IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. | 土地利用和土地覆盖变化研究进展综述

01.摘要

土地利用和土地覆盖变化（LUCC）可以反映一个地区的人类土地利用模式，并在空间水土保持中发挥着重要作用。研究世界土地利用模式的变化，对于应对全球气候变化和可持续发展具有重要意义。本文回顾了国内外LUCC的主要研究进展，认为土地利用变化已经从土地利用规划和管理转向土地利用变化影响和驱动因素。遥感技术的发展为LUCC提供了动态监测和定量分析的基础和数据。然而，目前没有统一的土地利用分类标准，这给土地覆盖数据的收集和分析带来了很多不便。Globeland30是对国际LUCC系统研究的一个重要里程碑式的贡献。应更加关注遥感技术获得的土地利用分类的准确性和结果对比测试。

02.引言

土地利用和土地覆盖变化是全球变化研究的前沿和热点。土地利用和土地覆盖变化与人类社会之间的相互影响影响着人类的生存环境和食品安全。在全球范围内，LUCC在全球陆地水循环的热液循环中起着重要作用。有研究表明，在过去的100多年里，LUCC对大气的二氧化碳排放相当于工业时代化石燃料对大气的排放，占人类活动对大气的二氧化碳排放总量的35%，因此这种变化直接影响到全球陆地-碳循环和能源平衡以及一些地区的生态平衡。此外，它对维持现代社会的可持续发展也有极其重要的影响。地表覆盖率决定了地球表面的辐射平衡、水流、物质搬运、地表水渗透等，其空间分布和变化是全球气候研究、地球系统模式研究、地理形势探测和可持续发展规划等的重要基础数据和关键参数。因此，LUCC的研究已成为当今环境领域的研究重点。在过去的几十年里，研究人员对LUCC的原因、结果、主导因素以及政策制定者的土地利用优化做了大量的研究。二十世纪末，国际地圈生物圈计划（IGBP）和全球环境变化国际人文因素计划（IHDP）提出了LUCC研究，并对人类活动与LUCC之间的联系进行了深入的研究分析。通过对人类活动影响下的LUCC反馈机制的研究，使人类活动对全球生态环境的影响得到了空间和时间上的评估，并进行适当干预，从而实现人类和生态环境的可持续发展。

03.国内外研究现状

1. 国外研究现状

工业化时代以来，全球环境问题变得越来越突出。随着对环境变化的深入研究，研究人员重新认识到，受人类活动影响的土地覆盖变化是导致全球环境变化的一个重要因素。因为人类活动是以自然环境为基础的，如土壤、水资源、气候和植被，这些都受到土地覆盖变化的影响。LUCC是人类社会经济活动与自然环境相互作用的产物。这是生态环境中可持续发展的核心。因此，LUCC的研究是IGB P和IHDP的重点。1930年代，LUCC的研究开始兴起。在北美洲，一些学者分析了美洲平原的土地利用类型。在南美洲和非洲，一些学者认为，人类社会活动引起的LUCC是影响全球气候变化的因素之一。同时，也有学者用马尔科夫随机过程分析方法来分析土地变化和趋势。这一时期对LUCC的研究主要集中在对土地利用的规划和管理方面。20世纪90年代以来，随着跨学科研究的开始，土地利用变化引起了人们的关注，特别是LUCC 驱动机制的研究。考虑到LUCC研究是全球环境变化研究的主要支撑之一，IGBP和IHDP于1990年开始在这个领域开展工作。此后，他们修订并制定了LUCC的科学研究计划，主要提出了两个重点。(a) 研究LUCC机制；(b) 区域和全球变化模型研究。由于该计划的实施，许多国家的研究机构都加入了这项研究，并在LUCC研究中积累了许多经验和成果。从那时起，许多研究项目开始了，国际应用系统分析研究所启动了欧亚大陆LUCC变化模式的研究项目。联合国环境计划在1996年启动了土地覆盖评估和规划项目。美国全球变化研究委员会将LUCC研究与气候变化和臭氧层消耗联系起来。它被认为是全球变化研究领域的一个优先事项。

2.国内研究现状

自20世纪50年代以来，中国开始了大规模的土地资源调查。从1958年到1962年，进行了第一次全国土地和土壤资源普查。1979年，中国农业区划委员会主持了第二次全国土地普查。由于技术的限制，其结果不能满足各级政府对我国经济发展的需要。调查结果为我国今后的土地利用变化调查提供了基础数据。20世纪90年代，我国开展了资源环境调查，随后遥感技术在调查中得到了广泛的应用。同时，在全球LUCC研究计划中，中国也对土地利用变化的机制及其驱动因素进行了研究。土地利用变化是一项涉及复杂的跨学科研究的综合成果。到目前为止，虽然中国科学家已经做了大量的研究，但LUCC的理论和研究方法的许多方面还需要深入讨论和改进。近年来，工业化为中国的社会发展和经济增长创造了机会。但同时也给人们的生活环境带来了许多问题，如水质恶化、水土流失、空气污染和物种灭绝。因此，对LUCC的研究已成为中国社会和经济可持续发展的关键点。由于中国不同地区的自然和社会经济存在巨大差异，与LUCC相关的因素来源也有很大不同。因此，中国的研究人员对区域性LUCC的研究更加重视。目前，国内LUCC研究主要集中在两个方面：一方面是发达地区"，即人类社会活动非常活跃的地区。研究者倾向于选择社会和人文因素高度复杂的地区。例如，史培军分析了深圳市土地利用的动态趋势。彭博卓对长江三角洲地区近50年来土地利用变化的动力和耕地数量的变化进行了研究。另一方面，"生态脆弱区 "是指随着社会经济的发展，人口扩张与环境资源消耗不平衡而导致环境恶化的区域。对这类地区的研究有助于了解生态环境的脆弱性，揭示其演变机制。中国的许多研究人员选择了后者进行研究。例如，张明在黄土高原土地利用结构及其驱动力的统计分析方面做了大量的工作。对LUCC的因素和机制的分析是该研究的重点。例如，史培军通过对深圳市社会经济因素和自然环境因素的分析，得出了人的因素在土地利用变化中的作用。白万起将主要驱动因素纳入系统，然后分析土地利用的动态趋势，最后获得来自主要和次要行为者的贡献值权重。研究人员应在选定的代表性地区进行研究，与国际LUCC研究项目相结合，积累经验和数据，以促进LUCC模型的建立和模拟结果的改进。

04.遥感技术在LUCC中的研究

随着科学技术的发展，早期定性的研究方法和思路已经不能满足研究的需要。从20世纪70年代开始，卫星遥感影像数据为LUCC的动态监测和定量分析提供了依据和数据。对于LUCC的研究，这无疑是全球环境变化领域的一项开创性工作。随着计算机软件技术和地理软件GIS的快速发展，遥感影像信息可以与原始土地调查和基础数据进行综合分析。这不仅可以反映土地要素的真实特征，而且可以更好地研究土地利用的动态变化。20世纪70年代，美国地质调查局为了适应现代遥感中人工和计算机解译的需要，建立了土地利用分类系统，以方便利用遥感进行土地利用测绘。
 

遥感图像包含丰富的光谱信息，一直是土地利用分类研究领域的重要数据。当地面物体处于不同的反射光谱特征时，遥感图像的颜色灰度值会出现在遥感图像上。由于光谱类型的明显差异，不同类型的波段可以显著提高地面特征的分辨程度。因此，在多光谱数据中，要选择最合适的波段和颜色组合，以利于解释过程中的信息提取。建立适合研究区域的分类系统是遥感分类的基础，也是快速计算机自动识别的必要条件。由于受到卫星、当地地理特征和分辨率的限制，目前还没有统一的遥感分类系统。为了保证分类结果的可靠性，需要将分类图像与实际数据（土地利用现状图或地面调查数据）进行比较。在实际工作中，通常采用抽样的方式进行精度分析。目前，Cohen（1960）提出的混淆矩阵的Kappa系数被广泛用于评价图像的分类精度。该方法已被发展为评价遥感信息提取精度的主要方法。混淆矩阵由n*n矩阵组成，它可以代表分类结果的准确性。土地利用评价分类的精度主要包括用户精度、生产者精度和Kappa系数。Kappa系数的优点是它不仅考虑了被正确分类的像素数，也考虑了未被正确分类的像素数。因此，它能更好地反映遥感图像信息分类的精度。
 

GlobeLand30是中国在863项目（www.globeland30.com）的支持下开发的世界上第一个两幅（2000-2010）30米分辨率的全球土地覆盖数据产品。它包含10种土地覆盖类型：耕地、森林、草原、灌木丛、湿地、水体、苔原、人工地表、裸地和永久冰雪（图1）。第三方机构评价的总体准确率为83.5%。这是中国对LUCC和全球环境变化研究的重大贡献。GlobeLand30也极大地促进了世界上对地观测和地理信息的数据共享。

图1 2010年中国及周边地区的GlobeLand30数据

05.结论

现代遥感技术已经得到了广泛的应用，研究人员已经建立了不同尺度的LUCC变化数据库，以满足环境变化研究的需要。目前，在土地利用/土地覆盖变化研究中还存在一些问题，主要概括为几个方面。(a) 对除遥感数据外的其他数据不够重视，对土地利用的研究受天气、绘图员技术、设备精度等因素的影响，因此不一定能全面展示LUCC。在进行精度验证时，应结合实地调查数据和地形数据的关联性进行分析。(b) 大多数LUCC模型受区域环境因素的影响较大，由于数据质量的限制，建立的模型功能不具代表性。(c) 没有统一的理论体系作为参考，所以研究人员使用的方法和模型有明显的区域局限性。他们无法在大面积地区进行推广。(d)GlobeLand30只有两个基线年（2000年和2010年），不能满足研究人员对全球土地覆盖数据的最新性和及时性的强烈要求。
 

随着LUCC研究的深入，未来的研究应更加关注LUCC的驱动因素和LUCC引起的环境变化效应的探索。应该建立一个统一的LUCC理论体系。为了解决LUCC研究中的多尺度问题，LUCC研究模型的发展应该有以下趋势。(a)LUCC模型应能模拟和结合社会经济和自然环境的两种驱动力。(b) 应提高分辨率，以便轻松获得长期（50-100a）的结果。(应充分考虑其他因素对LUCC的影响，如人口增长、经济发展和技术进步。


06.原文信息
 

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