文摘

土地利用及其环境影响可以定量表示土地利用强度。在这项研究中,土地利用强度指标提高使用地理映射方法。观察到的土地利用快速变化之间的关系和温度在洞庭湖地区从2001年到2010年被检查。结果显示以下特性:(1)温度增加时,土地利用强度增加通过层次过渡由于草地和林地减少26.25%和11.74%,分别;建设用地增加了48.45%。(2)温度升高是由外部环境比由土地利用强度变化。人类活动产生更大的影响西部地区比东部和中部地区的研究区域,根据观测到的重力的中心温度变化和土地利用强度。(3)土地利用强度变化的温度响应更敏感比在高海拔地区低空领域;响应了南北梯度,可能由于社会经济和城市化差异。

1。介绍

随着社会和经济的快速发展,人类活动的影响的地表温度(LST)加剧了。土地利用强度可以传达人类活动的强度和提供依据讨论土地利用和环境变化之间的关系1]。土地利用强度的改变可以被视为一个扩展的土地利用/覆盖变化(LUCC) [2]。这些变化不仅影响土地覆盖还政策措施(3),如调整土地利用结构(4),调节城市扩张,或优化经济结构5]。这些变化影响环境因素,如LST (6]。因此,表面温度可能会影响土地利用的变化和强度。

目前,表面温度之间的关系和土地利用强度是很难确定的,因为土地使用强度的定量表达式是复杂的。许多研究应用土地使用面积(7),景观指数(8),或特定的质量控制指标,如供水、排水、强度的受精,用水量,或能源消耗9- - - - - -11];然而,这些指标无法体现人类活动对土地利用环境的影响。我们的研究定义了土地使用强度根据“研究中国土地利用遥感时空信息”,旨在提高土地利用强度的定量表达式使用GIS制图方法。这种新方法可能更合理地解释土地利用强度和表面温度的变化之间的关系。

我们的研究时期从2001年到2011年,全球气温大大改变了(12,13]。很多研究表明这一时期的象征的温度上升。福斯特和拉姆斯托夫(14)认为这段时期是最快速的全球气温上升。所罗门和纽曼15)强调和大气循环热在这个时期加速海洋变暖。秋天et al。16期间]发现土地利用和覆盖变化导致更大的变暖与温室气体。此外,研究洞庭湖周边地区,这是中国第二大内陆湖泊,中心是一个国家农业经济的发展。由于经济发展和社会活动的影响,表面温度的强烈影响土地利用的变化。

因此,我们的研究目标如下:确定时空差异表面温度变化和土地利用强度在洞庭湖区域,确定景观和重力之间的内在联系和带状macroenvironment的变化,揭示土地利用强度之间的关系和地表温度从地理的角度来看。结果可能导致生态环境的改善,并提供一个参考rational湖区的土地使用政策。

2。材料和方法

2.1。研究区域

洞庭湖地区(28°03′-30°20′N, 110°40′-113°30′E),位于中国中部(图1),包括大约21000公里²。洞庭湖是中国第二大淡水湖,被列为世界上最大量的湿地之一。湖分为东部、中部和西部地区,由三个城市(岳阳、益阳、常德、职责)。年平均气温16.6 - -17.6°C;温度大约4.5°C 1月和7月30°C。平均年降水量1303毫米。大约有1663万人生活在该地区(湖南人口的23.5%)。主要地形是平原和湖泊,有丰富的自然资源。洞庭湖地区是中国重要的经济生产领域。近年来经济迅速发展。 In 2000, the urbanisation rate was 19%, and the regional GDP was 14.5 billion dollars. However, in 2011, the urbanisation rate increased to 38%, and the regional GDP was 56.3 billion dollar. The ratio of the industry, agriculture, and service sectors was 19 : 45 : 36. Agriculture has always played an important role in the district’s economy.

2.2。数据源和预处理

土地使用的数据来自LANDSAT5/7 TM / ETM +图像,而从中国的国际科学数据服务平台下载(http://www.gscloud.cn/)。数据获得了2001年和2011年的夏季,这对应于气候正常时期。图像预处理与辐射校正、几何校正,消除条纹。根据国家级土地利用和覆盖分类系统(17),土地使用监督与分层分类决策树分类方法(18]。最初,土地分为十三个土地使用类型:旱地、水田、高覆盖率的森林土地,信号低森林土地、高覆盖率草原,moderate-coverage草原,信号低草原、湖泊、河流、水库、城市土地,农村住宅用地,沙子和其他土地。然后,数据被合并进6个一流的类型(II级水平我):耕地、林地、建设用地、草地、水体、土地闲置(表1)。分类精度评估使用土地利用现状图从2006年达到83.5%。

2.3。优化土地使用强度的表达式

土地利用强度根据土地利用类型而异。此外,共识(19)建设用地强度最高,其次是森林土地、草地、水域和未利用土地。因此,土地利用强度分为四个年级,每个年级(表被分配一个值2)。理想四个州的土地等级表1;然而,四个州是不均匀地混合在同一区域。使用等级,土地利用强度形成一个连续分布范围从1到4的综合指数。为方便地理计算,乘以100的值;因此,土地利用强度相当于韦弗指数。

土地使用的表达强度如表所示2:

Lindex是综合指数的土地利用强度,土地利用的分类指数吗年级,土地利用强度的百分比吗th级,土地利用强度的分类数量,。

一个表达式基于地理辐射单元(图2)开发。权重系数主要是向外辐射的基本单位和。半径是一个单位,和和代表该地区的平均土地使用强度(3×3)。阴影区域的相互连接和。当和计算,他们共同的单位应该反复计算。因此,平均辐射地区的土地利用强度和分别是211年和311年。这个表达式显示的影响周围的土地类型和地理空间的连续性;因此,表达式是在实践中更科学。

该方法可以有效地表达土地利用强度的连续特征和土地利用程度的聚合。单位不服从行政分区和只与网格粒度(分辨率)和规模(搜索半径)。单位分辨率更高收益率更准确的表达。单位价值也可能反映了景观的特点。例如,一个值表明建设用地提供了最大的贡献,所以建设用地占主导地位的土地利用类型。在这个研究中,30米分辨率遥感数据采用;辐射半径是15单位和930×930。每个单元的值代表了平均面积8.4 hm内土地利用强度²。单位的总数是5877。

2.4。地表温度反演

表3显示,平均表面温度分布在洞庭湖,和表中的数据3从《中国统计年鉴》。7月、8月和9月,最热的几个月(夏季)湖区域,选择促进动力学比较。

lst的7月、8月和9月的2001年和2011年洞庭湖地区来自NASA MODIS数据(美国)。图像数据的预处理和大气校正,辐射校准,图像剪切,和几何修正。1号计算使用split-window算法(图4)[20.]。流程如下: 在哪里表面温度(K),和是光辉灿烂中的卫星MODIS的31和32光谱波段,分别和,,split-window参数,定义如下: 在哪里,,,是常数。表面温度范围内0-50°C,这些常数,,,。上述方程的中间参数计算如下: 在哪里MODIS的光谱带吗或32,是大气透射率的视角是什么时候吗,是地球表面的发射率光谱带吗。最后,月平均温度是根据反演结果合并而成的。2001年和2011年的夏季的平均气温。测量温度的精度测试从车站2011年表明,反演精度的标准误差为0.25°C,满足一般的需求。

2.5。重心模型

土地利用的变化和温度之间的关系的重心是调查使用引力模型的中心。这个模型中,已广泛应用于分析相关性和影响程度21),表示如下: 在哪里和特定属性的重力中心在一个地区,是经度,纬度,和是中央的经度和纬度th单元,分别在单位是一个特殊的属性。在这项研究中,属性是土地使用强度或温度。重心的变化属性计算东部,中部,西部地区的洞庭湖地区: 在哪里代表的距离重心的变化在不同的年份,在哪里代表了一个以前的时间和代表了以后,和表示地理位置的特定属性的重心和分别或重心的经度和纬度的地区,和是一个常数(111.111公里)的转换计划的经度和纬度范围内。

3所示。结果与讨论

3.1。温度变化和土地利用强度变化的特征

图3提出了土地利用分类的结果和强度表达式在2001年和2011年。建设用地逐渐增加,而森林土地减少由于过渡到农业和建设用地。土地利用强度的值在洞庭湖地区100年和400年之间的不同。土地利用分类和强度的比较显示,土地利用强度随土地利用类型,表现为连续的过渡特性。水的颜色逐渐昏暗的耕地和建设用地。此外,土地利用强度高在靠近城市中心的位置(图3)。因此,对城市中心土地使用强度逐渐增加,作为代表的分散模式从城市中心到郊区。此外,该地区的快速城市化与人类活动是一致的。

图4显示LST分布在2001年和2011年的夏天。高温主要发生在城市中心,也就是说,热岛效应。地区平均气温在过去的十年里增加展出;1号范围从−0.458°C到1.421°C。南方的温升高。最小、最大和平均气温分别为29.411°C, 30.602°C,和30.048°C和2001年29.849°C, 30.983°C, 2011年(图30.422°C5)。十年,平均温度增加了0.374°C / 10(10表明10年),和最大和最小温度增加了0.381°C / 10 10°C / a和0.438,分别。结果表明,最低温度增加的平均温度变化发挥了关键作用。

的特点在不同的土地使用面积和温度之间的关系强度水平列于表4。土地利用强度的值被分成三个间隔(低、中、高)。低水平,未利用土地、草原和水体是占主导地位的土地利用类型。中等水平,其中农业用地、水体和草地的主要类型。高水平,在建设用地与农业用地占主导地位的土地利用类型。总体温度增加展出;然而,一个重要的区别是观察在三个土地使用强度水平。底层土地面积减少了492公里²(17.6%),这代表了最好的土地利用强度水平;然而,低级的土地的温度上升了0.292°C (1.0%)。中级土地面积增加了785公里²(5.5%),而相应的温度上升了0.372°C (1.2%)。高级土地面积减少了293公里²(9.0%),而温度上升了0.419°C (1.4%)。我们的研究结果表明,增加土地面积的中等水平和低水平的土地面积减少的主要原因是温度上升。

3.2。反应温度的变化的土地利用强度

研究区被划分为5877个单位,每个单元是930×930。单位内的温度和土地利用强度分析与空间统计(图6)。系数是−6×10⁻⁸在2001年和−3×10⁻⁸在2011年。结果表明温度的敏感性土地使用强度增加到超过十年。曲线的拐点出现土地使用强度200年或300年的时候,和全球变暖加速当土地使用强度相对较低或;然而,温度迅速增加。散点分布集中在显示,温度上升,这表明土地利用强度是一个主要影响温度上升,土地利用强度变化由于农业用地变化,水体,和草原是主要原因。

温度变化和土地利用强度之间的关系在过去的十年中如图7。小的变化主要集中在土地使用强度。此外,整体土地利用强度略有不同,而横向校正过渡是罕见的。因此,对温度变化的主要影响是第一和第二层次之间的过渡或第二和第三层之间。温度随土地利用强度增加而降低,表明负相关;然而,当在土地使用强度和,温度显示正相关。这一发现表明,温度时应增加土地使用强度急剧变化(即。,a hierarchical transition), for example, when the unused land-use grade changes to the urban land-use grade.

3.3。分析影响因素

3.3.1。景观效果

表5提出了土地利用类型的动态变化和温度从2001年到2011年。建设用地的面积增加了50%,耕地、水体增加了4.6%和13.6%,分别。然而,森林土地、草地和未利用土地地区下降了26%,12%,和1.1%,分别。最高到最低温度增加如下:耕地(0.404°C),建设用地(0.383°C),森林土地(0.352°C),水体(0.349°C),未利用土地(0.308°C),和草原(0.290°C)。温度比草原增加低于在水体。结果表明,温度上升主要是由于建设用地的扩张或耕地和森林的减少土地或草地。因此,转换不同的风景可能导致土地利用强度发生变化。例如,当森林土地或草地转化为组合或耕地,土地利用强度水平可能改变了与温度的增加。

3.3.2。重心的影响

重力的中心温度的变化和土地利用强度显示人类活动的干扰程度。从地理的角度来看,一个高度相关时观察到的变化都是一致的,而一个观察弱相关或不相关时不一致的;一致性主要指的是同一方向的变化(22,23]。,,的重心变化温度图8。,,的重心的变化是土地利用强度。和是高度一致的方向改变,而改变的方向吗和和和是不一致的。这些结果表明,土地利用强度和温度变化之间存在直接的关联在湖的西部,而中间的关系并不明显,东部的部分地区。

这些结果表明,重心转变显示空间的差异,并不总是不断变化,这可能是由于其他环境因素,如年际和季节变化,全球变暖,和潜热和显热交流24]。因此,温度的重心的转变是影响土地利用强度和其他环境因素的反馈。

3.3.3。纬度的影响

温度的纬度效应是指从低纬度到高纬度地区地带性变化。纬度(28.27°N 29.81°N)的区域被划分为103个相等的部分,每个部分代表大约0.015°的纬度效应温度的变化。图9显示温度和土地利用强度之间的相关系数;的值表示相关系数。温度变化范围内(0.158°C, 0.631°C),土地利用强度变化范围内,值变化范围内(0.581,1.414)。

图9说明了一个重要的线性关系被发现之间的温度变化和纬度。随着纬度增加,发生了明显的下降趋势。这一现象表明温度变化速率是在高纬度地区和更大的变暖趋势更加显著的高海拔地区。土地利用强度随着纬度变化表现出一个波动上升的趋势。

然而,没有观察到显著的线性关系之间的土地利用强度和增加纬度的变化。这些结果表明,土地利用强度变化的纬度的规则是不明显,并没有明显的增加或减少的趋势与纬度强度发生变化。可信的,温度是受到一些人为因素的影响,如土地使用、开发措施和经济发展方向。

类似于温度变化规则,值被地带性特征,控制了波动和下降值。这些结果表明,温度响应范围土地利用强度逐渐下降,土地利用强度的影响与增加纬度温度逐渐下降。因此,土地利用强度的温度响应更敏感在低空领域比在洞庭湖地区的高海拔地区。

4所示。结论

(1)平均温度增加了30.048°C到30.422°C的洞庭湖地区2001年和2011年之间。这个温度上升洞庭湖地区略高于全球变暖的背景(25]。建设用地和耕地的面积增加了约50%和4.6%,分别增长了5.5%和减少9.0%的中期和高层土地用途,分别。这些变化导致了土地利用强度的增加。组合和耕地占温度增加的主要因素。因此,人类活动的影响可以定量表示基于土地使用强度。(2)提高土地利用强度一般对应于一个温度升高,如热岛效应。然而,这项研究的结果表明,温度升高主要是由于土地利用强度的变化。这一发现可能被解释为覆盖改变由于层次过渡和湖地区温度变化的特征。因此,除了温室气体和辐射强迫的影响,区域土地覆盖和土地利用转换必须提高了温度的变化。(3)温度的重心是不符合大多数湖地区的土地利用强度。转变温度的重心是影响土地利用强度和外部气-水交换,表明在该地区的温度变化可能影响从外部环境因素在某种程度上的反馈。例如,反馈从外部环境因素也会影响该地区大气和水的循环。然而,重心的温度符合西部地区土地利用强度的湖,我们可以确认土地利用和覆盖变化与温度在西方强烈相关。(4)观察到的纬度效应表明,温度变化的程度逐渐降低而土地使用强度逐渐增加。一般情况下,温度的变化和土地利用强度表现出负相关。然而,随着纬度相关性的程度逐渐下降,表明土地利用强度变化的温度反应更敏感在低空领域比在高海拔地区。换句话说,不同的温度和土地利用强度之间的相关性并不显著增加,可能是因为社会经济情况和城市化更主要在低空领域比在高海拔地区。因此,应给予更多的指导低空领域。

我们的研究是在一个典型的亚热带湖区进行的2001年至2011年,全球气温快速变化时发生。此外,土地利用强度的表达式是使用地理方法修订。这个新配方可以准确表达土地利用与温度变化之间的关系,可以用来探索土地利用和其他气候因素的关系,如降雨、蒸发蒸腾和气溶胶。由于土地利用和覆盖变化的复杂性,该地区温度变化与许多因素相关,如温室效应造成的全球变暖,地形因素,调节ENSO (26),PDO(太平洋年代际振荡)27),和AMO(大西洋数十年震荡)[28]。我们的研究主要考虑土地利用单因素从macrogeography的角度。进一步的研究应考虑多个环境因素和观点。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢NASA支持在发展中学习。他们感谢刘济源和Liangfu陈(中国科学院)方法深刻的评论。这项研究是由中国国家自然科学基金(没有基础。41371228)。他们也感谢匿名评论者的评论和建议。