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GIS支持下的土地利用_覆被变化与生态效应测评研究_图文

土地利用

【文章编号】1006 - 3862( 2009) 02 - 0086 - 06

GIS 支持下的土地利用Π覆被变化与生态效应测评研究
郭  斌  任志远  (陕西师范大学旅游与环境学院 ,陕西西安 ,710062)

【摘要】利用西安市 1988 、2000 年两期遥感影像 ,根据地学信息图谱理论与地球空间信息认知理论 ,以 ARCGIS910 和 ERDAS815 为平台分析了西安市 1988 - 2000 年间土地利用时空演变过程 ;并对研究区 1988 —2000 年土地利用变化引起的生态效应变化 进行了测算 ;结果表明 :12 年间西安城区土地利用Π覆被变化剧烈 ,综合土地动态度为 315 % ,建设用地面积则急剧增加 ,年变 化率达到为 26111 % ;西安城区生态系统服务价值在 12 年间从 30617 ×106 元减少到 25918 ×106 元 ,共减少了 4619 ×106 元 ;本 文证明用 3S 手段研究由于土地利用Π覆被变化引起的生态响应是一种行之有效的方法 。 【关键词】土地利用Π土地覆被变化 ; 生态系统服务价值 ; 西安市 【中图分类号】F301    【文献标识码】A

引言
  土地利用Π土地覆被变化是全球环境变化的核 心内容之一 。目前研究主要涉及土地利用Π覆被类 型的划分 ,典型区域 LUCC 分析 、评价与制图等[1] 。 生态系统服务功能是指生态系统要素和生态过程直 接或间接提供人类需要的产品和服务 ,它的维持与 保育是人类生存与现代文明的基础 ,也是实现可持 续发展的前提[2] 。目前关于 3S 技术在生态服务功 能价值测评方面的研究较为鲜见 。因此本文在参考 相关文献和前人研究的基础上 ,选择西安为研究区 , 利用西安市 1988 、2000 年两期遥感影像 ,根据地学 信息图谱理论与地球空间信息认知理论 , 以 ARCGIS910 和 ERDAS815 为 平 台 分 析 了 西 安 市 1988 —2000 年间土地利用时空演变过程 ;对研究区 1988 —2000 年土地利用变化引起的生态效应变化进 行了测算 ;运用 GIS 和遥感技术分析近 12 年来不同 类型区土地利用变化对生态系统服务价值的影响 。
1  研究区概况与研究方法
111  研究区概况 西安位于关中盆地中部 ,介于 33°39′~34°45′N ,
107°40′~109°49′E 之间 ,总面积 998 300hm2 。主要
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (407701019) ; 陕西师范 大学研究生培养创新基金项目 。

的地貌类型包括山前洪积台地 、秦岭山地和河谷冲 积平 原 。四 季 冷 暖 干 湿 分 明 , 最 冷 月 平 均 气 温 014 ℃, 最 热 月 平 均 气 温 2616 ℃, 年 平 均 气 温 1313 ℃,年 平 均 降 水 量 61317 mm , 多 年 平 均 湿 度 6916 %。辖未央 、莲湖 、新城 、碑林 、雁塔 、灞桥 、阎 良 、长安 、临潼九区和周至 、户县 、高陵 、蓝田四县[3] 。 本文中的研究区为西安市的城区即 : 新城区 、碑林 区 、莲湖区 、未央区 、雁塔区 、灞桥区 。 112  土地利用 :覆被变化研究 11211  数据源与预处理
本文采用的数据源包括 : 1988 年和 2000 年获 取的陆地卫星 TM 和 ETM + 影像 ;1∶50 000 地形图 、 1988 年和 2000 年土地详查数据 ;1988 年和 2000 年 的土地利用现状图 ;1988 —2000 年间的其它相关社 会经济统计数据 。本文主要利用 ERDAS815 进行遥 感影像格式转换 、几何校正 、最佳波段组合 、投影转 换 、图像掩膜 、图像增强处理 、影像解译 、分类精度评 价 、分类后处理以及栅格转矢量等 ;由于在数据格式 转换过程中 ,某些格式的数据在 ENVI 中进行转换 较为 方 便 , 故 本 文 在 转 换 数 据 格 式 时 也 用 到 了 ENVI; 主要利用 ARCGIS910 进行投影设置与变换 、 建立拓扑关系以及叠加分析 ,利用 ARCMAP 进行土 地利用图谱和土地利用变化图谱的制作 。遥感影像 处理技术路线见图 2 。 11212  土地利用Π覆被变化图谱的生成
为了保证土地利用分类的科学性和精确性 ,以

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土地利用

及满足生态系统服务功能价值计算的要求 ,本文在 结合地区特点的基础上 ,参考 1984 年全国农业区划 委员会颁布的《土地利用现状调查技术规程》[4] ,将 土地利用Π土地覆被类型分为 7 个大类 ,即耕地 、园 地 、林地 、草地 、建设用地 、水域和未利用地 。在遥感 图像处理软件 ERDAS IMAGINE815 中 ,对两期遥感 影像进行预处理 ,将投影统一转换成 ALBERS 等面 积双标准纬线圆锥投影 。利用监督分类和目视解译 相结 合 的 方 法 对 影 像 进 行 分 类 。通 过 ERDAS

IMAGINE815 中的精度评估模块和野外 GPS 实测数 据对分类的影像进行检验 ,结果表明分类精度达到 90 %以上 。最终得到西安市城区 1988 和 2000 年土 地利用图谱 (图 3 ,图 4) ,并借助 ARCGIS910 提供的 叠置分析功能将 1988 年与 2000 年土地利用图进行 叠置分析 ,从而得到 1988 - 2000 年西安城区土地利 用Π覆被变化图谱 (图 5) 。对图谱单元的属性数据 进行空间统计运算即可得到西安市城区 1988~2000 年土地利用转移矩阵 (表 1) 。

图 1  研究区范围图

图 2  遥感影像处理技术路线

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图 3  1988 年西安城区土地利用图谱

图 4  2000 年西安城区土地利用图谱

图 5  1988 —2000 年西安城区土地利用Π覆被变化图谱 3 注 :1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 分别代表耕地 、林地 、园地 、草地 、水体 、未利用地 、建设用地

113  生态效应测评方法 11311  生态效应测算
本文利用通过遥感影响解译得到的土地利用Π 覆被变化数据 (表 1) ,参考相关研究成果[5 - 6] ,对研 究区生态系统服务价值进行了测评 ,以此来评价土

地利用变化所引发的生态效应 。生态系统服务价值

计算公式如下 :

ESV = ΣA K ×VCK

(1)

式中 , ESV 为生态系统服务价值 (元) , A K 为研究区

第 K种土地利用类型分布面积 ( hm2 ) , VCK 为生态

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价值系数 (元Πhm2 a - 1 ) ,即单位面积上每年产生的生 态系统服务价值 。

表1 

1988~2000 年西安城区土地利用转移矩阵

土地利用类型
Land use type
林地 Forest 耕地 Farming land 草地 Lawn 园地 garden plot 未利用地 Virgin soil 水体 Waters 建设用地 Construction land 2000 总计 Total 2000 (hm2)

草地
Lawn
51112 476317 8612 71319 410016 86217 4216 1108111

林地
Forest
61216 51710 4914 5510 84116 10818 2715 221212

园地
garden plot
11116 127910 2315 12218 95513 28714 1018 279017

未利用地 建设用地

耕地

Virgin soil Construction land Farming land

99418 409316 7616 24714 484615 50310 8214 1084415

17911 382411 11619 27919 747712 21016 18412 1227213

192419 739914 1118 54716 256915 12916 2213 1260514

水体
Waters
1216 60513 21912 21611 53818 82612 915 242810

1988 总计 Total1988 (hm2)
434711 2248213 58317 218311 2132918 292815 37916 5423412

11312  生态效应评价 为了确定生态效应随时间的变化对于生态价值
系数的依赖程度 , 本文选取经济学中常用的弹性系 数测评价值系数的敏感性指数 CS[7] 。并将各土地 类型的价值系数分别上下调整 50 % , 衡量生态系统 服务价值的变化 。若 CS > 1 , 表明 ESV 相对于 VC 是富有弹性的 ;若 CS < 1 , ESV 则被认为是缺乏弹 性的 , 比值越大 , 表明生态服务功能价值指数的准 确性越关键 。敏感性指数的计算公式如下 :
CS = ( ESVj - ESVj ) ΠESVjΠ( VCjk - VCik ) ΠVCik
(2) 式中 : ESV , VC , k 的含义同前 , i , j 分别表示初始 的生态系统服务价值和生态服务功能价值指数调整 后的价值 。
2  结果与分析
211  土地利用变化的幅度 图 6 反映了西安城区 1988 年到 2000 年的土地
利用变化情况 ,最明显的趋势是耕地和未利用地的 显著减少以及建设用地的增加 ,耕地从 1988 年的 2248213hm2 减少到 2000 年的 1260514hm2 ,未利用地

从 1988 年 的 2132918hm2 减 少 到 2000 年 的 1084415hm2 ,建设用地从 1988 年的 37916hm2 增加到 2000 年的 1227213hm2 ,园地与水体数量基本保持不 变 ,此外草地面积有大幅度增加 ,林地面积略微减 少 。这主要归因于政府实施的退耕还林还草和西安 地区社会经济发展导致建设用地的急剧增加 。 212  土地利用变化的速度
土地利用动态度可以定量描述区域土地利用的 速度 ,它对比较土地利用变化的区域差异和预测未 来土地利用变化趋势都有重要的作用[8] 。本文采用 综合土地动态度描述研究区土地利用变化的速度 , 用公式表示为
∑ ∑ L C = [ ΔLUi- jΠ2 ΔLUi ] ×T- 1 ×100 %
(3)   式中 :LC 为综合土地利用度 ;LUi 为监测起始时 间第 i 类土地利用类型面积 ;ΔLUi - j 为监测时段第 i 类土地利用类型转为非 i 类土地利用类型面积的绝 对值 ;T 为监测时段长度 。当 T 的时段设定为年时 , LC 的值就是该研究区土地利用年变化率 。
单一土地利用动态度可表达区域一定时间范围

图 6  西安城区土地利用变化情况

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内某种土地利用类型的数量变化情况 ,公式为

K = Ub - UaΠUb × T - 1 ×100 %

(4)

  根据 (3) 计算出西安城区综合土地动态度为

315 %。根据 (4) 计算出西安城区土地利用的年变化

率 (表 2) 。结果表明 ,西安城区 12 年来土地利用变

化速度很快 ,综合土地动态度达到 315 % ,其中以建 设用地面积年变化率最大 ,为 26111 % ,草地变化率 次之为 14919 % ,这表明在 2 年间西安城区的城市建 设占用大量土地 ,导致建设用地的数量急剧上升 。

表2 

生态服务功能价值指数 (单位 : 元Πkm2a - 1)

土地利用类型 Land use type

耕地 Farming land

林地 Forest

草地 Lawn

水域 Waters

生态服务功能价值指数 Ecology service function index(元Πkm2a - 1)

434120

1346270

351260

4067640

湿地 Wetland

城镇用地 Urban land

未利用地 Virgin soil

5548800

0

0

表3 
土地利用类型 Land use type 耕地 Farming land 园地 garden plot 草地 Lawn 未利用地 Virgin soil 水体 Waters 建设用地 Construction land 林地 Forest 总面积 Total area (hm2)

西安城区土地利用变化率

1988 年 year1988
2248214 218311 58317 2132918 292815 37916 434711 5423412

2000 年 year 2000
1260514 279017 1108112 1084415 2428 1227213 221212 5423413

面积变化 Area change
- 9877 60716 1049715 - 1048513 - 50015 1189217 - 213419

年变化率Π% Year rate of changeΠ%
- 3166101187 21319331837 14918700817 - 410964988 - 1142422173 26110796452 - 4109257513

图 7  西安城区土地利用结构 (1988 、2000)

213  生态系统服务价值变化 从表 4 知 ,西安城区生态系统服务价值在 12 年
间从 30617 ×106 元减少到 25918 ×106 元 ,共减少了 4619 ×106 元 ,其中耕地 、水域和林地的生态价值在 减少 ,而草地和园地的生态价值在增加 ,由于 12 年 间耕地出现了不同程度的退化 ,部分水域出现萎缩 , 未利用地在不断的减少 ,建设用地急剧增加 ,导致占 用大量可以产生生态价值的耕地 、林地 、草地和园

地 ,从而导致西安城区 12 年来生态系统服务价值整 体上下滑 ,生态环境质量不容乐观的态势 。 214 生态效应评价结果
按照 (2) 计算得到表 5 ,生态系统服务价值对生 态价值系数的敏感性指数都小于 1 ,相对于生态系 统服务价值系数来说 ,研究区总的生态系统服务价 值是缺乏弹性的 ,研究结果是可信的 。

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土地利用

表4 
1988 年生态系统服务价值 ( ×106 元) Ecosystem service value in 1988 所占比例 ( %) Accounts for the proportion ( %)
2000 年生态系统服务价值 ( ×106 元) ecosystem service value in 2000 所占比例 ( %) Accounts for the proportion ( %)

西安市城区生态系统服务价值构成

耕地

草地

Farming land Lawn

园地 未利用地 garden plot Virgin soil

水体 建设用地 林地 Waters Construction land Forest

9716

211

2914

0

11911

0

5815

32

016

916

0

3818

0

1911

5417

3819

3716

0

9818

0

2918

21

15

1415

0

38

0

1115

总计 Total 30617
100 25918
100

表5 
面积 area1988 ( KM2) 面积 area2000 ( KM2)
VC(元Πkm2a - 1) VC + 50 %(元Πkm2a - 1) VC - 50 %(元Πkm2a - 1)
ESV1988 (元Πa) ESV2000 (元Πa) ESV1988 + 50 %(元Πa) ESV1988 - 50 %(元Πa) ESV2000 + 50 %(元Πa) ESV2000 - 50 %(元Πa)
CS1988 CS2000

耕地
Farming land
2241824 1261054 434120 651180 217060 97600594188 54722562148 14640089213 48800297144 82083843172 27361281124 013333335 013333335

生态系统服务价值敏感性指数

草地
Lawn
51837 1101812 351260 526890 175630 2050305 38923823 3075457 1025152 58385735 19461912 01333334 01333334

园地
Garden plot
211831 271907 1346270 2019405 673135 29390420 37570357 44085631 14695210 56355535 18785178 01333334 01333334

水体
Waters
291285 24128 4067640 6101460 2033820 119120837 9876229912 178681256 5956041817 148143449 4938114916 013333335 013333335

林地
Forest
431471 221122 1346270 2019405 673135 58523703117 29782184194 87785554176 29261851159 44673277141 14891092147 013333335 013333335

3  结论与讨论
  从 1988 到 2000 年 ,西安城区土地利用Π覆被变 化剧烈 ,综合土地动态度为 315 % ,12 年间耕地面 积 、未利用地面积和林地面积不断减少 ,建设用地面 积则急剧增加 ,年变化率达到为 26111 % ,草地面积 大幅度增加 ,导致建设用地急剧增加的原因是城市 化的步伐不断加快 ,草地面积增加的原因是近年来 实施的退耕还草举措 。
西安城区生态系统服务价值在 12 年间从 30617 ×106 元减少到 25918 ×106 元 ,共减少了 4619 ×106 元 ,由于 12 年间耕地出现了不同程度的退化 ,部分 水域出现萎缩 ,未利用地不断减少 ,建设用地急剧增 加 ,导致占用大量可以产生生态价值的耕地 、林地 、 草地和园地 ,从而导致西安城区 12 年来生态系统服

务价值整体上下滑 。

通过计算得到敏感性系数 CS 说明本文选用的

生态价值系数是比较合理的 。

尽管西安地区近年来加大了退耕还林还草的力

度 ,但是生态系统服务价值仍然有小幅度的下降 ,说

明西安地区的生态环境质量不容乐观 ,生态环境保

护工作仍任重道远 。

本文借助地理信息系统与遥感技术 ,对西安城

区 12 年来由于 LUCC 导致的生态系统服务价值进

行了初步的计算和分析 ,结果表明利用地理信息系

统和遥感技术进行生态效应测评是一种有效的方

法 ,但生态价值一般没有市场价格 ,国际上至今尚无

公认 、统一 、完善的生态价值的计算方法 ,生态价值

的定量研究目前仍处于探索性阶段 ,生态效应测评

研究还任重道远 。 △

(下转 69 页)

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刘静鹤 :田园·生态·城乡绿化融合发展

城市规划

Countryside Ecology City and Countryside Afforestation Fusion Development ———Take the Xuchang City and Countryside Overall Plan Development
Advancement Area Ecology Green Space System Planning as the Example
LIU Jinghe
【Abstract】In the city and countryside integration development’s new stage , according to plans the city and countryside development and the socialism new rural reconstruction strategic plan , The Xuchang city and countryside overall plan development advancement area ecology green space system planning insists the region integral development , the sustainable development , the garden city and so on plan idea , Group type spatial arrangement which and compact node corridor development model determined according to“Xuchang City and countryside Overall plan Development Advancement Area Overall plan”, by bidirectional thought way , Fully using the native place landscape space shape , take ecological factors and so on farmland , rivers , flowers and trees base as the component elements , protects , the development to each kind of resources , Constitutes the city and countryside space green heart , the greenbelt , the green road , forms the green ecology network , with the Xuchang town center city , the Changge urban district same place , forms the continual connection city and countryside , the shape to be rich , function supplementary , organic fusion city and countryside ecology green space system , carries on the earth beautification exploration in the region level , develops the new time city and countryside green space plan construction for the urbanization to carry on the beneficial attempt. 【Keywords】City and Countryside Integration ; City and Countryside Overall Plan ; Advancement Area ; Ecology ; Green Space System Planning ; Fusion Development

(上接 91 页)
【参考文献】
[ 1 ] 史培军 ,宫鹏 ,李晓兵等. 土地利用Π覆盖变化研究的方法与实 践. 北京 :科学出版社 , 2000. 1 - 32.
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[12 ] 肖鹏峰. 高分辨率遥感图像频域特征提取与图像分割研究[J ] . 测绘学报 , 2008 , (03)
作者简介 :郭斌 (1981 - ) ,男 ,汉族 ,博士生 ,陕西合阳人 ,主 要从事资源环境遥感与 GIS 研究 ; 任志远 ,男 ,教授 ,博士研究生导师 ,陕西兴平人 , 主要从事资源环境遥感与 GIS 研究 。
收稿日期 :2008 - 12 - 26

Xi’an Land UseΠCover Change and Ecological Effect Evaluation Studies

GUO Bin , REN Zhiyuan

【Abstract】Using Xi’an 1988 , 2000 two years remote sensing image , according to the geoscience information atlas theory and the terrestrial space information cognition theory , take ARCGIS910 and ERDAS815 as the platform have analyzed the Xi’an during 1988 - 2000 years land
use space and time variation process ; And calculated the ecological effect change caused by LUCC in 1988 - 2000 ; The result indicated : during 12 years Xi’an city land useΠcovering change is fierce , the comprehensive land dynamic degree is 315 % , construction land area sharp growth , the year rate of change achieves 26111 % ; The Xi’an city ecosystem service value reduces during 12 years from 30617 ×106 Yuan to 25918 ×106 Yuan , altogether reduced 4619 ×106 the Yuan ; This article proves with the 3S method study the land useΠcover change caused by
the ecology response is one effective method. 【 Keywords】LUCC ; Ecosystem Service Value ; Xiπan

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