土地利用與植被覆蓋變化研究-以西安市灞橋區(qū)為例

1、土地利用與植被覆蓋變化研究課程考核土地利用與植被覆蓋變化研究以西安市灞橋區(qū)為例學(xué)生姓名：JZ-W學(xué)生學(xué)號(hào)：251020313- - -土地利用與植被覆蓋變化研究以西安市灞橋區(qū)為例學(xué)生姓名：JZ-W學(xué)生學(xué)號(hào)：251020313摘要本文以西安市灞橋區(qū)2000年和2009年兩期SOPT影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用ENVI軟件處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行研究區(qū)域的土地類型劃分，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)度、土地分類指數(shù)、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用程度綜合指數(shù)等量，分析研究區(qū)土地利用及覆被變化基本情況，并對(duì)變化結(jié)果進(jìn)行解釋，對(duì)未來(lái)土地利用及覆被變化進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞灞橋區(qū)，SPOT，土地利用，覆被變化緒論1.1研究目的意義

2、此次研究目的在于通過(guò)實(shí)踐練習(xí)，處理遙感影像數(shù)據(jù)，理解LUCC研究一般過(guò)程，理解LUCC內(nèi)涵，熟練ENVI等相關(guān)專業(yè)軟件的使用，提升科研能力。研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線2.1研究?jī)?nèi)容利用西安市灞橋區(qū)2000年和2009年兩期分辨率為10米的SPOT影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行土地利用分類；計(jì)算并分析土地利用動(dòng)態(tài)度、土地分類指數(shù)、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用程度綜合指數(shù)的變化特點(diǎn)與變化量；分析該區(qū)土地利用及覆被變化規(guī)律;對(duì)該區(qū)土地利用及覆被變化進(jìn)行解釋;利用兩期SPOT影像數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)10年的區(qū)域土地利用類型分布進(jìn)行馬爾可夫預(yù)測(cè)。2.2技術(shù)路線對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果滿意后再計(jì)算衡量土地利用及覆

3、被變化的各項(xiàng)指標(biāo)，分析各個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)得出有關(guān)信息，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行解釋，對(duì)未來(lái)土地利用類型進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源3.1研究區(qū)域概況灞橋區(qū)地處陜西關(guān)中盆地中部，西安城東部，系西安市轄區(qū)之一。地理坐標(biāo)為東經(jīng)108。59,109。16，,北緯34。103427。東與臨潼區(qū)、藍(lán)田縣接壤，西與雁塔區(qū)、新城區(qū)、未央?yún)^(qū)相連，南與長(zhǎng)安區(qū)為鄰,北以渭河與高陵縣相望。距市中心5公里，全區(qū)總面積332平方公里，轄9個(gè)街道辦事處，33個(gè)社區(qū)，226個(gè)行政村，人口50余萬(wàn)，因境內(nèi)遺存始建于隋代的古灞橋而得名。灞橋區(qū)以渭河沖積平原為主，具有山、坡、川、灘、塬的多樣性地貌特征，包括三個(gè)類型區(qū)，其中北部為渭河沖積平原區(qū)

4、，東部為低山丘陵區(qū)，東南部為臺(tái)塬區(qū)。白鹿塬區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬于渭河斷陷形成的階梯式下降復(fù)式地塹，階地臺(tái)塬溝塹內(nèi)以砂孵石、礫石及土狀堆積物為主，并有豐厚的新生代沉積。臺(tái)塬上區(qū)地形平緩，地勢(shì)北高南低，以農(nóng)業(yè)用地為主，地形由南向北依次遞減至溝沿，溝頂海拔600m750m,溝底海拔160m600m之間，長(zhǎng)度約3公里,坡度約30左右，地面切割成的溝谷長(zhǎng)度約為10002000m/km2。土壤類型以黃堊土、白堊土、褐色土以及少量的紅色土，有機(jī)質(zhì)豐富，保墑性能好，但是透氣性差。灞橋區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)區(qū)，光、熱、水、氣、土等自然條件優(yōu)越。年平均降雨量635mm,日照時(shí)間為20262719小時(shí)，年平均氣溫為

5、1213.3C，極端最高氣溫為41.7C，絕對(duì)最低氣溫為一20.6r。年大于10C的有效積溫為36504325C，年無(wú)霜期202208天。年初霜日期為11月1日以后，終霜期為4月1日以后。風(fēng)向頻率(靜風(fēng)頻率)為30%左右，平均風(fēng)速為2m/S。年平均相對(duì)濕度為70%左右。全年適于旅游的天數(shù)為290天，其中最佳的旅游時(shí)節(jié)為3月中旬至6月底、8月初至11月中旬，約210天。3.2數(shù)據(jù)來(lái)源本次研究所用的是2000年和2009年兩期遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由指導(dǎo)老師提供，該數(shù)據(jù)為10米分辨率的SPOT影像數(shù)據(jù)，其投影為UTM,大地基準(zhǔn)為WGS-84。出于本次研究的目的意義不是對(duì)目標(biāo)區(qū)域的具體情況得出可靠研究結(jié)果

6、，而是對(duì)研究一般過(guò)程的把握，所以沒(méi)有對(duì)影像進(jìn)行投影變換，幾何校正等預(yù)處理工作。研究過(guò)程4.1土地利用分類土地利用分類是進(jìn)行LUCC研究的基礎(chǔ)性工作，本次研究選擇的分類方法是監(jiān)督分類，在分類之前要進(jìn)行訓(xùn)練樣本選擇。根據(jù)研究區(qū)面積及影像特征，筆者把灞橋區(qū)土地利用分成四類，分別是：建設(shè)用地，耕地，水體，林地。在選擇訓(xùn)練區(qū)樣本時(shí)，四類樣本數(shù)量選擇在20個(gè)左右。選擇完樣本之后，利用最大似然法進(jìn)行分類，并利用混淆矩陣來(lái)檢驗(yàn)分類精度，由于影像質(zhì)量較差等原因，分類精度不是很好。2000年及2009年分類結(jié)果如下圖所示。ibtteigncTioo(ro*Egst/cio9*iox*eioris*(rEI5MWF

7、ITPtT10r5UE101(y(TE土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算本研究?jī)H涉及單一類型的土地利用動(dòng)態(tài)度。土地利用動(dòng)態(tài)度分析主要采用土地利用動(dòng)態(tài)度研究土地利用變化模式。土地利用類型動(dòng)態(tài)度指是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況其表達(dá)式為：- - -K=(U-U)/Uxl/TxlOO%(1)baa式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；U、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地ab利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。應(yīng)用土地利用動(dòng)態(tài)度分析土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化，可以真實(shí)反映區(qū)域土地利用/覆蓋變化中土地利用類型變化的劇烈程度。本

8、研究中，土地類型數(shù)量用像元數(shù)目表示，Ub代表2009年的土地利用類型大小，U代表2000年ba的土地利用類型大小，時(shí)間T設(shè)定為10年，計(jì)算結(jié)果如下表所示。表格1灞橋區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度土地類型Ub/個(gè)U/個(gè)T/年K/%建設(shè)15860841506149100.5307耕地1282513133870310-0.4197水體655839724610-3.2560林地311554303611100.26164.3土地分類指數(shù)計(jì)算為了考察土地利用類型變化情況，可定義各類土地利用指數(shù)，如墾殖指數(shù)、植被指數(shù)、水域指數(shù)、林地指數(shù)、城市化指數(shù)，通過(guò)每類指數(shù)的變化可定量表達(dá)該區(qū)某一類型土地利用的利用程度與變化趨勢(shì)。通

9、過(guò)考察墾殖指數(shù)、植被指數(shù)、水域指數(shù)、林地指數(shù)和城市化指數(shù)的時(shí)空變化，可以定向了解各個(gè)地區(qū)土地利用與土地覆被中的耕地、草地、林地、水域的變化以及城市的擴(kuò)展?fàn)顩r。土地各個(gè)分類指數(shù)定義為：2)I二工（a：A）xl00（工a0i,jeE；jEU,薩E。若此時(shí)隨機(jī)變量從i狀態(tài)轉(zhuǎn)移到j(luò)狀態(tài)與時(shí)刻k(k)無(wú)關(guān)，即Pij=P(Xk+1=jlXk=i)=pij則稱這類馬爾可夫鏈為齊次馬爾可夫鏈。P00p01p0mPP10p11p1mPm0pm1pmm顯然對(duì)于i=0,1,Y，m有pj0U二1。類似地，可以定義馬爾可夫鏈設(shè)p代表一步概率pij所組成的矩陣，對(duì)于有限狀態(tài)的齊次馬爾可夫鏈，則稱為一步轉(zhuǎn)移概率矩陣的n步轉(zhuǎn)

10、移概率矩陣，齊次烏爾可夫鏈n步轉(zhuǎn)移概率矩陣等于其一步轉(zhuǎn)移概率矩陣自乘n次。一般只要考察一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P,設(shè)預(yù)測(cè)對(duì)象處于狀態(tài)k,則考察P矩陣的第k行，若raxppikjkL(j=1,2,，m),則可認(rèn)為下一時(shí)刻系統(tǒng)最有可能由狀態(tài)k轉(zhuǎn)向L。如果矩陣P中第k行有兩個(gè)或兩個(gè)以上概率相同或相近時(shí)，則狀態(tài)的未來(lái)轉(zhuǎn)向難以確定，此時(shí)，須考察二步或多步轉(zhuǎn)移概率矩陣。馬爾可夫模型主要用于在無(wú)后效條件下時(shí)間和狀態(tài)均為離散的隨機(jī)轉(zhuǎn)移問(wèn)題。也就是說(shuō)，其觀察量第n次觀察值僅和該觀察量的第n-1次觀察值及一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣有關(guān)，而和第n-1次觀察值以前的狀態(tài)無(wú)關(guān)。- - #-馬爾可夫模型的使用馬爾可夫預(yù)測(cè)法，就是一種關(guān)

11、于事件發(fā)生的概率預(yù)測(cè)方法。它是根據(jù)事件的目前狀況來(lái)預(yù)測(cè)其將來(lái)各個(gè)時(shí)刻（或時(shí)期）變動(dòng)狀況的一種預(yù)測(cè)方法。一般地，如果按照過(guò)程的發(fā)展，時(shí)間可以離散化另1，2,，n（有無(wú)限個(gè)）。從時(shí)刻t的狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到t+1時(shí)刻的狀態(tài)j的概率是Pij。若時(shí)刻t時(shí)，過(guò)程處于狀態(tài)Si（i=1,2,，n）的概率是ai，那么當(dāng)a（t+1）=Ya（t）p（8）ijijj=1（i，j=1，2,，n）時(shí)，我們稱這樣的狀態(tài)隨機(jī)轉(zhuǎn)移過(guò)程為馬爾可夫過(guò)程。顯然，馬爾可夫模型中時(shí)刻t+1時(shí)過(guò)程所處各狀態(tài)的概率只與時(shí)刻t時(shí)所處狀態(tài)的概率和轉(zhuǎn)移概率有關(guān)，而與t=1及以前時(shí)刻的狀態(tài)無(wú)關(guān)。這就是馬氏性（馬爾可夫性）或稱無(wú)后效性。通俗地講，就是“將來(lái)

12、只與現(xiàn)在有關(guān)，而與過(guò)去無(wú)關(guān)”。它在地理、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、遺傳、社會(huì)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。灞橋區(qū)未來(lái)10年土地利用類型馬爾可夫模型預(yù)測(cè)本文中選擇初始狀態(tài)為2009年的各類土地利用面積百分比（見表4），由表2的轉(zhuǎn)移矩陣可以得到如下轉(zhuǎn)移概率矩陣P。0.47730.37640.01090.13540.53720.3590.02360.08030.44410.44660.0090.10030.38780.30710.14750.1577依據(jù)公式（8）計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果如下表所示。表格5灞橋區(qū)2018年土地利用類型馬爾可夫預(yù)測(cè)結(jié)果利用類型2009年百分比轉(zhuǎn)移概率矩陣P預(yù)測(cè)2018年百分比建設(shè)48.870.53720.3590.02360.080349.16耕地39.510.44410.44660.0090.100339.42水體2.020.38780.30710.14750.15771.91林地9.60.47730.37640.01090.13549.51通過(guò)上表可以看出通過(guò)馬爾可夫模型預(yù)測(cè)灞橋區(qū)2018年土地利用類型發(fā)生如下變化：建設(shè)用地增加，耕地、水體和林地均略微減少。可以發(fā)現(xiàn)，馬爾可夫預(yù)測(cè)與通過(guò)土地利用程度綜合指數(shù)分析的變化趨勢(shì)有所差別，如林地之前預(yù)測(cè)會(huì)增加，而馬爾可夫預(yù)測(cè)則減少。參考文獻(xiàn)張