土地利用/覆被变化的过程、趋势及其与变化的沿海生态系统的联系——以伊朗克什姆岛为例

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土地利用/覆盖变化(Land Use/Cover Change,以下简称LUCC)是全球变化的重要组成部分,这种变化及其对生态环境的影响也一直是人们关注的焦点。近年来,地理空间技术的发展和全球覆盖的对地观测能力使研究人员能够以越来越快的速度处理海量数据。本文就地理空间技术在LUCC调查方面的应用进行了研究,揭示了干旱地区的滨海生态系统如何应对这些变化,研究结果可为波斯湾地区人类和自然之间的相互作用机制研究提供科学支撑,并可成为探究生态环境如何对土地利用变化作出本地响应的参考案例。由于波斯湾地区的Qeshm岛过去二十年发展迅速,因此我们选择以其为例来开展本项研究。研究过程中我们将地理空间技术、强度分析、土地利用变化的混合模型和统计分析相结合,以探究Qeshm岛的土地利用变化过程、趋势及其对生态环境的影响。得出的主要成果如下:第一,本研究从时间间隔、土地利用类型和相互转化等三个方面对Qeshm岛最近20年的土地利用/覆盖变化进行了系统的调查和分析。我们分别下载了1996年、2002年、2008年和2014年的Landsat遥感影像,解译时将土地利用类型分为农业用地、裸地,建设用地,密集植被,红树林和水体等6类,按照年份的不同分别绘制了土地利用图,并使用强度分析的方法从时间间隔、土地利用类型和相互转化等三个方面来评价Qeshm岛土地利用的动态变化。研究结果表明,在第一个六年(1996-2002)和第三个六年(2008-2014)Qeshm岛的土地利用变化很大,而在第二个六年(2002-2008)土地利用变化呈现缓慢趋势。在建设高要求和人口不断增长的背景下,Qeshm岛的建设用地面积在三个时间段内都明显增大。转化强度分析结果表明,1996年至2002年间,其他土地利用类型范围的扩增主要由裸地转化而来,尤其是建设用地的增加,而建设用地并没有转化成其他土地利用类型。密集植被的范围持续增加。然而,对于红树林来说,干旱和居民的砍伐对其造成了负面影响,因此建议建立自然保护区来有效地保护这一类珍贵的生态系统。转化强度分析的结果还表明,与其他土地利用类型相比,岛上的建设用地和农业用地的需求很高。总之,Qeshm岛的土地利用/覆盖变化与近年来的快速发展有着十分密切的关系。第二,本文提出了一种融合元胞自动机模型(Cellular Automata)、马尔科夫链(Markov Chain)和人工神经网络模型(Artificial Neural Network)的混合方法,再结合敏感性分析法(添加/删除)来筛选有效参数,进而模拟土地利用/土地覆盖未来的变化趋势,并运用此法对2026年Qeshm岛的土地利用变化趋势进行预测。将此法模拟的结果与实际现状(即基于2014年Landsat遥感影像数据制作的地图)对比后发现,使用此方法可将准确预测的土地利用面积增加到7.2km2,而不使用此方法时,准确预测的面积仅有6.09 km2,可见此法能大大提高土地利用模型预测的精度。本研究还通过将运用该方法得到的结果与运用CA-MC-ANN(元胞自动机模型-马尔科夫链-人工神经网络模型)、MC-ANN(马尔科夫链-人工神经网络模型)和CA-MC-LR(元胞自动机模型-马尔科夫链-罗吉斯回归)得到的结果进行对比后发现,本文所提出方法的FOM指数(品质因数)值是7.8,而其他方法得到的FOM指数值分别为6.7、5.1和4.5,进一步证明了此法的优越性。在此准确性评估结果的基础上,我们运用该方法预测了 Qeshm岛2026年的土地利用变化趋势。模拟结果表明,未来建设用地的面积将保持增加的趋势,而红树林的面积将会减少,强调了规划建设保护区的重要性。若需充分了解沿海地区的规划和管理,可将这种方法应用在其他地区(特别是沿海地区)的类似研究中。第三,本研究进一步将多源遥感影像、数据挖掘技术和三种评价指标相结合,用来探究滨海生态系统如何对土地利用变化进行响应。由于红树林属于敏感型生态系统,本研究还指出了这些变化是否会引起红树林生态系统的结构转换。研究中我们分别采用了归一化植被指数(NDVI)、修正的归一化水指数(MNDWI)和修正的植被水比值(MVWR)等评价指标来检测生态系统动态的预警信号。本研究将Gabrik地区作为背景与Qeshm岛进行对比,因为Gabrik地区与Qeshm岛属于同一省份,且气候相似,更重要的是该地区具有人为干扰少、生态系统健康的鲜明特点。结果表明,由于人类活动的增加,Qeshm岛出现了预警信号,但Gabric岛却没有出现。由于这两个地区的气候和地理条件极为相似,Qeshm岛的预警信号不可能是气候变化造成的,因此正如研究假设中所述,预警信号是由于Qeshm岛的土地利用变化和人类活动造成的。然而,将植被评价指数与遥感影像、实地数据相结合可增加这类研究结果的价值。在这三个评价指标中,MNDWI和NDVI产生的预警信号结果更好。为了检验本研究中所使用方法的有效性,作者建议在更大范围内进行此项研究。
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