GIS技术下的兰州生态系统稳定指数分布研究

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
区域生态安全便是此项研究的重要领域之一，区域生态安全评价可以为某地区的生态环境管理、决策和建设提供科学的依据。目前，在我国区域生态安全问题已经上升到了决定该地区经济、社会和自然状况发展的高度，所以在国家倡导区域和国家可持续发展及建立人与自然和谐发展与环境友好型社会的大背景下，通过建立区域生态安全体系和进行相关领域的科学研究为该领域提供重要的技术保证。近年来，在经济持续快速增长的背景下，生态环境问题也发生了深刻变化。随着几十年来更加剧烈的人类活动和不合理的发展，世界各地许多国家和地区都面临着生态环境恶化的情况，生态安全引起的问题频繁发生。我国作为最大的发展中国家也面临着生态环境恶化的情况，生态环境在快速的社会经济飞速发展进程中面临着非常严峻的形势。主要表现在：一、水土流失严重，荒漠化加剧，耕地面积减少；目前，在我国有将近 367km2水土流失面积，约占整个国土面积的 38%；二、湖泊退化，水污染严重，河流枯竭加速；三、环境污染，有毒的化学物质、生物激素对人体健康造成影响；四，物种的灭绝，食物链断裂对生态环境安全造成极大的威胁。在我国，因为自然灾害和环境污染所造成的经济损失占每年国内 GDP 的 8.5%～10%，最严重时可达到当年 GDP 的14%[1]。综上所述，中国的生态安全局势已经制约了经济社会的可持续发展。关注中国的生态安全,使我国的生态安全得到保障已经成为一项紧迫的任务。
1.1.2 研究意义
目前，城市的快速发展虽然对人类的生活方式提供了便利并且创造了巨大的财富，但是满足人类需求的同时，生态环境问题也十分严重，威胁着城市的生态安全。了解城市生态安全状况以及城市未来的发展趋势，成为城市生态环境问题需要解决的前提，这是维持城市的可持续发展能力和生态系统结构和功能完整性的基础[2-3]。随着“再造兰州”战略的提出，兰州新区未来几年将迎来大发展时期。其核心目标是“引领兰白经济区形成区域核心，带动兰白两地区全面发展，满足国家战略在西部地区的战略意图。使兰西地区与关中—天水地区、成渝地区等共同成为国家实施西部发展战略的重要平台。”因此，在未来几年随着经济发展和人口的不断增加势必会对新区的生态环境构成威胁，所以，对兰州新区生态安全现状进行评价，因地制宜的应对生态威胁，对于兰州新区的生态环境保护，生态安全建设都具有一定的指导意义。

1.2 生态安全
1.2.1 生态安全概念
早在 20 世界 70 年代生态安全的概念就已经被提出来，但是由于其内涵的丰富性与复杂性，以及人们对生态安全相关知识和内容的研究尚不够深入，因此各国一直未能形成一个统一而又普遍接受的定义。就一般情况来讲，生态安全通常是指生态系统是否健康和完整。在时间上能够保证生态系统的结构和自治，以及保持对外界干扰的恢复能力，这样的生态系统是健康、稳定和可持续的；功能不全或者无法维持自身的组织结构和自我恢复能力，其安全状况处于外界威胁之中，这样的生态系统是不健康的[4]。生态系统可分为自然生态系统、人工生态系统和自然—人工复合生态系统，各自对生态系统的安全都有它们自己的保障体系[5]。从范围的大小也可将生态系统分为全球生态系统、区域生态系统和微观生态系统等层次。
从生态学的角度来看，一个安全、稳定的生态系统在一定的时间、空间尺度内能够维持其自身的组织，也有其自身对外界干扰的恢复能力，即它不仅能满足人类社会在不断发展中对资源环境的需求，而且在生态环境意义上也是健康的。随着人口压力的增大和社会经济的不断发展，自然环境的承载力应对人类活动有不小的压力，人地的矛盾也在不断地加剧。尽管世界各国在生态环境建设上已取得不小成就，但并未能从根本上扭转环境逆向演化的趋势；每年世界各地所引发的自然灾害和生态灾难并没有得到减缓，全球气候变暖、冰川融化、臭氧层变薄等问题愈演愈烈，这些灾害无时无刻不在对我们人类自身以及所生存的环境敲响警钟。
因此，不管作为个人、集体，还是作为区域、国家甚至整个世界的生态安全，都面临着生态环境的威胁。生态安全与国家安全、经济安全以及人类社会稳定地发展等都具有同等重要的战略地位，这些方面在国家安全、区域安全的研究中已成为不可或缺的重要内容。如今，人与自然的和谐发展、全球及区域性的生态安全等已成为整个国际社会和人类的普遍共识。
 
   1.3 RS 与 GIS 概述 .......................11-12
    1.4 生态安全研究进展及趋势 .......................12-15
    1.5 研究思路、内容及技术路线 .......................15-18
第二章 研究区概况与数据准备 .......................18-23
    2.1 地理位置 .......................18
    2.2 自然条件 .......................18-19
    2.3 数据源与预处理 .......................19-23
        2.3.1 TM/ETM+数据的特点 .......................19-20
        2.3.2 数据源 .......................20-21
        2.3.3 相关软件的选择 .......................21-23
第三章 兰州新区土地利用信息提取 .......................23-32
    3.1 遥感影像分类的概念与分类技术 .......................23-24
        3.1.1 影像分类基本概念 .......................23
        3.1.2 影像分类的技术方法 .......................23-24
    3.2 地物类型的确定 .......................24-25
    3.3 基于 SVM 的遥感信息提取 .......................25-32
第四章 生态安全评价模型 .......................32-41
    4.1 评价模型建立 .......................32-33
    4.2 各指数的涵义及计算方法 .......................33-36
    4.3 所用的技术方法 .......................36-41
        4.3.1 空间插值技术 .......................36-38
        4.3.2 熵权系数法 .......................38-40
        4.3.3 缨帽变换 .......................40-41
第五章 面向地块的兰州新区生态安全综合评价 .......................41-57
    5.1 区域自然背景指数 .......................41-44
        5.1.1 土壤指数 .......................41-42
        5.1.2 干湿指数 .......................42-43
        5.1.3 自然背景指数计算 .......................43-44
    5.2 人为干扰指数 .......................44-46
    5.3 景观结构指数 .......................46-50
    5.4 生态系统稳定性指数 .......................50-52
    5.5 生态安全综合评价 .......................52-57

结论

本文通过应用SVM监督分类的方法对兰州新区的遥感影像图进行分类，划分了耕地、草地、林地、建设用地、水域和未利用地 6 种土地利用类型。依据宏观生态学、现代自然地理学、景观生态学等理论和方法，运用 RS/GIS技术，分别提取了项目区自然背景指数、景观结构指数、生态系统稳定性指数和外界人为干扰指数；并以此构建区域生态安全评价模型，计算出项目区生态安全指数分布情况。主要结论如下：
(1)兰州新区自然背景指数体现为北高南低，中部区域的自然背景指数也相对较高。由于项目区的土壤类型较少，其空间分布简单，所以区域自然背景指数的分布与干湿指数的分布情况较为类似。
(2)兰州新区的景观结构指数分布差异较大，其中中部地区的景观结构最差、西北部、西南部分地区以及东北部分地区的景观结构较好。
(3)兰州新区的生态稳定性分布较为规律，四周周边地区的稳定性相对较好，中部地区主要是耕地和居民地，其稳定性相对较低。主要是这两部分区域影响着项目区的生态稳定性。
(4)新区的人为干扰指数分布较为复杂，东北部分地区和西南部分地区的人为干扰相对较弱，中部地区地人为干扰较强。
(5)综合上述分析结果，得出兰州新区的生态安全综合指数分布，其中四周的未利用地以及西南部分地区的少许林地这些区域的生态安全指数较高；中部及中北部地区安全指数较低，这些地区主要是耕地以及建设用地，人为干扰较强、恢复力较弱，因此安全指数较低。

参考文献

[1] 曹伟.城市生态安全导论[M].北京:中国建筑工业出版社,2004:15-16.
[2] 张浩,马蔚纯,Ho H onghing.基于 LUCC 的城市生态安全研究进展[J].生态学报,2007,27(5):2109-2117.
[3] 龚建洲,夏北成,陈健飞.快速城市化区域生态安全的空间模糊综合评价—以广州市为例[J].生态学报,2008,28(10):4993.
[4] 赵春容.山地城市生态安全评价指标体系理论探讨——以绵阳市为例[D].重庆大学硕士论文,2009.
[5] 李绮华.基于生态安全的生态旅游资源开发研究[D].厦门大学硕士论文,2008.
[6] 国家发改委宏观经济研究院“宏观经济政策动态跟踪”课题组,丁丁,等.对生态安全的全面解读[J].经济研究参考.2007,13.
[7] 邬伦等.地理信息系统—原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2000.
[8] 王虹.基于 RS、GIS 的资源与生态环境动态监测—以内蒙古阿鲁科尔沁旗为例[D].山东科技大学硕士论文,2004.
[9] 黄万宽,等.遥感资源在矿产资源开发预测中的研究[J].中国高新技术企业,2009.
[10] 陈述彭,等.地理信息系统导论[M],北京:科学出版社,2001.