基于GEE的郑州市土地利用时空变化特征及驱动因素分析

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土地利用/覆盖变化是人类活动和自然环境相互影响的结果,在全球变化过程中占据十分重要的地位。随着全球经济的迅速发展,人类活动对自然的改造愈加频繁,特别是经济发展迅速的城市,土地利用/覆盖状况变化显著,土地矛盾和环境问题日益突出,因此研究土地利用变化及其驱动因素对于土地资源的合理规划和可持续利用具有重要意义。本文以郑州市为研究区,基于新型遥感云计算平台Google Earth Engine(GEE)研究郑州市2000年至2020年的土地利用时空变化特征,解决了传统方法处理大范围长时间序列遥感数据效率低的问题。通过GEE获取研究区目标年份最小云量的Landsat数据,采用随机森林的方法对获取的影像进行分类。针对分类结果,从土地利用结构、动态度、程度、类型转移和空间分布五个方面分析土地利用类型的时空变化特征。最后使用地理探测器中的分异及因子探测、交互作用探测和风险探测定量分析各驱动因素对郑州市土地利用程度变化的影响。主要研究结论如下:(1)本文提出了一种基于网格搜索(Grid Search CV)的自适应参数调整策略来改进随机森林算法,该方法可以根据不同的样本数据和研究区状况选择最优参数。通过与未优化的随机森林算法以及CART决策树算法、支持向量机算法(SVM)进行对比,结果表明:优化后的随机森林算法具有良好的分类精度。使用优化后的随机森林算法对研究区各目标年份的影像进行分类,各目标年份分类结果的总体精度均在0.90以上,Kappa系数在0.86以上。(2)通过对分类结果的分析,得出郑州市2000年至2020年土地利用时空变化特征。从时间角度分析,在土地利用结构方面,郑州市各年份林草地、耕地、建设用地所占比重较大,而水域和未利用地面积占比较小,随着时间的推移,耕地面积大幅度减少、建设用地面积大幅度增加、林草地面积缓慢增加、水域和未利用地面积整体变化不大;在土地利用动态度方面,近20年来耕地的单一动态度均为负数,说明耕地面积一直处于减少状态,建设用地的单一动态度均为正数,说明建设用地面积一直处于增加状态,其他土地类型的单一动态度有正有负,说明面积有增有减;在土地利用程度方面,近20年来郑州市土地利用程度综合指数逐年增加,说明郑州市土地利用一直处于发展状态;在土地利用类型转移方面,近20年来耕地面积转出最多,主要转为建设用地和林草地,而建设用地面积转入最多,主要来自耕地。从空间角度分析,林草地的整体位置没有明显变化;耕地在主城区、新郑和中牟周边大幅度减少,在巩义、登封和新密周边小幅度减少;建设用地在主城区以及各县市周边大规模扩张,其中东部地区和主城区在空间上呈现连通趋势。(3)由地理探测器的结果可知,地形因素是影响郑州市土地利用程度变化的主要因素,且影响力水平基本稳定不变。人口密度、GDP和夜间灯光亮度对郑州市土地利用程度变化具有重要影响且影响力水平不断增强,说明随着经济的发展,社会经济因素对土地利用程度的作用越来越强。各驱动因素之间交互作用的影响力均大于单因素的影响力,且作用类型为双因子增强,说明因素之间的交互作用进一步促进了郑州市土地利用程度的变化。各驱动因素分级内土地利用程度差异明显,并且随着驱动因素级别的增大其变化趋势也不相同,主要特征为:郑州市土地利用程度与高程、坡度和交通区位因素呈负相关关系;与年均气温、人口密度、GDP和夜间灯光亮度呈正相关关系。
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