CN113935658A - 一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法 - Google Patents

一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法,包括量化地形梯度、构建测评系统、原始数据采集与分析和生成评价结果四个步骤，通过从海拔、坡度、地形位等角度系统探讨山区土地利用地形分异特征及变化规律，并以行政单元构建土地利用垂直梯度指数，深入刻画土地利用垂直分异的局域特征，以期为区域土地资源优化配置提供科学支撑，继而根据实际地貌将待评价的土地区域的土地利用变化数据类型划分为多个类型，并采用Arcgis从DEM数据中提取海拔和坡度，并基于海拔和坡度生成地形位，从而能够提升数据的全面性。

Description

一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法
技术领域
本发明涉及土地利用变化评价技术领域，尤其涉及一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法。
背景技术
土地利用/覆被变化是表征人类活动对陆地表层自然生态系统影响的最直接信号，在全球环境变化过程中扮演重要角色，受到社会各界的广泛关注，复杂多变的地形特征直接影响着区域物质循环和能量流动，在一定程度上决定着土地利用方向与方式的空间异质性和多样性，探究不同地形条件下山区土地利用格局特征、演变过程与转移规律，辨识土地利用时空格局转变的关键驱动因素与作用过程，对山区国土空间管控策略及实现可持续发展目标意义重大；
目前学者已从国家、区域等尺度上就土地利用类型及转移方向的地形效应评价，土地利用地形分异形成机制以及动态模拟理论与方法进行了大量研究，但评价过程中，对于评价单元的选取、评价维度体系的选择、土地利用转移特征及评价模型的计算差异较大，可比性不足，且局域信息刻画不够，导致评价的准确性较低，因此本发明提出一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，该种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法通过从海拔、坡度、地形位等角度系统探讨山区土地利用地形分异特征及变化规律，来解决现有技术中评价准确性低的问题。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，包括以下步骤：
步骤一、量化地形梯度
首先，按照地貌划分标准和水土保持综合治理规划通则来分别划分待评价土地的海拔和坡度梯度，再依据划分的分级数目来对地形位指数进行等距划分，获得量化后的地形位梯度；
步骤二、构建测评系统
利用土地利用转移矩阵和单一土地利用动态度评价土地利用结构的时空变化状态，再基于地形分布指数来评价土地利用结构垂直分布特征，之后再借助土地利用垂直梯度指数评价土地利用结构垂直梯度局部特征，继而组成土地利用变化测评系统；
步骤三、原始数据采集与处理
先确定待评价的土地区域范围，并获取确定的土地区域范围的土地利用变化数据和DEM数据，之后分别对获取的土地利用变化数据和DEM数据进行数据处理，继而得到处理后的土地区域参数数据；
步骤四、生成评价结果
将步骤三中得到处理后的土地区域参数数据，利用步骤一中得到的量化后的地形位梯度进行地形梯度划分，再利用步骤二中构建的土地利用变化测评系统进行运算处理，并对待评价的土地区域范围进行土地利用变化及衡量土地利用变化垂直分布在空间上的局部相对差异评价，得到评价结果。
进一步改进在于：所述步骤一中，地形位梯度标准根据实际地形进行调整。
进一步改进在于：所述步骤二中，土地利用转移矩阵的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000031
式中，Sij表示研究时段初期i类土地到研究末期转为j类土地的面积，n为土地利用类型。
进一步改进在于：所述步骤二中，单一土地利用动态度的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000032
式中，Ub与Ua分别为研究时段末期与初期的土地利用面积，Tb-a为研究时间长度。
进一步改进在于：所述步骤二中，地形分布指数的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000033
式中,P为地形分布指数，Sie代表第e地形梯度下的第i类土地的面积，Si是第i类土地的面积，Se是全区第e地形梯度下的土地总面积，S是全区土地总面积。
进一步改进在于：所述步骤二中，土地利用垂直梯度指数的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000041
Figure BDA0003359854140000042
式中，
Figure BDA0003359854140000043
和
Figure BDA0003359854140000044
为土地利用梯度指数，i表示某一土地利用类型,
Figure BDA0003359854140000045
和
Figure BDA0003359854140000046
分别表示在研究时段内某一土地利用类型发生变化任意栅格所在的海拔和坡度，a和b分别表示研究的初期及末期，
Figure BDA0003359854140000047
和
Figure BDA0003359854140000048
分别表示该栅格单元所在县域单元内第类土地利用类型在研究初期的平均海拔和平均坡度。
进一步改进在于：所述步骤二中，借助土地利用垂直梯度指数评价土地利用结构垂直梯度局域特征具体为，基于土地利用垂直梯度指数，以县区尺度为研究单元分析土地利用变化垂直梯度的局部分布差异
进一步改进在于：所述步骤三中，根据实际地貌将土地利用变化数据划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。
进一步改进在于：所述步骤三中，利用Arcgis从DEM数据中提取海拔和坡度，并基于海拔和坡度生成地形位。
进一步改进在于：所述基于海拔和坡度生成地形位的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000049
式中，T为地形位，E为海拔，
Figure BDA00033598541400000410
为全区平均海拔，S为坡度，
Figure BDA00033598541400000411
为全区平均坡度。
本发明的有益效果为：该种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法通过从海拔、坡度、地形位等角度系统探讨山区土地利用地形分异特征及变化规律，并以行政单元构建土地利用垂直梯度指数，深入刻画土地利用垂直分异的局域特征，以期为区域土地资源优化配置提供科学支撑，继而根据实际地貌将待评价的土地区域的土地利用变化数据类型划分为多个类型，并采用Arcgis从DEM数据中提取海拔和坡度，并基于海拔和坡度生成地形位，从而能够提升数据的全面性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明步骤流程示意图。
图2是本发明总体流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1-2所示，本实施例提出了一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，包括以下步骤：
步骤一、量化地形梯度
首先，按照地貌划分标准和水土保持综合治理规划通则来分别划分待评价土地的海拔和坡度梯度，再依据划分的分级数目来对地形位指数进行等距划分，获得量化后的地形位梯度，所述步骤一中，地形位梯度标准根据实际地形进行调整，本实施例中，以太行山地区为例，将地形位梯度划分为6级，海拔梯度分别为<200m、200～500m、500～1000m、1000～1500m、1500～2000m、>2000m，坡度梯度分别为<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°，地形位梯度分别为<0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5、>2.5；
步骤二、构建测评系统
利用土地利用转移矩阵和单一土地利用动态度评价土地利用结构的时空变化状态，再基于地形分布指数来评价土地利用结构垂直分布特征，之后再借助土地利用垂直梯度指数评价土地利用结构垂直梯度局部特征，继而组成土地利用变化测评系统，所述步骤二中，土地利用转移矩阵的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000061
式中，Sij表示研究时段初期i类土地到研究末期转为j类土地的面积，n为土地利用类型，所述步骤二中，单一土地利用动态度的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000071
式中，Ub与Ua分别为研究时段末期与初期的土地利用面积，T为研究时间长度，所述步骤二中，地形分布指数的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000072
式中,P为地形分布指数，Sie代表第e地形梯度下的第i类土地的面积，Si是第i类土地的面积，Se是全区第e地形梯度下的土地总面积，S是全区土地总面积，所述步骤二中，土地利用垂直梯度指数的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000073
Figure BDA0003359854140000074
式中，
Figure BDA0003359854140000075
和
Figure BDA0003359854140000076
为土地利用梯度指数，i表示某一土地利用类型,
Figure BDA0003359854140000077
和
Figure BDA0003359854140000078
分别表示在研究时段内某一土地利用类型发生变化任意栅格所在的海拔和坡度，a和b分别表示研究的初期及末期，
Figure BDA0003359854140000079
和
Figure BDA00033598541400000710
分别表示该栅格单元所在县域单元内第类土地利用类型在研究初期的平均海拔和平均坡度，所述步骤二中，借助土地利用垂直梯度指数评价土地利用结构垂直梯度局域特征具体为，基于土地利用垂直梯度指数，以县区尺度为研究单元分析土地利用变化垂直梯度的局部分布差异；
步骤三、原始数据采集与处理
先确定待评价的土地区域范围，并获取确定的土地区域范围的土地利用变化数据和DEM数据，即获取太行山的2000年、2010年、2020年土地利用变化数据和DEM数据，之后分别对获取的土地利用变化数据和DEM数据进行数据处理，继而得到处理后的土地区域参数数据，所述步骤三中，根据实际地貌将土地利用变化数据划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，所述步骤三中，利用Arcgis从DEM数据中提取海拔和坡度，并基于海拔和坡度生成地形位，所述基于海拔和坡度生成地形位的计算公式为：
Figure BDA0003359854140000081
式中，T为地形位，E为海拔，
Figure BDA0003359854140000082
为全区平均海拔，S为坡度，
Figure BDA0003359854140000083
为全区平均坡度；
步骤四、生成评价结果
将步骤三中得到处理后的土地区域参数数据，利用步骤一中得到的量化后的地形位梯度进行地形梯度划分，再利用步骤二中构建的土地利用变化测评系统进行运算处理，并对待评价的土地区域范围进行土地利用变化及衡量土地利用变化垂直分布在空间上的局部相对差异评价，得到评价结果。
其中，步骤四中得到的评价结果，即是土地利用变化地形梯度效应评价结果，可得：2000-2020年太行山土地利用以林地和耕地为主，但各类型土地利用相互转移频繁，尤其表现在2010-2020年，建设用地、水域和未利用地面积显著增加，而耕地面积持续减少，多转为建设用地。林地面积不断增加，草地是林地的主要转入来源，也是其主要转出类型，耕地和建设用地在平原和低山分布面积最广，分布指数随海拔、坡度和地形位的增加而减小，在低海拔、缓坡和低地形位更有区位优势，耕地减少和建设用地增加区的垂直分布特征也呈现相对一致。林地和草地垂直分布呈单峰特征，林地增加和草地减少区的垂直分布特征存在明显阶段性，2010-2020年较2000-2010年向高海拔、陡坡和高地形位区域推进；水域面积则主要分布在丘陵、微坡以及地形位<1.0，在此区域水域增加远大于减少，各梯度分布指数差异较大，2000-2020年太行山山区新增耕地和建设用地向高海拔域坡度区域迁移，而林地趋于更低海拔和缓坡地区扩展，草地和水域空间差异较大，且不同时段相对异质性较强。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、量化地形梯度
首先，按照地貌划分标准和水土保持综合治理规划通则来分别划分待评价土地的海拔和坡度梯度，再依据划分的分级数目来对地形位指数进行等距划分，获得量化后的地形位梯度；
步骤二、构建测评系统
利用土地利用转移矩阵和单一土地利用动态度评价土地利用结构的时空变化状态，再基于地形分布指数来评价土地利用结构垂直分布特征，之后再借助土地利用垂直梯度指数评价土地利用结构垂直梯度局部特征，继而组成土地利用变化测评系统；
步骤三、原始数据采集与处理
先确定待评价的土地区域范围，并获取确定的土地区域范围的土地利用变化数据和DEM数据，之后分别对获取的土地利用变化数据和DEM数据进行数据处理，继而得到处理后的土地区域参数数据；
步骤四、生成评价结果
将步骤三中得到处理后的土地区域参数数据，利用步骤一中得到的量化后的地形位梯度进行地形梯度划分，再利用步骤二中构建的土地利用变化测评系统进行运算处理，并对待评价的土地区域范围进行土地利用变化及衡量土地利用变化垂直分布在空间上的局部相对差异评价，得到评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤一中，地形位梯度标准根据实际地形进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤二中，土地利用转移矩阵的计算公式为：
Figure FDA0003359854130000021
式中，Sij表示研究时段初期i类土地到研究末期转为j类土地的面积，n为土地利用类型。
4.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤二中，单一土地利用动态度的计算公式为：
Figure FDA0003359854130000022
式中，Ub与Ua分别为研究时段末期与初期的土地利用面积，Tb-a为研究时间长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤二中，地形分布指数的计算公式为：
Figure FDA0003359854130000023
式中,P为地形分布指数，Sie代表第e地形梯度下的第i类土地的面积，Si是第i类土地的面积，Se是全区第e地形梯度下的土地总面积，S是全区土地总面积。
6.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤二中，土地利用垂直梯度指数的计算公式为：
Figure FDA0003359854130000031
Figure FDA0003359854130000032
式中，
Figure FDA0003359854130000033
和
Figure FDA0003359854130000034
为土地利用梯度指数，i表示某一土地利用类型,
Figure FDA0003359854130000035
和
Figure FDA0003359854130000036
分别表示在研究时段内某一土地利用类型发生变化任意栅格所在的海拔和坡度，a和b分别表示研究的初期及末期，
Figure FDA0003359854130000037
和
Figure FDA0003359854130000038
分别表示该栅格单元所在县域单元内第类土地利用类型在研究初期的平均海拔和平均坡度。
7.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤二中，借助土地利用垂直梯度指数评价土地利用结构垂直梯度局域特征具体为，基于土地利用垂直梯度指数，以县区尺度为研究单元分析土地利用变化垂直梯度的局部分布差异。
8.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤三中，根据实际地貌将土地利用变化数据划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。
9.根据权利要求1所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述步骤三中，利用Arcgis从DEM数据中提取海拔和坡度，并基于海拔和坡度生成地形位。
10.根据权利要求9所述的一种基于地形梯度的山区土地利用变化评价方法，其特征在于：所述基于海拔和坡度生成地形位的计算公式为：
Figure FDA0003359854130000041
式中，T为地形位，E为海拔，
Figure FDA0003359854130000042
为全区平均海拔，S为坡度，
Figure FDA0003359854130000043
为全区平均坡度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114781928A (zh) * 2022-05-26 2022-07-22 中国科学院东北地理与农业生态研究所 表征土地利用类型转移强度的量化方法

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CN114781928A (zh) * 2022-05-26 2022-07-22 中国科学院东北地理与农业生态研究所 表征土地利用类型转移强度的量化方法

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