测绘工程毕业论文-基于RS与GIS技术的景观格局分析和生态环境评价——以南靖县为例.docx

1、本科毕业论文（20 届）基于 RS 与 GIS 技术的景观格局分析和生态环境评价以南靖县为例所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期目录摘要 .11 绪论 .11.1 研究背景和目的 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 研究目的 .11. 2 国内外研究现状 .11.2.1 景观格局分析的研究现状 .11.2.2 RS 与 GIS 在景观生态学中的应用现状 .21.2.3 生态环境评价的研究现状 .21. 3 研究内容及路线 .21.3.1 研究内容 .21.3.2 研究路线 .22 研究区域概况 .32.1 自然概况 .32.2 社会经济概况 .33 数据处理 .33.1 数

2、据来源 .33.2 遥感图像预处理 .43.3 遥感影像分类 .53.4 GIS 数据处理 .54 景观格局空间分析 .74.1 景观类型变化 .74.2 景观指数分析 .74.3 研究区景观格局分析 .84.3.1 景观单元特征分析 .84.3.2 景观整体特征分析 .115 生态环境评价 .115.1 生态环境评价指标体系 .115.2 南靖县生态环境评价 .115.2.1 计算结果 .115.2.2 生态环境评价 .126 结语 .12参考文献 .13英文摘要 .14致谢 .15基于 RS 与 GIS 技术的景观格局分析和生态环境评价以南靖县为例摘要：本文以南靖县为研究区域，结合 RS

3、与 GIS 技术，对南靖 1996 年、2002 年、2009 年和 2014 年的景观格局变化进行分析，通过生态环境状况评价技术规范（试行） （HJ 192-2015）推荐的生态环境状况评价指标，评价南靖县生态环境状况。结果表明：南靖县绿地广阔，在 19962014 近 20 年的时间内，绿地景观面积变化呈逐年上升的走势，随着城市扩张，农业用地面积逐年减少，反之城建用地面积逐年增多，而水域面积无明显变化；受相关政策的影响，南靖县景观类型以绿地面积占绝对优势，城市景观优势度高，但均匀度呈下降趋势，生态系统正朝单一性、不均匀化的方向发展；据计算，1996 年、2002 年、2009 年、2014

4、 年 4 年的生态环境状况均为优，且总体环境状况略微变好。关键词：景观格局；南靖县；生态环境评价1 绪论1.1 研究背景和目的1.1.1 研究背景2008 年 7 月 7 日， “福建土楼”被列入世界文化遗产名录。南靖土楼的 “申遗”成功，提升了南靖县的对外形象，土楼成为了宣传推介南靖的重要载体，之后南靖县大力发展旅游业，带动全县经济的发展。但随着经济的快速发展，南靖县在迅速发展的同时越来越多的问题开始出现，如：人口激增、交通拥堵、资源短缺等，人口引发的矛盾问题越来越严重，而造成这一问题的最主要原因就是景观结构的不良改变。景观格局在人类活动的干扰下剧烈变化，这导致了由于区域生态系统结构不稳定及

5、功能紊乱引发的一系列生态环境问题，对土地的合理利用和环境保护造成影响，还威胁了该区域的可持续发展。 1但同时根据世界遗产的相关公约，南靖需要建立世界遗产的监测机制，其中，尤其着重对整体环保和旅游方面的数据的监测。故作为“土楼故里”，一个森林覆盖率达 72.7%的小城镇南靖，在发展过程中，如何建立健康、富有，并与自然相互和谐的科学合理的景观格局，实现自然资源的合理利用、经济社会与环境的协调发展和城市的可持续发展，成为南靖城市发展中亟待解决的问题。1.1.2 研究目的本文将结合 RS 与 GIS 技术，以南靖县为研究对象，选取合适的景观指数，对 1996 年、2002 年、2009 年和 2014

6、 年的景观格局变化进行分析，揭示南靖县近 20 年来景观格局及时空动态变化特征，并据此探讨景观变化对环境的影响，通过生态环境状况评价技术规范（试行） （HJ 192-2015）推荐的生态环境状况评价指标，评价南靖县生态环境状况。从而合理利用景观，更好地发挥生态效应，实现资源的合理利用及南靖县的可持续发展。 1.2 国内外研究进展1.2.1 景观格局分析的研究现状景观格局表示的是不同生态系统或景观单元的空间关系，是景观生态学的基础研究内容之一，它可以对景观异质性的变化做出反映，同时可以分析不同尺度的各种生态过程。在景观生态学的研究过程中，景观格局分析方法的发展对其的深入研究起重要作用。 2目前景

7、观格局分析可大致分为两类，一类是对景观空间格局指数的研究，另一类是对景观格局分析模型的研究。本文采用景观格局指数分析法对南靖县近 20 年的景观格局变化进行分析。作为景观格局分析的常用方法之一，近几年，国内外许多专家学者不断深入对景观格局指数的研究。陈文波、肖笃宁等 3从 4 个方面对景观指数进行了总结，并从景观单元特征和景观整体特征两个层面上提出判定景观指数优劣及景观指数应用的一般性原则。阳柏苏,郑华 4应用 GIS 技术,运用景观指数，对 19902000 年张家界国家森林公园景观格局变化进行研究。郑建蕊,蒋卫国 5应用 RS 与 GIS 技术，提取出洞庭湖湿地信息,结合FRAGSTATS

8、 软件计算湿地景观指数 。Hietala-Koivu R6运用一系列景观指数，对 39 年间芬兰农业景观结构变化进行研究。Raul Romero-Calcerrada7解释了景观指数及其生态意义，并对西班牙 Encinares 城市景观格局变化进行研究。 但如今的景观格局指数只能对景观的现状和总体特征进行简单的描述，而无法对生态变化过程和景观格局的相互关系做出反映，在指示生态学过程方面也存在不足。 8这些需要我们不断深入研究。1.2.2 RS 与 GIS 在景观生态学中的应用现状遥感技术和地理信息系统技术具有强大的信息采集和处理功能，其中 RS 技术用于资料的快速获取与更新、GIS 技术为海量

9、数据的信息挖掘和分析提供了有用的平台，同时二者也为景观生态学提供了全新的研究手段。谭秋、李阳兵 9对作为技术手段的 RS 和 GIS 技术在景观生态学的发展起到的支撑作用进行了研究。杨帆、赵冬至等 10对 RS 技术在景观格局研究、景观功能研究、景观动态研究、景观尺度研究等 4个方面的应用现状进行总结，论述了 GIS 技术在辅助景观分类、景观制图及景观指数统计、景观动态信息提取与分析、景观规划管理中的应用，对基于 RS 与 GIS 技术的湿地景观生态研究中的优势进行分析，并指出目前存在的问题。遥感技术除了能在采集数据（获取遥感影像图）时提供较大的帮助外，在景观类型划分和景观特征遥感定量反演中均

10、有广泛应用。其次 RS 技术的广泛应用对景观格局数量分析方法的发展起到了极大的促进作用,现有的大多数景观格局描述指数的筛选和完善几乎都与遥感技术的应用联系在一起。 11 GIS 技术在景观生态学中的应用主要包括：分析景观单元数量特征；分析景观空间格局及其变化；景观格局变化过程的模拟；景观规划与设计等。 121.2.3 生态环境评价的研究现状生态环境评价是目前景观生态学领域的研究热点之一,现如今常用的生态环境评价方法有：加权综合指数法、层次分析法（AHP） 13、模糊动态聚类法、因子分析法、生态足迹法（EF ） 14、景观空间格局分析法 15等。生态环境评价于 20 世纪 60 年代开始形成，现

11、正处于蓬勃发展时期，基于新兴技术的研究与应用，新的方法也将不断涌现，但无论我们采用的是何种方法，可靠的数据获取来源、深刻地了解生态环境的特征、全面掌握生态环境的本质及各类型间的内在联系，这样才能确保评价的可靠性，同时这些也是评价成功的关键。本文的生态环境评价方法基于国家环境保护总局在 2015 年发布的生态环境状况评价技术规范（试行） （HJ 192-2015） ，该标准利用一个综合指数（生态环境状况指数， EI）反映区域生态环境的整体状态。1.3 研究内容及路线1.3.1 研究内容基于目前对南靖县的规划研究较为少见，本文将结合 RS 与 GIS 技术，分析南靖县景观格局的动态变化；通过计算指

12、标，评价南靖县的生态环境状况，这将对南靖县的可持续发展起到一定的指导作用。（1）对南靖县 1996 年、2002 年、2009 年和 2014 年 4 年的遥感影像进行影像预处理，将处理后影像进行监督分类，将景观分为绿地、水域、农业用地、城建用地四部分，并分析每年的景观类型变化。（2）以南靖县景观类型变化数据为基础，使用 Fragstats 景观分析软件，利用斑块数量、斑块密度、平均形状指数及平均分维数 4 个指标对南靖县的景观单元特征进行分析；利用景观多样性指数、均匀度指数及优势度指数 3 个指标对南靖县的景观总体特征进行分析；从而分析该区景观格局的动态变化。（3）通过国家环境保护总局在 2

13、015 年发布的生态环境状况评价技术规范（试行） （HJ 192-2015）推荐的生态环境状况评价指标，对南靖县的生态环境状况进行评价。1.3.2 研究路线研究路线见图 1-1。图 1-1 研究路线图2 研究区域概况2.1 自然概况南靖县地处福建省南部，属漳州市辖县，北纬 242620 245958，东经 1170121173636 。全境土地面积 1831.58 平方公里，折合 294.24 万亩。气候温和，光照充足，雨量充沛，四季常青。耕地、山地土壤有机质丰富，肥力高。矿藏、动植物、水等资源相当丰富。境内地势由西北向东南倾斜，地貌以丘陵为主，占全县土地总面积的 44.1%，是山区丘陵县。具

14、有典型的南亚热带海洋性季风气候。地处九龙江西溪上游，境内大小河流 72 条，总长 1066 公里，主要河流有船场溪、龙山溪、永丰溪 3 条，多年平均径流总量为 37.85 亿立方米。地下水资源多年平均为 2.86 亿立方米。年平均降水量 15801880 毫米，年平均气温 17.021.4 摄氏度，年平均日照时数4420.94432.4 小时，年平均相对湿度 79%，年平均无霜期为 321 天。2.2 社会经济概况南靖，置县于 1322 年，位于漳州市西北部，面积 1962 平方公里，人口 36 万，辖 10 个镇、1 个国家级高新园区，共有 200 个村（居） ，有海外华人华侨 3 万多人，

15、南靖籍台胞 100 多万人，是漳州市重点侨乡和台胞祖籍地之一，已逐步成为海峡两岸经贸交流与合作的热点区域之一。南靖县是福建省林业工作十佳县，并于 2014 年成为全省首批“国家生态县” ，并列入第六批全国生态文明建设试点县。境内山清水秀，物产丰富，素有“树海” 、 “竹洋”之称，森林覆盖率 72.7%，绿化率 94.5%，是福建省乃至全国不可多得的南亚热带雨林区。同时，南靖县还是福建省主要旅游区。南靖具有土楼 1.5 万多座，堪称“土楼王国” 、 “土楼故里” 。3 数据处理3.1 数据来源本文选取 1996 年至 2014 年南靖县遥感图，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜

16、像网站（表 3-1） 。表 3-1 遥感影像一览表数据类型 空间分辨率 研究所用波段 获取时间Landsat TM 30m 6 个多光谱波段 1996 年 10 月 31 日Landsat ETM 30m 6 个多光谱波段 2002 年 10 月 8 日Landsat TM 30m 6 个多光谱波段 2009 年 10 月 19 日Landsat OLI 30m 6 个多光谱波段 2014 年 10 月 17 日3.2 遥感图像预处理本文选取 1996 年、2002 年、2009 年和 2014 年 4 期的南靖县遥感影像图，使用 ENVI 软件，结合1:5 万的南靖县边界图，对影像进行辐射校

17、正、几何校正、研究区域的裁剪和辐射增强。经过预处理后的 1996 年、2002 年、2009 年和 2014 年影像数据，分别见图 3-1，其中 RGB 选用第7、5、1 波段显示。A1996 年预处理后影像数据 B2002 年预处理后影像数据C2009 年预处理后影像数据 D2014 年预处理后影像数据图 3-1 1996 年2014 年预处理后影像数据3.3 遥感影像分类使用 ENVI 软件，分别对 1996 年、2002 年、2009 年及 2014 年经预处理的遥感图像进行采样，采用监督分类方法提取各种景观类型。 表 3-2 多种监督分类方法比较分类方法 说明平行六面体根据训练样本的亮

18、度值形成一个 n 维的平行六面体数据空间，其他像元的光谱值如果落在平行六面体任何一个训练样本所对应的区域，就被划分其对应的类别中。最小距离 以均值向量作为该类在特征空间中的中心位置，计算输入图像中每个像元到各类中心的距离，到哪一类中心的距离最小，该像元就归入到哪一类。马氏距离 计算输入图像到各训练样本的协方差距离（一种有效的计算两个未知样本 集的相似度的方法） ，最终统计协方差距离最小的，即为此类别。最大似然 假设每一个波段的每一类统计都呈正态分布，计算求出每个像元对于各类 别归属概率（似然度） ，最终把像元归并到似然度最大的类中。神经网络 用计算机模拟人脑的结构，用许多小的处理单元模拟生物的

19、神经元，用算 法实现人脑的识别、记忆、思考过程应用于图像分类。支持向量机 一种基于模式识别的方法，它可以自动寻找那些对分类有较大区分能力的 支持向量，由此构造出分类器，可以将类与类之间的间隔最大化。波谱角针对高光谱，在 N 维空间将像元与参照波谱进行匹配，通过计算波谱间的相似度，之后对波谱之间相似度进行角度的对比，较小的角度表示更大的相似度。通过对各种方法的比较，结合研究目的，本文采用监督分类中分类准确度较高的支持向量机法对1996 年、2002 年、2009 年和 2014 年 4 个时期的研究区进行分类。根据研究区域的尺度，并结合实际情况，把南靖县景观格局分为绿地、农业用地、水域，以及城建用地四个部分进行分析，分类精度符合要求。3.4 GIS 数据处理利用 Arc GIS 软件对分类好的影像数据矢量化，并使用该软件的融合功能对选取的各种景观类型进行归类融合。利用面积计算功能，分别计算出每年各种景观类型的面积，生成每年的景观类型分布图。见图 3-2。A1996 年景观类型分布图 B2002 年景观类型分布图C2009 年景观类型分布图 D2014 年景观类型分布图图 3-2 1996 年2014 年景观类型分布图