1 緒論

1.1 研究背景與意義
土地資源是實(shí)現(xiàn)人類長(zhǎng)期發(fā)展和生存的基本場(chǎng)所，是人類進(jìn)行一系列社會(huì)活動(dòng)的重要保證。近年來(lái)，隨著人口的快速增加和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，迫切地追求經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)致全球性的環(huán)境問(wèn)題如溫室效應(yīng)、水資源污染、沙漠化、洪澇災(zāi)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(wèn)題已對(duì)人類造成威脅。生態(tài)安全狀態(tài)是受自然因素（氣候、地質(zhì)、土壤變化等）和人類活動(dòng)（經(jīng)濟(jì)化、城市擴(kuò)張、土地利用/土地覆蓋變化等）共同作用的結(jié)果。而探討土地利用/土地覆蓋變化（LU/LC）驅(qū)動(dòng)下的區(qū)域生態(tài)安全狀態(tài)變化，，對(duì)反映生態(tài)環(huán)境狀況具有重要的指示作用。因此，對(duì)城市以行政區(qū)域?yàn)閱卧纳鷳B(tài)安全變化研究，為守護(hù)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(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)性建議。城市化是衡量一個(gè)國(guó)家社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等發(fā)展綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)，是經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的必然產(chǎn)物，體現(xiàn)了人類的進(jìn)步�？焖俪鞘谢饕w現(xiàn)在人口密度增加、城市面積擴(kuò)張、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增大這三方面。然而，城市化發(fā)展導(dǎo)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(zhuǎn)變，如新建、改建、擴(kuò)建大批建筑物，以及林地、草地、農(nóng)田、池塘、牧場(chǎng)等被人工地表所替代。由此可見，快速城市化帶來(lái)的土地資源相互轉(zhuǎn)化以及城市景觀格局變化是產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的主要原因之一[1]。隨著城鎮(zhèn)擴(kuò)張日益明顯，占用大量生態(tài)用地，土地?cái)?shù)量和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與方式不合理，導(dǎo)致城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境不協(xié)調(diào)，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(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能變化，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降。因此，城市化引起的土地利用動(dòng)態(tài)變化，以及由土地利用動(dòng)態(tài)變化所帶來(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
長(zhǎng)期以來(lái)，土地利用/土地覆蓋變化（LU/LC）監(jiān)測(cè)研究形成了一個(gè)全球化的研究核心與熱點(diǎn)內(nèi)容，更是引起“國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃”（IGBP）、“人與環(huán)境計(jì)劃”（HDP）以及“世界氣候研究計(jì)劃”（WCRP）這三個(gè)國(guó)際組織的高度關(guān)注。與此同時(shí)，LU/LC 必然帶來(lái)土壤、氣候、水資源和生態(tài)系統(tǒng)要素及其功能的改變，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境變化效應(yīng)，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(guó)際上廣大學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。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(chǔ)，從而改變了地球生物、化學(xué)圈層的功能與結(jié)構(gòu)以及打破了生態(tài)系統(tǒng)能量與物質(zhì)循環(huán)間的平衡，導(dǎo)致了不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化、生物多樣性減少等環(huán)境問(wèn)題[4]。從宏觀角度來(lái)說(shuō)，LU/LC 研究使人們更好地理解和認(rèn)識(shí)其在不同空間與時(shí)間尺度上的相互作用機(jī)制及其相應(yīng)變化，以及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的一系列影響。土地利用變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)空尺度對(duì)各種因素分析及 LU/LC 變化過(guò)程都存在著很大差異。綜合國(guó)際上對(duì)土地利用/土地覆蓋變化研究，可將主要內(nèi)容歸納為三部分[4]，即土地覆蓋變化、土地利用的動(dòng)力機(jī)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(guó)土資源調(diào)查研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，遙感技術(shù)的出現(xiàn)為及時(shí)準(zhǔn)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(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(shù)具有的多平臺(tái)、多傳感器、高光譜、高分辨率等特點(diǎn)[10]，如何充分地利用遙感影像進(jìn)行土地利用變化信息提取和影像地物特征分析成為當(dāng)今的迫切需求。同時(shí)，利用遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)作為信息源，結(jié)合地面輔助資料，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)土地利用狀況及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理于 GIS，依靠 GIS 進(jìn)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(shí)現(xiàn)土地利用資源管理及數(shù)據(jù)庫(kù)更新的規(guī)范化、網(wǎng)絡(luò)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(kù)的建立

本章土地利用/土地覆蓋（LU/LC）樣本影像數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的建立是為解決遙感土地利用類型解譯過(guò)程中的效率和精度問(wèn)題提供一個(gè)共享平臺(tái)。建立了覆蓋不同區(qū)域、多數(shù)據(jù)源、多時(shí)相的 LU/LC 樣本影像數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)樣本影像進(jìn)行特征分析，為土地利用變化檢測(cè)及影像解譯訓(xùn)練樣本選取提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，定性定量地評(píng)價(jià)遙感解譯結(jié)果的精度，避免由影像色調(diào)誤差等原因?qū)е碌牡匚镎`判現(xiàn)象。最后輔助實(shí)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(huì)城市，介于東經(jīng) 118°08′—120°31′，北緯 25°15′—26°39′之間，是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)高速城市化發(fā)展的省會(huì)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(chǔ)，閩江自西向東穿過(guò)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(dá) 70425 元人民幣。福州市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年溫暖濕潤(rùn)，夏長(zhǎng)冬短，雨量充沛，年降水量達(dá) 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(yīng)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(nèi)陸的永泰、閩清、閩侯 3 縣。閩江是福州市境內(nèi)最主要的水系，其將福州市一分為二，干支流共同構(gòu)成了格子狀水系。福州市雨熱豐富，利于植物的繁殖與生長(zhǎng)，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(biāo)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(nèi)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(kù)的通用性，典型 LU/LC 樣本影像數(shù)據(jù)應(yīng)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(biāo)信息、影像分辨率、時(shí)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(yīng)包含本地區(qū)內(nèi)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(duì)于規(guī)則圖像采用 Photoshop 進(jìn)行手動(dòng)分割，不規(guī)則圖像則采用圖像分割技術(shù)[47]。同時(shí)根據(jù)第二次全國(guó)土地調(diào)查土地利用分類體系將三級(jí)地類的不同表現(xiàn)形式的地類影像進(jìn)行樣本采集。數(shù)據(jù)庫(kù)類別可按地域劃分、采集影像時(shí)相按季度劃分，建立覆蓋多區(qū)域的樣本影像數(shù)據(jù)庫(kù)，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(dòng)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(diào)查及建立分類體系.......18
3.1.3 訓(xùn)練樣本的選取...........18
3.1.4 LU/LC 樣本庫(kù)應(yīng)用解譯結(jié)果及精度驗(yàn)證.......... 20
3.2 土地利用動(dòng)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(jié).........29
4 基于 PSR 模型的城市生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)....... 31
4.1 城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立.....31
4.1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建原則...........31
4.1.2 構(gòu)建基于 PSR 模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系..........32
4.2 福州市生態(tài)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立.........33
4.3 福州市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定.........40
4.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定的方法...........40
4.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值計(jì)算...........42
4.4 福州市生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)結(jié)果與分析.........44
4.5 福州市生態(tài)安全調(diào)控措施與建議.........49
4.6 本章小結(jié).........52
5 結(jié)論與展望....... 53
5.1 研究工作結(jié)論.........53
5.2 問(wèn)題與展望.....54

4 基于 PSR 模型的城市生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)

城市已經(jīng)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(yīng)將影響人類的生存質(zhì)量。土地利用變化引起了各個(gè)土地利用類型種類、面積和空間分布的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)，隨著城市擴(kuò)張占用大量生態(tài)用地，人類活動(dòng)對(duì)生活環(huán)境造成的各種污染，以及人口膨脹導(dǎo)致的交通擁擠和住宅的稀缺，進(jìn)而加劇了土地資源的開發(fā)和利用，導(dǎo)致了熱島效應(yīng)增強(qiáng)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降、自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇等眾多城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因而，如何有效地定量評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)化過(guò)程中的生態(tài)安全水平等級(jí)，已越來(lái)越受到關(guān)注。

4.1 城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立
福州市基于 PSR（壓力—狀態(tài)—響應(yīng)）概念模型的生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，應(yīng)遵循科學(xué)性、指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性、區(qū)域性與動(dòng)態(tài)性、實(shí)用性、定量與定性相結(jié)合的原則，并盡量達(dá)到上述原則的最佳組合與有效統(tǒng)一。（1）科學(xué)性原則城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立在科學(xué)地選取能夠反映生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的狀況與指標(biāo)間的相互聯(lián)系，并能一定程度上表達(dá)研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度，是確保評(píng)價(jià)結(jié)果是否準(zhǔn)確的依據(jù)。城市生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)過(guò)程是否科學(xué)依賴于其評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與程序等方法是否科學(xué)。具體而言，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的科學(xué)性包含指標(biāo)的特征性、獨(dú)立性、準(zhǔn)確一致性與完備性這四個(gè)方面。（2）指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性原則在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)的過(guò)程中，指標(biāo)數(shù)量并不是越多越好，但也不能太少過(guò)于簡(jiǎn)單。既要避免指標(biāo)數(shù)量過(guò)多而出現(xiàn)含義重復(fù)的指標(biāo)相互重疊，又要防止指標(biāo)選取過(guò)少而遺漏。因此，在構(gòu)建城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)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(shí)用性的綜合指標(biāo)及重點(diǎn)指標(biāo)。
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結(jié)論

本文以高速城市化發(fā)展的海峽西岸經(jīng)濟(jì)圈重要門戶、沿海地區(qū)重要港口城市、福建省省會(huì)——福州市為研究對(duì)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(gòu)建土地覆蓋/土地利用（LU/LC）樣本影像數(shù)據(jù)庫(kù)，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(biāo)準(zhǔn)，提供理論參考和技術(shù)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(shí)參考 LU/LC 樣本影像庫(kù)的典型示例影像及影像特征信息進(jìn)行訓(xùn)練樣本的選取，獲得了福州市這 20a來(lái)不同時(shí)期的土地利用分類圖。在此基礎(chǔ)上通過(guò)分析土地利用動(dòng)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(diǎn)。最后，構(gòu)建基于 PSR模型的城市生態(tài)安全定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法、Delphi 法確立各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重，在 GIS 平臺(tái)下，得到城市生態(tài)安全壓力、狀態(tài)、響應(yīng)以及綜合評(píng)價(jià)的分等定級(jí)圖，并結(jié)合分析結(jié)果，給出福州市生態(tài)安全調(diào)控的措施與建議。論文研究過(guò)程中主要得到以下結(jié)論：
（1）針對(duì)遙感影像解譯過(guò)程中判讀標(biāo)準(zhǔn)不一、精度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，完成了建設(shè)包含典型樣本示例庫(kù)和影像特征庫(kù)的 LU/LC 樣本影像數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了樣本影像庫(kù)的各個(gè)功能模塊。進(jìn)而結(jié)合 LU/LC 樣本影像庫(kù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)福州市四期遙感影像進(jìn)行土地利用類型解譯，精度分別為 87.89%、91.46%、88.35%、88.62%，均達(dá)到 85%以上，符合生產(chǎn)要求，并且精度穩(wěn)定。LU/LC 樣本影像庫(kù)的建立為土地利用類型解譯及信息提取過(guò)程中減少了人為判讀誤差，統(tǒng)一了核查規(guī)范和訓(xùn)練樣本選取標(biāo)準(zhǔn)，定性定量地評(píng)價(jià)影像解譯結(jié)果精度。
（2）利用 GIS、RS 等技術(shù)手段對(duì)福州市 1994-2013 年間土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)土地調(diào)查方法相比，具有精度高、速度快、費(fèi)時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)。借助于數(shù)理統(tǒng)計(jì)、地統(tǒng)計(jì)分析等方法，從土地利用面積比例變化、轉(zhuǎn)移量與轉(zhuǎn)移方向、動(dòng)態(tài)度變化分析入手，并對(duì)福州市景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)及破碎度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，研究了福州市土地利用動(dòng)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(lái)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(xiàn)(略)

本文編號(hào)：46868