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基于遥感和GIS的中国土地资源生态环境质量同人口分布的关系研究_图文

第3卷 第1期 1999 年 2 月

遥 感 学 报 JOURNAL OF REM OT E SENSING

Vol. 3, No. 1 Feb. , 1999

基于遥感和 GIS 的中国土地资源生态环境质量 同人口分布的关系研究
高志强
摘 要

刘纪远

庄大方
北京 100101)

( 中国科学院遥感应用研究所

基于用数 字环境模 型对中国土 地资源生 态环境质量 评价的基础 上 , 生 成了中国 土地资源生 态环境

综合评价图和人口密度分布图。首先分析了中国土地资 源生态环境等级面积构成及分布状况 , 中国土地资源 生态环境质量最好的地区全部分布在东南沿海和四川盆 地地区 , 之后 , 用相关 分析方法及 关系曲线 分析了中 国土地资源生态环境质量同人口分布 的关系 , 得 出了土地 资源生 态环境 质量指 数同人 口存在 着实质性 的相 关关系 , 中国东南沿海和四川盆地地区是中国土地资源生态环 境最好的 地区 , 也是人口密 度和土度 资源利用 程度最高的地区 , 而西北及青藏高原区是中国土地资源生态环境比较差的地区 , 也是人口密度比较低的地区。 关键词 数字环境模型 , 土地资源 , 生态环境质量 , 人口密度

为了深入地研究土地利用和其生态环境之间的 相互关系 , 更好地利用和保护中国有限的土地资源 , 作者利用数字环境模型方法, 利用多指标大数据量 , 全方位地展开对中国土地资源 生态环境质量 的评 价, 为中国土地资源的保护和利用提供科学的依据 和策略。中国土地资源生态环境质量同人口分布的 关系研究就是基于用数字环境模型对中国土地资源 生态环境质量评价的基础上作出的 [ 1] 。

1 1 指标的选择 影响土地资源及土地利用的因子是多方面的, 有自然和社会两方面。指标群的选取是为了全面反 映研究目标 , 而指标体系的建立则是为了科学性 , 系 统性实现土地资源生态环境质量评价的目标。 人类活动及自然界的许多变化 , 同土地资源的 作用最直接最集中的体现在水、 热两个方面, 土地资 源是以地形、 地貌为其存在的骨架 , 上覆有土壤、 植 被、 岩石和水体; 人类利用土地资源( 土地利用) 的结 果 ( 如建筑物、 道路及耕地等 ) 构成土地资源的实体。 故在评价指标群的选择中, 为了达到土地资源 生态环境质量评价的目的 , 选择了水热、 地形地貌、 土壤植被和土地利用/ 土地覆被 4 组指标。 水热: 选择了年 > 0 C 积温、 年平均温度、 年降 水量、 湿润度 4 个指标。 地形地貌 : 选择了平均海拔、 坡度、 坡向、 地貌 类型 4 个指标。 土壤植被 : 选择了土壤类型、 植被类型两个指 标。 土地利用 / 土地覆盖: 选择了土地利用程度指 数、 土地垦殖率、 植被指数( NDV I) 3 个指标。 1 2 数字环境模型的构造方法 用数字环境模型法对中国土地资源生态环境进

1 用数字环境模型对中国土地资源生 态环境质量评价
数字环境模型是基于 数字地面模型 ( Dig it al T errain Models) 的基 础上发展起来的, 我们 把着重 反映生态环境特征的数字地面模型叫数字环境模型 ( Digit al Environment model) [ 2, 3] 。数字环境模型可 以采用矢量数据结构 , 也可以采用 栅格数据结构。 数字环境模型主要应用于环境的评价分析, 采用栅 格结构更易于其应用。虽存贮时数据量大, 但栅格 数据的叠加容易 , 逻辑代数运算简单, 恰恰满足了环 境分析和评价的需要。在本文的土地资源生态环境 评价模型中全部采用栅格数据结构 , 所有的环境因 子, 经过统一的投影变换 , 以统一的尺寸转换成栅格 数据结构, 以栅格结构为基础实现各种代数和逻辑 运算。
收稿日期 : 1998 -04 -17; 收到修改稿日期 : 1998 -06 -15

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行全方位的评价 , 涉及水热、 地形地貌、 土壤植被、 土 地利用/ 土地覆盖 4 个方面 13 个指标 , 因影响环境 变化的因子是多方面的, 因子获取方式也不一样, 有 矢量数据格式、 栅格数据格式以及点数据格式之分。 数据的来源及投影方式也各不相同。水热的 4 个指 标是 点位 数 据, 是用 中 国地 面气 候资 料 1951 1980 的 671 个站点资料 , 将全国 671 个台站经纬度 坐标按投影变换公式换算成等 面积割圆锥投 影体 系。投影系数为 : 中央经线为 110 。双割圆锥线为 北纬 25 和 47 , 起算点为赤道 0 。 4 个水热指标同 671 个空间点位相联系 , 用 ARC/ INFO 的 build 命 令中的 point 参数建 立拓扑关系 , 之后 用 arct in 及 tinlatt ice 命令, 最终将点位数据经插值转化 为栅格 数据, 网格单元为 2km 2km, 全国 1 400 万等面积 割圆投影的水热指标点图被转换为 2075 2517 的 栅格阵列数据; 地形地貌中的 4 个指标和土壤植被 中的 2 个指标是用 中国自然环境数据库 中的中国 土壤、 中国植被、 中国地形和中国地貌的 1 400 万等 面积 割 锥 投 影 的 矢 量 数 据 , 用 ARC/ INF O 中 的 arct in 带 line 参 数和 t inlat tice 及 polygrid 转 化 为 2075 2517 的栅格数据; 土地利用/ 土地覆盖中的 3 个指标: 土地利用程度和垦殖率是用 中国环境资源 数据库 中的土地资源数据, 计算出全国每一个县的 土地利用程度和垦殖率, 之后将以上两个指标联结 到 1 400 万等面积割圆锥投影的中国分县的行政界 线矢量 数据 上, 用 ARC/ INFO 中的 polygrid 转 为 2075 2517 阵列的栅格数据; 土地利用/ 土地覆盖 中的植被指数 NDV I 数据用的 LCWG/ AARS( T he informat ion of t he L and Cover Working Group ( L CWG) of the Asian Associat ion on Remote Sensing ( AARS) ) , 提供的 CD ROM94 年全球 8km 分辨率 的 AVH RR 数 据, 此数据本是栅格数 据, 只需 将中 国数据 切出再 进行等 面积 圆锥 投影变 换, 再将 此 8km 8km 的 NDV I 的数据进行重采样变为 2km 2km 的全国 2075 2517 的阵列规格即可。以上 13 个指标经过以上变化就全部转换为具有 1 400 同一 比列尺, 同 一的割圆 锥投影和 同一分辨 率 ( 2km 2km) , 同一行列数 ( 2075 2517) 的栅格阵列形式 , 每一个栅 格即是 一个 分析 单元 , 代表 实地 2km 2km 。整个中国版图 被分成 2075 2517 个 分析单 元。由于采用统一的地理坐标 , 统一的转换方法, 不 同专题层面的栅格数据相对实地位置具有良好的空 间重合性。每个基本分析单元具有土地资源生态环 境评价用的 13 个指标属性 , 基于栅格单元基础上 ,

可以进行逻辑代数运算 , 可以满足评价和查询的需 要。以上 13 个指标群数字环境模型的生成为进行 中国土地资源生态环境的评价奠定了基础。 1 3 评价指标的量化分级 13 个评价指标确定以后, 直接用它们去进行评 价是困难的 , 因为各系数间的量纲不统一 , 没有可比 性 , 故必须对参评的指标因子进行量化处理。量化 处理的方法较多, 比较简单的方法是将它们量化分 级 , 根据它们对土地资源利用中正向影响的大小 , 从 高到底分若干级, 以反映环境状况从优到劣的变化。 1 4 评价因子权重系数的确定 在土地资源生态环境评价中 , 因子系数权重的 确定是整个评价过程中不可缺少的一步 , 它关系到 评价结果是否与实际相符的关键一环。 传统的确定仅重的方法有两大类, 群体方法和 个体方法。近年来因数学方法的发展, 人们将层次 分析法 ( T he Analyt ic H ierarchy process 简称 AH P) 引入了权因子的确定中 , 避免了以上两种方法的不 足。此法理论严谨 , 便于操作, 它是在定性方法基础 上发展起来的确定因素权重的一种科学方法。是美 国运筹学家 A. L . Saaty 于本世纪 70 年代提出的 , 是 一种定性与定量相结合的决策方法, 它是一种将决 策者对复杂系统的决策思维过程模型化、 数量化的 过程 。 AHP 确定因子权重的具体步骤如下: 确定目标和评价因子集 U ; 构造判断矩阵 ; 计算重要性排序; 检验。 根据以上 AHP 的原理及步骤, 整个土地利用环 境评价因子权重系数如表 1。 1 5 用数字生态环境模型对土地资源生态环境质 量进行评价 生态环境是一个复杂的系统整体, 各子系统相 互影响 , 相互作用 , 本数字环境模型的建立是基于土 地资源利用基础上建立的 , 将整个生态环境分为 4 个子系统。它们是水热子系统、 地形地貌子系统、 土 壤植被子系统、 土地利用/ 土地覆盖子系统。它们的 相互关系为 : 水热子系统为土地利用/ 土地覆盖生 态系统提供了水分和能源 , 地形地貌子系统为整个 生态系统的演化和相互作用提供了空间和骨架, 土
[ 5]

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壤植被子系统是本生态系统作用的实体 , 土地利用 / 土地覆盖子系统是土壤植被子系统在自然因子和人 为因子作用的结果体现, 是本生态环境系统相互作 用的结果和核心。根据以上各子系统的相互关系 ,

利用各指标的等级量值和权重系数, 用如下模型 :
n

idx =
i= 1

W i * Ci

( 1)

idx 为指数值, W 为指标量值, C 为对应指标

表 1 土地资源生态环境评价 的指标体系及权系数 Table 1 The evaluated indexes system and weight coefficients of the ecological environmental quality of Chinese land resources
一级系数 二级指标 热量 水热 0 333 水分 海拔高度 坡度 地形地貌 0 167 坡向 地貌类型 土壤类型 土壤植被 0 167 植被类型 植被指数 土地 利 用 和土 地覆被 0 333 垦殖率 利用程度指数 0 5 0 35 0 19 0 11 0 35 0 66 0 34 0 16 0 30 0 54 二级系数 0 5 三级指标 > 0 积温 三级系数 0 66 0 34 0 75 0 25

一级指标

年平均温度 湿润度 年降水量

的权重 , i 为某子系统的指标数。利用以上 模型分 别计算水热子系统指数值 A , 地形地貌子系统指数 值 B , 土壤植被子系统指数值 C , 土地利用 / 土地覆 盖子系统指数值 D , 之后以 4 个子系统指数值为基 础, 加上 4 个子系统的权重, 最后生成土地资源生态 环境系统综合环境指数 enindex , 即 enindex = A a + Bb + Cc + Dd , A , B , C , D 为指数量值, a, b, c, d 为权系数。最后生成的中国土地资源生态环境系统 评价综合指数图 ( 图版 I 图 1) 。

境决定和控制的, 由封四图版 I 图 1 可见 , 中国总的 土地资源面积为 9533195km , 其 7, 8, 9, 10 级相加 才占了整个土地资源面积 的 26 86% , 此生态环境 区是中国人口分布最集中的地区, 是最易于人类生 存的 地区。而 5, 6 级 占了 整 个土 地 资源 面 积的 30 66% 。2, 3, 4 级占了土地资源面积的 42 41% , 此部分是人类难以生存的地区, 竟占了中国土地资 源面积的一半多。由此可见 , 中国国土面积虽大 , 但 适合我们生存和发展的土地资源面积却是有限的。 中国生态环境 5 级以下 ( 包括 5 级) 的土地资源 面积 , 几乎全部分布在西北各省。生态环境为 2 级 的土 地资 源 面积 共 78593 35km 2 , 其中 新 疆占 了 62 64% , 西藏 占 了 26 58% , 两 个 自治 区 就 占 了 89 22% ; 生态环境质 量为 3 级的 土地资源 面积为 1585816 74km 2 , 其中西藏占了 42 33% , 新疆占了 30 11% , 青 海 占 了 20 15% , 3 个 省 份 就 占 了 92 59% ; 生 态 环 境 为 4 级 的 土 地 资 源 面 积 为 2379730 13km 2 , 其中, 新疆占了 34 16% , 内蒙古占 了 18 24% , 西藏占了 18 20% , 青海占了 15 39% , 4 个省份就占了 85 99% ; 生态环 境为 5 级的土地资 源面积共 1464795 04km 2, 内蒙古占了 35 69% , 新
2

2 中国土地资源生态环境质量同人口 分布的关系
中国土地资源生态环境是在中国特有的地形地 貌和季风气候的作用下, 形成了中国纬度地带性和 非纬度地带性相互控制下土壤、 植被分布规律 , 又加 上人类为了生存同大自然抗争 , 产生了社会作用力 , 在以上大自然作用的生态环境里 , 又参入了人类社 会作用的因素, 最终自然力和社会力相互作用形成 今天中国土地 资源生态环境 背景状况 。中 国土 地资源生态环境质量分布规律是由以上中国地理环
[ 4]

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疆占了 18 86% , 两个省份共占了 54 55% 。 生态环境 5 级以上的土地资源面积主要分布在 东部沿海各省。生态环境质量为 10 级的面积较少 , 仅为 3879 42km , 生态 环境为 9 级的国 土面积 为 414755 78km , 主要分布在东部沿海及四川盆地为 平 原 的 省 , 其 中 河 南 占 了 16 56% , 江 苏 占 了 16 89% , 安徽占了 13 88% , 山东占了 11 57% , 河 北占了 8 99% , 5 个省共占了 67 89% ; 生态环境为 6, 7, 8 级土地资源面积东部各省分布较均衡。 根据以上生态环境质量等级在各省的 分布状 况, 又算出每个省的平均生态环境平均指数, 按生态 环境质量的高低将全国 31 个省市排序如表 2。
表2 Table 2 各省市按环境指数大小的名次排序 The province sequence according to the index of
2 2

国生态环境质量最好的地区 , 也是人口密度最大地 区。我们认为生态环境质量的好坏同人口数 , 人口 密度有明显的相关关系 , 故以各省为计算样本单位, 用下面的相关关系计算公式
n

[ 5]

:

( 1 / n) * r = x = 其中:
i= 1

( x i - x ) ( yi - y ) x* y y =
2 y2 i/ n - y

( 2)

2 x2 i/ n - x ;

x 和 y 分别是 x 和 y 的标准差。

分别计算生态环境质量指数同人口数、 人口密 度的相关系数。根据统计学原理可知, 当相关系数 r 0 7 时 , 则认为两者之间有实质性联系。用以上 的相 关系 数计 算 公式 计 算的 生 态环 境 质 量指 数 ( enindex ) 同 人 口 数 ( pop) 的 相 关 系 数 为 r ep = 0 772154, F ep ( 1, 30) = 42 82; enindex 同人口密度 ( pden) 的 相关 系数 为 r ed = 0 7643, F ed ( 1, 30) = 40 7744。 以上的两个相关系数 r ep , r ed 均大于 0 7, 从统 计学的角度认为两者之间有实质性的联系 , 对相关 系数进行显著性检验, 通过查 F 表可知 , 当显著水 平 a = 0 01 时 , F a ( 1, 30) = 7 50。以上的两个检验 值分别为 F ep( 1, 30) = 42 82, F ed ( 1, 30) = 40 744 均大于 F a ( 1 , 30) = 7 50, 故以上两个相关系数均通 过 a = 0 01 的显著性水平检验。所以可以有如下 结论 : 生态环境质量同人口数、 人口密度有实质性 相关关系。将以上 3 个指标的数值用公式 : Z( 标准值 ) = ( X i - X min ) / ( X max - X m in ) ( 3) 标准化后, 作成曲线图 ( 图 2) 。由曲线图 2 可 以看出, pop, pden 的变化同 enindex 变化基本是同 步的。由此验证了 pop, pden 同 enindex 有实质性 相关关系。 以上相关关系存在的原因为 : 因为土地资源生

ecological environmental quality of Chinese land resources
名次 1 2 3 3 4 5 5 6 6 7 8 9 10 10 10 11 名称 上海 江苏 安徽 山东 河南 海南 台湾 天津 广东 浙江 广西 江西 福建 湖北 湖南 河北 31 32 34 37 41 46 71 12 44 33 45 36 35 42 43 13 环境指数 10 9 5 8 5 8 5 8 3 8 2 8 2 8 8 7 3 7 2 7 1 6 8 6 8 6 8 6 2 名次 11 12 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 名称 河北 13 北京 11 辽宁 21 贵州 52 陕西 61 山西 14 云南 53 吉林 22 四川 51 黑龙江 23 宁夏 64 甘肃 62 内蒙 15 新疆 65 青海 63 西藏 54 环境指数 6 2 6 1 6 1 5 6 5 2 5 1 5 4 8 4 5 4 3 3 7 2 4 2 1 0 7 0 2 0

由表 2 可以看出中国生态环境质量好的省是上 海、 江苏、 山东、 安徽、 河南 , 全部位于东部沿海 , 为黄 淮海平原和长江三角洲地区; 生态环境质量最差的 是西藏、 青海、 新疆。 生态环境质量各等级土地资源面积在各省内的 基本分布规律为 , 东部沿海各省其等级面积构成以 5 级以上为主 , 西部各省份的等级面积构成以 5 级 ( 包括 5 级 ) 以下为主。 由中国土地资源生态环境综合评价 ( 封四图版 I 图 1) 和中国人口密度分布相互对比可以看出 , 中
图2 Fig . 2 环境质量指数、 人口数 和人口密度曲线图 T he curv es of index of ecological env ironmental quality, population and populatio n density

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第 3卷

态环境好的地区 , 是易于人类生存和发展的地区, 导 致了该区聚集了更多的人口。这便是以上相互关系 存在的本质原因。

2

Wang Huadong. T he evaluation of environmental ef fect ion. Bei jing : High er educat ional press, 1989, 120 180. ] 180. ( In Chinese) [ 王华东 . 环境影响评价 . 北京 : 高等教 育出版社 , 1989, 120

3

Wang Huadong. The evaluat ion of environment al qualit y. T ianjin: Tianjin Science & 社 , 1991, 23 89. ] 245. ( In Chinese) [ 中山大学 等 . 245. ] Technology Press. 1991, 23 89. ( In Chin ese) [ 王华东 . 环境质 量评 价 . 天津 : 天津科 学技 术出 版

3

结 论
( 1) 土地资源生态环境质量指数同人口数、 人
4

口密度存在着实质性的相关关系。 ( 2) 中国生态环境质量最好的 9 级和 10 级土 地资源全部分布在东南沿海及四川盆地暖温带及亚 热带平原区, 这是中国生态环境最好的地区, 也是人 口密度、 土地资源利用程度最高的地区。 ( 3) 中国国土面积虽大, 但适合人类生存的 7, 8, 9, 10 级的土地资源面积仅占了土地资源面积的 26 86% , 即 1/ 4 多一点; 1/ 4 的土地资源面 积养活 了中国 80% 以上的人口。 参
1

Zhongshan U niversit y. et al . Natural geography. Beijing: Chinese educat ional press, 1979, 233 自然地理学 . 北京 : 人民教育出版社 . 1979, 233

5

Xu Jianhua. T he m at hemat ical met hods in model geography. Beijing: Higher educational press, 1994, 10 1994, 10 120. ] 120. ( In Chinese) [ 徐建华 . 现代地理学中的数学方法 . 北京 : 高等 教育出版 社 ,









高志强 , 男 , 1966 年 3 月生。中 国科学 院遥感 应用研 究 所在读博士 , 1989 年毕业于山东师范大学地理系 , 1993 年 毕 业于中国科学 院新 疆地 理研 究所 , 获 地图 学 与遥 感硕 士 学 位。从事过多项遥感 和 GI S 的应用 和研究 工作 , 为 中国 资 源环境遥感宏观调查 与动态 研究 专著 的编委 和执行 编委 , 现正从事着国家科委 九 五 国家重 中之重 3S 课 题的研 究 任务。







( References)

Liu Jiyuan. M acro -Scale Survey and Dynamic St udy of N at ural R e sources and Environm ent of Chinese by Remot e S ensing. Beijing: Chinese S cience & Technology Press, 1996, 262 京 : 中国科学技术出版社 , 1996, 262 275] 275. ( In Chinese) [ 刘纪远 . 中国资源环境遥感宏观调查与动态研究 . 北

The Relations Analysis Between Ecological Environmental Quality of Chinese Land Resources and Population
GAO Zhi Qang L IU Ji Yan ZH UANG Da - Fang
Beij ing 100101)

( Insti tu te of Remote Sensing App li cat ions, Chi nese Academy of Scie nces

Abstract

Based on t he evaluat ed ecolog ical environmental quality of Chinese land resources w it h Digit al Envi

ronment al M odel ( DEM ) , the comprehensive evaluated map of t he ecolog ical environment al qualit y of Chinese land resources and t he m ap of populat ion densit y were worked out . At f irst , the degree areas const it ut ion and dist ribut ion condit ion of t he ecological environmental quality of Chinese land resources were analyzed, t he best land resources area of t he ecological environm ent al quality is dist ributed in south - east China; T hen the relat ions bet ween t he ecological env ironment al quality of Chinese land resources and Chinese populat ion distribut ion w ere analyzed wit h relat ive method and curves. T he conclusions are t hat the subst ant ive relat ions exist betw een t he ecolog ical environment al quality of Chinese land resources and populat ion; the sout h - east China is t he best area of the ecological environment al quality of Chinesse land resources, t his area has largest population density and high est used deg ree of land resources; t he w est - nort h China is a poor area of t he ecological environmental qualit y of Chinese land resources, this area has smaller populat ion density and low er used degree of land resources. Key words of populat ion Dig it al Environment al Model ( DEM) , Land resources, Ecolog ical environm ent al qualit y, Densit y




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