土地利用覆被变化时空信息分析方法及应用

第1章土地利用/覆被变化研究概述-1-第11章土地利用/覆被变化研究概述1.1土地利用/覆被变化研究的主要内容随着人口增加、经济发展及科学技术进步，人类活动对地球表面的作用不断增强。全球变暖、生物多样性的消失、酸雨等现象的出现，促使人们更多地关注全球变化。土地利用与覆被变化是人类活动对地表影响的重要载体，从而成为研究地球地表化学过程、碳循环、生物多样性等全球变化和生态环境问题的基础，在全球环境变化研究中，土地利用和土地覆被动态越来越被认为是一个关键而迫切的研究课题。目前，“3S”技术（遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS））的发展，为全球土地利用/覆被变化的研究提供了多尺度的信息源，从而进一步促进了土地利用/覆被变化的研究（田光进，2002）。土地利用是人类根据土地的特点，按一定的经济与社会目的，采取一系列生物和技术手段，对土地进行的长期性或周期性的经营活动。它是一个把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。土地覆被是指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的具有多维空间信息的综合体，它反映“地球陆地表层和近地面层的自然状况”，是自然过程和人类活动共同作用的结果（TurnerIBLetal，1994；TurnerIBLetal，1995），包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物，具有特定的时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化（史培军等，2000；陈泮勤等，1999；TurnerB.L.Ⅱ，1993）。土地利用和土地覆被作为地球表层系统昀突出的景观标志，二者是相互联系、相互作用，密不可分的（图1-1）。土地利用变化侧重于土地的社会经济属性，它既是土地覆被变化的直接和间接驱动力，也是土地覆被变化的响应。土地覆被则侧重于土地的自然属性，它更多地是土地利用的结果表现。土地覆被的特征如土壤、植被的特点是土地使用方式和目的的重要基础和影响因素。现代土地覆被的变化在很大程度上是人类利用土地的结果，昀为明显的两种后果为：土地覆被类型的量变即渐变（modification）和质变即转换（conversion）（TurnerIBLetal，1994）。一方面，土地利用方法和技术的变化引起土地覆被生物物理化学变化，造成同一种土地覆被类型内部的渐变，比如森林的疏伐，农田施肥和化学农药使用，灌溉方式的变化等。另一方面，土地利用目的的变化有可能直接改变土地覆被类型，导致土地覆被的转型，比如森林、牧场变为农田，旱地改为水田等。此外，通过人类活动的维护（Maintenance）让土地覆被保持一定的状态也是人类影响土地覆被的形式之一。总而言之，土地利用和土地覆被变化之间的相互作用是一个自然科学和社会科学的交叉研究领域。由于土地利用变化对环境的影响主要是通过改变土地覆被状况产生的，因此人们常把土地利用变化与土地覆被变化联系在一起，简称LUCC（LandUseandLandCoverChange）。土地利用/覆被变化时空信息分析方法及应用-2-图1-1土地利用与土地覆被之间的关系土地利用作为人类有目的、有意识的社会经济活动，贯穿于人类生存与发展的整个历史进程中，是人类社会与大自然相互影响和作用，共同发展与不断进化的产物。近几十年来，随着人口的急剧增长和科学技术水平的提高，人类活动以空前的速度、幅度和空间规模改变着陆地环境，土地利用变化的速率明显加快，土地覆被格局迅速变化。根据联合国粮农组织（FAO）1995年的测算，1981-1990年，全球森林覆盖面积平均每年减少1550×104hm2，年平均变化率达到0.8%（FAO，1995）。而全球耕地面积在过去300年中增长了约1200×104km2，目前已达到1400~1500×104km2（TurnerB.L.Ⅱ，1993）。Vitousek指出：“土地利用/覆被变化几乎影响到所有组织水平—从基因到全球（Vitousek，1994）。”它不仅改变了地面反照率和生态系统贮碳能力，也影响着景观中的物质循环和能量分配。由此造成全球变暖、臭氧层破坏、生物多样性减少、大气污染和水污染、水土流失、土地荒漠化等各种各样的环境问题。国际社会特别是国际科学界已广泛地认识到人类正面临着重要而急迫的全球环境问题，全球变化研究成为当今人类社会共同关注的研究“热点”。为了解决上述系列环境问题，保证世界经济的稳定和可持续发展，IGBP（InternationalGeosphere-BiosphereProgramme—国际地圈生物圈计划，简称IGBP）制定了全球变化的研究框架（KochG.Wetal，1995；WalkerBetal，1997）。在全球环境变化问题中，土地利用/覆被变化可以说是自然与人文过程交叉昀为密切的问题，进入20世纪90年代以来，随着人口、资源和环境问题的日益突出，土地利用/覆被变化研究成为全球环境变化研究的前沿和热点领域（TurnerIBLetal，1994），因而隶属于“国际科学联合会”的IGBP和隶属于“国际社会科学联合会”的IHDP（InternationalHumanDimensionofGlobalEnvironmentalChangeProgramme—全球环境变化人文因素计划，简称IHDP），希望以此为突破口，推动全球变化的综合研究。自1990年起，上述两组织积极筹划全球研究计划，于1995年共同拟定并发表了《土地利用/覆被变化科学研究计划》，并将其列为核心项目之一。关于土地利用/覆被变化的研究，在全球环境变化研究中越来越显示出重要性，为此IGBP成立了一个科学研究计划委员会，并于1996年1月28日至2月2日在荷兰举行了有关土地利用/覆被变化的国际会议，提出了五个有关土地利用/覆被变化的框架问题（Turner，1995）：①在过去的300年间，在人类的作用下，土地覆被是如何变化的？②在不同的地区和历史时期，影响土地覆被变化的主要人类因素有哪些？③在未来50~100年，土地利用将会如何影响土地覆被变化？④对于某一特定的土地利用类型，近期内各种自然和人为因素是如何影响土地利用的可持续性的？⑤气候和全球生物地球化学循环与土地利用/覆被变化的相互作用如何？第1章土地利用/覆被变化研究概述-3-围绕上述五大科学问题，确定了土地利用/覆被变化研究的三个重点领域：①土地利用变化机制研究—典型对比分析：该研究重点采用典型实例对比分析，了解土地利用变化的自然和人文驱动力，从而有助于建立区域和全球的经验模型；②土地覆被变化机制研究—直接观察和诊断：主要通过遥感影像分析，了解过去20年内土地覆被的空间变化过程，并将其与驱动因子联系起来，建立解释土地覆被时空变化和推断未来10到20年的土地覆被变化的经验性诊断模型；③区域和全球模型—综合评价：建立宏观尺度的土地利用/覆被变化的动态模型，根据驱动因子变化来推断土地覆被未来的变化趋势，为制定相应对策和全球环境变化研究服务。在土地利用/覆被变化研究的三个重点领域之中，IGBP和IHDP还强调了两项综合性活动：①数据和分类：包括分析数据来源和质量，设计一个能够满足三个重点研究所需要的土地利用/覆被分类体系；确定和建立对LUCC研究非常重要的数据库和测量标准；②尺度动态：由于认识到LUCC过程可以出现在不同尺度上，以及随LUCC分析的尺度不同会影响全面地认识LUCC过程，该项活动旨在确定和建立指导LUCC研究的主要原则和规范，从而进一步提高三个研究重点的整体性。上述三个重点研究领域以及两项综合性活动相互联系、相互补充，共同构成了土地利用与土地覆被变化研究的基本框架（图1-2）。图1-2LUCC科学计划的结构框架（据IGBP和IHDP报告，1995）1999年，IGBP和IHDP又发表了《土地利用/覆被变化（LUCC）研究实施策略》，进一步提出将土地利用的过程、土地利用/覆被变化的人类响应、综合的全球和区域模型作为研究的主题，指出综合性与区域性是LUCC研究的两大突出特征，并同时强调了LUCC研究必须与区域土地退化、水资源和贫困问题等可持续发展问题相联系。LUCC计划的制定为世界各国的LUCC研究确立了方向，也为开展国际合作提供了基础。土地利用/覆被变化研究已经成为近年来全球变化研究的焦点和核心问题，因此在地球空间信息技术的支持下，研究区域土地利用/覆被变化的动力学时空特征，揭示区域土地利用/覆被变化的客观规律和变化机制，对于全球变化研究将发挥积极的作用。土地利用/覆被变化时空信息分析方法及应用-4-1.2国内外土地利用/覆被变化研究进展1.2.1国际土地利用/覆被变化研究进展在国际上，有关土地利用/覆被变化的研究开展很早，20世纪70年代之前为LUCC研究的缓慢发展阶段。在此期间，各国根据自身特点和发展需要，开展了一些与土地利用变化有关的研究活动。1931年，Webb在对美国大平原农业社会的研究中认为当地土地利用类型是由干旱程度决定的；1956年，Thomas详细描述了人类活动对地表过程所造成的改变，并提出了人类在地理环境中应遵循的种种行为规范（ThomasJ,1956）；在南美洲、东南亚及非洲热带雨林等地区人们主要从社会经济的角度探讨了土地覆被类型与土地利用方式改变的过程与机制，认为这些地区土地利用与土地覆被的模式是由气候、经济、社会以及政策等因素所塑造，土地的价值是由其本质属性（土壤、气候和地形）、位置（相对于城市中心，交通线）及供需关系决定的（史培军等，2000）。20世纪70年代以来，以气候变化为先导的全球环境变化研究成为学术界研究的热点领域之一。作为引起全球变化的两大基本人类因素之一的土地利用/覆被变化（CommitteeonGlobalChange，1990），越来越引起人们的关注，对其研究也进入了一个新的阶段。瑞典从1972年起在撒哈拉进行荒漠化和植被动态检测至今，对该地区土地利用/覆被变化进行了长期的研究。美国生态学会于1988年确定了本世纪昀后10年其生态学优先研究领域，提出了创建可持续生物圈的规划（SustainableBiosphereInitiative：SBI），致力于研究生态学在地球资源管理和地球生命支持系统保护中的作用（D.S.Ojimaetal，1994）。到了20世纪90年代，土地利用/覆被变化研究越来越受到重视，已成为全球环境变化研究的一个重点领域。1990年，全球变化研究委员会（CommitteeForResearchOnGlobalChange）昀早提出了一个全球性土地利用/覆被变化研究框架（Burtonetal，1993）。联合国在“21世纪议程”中明确提出将加强LUCC研究作为21世纪工作的重点。IGBP和IHDP于1995年共同拟定并发表了《土地利用/覆被变化科学研究计划》，提出了五个土地利用/覆被变化研究的框架问题和三个重点研究领域。此后，许多国际组织和国家纷纷响应号召，在土地利用/覆被变化及有关方面立项研究，如国际应用系统研究所（IIASA）于1995年启动了“欧洲和北亚土地利用/覆被变化模拟”研究项目，旨在分析1900年到1990年欧亚大陆北部地区土地利用/覆被变化的空间特征、时间过程和环境效应，预测其在未来50年的LUCC趋势，为制定相应对策服务；联合国环境规划署于1994年启动了亚太地区环境评价计划“土地覆被评价和模拟”（LCAM）项目，采用美国宇航局高分辨率雷达影像调查东南亚地区土地覆被的现状与变化，为区域可持续发展服务；美国与欧洲空间署等国际组织合作开展的高分辨率雷达（AVHRR）监测土地覆被变化和季节性植被状况的项目，并利用该遥感信息编制了全球土地覆被图，进行了全球植被分类和生物量估算工作。美国全球变化研究委员会（USGCRP）把土地覆被变化与气候变化、臭氧层的损耗一起，列为全球变化研究的主要领域，并从1996年起重点开展北美洲土地覆被变化的研究；日本国家科学院全球环境研究中心提出了“为全球环境保护的土地利用研究”项目。目前更多的国际组织和国家启动了各自的土地利用变化研究项目，取得了一系列成果，并形成了不同的研究流派，如北美流派、日本流派和欧洲流派。北美流派