土地管理与制度改革 碴 情报 县域土地生态监测关键技术研究 王 千 (河北省国土资源if,1用规划院,石家庄050051) 摘要:近年来随着我国生态文明建设不断推进,土地生态已成为土地科学研究的热点。土地生态状况监 测属于基础性研究。本文在梳理已有研究成果的基础上,系统地提出了县域尺度土地生态状况监测5项关键技 术,重点对关键技术进行讨论分析,并进行了实证研究。结果显示,土地生态状况监测关键技术主要包括土地 生态状况监测指标选取和指标体系建立、监测数据提取、监测单元划分、监测流程等技术;从建成区总面积、 空间分布、人居生态环境等7个方面遴选出32项指标,构建了土地生态状况监测指标体系;土地生态状况监 测数据来源可分为直接数据来源和通过遥感数据及模型计算取得,对指标的数据获取方式进行了分析;监测单 元划分主要包括空间叠加、图斑一网格、行政区为单元、自然单元以及其他方式等划分方式;监测流程的核心 是对监测指标进行“比对”与实地验证。通过县域尺度土地生态状况监测关键技术的研究,以期为区域土地生 态监测提供思路,为区域土地生态调查与技术评估做好技术储备。 关键词:土地生态关键技术监测指标体系 土地具有生产、生活和生态等多功能性。土地生 本文在梳理相关资料的基础上,提出了县域尺度 态学是从生态学角度研究土地生态系统的组成要素、 土地生态状况监测的关键技术,即土地生态状况监测 结构、功能、空间分布、发展与演替规律,以及人为 指标选取和指标体系建立、监测数据提取、监测单元 影响与其机制的学科。1987年中国土地学会学术 划分、监测流程,并进行了实证研究,以期为区域土 年会上,将土地生态学列为土地科学的10个分支学 地生态监测提供思路,为区域土地生态调查与技术评 科之一;2003年出版了中国第一部《土地生态学》n ; 估提供支撑。 2004年谢俊奇指出土地生态学是土地科学的四大基 础科学。近年来随着我国生态文明建设不断推进,土 1监测指标选取 地生态已成为土地科学研究的热点。有学者[2 指出 目前我国土地生态研究处于探索阶段,对土地 中国土地生态学发展方向包括树立土地“能力提升” 生态状况研究不同学者选取指标有所不同。从获取的 和“功能发挥”、土地生态技术方法体系和土地生态 方式上,可划分为直接获取和利用综合模型获取,如 监测网络建设等方面。2015年《生态文明改革 有学者选取未利用地、林地、草地等各类生态用地数 总体方案》要求“完善覆盖全部国土空间的监测系统, 据作为指标私 ;也有学者利用遥感数据获取D-61,如 动态监测国土空间变化”,目前土地生态研究主要集 利用遥感数据获得NDVI指数、生物量指数等指标; 中在研究方面,而对监测研究较少。 通过模型综合计算获取,如生态服务价值、生态环境 基金项目:土地生态因子遥感监测与信息提取项目 收稿日期:2017—9—14 作者简介:王千(1981一),男,博士,高级工程师,主要从事土地利用与土地评价工作。Email:luccnju@163.conr。 圈《2018年第3期 旋 情报 状况指数等。从系统理论角度看,可以从土地生态组 成要素、土地生态功能、土地生态结构、土地生态影 响等4个方面进行指标选取。土地生态组成要素指标 土地管理与制度改革 进而为土地生态调查与技术评估提供技术保障,由于 可供参考的文献较少,指标选取主要遵循以下原则: ①目标性原则,不同于生态安全评价,本研究在选取 指标时主要是以区域土地生态状况监测为目标,为 土地生态调查服务;②可获性与客观性原则,指标 选取尽量选取易于获得的指标,如从土地利用变更 主要包括建设用地面积、草地面积、坡度等,要素类 指标一般依据土地利用现状分类从土地利用现状中获 得。土地生态功能指标,包括人均粮食产量、人均林 草地面积、人口密度、人均建设用地面积等指标[. , 这类指标主要从土地利用功能角度表征了土地利用生 态状况。土地生态结构指标主要包括耕地面积比重、 调查、土地利用总体规划等已有成果中选取,同时 选取客观指标,如选取权威数据、利用遥感数据; ③整体性与重点性原则,在进行指标选取时尽量涉及 整个区域,不仅包括城市用地还包括耕地和未利用地, 重点关注城市绿地、耕地等。根据以上原则,在综合 已有研究成果的基础上,从建成区总面积及空间分布、 人居生态环境等7个方面选取32项指标,构建指标 土地利用结构多样性、自然保护区面积比重以及各类 景观生态指标等,主要从结构比例角度表征生态状况。 土地生态影响指标主要包括自然灾害成灾率、土地资 源安全保护等,主要从影响土地生态利用的角度 进行选取[9-1o]。 体系(表l,表2)。 本文主要以县域尺度土地生态状况监测为目标, 表1 县域尺度土地生态状况监测指标体系 圈黧 建成区总面积及空间分布 建成区总面积及空间分布 人工建筑总面积及空间分布 非渗透地表面积及分布 道路总面积及空间分布 城市绿地面积及分布 人居生态环境 豳 统计分析 城镇地籍调查数据 lOre以上分辨率遥感影像 目视解译+统计分析 水体面积 城市绿化覆盖率 城市平均温度 Landsat遥感影像 遥感反演+统计分析 耕地面积及空间分布 建设用地面积及空间分布 县域尺度 状况监测 林地面积及空间分布 土地生态 各土地利用类型面积与分布 草地面积及空间分布 交通用地面积及空间分布 水利与水利设施面积空间分布 其他用地面积及空间分布 耕地集中连片度(破碎度) 农田防护林网密度 土地利用变更调查数据 统计分析 沟渠密度 耕地数量质量特征 农田道路通达性 耕地灌溉保证程度 有效土层厚度 表层土壤质地 耕地质量等别更新成果数据 统计分析 2018年第3期》田 土地管理与制度改革 阎 碴 情报 豳 剖面构型 躲罐爨疆墨疆醴霸龆疆蛐 嘲暖 圜豳豳豳麓豳 盐渍化程度 耕地数量质量特征 土壤有机质含量 地形坡度 翻 麓 统计分析 耕地质量等别更新成果数据 县域尺度 土地生态 状况监测 植被指数 绿度 植被状况及生态服务功能 植被覆盖度 生物量 Landsat TM/OLI影像 遥感反演+统计分析 叶面积指数 耕地后备资源数量及分布 耕地潜力及风险 耕地后备资源调查数据 统计分析 后备耕地资源立地条件 2监测数据提取 通过指标进行分析可知,数据来源可分为直接数 据来源和通过遥感数据及模型计算取得(见表I)。 表2县域尺度土地生态状况监测部分指标及内涵 豳豳 建成区总面积及空间分布 在市行政区范围内经过征用的土地和实际建设发展起来的非农业生产建设用地 人工建筑总面积及空间分布 对照遥感影像及土地利用数据库,进行实地查看,将建成区范围内的人工建筑类型按用途划分为住宅、 工业、商服、公共、交通设施及其他6大类 道路总面积及空间分布 道路总面积及空间分布,利用遥感数据获取城市建成区范围内的道路,包括铁路和公路 城市绿地面积及分布 水体面积 城市绿化覆盖率 城市平均温度 耕地集中连片度(破碎度) 利用遥感数据获取城市建成区范围内的城市绿地信息、公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地等 水体面积,城市建成区范围内的水体信息、河流水面、坑塘水面、内陆滩涂、沟渠 城市绿化覆盖率,城市绿化覆盖率是城市各类型绿地合计面积占城市总面积的比率 城市平均温度,利用遥感数据结合地表温度反演单窗算法得到 耕地集中连片度(破碎度),应用ArcGIS结合fragstas软件,选择斑块密度、斑块平均面积、斑块形状破 碎化指数、聚集度指数和斑块结合度等5个指数,计算耕地集中连片度(破碎度) 农田防护林网密度,提取市(县)整体范围内的农田防护林网密度 沟渠密度,沟渠面积与耕地面积的比值,其中基于土地利用变更调查数据提取沟渠和耕地矢量图层 绿度,绿度GDVI反演模型 农田防护林网密度 沟渠密度 绿度 植被覆盖度 生物量 叶面积指数 植被指数,利用遥感数据测算植被指数NDVI进行表征 生物量,应用样地清查法与遥感信息结合进行 叶面积指数通过统计模型获取 耕地后备资源数量及分布 后备耕地资源立地条件 耕地后备资源数量及分布,对耕地后备资源调查数据进行统计得到耕地后备资源数量及分布 主要包括土壤污染状况、排水条件、土层厚度和母质条件、地形坡度、盐渍化程度、土壤质地、土壤pH值等, 通过调查、统计获取 am《2018年第3期 疆 情报 ●’———— ·土地管理与制度改革 以“城IfJ"绿地 积及分布”指标为例,主要技 提取建成 范罔I大】的人r建筑』{j地;⑧指标提取,对 术流程与方法为:利川遥感影像为数据源,采川人机 交互的方法,分析遥感影像的纹理、色州、位置、形 状、范同和1:地 ̄i]tN类型等特征,参号 L地利用数据 怍,提取建成 池川内人工建筑信息具体过程如下: ①数据源,l0rn以上审问分辨率影像及建成 矢量边 ;②建立解滢标志(丧3),采川人机交瓦的方法 lOm以j 问分辨率的影像进行止射纠 ,,Ii成县级 iJ_.政 .元DOM,按照建成 边界对DOM进fi7 ̄tt,)7. 得到建成I (范闱正射影像 ,埘影像进行预处 ,建 城『f 绿地解译标志,提取…城市建成 范… 的城 『H绿地信息,得到 域绿地面积数据、卒间分 ④数据实地验证与检验 况; 表3城市绿地解译标志 地物类型 解译标志 示例 公园绿地 分影街 头像特绿半 地:2:和.O为河m 供滨群绿众地游.感f 脱于赏城的,is各—f,类较公平坦吲地、陵 阔, 、浅动绿物 色、尤椭明物 旧条、纹游 同、 躜 ; ■ 数据源:O2C ■ ■圈叠i 数据源:IK(iN(iS 乍产绿地 仡 、种子的 JI{il、化嗣、 。同等,位 . 规【『llj条纹状 于地面较平卅的地方.包凋均一 !墨绿色,纹理较 荐; F 。‘ 城市绿化提供 小 防护绿地 数 源:W、_3 分晰率:O,5111 影像特 :色调均 ,一般化_h苴路附近 呈鳆绿色.宽度1 小j:5m 附属绿地 数据源: 、 3 分晰半:0.5m 影像特征:似于建筑物附近地势平灿i 域.呈均-绿色,无ilJJ{ 条纹 I3监测单元 进行县域 度土地生态状况监测.f}f 数据源、 洲 7亡;② 斑一网格力 ,根据监洲指标、数据源 特点 .分圳确定各指抓卞lj 的数据单元, 耕地 fjl 监测指标不 ,: 测单元划分存在筹 监测单儿划 等指标可以直接从土J ̄4qittJ变 渊鸯数据库Ill获取的 分可以采用的力 包括… :①空 叠加方式,在分 别计算各监测指标的基础卜,利H】GIS软件生成不同 指标的监测 层.将 同图层数据进行叠加,得到监 采用同斑作为单元,刈 -r遥感数据根据其分}jIJ牢或 通过划分网格的方式划分单元;③行政 为 几力‘ 式,根据指标特征可以果州县、乡、村等行政Ix:怍 201 8年第3期 团 土地管理与制度改革 为评价单元,进行监测分析.以行政单元进行监测, 在一定程度上有助于宏观指标获取的完整性,同时也 瑷 情报 生态系统等作为监测单元;⑤其他方式,如利用数据 模型计算得到各指标数值的突变点,作为划分单元的 依据(表4)。 有助于行政管理;④自然单元方式,为了保持完整性 可以采用自然单元,如微地貌、微观尺度的局地土地 表4监测单元确定方式 监测单元 空间叠加 。÷“ 叠确定方法 f}}助GIS技术进行对图层叠加 。一 优缺点 ‘ 技术易于实现,易产生碎化单元 图斑一网格 行政区 从数据库『f】获取 采用行政区边界为评价单元 A接获取,较为便捷,要与其他单元 凋 数据、空问较为完整 自然单元 其他 划分具有明 异质的空问 利用模型得到指标数值突变点划分 元 元边界较难确定 元数量与突变点有炎 4监测流程 县域尺度土地生态状况监测主要根据“比对”原 理,对不同监测时间点的指标进行数理统计与对比分 析 以某县2010年和2015年作为监测时间点,区域 “耕地集中连片度(破碎度)”监测为例:①首先从 土地利用变更调查数据提取耕地罔层;②确定监测相 关指标,斑块密度(PD)、斑块平均面积(MPS) 行地表温度反演,结果见图1。 ’ 一 及斑块形状破碎化指数(FS)表征耕地破碎度,聚集 确 掣缔一 。 度指数(AI)和斑块结合度指数(COHESION)表征 耕地连片度06];③对耕地集中连片度(破碎度)指 标进行对比分析,见表5。 图1 不同监测时点城市平均温度 在此基础上,进行2010年和2015年城市建成区 表5 2010年和2015年某监测区域耕地集中 连片度(破碎度)对比 地表温度监测分析,如可以利用ArcGIS软件巾相交 功能,将不同监测时点的图形进行对比分析,也可以 裁剪出重点地区进行专题分析。 捞 |ll一 ||t 指标值 2010年 2015年 l3.76 斑块密度(PD)/(个/100ha) l3.29 斑块平均面积(MPS)/ha 斑块形状破碎化指数(FS ) 斑块形状破碎化指数(FS ) 聚集度指数(A1)/% 斑块结合度指数(COHESION)/% 7.52 0.45 0.74 96.68 99.16 7.27 0.45 0.73 96.63 99.12 5结论与讨论 土地生态研究是土地科学、地理科学研究的重 点,目前我国土地生态研究在理论与实践上都处于探 索阶段,尤其区域土地生态状况监测方面研究更少见。 《同土资源信息化“十三五”规划》提出“建立全覆 同上,对于“城市平均温度”指标,应用单窗算 法对监测城市建成区进行地表温度反演 】,应用两 通道劈裂窗算法对2010年和2015年的城市建成 进 盖全天候的国土资源调查监测及监管体系”“深入推 进土地调查评价信息化,全面快速掌握土地资源资产 和国土空间开发利用状况”,《生态文明改革总 圈《201 8年第3期 旋 情报 体方案》要求“完善覆盖全部国土空间的监测系统, 动态监测国土空间变化”,这些对土地生态监测提出 了要求。为进一步完善我国国土资源调查监测及监管 体系,为我国开展区域土地生态调查与技术评估做好 技术储备,本文开展了区域土地生态状况监测基础研 究,重点进行了县域尺度土地生态状况监测关键技术 研究,主要结论如下: (1)提炼出县域土地生态状况监测五项关键 技术,即土地生态状况监测指标选取和指标体系建 立、监测数据提取、监测单元划分、监测流程等关键 技术。 (2)构建了土地生态状况监测指标体系,从建 成区总面积及空间分布、非渗透地表面积及分布、人 居生态环境、各土地利用类型面积与分布、耕地数量 质量特征、植被状况及生态服务功能、耕地潜力及风 险等7个方面选取32个指标,构建了土地生态状况 监测指标体系。 (3)分析了数据来源,土地生态状况监测数据 来源可分为直接数据来源和通过遥感数据及模型计算 取得,本文对重点指标的获取方式进行了探讨,以“城 市绿地面积及分布指标”为例进行了实证研究。 (4)监测单元划分可采用五种方式进行,即空 间叠加方式、图斑一网格方式、行政区为单元方式、 自然单元方式和其他方式。空间叠加方式指在计算各 指标的基础上,将不同图层数据进行叠加,进而得到 监测单元;图斑一网格方式采取土地利用变更调查数 据图斑作为单元,对于遥感数据根据其来源划分网格。 还可以行政区为单元,以自然单元和其他方式划分监 测单元。 (5)梳理了监测流程与方法,县域尺度土地生 态状况监测流程主要依据“比对”原理,对不同监测 时间点的指标进行数理统计与对比分析。可以进行单 指标监测,也可以进行综合监测。以区域“耕地集中 连片度(破碎度)”监测为例进行了研究。 土地生态状况监测研究还处于探索阶段,在实际 工作中,应将指标选取与区域经济社会自然特征情况 土地管理与制度改革 相结合,还要考虑监测时间、数据获取等,同时可以 与土地利用总体规划、土地利用变更调查相结合进行 综合考量。 参考文献 【1】吴次芳,徐保根.土地生态学[M】.北京:中国大地出版社, 2003. 【2】郭旭东,谢俊奇.中IN+地生态学的基本问题、研究进展与 发展建议[J].中国土地科学,2008,22(01):5-9. 【3】李春燕,南灵.陕西省土地生态安全动态评价及障碍因子诊 断[J].中IN+地科学,2015,29(04):72-81. 【4】李玉平,蔡运龙.河北省土地生态安全评价[J】.北京大学学 报(自然科学版),2007,43(06):784—788. 【5】徐美,朱翔,刘春腊.基于RBF的湖南省土地生态安全动 态预警[J]_地理学报,2012,67(01):1412—1418. 【6]李进涛,李贻学,巩玉玲,等.基于ID R ISI的山东省土地 生态安全评价研究[J].中国人口·资源与环境,2012,24(11):190—193. 【7】张建辉,吴忠勇,王文杰,等.生态监测指标选择一般过程 探讨[J]_中国环境监测,1996,16(04):4—8. 【8】孙奇奇,宋戈,齐美玲.基于主成分分析的哈尔滨市土地生 态安全评价[J].水土保持研究,2012,19(01):234—238. 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(下转第50页) 2018年第3期》圄 土地管理与制度改革 赁 情报 Study on Temporal and Spatial Variation of Cultivated Land Pressure in Jilin Province LIU Chuncheng,ZHAI Tengteng (School of Geography and Tourism,aufu Normal University,Shandong 276826,China) Abstract:Based on the statistical data of cultivated land area,grain yield and population in 2005—201 5 counties of Jilin Province,the temporal and spatial variation of cultivated land pressure in Jilin county was analyzed.The results showed that the overall cultivated land pressure in Jilin decreased from 0.36 in 2005 to O.27 in 2015,and the continuous growth of grain output was the main factor for the continuous decline of cultivated land pressure index,and the situation of ood fsecuriy twas getting better.With the spatial pattern of East West High low‘'pressure of cultivated land in Jilin Province, rom f2005 to 2015 the county cultivated land pressure decreases 12,increase the pressure ofcultivated land 36,reduce the pressure of cultivated land areas are mainly concentrated in the surrounding area of Jilin Ci and Yanji ciy and tthe surrounding area,cultivated land pressure increase accounted for most.In 2005,2010 and 2015 land pressure type L—L areas are mainly concentrated in the northwest of Jilin Province,cultivated land pressure H—H region is mainly concentrated in the southeast region of Jilin Province,cultivated land pressure type L—H areas are mainly concentrated in the western region of Jilin province.The results provide important reference for the future grain production and cultivated land protection in Jilin. Keywords:Food securiy;Culttivated land pressre;Temporual and spatial change;Jilin province (上接第39页) Study on Key Technologies of Land Ecological Monitoring in the County Areas WANG Qian (Hebei ProvinciaZ Institute ofLand and Resources Utilization,Hebei 050051,China) Abstract:Inrecentyears,withthe continuous developmentofChina’s ecological civilization construction,landecology has become a hot spot of land science research.The land ecological monitoring belongs to the basic research.Based on sorting out the existing research findings,this paper has systematically put forward 5 key technologies of land ecological monitoring in the county dimensions,focusing on the discussion and analysis of key technologies and carrying out an empirical study.The research results have shown that the key technologies for the land ecological monitoring mainly include the selection of indicators and the establishment of the index system for the land ecological monitoring,the extractiOn of the monitoring data,the division of the monitoring units and the process monitoring technology.32 indicators have been carefully selected from the following 7 aspects:The total established areas,spatial distribution, the habitat ecological environment,Building the index system for the land ecological monitoring.The land ecological monitoring data sources can be divided into direct data sources and the sources from the remote sensing data and model calculation.The paper has analyzed he modes of tdata acquisition of the indicators.The division of the monitoring units mainly includes spatial overlay,figure spot and grid,dividing units based on the administrative areas,the natural units for division and other ways of division.The key to the monitoring process is to“compare and contrast the monitoring indicators and conduct an on.site veriication.The stfudy on the key technologies of land ecological monitoring at the county dimensions is expected to provide guidance orf the regional land ecological monitoring and provide the technical back up for he regitonal 1and ecological investigation and he technitcal assessment. Keywords:Land ecology;Key technology;Monitoring;Index system 囫《2018年第3期