上海市土地利用覆被变化及人文驱动机制研究.docx
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上海市土地利用覆被变化及人文驱动机制研究
上海师范大学
硕士学位论文上海市土地利用/覆被变化及人文驱动机制研究
姓名:
陈敏申请学位级别:
硕士专业:
自然地理学指导教师:
胡小猛
20090401
论文题目:
上海市土地利用/覆被变化及人文驱动机制研究学科专业:
自然地理学学位申请人:
陈敏指导教师:
胡小猛教授
摘要
土地利用与土地覆被娃地球表层系统中最突出的景观标志,区域土地利用/覆被变化研究已成为地理学研究的热点问题之一。
经济的高速发展使上海地区土地利用/覆被变化现象明显、且未来土地利用/覆被变化将要出现重大变化。
本文利用上海市1987年和2007年TM遥感影像,运用支持向量机以及传统的最大似然法进行土地利用/覆被分类对比研究,最终得到1987年和2007年上海市土地利用/覆被专题地图,并以此结果为基础对上海市研究时段内土地利用/覆被变化进行动态分析;最后选取上海市1987年~2007年影响土地利用/覆被变化的29个人文因素作为指标变量,将其输入数学统计学软件spssl6.0进行主成分分析,分析结果表明,影响上海市土地利用/覆被变化的人文驱动因素可归为四类,即经济因素、人口因素、城市发展环境因素和技术因素。
论文分为六个部分:
第一部分为绪论。
主要介绍了国内外土地利用/覆盖研究的现状和进展,阐述了上海市土地利用/覆盖变化研究的意义,并介绍了研究区域的自然和人文概况。
第二部分为遥感影像处理。
介绍了研究所需要的资料及其来源,重点阐述了分类前对遥感影像所进行的必要的处理过程。
第三部分为遥感影像信息提取。
详细讨论了支持向量机分类与最大似然法分类相比较所具有的优势,最终利用支持向量机分类方法得到1987年和2007年上海市的土地利用现状图《
第四部分为上海市1987~2007年土地利用覆被变化动态分析。
以遥感影像解译结果为基础,从土地利用数量变化、程度变化、空间变化三个方面分析了研究区域土地利用/覆被变化的特征。
第五部分为上海市土地利用/覆被变化人文驱动机制研究。
结合区域实际情况,从人文角度出发,利用主成分分析的方法定量研究上海市土地利用/覆被变化的驱动机制。
第六部分为结语。
阐述了论文的主要结论和展望,分析了研究中存在的不足之处。
关键词:
土地利用/覆被变化:
支持向量机;人文驱动机制;主成分分析:
上海论文类型:
应用基础
TheStudyonLandUse/CoverChangeandHumanDrivingMechanisminShanghai
ABSTRACT
Landuse/coverchangeisthemostoutstandinglandscapesigninthetoplayersystemoftheearth,andregionalstudyonithasbecomethehotspotofthegeographyresearch.TherapideconomicdevelopmentofShanghaimadelanduse/coverchangeobviously,andinthefuture,landuse/coverchangeisgoingtochangesignificantlyinShanghai.
Inthisarticle,dealingwithtwoTMimagesofShanghaifor1987and2007,theauthorusessupportvectormachine(SVM)methodandthetraditionalmaximumlikelihoodmethod(MLC)inordertostudyhowtoimprovetheclassificationaccuracyofRSinterpretation.Eventuallythethematicmapsoflanduseof1987and2007aremadebyRSandGIS,Astheresultofbasicresearchttheauthorhasmadedynamicanalysisonthelanduse/coverchangesfrom1987to2007.BasedonthesocialeconomicstatisticdataofShanghai,theprimaryfactoranalysisofSPSS16.0wasappliedtoanalyzethedrivingfactortolanduse/coverchangeandtheconclusionsincludedeconomicfactor,populationfactor,urbandevelopmentenvironmentalfactorandtechnicalfactor.
Thethesisisdividedintosixparts:
Thefirstpartistheintroduction.Thestatus,progressforlanduse/coverresearchathomeandabroadarediscussed,thesignificanceofLUCCinShanghaiisclarified,andtheregionaloverviewofShanghaiisintroduced.
Thesecondpartisthepre-processingofTMimages.Theauthorintroducesthenecessarymaterialsanditssources,andfocusesontheessentialprocessbeforetheclassificationoftheTMimages.
ThethirdpartistheinformationextractionoftheTMimages.Thesupportvectormachineclassificationiscomparedwithmaximumlikelihoodclassificationindetail.Finally,theinformationoflanduseof1987and2007isobtainedwiththesupportvectormachinemethod.
Thefourthpartisdynamicanalysisoflanduse/coverchangefrom1987to2007,basedoninterpretedTMimages.Theauthorstudiesthecharacteristicofthelanduse/coverchangesfromthreeaspects*quantityvariation,degreevariation,andspatialvariation.
Thefifthpartisthehumandrivingmechanismoflanduse/coverchangeofShanghai,fromthehumanpointofview,withtheprincipalcomponentanalysismethod,hasstudiedthedrivingmechanismoflanduse/coverchangeofShanghaiquantitatively.
Thesixthpartistheconclusion.Elaboratesthemainconclusionsandoutlook,analyzestheinadequacies.
Keywords:
LandUse/CoverChange;SupportVectorMachine(SVM);HumanDrivingMechanism;PrincipalComponentAnalysis;Shanghai
论文独创性声明
本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
论文中除了特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。
其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中做了明确的声明并表示了谢意。
作者签名:
曰期:
5*20
论文使用授权声明
本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。
保密的论文在解密后遵守此规定。
作者签名:
导师签名:
^日期:
&、许.
第一章绪论
1.1选题背景与立题意义
20世纪以来科学技术的飞速发展和世界经济的迅速增长,使人类“征服”
自然的足迹遍布全球,人类活动正在改变地球的生态系统,环境问题也逐渐从地区性问题发展成波及世界各国的全球性问题,出现了一系列包括气候变化、臭氧层破坏、森林破坏与生物多样性减少、酸雨污染、土地荒漠化、海洋污染、有毒化学品污染和有害废物越境转移等引起国际社会广泛关注的热点问题。
围绕这些问题,全球变化科学也成为各国学者研究的热点。
土地利用与土地覆被是地球表层系统中最突出的景观标志tl],土地利用和覆被变化是全球环境变化的重要组成部分。
正是在这样的背景下,1995年国际地圈一生物圈计划(IGBP)和全球环境变化中的人文领域计划(IHDP)共同提出了“土地利用和土地覆被变化”(Landuseandlandcoverchange,LUCC)科学研究计划[2]。
我国改革开放三十年来,经历了一场快速城市化的浪潮。
在这一过程中,城市与乡村的人口和经济相互扩散和渗透,使城市内部及其周边区域土地利用方式快速变化,大量的农业用地转换为城市用地,耕地资源锐减,带来了巨大的发展问题,已经威胁到社会经济的持续发展[3]。
事实上我国社会经济发展中的许多问题都与土地资源的稀缺和冲突有关。
据台湾电机电子工业同业会发布的《2005年中国大陆投资环境与风险调查报告》[4],在其“暂不推荐”投资的8座城市中,珠三角地区有7座。
“暂不推荐”的主要理由是这些城市目前在环境容量和土地资源上极度局促。
经30多年以土地换资金、以空间求发展、以出口为导向、以环境为代价的发展之后,珠三角地区的这7座城市,现在的土地资源巳所剩无几。
同样在其《2007年中国大陆投资环境与风险调查报告》[5]中江苏常熟排名较2006年下降了0.99个百分点,理由同样是土地资源稀缺,报告还提出整个苏南现在都面临同样的难题。
虽然没有这些地区问题严峻,但是现在上海的形势并不乐观,城市发展所受到的环境容量和土地资源瓶颈约束也日趋突显。
因此,加强对区域土地资源的调控,提高土地资源可持续利用水平,是政府目前对土地宏观管理的一项迫切任务。
而充分掌握区域现有土地资源的数量、质量及未来变化趋势是做好该项工作的根本前提。
根据中央对上海发展的规划,立足于21世纪的长远发展,上海将城市定位
为:
我国重要的经济中心和航运中心,国家历史文化名城,并将逐步建成社会主
义现代化国际大都市,国际经济、金融、贸易、航运中心之一。
据“上海市城市
总体规划(1999年一2020年)中、近期建设行动计划”[6]、上海市“十一五”
规划纲要[7],未来10到15年上海在基础设施建设上,以“三港两路”(三港指
海港、空港和信息港;两路指高速铁路和高速公路)为主体,建设一批衔接国内
外的枢纽型重大工程;以“两网”(轨道交通网和高速公路网)建设为重点,形
成市域内快速便捷的客货运交通网络。
在城市发展空间上,拓展沿江沿海发展空
间,形成宝山新城、外高桥港区(保税区)、空港新城、临港新城、上海化学工
业区、金山新城等组成的滨水城镇和产业发展带;继续推进浦东新区功能开发和
形象建设;集中建设新城和中心镇;将崇明作为21世纪上海可持续发展的重要
战略空间。
在产业布局上,将大力新建上海综合工业区和上海化学工业区,打造
临海和港口带动型综合经济发展带。
所有这一切社会经济活动,必将对区域土地
产生强烈需求并导致土地利用和覆被的重大变化。
因此,上海可以作为快速城市化过程中区域土地利用/覆被变化研究的优良
“标本”。
在利用遥感监测技术的基础上,结合广泛的社会、经济调查,对该区域
土地利用/覆被变化过程和变化机制进行分析,这无疑对于揭示我国快速城市化
背景下土地利用/覆被变化人文驱动机制以及区域土地利用变化的调控和管理都
有着重要的理论意义和现实意义。
1.2土地利用/覆被变化研究现状
1.2.1土地利用和土地覆被的相关概念
土地利用是指人类对土地的使用方式和使用状况,是人类根据土地的自然属性,按照一定的社会经济目的,采取一系列生物、技术手段对土地进行长期或周期性的经营活动。
土地覆被则是指地表的覆盖状态,不仅包括地表的自然覆盖物,也包括地表的各种人工覆盖物和人工改造物。
因此,土地利用偏重于土地的经济属性,它主要考虑人类施加于土地的活动;而土地覆被更强调土地的自然属性以及人类活动的结果,它主要考虑地表覆盖物的不同性质与特点。
由于在很多情况下,土地利用和土地覆被所指的对象相同,因而这两个概念又容易混淆。
例如,对于同一片草地或作物,当不考虑其目的和用途而仅将其看
作植被时,它就是土地覆被;若考虑其用于放牧或生产粮食等用途时,它就是相应的土地利用类型[8]。
土地利用的变化通常会导致土地覆被的变化,土地覆被的变化反过来又作用于土地利用的变化,因此人们把二者联系起来称为土地利用/覆被变化,简称LUCCo
1.2.2国内外研究现状
土地利用/覆被变化(LUCC)是人类活动与自然环境相互作用的直接结果,是全球变化的重要表现和主要原因之一[9]。
1995年“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)和“全球环境变化的人文领域计划”(IHDP)联合提出了“土地利用/土地覆被变化”(LUCC)研究计划,试图通过对人类驱动力——土地利用/覆被变化-全球变化-环境反馈之间相互作用机制的认识,深入理解人类活动对土地覆被的影响,从人类活动角度预测LUCC,进而评估生态环境变化,并寻求积极的人为干预[1°]。
自从“土地利用/土地覆被变化”(LUCC)研究计划提出以后,LUCC研究在全球广泛地开展起来。
目前LUCC研究主要集中在四个方面:
①LUCC的状况研究;②LUCC的驱动力与驱动机制研究;③LUCC的效应与作用机制研究;④LUCC的模型模拟与土地可持续利用研究。
LUCC的变化状况及其驱动力研究开展较早,成果也比较丰富;随着研究重点的转移,LUCC的效应研究工作在近期得到了更多关注和重视;而在模型研究方面,一直有学者在进行尝试,但少有突破性成果,这除了普适模型构建和可持续性研究本身的难度外,还受制于前三方面的成效与进展[11]。
史培军等在其著作《土地利用/覆盖变化研究的方法与实践》一书中总结了代表国际LUCC研究发展进程与水平的主要流派[12]:
北美流派、欧洲流派和日本流派。
北美流派,其研究工作是从宏观的角度出发,定性地研究全球规模大尺度上的土地利用变化状况及其与全球环境变化的相互关系。
该流派的主要代表人物是B.L.Tumer与D.Skole等人。
研究主要在:
①土地利用的驱动力;②土地利用对土地覆被的影响;③土地利用与土地覆被动态的时空变化性;④土地利用与土地覆被变化区域性与全球性模型和预测等方面进行。
并集中于三个研究的中心环节上,即:
①采用案例比较的方法进行土地利用变化与土地管理过程的分析与建模;
②通过对引起土地覆被变化的诸多因素的直接观察与测量,发展有关土地覆被变化的经验模型与诊断模型,并以此为基础进行土地覆被变化的区域性评价;③利用以上的研究成果推导综合性与预测性的区域与全球模型以预测未来的土地利用与土地覆被变化[13]。
然而,由于该研究派别的宏观性质,使其所揭示的研究成果过于空泛,建立的模型也多属概念性模型,实用性不大[12]。
欧洲流派的土地利用变化研究是从福利分析(Welfareanalysis)出发,在对土地资源与食品政策进行研究的基础上,构建相关研究模型并对未来的情景以及由此造成的自然环境与资源的改变进行模拟。
主要代表人物是G.Fischer0Fischer等人认为[1'通过福利分析,研究福利政策,可以为模拟引起土地利用变化的社会与经济驱动力提供一条行之有效的途径。
日本流派的学者主要利用数量模型与经济模型,定量研究区域性的土地利用变化,并进行预测。
代表人物是日本国立环境研究所的Kiminori,京都大学的MasaruKagatsume以及东京农业大学的TeitaroKitamura等人。
其所做工作主要反映在LU/GEC项目[15}(为全球环境保护的土地利用研究)的研究上。
LU/GEC项目的研究始于1995年,着眼于亚太地区可持续的土地利用,分步骤分阶段进行。
第一阶段(1995-1997)研究目标是预测2025年和2050年该地区土地利用与土地覆被状况及土地肥力保护。
通过第一阶段研究,设计了一个有关土地利用变化的基本模型(LU/GEC-1)。
我国的LUCC研究是国际LUCC研究的重要组成部分,科技部和自然基金委员会对该研究都高度重视,2004年结题的“973”课题“我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究”M对我国北方13个省的LUCC进行了全面调查分析,并利用预测模型对不同发展状况下的区域未来10-15年土地利用格局进行了预测。
在2006年的“国家科技中长期发展规划纲要”[17]中,LUCC研究也被列入到“面向国家重大战略需求的基础研究”之中。
根据我国的具体特点,我国的LUCC研究在研究内容上有所侧重①对我国LUCC时空变化进行研究,包括对LUCC时空变化监测技术、对区域LUCC时空变化的调查和对国土资源环境动态数据库构建等的研究。
②对我国LUCC时空变化的动力机制研究,从自然系统和社会系统两个方面对我国不同区域LUCC现象进行动力分析。
③LUCC对自然地理环境的影响研究,包括对区域土壤、大气和水文的特征及过程的影响
研究。
1.3论文的研究内容与技术路线13.1研究内容
上海市的高速经济发展过程为人们揭示城市化过程中的土地利用变化规律及其驱动机制,提供了极为难得的条件[19]。
作为长江三角洲地区的龙头城市和我国的最大城市,上海的土地利用方式对整个长江三角洲地区乃至全国都具有指向标的作用。
上海地区是目前土地利用/覆被变化现象明显,且未来土地利用/覆被变化将要出现重大变化的地区,基于这种考虑,本文选择上海市进行区域土地利用/覆被变化过程及人文驱动机制的研究,主要内容包括以下几个方面:
(1)遥感影像信息提取研究
选择1987年和2007年两个时相上海市的TM遥感影像,通过遥感影像预处理,在地物光谱特征分析的基础上,构建土地利用信息提取模型,并利用最大似然法分类方法和支持向量机分类方法进行遥感影像的解译,探讨了遥感影像解译方法,提取了1987年和2007年两个时相研究区域土地利用和覆被的信息。
(2)研究时段内的土地利用/覆被变化动态研究
以1987年和2007年两个时相上海市的TM遥感影像解译结果为基础,从土地利用数量变化、土地利用程度变化、土地利用空间变化三个方面分析了研究区域土地利用/覆被时空变化情况。
(3)土地利用/覆被变化的人文驱动机制研究
调查和收集研究时段内上海市的社会、经济发展信息,结合1987年和2007年两个时相上海的TM遥感影像解译结果,利用统计学分析软件spssl6.0主成分分析功能,定量分析了影响上海市土地利用/覆被变化的人文驱动因子。
1.3.2研究技术路线
本文的研究技术路线具体如图(1-1)所示
图1-1研究技术路线
1.4研究区概况
上海,简称“沪”,别称“申”。
大约在六千年前,现在的上海西部即已成陆,东部地区成陆也有两千年之久。
从1984年到2003年,上海市户籍人口由204.78万人增长到1341.77万人,非农人口从760.75万人增长到1041.39万人,国内生产总值从246.52亿元增长到6250.8亿元。
上海是我国重要的经济中心和航运中心,并将逐步建成社会主义现代化国际大都市,国际经济、金融、贸易、航运中心之一。
20世纪80年代以来,上海市成为我国城乡空间演变最快的地区之一。
1.4.1自然概况
(1)地理位置
上海地处东经120°51'〜122°12'、北纬30°40'〜31°53%位于太平洋西岸,亚洲大陆东沿,中国南北海岸中心点,长江和钱塘江入海汇合处。
北界长江,东濒东海,南临杭州湾,西接江苏和浙江两省。
是长江三角洲冲积平原的一部分,平均海拔髙度为4米左右。
陆地地势总趋势是由东向西低微倾斜。
以西部淀山湖一带的淀泖洼地为最低,海拔仅2〜3米;在泗泾、亭林、金卫一线以东的黄浦江两岸地区,为碟缘高地,海拔4米左右;浦东钦公塘以东地区为滨海平原,海拔4〜5米间。
西部有天马山、薛山、凤凰山等残丘,天马山为上海陆上最高点,海拔高度98.2米。
海域上有大金山、小金山、乌龟山、佘山等岩岛,大金山海拔高度103.4米,为上海境内最高点。
在上海北面的长江入海处,有崇明、长兴、横沙3个岛屿。
(2)土地面积
1949年,上海的土地面积仅为636平方公里。
1958年,江苏省的嘉定、宝山、上海、松江、金山、川沙、南汇、奉贤、青浦、崇明10个县划归上海,使上海市的辖区范围扩大到5910平方公里,几乎是1949年的10倍。
2007年末,上海全市土地面积为6340.5平方公里,占全国总面积的0.06%,南北长约120公里,东西宽约100公里。
其中河道、湖泊面积532平方公里(按市水务局提供的数据)。
陆海岸线长约172公里。
境内辖有崇明、长兴、横沙3个岛屿,崇明岛为中国第三大岛,由长江挟带下来的泥沙冲积而成,面积为1041.21平方公里,海拔3.5〜4.5米。
长兴岛面积74.10平方公里,横沙岛面积49.26平方公里。
(3)气候
上海处亚热带季风区,4至8月盛行东南风,11月至次年2月盛行西北风,3月和9至10月东南和东北风交替出现。
气候温和,年均气温市区15.8°C,郊区15.2〜15.7°C,7月最热,平均气温市区27.8°C,郊区27.4〜27.7°C;1月最冷,平均气温市区3.6°C,郊区3.0〜3.7°C。
全年无霜期228天。
热量资源较为丰富。
全年雨量充沛,总雨量平均1149毫米,其中70%集中在4至9月,6月和9月雨量最多,分别为140和170毫米,12月和1月最少,分别为35和45毫米。
由于降水年际变化大,涝旱时有发生。
气候局地性特征明显,在市区有“城市热岛效应”。
(4)水文
上海地区河湖众多,水网密布,境内水域面积697平方公里,相当于全市总面积的11%。
上海河网大多属黄浦江水系,主要有黄浦江及其支流苏州河、川扬河、淀浦河等。
黄浦江源自太湖,全长113公里,流经市区,江道宽度300〜770米,平均3
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