土地利用与植被覆盖变化研究-以西安市灞桥区为例

《土地利用与植被覆盖变化研究》课程考核 土地利用与植被覆盖变化研究 ——以西安市灞桥区为例

学生姓名：JZ-W 学生学号：251020313 - 1 -

土地利用与植被覆盖变化研究 ——以西安市灞桥区为例 学生姓名：JZ-W 学生学号：251020313

摘要 本文以西安市灞桥区2000年和2009年两期SOPT影像数据基础，利用ENVI软件处理数据，进行研究区域的土地类型划分，进而通过计算土地利用动态度、土地分类指数、土地利用类型转移矩阵、土地利用程度综合指数等量，分析研究区土地利用及覆被变化基本情况，并对变化结果进行解释，对未来土地利用及覆被变化进行合理预测。 关键词 灞桥区，SPOT，土地利用，覆被变化 1 绪论 1.1 研究目的意义 此次研究目的在于通过实践练习，处理遥感影像数据，理解LUCC研究一般过程，理解LUCC内涵，熟练ENVI等相关专业软件的使用，提升科研能力。

2 研究内容和技术路线 2.1 研究内容 利用西安市灞桥区2000年和2009年两期分辨率为10米的SPOT影像数据，进行土地利用分类；计算并分析土地利用动态度、土地分类指数、土地利用类型转移矩阵、土地利用程度综合指数的变化特点与变化量；分析该区土地利用及覆被变化规律；对该区土地利用及覆被变化进行解释；利用两期SPOT影像数据，对未来10年的区域土地利用类型分布进行马尔可夫预测。 2.2 技术路线 对影像进行监督分类，并对分类结果进行检验，结果满意后再计算衡量土地利用及覆被变化的各项指标，分析各个结果数据得出有关信息，对计算结果进行解释，对未来土地利用类型进行预测。

3 研究区域概况与数据来源 3.1 研究区域概况 灞桥区地处陕西关中盆地中部，西安城东部，系西安市辖区之一。地理坐标为东经108°59′～109°16′，北纬34°10′～34°27′。东与临潼区、蓝田县接壤，西与雁塔区、新城区、未央区相连，南与长安区为邻，北以渭河与高陵县相望。距市中心5公里，全区总面积332平方公里，辖9个街道办事处，33个社区，226个行政村，人口50余万，因境内遗存始建于隋代的古灞桥而得名。 灞桥区以渭河冲积平原为主，具有山、坡、川、滩、塬的多样性地貌特征，包括三个类型区，其中北部为渭河冲积平原区，东部为低山丘陵区，东南部为台塬区。白鹿塬区域地质构造属于渭河断陷形成的阶梯式下降复式地堑，阶地台塬沟堑内以砂孵石、砾石及土状堆积物为主，并有丰厚的新生代沉积。台塬上区地形平缓，地势北高南低，以农业用地为主，地形由南向北依次递减至沟沿，沟顶海拔600m～750m，沟底海拔160m～600m之间，长度约3公里，坡度约30°左右，地面切割成的沟谷长度约为1000～2000m/km2。土壤类型以黄垩土、白垩土、褐色土以及少量的红色土，有机质丰富，保墒性能好，但是透气性差。 - 2 -

灞桥区属于暖温带半湿润大陆性季风区，光、热、水、气、土等自然条件优越。年平均降雨量635mm，日照时间为2026～2719小时，年平均气温为12～13.3℃，极端最高气温为41.7℃，绝对最低气温为－20.6℃。年大于10℃的有效积温为3650～4325℃，年无霜期202～208天。年初霜日期为11月1日以后，终霜期为4月1日以后。风向频率（静风频率）为30%左右，平均风速为2m/S。年平均相对湿度为70%左右。全年适于旅游的天数为290天，其中最佳的旅游时节为3月中旬至6月底、8月初至11月中旬，约210天。 3.2 数据来源 本次研究所用的是2000年和2009年两期遥感数据，该数据由指导老师提供，该数据为10米分辨率的SPOT影像数据，其投影为UTM，大地基准为WGS-84。出于本次研究的目的意义不是对目标区域的具体情况得出可靠研究结果，而是对研究一般过程的把握，所以没有对影像进行投影变换，几何校正等预处理工作。

4 研究过程 4.1 土地利用分类 土地利用分类是进行LUCC研究的基础性工作，本次研究选择的分类方法是监督分类，在分类之前要进行训练样本选择。根据研究区面积及影像特征，笔者把灞桥区土地利用分成四类，分别是：建设用地，耕地，水体，林地。在选择训练区样本时，四类样本数量选择在20个左右。选择完样本之后，利用最大似然法进行分类，并利用混淆矩阵来检验分类精度，由于影像质量较差等原因，分类精度不是很好。2000年及2009年分类结果如下图所示。

4.2 土地利用动态度计算 本研究仅涉及单一类型的土地利用动态度。土地利用动态度分析主要采用土地利用动态度研究土地利用变化模式。土地利用类型动态度指是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为： - 3 -

K=(Ub-Uα)/Uα×1/T×100% （1） 式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。 应用土地利用动态度分析土地利用类型的动态变化，可以真实反映区域土地利用/覆盖变化中土地利用类型变化的剧烈程度。 本研究中，土地类型数量用像元数目表示，Ub代表2009年的土地利用类型大小，Ua代表2000年的土地利用类型大小，时间T设定为10年，计算结果如下表所示。 表格 1 灞桥区土地利用动态度 土地类型 Ub /个 Ua/个 T/年 K/% 建设 1586084 1506149 10 0.5307 耕地 1282513 1338703 10 -0.4197 水体 65583 97246 10 -3.2560 林地 311554 303611 10 0.2616 4.3 土地分类指数计算 为了考察土地利用类型变化情况，可定义各类土地利用指数，如垦殖指数、植被指数、水域指数、林地指数、城市化指数，通过每类指数的变化可定量表达该区某一类型土地利用的利用程度与变化趋势。通过考察垦殖指数、植被指数、水域指数、林地指数和城市化指数的时空变化，可以定向了解各个地区土地利用与土地覆被中的耕地、草地、林地、水域的变化以及城市的扩展状况。土地各个分类指数定义为：

niiniiAaAaI11)(100)( （2）

式中：I——分析区域的土地利用分类指数； ai——分析区域内i类型土地利用所占的土地面积大小； A——分析区域土地总面积； n——土地利用分类的数目。 根据各个土地利用分类指数的定义，可以定义土地分类指数变化模型为:

10011AaaIIIniianiibabab （3）

%100)1(tIdIabab （4）

式中：Ia、Ib——分别为a时间和b时间的一定区域的土地利用分类指数； abI——在时间段a与b之间的土地分类指数变化量；

abdI——与t时间段对应的土地分类指数变化率；

T——时间段b－a。 由于数据量和有关信息量（如实际土地类型种数）限制，不能进行灞桥区土地分类指数计算。 4.4 土地利用类型转移矩阵计算 单纯的土地类型面积的增减并不能较好地反映各类型间的转换情况，即新增部分由哪些土地资源转换而来，减少部分又去向哪里。土地利用状态转移矩阵可全面而又具体地刻画区域土地利用变化的结构 - 4 -

特征与各用地类型变化的方向。该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，为国内外所常用。转移矩阵的数学形式为：







nnnnnnnijssssssssssssS





32122322211131211

（5）

式中：S——面积，hm2； n——土地利用的类型数： i，j——分别代表研究期初与研究期末的土地利用类型。在具体应用中，通常将该矩阵用表格形式来表示。 严格地讲，转移矩阵并非一种指数，只是将土地利用变化的类型转移面积按矩阵或表格的形式加以列出，可作为结构分析与变化方向分析的基础。从对区域土地利用变化特点的反映上，它又类似于指数，不妨看作指数的一种特殊形式。转移矩阵的意义在于它不仅可以反映研究期初、研究期末的土地利用类型结构，同时还可以反映研究时段内各土地利用类型的转移变化情况，以便于了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成。 本研究中S使用像元数量表示，n设定为10年，计算生成的灞桥区土地利用的转移矩阵如下表所示。 表格 2 2000—2009年灞桥区土地利用的转移矩阵 2009年 2000年 建设 耕地 水体 林地 总计 建设 808243 540201 35447 120755 1504646 比重/% 53.72 35.90 2.36 8.03 100.00 耕地 593858 597302 12023 134146 1337329 比重/% 44.41 44.66 0.90 10.03 100.00 水体 37591 29768 14295 15285 96939 比重/% 38.78 30.71 14.75 15.77 100.00 林地 144807 114202 3295 41077 303381 比重/% 47.73 37.64 1.09 13.54 100.00 总计 1584499 1281473 65060 311263 3242295 4.5 土地利用程度综合指数计算 土地利用程度变化模型是建立在对土地利用变化本身的历史过程进行描述的基础上的。根据刘纪远先生提出的土地利用程度的综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级，并赋予分级指数，从而给出了土地利用程度综合指数及土地利用程度变化模型的定量化表达式。土地利用综合指数模型的数学表达式为：

400,1001001niiiLCAL （6）

式中：L——某区域土地利用程度综合指数； Ai——区域内第i级土地利用程度分级指数； Ci——区域内第i级土地利用程度分级面积百分比； n——土地利用程度的分级数。 土地利用程度变化值表达式为：