福州市土地利用变化分析及其生态安全定量评价研究

发布时间：2016-05-18 22:17

1 绪论

1.1 研究背景与意义
土地资源是实现人类长期发展和生存的基本场所，是人类进行一系列社会活动的重要保证。近年来，随着人口的快速增加和经济的迅猛发展，迫切地追求经济效益及技术发展，导致全球性的环境问题如温室效应、水资源污染、沙漠化、洪涝灾害等日益显著，使得生态系统功能下降，因此生态安全问题已对人类造成威胁。生态安全状态是受自然因素（气候、地质、土壤变化等）和人类活动（经济化、城市扩张、土地利用/土地覆盖变化等）共同作用的结果。而探讨土地利用/土地覆盖变化（LU/LC）驱动下的区域生态安全状态变化，，对反映生态环境状况具有重要的指示作用。因此，对城市以行政区域为单元的生态安全变化研究，为守护生态红线、维持生态平衡、合理配置土地资源以及优化土地利用结构提供指导性建议。城市化是衡量一个国家社会、经济、环境等发展综合实力的重要体现，是经济迅猛发展的必然产物，体现了人类的进步。快速城市化主要体现在人口密度增加、城市面积扩张、国内生产总值（GDP）增大这三方面。然而，城市化发展导致了城市景观格局的变化，最直接表现在城市边缘带景观类型的转变，如新建、改建、扩建大批建筑物，以及林地、草地、农田、池塘、牧场等被人工地表所替代。由此可见，快速城市化带来的土地资源相互转化以及城市景观格局变化是产生生态环境问题的主要原因之一[1]。随着城镇扩张日益明显，占用大量生态用地，土地数量和结构正在发生着极大的变化，而且很多地区存在着土地利用结构与方式不合理，导致城镇化发展与生态环境不协调，生态环境功能正在退化[2]。土地利用/覆盖变化（LU/LC）影响着整个生态系统的结构和功能变化，导致生态系统服务功能下降。因此，城市化引起的土地利用动态变化，以及由土地利用动态变化所带来的生态安全状态变化[3]，都将影响生态环境与社会经济的可持续发展。
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1.2 国内外研究现状
长期以来，土地利用/土地覆盖变化（LU/LC）监测研究形成了一个全球化的研究核心与热点内容，更是引起“国际地圈与生物圈计划”（IGBP）、“人与环境计划”（HDP）以及“世界气候研究计划”（WCRP）这三个国际组织的高度关注。与此同时，LU/LC 必然带来土壤、气候、水资源和生态系统要素及其功能的改变，进而导致生态环境变化效应，因而由土地利用类型变化造成的生态环境变化亦是国际上广大学者们研究的热点。土地利用/土地覆盖变化影响了人类生存与发展的自然基础，从而改变了地球生物、化学圈层的功能与结构以及打破了生态系统能量与物质循环间的平衡，导致了不可逆转的气候变化、生物多样性减少等环境问题[4]。从宏观角度来说，LU/LC 研究使人们更好地理解和认识其在不同空间与时间尺度上的相互作用机制及其相应变化，以及对环境产生的一系列影响。土地利用变化与社会经济因素、人口变化、城市化程度有着密切的联系，因此选择不同的时空尺度对各种因素分析及 LU/LC 变化过程都存在着很大差异。综合国际上对土地利用/土地覆盖变化研究，可将主要内容归纳为三部分[4]，即土地覆盖变化、土地利用的动力机制、土地利用与土地覆盖变化的区域与全球模型[5]。土地利用/土地覆盖变化（LU/LC）是国土资源调查研究的热点内容，遥感技术的出现为及时准确地获取土地利用变化信息提供了重要手段[6-8]。综合利用“3S”集成技术和计算机技术等科技手段，形成集土地各类信息于一体的土地利用数据信息管理系统[9]。遥感技术具有的多平台、多传感器、高光谱、高分辨率等特点[10]，如何充分地利用遥感影像进行土地利用变化信息提取和影像地物特征分析成为当今的迫切需求。同时，利用遥感技术获取的数据作为信息源，结合地面辅助资料，运用计算机图像处理技术，对土地利用状况及其动态变化进行监测，并将监测数据统一管理于 GIS，依靠 GIS 进行处理、分析、决策、共享土地利用资源信息，开发土地利用变化信息管理原型系统，实现土地利用资源管理及数据库更新的规范化、网络化和智能化。
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2 土地利用/土地覆盖样本影像数据库的建立

本章土地利用/土地覆盖（LU/LC）样本影像数据库管理系统的建立是为解决遥感土地利用类型解译过程中的效率和精度问题提供一个共享平台。建立了覆盖不同区域、多数据源、多时相的 LU/LC 样本影像数据库，并对样本影像进行特征分析，为土地利用变化检测及影像解译训练样本选取提供统一的数据标准，定性定量地评价遥感解译结果的精度，避免由影像色调误差等原因导致的地物误判现象。最后辅助实现本文研究区福州市的遥感土地利用类型解译。

2.1 研究区及数据概况

福州市地处福建省东部沿海，是福建省省会城市，介于东经 118°08′—120°31′，北纬 25°15′—26°39′之间，是海峡西岸经济区高速城市化发展的省会中心城市。福州是“滨海沿江河谷型”城市。福州盆地的自然地理环境是福州市中心建成区发展的基础，闽江自西向东穿过盆地，在西部分叉而在东部合二为一，将盆地分割成三部分。福州市共 5 区 6 县 2 市，行政区位图如图 2.1 所示。福州市陆地总面积为 11968平方公里，城镇化率 64.8%，2014 年人均 GDP 达 70425 元人民币。福州市属亚热带海洋性季风气候，全年温暖湿润，夏长冬短，雨量充沛，年降水量达 900~2100mm，年平均气温 15.6~19.6℃，市辖区夏季易出现城市热岛效应现象。全市地貌类型以山地、丘陵为主，海拔多在 600~1000m，占全市土地总面积的 72.68%，主要分布在内陆的永泰、闽清、闽侯 3 县。闽江是福州市境内最主要的水系，其将福州市一分为二，干支流共同构成了格子状水系。福州市雨热丰富，利于植物的繁殖与生长，沿海地带多为红树林以及沙生草木等植被。福州市土壤以红壤、赤红壤，在海拔较高的地区多发育黄壤，平原地区的耕地土以水稻田为主[46]。

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2.2 遥感解译典型样本示例影像及特征
地物解译标志是遥感影像上能判别地物信息及影像特征的依据。由于遥感影像各波段所包含的地表信息内容因其波谱物理特征不同而各有差别，因此，为了保证样本影像示例库的通用性，典型 LU/LC 样本影像数据应包括数据源影像的全部波段数据，以及地物类别的地理坐标信息、影像分辨率、时相、传感器类别等。具体样本影像示例及特征信息见表 2.1 所示。样本影像数据应包含本地区内的所有地类，且采集区域包含地类的纯度大，具有典型性。对于规则图像采用 Photoshop 进行手动分割，不规则图像则采用图像分割技术[47]。同时根据第二次全国土地调查土地利用分类体系将三级地类的不同表现形式的地类影像进行样本采集。数据库类别可按地域划分、采集影像时相按季度划分，建立覆盖多区域的样本影像数据库，如以福州为代表的华东地区，以广州为代表的华南地区，以河南为代表的华北地区等[48]。
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3 福州市土地利用动态变化与景观格局分析........... 17
3.1 研究区土地利用类型分类.....17
3.1.1 分类方法的选择...........17
3.1.2 研究区土地利用类型调查及建立分类体系.......18
3.1.3 训练样本的选取...........18
3.1.4 LU/LC 样本库应用解译结果及精度验证.......... 20
3.2 土地利用动态变化及分析.....22
3.3 城市景观格局空间分析.........25
3.4 本章小结.........29
4 基于 PSR 模型的城市生态安全定量评价....... 31
4.1 城市生态安全评价指标体系的建立.....31
4.1.1 指标体系的构建原则...........31
4.1.2 构建基于 PSR 模型的评价指标体系..........32
4.2 福州市生态安全评价标准的建立.........33
4.3 福州市生态安全评价指标权重的确定.........40
4.3.1 评价指标权重确定的方法...........40
4.3.2 评价指标权重值计算...........42
4.4 福州市生态安全定量评价结果与分析.........44
4.5 福州市生态安全调控措施与建议.........49
4.6 本章小结.........52
5 结论与展望....... 53
5.1 研究工作结论.........53
5.2 问题与展望.....54

4 基于 PSR 模型的城市生态安全定量评价

城市已经成为人类的主要栖息地，景观格局空间变化和生态安全效应将影响人类的生存质量。土地利用变化引起了各个土地利用类型种类、面积和空间分布的动态变化，同时，随着城市扩张占用大量生态用地，人类活动对生活环境造成的各种污染，以及人口膨胀导致的交通拥挤和住宅的稀缺，进而加剧了土地资源的开发和利用，导致了热岛效应增强、生态环境质量下降、自然灾害风险加剧等众多城市生态环境问题。因而，如何有效地定量评价城镇化过程中的生态安全水平等级，已越来越受到关注。

4.1 城市生态安全评价指标体系的建立
福州市基于 PSR（压力—状态—响应）概念模型的生态安全定量评价指标体系的建立，应遵循科学性、指标数据的可得性、区域性与动态性、实用性、定量与定性相结合的原则，并尽量达到上述原则的最佳组合与有效统一。（1）科学性原则城市生态安全评价指标体系建立在科学地选取能够反映生态系统发展的状况与指标间的相互联系，并能一定程度上表达研究目标的实现程度，是确保评价结果是否准确的依据。城市生态安全定量评价过程是否科学依赖于其评价指标、评价标准与程序等方法是否科学。具体而言，评价指标体系的科学性包含指标的特征性、独立性、准确一致性与完备性这四个方面。（2）指标数据的可得性原则在选取评价指标的过程中，指标数量并不是越多越好，但也不能太少过于简单。既要避免指标数量过多而出现含义重复的指标相互重叠，又要防止指标选取过少而遗漏。因此，在构建城市生态安全评价指标体系时，应考虑数据获取的难易程度以及可靠性，充分利用现有的资料，尽可能的选取具有代表性、实用性的综合指标及重点指标。
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结论

本文以高速城市化发展的海峡西岸经济圈重要门户、沿海地区重要港口城市、福建省省会——福州市为研究对象，首先，基于 1994 年、2000 年及 2009 年的三期中分辨率 Landsat 5 TM 影像和 2013 年 Landsat 8 OLI 影像，采集典型样本示例影像，分析影像特征，构建土地覆盖/土地利用（LU/LC）样本影像数据库，为辅助研究区福州市土地利用类型遥感解译工作统一判读标准，提供理论参考和技术依据。其次，采用监督分类的最大似然法与非监督分类的混合分类方法，同时参考 LU/LC 样本影像库的典型示例影像及影像特征信息进行训练样本的选取，获得了福州市这 20a来不同时期的土地利用分类图。在此基础上通过分析土地利用动态变化及景观格局分析，探讨了福州市 20a 间的土地利用变化与空间格局特点。最后，构建基于 PSR模型的城市生态安全定量评价指标体系，运用层次分析法、Delphi 法确立各评价指标因子的权重，在 GIS 平台下，得到城市生态安全压力、状态、响应以及综合评价的分等定级图，并结合分析结果，给出福州市生态安全调控的措施与建议。论文研究过程中主要得到以下结论：
（1）针对遥感影像解译过程中判读标准不一、精度不稳定的现象，完成了建设包含典型样本示例库和影像特征库的 LU/LC 样本影像数据库管理系统，并实现了样本影像库的各个功能模块。进而结合 LU/LC 样本影像库成功实现了对福州市四期遥感影像进行土地利用类型解译，精度分别为 87.89%、91.46%、88.35%、88.62%，均达到 85%以上，符合生产要求，并且精度稳定。LU/LC 样本影像库的建立为土地利用类型解译及信息提取过程中减少了人为判读误差，统一了核查规范和训练样本选取标准，定性定量地评价影像解译结果精度。
（2）利用 GIS、RS 等技术手段对福州市 1994-2013 年间土地利用变化动态监测，与传统土地调查方法相比，具有精度高、速度快、费时少等优点。借助于数理统计、地统计分析等方法，从土地利用面积比例变化、转移量与转移方向、动态度变化分析入手，并对福州市景观多样性指数、均匀度指数、优势度指数及破碎度指数进行计算，研究了福州市土地利用动态变化和城市景观格局的演变特征，更好地揭示土地利用变化及景观演变后带来的城市生态功能和环境状况等变化信息。
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参考文献(略)

本文编号：46868