕地、林地、草地凝聚度指数较高,建设用地的凝聚度指数最低,水域和未利用地凝聚度指数也较高。景观水平上景观格局时空动态结果显示,斑块密度指数从0.3049增加到0.31,说明黄土高原南部土地景观的破碎度增大；平均分维数指数从1.0695降低到1.0693,说明黄土高原南部土地景观的形状趋于简单化,证明人类活动对黄土高原南部的扰动增多；凝聚度指数99.8004降低到99.7036,说明黄土高原南部土地景观的物理连接性降低；辛农多样性指数增大,说明黄土高原南部土地景观的破碎度增大,各土地景观类型趋于均衡化分布。(4)利用矢量栅格一体化数据模型构建黄土高原南部土地景观格局与影响数据库后发现,采用矢栅一体化数据模型可以实现多源数据融合,人口数据、GDP数据、其他社会经济数据可以与空间数据实现较满意的融合。(5)景观格局空间自相关显示,黄土高原南部地区土地景观格局间存在空间相关性,各土地景观格局的空间相关性随着距离权重的变化而变化。(6)采用经典回归模型和空间回归模型进行土地景观格局与影响因素关系定量分析结果表明,在考虑了空间相关性基础上建立的空间回归模型模拟精度优于经典回归模型,影响因素中与土地景观格局相关性较低的因子被剔除；各土地景观的影响因素互不相同。(7)土地景观格局预测模拟结果显示,在将来的20年中,黄土高原南部地区土地景观格局仍会发生较大变化,建设用地面积在原有的位置上继续扩张,仍主要分布在关中盆地、汾河谷地等平原地区,扩张形式是原有的斑块状分布进一步连接成片状、面状的分布。(8) LOSM模型在土地适宜性、土地景观空间分布相容性,自然因素与社会因素对土地资源的数量约束、生态优先规则约束下,确保土地景观在数量结构上和空间布局上达到优化。经LOSM模型优化调控后,黄土高原南部地区林地、草地、水域和建设用地的面积有不同程度的增加,耕地和未利用地的面积有所减少。建设用地面积增加了11095.98KM2,林地面积增加了14261.21KM2,草地面积增加了10673.27KM2,水域面积增加了1492.35KM2,耕地面积减少了37503.57KM2。本文在以下方面有所创新和改进：(1)在不同时空尺度上对黄土高原南部地区进行土地利用与景观格局时空动态分析。(2)利用GIS空间分析技术开展黄土高原南部地区尺度响应分析与最佳尺度选择研究。(3)采用矢量栅格一体化模型构建黄土高原南部地区景观格局与影响因素数据库,尝试性的探索黄土高原南部社会经济统计数据与空间数据的融合,在此基础上尝试性的进行景观格局与影响因素的定量关系研究。(4)构建LOSM模型,初步实现黄土高原南部土地景观格局数量结构优化与空间分布优化。

全文目录


摘要  3-6
Abstract  6-14
第1章 绪论  14-30
  1 研究背景及意义  14-17
    1.1 研究背景  14-15
    1.2 研究意义  15-17
  2 研究进展与问题  17-26
    2.1 LUCC进展及存在问题  17-23
    2.2 景观生态学进展及问题  23-24
    2.3 土地景观格局优化进展及问题  24-26
  3 研究内容与方法  26-29
    3.1 研究内容  26-27
      3.1.1 土地利用变化特征研究  26
      3.1.2 尺度效应和尺度选择研究  26
      3.1.3 景观格局动态变化分析  26
      3.1.4 景观格局影响因子分析  26
      3.1.5 土地景观格局适宜性评价及预测  26-27
      3.1.6 土地景观格局优化  27
    3.2 研究方法与技术路线  27-29
  4 拟解决关键问题  29-30
    4.1 拟解决关键问题  29
    4.2 拟创新点  29-30
第2章 研究区范围与概况  30-47
  1. 黄土高原自然地理概况  31-39
    1.1 地形地貌  31-33
    1.2 气候  33-37
    1.3 土壤  37-38
    1.4 植被  38-39
  2. 黄土高原南部范围界定  39-41
  3. 研究区社会经济概况  41-43
    3.1 人口  41-42
    3.2 经济  42-43
  4. 野外考察路线  43-47
第3章 土地利用时空动态分析  47-76
  1. 遥感影像预处理  50-53
    1.1 数据源与技术平台  50-51
      1.1.1 数据源  50
      1.1.2 技术平台  50-51
    1.2 数据预处理  51-53
  2 遥感影像解译分类  53-58
    2.1 土地利用分类系统与解译标志  53-54
    2.2 影像分类及分类精度评价  54-55
    2.3 土地利用图制作  55-58
  3 土地利用时空动态分析  58-76
    3.1 研究区土地利用时空动态分析  58-62
      3.1.1 土地利用类型数量变化  58-59
      3.1.2 土地利用类型空间变化  59-62
    3.2 不同地域单元的土地利用时空动态分析  62-76
      3.2.1 土地利用时空动态模型  62-64
      3.2.2 基于省域单元的土地利用时空动态  64-69
      3.2.3 基于土地利用区划单元的土地利用时空动态  69-76
第4章 景观格局时空动态分析  76-106
  1. 景观格局指数选择  77-79
  2. 尺度响应及尺度选择  79-99
    2.1 粒度响应  79-89
      2.1.1 粒度响应分析流程  79
      2.1.2 粒度响应分析方法  79-80
      2.1.3 类型水平上的粒度响应分析结果  80-85
      2.1.4 景观水平上的粒度响应分析结果  85-89
    2.2 尺度选择  89
    2.3 幅度响应  89-99
      2.3.1 幅度响应分析流程  89-90
      2.3.2 幅度响应分析方法  90-91
      2.3.3 类型水平上的幅度响应  91-96
      2.3.4 景观水平上的幅度响应分析结果  96-99
  3. 景观格局时空动态分析  99-106
    3.1 类型水平上景观格局时空动态分析  99-103
    3.2 景观水平上景观格局时空动态分析  103-106
第5章 景观格局与影响因素关系定量分析  106-139
  1. 景观格局与影响因素数据库  108-120
    1.1 景观格局数据库  108-109
    1.2 影响因素数据库  109-119
      1.2.1 影响因素的选择  109-110
      1.2.2 影响因素的可视化表达  110-119
    1.3 景观格局与影响因素数据库的建立  119-120
  2. 空间自相关分析  120-126
    2.1 全局空间自相关指数  120
    2.2 空间权重矩阵  120-122
    2.3 空间自相关分析  122-126
  3. 景观格局与影响因素回归分析  126-139
    3.1 经典线性回归  126-127
    3.2 空间回归模型  127-128
    3.3 土地景观及影响因素回归分析结果  128-139
      3.3.1 耕地景观与影响因素回归分析结果  128-130
      3.3.2 草地景观及影响因素空间回归分析  130-131
      3.3.3 林地景观及影响因素空间回归分析  131-133
      3.3.4 建设用地景观及影响因素空间回归分析  133-135
      3.3.5 水域景观及影响因素空间回归分析  135-136
      3.3.6 未利用地景观及影响因素空间回归分析  136-139
第6章. 土地景观格局预测与优化  139-188
  1. 模型选择  141-154
    1.1 MCE模型  141
    1.2 层次分析法(AHP)  141-143
      1.2.1 层次分析法的概念及特点  141
      1.2.2 层次分析法的基本步骤  141-143
    1.3 CA模型  143-146
      1.3.1 CA模型的概念  143-145
      1.3.2 CA模型的构成  145-146
    1.4 MARCOV模型  146-147
    1.5 MCE-AHP-CA-MARCOV耦合模型  147-148
    1.6 GLP模型  148-151
      1.6.1 GLP模型的建立  150
      1.6.2 目标函数  150
      1.6.3 约束条件  150-151
    1.7 GM(1,1)模型  151-154
  2. 土地适宜性图集的创建  154-163
    2.1 适宜性评价因子的选取  154-157
    2.2 土地景观适宜性图集创建  157-163
  3 土地景观格局预测与模拟结果分析  163-169
  4 土地景观格局优化模拟  169-188
    4.1 LSOM模型结构  169-171
      4.1.1 基于灰色线性规划的数量约束模块  170
      4.1.2 LSOM模型数据输入与输出模块  170-171
      4.1.3 元胞自动机空间优化模拟模块  171
      4.1.4 LSOM模型的实现  171
    4.2 土地景观格局优化模型(LSOM)目标  171-172
    4.3 土地景观格局优化模型(LSOM)原则  172-173
    4.4 土地景观格局GLP数量优化  173-176
      4.4.1 决策变量的选择与设置  173
      4.4.2 约束条件  173-175
      4.4.3 目标函数  175
      4.4.4 土地景观格局数量优化方案  175-176
    4.5 基于CA的黄土高原南部土地景观格局空间优化  176-178
      4.5.1 土地景观格局优化中元胞定义、状态、空间及邻域  177
      4.5.2 土地景观格局优化中的元胞转化规则  177-178
      4.5.3 土地景观格局优化中的转化函数  178
    4.6 黄土高原南部地区土地景观格局空间优化结果  178-188
第7章 主要结论与研究展望  188-192
  1 主要结论  188-190
  2 研究展望  190-192
参考文献  192-202
致谢  202-204
攻读博士学位期间的科研情况  204

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 自然地理学 > 一般理论与方法 > 景观学、区域论
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