【摘要】：土地利用空間格局研究是LUCC理論和實踐的基礎,土地利用空間格局刻畫是土地利用空間格局理論的具體實踐,其研究成果能進一步完善土地利用空間格局的理論和研究方法,提升土地利用規(guī)劃和管理水平,為實現(xiàn)區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設奠定基礎。土地利用空間格局刻畫方法研究有利于準確、全面和高效地刻畫我國不同土地利用類型和土地利用整體的空間格局,厘清其變化特征,為優(yōu)化我國國土資源空間格局、應對全球變化提供科學參考。目前,由于土地利用空間格局的內涵和研究范疇尚不明晰,土地利用空間格局研究未形成一個完整的理論體系,導致土地利用空間格局的刻畫不全面;又由于格局指標繁多且存在較大的相關性,易造成土地利用空間格局刻畫的冗余。本研究在深刻理解土地利用空間格局內涵的基礎上,構建了一個符合土地利用特點的土地利用空間格局刻畫概念模型和一套具有相對獨立性和全面性的格局指標集,引入模糊C均值聚類(Fuzzy c-means algorithm,FCM)方法建立指標與空間格局之間的對應關系,實現(xiàn)了中國土地利用單一類型及整體的空間格局和格局動態(tài)的刻畫。本文主要的研究結果如下:(1)基于目前國內外土地利用空間格局的理論和研究內容,深入分析了影響土地利用空間格局的要素、維度及其相互關系,定義土地利用空間格局的概念為在一定時空尺度下,某種土地利用類型或土地利用整體的斑塊空間配置。重點考察土地利用的幾何特征(面積、形狀和斑塊分布)和類型特征(結構和多樣性),從時間-空間-類型三個維度,構建了“幾何特征-類型特征”三維土地利用空間格局刻畫概念模型,能夠客觀和科學地反映影響土地利用空間格局的諸要素及其間的相互作用關系。(2)利用土地利用空間格局刻畫概念模型,建立了一套土地利用空間格局刻畫方法。首先,依據科學性、相對獨立性、時空尺度合理性、全面性與簡明性等格局指標選擇原則,針對類型維度進行指標選擇。利用相關分析法,得到土地利用單一類型空間格局的代表性指標為:類型面積指標、面積加權平均斑塊分維數和面積加權平均斑塊最近距離,分別代表幾何特征中的面積、形狀和分布;得到土地利用整體空間格局的代表性指標為:面積加權平均斑塊面積、面積加權平均斑塊分維數、面積加權平均斑塊最近距離,分別代表幾何特征中面積、形狀和分布,以及結構指標和豐富度指標,分別代表類型特征中的結構和多樣性。然后,利用格網面積填充法確定土地利用單一類型和整體的特征尺度。最后,引入FCM聚類分析法,利用分割系數法確定模糊權重為2、空間格局最佳分類數為5類;根據FCM聚類劃分土地利用幾何特征空間格局的方式,計算得到各指標與幾何特征空間格局的定量關系。最終形成以指標選擇、尺度確定和聚類劃分為主要步驟的土地利用空間格局刻畫方法。(3)對2010年中國土地利用單一類型的幾何特征空間格局進行了刻畫。耕地、草地和未利用土地的空間格局劃分方式相似,林地空間格局劃分方式稍有不同,得到的空間格局類型分別命名為充盈型、分形型、復雜小面積型、簡單小面積型和散布型;水體和建設用地的空間格局劃分相似,得到的空間格局分別命名為充盈型、分形小面積型、復雜小面積型、簡單小面積型和散布型。參考劃分方程式,對每種土地利用類型空間格局的生產、生態(tài)特點進行了總結。耕地充盈型主要分布在東北平原、華北平原和四川盆地,分形型主要分布在丘陵區(qū),這兩種空間格局類型是我國主要的耕作農業(yè)區(qū)。中國林地的空間格局分布呈現(xiàn)由東南和東北向西北面積逐漸變小、形狀逐漸變簡單的趨勢。草地空間格局類型具有明顯的空間聚集性,呈現(xiàn)出東北-西南方向的條帶狀分布,充盈型格局主要分布在內蒙古牧區(qū)北部與西藏牧區(qū)西部。水體面積較小且分布零散,故其空間格局類型未呈現(xiàn)大面積的集聚現(xiàn)象。建設用地充盈型空間格局集中分布在京津冀地區(qū)、長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)等城市分布密集的區(qū)域;分形小面積型則主要表現(xiàn)為集聚分布的農村居民點用地;建設用地空間格局類型從簡單小面積型發(fā)展到分形小面積型反映了建設用地的擴展過程中形狀趨于復雜的發(fā)展特征,分形型變?yōu)槌溆蛣t為建設用地發(fā)展較為成熟的階段。未利用土地的空間格局呈現(xiàn)出明顯的自東南(散布型)向西北(充盈型)的漸變特征。對比不同土地利用類型的空間格局,發(fā)現(xiàn)耕地和林地的空間格局具有一定的空間互補性,草地和未利用土地空間格局具有一定的空間相關性。(4)對2010年中國土地利用整體的空間格局從幾何特征、結構和多樣性三個方面進行了刻畫。第一,中國土地利用整體空間格局的幾何特征可劃分為五類,分別為簡單大斑塊型、復雜大斑塊型、復雜小斑塊型、簡單小斑塊型和散布型。簡單大斑塊型在西北地區(qū)主要為草地和未利用土地,在藏南地區(qū)和東北長白山和小興安嶺主要為林地;復雜大斑塊型空間格局則反映了以某土地利用類型為主的土地利用類型間的組合關系;復雜小斑塊型是幾何特征空間格局中最主要的類型,反映了多種土地利用類型較為均衡的組合關系,復雜形狀的成因主要為地形因素,在丘陵山地區(qū)出現(xiàn)明顯的聚集效應;簡單小斑塊型的土地利用組成多樣,土地利用斑塊由于被山脈和流水等切割斑塊面積偏小,且形狀簡單;散布型中存在某種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)被其他土地利用類型隔離的現(xiàn)象。第二,2010年中國土地利用共存在61種不同的結構,但累積占比達到90%的主要結構類型僅有14種。其中,草地-未利用土地結構的格網數量最多,其次是未利用土地結構、耕地-林地結構和草地結構。結構特征的空間分布具有明顯的空間聚集性,受地形等自然因素影響顯著。第三,中國土地利用多樣性特征總體上呈現(xiàn)“東北、東南高,西北低”的態(tài)勢,東北和東南地區(qū)由于氣候、地形、人類活動等使得土地利用類型豐富,西北部由于地形、氣候限制,土地利用類型以草地和未利用土地為主,土地利用多樣性較低。(5)對1980s末至2010年中國土地利用空間格局的動態(tài)變化進行了分析,包括耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用土地及土地利用整體的空間格局變化的主要動態(tài)類型、數量特征與空間分布。結果表明,建設用地的動態(tài)度最大,且呈快速上升趨勢,其次為水體,而耕地、草地和未利用土地的動態(tài)度均在20%左右,林地的動態(tài)度最小,僅為11.69%,土地利用整體動態(tài)度約為20%。研究期間,耕地、水體和建設用地發(fā)生了 30種空間格局動態(tài)轉換,而林地的格局動態(tài)僅有10種,未利用土地的格局動態(tài)類型僅有14種。幾何特征動態(tài)中,平均斑塊面積變大的格局動態(tài)主要分布在新疆地區(qū),平均斑塊面積變小的格局動態(tài)主要分布在大興安嶺北部、長江三角洲、華北平原等地;形狀變復雜的格局動態(tài)主要分布在大興安嶺北部、小興安嶺、云南高原和新疆地區(qū);形狀變簡單的格局動態(tài)主要分布在大興安嶺南部、東北平原南部、珠江三角洲。結構動態(tài)中最主要的為草地-未利用土地結構與草地或未利用土地之間的相互轉換,主要發(fā)生在西北地區(qū)。結構中增加的主要類型是未利用土地,集中分布在大興安嶺中北部和新疆;其次是建設用地,主要分布在華北平原、山東丘陵、長江中下游平原和東南沿海地區(qū)。結構中減少的主要類型是草地,主要分布在大興安嶺北部、山東丘陵和新疆地區(qū)。多樣性動態(tài)幅度不大,以增加為主,多分布在東北地區(qū)、新疆、河北平原、東南丘陵北部和臺灣中央山地;多樣性減少的動態(tài)變化主要分布在魯西北平原、山東丘陵、珠江三角洲、阿拉善高原和新疆。上述結果表明,我國土地利用空間格局演變過程中存在的問題包括中國東部和南部耕地的減少與破碎化、西北部新開墾耕地的質量有待評估,西北地區(qū)的草地退化,以及建設用地蔓延式擴張所引起的耕地流失與環(huán)境影響等問題。應進行相應的優(yōu)化調整,堅持基本農田保護政策,加大草原建設和保護力度、調整建設用地發(fā)展模式。本研究的主要創(chuàng)新點如下:(1)構建了基于“幾何特征”和“類型特征”的時間-空間-類型三維土地利用空間格局刻畫概念模型,明確了土地利用空間格局的研究范疇及維度,既適用于刻畫土地利用單一類型的幾何特征,也能夠刻畫土地利用整體的幾何特征和類型特征,具有較高的普適性和可推廣性。(2)在概念模型的理論框架下,從指標選擇、特征尺度確定和聚類分析等方面建立了一套適用于不同土地利用類型及整體的土地利用空間格局刻畫方法,能夠較好地定量劃分不同的空間格局類型并確定其特征。(3)全方位、多角度地對中國六種土地利用單一類型及整體空間格局進行刻畫,并分析其空間格局的演化。中國土地利用空間格局的刻畫結果進一步印證了土地利用空間格局幾何特征與類型特征各格局要素的獨立性與相關性、單一類型與整體的聯(lián)系與區(qū)別、時空維度相互作用的辯證統(tǒng)一關系。
【圖文】：

３．１數據源介紹逡逑本文采用的土地利用數據來自中國科學院構建的中國１：１０萬比例尺土地利逡逑用時空數據庫（圖３．１），該數據庫是基于陸地衛(wèi)星（Ｌａｎｄｓａｔ）、中巴地球資源逡逑衛(wèi)星（ＣＢＥＲＳ）、北京一號（ＢＪ－１）和環(huán)境一號（ＨＪ－１）等遙感衛(wèi)星影像及相逡逑關輔助數據，采用人機交互解譯的方法獲得的。數據制作的基本流程和主要技逡逑術環(huán)節(jié)包括遙感數據的篩選、幾何糾正、分類信息提取、動態(tài)信息提取、圖形逡逑編輯、質量檢查、數據集成、面積匯總等，數據總體精度達到８５％以上，耕地、逡逑城鄉(xiāng)工礦居民用地等定性精度在９０％以上。分類系統(tǒng)為中國科學院土地利用遙逡逑感監(jiān)測分類系統(tǒng)，是在全國農業(yè)區(qū)劃委員會制定的土地利用分類系統(tǒng)基礎上，逡逑針對遙感技術特點和研究目的修改完成的，共包括６個一級類型和２５個二級類逡逑型（Ｚｈａｎｇ等．，２０１４）。本文對土地利用空間格局研究僅針對一級類型展開逡逑（表３．１），研究的三個時期分別為１９８０ｓ末、２０００年和２０１０年，并將１：１０萬逡逑比例尺土地利用矢量數據重采樣為像元大小為１００ｍＸ邋１００ｍ的柵格數據。逡逑表３．１中國１：邋１０萬比例尺土地利用時空數據庫一級類型逡逑Ｔａｂｌｅ邋３．１邋Ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｌｅｖｅｌ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｎａｔｉｏｎａｌ邋ｌａｎｄ邋ｕｓｅ邋ｄａｔａｂａｓｅ邋ｏｆ邋Ｃｈｉｎａ逡逑編碼邐名稱邐含義逡逑指種植農作物的土地，包括熟耕地、新開荒地、休閑地、輪歇地、草逡逑１邐耕地邐田輪作地；以種植農作物為主的農果、農桑、農林用地；耕種三年以逡逑２邐林地邋指生長喬木、＾木、竹類以及沿海紅樹林地等林業(yè)用地逡逑？邐指以生長草本植物為主

ＥＮＮ的最小值為兩倍的像元分辨率大小，最大值受分析尺度的影響。逡逑量在分析范圍內僅有一個斑塊時，ＥＮＮ值為空，為方便計算，，設僅有一個斑塊逡逑的情況下ＥＮＮ的值為０。ＳＰＬＩＴ指數的范圍為１到分析區(qū)域內像元個數的平方。逡逑當分析范圍內全部為某一類型的斑塊時，ＳＰＬＩＴ指數為１；邋＿＿標斑塊類型面積逡逑持續(xù)減小弁被分割為數小塊時，ＳＰＬＩＴ指數增大；當研究區(qū)內僅有一個由一個逡逑像元組成的斑塊時，ＳＰＬＩＴ指數達到最大。逡逑通過上述分析．，可以看．．出＿邋ＳＰＬＩＴ？面積具有一定的相關性，但Ｐｅａｒｓｏｎ．相關逡逑系數僅能反應線性相關性，故分別做ＥＮＮ＿ＡＭ與ＣＡ和ＳＰＬＩＴ與ＣＡ的散點圖，逡逑以便進一步明確各指標之間的關系（圖３．２）。對比發(fā)現(xiàn)，ＳＰＬＩＴ指數與ＣＡ指逡逑數之間存在明顯的相關關系，但．非線性相關：當ＣＡ太乎０時，ＳＰ１ＩＴ指數接近逡逑０，駕ＣＡ接近０時，ＳＰＬＩＴ指數既存在較小值，也存在較大值。因此，選擇逡逑ＥＮＮ＿ＡＭ作為分布指標的代表性指標。逡逑
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院遙感與數字地球研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：F205

【參考文獻】

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本文編號：2661658