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基于RS和GIS的兰州土地利用变化及生态环境效应研究_图文

中国水土保持 SW CC 2009年第 9期

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基于 RS和 G IS的兰州土地利用变化 及生态环境效应研究

黄会平 1, 张 岑2
( 1. 华北水利水电学院 资源与环境学院, 河南 郑州 450011; 2. 深圳市平冈中学, 广东 深圳 518116)
[ 关键词 ] R S; G IS; 土地利用变化; 生态服务价值; 兰州 [ 摘 要 ] 基于 RS和 G IS技术, 从兰州市 1990年的 TM 影像和 2006年的 ETM 影像中提取土地利用数据, 分析了该区 16 年来土地利用的变化, 并从生态系统服务 价值的 角度, 定量评 价了该 区土地 利用变化 所产生 的生 态环境 效应。 结果表 明: 1990 2006年兰州市林地增长面积最大, 主要来源于草地和耕地的 转出, 其次为城镇 交通用地, 主要是 对耕地、草地 和未利用地的占用; 土地利用类型面积减少最大的是草地, 主要转 变为耕地、林地和 城镇交通 用地。土地 利用变 化引起 生态服务价值变化: 1990年为 43 594. 95万元, 2006年为 44 084. 16万元, 表明该 区域生态环境整体向良性方向发展。 [ 中图分类号 ] TP 79; X 820 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1000- 0941( 2009) 09- 0057- 03

土地资源是 人类 赖以生 存发 展且不 可替 代的 自然 环境 资 源, 它既是环境的重 要组成 部分, 又 是其 他自 然环 境资 源和 社 会经济资源的 载体 [1] 。土 地利用 以及 由此导 致的 土地 覆盖 变 化必然会影响生态系 统的结构和功能, 并通 过生物 地球化学 循 环过程影响大气中的 化学成分变化, 进而导 致全球 性的气候 变 化, 因此研究土地利 用变化 及其 对生 态环 境的 影响, 对 于了 解 区域生态环境乃至全 球环境变化具有重要意义。
河谷型城市是指城市主体 在河谷中 形成并 发育, 有广义 和 狭义两类, 狭义的河谷型城市是指城 市主体 发育受 到河谷地 形 较为强 烈 的 直 接 限 制, 城 市 本 身 被 迫 沿 地 形 及 河 流 走 向 发 展 [ 2] 。兰州市是西北干旱地区典型 的河谷型 城市, 土地利用 受 地形和河流 影响 较 大; 气 候干 旱, 植 物 生长 困 难, 生 态环 境 脆 弱, 不合理的土地利用可能会使兰州 市生态 环境遭 到毁灭性 的 破坏。笔者借助 RS和 G IS技术, 从生态系统 服务入手, 对兰 州 市土地利用动态变化 过程及其生态环境 效应进 行研究, 对该 区 进行合理的土地 规划、维持 地区 生态 平衡、建 立可 持续 的土 地 利用模式具有指导意 义。
1 研究区概况
兰州地处黄河上 游 地区, 位 于中 国版 图的 几何 中心, 与 黄 土高原、青藏 高原、内 蒙古 高 原交 错 会接。 市 区由 城 关、七 里 河、西固、安宁、红古 5个区组成, 南北群 山对峙, 东 西黄河穿 城 而过, 是一座东西狭 长的 带状 城市。 该区 深居 内陆, 地 处季 风 气候区与非季风气候 区的过渡地带, 是典型 的温带 半干旱大 陆 性季风气候区, 气候干燥; 冬 季漫长 寒冷, 雨雪少, 夏季 较短, 气 温较高, 但无酷暑; 年均气温 11. 2 , 降水量 327 mm, 年均日照 时数 2 446 h, 无霜期 180 d以上。
2 数据处理与研究方法
2. 1 数据选择 本研究选取研究 区 1990年的 TM 影像和 2006年的 ETM 影
[ 基金项目 ] 水利部公 益性行 业科研 专项 经费项 目 ( 200801015) ; 华 北 水利水电学院青年基金项目 ( HSQ J2009015)

像, 空间分辨率为 30 m ! 30 m, 两期影像成像时间均为夏 季, 此 时植物生长旺盛, 影像 信息丰富, 更易判读。 2. 2 数据处理 2. 2. 1 遥感数据处理
为了消除遥感数据中存在的误 差, 提 高遥感 数据的 可判读 性, 借助分析软件 ERDAS9. 0对 数据图 像进行 投影变 换、校正、 重采样、数 据融合以 及增强处理。 采用 1 ? 10 万地形图和 GP S 野外采集选择地面 G CP 对 所用影像 进行 统一校 正。为了 保证 面积的精度, 本文投影 采用 ALBER S等面 积双标 准纬线 圆锥投 影, 采用全 国 统 一的 中 央 经 线 和 双 标准 纬 线, 即 中 央 经线 为 105#E, 双标准纬线分别为 25#N 和 47#N。 2. 2. 2 遥感图像解译分类
结合兰州市土地利用现状和实 地调查, 确定 土地利 用类型 分为耕地、林地、草 地、城镇 交通 用地、水 域和 未利 用地。 为了 提高分类精度, 采 用监 督分类 和非 监督 分类 相结 合的 方法, 先 对影像数据进行非监督分类生成模 板, 再 对这一 模板进 行编辑 和修订以训练判断函数。经反复改 善, 直 到识别 情况达 到满意 为止, 然后用最大似然 法对影像进行 分类。为避 免分类 后同物 异谱或同谱异物引起的 混分情 况, 本 文采用 感兴趣 区域 ( AO I) 结合目视解译, 对分类 有误的像素进 行重编 码。最后对 后处理 的分类结果运用基于误差矩阵的方 法进行 精度评 价, 精 度可达 82 26% 以上。 2. 2. 3 数据入库分析
将在 ERDAS环境下解译获得的. Img格式 数据, 用 R aster to V ecter命令转换成 coverage 格式文件。在 A rc in fo9. 0支持下, 用 overlay命令对两期土地覆盖数据进 行叠置 分析, 将所得 数据导 入 A rcv iew3. 3环境下, 从 A ttr ibutes中提 取土地 利用 变化数 据, 在 EXCEL 下生成相应土地利用变化图表 。 2. 3 生态系统服务价值的评价方法
参照 Costanza等 [3] 对全球生态 系统服 务价值 的估算 方法, 应用谢高地等 [ 4] 总结的 ? 中国生态系统服务价值当 量因子表 %, 针对研究区具体情 况对 生态系 统服 务价值 当量 因子 做如 下修 正: 以兰州市 1990 2006 年平均 粮食 产量 2 437. 35 kg /hm2 [ 4]

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中国水土保持 SW CC 2009年第 9期

为研究区的基准单产 , 考虑没有人力 投入的 自然生 态系统提 供

的经济价值是现 有单 位面积 农田 提供的 食物 生产 服务 经济 价

值的 1 /7[ 5] , 得出兰州市单 位面积 农田每年 自然 粮食 产量的 经 济价值为 348. 19 元 / ( hm2& a) , 从而计算出兰州 市各类土 地单

位面积年度生 态服务 价值 量。具体 各年 土地 利用 类型 生态 系

统服务功能经济价值 总量计算公式如下 [ 6]

n

? V =

PiLi

( 1)

i= 1

式中: V 为研究区某年生态系统服 务功能的经 济价值总 量, 元; i

为土地类型编 号, i = 1, 2, (, n; P i 为第 i类土地单位面 积该年 生态系统服务功能的 经济价值量, 元; L i 为该年第 i类土地 的面 积, hm2。

3 结果与分析

3. 1 土地利用变化分析 表 1是兰州市 1990 2006年土地利用变化面积转移矩阵,
从表 1可以看出, 土地 利用 类型 变化 最大 的是 草地, 面 积明 显 减少, 主要转移 为 林地、耕 地 和城 镇 交 通用 地, 转 移 面积 共 达 6 121. 59 hm2, 占总变化面积的 44. 79% ; 其 次是 林地 面积的 增 加, 有 2 922. 25 hm2 的 草 地和 1 431. 38 hm2 的 耕地 转 化为 林 地, 加之对 121. 01 hm2 未利 用地以 及少量 水域的 绿化, 兰州 市 在 16年中人工植树造林面积总计 4 483. 23 hm2, 且呈分散状分 布于南北山区; 另一大土地利用变化 类型是 城市及 交通建设 对 土 地 的 占 用, 1990 2006 年 研 究 区 城 市 建 设 新 增 占 地 面 积 1 025. 5 hm2, 其中对草地和未利 用地 占用最 多, 分别为 512. 96 hm2 和 278. 94 hm2, 占总 扩建面积的 77. 22% ; 土地 利用类型 最 稳定的是水域, 其面积基本未发生变化。 表 1 兰州市 1990 2006年土地 利用变化面积转移矩阵 hm2

项目

耕地

林地

2006年

草地

水域

1990年 耕地 37 308. 84

林地

826. 13

草地 2 541. 08

水域

0

未利用地 64. 32

城镇交通用地

0

1 431. 38 2 190. 64

9 641. 45 2 254. 56

2 922. 25 72 493. 85

8. 59

11. 32

121. 01

85. 65

0

0

0 0 0 2 560. 02 0 0

未利 用地

城镇交 通用地

23. 21 212. 35

10. 23

11. 23

145. 3 512. 96

4. 69

10. 02

885. 32 278. 94

0 14 568. 74

依据 研究 区 1990 2006年土 地利 用变化 的总 体趋 势 ( 图 1): 草地 、耕地 和 未利 用 地的 面积 在 减少, 减 少 量最 大的 是 草 地, 减少了 1 579. 42 hm2, 比 1990年 减少 2. 01% , 耕地 减少 了 426. 05 hm2, 未利用地减少了 366. 49 hm2; 林地和城镇交通用地 的面积在增 加, 增 加量最大 的是林地, 增加了 1 381. 08 hm2, 比 1990年增加 10. 83% , 城镇交通 用地 增加了 1 025. 5 hm2; 水 域 面积变化不大。
3. 2 生态系统服务功能价值变化分析 表 2反映了兰州市生态系统服务功 能经济价值 量。由表 2
可知, 兰州市 1990年总 生态 经济 价值 为 43 594. 96 万元, 2006 年为 44 084. 17万元, 生态经济 价值 16年 增加了 489. 21万元, 可见兰州市区生态生产力正在 逐步上升, 生 态系 统服务 功能 不 断 优化, 区域生态环 境向可持 续方向发展 。近年来, 兰州 市在

图 1 1990 2006年兰州市土地利 用变化

全国实施退耕还林 (草 )和大力推进生态环境 恢复、建 设的前提 下, 斥资对南北 两山实 施了 绿化 [7] , 因此 该计算 结果 是符 合实 际情况的。同时, 分析不同时期 各土地利 用类型 对生态 服务价 值的贡献, 其 中 草 地 贡献 最 大, 1990 年 的 贡 献 率 为 45 46% , 2006年为 44. 05% ; 其 次为 林地 和耕 地, 1990年 贡献 率分 别为 22. 24% 和 22. 72% , 2006年为 24. 38% 和 22. 23% ; 未利 用地对 生态 经 济 服 务价 值 的 贡 献 最 小, 其 贡 献 率 仅 约 为 0. 05% 和 0 04% 。虽然草地、耕 地、水域 和未 利用 地的 生态 服务 功 能价 值都在不同程 度 地减 少, 只 有林 地的 生 态服 务 价值 呈 增 长趋 势, 但是兰州市 16年中 土地 生态 总服 务价 值却 表现 为增 长态 势, 这就说明森林生态 系统在维系和促进 兰州市 生态环 境建设 和社会经济持续发展中发挥了巨大作用。

表 2 兰州市生态系统服务功能经济价 值量

土地利 用类型

199 0 年 土地面积
( hm2 )

20 06 年 土地面积
( hm 2)

单位 价值量
(元 / hm 2)

经济价值量 (万元 /a)
1990年 2006年

经济 价值量
增减量 ( 万元 / a)

草地 78 615. 44 77 036. 02 2 520. 88 19 818. 01 19 419. 86 - 398. 15

城镇交通 用地 14 568. 74 15 594. 24

耕地 41 166. 42 40 740. 37 2 405. 98 9 904. 56 9 802. 05 - 102. 51

林地 12 743. 60 14 124. 68 7 607. 73 9 694. 99 10 745. 68 1050. 69

水域 2 594. 64 2 560. 02 16 019. 22 4 156. 41 4 100. 95 - 55. 46

未利用地 1 435. 24 1 068. 75 146. 24

20. 99

15. 63 - 5. 36

合计 151 124. 08 151 124. 08 28 700. 05 43 594. 96 44 084. 17 489. 21

4结 语
( 1)本文基于 R S与 G IS技术, 客观、快速、准确地 把握了兰 州市 1990 2006年土地利用的变化, 结果表明研究区各类土地 利用类型发生 了 较大 变化 : 林地 和城 镇 交通 用 地面 积 有 所增 加, 其中林地的增长面 积最大, 主要 来源于 草地和 耕地的 转出; 城镇交通用地面积 增多较 为明 显, 主要 是对 耕地、草 地和 未利 用地的占用; 其余 土地 利用类 型面 积有 所减 少, 减少 最多 的是 草地, 主要转变 为耕地、林 地和 城镇 交通 用地。 土地 利用 类型 最稳定的是水域, 其面 积基本没有发生变化。
( 2) 1990 2006年兰 州市生 态服 务价 值呈上 升态 势, 1990 年土地生态服务 价值 为 43 594. 96万 元, 2006年 为 44 084. 17 万元, 增加了 489. 21万元, 表明 该区域生 态环境 整体向 良性方 向发展。
( 3)本文利用各土地利用类型单位面积的生态系统服务价

中国水土保持 SW CC 2009年第 9期

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定西市安定区植被覆盖遥感调查方法研究
吴 静1, 李纯斌 1, 邸 利1, 黄海霞 2
( 1. 甘肃农业大学 资源与环境学院, 甘肃 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学 林学院, 甘肃 兰州 730070)

[ 关键词 ] 植被覆盖度; 遥感调查; 混合像元分解模型; 工作流程; 定西市 [ 摘 要 ] 植被覆盖度是研究地表植被状况的重要指标。以 定西市安定 区为研究 区域, 以 混合像元 分解模 型为基 础, 探 讨了遥感估算植被覆盖 度的方法和一般工作流程, 其结果经检 验与定西 市水土保持 科学研究所 的地面实 测数据 基本相 符。该方法不需要进行大范围的 野外考察, 节约成本, 经济方便, 适于植被覆盖度的动态监测研 究。 [ 中图分类号 ] S771. 8 [文献标识码 ] B [文章编号 ] 1000- 0941( 2009) 09- 0059- 03

1概 述
植被覆盖度是 指植被 冠层 的垂 直投 影面 积与 土壤 总面 积 之比, 即植土比 [ 1] 。植被覆盖度是衡量地 表植被状 况的一个 最 重要的指标, 同时又 是影响 水土 流失 的主 要因 子, 在土 地退 化 研究、生态环境调查、水土保持 研究、蒸散量 研究及 其他研究 领 域, 都有着广泛的应用 [ 2- 7] 。
目前估算植被覆 盖度的方法主要有两 种 [ 8] : 地 表实测法 和 遥感监测法。由于植被覆盖度 有显著的 时空分 异特征, 所以 基 于离散点的地表 实测 法虽然 可能 在局部 小区 域测 量时 精度 较 高, 但推广到大范围时具有很大的 不确定 性。而遥 感监测方 法 基于空间连续数据, 在大中尺度区域 估算植 被覆盖 度具有一 定 优势, 受到广泛关注。
[ 基金项目 ] 全球环境基 金项目 ( G EF /OP12) ; 甘肃省 自然科 学基金 暨 中青年科技基金项目 ( 3ZS061 - A 25 - 011 ); 世界 银行 /全 球环境基金项目 ( 052456CHA )资助项目

本研究以定西市安定区为研究 区域, 以混合 像元分 解模型 为基础, 通过分析 该区 域植被 覆盖 等级 的空 间分 布, 对植 被覆 盖度调查的工作方法进行了一定的 尝试和 总结, 以期为 水土保 持、森林资源调查、草 地资 源调查 等相 关专 业工 作人 员提 供实 际操作的经验参考。
2 研究方法
遥感估算植被覆盖度的方法主要有两 类 [ 9- 10] : 一 是统计模 型法, 即通过地面实测 数据, 建立植被 覆盖度与 遥感参数 (灰度 值、植被指数等 )的 经验模 型, 以此 模型外 推到 整个研 究区 域。 统计模型法简 单 方便, 但 需 要 大量 地 面实 测 数据, 普适 性 差。 二是混合像元分解 法, 源于 定量遥 感的 线性光 谱 混合 模型 [1] 。 Q uarmby[ 11] ( 1992年 )基于 AVHRR 资料, 提出了 植被指 数与植 被覆盖度的线性混合转换模式, 基本思路 是将遥 感影像 的像元 分解为植被信息和非植被信息两部 分, 估 算其中 植被信 息的比 重, 即植被覆盖度。混合像元分 解模型是 目前应 用最广 泛的植 被覆盖度遥感估算模型 [12- 14] 。

值量计算生态价值总量, 不能完全涵括 区域土地 利用变化的 综 合生态效应。区域 土地利 用变 化生态 效应 的综 合评价 还应 结 合土地利用的适宜性评价, 分析研究区 不同位置 地块的土地 利 用适宜性, 确定区域土 地利 用生 态价值 的理 论最大 值, 探讨 土 地利用类型之间 合理 的空间 组合 与分布 等。在 计算方 面还 需 要结合实验 科学、地 学和生物学等学科, 为提高估 算精度, 为 生 态补偿、生态购买提供依据。
[参考文献 ]
[ 1] 彭补拙, 周生路. 土 地利 用规 划学 [ M ]. 南 京: 东南 大学 出 版社, 2003.
[ 2] 杨永春. 试论河谷盆地型城市 土地利用空 间结构模 式 以西北地区典型 河谷盆地 型城市 兰州 为例 [ J]. 兰 州大 学 学报: 自然科学版, 2001, 37( 3): 127- 133.
[ 3] Costanza R, A rge D R, G roo t D R, et al. T he value of the w orld) s eco system se rv ices and na tural capita l[ J]. N ature,

1997, 387: 253- 260. [ 4] 谢 高地, 鲁春霞, 冷 允法, 等. 青藏高 原生态资 产的价 值评
估 [ J]. 自 然资源学报, 2003, 18( 2): 189- 195. [ 5] 兰州统计年鉴编辑委员会. 兰 州市统计 年鉴 ( 1986 2005)
[M ]. 北京: 中国 统计出版社. [ 6] 徐俏, 何孟常, 杨志峰, 等. 广 州市生 态系统服 务功能 价值
评估 [ J]. 北京 师 范大 学学 报: 自 然科 学 版, 2003, 39 ( 2) : 268- 272. [ 7] 赵景柱, 肖寒, 吴 刚. 生态系 统服务的物质量与 价值量评价 方法的比较分析 [ J]. 应用生态学, 2000, 11( 2): 290- 292.
[作者简介 ] 黄会 平 ( 1979- ), 女, 河南 许昌市 人, 讲师, 硕 士, 主要 从事遥感与地理信息系统研究。
[收稿日期 ] 2009- 03- 15
(责任编辑 李杨杨 )




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