1、1本科毕业论文（20 届）县域土地覆盖变化研究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2县域土地覆盖变化研究以南靖县为例摘要：目前区域性土地覆盖变化研究已成为全球环境变化研究的核心内容之一。南靖县是世界文化遗产土楼的所在地，也是典型的山地丘陵地区，对其进行土地利用/土地覆盖变化的研究具有一定的现实意义。本文以 1996 年、2002 年、2009年和 2014 年四期的南靖县遥感影像为基础，应用 ENVI 软件通过影像预处理，采用监督分类方法中的最大似然法获得土地利用/土地覆盖分类图，计算出各地类面积和地类之间的相互转化量，分析南靖县土地覆盖分布现状与规律、变化情况以及变
2、化原因与人类活动的关系，为南靖县土地可持续发展提供依据。关键词：土地覆盖；监督分类；南靖县3目录1 引言 .1.1 研究背景与意义 .1.1.1 研究背景 .1.1.2 研究意义 .1.2 土地利用/土地覆盖概述 .1.2.1 土地的概念及内涵 .1.2.2 土地利用与土地覆盖的概念及关系 .1.3 国内外 LUCC 研究 .1.3.1 国外 LUCC 研究 .1.3.2 国内 LUCC 研究 .1.3.3 国内 LUCC 研究现状 .1.4 本文研究内容、研究方法与技术路线 .1.4.1 研究内容 .1.4.2 研究方法 .1.4.3 技术路线 .2 研究区概况及数据来源 .2.1 研究区概
3、况 .2.1.1 研究区地理位置及分区 .2.1.2 研究区自然环境 .2.1.2.1 地形地貌 .2.1.2.2 自然资源 .2.1.3 气候特征 .2.2 数据来源 .43 遥感数据解译 .3.1 遥感数据预处理 .3.1.1 辐射定标 .3.1.2 大气校正 .3.1.3 图像裁剪 .3.2 遥感影像分类过程 .3.2.1 分类方法的选择 .3.2.2 分类系统的建立 .3.2.3 影像解译过程 .3.3 分类精度评价 .4 南靖县土地利用/土地覆盖变化研究结果分析 .4.1 动态变化信息提取 .4.1.1 土地利用转移矩阵 .4.1.2 土地利用动态变化计算 .4.2 研究结果与分析
4、.4.2.1 土地利用/土地覆盖结构与变化 .4.2.2 土地利用/土地覆盖类型转换情况 .5 总结 .参考文献 .致谢语 .1 引言1.1 研究背景与意义1.1.1 研究背景5进入 20 世纪以来，随着人口数量的飞速增长和科学技术水平的不断提高，快速增长的社会经济极大地改善了人类的生活水平，同时也以惊人的速度和规模改变着人类赖以生存的地球环境，因此产生了一系列全球性环境问题，如淡水资源总量持续下降、温室效应、臭氧层破坏、生物种类急剧减少和土地资源污染等，对人类社会和生存环境的可持续发展构成了极大的威胁。随着对全球环境变化的深入了解与研究，人们逐渐意识到人类活动引起的土地覆盖变化和对土地的过度
5、开发利用与全球环境变化皆有紧密的联系。经过对土地利用/土地覆盖变化（ LUCC）的研究可得出，人类活动既是直接引起全球环境变化的主要因素，又对地-气之间的相互作用和生物物种的减少起着重要的作用，同时也是土地可持续发展的主导因子 1。南靖县位于东南沿海地区，因其特殊的地理位置和丰富的自然资源，使其近几十年来经济发展快速，南靖土楼在 2008 年 7 月 7 日被评为世界文化遗产。南靖县因此被更多的人所熟知，更是借此契机快速发展了旅游经济。随着南靖县的快速发展，人们扩大了活动范围，人类活动对其土地覆盖格局的影响也随之加强，导致近几十年来南靖县的土地覆盖情况发生了明显的变化。如何使人类赖以生存的环境
6、向着对人类有利的方向发展，这是不断发展的南靖县急需解决的问题。1.1.2 研究意义南靖县作为山地丘陵地区，其地形地貌特征在我国东南地区具有一定的代表性，对其进行土地覆盖变化研究可为其他同类型地区的研究提供一定的参考依据。南靖县作为土楼文化的遗产地，对其进行土地覆盖变化研究可为世界文化遗产地土地覆盖变化情况提供有益参考，也为其保护及合理规划提供决策了依据。研究与分析南靖县土地覆盖变化情况有利于对其土地资源进行有效的开发利用及合理保护，同时为南靖县土地资源的可持续发展提供了科学的依据。1.2 土地利用/土地覆盖概述1.2.1 土地的概念及内涵土地是指地球表面及其以上、以下的特定空间范围内的全部自然
7、要素，以及这些环境要素施加在人类今后对土地利用的影响 2。此概念包涵了以下方面： 土地是由大自然孕育而成的综合体，是人类迄今为止各类活动的产物；土地具有一定的空间范围；土地与人类互相作用和影响。人们对土地按其特点进行分类与使用，并协调与土地之间的关系，提高土地的利用价值。1.2.2 土地利用与土地覆盖的概念及关系土地具有自然属性和社会经济属性，土地利用则是人类根据土地的这两种属性，对土地进行一系列经营活动来满足生产生活需求的过程。土地覆盖被 IGBP 和 IHDP 这两大组织界说为：地球陆地表层和常应力层的自然状态，是自然演变地过程和人类活动共同作用的结果 4；有的学者认为土地覆盖是指“地表自
8、然物体和人类活动共同影响所形成的覆盖物” ；还有“覆盖于地球表面的植被及其性质”是美国“全球环境变化研究计划”对土地覆盖的定义； 此外，还有的人认为土地覆盖是指在地表植被（天然或人工种植）和人工建筑，比如水体、冰、裸露岩石、沙石也被认为是土地覆盖的具体形式。由上述的不同定义中可知土地覆盖的基本内涵是一致的： 土地覆盖包括自然状况和人为结果； 作为土地覆盖的主要部分之一，植被还起着自然纽带的作用，将自然环境中的各种主要要素连接起来；当下土地覆盖状况受6到人类对土地的整治与利用的影响 5。土地利用与土地覆盖的侧重点有所区别，土地利用的侧重点在于土地的社会经济属性，而土地覆盖的侧重点在于土地的自然属
9、性。从各种不同大小的区域尺度上来说，土地覆盖的急剧变化是基于土地利用变化所引起的，这种变化是持续不断的，而土地利用的方式、时空格局变化等是因土地覆盖通过对其主体的决策响应并进行反馈导致的，因此两者之间是一种因果互动关系。1.3 国内外 LUCC 研究1.3.1 国外 LUCC 研究随着人类对全球环境变化的深入研究，各国科学家逐渐意识到人类活动将会对环境变化造成影响。因此许多专家学者也相继对土地利用/土地覆盖进行相关的研究。Lambin 6等对土地利用/覆盖变化的建模工作做过评述。Iverson 7以当前时间和过去的 160 年作为两个研究时段，对美国伊里诺斯州的土地利用状况进行对比研究，并分析
10、了此区域的土地利用变化类型。Boerner 8等研究了美国中东部的俄亥俄州中部地区 46 年间的土地利用变化。Wageningen 大学的 Veldkamp、DeKoning 等科学家以案例研究为主，采取统计分析的方法，对数种不同土地利用类型的变化进行分析与归类 9。,Fridolin krausmann 等研究发现1950-1995 年间奥地利土地利用 /覆盖变化的主要驱动力是农业社会经济体制的变化。总的来说，国外土地利用/ 土地覆盖研究正处于蓬勃发展的时期，其研究技术正逐步的成熟起来，但国际上对其的研究主要是在较大的时空尺度上进行的，多集中于 LUCC 的模型、LUCC 的变化过程与 LU
11、CC 的驱动机制这三个重点研究领域。1.3.2 国内 LUCC 研究我国早期对土地利用/土地覆盖的研究着重于对土地资源的调查、规划和开发管理等各项基本工作，但由于近年来国际上有关土地利用/土地覆盖研究项目的大量展开，我国的土地利用/ 土地覆盖变化与全球变化的综合性研究，也取得了一定成果 10。王秀兰、包玉海 11从 LUCC 的涵义出发，分析了土地利用/土地覆盖变化研究的方法与其变化模型的建立。刘纪远、张增祥 12等在土地利用/ 土地覆盖变化时空信息平台的支持下，全面分析了我国二十世纪八十年代末到九十年代末的土地利用/土地覆盖变化过程，揭示了我国 10 年来土地利用/土地覆盖在时间和空间上的变
12、化规律，并研究其驱动机制。杨依天、郑度等 13利用和田绿洲的遥感影像,从空间耦合角度分析了研究区在 1980-2010 年土地利用/土地覆盖变化及其环境效应。卢远 14以 RS 和 GIS 为技术支持，对我国北方生态脆弱带的重要组成部分之一吉林西部的土地利用与覆盖变化进行研究。王红、宫鹏 15等对黄河三角洲的土地利用/ 土地覆盖变化进行研究。彭建 16以位于贵州中部的猫跳河喀斯特流域为对象，研究了该区域在 1973-2002 年这三十年间土地利用/土地覆盖变化。总的来说，目前有关变 LUCC 的研究正广泛开展。国内对土地利用/ 土地覆盖的研究方向是按照国际的研究趋势来决定的，大部分的研究都是关
13、于三大重点研究领域的。研究者们都一致认为影响土地利用/土地覆盖变化的主要驱动因素是人类活动，但在使用分析模型对另一驱动因子社会经济因素进行定量分析和模拟的成功率往往很低。1.3.3 国内 LUCC 研究现状7尽管国内外研究者在研讨土地利用/土地覆盖三个重要研究领域方面取得了突破性的进展，但目前的研究领域主要着重于较大的时空尺度。少数的区域性范围的研究，学者也选择较为落后的山区作为研究区域。近年来国内对 LUCC 的研究也紧随着国际步伐进行了区域性范围的研究，但其开展的一些区域性土地利用变化的研究多侧重于研究“热点区域”和“生态环境脆弱区” ，如喀斯特地区、黄河三角洲和北方生态脆弱地区等，对我国
14、东南沿海的山地丘陵地区的土地覆盖格局变化方面的深入研究相对较少，特别是对世界文化遗产地的研究更是少见。1.4 本文研究内容、研究方法与技术路线1.4.1 研究内容本研究是基于多时相遥感图像来进行的土地覆盖变化的动态监测，以南靖县为研究区，研究根据1996-2014 年这 18 年间该区域土地覆盖的动态变化，探明其空间分布规律和动态变化过程，并对该地区土地资源的科学保护和合理开发提出建议，为世界文化遗产地生态建设提供科学的决策依据。具体内容包括： （1）南靖县土地覆盖分布现状，空间分布规律； （2）18 年来南靖县地区土地覆盖动态变化情况； （3）南靖县土地覆盖发生动态变化的原因及其与人类活动的
15、关系。1.4.2 研究方法本文采用南靖县 1996 年、2002 年、2009 年和 2014 年四期的遥感影像，在 ENVI5.1 遥感图像处理软件的支持下，应用最大似然的监督分类方法对土地覆盖类型进行分类，获取四期南靖县土地覆盖分类图。然后对南靖县的土地覆盖变化数据进行统计分析，获得该区域土地覆盖变化情况。1.4.3 技术路线本研究以遥感技术为主，数据统计分析为主要手段，最终得出南靖县土地覆盖变化情况。具体的技术流程见图 1-1。图 1-1 技术流程图2 研究区概况及数据来源2.1 研究区概况2.1.1 研究区地理位置及分区8南靖县位于漳州市西北部，九龙江上游，距离厦门 90 多公里，介于
16、北纬 242620245958，东经 1170121173636之间。东南相邻于漳州高新技术产业开发区、芗城区，东邻华安县，西连龙岩市的新罗区、永定县，南界平和县、龙海市，北与龙岩市、漳平市接壤。2015 年，全县划分为十个镇和一个国营华侨农场，十个镇分别为:山城镇、靖城镇、龙山镇、金山镇、和溪镇、奎洋镇、梅林镇、书洋镇、船场镇及南坑镇，国营华侨农场为丰田华侨农场，县人民政府驻山城镇兰陵路。2.1.2 研究区自然环境2.1.2.1 地形地貌境内因受老阿尔卑斯阶段晚期新华夏系构造的影响，形成 2 条以北北东向既有压性特征又具扭性特征的断裂褶皱带，漳平梅林断裂带控制着南靖县西部，福安上坪褶断带影响
17、着东部的地形地貌，致使南靖县境内的地貌轮廓极其复杂，整个地势的倾斜走向为从东北向西南，博平岭东南坡横亘西北边境。东南部丘陵起伏，九龙江（西溪）两岸盆谷发育，冲击平原开阔。最高峰海拔 1390.9 米，最低峰海拔 6.1米，两者之间相对高差为 1384.8 米。由于山河相间，峰谷交错，形成了许多对发展亚热带林木、经济作物及一些热带作物及其有利的马蹄形优良小环境。地貌依次可划分为以丘陵为主，中低山地为次，台地和河谷平原并列最末的 4 个类型区。2.1.2.2 自然资源南靖县具有耕地面积 2.65 万公顷，林地面积 14.96 万公顷，竹林面积 3.16 万公顷，森林蓄积量615.61 万立方米，森
18、林覆盖率达 71.64%。单位面积水资源总量 116.46 万立方米/平方千米。南靖县有针叶/阔叶林植被型、针混交植被行、竹林植被型、灌丛植被型和草坡植被型这六种植被类型。乐土亚热带雨林自然保护区有植物 1100 多种，包括宿轴木兰、建柏、桫椤、闽楠等珍惜树种。全县矿产资源丰富并且有 29 种国家级保护野生植物；鸟类 162 种，两栖爬行动物 47 种，兽类 55 种。2.1.3 气候特征南靖县地处亚热带沿海地区，气温年较差较小且热量充分；降水丰富，夏季多有台风天气，具有典型亚热带季风气候。县境内年平均气温 17.021.4 度(摄氏，下同) ，县东南地区 2121.4 度；县河谷地区 202
19、1 度；其余的山区 17.020 度。雨季长，雨量充沛，年平均降水量 15801880 毫米，降雨量较多的为梅雨季节和台风雨季。南靖季风明显，山城受地形影响，冬季的风向以偏北为主导，春夏秋风向普遍为偏东。2.2 数据来源本研究的遥感影像数据来源于“地理空间云数据”的 Landsat 数据，选取了 1996 年、2002 年、2009年和 2014 年四个时期的遥感影像。影像尽可能的选择云层较少的图像，有利于提高影像处理的精度；选择植被较为茂盛的夏秋季遥感，有利于地类解译。具体如表 2-2 所示：9表 2-2 遥感影像数据源信息传感器类型 卫星名称 空间分辨率 研究所用波段 获取时间TM Lan
20、dsat 30m 6 个多光谱波段 1996 年 10 月 31 日ETM Landsat 30m 6 个多光谱波段 2002 年 10 月 8 日TM Landsat 30m 6 个多光谱波段 2009 年 10 月 19 日OLI Landsat 30m 6 个多光谱波段 2014 年 10 月 17 日3 遥感数据解译3.1 遥感数据预处理3.1.1 辐射定标辐射定标是把图像上的 DN 值转为大气外层表面反射率，一般有两种方式： 利用 ENVI 自带的对TM 的定标工具进行定标，获取辐射亮度或者反射率；利用计算公式，在 ENVI5.1 中利用波段运算计算辐射亮度或反射率。方法 1：用 E
21、NVI 中的工具进行辐射定标此种方法直接在 ENVI 中利用其具有的工具，输入一些所需参数之后便可完成定标。方法 2：通过 ENVI5.1 的波段运算利用计算公式进行定标：1）计算表观辐亮度的公式：(3-1)lmaxinradince*qcalminliqcl（ ） （ ）（ ）其中：radiance 表观辐亮度 qcal-DN（也就是影像数据本身） ；lmax 和 lmin 是从参数表中查询；qcalmax 是 DN 值的最大值；Qcalmin 是 DN 值的最小值。所以公式 3-1 针对 TM 数据可简写成： 10(3-2)lmaxinradince*qcal minq（ ）（ ）即： (
22、3-3)calcalmxLMAXNQLMA 公式 3-3 还可再次简化为： (3-4) Radincegi*Dofset2） 表观反射率的计算 (3-5)2*LdESUNcos（ ）其中: 为表观反射率； L 为第一步得出的表观辐亮度； d 为日地距离； ESUN 为大气层外的太阳辐射； 为太阳天顶角（可通过影像的元数据获取） 。综合对比上述两种辐射定标的方法，方法 1 较为常用且具有操作简便的优点，因此选取方法 1 来进行辐射定标。3.1.2 大气校正进入大气的太阳辐射会进行诸多的物理作用，对传感器的接收效果有直接的影响。大气校正是为了消除由这些影响引起的误差。迄今为止，大气校正方法有很多。这些方法中绝对与相对校正是以校正后的结果为基本划分的 17，直接校正和间接校正是基于校正过程划分的 18，但这些分类并没有明显的界限。大气校正的主要方法有直方图最小值去除法、简化黑暗像元法大气校正、不变目标法相对大气校正、QUAC 快速大气校正工具及 FLAASH 大气校正等方法。综合比较分析上述的几种方法，因 FLAASH 大气校正具有算法精度高，使用范围广泛和使用限制少等特点，本文选此作为大气校正的方法。3.1.3 图像裁剪在研究过程中，有时只需研究整幅图像的某一特定区域，为了将研究以外的区域去除，我们常对遥感影像进行裁剪处理。在 ENVI5.1 中图像裁剪的方式有规则裁剪和不规则裁剪。
