忻州市忻府區(qū)土地利用覆被格局的模擬及應(yīng)用

1、忻州市忻府區(qū)土地利用/覆被格局的模擬(mn)及應(yīng)用Simulation and Application of Land-use and Land-cover Patterns in Xinfu County of Xinzhou City 姓名(xngmng)：裴剛指導(dǎo)老師：王國梁教授專業(yè)：人文地理學(xué)研究方向：城市與區(qū)域規(guī)劃2013年5月16日共四十頁文章(wnzhng)框架緒 論 1.1研究背景與意義1.2研究目的(md)1.3研究范圍1.4研究方法和論文創(chuàng)新之處1.5文章結(jié)構(gòu)與研究流程理論研究與概念介紹2.1土地利用與土地覆被2.2數(shù)字高程模型2.3 ROC檢驗(yàn)研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源3.1研究區(qū)

2、域概況及特點(diǎn)3.2數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理模 型 的 構(gòu) 建4.1Logistic回歸模型簡介4.2模型的構(gòu)建精度驗(yàn)證與模擬結(jié)果5.1精度驗(yàn)證5.2模擬結(jié)果模擬結(jié)果的應(yīng)用6.1條件假設(shè)6.2保護(hù)區(qū)范圍的劃定結(jié) 論 與 討 論7.1結(jié)論7.2討論7.3建議共四十頁緒 論共四十頁1.1研究(ynji)背景與意義土地利用/覆被格局:各地類的空間位置、面積(min j)以及權(quán)屬等屬性的布局結(jié)構(gòu)。人地矛盾的逐漸尖銳及其后果要求人們對(duì)自身行為進(jìn)行反思，土地利用/覆被變化是近年來全球變化和可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之一。了解土地利用/覆被變化是相當(dāng)困難的，目前國際上主流的思路是利用模型研究其影響因素和預(yù)測其趨勢。土地利

3、用/覆被變化模型可以較為深入地分析變化過程、機(jī)理及環(huán)境影響，然而深入理解土地利用/覆被格局與其影響因素之間的相互關(guān)系是構(gòu)建土地利用/覆被變化模型的基礎(chǔ)。 利用選取的自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素分析與土地利用/覆被格局之間的關(guān)系以構(gòu)建統(tǒng)計(jì)模型是研究土地利用/覆被格局形成原因、內(nèi)部機(jī)制的重要方法，也是有效保護(hù)土地資源、科學(xué)制定土地政策、改善自然生態(tài)環(huán)境的重要工具。 構(gòu)建Logistic回歸模型是常用的研究方法之一。Logistic回歸模型是統(tǒng)計(jì)學(xué)中回歸分析常用到的一種回歸模型，用來研究分類變量及其影響因素之間的關(guān)系。共四十頁了解本研究所分析的各類土地利用/覆被現(xiàn)狀。分析研究區(qū)土地利用/覆被格局與其影

4、響因素與之間的關(guān)系，并構(gòu)建Logistic回歸模型。驗(yàn)證模擬結(jié)果的擬合優(yōu)度及應(yīng)用(yngyng)價(jià)值，并繪制空間概率模擬圖。探討模擬結(jié)果在保護(hù)區(qū)范圍劃定方面的應(yīng)用。對(duì)科學(xué)制定土地政策和改善自然生態(tài)環(huán)境提出建議。1.2研究(ynji)目的1.3研究范圍空間尺度：忻州市忻府區(qū)；時(shí)間尺度：2009年忻府區(qū)土地利用/覆被以耕地、林地、草地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地為主1.4研究方法文獻(xiàn)回顧法定量分析與定性分析相結(jié)合案例研究法模型研究法共四十頁諸多論文在分析Logistic回歸方法及其衍生模型在土地利用/覆被格局和變化中，往往將耕地（一級(jí)類）作為被解釋變量直接參與模型的構(gòu)建，但本文在寫作過程中發(fā)現(xiàn)模型對(duì)水澆地（二級(jí)

5、類）和旱地(hnd)（二級(jí)類）的模擬結(jié)果差別很大，將二者統(tǒng)歸為耕地直接參與模型構(gòu)建將會(huì)造成模模擬精度很大程度地降低，使模型的解釋能力變差，因此本文做了區(qū)別分析。本文在得出模型的模擬結(jié)果時(shí)，同時(shí)利用分類模型分析了模擬中錯(cuò)誤柵格的位置。本文并未止步于得出模型的模擬結(jié)果，而是進(jìn)一步探討了模擬結(jié)果在保護(hù)區(qū)范圍劃定方面的應(yīng)用，提出了一定條件下的劃定方法以供參考，使研究結(jié)果有了實(shí)踐意義。 1.4論文(lnwn)創(chuàng)新之處1.5文章結(jié)構(gòu)與研究流程（略）共四十頁理論(lln)研究與概念介紹共四十頁2.1土地(td)利用與土地(td)覆被概念(ginin)土地覆被土地利用社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性物理特性土地利用/覆被變化研究

6、重點(diǎn)土地利用/覆被變化機(jī)制的研究 區(qū)域性乃至全球性土地利用/覆被變化模型的構(gòu)建 主流模型回歸模型細(xì)胞模型系統(tǒng)模型共四十頁概念：ROC是接收者操作特征（Receiver Operating Characteristic）或相關(guān)操作特征（Relative Operating Characteristic）的縮寫，是一種描述真陽性率（TPR）和假陽性率（FPR）的定量方法 。ROC曲線：二維空間中，具有FPR和TPR值的點(diǎn)連成的曲線。兩類預(yù)測模型(mxng)兩個(gè)公式2.2數(shù)字(shz)高程模型（DEM）數(shù)字高程模型是一定區(qū)域內(nèi)表示平面位置的二維坐標(biāo)（X，Y）與其高程值（Z）構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，用于表示地表

7、高程特征 。2.3ROC檢驗(yàn)預(yù)測結(jié)果屬性代碼原始值預(yù)測結(jié)果真陽性TP真真假陽性FP假真真陰性TN假假假陰性FN真假真陽性率：TPR=TP/(TP+FN)假陽性率： FPR=FP/(FP+TN)共四十頁研究區(qū)域(qy)概況與數(shù)據(jù)源共四十頁區(qū)位(q wi)條件優(yōu)越3.1研究(ynji)區(qū)域概況及特點(diǎn)地理位置：忻府區(qū)位于山西省中北部的忻定盆地。行政地位：忻州市委、市政府所在地。交通區(qū)位：距南側(cè)省會(huì)太原75千米，距北側(cè)大同200千米，距東向佛教圣地五臺(tái)山160千米，距東北向首都北京540千米。經(jīng)濟(jì)區(qū)位：忻府區(qū)為大運(yùn)一級(jí)發(fā)展軸上的重要節(jié)點(diǎn)；處在太原都市圈的拓展圈層范圍內(nèi)（一小時(shí)交通圈）；與定襄、原平形成

8、的忻定原城鎮(zhèn)組群是忻州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重心。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地貌類型多樣地貌由山地、丘陵和平原構(gòu)成，不同地貌之間高度、坡度、凹凸特征等差異較大土地利用/覆被格局復(fù)雜，是典型的農(nóng)牧業(yè)交錯(cuò)區(qū)2009年，全區(qū)農(nóng)林牧業(yè)總產(chǎn)值近11億元，其中農(nóng)業(yè)4.7億元，牧業(yè)3.1億元，林業(yè)2.8億元耕地主要由由旱地和水澆地構(gòu)成共四十頁空間圖形(kngjin txng)數(shù)據(jù)為忻府區(qū)2009年土地利用現(xiàn)狀圖DEM數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的ASTER GDEM數(shù)據(jù)和SRTM DEM數(shù)據(jù)。 ASTER GDEM數(shù)據(jù)分辨率為30米，SRTM DEM數(shù)據(jù)分辨率的精度是90米。本文選取的兩個(gè)尺度就是基于此。3.2.1數(shù)據(jù)

9、(shj)來源3.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理被解釋變量為了便于在統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中處理數(shù)據(jù)，需要在地理信息系統(tǒng)ArcGIS平臺(tái)上將被解釋變量轉(zhuǎn)換為二分類變量，即0或1。共四十頁3.2.2數(shù)據(jù)(shj)預(yù)處理解釋變量自然因素：地表的坡度、坡向和表面曲率是利用DEM數(shù)據(jù)通過Spatial Analyst Tools工具箱中Surface工具集的相關(guān)工具計(jì)算而得。人文因素：利用Spatial Analyst Tools工具箱中Distance工具分別計(jì)算研究區(qū)各點(diǎn)距離城鎮(zhèn)、路網(wǎng)和水域三個(gè)影響因素的直線距離；同時(shí)利用分鄉(xiāng)鎮(zhèn)(xingzhn)人口數(shù)據(jù)制作人口密度圖。表面曲率3.2.3數(shù)據(jù)配準(zhǔn)（略）共四十頁模型(mxng

10、)的構(gòu)建共四十頁4.1Logistic回歸模型(mxng)簡介 將模型的被解釋變量（如水澆地、林地、草地等）用二分類變量的柵格數(shù)據(jù)表示(biosh)：1表示被解釋變量出現(xiàn)，0表示不出現(xiàn) 。 假設(shè)在解釋變量xi影響的條件下，一個(gè)柵格出現(xiàn)土地利用/覆被類型i的條件概率為P=P(yi=1|xi)，當(dāng)解釋變量不止一個(gè)的時(shí)候，可以構(gòu)建如下函數(shù) ： 式中，Pi表示一個(gè)為土地利用/覆被類型i的概率，X表示各影響因素 。Logistic回歸方法就是根據(jù)如上的函數(shù)構(gòu)建Logistic回歸模型。 對(duì)上式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ，可得一個(gè)柵格出現(xiàn)土地利用/覆被類型i的條件概率計(jì)算公式：共四十頁4.2模型(mxng)的構(gòu)建 模型參

11、數(shù)的設(shè)定(sh dn)是在SPSS19軟件中計(jì)算而得，影響因素的篩選利用的是基于極大似然估計(jì)的逐步篩選策略。 解釋變量BS.E,WalsdfSig.Exp (B)EXP(B) 的 95% C.I.下限上限距城鎮(zhèn)的距離.000.0002057.5881.0001.0001.0001.000距路網(wǎng)的距離-.004.00027838.7821.000.996.996.996距水域的距離-.002.00038606.3321.000.998.998.998表面曲率.206.019120.9781.0001.2291.1851.275地表的高程-.020.000105512.2921.000.980.9

12、80.981人口密度.000.0002379.1471.0001.0001.0001.000地形的坡度.027.0011180.2651.0001.0281.0261.029常量17.116.049121871.6521.00027121218.6234.2.1模型的構(gòu)建水澆地（30m30m尺度）回歸系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表 模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= 17.116-0.020（地表的高程）+ 0.027（地形的坡度）+ 0.206（表面曲率）- 0.004（距路網(wǎng)的距離）- 0.002（距水域的距離） 共四十頁4.2.1模型(mxng)的構(gòu)建水澆地（90m90m尺度） 模型表達(dá)式：ln（p/1-

13、p）= 11.954-0.013（地表的高程(gochng)）-0.417（地形的坡度）-0.001（地形的坡向）-0.004（距路網(wǎng)的距離）-0.002（距水域的距離） 4.2.2模型的構(gòu)建旱地 30m30m尺度下模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= 0.438-0.001（地表的高程）-0.039（地形的坡度）+0.001（地表的坡向）+0.058（表面曲率）-0.001（距路網(wǎng)的距離） 90m90m尺度下模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= 0.690-0.002（地表的高程）- 0.010（地形的坡度）+ 0.001（地表的坡向）- 0.001（距路網(wǎng)的距離）- 0.002（人口密度） 4.2

14、.3模型的構(gòu)建林地 30m30m尺度下模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= -3.645+0.002（地表的高程）+0.025（地形的坡度）-0.051（表面曲率）-0.003（人口密度） 90m90m尺度下模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= -3.625+0.002（地表的高程）+0.032（地形的坡度）+0.142（表面曲率）-0.003（人口密度） 4.2.4模型的構(gòu)建草地 30m30m尺度下模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= -2.128+0.001（地表的高程）+0.057（地形的坡度）-0.042（表面曲率）-0.003（人口密度） 90m90m尺度下模型表達(dá)式：ln（p/1-p）= -1

15、.522+0.090（地形的坡度）-0.261（表面曲率）-0.003（人口密度） 共四十頁精度(jn d)驗(yàn)證與模擬結(jié)果共四十頁5.1精度(jn d)驗(yàn)證 在SPSS19軟件中，解釋變量的篩選和模型的構(gòu)建時(shí)考察了四個(gè)方面(fngmin)的指標(biāo)；同時(shí)，方程的解釋能力結(jié)合ROC方法進(jìn)行檢驗(yàn)。 以水澆地模型為例卡方dfSig.步驟 1步驟1178471.5431.000塊1178471.5431.000模型1178471.5431.000步驟 2步驟54499.9851.000塊1232971.5282.000模型1232971.5282.000步驟 3步驟64583.1041.000塊12975

16、54.6323.000模型1297554.6323.000步驟 4步驟1390.6911.000塊1298945.3234.000模型1298945.3234.000步驟 5步驟1797.4701.000塊1300742.7935.000模型1300742.7935.000步驟 6步驟1173.1961.000塊1301915.9906.000模型1301915.9906.000步驟 7步驟120.9651.000塊1302036.9547.000模型1302036.9547.000對(duì)數(shù)似然比卡方檢驗(yàn)的結(jié)果 共四十頁步驟-2 對(duì)數(shù)似然值Cox & Snell R2Nagelkerke R211

17、081735.358.414.64621027235.373.428.6683962652.269.444.6944961261.578.445.6945959464.108.445.6956958290.912.445.6957958169.947.446.695模型(mxng)擬合優(yōu)度方面的指標(biāo) 步驟卡方dfSig.125468.8188.00028957.9938.0003257783.7278.0004264309.2138.0005328890.8148.0006358022.9258.0007360203.5378.000Hosmer-Lemeshow 檢驗(yàn)(jinyn)的結(jié)果 共

18、四十頁已觀測已預(yù)測步驟水澆地百分比校正01步驟 1水澆地0159059815727291.0112933133080471.9總計(jì)百分比87.0步驟 2水澆地0160324214462891.7111314634698975.4總計(jì)百分比88.3步驟 3水澆地0160643814143291.918810037203580.9總計(jì)百分比89.6步驟 4水澆地0160672114114991.918646337367281.2總計(jì)百分比89.7步驟 5水澆地0160547814239291.918472837540781.6總計(jì)百分比89.7步驟 6水澆地0160606514180591.918

19、360637652981.8總計(jì)百分比89.8步驟 7水澆地0160602014185091.918352837660781.8總計(jì)百分比89.8錯(cuò)判矩陣(j zhn)最終模型(mxng)的ROC值為0.952，模型很理想 。切割值為0.500共四十頁5.2模擬(mn)結(jié)果水澆地共四十頁結(jié)果屬性圖中代碼真陰性TN假陽性FP假陰性FN真陽性TP 結(jié)合兩類預(yù)測模型，分析(fnx)當(dāng)切割值為0.500時(shí)，四類可能的輸出結(jié)果的分布范圍 。共四十頁5.2模擬(mn)結(jié)果林地共四十頁共四十頁5.2模擬(mn)結(jié)果草地共四十頁共四十頁5.2模擬結(jié)果(ji gu)旱地共四十頁模擬中出錯(cuò)的柵格幾乎(jh)被代表

20、假陰性的柵格所占滿 。共四十頁模擬結(jié)果(ji gu)的應(yīng)用共四十頁6.1條件(tiojin)假設(shè)各土地利用/覆被格局的影響因素限定在上文分析到的8個(gè)影響因素范圍之內(nèi)；保護(hù)區(qū)劃定的期限內(nèi)，研究區(qū)的居民點(diǎn)用地、城市、道路用地等其他用地不發(fā)生變化，即人為干擾因素是靜態(tài)的；研究區(qū)的自然環(huán)境保持穩(wěn)定，不存在對(duì)土地安全造成威脅(wixi)的其他因素；依據(jù)研究區(qū)2009年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為劃定的基礎(chǔ)資料，不考慮上位土地利用總體規(guī)劃及其他規(guī)劃的影響；土地的質(zhì)量是一致的，不做進(jìn)一步的分等要求。劃定方法 對(duì)于研究區(qū)某一土地利用/覆被格局中的任意柵格，只有既在該地類的二分類變量柵格數(shù)據(jù)中取值為1，且在相應(yīng)地類的

21、空間概率模擬數(shù)據(jù)中取值大于0.500（SPSS 19中本研究所取的切割值）時(shí)，該柵格才能納入保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi) 。共四十頁6.2保護(hù)區(qū)范圍(fnwi)的劃定水澆地保護(hù)區(qū)共四十頁6.2保護(hù)區(qū)范圍的劃定(hu dn)林地保護(hù)區(qū)共四十頁6.2保護(hù)區(qū)范圍(fnwi)的劃定草地保護(hù)區(qū)共四十頁結(jié)論(jiln)與討論共四十頁7.1結(jié)論(jiln)（1）不同尺度（網(wǎng)格大?。┫滤姆N土地利用/覆被格局的影響因素及影響程度(chngd)存在一定的差異，說明利用Logistic回歸方法構(gòu)建土地利用/覆被格局的模型存在尺度效應(yīng)。（2）總體上看，水澆地和草地在90米90米尺度下各土地利用/覆被格局的模型的擬合優(yōu)度較高，解釋能

22、力較強(qiáng)；林地的模型在30米30米尺度下擬合優(yōu)度較高。（3）從景觀學(xué)的角度上看，如果地類斑塊面積較小且形狀較為復(fù)雜時(shí)，采用本文的研究尺度模擬效果將會(huì)很差。（4）研究顯示，各土地利用/覆被格局與人口密度之間基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中水澆地和旱地的這種相關(guān)性較弱，林地和草地的則較強(qiáng)。這表明，相對(duì)于人口密度較高的建成區(qū)，關(guān)系到國計(jì)民生的耕地與一定的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力有關(guān)；關(guān)系到一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境的林地和草地則與高密度的人口分布呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，這與林地和草地單位面積上物質(zhì)產(chǎn)出有限、土地承載能力較弱不無關(guān)系。（5）本文在模擬結(jié)果的應(yīng)用上，提出了利用土地利用/覆被格局的影響因素劃定保護(hù)區(qū)的方法，使模擬結(jié)果有了實(shí)踐意義。共四十頁7.2討論(toln)（1）本研究由于受到數(shù)據(jù)收集方面的限制，對(duì)忻府區(qū)2009年的土地利用/覆被格局進(jìn)行了分析，只能揭示某一時(shí)刻的土地利用狀況，不能全面反映一定時(shí)期研究區(qū)的土地利用/覆被變化情況。（2）本研究由于受大比例尺地形圖收集的局限性，造成研究尺度不能繼續(xù)變小，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方面也產(chǎn)生一定誤差，給后續(xù)的模型研究和應(yīng)用造成一定的困擾。因此在后續(xù)研究中，如果相關(guān)資料能夠收集到，可以探討較小尺度下土地利用/覆被格局與其影響因素之間的關(guān)系。（3）本文所選取的8個(gè)解釋變量在30米30米和90米90米兩種尺度下模擬旱地分布格局并不成功，這一問題在尺度選擇和變量選擇上本文沒有