1 緒論

1.1 研究背景與意義
土地資源是實現(xiàn)人類長期發(fā)展和生存的基本場所，是人類進行一系列社會活動的重要保證。近年來，隨著人口的快速增加和經濟的迅猛發(fā)展，迫切地追求經濟效益及技術發(fā)展，導致全球性的環(huán)境問題如溫室效應、水資源污染、沙漠化、洪澇災害等日益顯著，使得生態(tài)系統(tǒng)功能下降，因此生態(tài)安全問題已對人類造成威脅。生態(tài)安全狀態(tài)是受自然因素（氣候、地質、土壤變化等）和人類活動（經濟化、城市擴張、土地利用/土地覆蓋變化等）共同作用的結果。而探討土地利用/土地覆蓋變化（LU/LC）驅動下的區(qū)域生態(tài)安全狀態(tài)變化，，對反映生態(tài)環(huán)境狀況具有重要的指示作用。因此，對城市以行政區(qū)域為單元的生態(tài)安全變化研究，為守護生態(tài)紅線、維持生態(tài)平衡、合理配置土地資源以及優(yōu)化土地利用結構提供指導性建議。城市化是衡量一個國家社會、經濟、環(huán)境等發(fā)展綜合實力的重要體現(xiàn)，是經濟迅猛發(fā)展的必然產物，體現(xiàn)了人類的進步�？焖俪鞘谢饕w現(xiàn)在人口密度增加、城市面積擴張、國內生產總值（GDP）增大這三方面。然而，城市化發(fā)展導致了城市景觀格局的變化，最直接表現(xiàn)在城市邊緣帶景觀類型的轉變，如新建、改建、擴建大批建筑物，以及林地、草地、農田、池塘、牧場等被人工地表所替代。由此可見，快速城市化帶來的土地資源相互轉化以及城市景觀格局變化是產生生態(tài)環(huán)境問題的主要原因之一[1]。隨著城鎮(zhèn)擴張日益明顯，占用大量生態(tài)用地，土地數(shù)量和結構正在發(fā)生著極大的變化，而且很多地區(qū)存在著土地利用結構與方式不合理，導致城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境不協(xié)調，生態(tài)環(huán)境功能正在退化[2]。土地利用/覆蓋變化（LU/LC）影響著整個生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能變化，導致生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降。因此，城市化引起的土地利用動態(tài)變化，以及由土地利用動態(tài)變化所帶來的生態(tài)安全狀態(tài)變化[3]，都將影響生態(tài)環(huán)境與社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。
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1.2 國內外研究現(xiàn)狀
長期以來，土地利用/土地覆蓋變化（LU/LC）監(jiān)測研究形成了一個全球化的研究核心與熱點內容，更是引起“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）、“人與環(huán)境計劃”（HDP）以及“世界氣候研究計劃”（WCRP）這三個國際組織的高度關注。與此同時，LU/LC 必然帶來土壤、氣候、水資源和生態(tài)系統(tǒng)要素及其功能的改變，進而導致生態(tài)環(huán)境變化效應，因而由土地利用類型變化造成的生態(tài)環(huán)境變化亦是國際上廣大學者們研究的熱點。土地利用/土地覆蓋變化影響了人類生存與發(fā)展的自然基礎，從而改變了地球生物、化學圈層的功能與結構以及打破了生態(tài)系統(tǒng)能量與物質循環(huán)間的平衡，導致了不可逆轉的氣候變化、生物多樣性減少等環(huán)境問題[4]。從宏觀角度來說，LU/LC 研究使人們更好地理解和認識其在不同空間與時間尺度上的相互作用機制及其相應變化，以及對環(huán)境產生的一系列影響。土地利用變化與社會經濟因素、人口變化、城市化程度有著密切的聯(lián)系，因此選擇不同的時空尺度對各種因素分析及 LU/LC 變化過程都存在著很大差異。綜合國際上對土地利用/土地覆蓋變化研究，可將主要內容歸納為三部分[4]，即土地覆蓋變化、土地利用的動力機制、土地利用與土地覆蓋變化的區(qū)域與全球模型[5]。土地利用/土地覆蓋變化（LU/LC）是國土資源調查研究的熱點內容，遙感技術的出現(xiàn)為及時準確地獲取土地利用變化信息提供了重要手段[6-8]。綜合利用“3S”集成技術和計算機技術等科技手段，形成集土地各類信息于一體的土地利用數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)[9]。遙感技術具有的多平臺、多傳感器、高光譜、高分辨率等特點[10]，如何充分地利用遙感影像進行土地利用變化信息提取和影像地物特征分析成為當今的迫切需求。同時，利用遙感技術獲取的數(shù)據(jù)作為信息源，結合地面輔助資料，運用計算機圖像處理技術，對土地利用狀況及其動態(tài)變化進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理于 GIS，依靠 GIS 進行處理、分析、決策、共享土地利用資源信息，開發(fā)土地利用變化信息管理原型系統(tǒng)，實現(xiàn)土地利用資源管理及數(shù)據(jù)庫更新的規(guī)范化、網絡化和智能化。
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2 土地利用/土地覆蓋樣本影像數(shù)據(jù)庫的建立

本章土地利用/土地覆蓋（LU/LC）樣本影像數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的建立是為解決遙感土地利用類型解譯過程中的效率和精度問題提供一個共享平臺。建立了覆蓋不同區(qū)域、多數(shù)據(jù)源、多時相的 LU/LC 樣本影像數(shù)據(jù)庫，并對樣本影像進行特征分析，為土地利用變化檢測及影像解譯訓練樣本選取提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，定性定量地評價遙感解譯結果的精度，避免由影像色調誤差等原因導致的地物誤判現(xiàn)象。最后輔助實現(xiàn)本文研究區(qū)福州市的遙感土地利用類型解譯。

2.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

福州市地處福建省東部沿海，是福建省省會城市，介于東經 118°08′—120°31′，北緯 25°15′—26°39′之間，是海峽西岸經濟區(qū)高速城市化發(fā)展的省會中心城市。福州是“濱海沿江河谷型”城市。福州盆地的自然地理環(huán)境是福州市中心建成區(qū)發(fā)展的基礎，閩江自西向東穿過盆地，在西部分叉而在東部合二為一，將盆地分割成三部分。福州市共 5 區(qū) 6 縣 2 市，行政區(qū)位圖如圖 2.1 所示。福州市陸地總面積為 11968平方公里，城鎮(zhèn)化率 64.8%，2014 年人均 GDP 達 70425 元人民幣。福州市屬亞熱帶海洋性季風氣候，全年溫暖濕潤，夏長冬短，雨量充沛，年降水量達 900~2100mm，年平均氣溫 15.6~19.6℃，市轄區(qū)夏季易出現(xiàn)城市熱島效應現(xiàn)象。全市地貌類型以山地、丘陵為主，海拔多在 600~1000m，占全市土地總面積的 72.68%，主要分布在內陸的永泰、閩清、閩侯 3 縣。閩江是福州市境內最主要的水系，其將福州市一分為二，干支流共同構成了格子狀水系。福州市雨熱豐富，利于植物的繁殖與生長，沿海地帶多為紅樹林以及沙生草木等植被。福州市土壤以紅壤、赤紅壤，在海拔較高的地區(qū)多發(fā)育黃壤，平原地區(qū)的耕地土以水稻田為主[46]。

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2.2 遙感解譯典型樣本示例影像及特征
地物解譯標志是遙感影像上能判別地物信息及影像特征的依據(jù)。由于遙感影像各波段所包含的地表信息內容因其波譜物理特征不同而各有差別，因此，為了保證樣本影像示例庫的通用性，典型 LU/LC 樣本影像數(shù)據(jù)應包括數(shù)據(jù)源影像的全部波段數(shù)據(jù)，以及地物類別的地理坐標信息、影像分辨率、時相、傳感器類別等。具體樣本影像示例及特征信息見表 2.1 所示。樣本影像數(shù)據(jù)應包含本地區(qū)內的所有地類，且采集區(qū)域包含地類的純度大，具有典型性。對于規(guī)則圖像采用 Photoshop 進行手動分割，不規(guī)則圖像則采用圖像分割技術[47]。同時根據(jù)第二次全國土地調查土地利用分類體系將三級地類的不同表現(xiàn)形式的地類影像進行樣本采集。數(shù)據(jù)庫類別可按地域劃分、采集影像時相按季度劃分，建立覆蓋多區(qū)域的樣本影像數(shù)據(jù)庫，如以福州為代表的華東地區(qū)，以廣州為代表的華南地區(qū)，以河南為代表的華北地區(qū)等[48]。
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3 福州市土地利用動態(tài)變化與景觀格局分析........... 17
3.1 研究區(qū)土地利用類型分類.....17
3.1.1 分類方法的選擇...........17
3.1.2 研究區(qū)土地利用類型調查及建立分類體系.......18
3.1.3 訓練樣本的選取...........18
3.1.4 LU/LC 樣本庫應用解譯結果及精度驗證.......... 20
3.2 土地利用動態(tài)變化及分析.....22
3.3 城市景觀格局空間分析.........25
3.4 本章小結.........29
4 基于 PSR 模型的城市生態(tài)安全定量評價....... 31
4.1 城市生態(tài)安全評價指標體系的建立.....31
4.1.1 指標體系的構建原則...........31
4.1.2 構建基于 PSR 模型的評價指標體系..........32
4.2 福州市生態(tài)安全評價標準的建立.........33
4.3 福州市生態(tài)安全評價指標權重的確定.........40
4.3.1 評價指標權重確定的方法...........40
4.3.2 評價指標權重值計算...........42
4.4 福州市生態(tài)安全定量評價結果與分析.........44
4.5 福州市生態(tài)安全調控措施與建議.........49
4.6 本章小結.........52
5 結論與展望....... 53
5.1 研究工作結論.........53
5.2 問題與展望.....54

4 基于 PSR 模型的城市生態(tài)安全定量評價

城市已經成為人類的主要棲息地，景觀格局空間變化和生態(tài)安全效應將影響人類的生存質量。土地利用變化引起了各個土地利用類型種類、面積和空間分布的動態(tài)變化，同時，隨著城市擴張占用大量生態(tài)用地，人類活動對生活環(huán)境造成的各種污染，以及人口膨脹導致的交通擁擠和住宅的稀缺，進而加劇了土地資源的開發(fā)和利用，導致了熱島效應增強、生態(tài)環(huán)境質量下降、自然災害風險加劇等眾多城市生態(tài)環(huán)境問題。因而，如何有效地定量評價城鎮(zhèn)化過程中的生態(tài)安全水平等級，已越來越受到關注。

4.1 城市生態(tài)安全評價指標體系的建立
福州市基于 PSR（壓力—狀態(tài)—響應）概念模型的生態(tài)安全定量評價指標體系的建立，應遵循科學性、指標數(shù)據(jù)的可得性、區(qū)域性與動態(tài)性、實用性、定量與定性相結合的原則，并盡量達到上述原則的最佳組合與有效統(tǒng)一。（1）科學性原則城市生態(tài)安全評價指標體系建立在科學地選取能夠反映生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的狀況與指標間的相互聯(lián)系，并能一定程度上表達研究目標的實現(xiàn)程度，是確保評價結果是否準確的依據(jù)。城市生態(tài)安全定量評價過程是否科學依賴于其評價指標、評價標準與程序等方法是否科學。具體而言，評價指標體系的科學性包含指標的特征性、獨立性、準確一致性與完備性這四個方面。（2）指標數(shù)據(jù)的可得性原則在選取評價指標的過程中，指標數(shù)量并不是越多越好，但也不能太少過于簡單。既要避免指標數(shù)量過多而出現(xiàn)含義重復的指標相互重疊，又要防止指標選取過少而遺漏。因此，在構建城市生態(tài)安全評價指標體系時，應考慮數(shù)據(jù)獲取的難易程度以及可靠性，充分利用現(xiàn)有的資料，盡可能的選取具有代表性、實用性的綜合指標及重點指標。
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結論

本文以高速城市化發(fā)展的海峽西岸經濟圈重要門戶、沿海地區(qū)重要港口城市、福建省省會——福州市為研究對象，首先，基于 1994 年、2000 年及 2009 年的三期中分辨率 Landsat 5 TM 影像和 2013 年 Landsat 8 OLI 影像，采集典型樣本示例影像，分析影像特征，構建土地覆蓋/土地利用（LU/LC）樣本影像數(shù)據(jù)庫，為輔助研究區(qū)福州市土地利用類型遙感解譯工作統(tǒng)一判讀標準，提供理論參考和技術依據(jù)。其次，采用監(jiān)督分類的最大似然法與非監(jiān)督分類的混合分類方法，同時參考 LU/LC 樣本影像庫的典型示例影像及影像特征信息進行訓練樣本的選取，獲得了福州市這 20a來不同時期的土地利用分類圖。在此基礎上通過分析土地利用動態(tài)變化及景觀格局分析，探討了福州市 20a 間的土地利用變化與空間格局特點。最后，構建基于 PSR模型的城市生態(tài)安全定量評價指標體系，運用層次分析法、Delphi 法確立各評價指標因子的權重，在 GIS 平臺下，得到城市生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應以及綜合評價的分等定級圖，并結合分析結果，給出福州市生態(tài)安全調控的措施與建議。論文研究過程中主要得到以下結論：
（1）針對遙感影像解譯過程中判讀標準不一、精度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，完成了建設包含典型樣本示例庫和影像特征庫的 LU/LC 樣本影像數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)了樣本影像庫的各個功能模塊。進而結合 LU/LC 樣本影像庫成功實現(xiàn)了對福州市四期遙感影像進行土地利用類型解譯，精度分別為 87.89%、91.46%、88.35%、88.62%，均達到 85%以上，符合生產要求，并且精度穩(wěn)定。LU/LC 樣本影像庫的建立為土地利用類型解譯及信息提取過程中減少了人為判讀誤差，統(tǒng)一了核查規(guī)范和訓練樣本選取標準，定性定量地評價影像解譯結果精度。
（2）利用 GIS、RS 等技術手段對福州市 1994-2013 年間土地利用變化動態(tài)監(jiān)測，與傳統(tǒng)土地調查方法相比，具有精度高、速度快、費時少等優(yōu)點。借助于數(shù)理統(tǒng)計、地統(tǒng)計分析等方法，從土地利用面積比例變化、轉移量與轉移方向、動態(tài)度變化分析入手，并對福州市景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)及破碎度指數(shù)進行計算，研究了福州市土地利用動態(tài)變化和城市景觀格局的演變特征，更好地揭示土地利用變化及景觀演變后帶來的城市生態(tài)功能和環(huán)境狀況等變化信息。
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參考文獻(略)

本文編號：46868