基于SPOT影像的杭州市区土地利用/覆盖变化动力学研究

摘要

本文选择城市发展迅速的杭州市为典型研究区，利用遥感技术和GIS空间分析方法，以变化检测、过程及景观格局分析、驱动机制研究和模型预测为主线，开展了杭州市城市化过程中土地利用/覆盖变化动力学研究。研究目的在于建立能综合多种遥感信息源，可靠、有效、可行的城市土地利用/覆盖动态变化检测方法；在此基础上分析和揭示快速城市化过程中土地利用/v覆盖变化的基本特征、演化规律及驱动机制，并模拟预测未来杭州市土地利用/覆盖变化方向及格局，以期研究成果能为杭州市城市发展规划、资源管理和未来政策的制定提供一定的参考，并丰富和推动目前城市土地利用/覆盖变化的研究。 论文的主要研究工作、认识和结论如下： (1)基本构建了杭州市城市化过程中土地利用，覆盖变化动力学研究方法的框架。通过总结和分析目前国内外相关研究进展，确立了杭州市城市化过程中土地利用/覆盖变化动力学研究方法的基本框架，以遥感和GIS为手段，开展了以变化检测-过程及格局-驱动机制-变化预测研究为中心的研究实践。 (2)建立了较为完整的城市土地利用，覆盖变化检测的方法体系，提出了基于多时相、多传感器、多种模式SPOT遥感影像的城市土地利用，覆盖变化检测方法和分层随机以及人工自定义相结合的精度评价采样方案，并系统地分析和阐述了各部分的复杂性、重要性以及为了确保变化信息的准确、可靠应采取的关键技术方法。本文以杭州市区为典型研究区，利用了4个年份(1996、2000、2003和2006年)、两种传感器(SPOt3和SPOT-5)以及两种不同数据模式(全色和多光谱)的SPOT遥感影像，根据所采用的数据和研究对象的特点，提出了多时相直接主成份分析(PCA)和合成分类器(非监督分类-不确定掩模-监督分类)进行变化信息的增强及变化信息的提取，得到了三个不同变化时期(1996-2000、2000-2003、2003-2006)土地利用/覆盖变化分布图：运用科学、合理的精度评价方法对变化检测结果进行了定量评价，为了既保证精度评价方案在统计上的合理性、科学性，又强调对重点或“热点”变化类型进行评价，使得结果更能反映研究区实际情况，提出运用分层随机和人工自定义相结合的采样方案进行精度评价。同时与常用变化监测方法(分类后比较)进行了精度比较。结果表明，本文提出的变化检测方法的精度最高达到92.58％(2003-2006年)，最低也有88.39％(1996-20130年)，并且精度都分别高于同一时期分类后比较方法的精度；在此基础上，利用地图代数方法，分解得到了4个年份的土地利用类型分布图。 (3)系统分析了杭州市1996年至2006年土地利用/覆盖时空变化过程以及景观格局，揭示了杭州快速城市化过程中土地利用/覆盖变化的基本特征和演化规律。利用3个时期的变化检测结果，从时间和空间上系统分析杭州市1996-2006年土地利用/覆盖变化的数量、位置和景观格局。结果表明：①10年间，杭州市出现了快速的城市化过程，导致土地利用/覆盖发生了巨大的变化。其中耕地、城市用地和水体是主要的变化类型：②10年间，杭州市土地利用/覆盖变化呈现出明显的阶段性：1996-2000年土地利用/覆盖发生大规模变化，超过了整个研究时段的平均水平；在2000-2003年，变化达峰值，此时期的土地利用/覆盖变化最为剧烈；而在2003-2006年，变化水平骤减，且明显低于平均水平。③江干区和西湖区的土地利用/覆盖变化最剧烈，两者的变化面积占到总量的67.10％，其次是滨江区，后面依次是下城区，拱墅区，变化幅度最小的是上城区；④杭州市在快速城市化过程中经历了巨大的景观转化，已经从1996年农业景观逐步变成2006年人工景观为主，在此期间，景观格局经历了复杂、动态的变化。在整个研究时段内，耕地景观受到城市的影响最为严重，园地和林地受人为干预的影响不是非常明显，而城市化过程对城市用地景观产生了显著影响。 (4)分析并明确了杭州城市化过程及时空演化特征，提出了区域城市化强度指数(I)来描述不同区域城市化过程的强烈程度，提出了运用土壤资源质量指数(SQ)来评价和分析城市化过程中土壤资源质量损失状况。1996-2006年的10年间，杭州快速城市化过程非常明显，杭州规模不断扩大，城市空间拓展形态已从以西湖为核心的、在较小地域范围圈层式发展的模式变为面状、蔓延式扩张。在此期间，城市化过程可分为三个明显的发展阶段，即快速发展期(1996-2000)、加速发展期(2000-2003)和减速发展期(2003-2006)三个阶段。10年间，江干区是城市化最明显、强度最大的区域，其次是西湖区和滨江区，后面依次是拱墅区、下城区和上城区。从市中心外部5公里开始，城市扩张规模和强度随着离市中心距离的增加呈线性递减的趋势，城市空间增长呈现出明显的层次性。杭州快速城市化过程中士地质量付出的代价也是惊人的。江干区的研究结果表明：城市扩张侵占的都是优质土壤，其中优质黄松土的损失面积占到损失总量的38.11％。而土壤资源质量等级最高的土壤资源的损失量占到了总量的43％，其中耕地是土壤质量损失最严重的土地利用类型，45.86％的损失量都来自土壤资源质量等级最高的耕地资源。 (5)利用遥感和GIS手段，从时间和空间上系统分析和阐述了杭州市城市化过程中土地利用，覆盖变化驱动机制。根据杭州城市自身发展特点和驱动力作用方式的不同，并将驱动因子分为八大类。其中，城市历史发展及自然条件是城市发展的约束力，杭州城市的发展模式和现在的城市空间形态与城市历史发展和自然地理结构密不可分；政府的作用在城市化进程中始终是居于领导和支配地位，政府行为对城市发展具有显著的控制力：城市定位决定了城市的性质和发展目标，是城市发展的内部推动力：区位优势和比较优势是城市发展的催化力，杭州具有明显的区位优势和比较优势，快速推进杭州城市化已势在必行：长三角城市群和上海大经济圈的资金流、技术流、信息流和商品流对杭州城市发展产生了极大的牵引力：交通通达条件是城市发展的诱导力，它通过加强城市中心的集聚力和经济辐射能力引发了城市形态特征和发展方向变化；由土地价格产生的土地收益已经成为为维护城市建设发展，保证规划实施的重要保障，同时土地价格可以优化城市内部空间结构，促使工业和居住郊区化的形成，从而加速了城市化进程。而社会经济条件是城市发展的综合作用力。 (6)引入政府行为和土地级别等政治、经济因素，发展了基于马尔可夫过程和元胞自动机的城市化过程土地利用，覆盖变化预测模型。分析和比较现有土地利用，覆盖预测模型，如系统动力学、灰色系统、马尔可夫和元胞自动机模型的基础上，从限制因素和驱动因素共同影响城市空间拓展的角度，借助于IDRISI软件，发展了一个基于马尔可夫过程和元胞自动机的城市化过程土地利用/覆盖变化预测模型。模型中首次引入了政府行为、土地级别等驱动因子，并设计了针对不同因素的模糊函数或定量方法，将所有影响因素定量标准化到[0，255]。利用1996-2006年土地利用/覆盖转换面积矩阵和状态转移概率矩阵，采用扩展的摩尔型邻居规则对2006-2016年的土地利用/覆盖变化进行了预测。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

致谢

第一章绪论

1.1论文研究背景

1.2城市化过程中土地利用/土地覆盖变化研究进展

1.2.1土地利用/覆盖变化检测(测量)研究

1.2.2土地利用/覆盖变化格局特征与变化过程研究

1.2.3土地利用/覆盖变化驱动机制研究

1.2.4土地利用/覆盖变化模型研究

第二章研究意义、目的与内容

2.1研究意义

2.2研究目标与内容

2.3研究思路与技术路线

第三章杭州市城市化过程中土地利用/覆盖变化检测研究

3.1研究区概况

3.1.1地理位置及范围

3.1.2自然条件

3.2研究所用到的数据资料

3.2.1遥感影像数据

3.2.2其他参考资料

3.3杭州市基于多源SPOT影像的土地利用/土地覆盖变化检测

3 3.1遥感影像的选择

3.3.2数据预处理

3.3.3土地利用/覆盖变化检测方法的选择

3.3.4基于多时相、多源SPOT影像的PCA变化检测及信息增强

3.3.5变化信息提取

3.3.6变化检测精度评价

3.3.7不同时期土地利用/覆盖变化结果的分解

3.3.8小结

第四章杭州市土地利用/覆盖变化过程和景观格局分析

4.1 1996-2006年土地利用/覆盖变化分析

4.1.1不同变化时期土地利用/覆盖变化分析

4.1.2不同区域土地利用/覆盖变化分析

4.1.3不同时期土地利用/覆盖变化特征比较

4.1.4小结

4.2 1996-2006年土地利用景观格局分析

4.2.1区域景观格局分析

4.2.2不同景观类型的空间格局分析

4.2.3小结

第五章杭州市城市化过程及演化分析

5.1城市化分析方法

5.2杭州市城市化过程分析

5.2.1杭州市城市发展的历史回顾

5.2.2 1996-2006年杭州市城市化过程分析

5.2.3杭州市不同时期城市化过程分析

5.2.4杭州市不同区域城市化过程分析

5.2.5杭州市距离市中心不同距离的面状城市化过程分析

5.3城市化过程中土壤资源质量损失研究

5.3.1土壤资源质量指数(Soil Resource Quality Index)

5.3.2土壤资源质量损失分析

5.4小结

第六章杭州市城市化过程驱动机制研究

6.1城市历史发展形态和自然地理条件的约束力

6.2政府行为的控制力

6.3城市发展定位的内部推动力

6.4区位优势和比较优势

6.5长三角及上海大经济区的牵引力

6.6交通通达条件的诱导力

6.7土地级别及地价

6.8社会经济条件的综合作用力

6.9小结

第七章杭州市城市化过程土地利用/覆盖变化预测模型

7.1土地利用/覆盖预测模型的选择

7.1.1系统动力学模型

7.1.2灰色系统预测模型

7.1.3马尔可夫预测模型

7.1.4元胞自动机模型

7.2基于马尔可夫过程和元胞自动机的预测模型

7.2.1马尔可夫模型

7.2.2土地利用/覆盖变化影响因素的选取及其标准化

7.2.3邻居规则

7.2.4土地利用/覆盖变化预测

7.3预测结果及分析

7.4小结

第八章总结、创新

8.1总结

8.2研究新意与创新点

8.3展望

参考文献(reference)

附录