基于RS和GIS的区域LUCC的景观生态效应研究——以北京市密云为例

摘要

土地利用/覆盖变化(Land Use and Cover Change，LUCC)是IGBP与IHDP合作进行的纲领性交叉科学研究课题，其不仅是直接影响到生态系统的生物多样性、全球气候变化和土壤退化的主要动因，并能通过对生态系统服务功能改变影响的人类需求。基于此，本研究以密云县2003年和2013年两期Landsat TM影像为基础，探讨密云水库10年间在景观尺度上的LUCC时空演化规律，分析并揭示土地利用景观格局的时空演化特征和规律，从社会、人文和经济因素三个方面探讨土地利用景观格局演变的内在驱动机制;基于土地利用时空演变模型，定量分析LUCC的数量和质量及其变化，探究LUCC的演变过程，揭示研究区域LUCC的空间现象、演变过程和驱动机制;进而从景观空间格局稳定性的角度出发评价LUCC的生态环境效应，以生态敏感度、生态弹性度和生态压力为变量构建生态环境的敏感性评价模型，探究LUCC与生态环境，生态脆弱性之间的作用机制;最后在生态功能定性区划的基础上，探讨不同脆弱生态区的生态恢复、重建的方法与途径，有针对性的提出了密云县土地生态建设的措施，为密云的土地利用和生态恢复建设提供技术支持和理论依据。主要研究内容与成果如下：
　　(1)收集研究区域遥感图像(Landsat TM)、植被指数(NDVI)、地形和地质地貌数据等相关信息，根据研究区域特点构建土地分类系统，基于多源空间数据库建立研究区域地物类型解译标志，结合野外实地考察数据采用决策树法对2003年和2013年两期数据进行分类，2003年和2013年分类精度达到88.33％和86.35％，kappa系数分别为0.8565和0.8374。
　　(2)2003年和2013年研究区域各景观类型面积分布不均衡，且斑块数目差异较为明显。其中林地面积所占比例最大，面积比例分别为48.24％和59.18％，控制着研究区域的景观整体结构、功能和动态过程;人工景观（居民工矿用地景观）面积比例分别为7.95％和7.12％;半自然景观（未利用地）的面积比例分别为18.39％和11.11％。总体而言，区域总体景观格局呈现出以林地景观为主，水域、草地和居民工矿用地等景观斑块分散在林地中。该景观格局现状除了与自然条件因素有关外，还和研究区域的地理位置、人口数量、经济发展程度和区域产业结构相关。
　　(3)通过对两期数据景观格局指数的计算，NP、PD、AWMSI和IJI指数均呈现减少的趋势，CONTAG指数呈现增加的趋势。说明地表景观斑块数目减少，破碎化程度减缓，地表景观斑块的形状区域简单化，空间分布由分散趋向于集中分布，空间分布紧密程度增加，区域整体生态环境质量得到改善，而且景观生态功能得到一定的发挥。SHDI和SHEI指数呈现逐渐减少的趋势，DI呈现增加的趋势，整个研究区内各种景观类型之间总体分布的均衡化程度逐渐减少，受到某一种或者几种优势景观类型支配的情况受到加强，对整体景观的控制作用增强，区域景观的丰富程度和复杂程度有所减缓。
　　(4)使用主成分分析的方法对景观演变驱动机制进行分析，研究表明:第一主成分的特征值为8.521，对解释方差的贡献率为77.459％，其体现的主要是社会经济发展因素;第二主成分的贡献率为10.686％，其体现的为农村人口;第三主成分贡献率为7.516％，其体现的为城市人口因子。定量的分析出经济发展因子和人口因子是推动研究区域LUCC景观演变的两个主导性驱动因素，这是本文的创新点之一。
　　(5)对研究区域生态服务功能计算可知:总生态服务价值在2003-2013年间生态服务效益增加了38.89×107万元，林地生态服务价值增幅最大，为43.34×107万元，占据的比例最高，分别为72.66％和77.65％，表明在整个区域生态服务价值中占据绝对的优势地位，其次是水域，生态服务价值所占的面积比例为13.99％和13.28％，草地的生态服务价值下降的最大，为10.48×107万元，居民工矿用地的生态服务价值所占的比例最小，仅为0.11％和0.09％。
　　(6)建立野外调查植被盖度数据与区域环境脆弱度评价值之间模型，量化了研究区域植被盖度与环境脆弱度间的函数关系，这是本文的又一个创新点。生境脆弱度和植被盖度之间存在较高的相关性，呈现负的相关关系，R2为0.8588，表明植被覆盖的高低很大程度上决定着其区域生态环境的脆弱性程度，通过该模型能够使用植被盖度定量的分析环境脆弱度。
　　(7)从生态敏感度、生态弹性度和生态压力度三个基本指标出发，构建生态环境的敏感性评价模型。采用自然分界法(Natural break)完成生境脆弱度等级划分，分别为:微度脆弱、低度脆弱、中度脆弱、高度脆弱和极度脆弱五个等级。2003年中度脆弱区的面积比例最大，微度脆弱区次之，面积比例分别为40.43％和37.00％;2013年微度脆弱区的面积比例最大，低度脆弱区次之，面积比例分别为48.57％和28.59％，极度脆弱区所占的面积比例都是最小，分别为1.78％和1.28％。基于Markov模型对密云县未来生态环境脆弱度变化的趋势预测表明:极度、高度、中度和低度脆弱区域的面积比例都呈现持续减少的趋势，微度脆弱区的面积呈现持续增加的趋势，最终的面积比例为53.01％。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 LUCC的遥感信息提取研究现状

1．3 LUCC时空演化的生态效应研究

1．3．1 地表景观格局变化的气候响应

1．3．2 土地利用结构的生态环境影响

1．3．3 景观格局变化的生物多样性响应

1．3．4 LUCC景观生态效应指标一生态服务功能价值

1．4 研究的目的与主要内容

1．4．1 研究的目的

1．4．2 研究的主要内容

1．5 研究方法和技术路线

1．5．1 研究方法

1．5．2 技术路线

2 研究区域概况

2．1 研究区地理位置

2．2 研究区自然地理条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 气候

2．2．3 水文

2．2．4 土壤

2．2．5 植被

2．3 社会经济条件

2．3．1 经济发展水平

2．3．2 人口和劳动力

2．3．3 交通道路

3 数据处理及信息提取方法

3．1 数据获取

3．1．1 遥感数据源

3．1．2 非遥感数据

3．2 数据预处理

3．2．1 遥感数据处理

3．2．2 非遥感数据处理

3．3 地物覆盖信息提取

3．3．1 地物类型分类体系

3．3．2 地物类型解译标志

3．3．3 基于决策树法的地物覆盖信息提取

3．4 小结

4 景观格局时空演变特征

4．1 景观格局时空变化分析

4．1．1 斑块类型水平(class-level)上的景观格局变化

4．1．2 景观水平(landscape-level)上的景观格局变化

4．1．3 景观格局指数定量分析

4．2 景观指数的尺度效应

4．3 土地利用景观演变的驱动机制分析

4．4 小结

5 土地利用格局时空演变定量分析

5．1 LUCC空间演变模型

5．2 空间结构变化的研究

5．3 土地利用程度综合指数模型分析

5．4 基于地形因子的LUCC分析

5．4．1 土地利用的垂直分布特征

5．4．2 土地利用坡向分布特征

5．4．3 土地利用的坡度分布特征

5．5 小结

6 基于区域LUCC的景观生态环境响应

6．1 LUCC的景观稳定性评价

6．1．1 景观要素主成分分析

6．1．2 景观稳定性分析

6．2 LUCC的生态服务价值

6．2．1 生态服务价值计算方法

6．2．2 区域LUCC变化对生态服务功能的影响评价

6．3 区域生态环境综合评价

6．3．1 评价方法

6．3．2 评价单元

6．3．3 评价指标

6．3．4 生态环境脆弱性评模型

6．3．5 生态环境脆弱性空间分布格局

6．4 生态功能分区

6．5 小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历

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