艾比湖土地利用格局变化及其驱动力研究.doc

新疆大学毕业论文(设计)

题 目: 艾比湖土地利用格局变化及其驱动力研究
指导老师: 王宏卫
学生姓名： 欧阳广交
所属院系： 资源与环境科学学院
专 业： 地理信息系统
班 级： 地理信息系统05-1班
完成日期： 2009.5.25

声 明

本人声明所呈交的论文是我个人在指导老师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为为获得新疆大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本人的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已经在文中标明。本人拥有自主知识产权，没有抄袭、剽窃他人成果。由此造成的知识产权纠纷由本人负责。

学位(毕业)论文作者亲笔签名: 日期：

11

新 疆 大 学
毕业论文（设计）任务书
班 级： 地信05-1班 姓 名： 欧阳广交
论文（设计）题目：艾比湖土地利用格局变化及其驱动力研究
专 题：
要求完成的内容：1、阅读土地利用格局变化的相关文献，确立论文写作的基本思路；
2、土地利用格局变化研究的国内外进展，完成文献综述；
3、利用遥感软件对研究区的土地利用格局进行分类；
4、对土地利用格局的变化做驱动力分析；
5、分析总结研究区土地利用格局的变化。

发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日
实习实训单位： 地点：
论文页数： 页； 图纸张数：
指导教师：
教研室主任：
院 长：

摘要

土地利用/覆被变化的研究是国际地圈———生物圈计划(IGBP)的核心计划之一。通过对它的研究,目的在于改善和提高对全球土地利用和土地覆盖变化动态过程的认识,以增进认识土地覆盖变化的能力,因此被越来越多的人认为是全球环境变化研究中一个关键而迫切的研究课题[1-4]。中国西部地区随着经济发展所导致的土地利用格局变化也较迅速,然而对该地区的研究却相对欠缺。本文立足于对土地利用变化的分析,根据土地利用变化与社会经济驱动因子的相关系数分析其驱动力，为区域土地利用规划和社会经济的可持续发展提供对策。

关键词：土地利用；驱动力；LUCC

ABSTRACT

The study of land use/land cover is one of the core plan of IGBP. Through its research, Aimed at improving and enhancing the global land use and land cover changes in the understanding of dynamic processes in order to enhance understanding of the capacity of land-cover change, So more and more people considere it to be a critical and urgent research topic in the research of global environmental change . The changes in land use in western region of China caused by economic development are very rapidly,but research in the region is quite few. This article based on the analysis of land-use change using the Correlation coefficient of land-use change and Socio-economic driving forces analysis its driving forces,so it can provide solution to the regional land use plan and socio-economic sustainable development.

Keywords: land use;driving forces;LUCC

目录

1综述 1
1.1 土地利用与土地覆被的关系 1
1.2 土地利用与土地覆被变化研究的内容 1
1.3 土地利用与土地覆被变化研究的进展 2
1.4 土地利用与土地覆被变化研究的发展趋势 3
2研究区域概况 4
3数据来源、处理与分析 4
3.1 数据来源 4
3.2 数据处理 4
3.2.1 LUCC变化信息的获取 4
3.2.1 分类 4
3.3 数据分析 6
3.3.1 LUCC变化情况 6
3.3.2 土地利用变化的驱动力分析 6
4 结果与分析 7
致谢 9
参考文献 10

1综述
随着全球环境变化研究的深入，人们认识到土地利用与土地覆被变化land Use/Cover Change，简称LUCC)是造成全球环境变化的重要原因，因此，LUCC正在成为地球系统新的研究重点。它既受自然因素的制约，又受社会、经济、技术和历史等因素的影响，具有很强的综合性和地域性。目前，土地利用与土地覆被变化研究主要通过三种途径进行:土地覆被的变化机制、土地利用的变化机制以及区域和全球土地利用与土地覆被变化的综合模型[5]。
1.1 土地利用与土地覆被的关系
土地利用与土地覆被是两个既有密切联系又有本质区别的重要概念。土地覆被反映的是地球表层和亚表层部分的自然状况，而土地利用是指人类对土地自然属性的利用目的、方式和意图[6]。农业、伐木、放牧和城市发展是土地利用;作物、森林、草原、道路和建筑物以及土壤、冰川、水面等则属于不同的土地覆被。由于土地利用变化对环境的影响主要是通过改变土地覆被状况产生的，因此人们常把土地利用变化与土地覆被变化联系在一起。土地利用变化导致的土地覆被变化主要有两种类型[7]:渐变(modification)和转变(Conversion)。渐变是指同一种土地覆被类型内部条件的变化，如对森林进行疏伐，或农田施肥等;转变则是指一种覆被类型转变为另一种覆被类型，如森林变为农田或草地等。此外，维护(Maintenance)，即让土地覆被保持一定的状态，也是人类活动影响土地覆被的一种形式。
1.2 土地利用与土地覆被变化研究的内容
随着对土地利用与土地覆被变化在全球环境变化研究中的重要性的认识不断提高，国际地圈生物圈计划(IGBP)和国际全球变化的人文因素计划(IHDP)在广泛征集各国科学家意见的基础上，针对土地利用与上地覆被变化的特点以及全球变化研究的需要，于1995年推出了一个详细的LUCC科学研究计划，将土地利用与土地覆被变化研究的主要内容概括为以下五个科学问题:
(1)在过去300年间，人类的土地利用活动是如何改变土地覆被状况的;
(2)在不同地区不同历史条件下，土地利用变化的人文因素主要有哪些;
(3)在未来的50到100年内，土地利用变化将如何影响土地覆被状况;
(4)各种自然和人文因素如何影响不同土地利用方式的可持续性;
(5)气候变化和全球生物地球化学循环与土地利用/土地覆被变化的相互作用如何。
目前国内外LLCC研究内容主要集中在以下几个方面:
(l)土地利用与土地覆被变化遥感数据库的建立;
(2)全球变化的土地覆被分类系统研究;
(3)区域土地利用与土地覆被变化及其社会经济驱动力系统的研究;
(4)基于仿真技术和计量经济方法的土地利用变化分析系统(LUCAS)的研究;
(5)区域和全球土地利用与土地覆被变化预测模型及其尺度研究;
(6)以土地评价为基础的土地利用系统(LUS)和土地质量指标体系(IQIS)的研究;
(7)基于遥感宏观调查和土地动态分析之上的土地利用程度的区域分异模型研究。
1.3 土地利用与土地覆被变化研究的进展
自1995年两大组织IGBP和IHDP共同拟订并发表了《土地利用与土地覆被变化科学研究计划》以后，许多国际组织和国家纷纷响应号召，在土地利用与土地覆被变化及有关方面立项研究，积累了不少经验和成果。其中，国际应用系统分析研究所(IIASA)于1995年启动了“欧洲和北亚土地利用与土地覆被变化模型”项目;联合国环境规划署(UNEP)亚太地区环境评价计划于1996年启动了“土地覆被评价和模拟”(LCAM)项目;美国全球变化研究委员会(USGCRP)把土地覆被变化与气候变化、臭氧层的损耗一起，列为全球变化研究的主要领域，并从19%年起重点开展北美洲土地覆被变化的研究;日本国家科学院全球环境研究中心提出了“为全球环境保护的土地利用研究”项目(LU/GEC)等。对动态变化机制的研究，向来以建立模型为手段，对土地利用与土地覆被变化的研究当然也不例外。目前国际上在LUCC研究方面都重点强调大规模、跨学科和综合性，建立了不少不同尺度、不同内容的分析模型。早期的模型仍以传统经典的自然覆被模型为主，采用的方法主要有气候相关法、物种统计法和生长模型法，如GAP模型及其在生态学、林学和气候学上的应用模型等。随着人类活动对土地利用与土地覆被变化的主导作用日益突出，LUCC模型开始试图将纷繁复杂的社会人文因素纳入到自然要素模型中来。最初将自然因素和人文因素相结合的土地利用模型是以Rich- rdo和Von Thuneri的地租理论为基础的，研究对象主要是城市土地。这类模型的出发点是以获得最大的经济效益回报为土地利用的最高目标，偏重于经典的经济分析，而忽视了土地利用与土地覆被变化的内在机制，具有一定的局限性。Riebsame等在研究美国大平原地区农业过程中建立了一个综合性的土地利用与土地覆被变化模型[8]。模型包括了人类环境中的驱动力、自然环境中的驱动力、土地利用决策过程和生态过程四个部分。该模型的自然环境方面有气候、土壤、生物地球化学循环等传统因子组成，人类环境方面则包括了政策、经济(如需求、投入成本和商品价格)和技术等范围广泛的社会驱动力。国际应用系统分析研究所(IIASA)建立的LUCC模型则强调了社会经济要素的驱动作用，将土地资源、人类利用和经济因素纳入到核心模型部分，运用地理信息系统技术、计量经济和数理统计等方法，并充分考虑了各种自然条件和人口及其在城乡间的迁移动态、社会一经济因素、资本积累和对全国供求及对农业土地利用影响很大的市场条件等。建此模型的目的在于增进对原因一利用一覆被变化机制的认识，并以此来改进和补充区域和全球模型以及对这些变化机制的反应长期以来，我国也进行了许多有关LUCC的研究工作，这些研究主要为国家经济建设服务，在土地利用调查、规划、基础理论研究、基础图件编制和资源环境数据库建设等方面取得了大量成果。如建立了土地资源和土地利用的分类系统;完成了全国1:100万的土地利用、土地资源、土壤类型和植被等系列分类体系;中国资源环境遥感宏观监测研究、黄土高原地区土地利用变化研究、黄淮海地区水域动态变化的遥感监测、应用NOAA卫星数据研究土地覆被、植被变化及区域分异规律等。其中中国科学院“八五”重大应用项目“国家资源环境遥感宏观调查和动态分析”不仅建立了较为完善的中国资源环境数据库，还对影响土地利用程度的自然环境因素、对中国现实的土地利用与土地覆被空间分布及其变化规律进行了分析，并在此基础上建立起中国土地利用程度的环境因素分异模型，以模拟我国土地利用程度的变化[9]。
为了使我国的土地利用变化研究跟上当今世界的发展潮流，我国学者积极同国际组织联系合同，共同对中国土地利用与土地覆被变化进行深入的研究。其中，中科院地理研究所通过与国际应用系统分析研究所合作，以“模拟欧洲和北亚的土地利用与土地覆被变化”项目为依托，在中国土地利用结构及其影响因素、中国耕地变化趋势及其驱动力以及典型区土地利用与土地覆被变化研究等方面取得了部分进展。此外，1996年5月和1998年3月，由全球变化东亚区域中心(TEACCM)和中国生态系统研究网络(CERN)共同主持，在北京召开了两次全球变化研究中的土地利用变化问题学术会议，就我国乃至东亚土地利用研究的科学计进行了广泛深入的探讨，并运行操作了中、美、印合作研究项目“人口增长和土地利用变化的关系”[10]。这些活动对于推动我国该领域研究工作的开展，促使我国的土地利用变化研究工作与世界全球变化研究相衔接发挥了积极作用。总的说来，目前国际上有关土地利用与土地覆被变化的研究项目多侧重于土地覆被的分类、动态监测和环境影响评价，对其变化的动力机制的研究则不多。科学家们均已认识到人类活动是影响土地利用变化的主要驱动力，但在建立分析模型时都未能成功地将社会经济因子的驱动力贡献加以定量分析和模拟，对土地利用变化机制的研究将大大丰富人类对土地覆被变化规律的认识。而国内过去的研究工作侧重于区域土地覆被现状制图和结构分析，缺乏对LUCC动态的研究和对相应手段和方法的掌握，对于土地利用与土地覆被变化有关的可持续发展问题还没有足够清楚的认识和把握，这些方面的研究工作将成为我国今后LUCC研究的核心问题。
1.4 土地利用与土地覆被变化研究的发展趋势
认识土地利用与土地覆被变化在全球变化中的作用以及与全球变化研究的其他方面相联系的要求出发，今后LUCC的发展有以下趋势[11]:①新一代的LUCC研究模型应该能够模拟LUCC的主要社会经济和自然驱动力，包括从LUCC到驱动力和全球环境变化的主要反馈关系;②具有明确的空间关系，能够以适当的空间分辨率、比较好地预测长期的土地利用与土地覆被变化及有关的物理参数，如植被特征、资源的积聚和退化等;③能够更好地认识LUCC与其主要驱动力之间的关系在局地、区域和全球尺度上的动态和后果，充分考虑土地利用与土地覆被变化对政策、技术进步、人口增长、经济发展、市场变化等社会变量的灵敏性;④发展新的LUCC建模方法，使LUCC模型能够与其他类型的全球环境变化模型建立联系。为了提高LUCC模型的预测能力，IGBP/IHDP的ILUCC研究计划提出了两条途径:一是对现有的从区域到全球尺度的农业、林业等模型进行评估，补充修改后用来预测短期的土地利用与土地覆被变化;二是土地利用与土地覆被变化受社会市场的影响越来越大，因此以经济理论为基础建模是一条很好的思路。此外，由于LUCC驱动力及其变化对土地利用与土地覆被变化的影响在不同尺度上具有不同的表现，所以在研究区域或全球土地利用与土地覆被变化时，必须仔细考虑驱动力的类型、空间特征和时间尺度等问题。

2研究区域概况
新疆艾比湖地区位于中国新疆与哈萨克斯坦共和国交界的阿拉山口，艾比湖流域位于东经82°35′~83°11′和北纬44°44′~45°09′之间,地跨博尔塔拉蒙古自治州，以艾比湖体为核心,包括湖滨地带范围约2 960 km2[6]。艾比湖处于阿拉山口大风主通道区,是风口湖泊,年平均≥8级以上大风165d,极大风速达55m/s。艾比湖湿地保护区三面环山,湖滨地带由山前洪积-冲积-湖积平原组成,石漠、砾漠、沙漠、土漠、盐漠、沼泽、滩涂广泛分布。艾比湖地处湿地中西部,海拔189m。艾比湖流域地处亚欧大陆腹地,属典型的大陆性干旱气候。干旱少雨,光热充足,本区光照有效辐射量为65Kcal/cm·a,日照时数约2800h。年平均温低于17℃,最高月均温则达28℃,积温为3000-3500℃,无霜期160天。地面空气年平均相对湿度为50%,由于空气干燥,极端相对湿度在5%以下。年平均降水量90.9mm，与之相对的蒸发量则高达3790mm以上。
3数据来源、处理与分析
3.1 数据来源
多时相多光谱Landsat和CBERS数据 本研究选择多时相多光谱Landsat和CBERS数据作为基本遥感数据源（表1）。
表1:研究区数据源
年份
传感器
波段
接受日期
1990
TM
1,2,3,4,5,6,7
1990年10月5日
2001
ETM+
1,2,3,4,5,6(1),6(2),7,8
2001年9月25日
3.2 数据处理
3.2.1 LUCC变化信息的获取
采用Landsat TM遥感影像作为数据源，包括1990年10月和2001年9月2个时段的遥感影像，在ENVI软件平台上进行图像的几何校正，取1,2,3,4,5,6,7波段合成假彩色图像。与1∶5万地形图配准，建立解译标志，应用监督分类进行影像解译。
3.2.1 分类
在LUCC研究中，获得较高的分类精度至关重要。以本文研究目的为首要考虑，在遵循全国《土地利用现状调查技术规程》的要求下，结合遥感数据解译的具体分析以及本文研究的核心内容，考虑到研究区特殊的自然环境状况和突出的生态环境问题，最终共确定出6个土地利用类别：耕地、林地、水域、湿地、山地和其他地类（包括居民点及工矿用地、交通用地、裸土地、荒滩、荒坡及其它未利用土地），分类系统如表2所示。
表 2 研究区影像分类系统
编号
地类
特征说明
A
耕地
指种植农作物的土地，包括熟耕地、新开荒地、休闲地、轮歇地、草田轮作地、以种植农作物为主的农果、菜地等。
B
林地
指生长乔木(包括用材林、经济林、防护林等)的林业用地，包括苗圃及各类园地。
C
水域
指天然陆地水域和水利设施用地。包括河渠、湖泊、水库和坑塘。
D
湿地
指不问其为天然或人工、常久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过六米的水域。
E
山地
属地质学范畴，地表形态按高程和起伏特征定义为海拔500米以上，相对高差200米以上。
F
其他
盐渍地、沙地、城乡、工矿、居民用地，未利用土地，冰川和永久积雪地。
分类图如图1和图2所示。
图1：1990年艾比湖土地利用解译图

图2：2001年艾比湖土地利用解译图

3.3 数据分析
3.3.1 LUCC变化情况
在土地利用解译的基础上，获取艾比湖1990年和2001年2个时期的土地利用解译图，通过ENVI软件的quick Statistics功能，对土地利用类型面积进行分类汇总，结果见表2。
表3艾比湖土地利用类型解译数据
地类
1990年
2001
面积
百分比
面积
百分比
耕地
346.32
20.58
311.54
18.52
林地
552.20
32.82
677.74
40.28
水域
59.56
3.54
61.77
3.67
湿地
140.25
8.33
109.43
6.50
山地
100.36
5.96
82.51
4.90
其他
484.27
28.77
439.44
26.13
注：面积单位:万hm2
3.3.2 土地利用变化的驱动力分析
3.3.2.1 驱动因子选取原则
（1）相关性原则，驱动因子应与研究区LUCC变化相关性较大，能反映土地利用变化的大体趋势；
（2）可获取性原则，以数据资料的可获取性为前提，将历史资料收集和实地调查相结合；
（3）定量化原则，驱动因子须能够定量化才能参与模型运算，如土地利用政策变化因子，虽对土地利用的变化影响较大，但难以定量化，无法对其影响 进行定量化的分析，故不将其作为驱动因子；
（4） 以社会经济因子为主原则，近半个世纪以来，人类活动成为该区LUCC变 化的主要驱动力，因此，驱动因子选取主要以社会经济驱动因素为主；
（5）不可代替性原则，所选取的驱动因子之间具有不可替代性，能够从不同角度反映LUCC变化的驱动因素。
3.3.3.2 驱动因子的选取
根据上述原则，结合艾比湖生态环境特点和土地利用结构的变化情况，在反映LUCC变化和生态系统变化的诸多影响因素中，以研究区内耕地（y1）、林地（y2）、水域（y3）、湿地（y4）在研究时段的面积变化量来反映LUCC变化，即标准变量组（Y）。结合艾比湖地区社会经济发展状况，选取总人口数（x1）、农业人口数（x2）、农业总产值（x3）、人均GDP（x4）、城市化水平（x5）、农业机械总动力（x6）、6个因子的变化量作为影响土地利用变化的社会经济驱动因子，即自变量组。
通过应用多元分析方法中的逐步回归分析法计算出这些因子与研究区LUCC变化之间的相关关系，建立驱动力模型，进而确定引起LUCC变化的主要驱动力。
3.3.3.3 指标标准化
为避免计算结果受变量量纲和数量级不同的影响，保证其科学性和客观性，在进行多元分析之前，必须对原始数据进行标准化处理，组成新的序列再进行统计分析。由于本文选用研究时段的变化量作为变量指标，一些变量的实际值为负值，为了减少负值对评价的影响，本文选用标准差标准化法处理原始数据。

式中：X*i为指标标准化值；Xi为指标初始值；为指标初始平均值；n为指标数
3.3.3.4 LUCC变化的驱动力模型
运用SPSS14.0软件的Analyze Correlate模块，进行LUCC变化与社会经济驱动因子之间的相关分析，得到相关系数表（表4）。
表4土地利用变化与社会经济驱动因子的相关系数
因子
x1
x2
x3
x4
x5
x6
y1
0.678
0.917**
0.755
0.854**
0.381
0.894**
y2
0.104
-0.418
0.429
0.913**
-0.237
-0.468
y3
-0.731*
0.950**
-0.487
-0.371
-0.551
-0.406
y4
0.728*
0.848**
0.682
0.693*
-0.561
0.624
注：*表示a=5%相关性显著；**表示a=1%相关性显著
4 结果与分析
根据相关分析，艾比湖各类土地利用变化与社会经济驱动因子的关系如下：
（1）耕地。与耕地面积相关性最显著的因子是农业人口数、农业机械总动力、农民人均纯收入。农业人口增长是耕地扩大的主要因素之一，随着人口的增长以及人民生活水平的提高，人们对农产品的需求数量也在日益增长，致使耕地面积不断扩大；科学技术的进步使开垦大量土地成为可能，科学技术的进步主要体现在机械动力水平变化对农业总产值的影响上。
（2）林地。与林地面积相关性最显著的因子是人均GDP，呈正相关性。说明影响林地变化的主要是区域经济发展水平，经济越发达人们越注重生态环境效应，它对退耕还林政策的执行有一定的促进作用；林地的产出和收益水平的高低同样影响土地利用方式的转变。
（3）水域。与水域面积相关性最显著的因子是总人口数。水域面积的减小是由于人口的增加对耕地的更大需求造成的。
（4）湿地。与湿地面积相关性最为显著的因子是农业人口数量和农民人均纯收入。草地面积缩小的重要原因是由于农业的扩张引起的。人口增长所需要的粮食都要从土地上获取，当现有土地不能满足人类粮食需求，而农业科学技术的进步也不能弥补这部分需求时，开垦尚未耕种的土地资源就成为人们唯一的途径。本区湿地地势平缓，开垦成耕地的操作简便，因而被确认为耕地的后备资源。此外，农业现代化水平的提高给湿地的扩张提供了前提条件。

致谢

这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！
首先，感谢我的指导老师——谢霞学姐，谢霞学姐在我毕业论文的撰写过程中，给我提供了极大的帮助和指导。从开始选题到中期修正，再到最终定稿，学姐给我提供了许多宝贵建议。没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。
感谢班主任贡璐老师，四年的生活相处不久，却从您身上学到了太多，必将终身受益。感谢所有教授过我课程的新疆大学的老师们，是你们诲人不倦才有了现在的我，老师们教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度。
感谢我的父母，没有你们，就没有我的今天，你们的支持与鼓励，永远是支撑我前进的最大动力。
 感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。 
最后对老师，同学和家人再次致以我最衷心的感谢！

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