如何利用遥感查看某地区近年土地利用遥感调查变化数据?

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3-土地利用变化的遥感监测
土地利用变化的遥感监测 遥感技术是环境动态监测的重要手段。通过地球观测卫星 或飞机从高空观测地球,监测的区域范围大,获取环境信息快 速准确,能够及时发现陆地淡水和海水的污染、大面积空气污 染、南、北极冰雪覆盖范围的变化、森林大火,火山喷发、洪 水淹没区域等。 由此获得的环境动态观测数据,通过地理信息系统快速处 理和分析,能够及时发现环境的变化,同时利用GP
S的快速定 位功能,便于采取措施控制环境污染,最大限度避免环境危害,达到保护环境的目的。 世界夜间灯光分布图由美国军用气象卫星图像镶嵌而成。显示城市、人口 密集于沿海地带;北美、欧洲、东南亚最为密集;陆地上 尚有20%以上属荒芜地区。 ? 遥感图象处理模块 --- 丰富的图象变换和融合功能 利用影象融合技术发现土地利用变化 利用影象融合技术发现土地利用变化 遥感用于城市研究与规划,主要用途 ①提供可视化服务,如背景地图和三维景观模型;②利用监测结果检查规划的实施状况;③快速找出非法建设用地; ④遥感数据和其他GIS数据叠加后直接用于规划设计; ⑤遥感信息作为原始数据,和其他规划模型相结合。 土地利用变化监测的遥感数据主要来源被动式遥感: 通过接收反射太阳光及发射红外光的能量来获取地物信息。 它们工作在紫外、可见光、红外和微波等波段,目前,这种传感器占太 空遥感的绝大多数。但它受天气条件的制约,必须无云情况下才能获取 地面的图像。 美国陆地卫星Landsat系列 、法国SPOT卫星、美国IKONOS 、美国Quick Bird(快鸟) 主动式遥感: 通过向目标物发射电磁波,然后收集目标物反射回来的信号, 达到识别地物的目的。主动式遥感在自然灾害的应急系统和实时监测等 领域已经有许多应用。 加拿大Radarsat-1、欧洲空间局ERS一1/2卫星、欧洲空间局ENVISAT卫星 动态变化监测的主要方法 遥感动态变化监测是基于同一地点不同年份的图像间存在着 光谱特征差异的原理,来识别地物状态或变化的过程。1.逐个像元对比法对同一区域不同时相影像系列的光谱特征差异进行比较,确定被监测对象发 生变化的位置 (1)图像差值法(2)图像比值法 动态变化监测的主要方法1.逐个像元对比法 (3)回归分析法(4)矢量分析法 动态变化监测的主要方法 2.分类后对比法 对经过几何配准的多个不同时相的遥感图像分别做分类 处理后,获得分类图像,并对每个像元进行逐一的对比,以 生成变化图像,进而确定地物变化的类型和位置。 3.掩膜法 掩膜法首先把变化的像元和没有变化的像元区分出来。 第一步是对第五波段进行增强,把没有变化的像元剔除出去, 确定变化最明显的地方作为训练区,使用最大相似性进行分 类。 4.主成分分析法 主成分分析法(PCA)可用来对多光谱和多时相遥感数据 进行分析,获取动态变化的信息。对经过几何纠正处理的多 时相遥感图像进行主成分分析,形成新的互不相关的主成分 分量,并直接对各个主分量进行对比。 土地利用变化的遥感监测的技术路线? 制定研究计划 LUCC动态监测方法体系设计 资料收集与调查 相关图件 全球定位系统( GPS) 定位配准 几何精度校正与空 间配准 详查资料 统计资料 影像合成 信息增强 有监分类 遥感解译 无监分类遥感影像 遥感影像 预处理区 域 LUCC 研 究 总 体 技 术 路 线图件数字化 与投影转换空间数据库属性数据库数据库管理成果输出空间分析特征信息提取 与数据查询 确定变化位置 确定变化类型专题地图输出多度性分析 动态度分析地类面积统计环境响应时空变异分析地类转移矩阵区域LUCC驱动因子分析、模拟预测及可持续发展对策 晋江市土地利用遥感动态监测研究? ?研究方案设计 晋江市土地利用变化的过程分析 土地利用变化的驱动力分析 土地利用变化的环境效应?? 研究方案__研究区概况? 地理位置? 自然地理概况 ? 社会经济状况 晋 江 市 遥 感 影 像 地 图晋江市位于闽 东南沿海晋江下游南岸,东北临泉州湾, 东与石狮市接壤,东南濒台湾海峡,南临 围头湾与金门 岛相望,西南 与南安接壤, 北和鲤城区毗 邻。 晋江市自然地理概况晋江市三面临海,地势由西北向东南倾斜,地貌单元有丘陵、台地和平原3种类型,其中台地占68%。西北为丘陵,紫帽山位于西北部,海拔517.8m,是全市最高峰,中部和南部 为低丘和红土台地,东部为平原。 紫帽山 社会经济状况?晋江市土地面积729.4km2, 辖15个建制镇和一个良种场,全市总人口148.81万人(其中户籍人口102.0万人,外来人口54.8万人)。侨眷和侨属占全市人口的14.11%,是著名的侨乡。 ?乡镇企业是晋江市农村城市化发展的主要动力, 20世纪80年 代创造了与当时“苏南模式”、“温州模式”和“珠江模式” 并称中国四大经济发展模式的“晋江模式”。 ? 90年代以来,晋江经济飞速发展,进入全国经济十强县市行 列。2001年GDP产值304.75亿元,人均29877.45元,折3609美 元,属于世界上中等收入的城市。GDP年均递增24.1%,高于 全省平均水平(13%),产业结构得以不断优化升级 。 研究方案__资料来源与研究方法?晋江市1988年和2001年两期TM影像图,精度相当1:10万比例尺地图; ?采用晋江市国土资源局的土地利用详查资料以及1996― 2001年土地利用变更资料; ?社会经济统计年鉴以及相关部门的统计资料。 ?利用两期卫星影像数据及其它参考资料,通过目视解译, ?采用RS与GIS技术及数理统计与景观分析等方法对晋江市土 地利用的时空变化特征及其环境效应进行分析。 本研究拟采用的技术路线地形 遥感 土地 统计 实地文献资料图影像详查数据调查不同时期土地利用状况 土地利用变化信息 数 量 变 化自然和社会经济统计数据 自 然 因 素 社 会 经 济空 间 变 化变 化 速 度驱动力分析土地利用变化规律土地利用变化驱动机制土地利用变化的环境效应 土地利用分类方案的选择? 1985年农业区划委员会等组织重新公布的土地利用分 类系统,共分为8大类。 ? 中科院地理所1983年提出的分类方案,划分为10大类 。? 中科院“八五”期间为实施以土地资源与环境动态为主 要内容的资源环境遥感调查而提出的分类方案,将土地利用划分为6大类。各种土地利用分类方案详尽不同,但基本类型则主 要包括:耕地、林地、牧地、城镇居民用地、工矿 交通用地、水域及难以利用的土地等 。 本研究采用的分类方案依据农业区划方案Ⅱ的分类系统并结合晋江市具体情况, 将一些附属或难以区分的类型加以归并,从而将研究区 的土地利用划分为: ? 城镇用地 ? 农村居民点及工矿用地 ? 耕地(水田和旱地 ) 是译分和的根 合的类覆特据 适可体盖点土 的操系特、地 。作从征利资 性遥,用源 出感这方经 发解一式营? 林地? 园地 ? 水域(包括盐场 ) ? 交通用地 ? 未利用地(裸地、裸岩 ) 土地利用变化信息的获取? 遥感影像预处理 以地形图为基准完成影像图的 配准及坐标转换。 研究区有效面积的提取721.6Km2 对1988年遥感影 像进行目视判读 ,生成研究初期 的土地利用分类 图,在GIS软件 支持下将分类图 与2001年影像叠 加,进行变更判 读,获得研究期 间晋江市土地利 用变化图。? 遥感影像目视解译? 遥感影像叠加分析 土地利用变化过程分析? 土地利用动态变化特征(土地利用转换矩阵 )? 土地利用变化的剧烈程度 (土地利用动态度)U 2 ? U1 1 LUDI ? ? ? 100% U1 T? 土地利用的空间格局变化特征 多样性指数m破碎度指数Pi为景观类型i 的面积占总面积 的比重,H越大 景观越复杂。 Ni为斑块数,Q 为斑块平均面积 。H ??? P i log P i i ?1? ? ? ?m F ? ? Ni ? 1 / Q i ?1?? 土地利用变化信息图谱 土地利用变化速率30 25 20 15 10 5 0 -5农村居民点 城镇用地耕地林地园地水域 交 通用地 裸 地裸岩?城镇、农村建设用地和交通用地动态度最大,分别 为27.89、7.31和2.77;其次是耕地和林地 ;园地、 水域及裸地动态度较小。 ? 由此可见,晋江市城镇建设用地受人为干扰程度最 大,变化最剧烈 。 土地利用空间景观特征参数建设用地呈现空间集中化特征;耕地、未利用地表 现为不断破碎化。总体景观多样性指数减小,破碎 度加大反映人类干扰程度加大,同时也反映了区域 生态系统单一化趋势,自然景观比重减少。 ?研究方案设计?晋江市土地利用变化的过程分析?土地利用变化的驱动力分析 ?土地利用变化的环境效应 土地利用变化驱动力分析? ???人文驱动因素定性分析 人口因素 宏观经济体制和政策因素 工业化与城镇化?人文驱动因素定量分析根据主成分分析选取指标 建立多元线性回归模型? 土地利用变化内在因素分析土地资源数量的制约局部土地资源条件 (旱地)地形条件(坡度)劳要农是非是工 动来村城农耕业 力自建镇人地化 的乡设用口快城 增镇用地的速镇 加企地扩增变化 。业扩展长更的 的张的、的发 发的主第主展 展外要三要及 和部外产社人 农驱部业会口 村动驱的驱的 工力动发力增 业主力展;长 ; 不同坡度下各土地利用类型变化土 地 利 用 图 变 化 图坡 度 图 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0~5? 5~10?45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0~5? 5~10? 10~15?1001988年 2001年90 80 70 60 50 40 30 20 10 1988年 2001年耕地非农建设 用地10~15?15~20? 20~68?00~5?1988年 2001年5~10?10~15?15~20?20~68?林地15~20?20~68? ?研究方案设计?? ?晋江市土地利用变化的过程分析土地利用变化的驱动力分析 土地利用变化的环境效应 环境效应分析土地利用变化导致许多生态过程的变化,引起生态环境 的变化,产生一系列环境问题: 对水土流失的影响 土地利用方式变化对土壤侵蚀的影响 地表植被覆盖度对土壤侵蚀的影响 大气污染 水体污染 固体废弃物 噪声污染 对生态环境安全水平的影响 区域环境容量间接的环境效应 晋江市水土流失状况80 70 60 50 40 30 20 10 0轻度 流失 度 中强 流失 强度 流失1986年 1996年速土蚀水 度流强土 仍失度流 高仍有失 于有所面 治加下积 理重降初 速趋,步 度势但得 。,部到 水分遏 土乡制 流镇, 失水侵 不同土地利用方式水土流失分布情况90.00% 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00流失面积% 总流失量% 区域平均侵蚀模数 流失地侵蚀模数水 田旱 地园 地有 林 地疏 林 地采 石 迹 地居 民 地水 库 溪 流在各类土地利用中,旱地土壤流失普遍严重,林地土壤侵 蚀强度相对较小;裸地(尤其在采石迹地上)土壤侵蚀最 严重;果园、农地的土壤侵蚀强度居中。居民地及工矿用 地区域平均侵蚀模数很小,但流失地侵蚀模数相当大,可 见建设用地水土保持应引起重视。未 利 用 地 植被覆盖度对土壤侵蚀的影响为进一步了解植被覆盖度与土壤侵蚀之间的关系,本研究对晋 江市各乡镇的植被覆盖度与土壤侵蚀指标进行相关分析。统计 回归结果表明土壤侵蚀量与植被覆盖度之间为负指数关系,随 着植被覆盖度的增加,区域的水土流失量减少;反之则加剧水 土流失。 近年来,晋江市工程建设 过程中大量扰动地表,破 坏植被 。 紫帽、金井、永和等丘陵 地区大量的采石、取土及 路基的深挖都直接破坏地 表植被。 间接环境效应经济快速增长 促进产业结构的调整三资企业、乡镇企业 成为新的污染源;生 活污水排放量比重不 断增加。土地利用结构发 生了巨大变化 污染源的特征和污染物 的构成发生变化大气污染、水体污染、噪声以及固体废弃物污染 对生态环境安全水平的影响依据人类活动对自然生态系统影响程度的景观表 现,将晋江市土地利用类型归纳为 : 人类强干预(居民点及工矿用地、交通用地、新增裸地) 人类中等干预(耕地、果园) 人类弱干预(林地、水体)70 60 50 40 30 20 10 0强干预(%) 中等干预(%) 弱干预(%)1988年 2001年代表自然半自然状态的土地 利用类型的大幅度减少与转 化,大大降低了自然生态系 统对污染物的降解能力,使 区域环境容量下降,结果可 相对加强污染程度,从而使 晋江市生态环境的安全水平 明显下降。 结论(1)基于土地利用转移特征的分析。年期间, 非农建设用地大量蚕食农田,而且具有非可逆性,反映了 生态系统的逆行演替过程,以及人为活动对自然生态系统 的干扰和破坏;林地向园地的转换,导致地表植被覆盖度 降低,生物多样性和复杂性减弱,在一定程度上也反映了 生态退化过程。(2)基于耕地变化的分析。年期间,晋江市农 田流失的趋势与非农建设用地增加的趋势相对应,自然生 态过程遭受严重破坏,植被覆盖度降低,从而大大降低了 自然生态系统对污染物的降解能力,使区域环境容量下降 ,结果可相对加强污染程度,这就使区域生态环境的安全 水平大大下降。 北京地区城市化过程与机制 研究 第一部分:选题背景第二部分:基本研究目标第三部分:城市化过程中土地利用/覆盖 变化动力学研究理论 第四部分:北京地区研究实践第五部分:结论和讨论 选题背景-国际背景?当前全球变化研究正在实现从“全球到区 域”,“从自然到人文”的转变?土地利用/覆盖变化研究已经成为了当前全 球变化研究的一个前沿和热点课题?目前的研究已经充分地认识到土地利用/覆 盖变化研究问题的复杂性 ?需要新的综合途径,寻求新的突破? 选题背景-国际背景城市化过程中的土地利用/覆盖变化已经成为了 一个典型的人地相互作用过程2025年,80%的人 口居住在城市 土地利用/ 覆盖变化 宏观:改变各种自然过 程,影响区域和全球生 态环境安全… 格局 过程 微观:交通拥挤,环境 污染…城市化 选题背景-国内背景中国已经并正在经历快速的城市化过程过去:的城市化, 是世界同期平均速度的2倍现在:中国的城镇人口已经达 到3.89亿 将来:预计到21世纪中叶,将 有4亿人口从农村进入城市有限耕地资源减少-粮食安全大规模人口迁移-社会问题 城市扩展- “大城市病” 生态环境影响-生态环境安全研究现状:众多的关注,一定的积累研究不足:理论上显得比较散乱,缺乏系统 总结阐述,实践上缺乏典型区综合深入研究 北京:快速的城市化过程MSS() TM () TM ()年代人口(单位:百万)GDP(单位:10亿元)城市化水平 (%)农业 (%)工业 (%)第三产业 (%)8.97 12.5712.01 217.4556.86 67.944.30 4.0270.92 38.6424.78 57.34 北京:巨大的土地利用/覆盖变化城区:城市改造城乡过渡区:耕地损失郊区:农业土地利用结构调整山区:植被保护 北京:城市扩展与城市热环境低高(据 日 ETM 数据处理,来源: 中国卫星地面站) 研究目标和研究内容研究目标:1. 建立城市化过程中土地利用/覆盖变化动力学研究的基本理论 和方法论体系2. 认识和理解体制转型期北京快速城市化过程中土地利用/覆盖 变化的基本特征和变化规律研究内容:1. 城市化过程中土地利用/覆盖变化动力学研究的理论和方法 2. 基于卫星遥感数据的区域土地利用/覆盖变化动态信息获取 3. 北京地区土地利用/覆盖变化格局特征、变化过程和驱动机制 4. 北京地区城市发展空间动态过程的模拟与预测 北京地区LUCDU的基本研究流程 区域土地利用/覆盖变化测量研究 如何获取准确的土地利用/覆盖变化 动态信息(数量,位置)? 北京海淀区遥感数据 双窗口变步长阈值搜寻算法基本思路变化强度 变化强度 ?G 的计算 的计算 典型变化训练样区的选取 典型变化训练样区的选取算法流程图阈值搜寻范围、步长设定 阈值搜寻范围、步长设定检验参数计算 检验参数计算循环退出条件 循环退出条件 是否满足 是否满足 是 阈值确定,结束 阈值确定,结束否基本思路:通过选择包含不同变化类型的典型变化训练样区, 确定某一阈值,使变化的检测精度达到最大。 第一步:计算变化强渡8.00 7.00 6.00 5.00 4.00可能的最佳阈值?3.002.00 1.00 0.000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 142 154 177变化强度图变化强度直方图 (Y轴取象元个数的对数值) 第二步:选择典型训练样区非变化象元 变化象元双窗口模型91年 图象“岛状” 训练样区97年 图象红色:变化象元 蓝色:非变化象元91-97变 化强度图变化强度图上的典型变化样区 第三步:搜寻范围的确定范围:b-a; 步长: P1=(b-a)/ n 一次搜寻中的可能最佳阈值: b - P1, b - 2 P1 …第四步:计算检验参数Ak1Ak2( Ak1 ? Ak 2 ) ?100 Lk ? % A在给定的各阈值中,如果搜寻出的检测成功率最大时 对应的阈值为k,则在[k-P1,k+P1]范围内,减小步长 (n增大)开始下一次搜寻 海淀区典型土地利用变化()从旱地到水田从旱地到果园变化/非变化层次 上的监测精度达 到了87.69%从旱地到城市从水田到城市 变化向量分析 结合分类后比较,先对除6波段 外的TM所有波段进行分析提取变化象元,再 对变化象元分类。 变化矢量分析和分类后比较法相结合 的动态监测流程图时相1的TM 时相2的TM 变化向量分析 从时相1到时相2的变化象元模板 提取时相2中的变化象元进行分类 时相1分类图 时相2分类图 GIS分类后比较 产生准确的变 化象元摸板 (a) 1991年土地利用/覆盖图(b) 1991 - 1997年变化区域分类结果 高密度城镇用地 中低密度城镇用地 水 域 水稻田 菜 地 水浇地 动态监 园 地 灌草地 林 地测结果(c) 1997年土地利用/覆盖图 混合法结果和分类后比较结果(1) 1997年土地利用/覆盖图 (2) 1997年土地利用/覆盖图 (直接分类结果) (混合法结果) 精度验证和比较--变化区随机抽样点检验(a) 混合法分类数据 不变化 不变化 变化 总和 178 29 207 实际数据 变化 13 80 93 总和 191 109 300 不变化 变化 总和(b)分类后比较法分类数据 不变化 138 14 152 实际数据 变化 68 80 148 总和 206 94 300总精度=0.86;Kappa 系数=0.69总精度=0.73;Kappa 系数=0.45混合法对单景图象精度提高并不十分明显,但却可以在 很大程度上降低常规分类后比较法中误差累积的程度, 减小出现不合理变化类型的概率。 北京地区土地利用/覆盖变化基本 格局特征分析基本内容采用区域研究,样带研究和样点研究相结合的基本方 法,综合集成遥感信息,辅助信息和实地调查信息等 多源信息,系统分析了快速城市化过程中大都市区的 土地利用/覆盖格局特征和演变规律,定量揭示了城 乡过渡区土地利用/覆盖变化的时空梯度变化性质。研究问题什么时间,什么地点,有多少土地发生了变化? 北京地区土地利用/覆盖变化的空间分布特征是什么? 研究区和数据北京基本研究区城区: 东城、西城、宣武、崇文 近郊区: 石景山、海淀、朝阳、丰台 远郊区: 昌平、顺义、通县 人口919.4万,面积, 分别占北京市的74%和28%数 据 日 的Landsat MSS 日,日和日的 Landsat TM 北京地区土地利用/覆盖变化1975198419911997高密度城镇用地 中低密度城镇用地 水域耕地 园地 灌草地N林地 城乡过渡区土地利用/覆盖变化分析海淀(a) 1975 门头沟(b) 1984研究样带 西城 宣武 丰台(c) 1991石景山上岸村(d) 1997 城乡过渡区土地利用/覆盖时空梯度变化大于200米 100米到200 五环到山前 四环 三环 二环 的低山地 米丘陵区 (海拔低于100 到五环 到四环 到三环 米) 二环 内197519911997高密度城镇用地 中低密度城镇用地 (d) 1997 耕 地 园 地 林 地 灌草地 水 体 城乡过渡区土地利用/覆盖时空梯度变化80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 1高密度城镇用地100.00 50.00 0.002319754519916199771234197551991671997中低密度城镇用地100.00 50.00 0.00 1耕地100.00 50.00 0.002 319754199156199771林地231975451991619977注:代码1-7分别代表样带中二环内,二环到三环,三环到四环, 四环到五环,五环到山前(海拔低于100米),海拔100米到200米 的山前丘陵区和海拔大于200米低山区的7个子区域 小结:北京地区土地利用/覆盖变化 (LUCC)基本格局特征1)伴随着快速的城市化进程,北京地区人类活 动对区域整体的改造和影响正在深入,并且表现 出加速趋势。 2)城市通过占用耕地在平原区快速扩展和非城 镇用地内部的结构调整是区域LUCC的基本特征。 3 )从城市核心区经城乡过渡区到郊区, LUCC 表 现出明显的空间分布和时间变化上的梯度性。过 渡区是LUCC最明显、也是最剧烈的区域。 北京地区城市化景观过程与机制分析基本内容建立了基于GIS的城市化过程空间定量分析模型,阐 述分析了北京地区面状城市化过程、线状城市化过程 和点状城市化过程的基本特征规律并揭示了体制转型 背景下北京大都市区城市化过程的基本驱动机制研究问题北京地区城市化景观过程是怎样进行? 驱动该过程的基本原因是什么? 大都市区的三种基本景观城市化过程面状城市化过程点状城市化过程线状城市化过程 北京城市化的基本景观过程 ()线状城市化过程 边缘次级中心点状城市化过程1975的城镇用地 1975到 1984年增加的 城镇用地中心大区年增加的城镇用地 年增加的城镇用地 基于GIS的北京城市化景观过程空间分析方法城市化比例指数 分析法F ? U ?100 / R式中,F表示某一区域城市化的比例指数;U表示该区 域某一时段中发生城市化的象元总数;R表示该区域 中非城市象元总数。 城市化强度指数 分析法M ? U ?100/( R ? ?t )式中,M表示某一区域城市化的强度指数,U,R的 定义同上式, 表示时间。 ?U ?100/( R ? ?t ) 中心大区和边缘次级中心的面状城市化过程70 60 50 40 30 20 10 0 63.99 58.33 46.47中心大区与边缘次级中心面状城 市化总量比例分析y = -6.3629x + 111.95 R 2 = 0. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 39.169.3811.5791-1997 中心大区面状城市化总量比例 外围中心面状城市化总量比例y = 117.05x -1.1181 R 2 = 0.93374567891010 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10中心大区城市化比例 线性 (中心大区城市化比例)边缘中心城市化比例 乘幂 (边缘中心城市化比例)中心大区年城市化强度指数 中心大区年城市化强度指数 中心大区年城市化强度指数 边缘中心年城市化强度指数 边缘中心年城市化强度指数 边缘中心年城市化强度指数中心大区与边缘次级中心面状 城市化比例指数分析 中心大区与边缘次级中心面状 城市化强度指数分析 北京地区线状城市化过程60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 41.54 33.78 27.88 22.84 19.08 16.32 13.33 11.49 9.41 y = 53.56x -0.7349 R 2 = 0.90827.31北京地区点状城市化过程象元个数(单位:个) 时间 91
562 87 601 124 线状交通影响分析 738 189 25 26 23 59 5 13 22 45 35 61 75 123 &8 8-14 15-19 20-24 &253) 北京地区城市化过程中土地利用/ 覆盖变化的正反馈双向驱动过程' Y ' ? 1.397X10 ? 0.262X 9' ? 0.261X 5'(R2=0.986,通过了1%的显著性检验)Y 、X10、X 2、X 4、X 5 分别表示 年北京市建成区 上式中, 面积,第三产业在GDP比例、基础建设投资,国家预算内投资' ' ' Y ' ? ?1.232X 7 ? 1.202X 2 ? 0.883X 8'''''(R2=0.986,通过了1%的显著性检验)' ' ' ' Y 、 X 、 X 、 X 7 2 8 上式中,分别表示年区域耕地面积,城市 居民消费水平,第一产业产值和农村居民消费水平 北京城市化过程驱动机制改革开发政策 经济发展 城市化 政府行为 ? 体制改革 ? 投资 ? 产业政策 ? 城市规划 人口增长市场机制土地有尝使用制度 城市土地功能置换个体行为? 就业选择 ? 消费水平区域城市化过程旧有城市 格局与传 统文化中心大 区扩展城乡过渡区吸引外围地 域突发 事件内在适宜性因素区域土地利用/覆盖变化格局随机干扰 小结:北京城市化景观过程与驱动机制1)区域城市化过程表现出三种基本模式:一是中心大 区和边缘次级中心区的面状城市化;二是中心大区和边 缘次级中心区之间沿交通干线的线状城市化;三是中心 大区与边缘次级中心区之间的点状城市化。 2)城市用地的扩展和城市格局的形成是地形,交通等 内在适应性因素和经济,社会等外在驱动因素在不同尺 度下共同作用的结果。 3)城市规划,产业发展政策等政府行为和3000年城市 发展形成的旧有城市格局则从根本上决定了现代北京城 市发展的基本过程。 大都市区城市扩展模型和模拟研究基本内容结合自上而下的经济学Titenberg模型和自下而上的CA (Cellular Automata)模型,发展了一个大都市区城 市扩展动态空间模型(CEM),对北京地区年 的城市发展过程进行了模拟重建,年的城市 发展格局进行了不同选择下的情景预测。研究问题如何模拟大都市区城市空间扩展过程? 北京将来的城市发展会怎么样? 什么是 CA 模型?CA是一种时间、空间、状态都离散,(空间上)相互作用和(时间 上)因果关系都局部的格网动力学模型。模型把t+1时的状况定义为 一定转移规则下t时刻的状态和其邻域影响的函数。t? 1 Sij ? t t f ( Sij , Nij ,T )t ?1 t t S N S ij 式中, 是单元ij在t+1时刻的状态, ij 是单元ij在t时刻的状态, ij是单元ij邻域对其的影响。T是转移规则。转移规则tt N N ij ijSt ijt ?1 SijF,TCA是一种“自下而上”的时空动态模型,具有较强的模 拟复杂系统时空演变的能力 目前研究中存在的问题?CA是一种“自下而上”的模型,难以有效地反映影响城市发展的 各种宏观因素和确定城市用地的总量 ?目前已有的模拟工作主要把城市的发展看成是在一定外部约束条 件影响下,二维平面上非城市单元在现有城市单元的影响下向城 市单元的转化,而较少考虑城市单元本身发展能力的变化,尤其 是大都市区城市发展三维(容积率)变化 ?缺乏合理确定各种影响因素权重的方法。CEM 模型基本特点?考虑城市单元自身平面和立体扩展能力的变化 ?发展了确定影响因素权重的自适应Monte-carlo随机权重新方法?“自下而上”的空间分配模型与“自上而下”的经济学总量模型想 结合 CEM 模型基本思路一般约束性因素 随机干扰因素 城市化(CA) 城市单元自身 扩展能力强制约束性因素模拟思路未来城市发展格局预测数量最优 由Tietenberg model进行分配 位置最佳 由CA模型进行分配预测思路城市规划决策支持 CA 一般约束因素到城市中心的耗费距 离 到高速公路的耗 费距离 到一级公路 的耗费距离 到铁 路的耗费距离 坡度GIS 强制约束因素规划保护用地 河流洪泛区 湖泊和水库基于遥感的 土地利用/ 覆盖图邻域影响Tietenb erg模型要素标准化 反复 用Monte-Carlo法产生权重 反复 计算转移概率/土地单元的初次分配 计算城市土地单元的平面扩展衰减系数/用Monte-Carlo法再次分配城市单元未来最 佳用地 总量否 是否满足总量要求? 否 是土地利用变化总量 比较大都市区城市发展 模拟模型框架图是否最佳效果? 是 土地利用状况北京模拟实例 城市单元自身平面扩展能力变化设一个城市土地单元j产生的时刻为tj,则在时 P i 刻ti时,该单元j的扩展衰减值 p j (t ) 由下式给出, 1p ij (t ) ? M exp?? ? (t ? t j )?? 表示土地单元平面 式中M为一标准化常数, 扩展能力的的衰减速率。tjt利用轮盘选种法依据城市单元平面扩展能力进 行城市单元再分配随机产生 [0,1]之间的一个实数a ?[0, P 1] a ?[ P 1] 1,青年城市 单元 非青年城 市单元 邻域的定义邻域:N j ? A? ?r ?1 r ?71 Ik d rjd rj 代表邻域范围到中心单元距离,Ik是一个二值变量,如果 邻域单元为青年城市单元,则值 取1,否则取0,A是标准化因子Moore Neighborhood r=7邻域定义克服常规邻域定义中各项异 性的影响 一般限制因素(a)到城市中心的耗费距离 (b)到高速公路的耗费距离 (c)到铁路的耗费距离(d)到一级公路的耗费距离 (e)到机场的耗费距离(f)坡度 强制约束因素水库洪泛区 绿地 自适应Monte-Carlo随机方(1)1):首先利用Monte-Carlo 法随机产生一组权重wkt 2):计算出t时刻非城市单元ij向青年城市单元转化的概率 P ijP ? (?Wk ? S k ? Wm ? N )? Crt ij k ?1 r ?1m?1m?1nk k S k 代表对于一般 式中,? 表示各种一般约束性因素的影响, k ?1 约束因素K 的标准化值,Wk 是该因素的权重;N 代表邻域影响, C ? Wm 是其权重; 是一系列二值变量的乘积,表示对城市扩展 的各种强制性约束因素,如果C = 0,则该单元可能是海,河, 湖或其它被保护土地,它们在模型中不能被用作城镇用地。W ?Snr ?1r 自适应Monte-Carlo随机方(2)3):对土地单元ij按照转移概率高低进行初次分配 4):计算各种城市单元的平面扩展衰减值,完成城市单元的再 次分配 5):重复第(2)到第(4)步,直到完成分配该模拟时段的 土地利用变化总量为止 6):把第5步得到的模拟结果和检验数据进行比较。检验数据是由和1997年的遥感数据得到的 土地利用/覆盖图。重复第1到第6步共500次,选择模拟 结果与实际结果Kappa系数最大时的的权重作为最佳 的模拟权重,并据此得到相应的模拟结果。 Tietenberg模型-不可再生资源总量分配模型acb0qn t ?1 tQ是所提供的资源总量。a 是边际 收益曲线的截距,即边际收益曲线 的最大理论值。b是边际收益曲线 的斜率,可以选为1,c为边际费用 的常数,其值比a小,可以选为 c=a/2,r是贴现率,t是时间,? 是 极值公式的常数。t ?1max ? (aqQt? bq ? cqt ) /(1 ? r )2 tt? ? (Q ? ? qtt ?1n(a ? bqt / Pta ? c) /(1 ? r ) t ?1 ? ? ? 0 Pta是t时期增加的人口, qt是所对应的用地量, t ? 1,...,n Q是分配的土地总量 n Q ? ? qt ? 0t ?1 北京城市发展过程模拟重建()1984模拟结果 (Kappa = 0.59)1991模拟结果 (Kappa = 0.65) 1997 模拟结果(Kappa = 0.67)13.41%1984实际情况17.51% 1991实际情况21.51%1997实际情况 模拟最佳权重与结果分析到铁路的 耗费距离
年的权重 4 7 4 到一级公的 耗费距离 7 8 7 到高速公路 的耗费距离 5 7 16 1 2 4 坡度 到机场的 耗费距离 2 5 7 到 CBD 的 耗费距离 12 11 9 城市单元 邻域影响 69 60 531)各种限制因素的影响能力随着城市的发展在不断发生变化。 2)城市单元邻域作用影响的绝对值远远大于其它因素,由此可 见模拟时间内大都市区旧有城市格局的影响对城市的发展非常巨 大。 3)交通的影响总体上表现出上升趋势,而同期邻域的影响作用 则表现出下降趋势,可见随着经济的发展和城市单元自身扩展能 力的下降,大都市区的旧有城市格局也在一定程度上被改变。 差异:模拟结果与实际结果差异分析1. 模拟时中央大区表现出放射状的星型趋势,而实际的 中央大区主要还是一种“饼状”的圆形; 2. 模拟中次级中心如昌平,顺义和通县的发展明显高于 实际的城市发展; 3. 模拟中对中心大区和次级中心之间的许多中小城镇没 有很好的反映。原因:1. 模拟夸大了区域线状交通状况对旧有城市格局的影响 2. CA 自身模拟的局限性也导致了模拟结果对许多点状的 中小城镇没有很好的反映。基于局部自组织规则的 CA 模型对于许多宏观政策性因素难于有效的反映,如政 府上世纪90年代对区域中小城镇发展的鼓励措施等 北京地区未来城市化土地消耗 总量分配25%的区域被城市化 年份 增加的人口 (单位:公顷) r=0.01 (单位:万人) r= 0.0 01-10
总计 28.9 43.9 157.19 6.09 1.56 9.09 8.18 34.00 30%的区域被城市化 (单位:公顷) r= 0.0 r=0.01 6.29 5.28 7.24 4.99 31.75 35%的区域被城市化 (单位:公顷) r= 0.0 r=0.01 16.48 19.01 45.39 61.80 29.50 2000,25%,r=0.02005,25%,r=0.02010,25%,r=0.02015(25%)2000,25%,r=0.012005,25%,r=0.012010,25%,r=0.012015(25%)北京未来城市发展预测 (假定到2015年区域25%的用地被城市占有,r是贴现率) 2000,30%,r=0.02005,30%,r=0.02010,30%,r=0.02015(30%)2000,30%,r=0.012005,30%,r=0.012010,30%,r=0.012015(30%)北京未来城市发展预测 (假定到2015年区域30%的用地被城市占有,r是贴现率) 2000,35%,r=0.02005,35%,r=0.02010,35%,r=0.02015(35%)2000,35%,r=0.012005,35%,r=0.012010,35%,r=0.012015(35%)北京未来城市发展预测 (假定到2015年区域35%的用地被城市占有,r是贴现率) 预测结果分析1. 中心大区放射性星状格局基本形成,石景山、城区 至通县一线,城区、首都机场和顺义一线基本上已 经形成了城市廊道,城区至昌平一线也显示出了形 成城市廊道的趋势。2. 通县,昌平和顺义等区域次级中心都得到了进一步 的充分发展,尤其是昌平,发展十分迅速,在中心 大区扩展能力减弱的情况下,与周围城镇连成一片, 成为了区域的另一个发展中心。 3. 规划的10个边缘集团,随着城市的发展,并没有限 制中心城区的发展,反而已经和中心城区连成一片。 小结:关于大都市区城市发展模拟与预测1. 该模型可以在一定程度上反映城市发展,尤 其是大都市区城市发展演变的特征和规律 2. 各种限制因素的影响能力随着城市的发展也 是在不断发生变化的,目前许多的城市发展 CA模型中对各种影响因素仅仅分配单一影响 权重的作法明显是不符合实际情况的。 3. 大都市区旧有城市格局的影响对城市的发展 是非常巨大的,而且这种格局在可以预见的 时间内对区域城市发展的决定性作用还是很 难动摇,表现出明显不同于新兴城市的发展 变化特征。 北京分散集团政策分析进行城市化过程中土地利用/ 覆盖变化动力学在城市发展决 策支持中的应用尝试 动机 土地利用政策在区域土地利用/覆盖变化中起 着重要作用,但对其认识和分析目前却相当 薄弱,原因在于其复杂性和难以量化性研究动机与思路思路土地利用政策政策执行结果遥感测量政策可能后果模型预测 GIS空间分析和社会 经济数据统计分析政策本身合理性 北京“分散集团”城市布局政 策N W E S昌平 顺义 首都机场 10 9 8 7中心大区 城市边缘区 外围地域边缘集团123 4 5 6 通县外围次级中心 首都机场市区环状路高速公路1 清河 4 东坝 7 南苑 2 北苑 5 定福庄 8 丰台 3 九仙桥 6 垡头9 石景山一级公路铁路10 西苑 北京地区土地利 用/覆盖监测结果1.清河 2.北苑 3.九仙桥 4.东坝 5.定福庄 6.垡头 7.南苑 8.丰台 9.石景山 10.西苑高密度城镇用地 中低密度城镇用地 水域 耕地 园地 灌草地 林地 边缘集团 昌平 顺义 首都机场 10 1 2 3 4 5 通县 9 6 8 7昌平 顺义 首都机场 10 1 2 3 4 5 通县 9 6 8 7可能 后果2015, r = 0.01 25%昌平 顺义 首都机场 10 1 2 3 4 5 通县 9 6 8 72015, r = 0.01 30%外围次级中心1 清河 6 垡头 7 南苑边缘集团 首都机场 铁路 市区环状路 高速公路 一级公路2 北苑2015, r = 0.01 35%3 九仙桥 8 丰台 4 东坝 9 石景山 5 定福庄 10 西苑 政策合理性-空间分析 政策合理性-经济统计投资边缘集团 (亿元) 北京市(亿元) 边缘集团占全市 的比例(%) 19890.28 139.5 0.2019900.48 179.2 0.2719910.95 192 0.4919921.83 266 0.6919938.27 410.4 2.019945.57 648.8 0.86199521.9 841.5 2.60199622.52 876.9 2.57199722.07 961.2 2.30基本建设规划用地/公顷 1998 年建成区 面积/公顷 建成区面积石景山 清河 定福庄 丰台 酒仙桥 东坝 1886 13南苑 垡头 1695 85北苑 西苑 总计 90.67 占规划面积比例/%43.157.5757.9344.800.6982.465.0113.3272.6448.82政策合理性-地价分析在1992年城市用地地价已经达到了菜地和农田的50-60倍 小结-关于北京分散集团城市布局政策1 由于政策本身的不合理性,执行效果不理想, 可能后果也不乐观,因此很有必要对该项政策 进行重新分析 2 加强区域线状交通体系建设,鼓励远郊区次 级中心城市发展,有可能在一定程度上缓解北 京城市探大饼的局面2 政策制定是一个涉及多方面的复杂问题,这 里仅从景观角度进行分析,还是显得比较牵强。 讨论城市土地利用/覆盖变化测量-提高利用卫 星遥感数据测量城市三维空间变化过程的 能力 城市扩展空间动态模型-开展尺度转化研 究,提高对城市空间动态过程的模拟能力 城市化过程中的生态环境影响-寻找生态 安全条件下的城市土地利用格局 土地利用转移矩阵生成的几种方法若你的数据是Raster格式:则有如下方法 1 Erdas Imagine----Interpreter---Gis Analysis---Matrix,输入 两个时相的Raster数据即可 做这一步之前记得先对两时相的数据进行重编码 (nterpreter---Gis Analysis---Recode) 一般运行如果出现错误 肯定是重编码没做好,请继续查证。 2 先在 Erdas中利用 Modeler 计算 如下公式 NC(I,J)=NC(I)*10+NC(J),(J&I) 其中:NC(I,J)表示i,j 两年份的土地利用变化图;NC(i) 表示i年份遥感分类影像;NC(j)表示j年份的遥感分类影 像。 在此计算的基础上,将以上变化影像图转化为BIL格式,再利 用ARC/INFO GRID模块将影像转为GRID格式,然后利用 GRID模块中的属性表(vat)查看命令对影像灰度值进行 统计,最后得出土地利用转化矩阵。(注:此方法本人尚未 实现过,不知可行否)。? 土地利用转移矩阵生成的几种方法?若数据是Vector格式1 Erdas Imagine----Interpreter---Gis Analysis---Matrix,输入两个 时相的Vector数据即可 此时注意 输出栅格大小不应设的太小 要不一运行就会提示你的空 间不足 做这一步之前,请做好前期的地理编码。 2 ArcView3.3加载 spatial analysis模块 把两时相的Vector图转成grid格式(当然中间有一些单位的设置根 据你做的图的分辨率来设置即可)analysis---mapcaculate 直接计 算即可。 3 把两期解译完的Vector文件在arctoolbox――overlay――union中 叠加,注意:两个文件不能用同一个字段名,比如一个用93Type, 另一个时相则用 00Type 叠加后的文件在Arcmap中打开,选中文件,然后点右键―― Property――空间查询,输入条件语句,比如:93Type=‘1’And 00Type=‘2’;查询结果即为第一种类型转化为第二种类型的图形, 可以另建一图层比如:12,把查询结果复制到12图层上。统计出 面积,依次进行,就可以得到土地利用类型转移矩阵。 最后输出土地利用变化图 ,如下图所示: ??ArcGIS计算土地利用转移矩阵转移矩阵在土地利用变更调查时经常用到。arcgis里没有直接的 工具来计算转移矩阵,但我们可以利用已有的工具间接来求。下 面介绍一下利用arcgis求转移矩阵的方法。现有两期 土地利用现状数据(polygon shp): 在求转移矩阵前先做好下列 工作: 1、备份数据。 2、分别将两期数据用dissolve工具按各自 的地类编码合并要素,注意选中最下面的“create multipat features”选项 处理好数据后,用intersect工具求两期数据的交集 交集的结果: 将属性表增加面积字段,并计算面积 结果: 从上图 中已经可以看出土地转移的情况:dlbm年时该块地的 地类代码,dlbm年时该地块的地类代码,最后一列是 相应地块的面积。接下来将属性表导出到dbf文件,然后在excel 中打开,执行数据菜单中的“数据透视表和数据透视图”命令 点 完成,然后将&&dlbm2005作为行字段,dlbm2008作为列字段&&, area作为数据拖到相应的区域生成的数据透视表将数据复制到新 的工作表中,适当的修整后即生成了土地利用转移矩阵。

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