土地信息系统的应用.ppt

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1、第五章土地信息系统的应用,5.1 土地利用动态变化分析,5.1.1 背景,人类利用土地的过程是不断变化的。及时掌握土地利用类型的变化信息，是进行土地利用总体规划、基本农田保护、土地利用用途管制等土地管理工作的必要条件。同时，获得土地利用类型随时间变化的信息，也是国家土地主管部门制定土地利用政策及考核其效果好坏所必须的。目前，由于我国现行土地管理体制造成了对非农用地缺乏宏观控制，出现了“批荒占耕”、“多批少报”、“闲置撂荒”等现象，导致国家大量土地资源、资产流失。为控制这种土地严重流失的现象，必须加强管理。迅速发展的数字遥感技术和GIS技术，为土地利用现状及变化信息的获取提供了及时有效的技术手段

2、。,所谓土地利用动态变化分析，就是将不同时相的土地利用数据进行对比分析，从空间分布和数量上分析其动态变化特征及未来发展趋势。土地利用动态变化研究要揭示变化的过程与机制，它不仅是一种空间概念上的表达，而且还是时间序列上的演绎；它强调通过对于复杂土地利用地学现象的空间与时间上的综合表达和描述，来揭示土地利用时空结构现象演变的规律。,土地利用变化的研究方法 建立土地利用变化模型,从土地利用/土地覆盖变化的涵义及研究内容出发，构建土地利用变化模型是深入了解土地利用变化成因、过程，预测未来发展变化趋势及环境影响的重要途径，也是土地利用变化研究的主要方法。土地利用变化研究中的模型可概括为以下三种类型:系统

3、诊断模型土地利用动态变化模型土地利用变化综合评价模型,（1）系统诊断模型,系统诊断模型是深入了解土地利用变化机制的主要手段,可分为两种类型的模型:基于经验的概念化逻辑诊断模型，如土地利用变化驱动力概念诊断模型。这是一种基于经验的定性分析模型，它是建立定量分析模型的基础。基于经验的统计诊断模型，如土地利用变化机制统计诊断模型。由于土地资源是一个自然人文综合体，土地利用/土地覆盖变化不仅受自然因素的影响，而且受社会、人文因素的综合影响，仅仅通过直接测量无法充分分析土地利用变化的驱动力，因此需要将在一系列时空尺度下的观测结果同经验模型相联系，用一组观察变量(如地貌、气候、土壤、地表质地、地势等自然因

4、素)，结合一组辅助性变量(如统计数据)进行统计分析，这样既能提供一个综合的方法来认识土地利用变化，同时也为政策的制定提供了依据。,（2）土地利用动态变化模型,土地利用动态变化模型 包括：土地资源数量变化模型土地资源生态背景质量变化模型土地利用空间变化模型土地利用变化区域差异模型土地利用程度变化模型土地需求量预测模型土地利用变化驱动力模型。建立土地利用动态变化模型是研究土地利用变化过程、土地利用变化程度及未来发展变化趋势的主要手段。,（3）土地利用变化综合评价模型,气候和生物地球化学变化会影响土地利用/土地覆盖变化，而土地覆/土地利用变化反过来又会影响到生物地球化学作用，从而影响地区农业持续发展

5、。因此，建立土地利用变化综合评价模型有极其重要的意义。这类模型主要为：土地利用变化对环境影响评价模型。如温室效应综合评估模型、对区域持续发展影响评价模型、对区域水循环影响模型等。建立土地利用变化综合评价模型是综合评价土地利用变化环境效应的主要手段。,5.1.3 土地利用动态变化模型,土地利用变化主要体现在土地利用类型变化土地利用类型数量变化土地资源生态背景质量变化土地利用程度变化土地利用变化的区域差异等,（一）土地资源数量变化模型,（1）土地利用转移矩阵：研究数量变化主要是从面积入手，反映区域土地利用变化。面积变化首先反映在不同类型的总量变化上，通过分析土地利用类型的总量变化，可了解土地利用变

6、化总的态势和土地利用结构的变化。,其中xij为第i种地类向第j种地类转变的面积,（2）单一土地利用类型动态度,单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为:式中K 为研究时段内某一土地利用类型动态度；U a、U b 分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量；T 为研究时段长，当T的时段设定为年时，K 的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。,(3)综合土地利用动态度,某一研究样区的综合土地利用动态度可表示为:式中LU i 为监测起始时间第i 类土地利用类型面积；LU i-j为监测时段内第i 类土地利用类型转为非i 类土地利用类型面积的

7、绝对值；T为监测时段长度。当T的时段设定为年时,L C 的值就是该研究区土地利用年变化率。,土地利用动态度定量地描述了土地利用的变化速度，对预测未来土地利用变化趋势有积极的作用。,（二）土地资源生态背景质量变化模型,土地资源生态环境背景是由土地资源所处的地貌、气候、干湿度、土壤质地、地势等条件决定的，因此，土地资源生态环境质量评价要在综合考虑地貌、气候、干湿度、土壤质地、地势等条件下进行。基于土地资源生态环境背景参数，计算各行政单元的生态环境背景质量指数，在此基础上建立土地资源生态环境背景质量变化模型。,(1)土地资源生态背景质量指数模型,土地资源生态背景质量的好坏可以用土地资源生态背景质量指

8、数来表示，某行政单元某类土地资源生态背景质量指数表达式为:式中Qj为第j 个行政单元某类土地资源生态背景质量指数；Di为第i级土地资源生态背景质量等级量值；Ai 为第j个行政单元第i 级土地资源面积；N为土地资源等级数；Sj为第j个行政单元某类土地资源总面积。,(2)土地资源生态背景质量变化模型,土地资源生态背景质量变化情况可以用生态背景质量变化率来表达,其表达式为:式中S(t-1)j为第j行政单元研究期初某类土地资源面积;Stj为第j行政单元研究期末某类土地资源面积;Q(t-1)j为j行政单元研究期初某类土地资源生态背景质量指数;Qtj为j行政单元研究期末某类土地资源生态环境背景质量指数;R

9、j为第j行政单元某类土地资源在t时段内生态背景质量变化率,当t 的时段设定为年时,RJ的值就是该研究区某类土地资源生态背景质量年变化率。,（三）土地利用程度变化模型,土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度，它不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素与自然环境因素的综合效应。将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡状态分为若干级，并赋予分级指数，从而给出了土地利用程度综合指数及土地利用程度变化模型的定量化表达式。,(1)土地利用程度综合指数模型,某研究区土地利用程度综合指数可表达为:式中Dj 为某研究区域土地利用程度综合指数；A i 为研究区域内第i 级土

10、地利用程度分级指数；Ci 为研究区域内第i 级土地利用程度分级面积百分比；n 为土地利用程度分级数。,(2)土地利用程度变化模型,一个特定范围内土地利用程度的变化是多种土地利用类型变化的结果，土地利用程度及其变化量和变化率可定量地揭示该范围土地利用的综合水平和变化趋势。,土地利用程度变化量和土地利用程度变化率可表达为：式中Lb和La分别为 时间和a时间的区域土地利用程度综合指数;Ai为第i级的土地利用程度分级指数;Cib和C ia分别为某区域b时间和a时间第i 级土地利用程度面积百分比。如 Lb-a 0,或R j0,则该区域土地利用处于发展时期,否则处于调整期或衰退期。,（四）土地利用变化区域

11、差异模型,土地利用变化存在着显著的地区差异，可以用各区域某种土地利用类型相对变化率及各区域土地利用动态度（单一土地利用动态度、综合土地利用动态度）的不同来反映土地利用变化的区域差异。,土地利用相对变化率,某研究区某一特定土地利用类型相对变化率可表示为:式中Ka、Kb分别代表某区域某一特定土地利用类型研究期初及研究期末的面积;Ca、Cb分别代表全研究区某一特定土地利用类型研究期初及研究期末的面积。,相对变化率是一种反映土地利用变化区域差异的很好的方法。如果某区域某种土地利用类型的相对变化率R 1,则表示该区域这种土地利用类型变化较全区域大。此外,我们还可以用各区域单一土地利用动态度的不同来说明某

12、种土地利用类型变化的区域差异,也可以用各区域综合土地利用动态度的不同来分析综合土地利用变化的区域差异。,（五）土地利用空间变化模型,土地利用的空间变化,可以用土地资源分布重心变化情况来反映。土地资源分布重心是根据人口地理学中常见的人口分布重心原理求得的,其方法为:把一个大区域分为若干个小区,在大比例尺地图上根据居民点的分布及地形特点确定每个小区几何中心或旗县所在地的地理坐标,然后再乘以该小区该项土地资源的面积,最后把乘积累加后除以全区域该项土地资源总面积。重心坐标一般以地图经纬度表示。,第t 年某种土地资源分布重心坐标(经纬度)计算方法为:式中Xt、Yt分别表示第t 年某种土地资源分布重心的经

13、纬度坐标;Cti表示第i个小区域该种土地资源的面积;Xi、Yi分别表示第i小区域的几何中心(或旗县所在地)的经纬度坐标。通过比较研究期初和研究期末各种土地资源的分布重心,就可以得到研究时段内土地利用的空间变化规律。,（六）土地需求量预测模型,土地需求量预测即在全面考虑生产和生活需求,分析社会、经济条件优势的情况下,根据本区的自然条件、生态特点、土地利用现状、土地利用变化规律、土地生产力及人口变化等方面的因素来预测未来某年土地需求量,其目的是掌握未来土地利用变化趋势,为农业资源优化配置提供决策依据。土地需求量预测方法多种多样,预测方法的不同,对同一预测对象,其预测结果也有差异。每一种预测方法有其

14、各自的适用范围和局限性,因此,我们可以根据研究对象和研究目的的不同,采用不同的方法进行多条件、多途经模拟与预测。利用不同的预测方法所得预测结果相互验证、补充,可以提高预测效果。,(1)灰色预测模型GM(1,1),对原始数据序列x(0)(1)、x(0)(2)、x(0)(t)作累加，生成新数据序列x(1)(1)、x(1)(2)、x(1)(t),然后利用以下模型进行预测:,(2)马尔可夫预测方法,原理：利用事物发生、发展的状态之间的转移概率矩阵，预测事物发生的状态及其发展趋势。这种方法要求有足够多的数据，才能保证预测的精度。,(3)系统动力学预测法,原理：根据系统论的原理，分析土地资源系统的结构和系

15、统内各组成成分之间的反馈关系，建立反映系统基本结构的模型，然后通过调控影响土地利用变化的因素，从而达到预测未来土地需求量的目的。,(4)规划预测法,原理：规划预测模型是在分析土地资源特点、土地利用现状、土地利用变化规律、行业用地发展速度、土地供需矛盾、人民生活需求及其它影响土地利用变化的因素的基础上，根据预测对象之间的相互关系，建立回归模型进行预测的一种方法。具体方法有:线性规划模型、多目标规划模型等。规划预测的基础是土地利用变化影响因素的预测，如人口发展预测、消费结构预测、土地生产力水平预测等。,实现,利用GIS软件的空间分析功能，主要是叠加功能将两期或多期数据进行叠加，得到一个综合的图层。

16、再利用空间分析功能做一些空间统计分析或输出为表文件在统计软件中进行统计分析。,5.2 农用地分等定级,5.2.1 背景,农用地分等定级与估价是新一轮国土资源大调查“一项计划，五项工程”中土地资源调查监测工程的重要组成部分。自2002年起，农用地分等定级与估价工作陆续在各省、自治区、直辖市展开。,我国人多地少，人地关系紧张，如何以有限的农用土地资源保障我国新世纪的粮食安全以及经济建设的可持续发展？这是摆在全国人民面前的一道难题。除加强农用地保护的立法、执法工作以外，当务之急就是要查清我国农用地的家底（包括数量，质量以及空间分布状况），并建立全国性的农用土地动态监测计算机网络系统。农用地分等定级就

17、是依据构成农用土地质量稳定的自然条件和社会经济条件，按照规定的方法和程序进行的农用地质量综合评定。,农用地等级是衡量农用地质量的基本指标,是确定土地使用税、土地征用补偿及租赁等的重要依据。提高农用地分等定级的科学性、可靠性和客观性,是维护被征地农民切身利益、保障经济健康发展的重要基础工作,对贯彻落实科学发展观、解决好“三农”问题、构建和谐社会具有重要意义。,其评价的对象为行政区内可用于农耕用途的林地、草地、农田水利用地、养殖水面和宜农未耕地，但不包括自然保护区和土地利用规划中的永久性林地、永久性牧草地和永久性水域。,5.2.2 利用GIS的必要性,地理信息系统是集地理学、地图学、计算机科学、遥

18、感及管理科学等多学科交叉的产物。作为传统科学与现代技术相结合的产物，地理信息系统为各种涉及空间数据分析的学科提供了新的手段。地理信息系统不仅能够存储、组织空间数据和属性数据，更重要的功能是能够将图形数据和属性数据连接起来，进行空间查询和空间分析（包括空间检索、空间拓扑叠加分析，空间模型分析等），这些功能是传统的数据库系统所不具备的。,农用地分等涉及大量的专题地图要素及属性要素,基础数据的种类比较繁多、来源广泛、形式丰富多样，如若按照传统的手工作业方式不仅工作量大，而且有的工作简直就没有办法进行,例如要实现土地利用现状图、土壤图等图件的空间叠加就非常困难，而GIS具有优良的硬件环境，多功能的软件

19、模块，能客观地表达地理空间的数据模型，为各种涉及空间数据分析的学科提供了更为高效合理的手段。,GIS具有强大的空间数据和属性数据的处理能力，将GIS技术运用于农用地分等定级，不但可以减少大量烦琐的计算工作，而且可以大大提高分等的速度和准确度。,5.2.3 一些基本概念,农用地分等是在全国范围内，按照标准耕作制度，以指定作物的光温（气候）生产潜力为基础，通过对土地自然质量、土地利用水平、土地经济水平逐级订正，综合评定农用地等别。农用地定级是依据农用地自然属性和经济属性，对农用地的质量优劣进行综合、定量评定，并划分级别。农用地估价是指在正常条件下，相对估价日期，依据农用地的自然因素、社会经济因素和

20、特殊因素等，采用特定方法确定农用地所能够实现的价格。,5.2.4 技术路线,根据国家农用地分等规程规定，农用地分等的基本思路是根据不同标准耕作制度确定分等指标区各个分等因素的权重，编制分等因素指标区和指定作物的分等因素作用分值图，最后在当地光温(或)气候生产潜力的基础上，计算农用地自然质量等指数，在综合考虑当地的土地利用系数和土地经济系数后,确定农用地等指数，根据农用地等指数的大小，采用等间距划分法划分农用地等别。其计算方法：农用地等指数(G)=农用地自然质量等指数(R)土地利用系数(KL)土地经济系数(KC)。,主要工作内容,外业调查“平原指标区”范围设立标准样地挖土壤剖面、拍景观照片内业前

21、期 各基础图件矢量化（土壤图、质地图、pH图等）,基础属性数据的计算（存放在excel表中）。中期 绘制分等单元，填写属性分值，通过叠加计算各单元等别，完成数据库，生成等别图件。后期 选取定级因素，求取影响半径，计算因子、因素作用分值，依据农用地的自然因素、社会经济因素和特殊因素等，完成定级估价工作。,5.2.5 绘制分等单元,分等单元：是进行农用地分等定级的基本单元。分等单元的划分要遵循因素差异性原则、界限分隔原则、边界完整原则和相似性原则。方法叠置法 将坡度图、土壤图和土地利用现状图叠加，经拓扑处理后，经人工整理绘制出分等单元图。地块法在土地利用现状图上用明显的地物界线和权属界线，将农用地

22、分等因素相对均一的地块划分为同一单元。采用软件：ArcGIS、MapInfo、MapGIS等。,5.2.6 维护分等单元表结构,5.2.7 输入属性,方法：（1）手动录入（2）利用空间叠加分析输入（3）利用外部属性关联输入,（1）手动录入,（2）利用空间叠加分析输入以灌溉保证率为例,基本满足,充分满足,灌溉保证率专题图与分等单元图叠加,利用空间叠加分析，获得源专题图中的相应属性值，给分等单元对应属性赋值。,在MapInfo中的实现方法,灌溉保证率属性输入后结果,（3）利用外部属性关联输入,MapInfo与Excel表相关联的方法：前提是两个表要有一一对应的字段，且该字段在被关联表中为关键字段。

23、,分等单元图（mapInfo）,土壤属性表（Excel）,壤土,30-60,在MapInfo中先后打开这两张表；对于Excel表：,菜单“表”“更新列”，弹出对话框：,同时可填写各分等因素对应的分值。最后完成属性部分的输入。,5.2.8 计算自然质量分与自然指数,采用加权平均法,计算各分等评价单元内各指定作物的农用地自然质量分。计算公式:式中:为分等单元农用地自然质量分,为分等因素的权重,为分等单元编号,为指定作物编号,为分等因素编号,为分等单元数目,为指定作物的数目,为分等因素的数目。为第个分等单元第种指定作物第个分等因素的质量分。,研究区权重：,坡耕地0.27土层厚度+0.08土壤质地+0

24、.08有机质含量+0.04酸碱度+0.23地形坡度+0.2灌溉保证率+0.1岩石露头度平原耕地0.07土壤质地+0.06有机质含量+0.13盐渍化程度+0.04障碍层次+0.28灌溉保证率+0.2排水条件+0.09 酸碱度+0.06灌溉水源+0.07剖面构型,自然指数=自然质量分*（光温生产潜力指数+气候生产潜力指数）,菜单“表”“更新列”，弹出对话框：,5.2.9 计算利用指数和分等指数,自然指数*土地利用系数=利用指数利用指数*土地经济系数=分等指数根据各分值划分自然等别、利用等别和分等等别。自然等别为每150分划为一等利用等别和分等等别为每100分划为一等,5.2.10 完成数据库和生成

25、分等成果图件,生成14个数据库表文件，及相应属性数据库；按要求对图面进行整饰；在MapInfo中按比例生成各成果图件，比例尺为1：5万或1：10万。,导出表格,5.2.11 定级工作,农用地定级是依据农用地自然属性和经济属性，对农用地的质量优劣进行综合、定量评定，并划分级别。,选取定级因素：交通：交通通达度、道路长度、客流量、综合规模指数、影响半径、相对距离、实际距离、道路质量分等。市场：农贸中心影响度、交易额、上市人数、综合规模指数、影响半径、相对距离、实际距离、道路质量分等。其他,d,d,R,计算作用分值采用直线衰减方法,fi=Fi(1r)其中：fi为定级因素i对定级单元的作用分；Fi为该

26、定级因素的功能分；r为该定级因素到定级单元中心点的相对距离，即r=d/RdR.其中，d为定级因素对定级单元 中心点的实际距离；R为定级因素的 最大影响半径。,同心环缓冲区,装载“同心环缓冲区”工具。,选取某一对象，制作其同心环缓冲区，缓冲半径依实际情况而定。,评价单元总分值的计算,根据计算出的各因素作用分值和各因素的权重值，计算各评价单元总分值，即将各因素的作用分加权叠加。,绘制总分值分布频率图统计各评价单元总分值分布频率,以评价单元总分值为坐标,以每个分值出现的频率为坐标,在直角坐标系中绘制频率直方图,作为划分土地级别的依据。,评价单元总分值（X）,每个分值出现的频率（Y）,土地级别的初步划

27、分和土地级别边界线的确定,根据总分值分布频率图，选择频率曲线突变处为级间分界（上含下不含）。,24,34,45,68,输入各土地级别区段值,按该区段值绘制土地级别图，即对总分值处于同一区段值的网格用同一颜色表示；总分值处于不同区段的网格以不同的颜色绘制；并按等间距绘制单元总分值图。,各种定级成果图件的绘制、整饰和输出。,5.3 土地适宜性评价,5.3.1 土地适宜性评价概述,土地适宜性评价是根据土地的自然和社会经济属性，研究土地对某一现状用途或预定用途的适宜程度。（朱德举，1996）是进行土地利用总体规划以实现土地资源可持续利用的一项基本工作和重要内容（张子平等，2001）。,土地适宜性评价可

28、分为：单宜性评价(single suitability)双宜性评价(double suitability)多宜性评价(multisuitability),5.3.2 土地适宜性评价程序,土地适宜性评价流程图,5.3.3 广昌县土地适宜性评价,利用GIS软件SuperMap Deskpro，结合广昌县实际情况，对广昌县宜水田类、宜旱地类和宜园地类三种用地类型进行适宜性评价。,（1）评价单元获取,针对广昌县土地利用现状，评价单元的选择以土地利用现状图斑为主。,首先对广昌县1:5万土地利用现状图(纸制)扫描，转换成JPG格式的文件。利用SuperMap Deskpro 导入该格式的文件作为数字化地图

29、的底图，导入的同时对其配准，使它具有坐标值和控制点，方便今后的操作。对土地利用现状图斑进行矢量化，即获得本次土地适宜性评价所需要的评价单元。,（2）评价因子选择及权重确定,正确选择参评因子是科学地揭示土地质量差异的前提。针对广昌县的特点，并参考以往土地评价的经验，选择了坡度（Gradient）、土层厚度（Thickness）、水利条件（Irrigation）、有机质（Organic）、酸碱度（pH）、氮（N）、钾（K）、磷（P）、碱解氮（NOH）等9个因子为评价因子。各参评因子对不同土地用途的土地生产力有着不同的影响，应取不同的权重值来反映这种差异。参评因子权重值采用特尔斐法确定，即经过各方专

30、家打分，多次调整最后确定。,（3）建立评价单元属性库,统计资料、实地调查数据,文字资料,土地利用现状,评价单元所在图幅、乡镇、村、地形坡度和资源净面积,土壤分布图,土壤质地、耕层厚度、土层厚度指标,有机质分布图,有机质含量指标,酸碱度、速效磷、速效钾、碱解氮、氮等分布图,评价单元的pH 值、速效磷含量、速效钾含量、碱解氮和全氮的含量,水利条件水源状况指标,1:5万图件,以评价单元为单位,对所获取的资料进行量化处理,利用SuperMap Deskpro 首先修改广昌县评价单元图属性表结构，增加9 个评价因子字段。,根据所收集的评价资料在广昌县评价单元图上为每个评价单元图斑添加坡度、土层厚度、表层

31、质地、水利条件、酸碱度、磷、钾、氮、碱解氮、有机质等评价因子的属性信息，最终得到评价单元属性库。,（4）计算评价单元综合指标值,以加权指数和求得各评价单元的总分值，其表达式如下：根据所建立的土地适宜性评价模型评价各广昌县土地适宜性评价单元，计算每一参评因素的土地适宜性评价综合指标值。,Pi为单元总得分（指数和）Wj为各参评因子权重系数Aij为各参评因子得分,（5）土地评价图的生成,以综合指标值作出各个适宜等级的频率直方图，在直方图上找出其转折分界点，每种适宜类型分别找3 个值，划分四个等级：一等地为最适宜；二等地为一般适宜；三等地为勉强适宜；四等地为不适宜。,在SuperMap Deskpro

32、 中创建范围分段专题图根据SuperMap Deskpro 创建专题图向导，选择创建专题图的方法为“创建范围分段专题图”，在弹出的选择框中选择分段数量4，含入精度选0.01，输入各类土地利用类型适宜性评价等级界限值，并选择合适的颜色，系统就自动生成了一张适宜性评价图。,(6)广昌县土地适宜性评价结果分析,根据广昌县宜水田类、宜旱地类和宜园地类土地适宜性评价图及其分类面积统计表等评价结果分析看来:广昌县的水田高质量土地面积较多，应充分利用此土地资源，大面积种植水田。中部平原地区也较多，可以大面积的机械种植，减少人力，增加产量。而高质量的旱地面积较少，而且具有多宜性。小部分土地可以作为园地，种植些蔬菜之类的作物。,