长江口北岸土地利用动态演化模拟研究

论文摘要

江海流域特殊的沿江沿海地理区位,滩涂淤涨侵蚀和滩涂围垦利用等自然和人文因素影响,使得江海流域土地利用类型多样,利用方式高度集约,利用变化活跃,且空间分异显著。因此,江海流域土地利用变化研究是典型区域LUCC研究的重要领域之一。随着江苏省“江海联动”政策的实施,社会经济的高速发展,江海岸工业园区的开发以及沿江沿海港口的建设,长江口北岸流域土地利用变化极为活跃。本文以长江口北岸的土地利用变化为研究对象,长江入海口北岸的启东市行政区域为研究范围,研究时间跨度24年,时间间隔6年。提出了适合于沿海影像的提升小波变换影像融合模型,选择长江口北岸的沿海滩涂区域ETM+和ALOS影像进行融合试验分析,结合主观目视和客观指标综合评价,并与传统融合方法进行比较,研究表明提升小波融合方法优于传统融合方法,提高影像空间分辨率的同时,能更好地保持影像光谱信息;对融合处理后影像进行分类,分类Kappa系数表明提升小波融合后影像的分类精度最高,提升小波融合可以充分利用全色波段影像的空间分辨率和多光谱波段的光谱信息,从而有效提高影像目视解译分类精度。结合GIS和RS技术,对长江入口北岸1989年、1995年、2001年和2008年遥感影像进行人机交互解译,研究1989-1995年、1995-2001年和2001-2008年三个阶段内的土地利用格局变化。采用参数构造法,分别从土地利用结构、土地利用转移矩阵、土地利用动态度、土地变化程度、土地利用空间变化和多样化程度六个方面,对长江口北岸土地利用动态变化进行系统分析;采用景观指数法,选取集聚度、分离度、多样性、均匀度和景观分维数等作为景观指标,研究表明:长江口北岸流域景观整体破碎化程度增强、景观斑块形状趋于复杂化、景观多样性和均匀度均增加;采用地统计学方法,进行长江口北岸土地利用样本点半变异函数拟合和结构性分析,研究表明:当样本点间距小于61 km时,土地利用样点间的距离越小,空间相关性越大;当样本点间距大于61 km时,区域化变量的空间相关性不存在。长江口北岸土地利用样本点半变异函数拟合的结构系数为0.7左右,表明长江口北岸土地利用样本间的变异更多是由随机因素引起的,土地利用样本间的空间依赖性较弱,但有增强的趋势。采用统计和空间分析两种不同方法,揭示了长江口北岸流域土地利用变化的人文驱动因子和空间驱动因素。结合相关分析和主成分分析法,进行长江口北岸土地利用变化的人文驱动力统计分析,研究得出长江口北岸土地利用变化的人文影响因素主要有三方面:（1）城市化进程加快、经济发展、居民生活水平提高;（2）技术进步、人口;（3）政策因素、交通因素。空间驱动分析表明:长江口北岸建设用地变化的空间影响因素主要有公路、河港水域、城市中心和“江海联动”开发战略等几方面。引进经典的元胞自动机城市扩展与土地利用演化SLEUTH模型,改进元胞自动机控制系数的筛选方法,结合驱动力的研究调整模型控制系数,根据长江口北岸流域实际情况设置模型校准参数,提高模型在长江口北岸流域应用的实用性。本文设计了启东主城区和长江口北岸流域两种不同情景,对两种情景分别进行了土地利用空间演化情景模拟与预测,分析比较两种情景的模拟精度。研究表明:SLEUTH模型方法可以获得精度较高的土地利用变化预测结果,特别是对城市扩展的预测,但是SLEUTH模型没有把社会、经济等人文因素直接纳入模型中,模型校准过程非常耗时。综合已有的基于神经网络的元胞自动机模型研究,使用遗传算法对神经网络的连接权值和阈值进行优化,采用面向对象建模思路,对ANN-CA模型进行改进和拓展,综合遗传神经网络和元胞自动机,开发了一个基于Matlab平台的GANN-CA模型。该模型充分利用人工神经网络获取模型大量空间变量参数的优势,简化了土地利用转化规则的定义,不仅考虑社会经济环境等因素对流域土地利用演化的影响作用,如空间距离、邻域条件、自然属性等,还充分考虑土地政策、江海开发战略等因素对土地利用演化的影响作用。以长江口北岸为例进行了实证研究,研究表明GANN-CA模型有较好的仿真效果。该论文有图60幅,表格49个,公式98个,参考文献207篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究目标
• 1.3 研究内容
• 1.4 技术路线
• 1.5 关键问题
• 2 研究综述
• 2.1 LUCC 研究综述
• 2.1.1 LUCC 概述
• 2.1.2 LUCC 研究进展
• 2.1.3 LUCC 驱动力研究
• 2.1.4 LUCC 模型研究
• 2.1.5 LUCC 生态环境效应
• 2.2 LUCC 遥感影像分类综述
• 2.2.1 LUCC 分类体系综述
• 2.2.2 LUCC 遥感影像分类关键技术
• 2.3 典型区域 LUCC 综述
• 2.4 国内外研究不足
• 2.5 本章小结
• 3 影像融合信息增强及土地利用分类
• 3.1 研究区域影像获取与预处理
• 3.1.1 研究区域数据获取
• 3.1.2 影像预处理
• 3.2 基于小波理论的遥感影像融合模型
• 3.2.1 小波相关理论
• 3.2.2 基于静态小波和提升小波变换的影像融合模型
• 3.2.3 ETM+影像实例研究
• 3.2.4 高分辨率影像实例研究
• 3.3 影像土地利用/覆盖分类
• 3.3.1 波段组合选择
• 3.3.2 土地利用/覆盖分类
• 3.3.3 分类精度分析
• 3.4 本章小结
• 4 长江口北岸土地利用空间格局变化及驱动力分析
• 4.1 区域概况
• 4.2 长江口北岸土地利用动态变化分析
• 4.2.1 土地利用结构分析
• 4.2.2 土地利用转移矩阵
• 4.2.3 土地利用动态度
• 4.2.4 土地利用变化程度
• 4.2.5 土地利用空间变化
• 4.2.6 土地利用多样化程度
• 4.3 长江口北岸土地利用格局景观分析
• 4.3.1 景观指数选取
• 4.3.2 粒度选取
• 4.3.3 长江口北岸景观格局变化分析
• 4.4 长江口北岸土地利用空间结构分析
• 4.4.1 地统计分析原理
• 4.4.2 结果与分析
• 4.5 长江口北岸土地利用变化驱动力分析
• 4.5.1 土地利用变化驱动力的系统分析
• 4.5.2 驱动力统计分析
• 4.5.3 空间驱动力分析
• 4.6 本章小结
• 5 基于 SLEUTH 模型的长江口北岸土地利用演化模拟
• 5.1 元胞自动机理论基础
• 5.1.1 元胞自动机的定义
• 5.1.2 元胞自动机构成
• 5.1.3 元胞自动机特征
• 5.1.4 元胞自动机研究的相关理论
• 5.2 SLEUTH 模型原理
• 5.2.1 SLEUTH 模型结构
• 5.2.2 SLEUTH 模型增长规则
• 5.2.3 SLEUTH 模型校准
• 5.3 实证研究
• 5.3.1 数据预处理
• 5.3.2 模型校准
• 5.3.3 土地利用演化仿真及预测
• 5.4 模型评价
• 5.5 本章小结
• 6 GANN 与 CA 结合的土地利用演化 GANN-CA 模型
• 6.1 模型概述
• 6.2 GANN-CA 模型原理
• 6.2.1 GANN-CA 模型结构
• 6.2.2 数据预处理模块
• 6.2.3 人工神经网络模块
• 6.2.4 遗传算法模块
• 6.2.5 校准和预测模块
• 6.3 实证研究
• 6.3.1 数据预处理
• 6.3.2 遗传神经网络训练
• 6.3.3 模型校准及预测
• 6.4 模型评价
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集