（地图学与地理信息系统专业论文）吉林省西部盐碱化典型区域信息图谱模型研究.pdf

摘要 “地学信息图谱”( g e o i n f o r m a t i c t u p u ) 是用数字化、系列化的图形图像揭示客观 事物和现象空间结构特征与时空变化规律的一种方法与手段，它能够将复杂问题的本质 属性简洁、直观地可视化表达，建立起现象的图形模式，从而认识其内在规律，并通过 图形运算，构建动态变化模型，开展预测与调控研究。在遥感、地理信息系统、网络通 信、虚拟现实、计算机制图等技术手段的支持下，地学信息图谱将地学分析思想与计算 机技术有机地结合在一起，拓展了地学信息多维表达与图解分析的形式，同时提高了地 学图谱的信息含量，使之成为地学研究的一种重要分析工具。 信息图谱模型为土地盐碱化研究提供了一种谱系化、定量化与定位化相结合的研究 方法，本文选取吉林省西部盐碱化典型区域长岭县、镇赉县、大安市作为研究区，以遥 感影像为基础数据，在g i s 技术支持下，从时空变化、尺度效应、景观特征等多个角度 对盐碱化土地进行图形运算、空间分析，通过不拘一格的数字化图形、曲线系列抽象表 达出不同维度上的特征与规律，探讨土地盐碱化过程的多维性与复杂性，将盐碱化土地 时空特征与景观特征衔接、数学模型与图谱模型结合，以盐碱化土地时空演变基本模式、 空间扩展过程和景观特征分析为框架构建盐碱化土地信息图谱模型研究体系，发挥图谱 模型数据挖掘、知识发现的特长，将宏观动态变化与微观特征相联系，进一步挖掘土地 盐碱化过程与人类活动影响的关系，为探索研究区盐碱化土地成因、过程，预测其未来 发展变化趋势及其对环境影响提供相关科学依据。 全文共分为四部分，第一章分析了土地盐碱化及信息图谱模型的研究现状，阐明了 研究意义、研究内容、研究目标和研究方法，并说明研究所需数据资料的来源以及数据 处理方法；第二章介绍了研究区的范围、地理位置以及研究区内土地盐碱化的形成条件， 包括自然条件和社会经济条件；第三章是以时空演变模式、空间扩展过程、景观特征等 为框架构建盐碱化典型区域信息图谱模型，分别从盐碱地图形的数量结构特征、尺度特 征、空间动态性和景观特征等角度对其进行图形运算与分析，对图谱方法在土地盐碱化 研究中的应用进行了实证分析；第四章对本文的研究内容加以总结，并提出了研究中有 待于解决的问题。 关键词：盐碱土；地学信息图谱；g i s ；尺度特征；空间效应；景观指数 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s g e o i n f o r m a t i et u p uh a sb e c o m et h eh o t s p o ti ng e o - i n f o r m a t i cs c i e n c e f i e l d ，w h i c hi n t e g r a t e sm a n ya d v a n c e dt h e o r i e s a n d t e c h n o l o g i e s ，s u c h a s c a r t o g r a p h y , c o m p u t e rs c i e n c e ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns c i e n c e ，r e m o t es e n s i n ga n ds oo n i tm a k e sg o o d u s eo fs e r i e so fd i g i t a l i m a g e s o r g r a p h i c s t o e x p l o r e t h e s p a t i a l s t r u c t u r ea n dt h e s p a t i a l t e m p o r a lr u l e so fg e o g r a p h i c a lo b j e c t so rp h e n o m e n 乳g e o i n f o r m a t i ct u p u m o d e l c a n c o m p a e t l y ，v i s u a l l yd i s p l a y t h ee s s e n t i a la t t r i b u t e so f c o m p l i c a t e dp r o b l e m sa n d c o n s t r u c t g r a p h i c sm o d e s o f c o r r e s p o n d i n gp h e n o m e n a t h em o s to m s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft u p u m o d e la r em u l t i - d i m e n s i o n ，d y n a m i ca n dp e d i g r e e se t c 。f u r t h e r m o r e , i tw i d e n ss t y l e so f g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o nm u l t i - d i m e n s i o n e x p r e s s i o n a n d i m p r o v e s t h e w e i g h t o f g e o g r a p h i c a lt u p ui n f o r m a t i o nt h r o u g hc o m b i n i n gg e o - a n a l y s i st h i n k i n gw i t hc o m p u t e r t e c h n o l o g y t a k i n gc h a n g l i n gc o u n t y , z h e n l a ic o u n t ya n dd a a nc i t yo f j i l i np r o v i n c e 嬲r e s e a r c h a r e a s ，b a s e do nr e m o t es e n s i n gd a t a , g r a p h i c so p e r a t i o na n ds p a t i a la n a l y s i sa r ec a r r i e do u ti n d i f f e r e n tp o i n t so f v i e w s ，i n c l u d i n gt e m p o r a l ，s p a t i a l ，s c a l e ( s p a t i a lr e s o l u t i o n ) a n dl a n d s c a p e e t c ；a l la s p e c t sa n a l y s i so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea b s t r a c t i v e l ye x p r e s s e db yd i g i t a lg r a p h i c sa n d s e r i e so fc u r v e sw h i c ha r en o ts t i c kt oo n ep a t t e r nt o d i s c u s s i n gm u l t i - d i m e n s i o n a n d c o m p l i c a t e da t t r i b u t e so ft h es a l i n i z e dp r o c e s s l i n k i n gu pt e m p o r a l - s p m i a lc h a r a c t e r i s t i c s w i t h l a n d s c a p e i n d i c e sw h i l e c o m b i n i n gm a t h e m a t i c sm o d e la n d g e o - i n f o r m a t i ct u p u m o d e l ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt h ef u n d a m e n t a lf r a m e ：t e m p o r a l s p a t i a le v o l v e m e n t p a t t e r n ，s p a t i a le x t e n s i o np r o c e s sa n a l y s i sa n dl a n d s c a p ec h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fs a l i n i z e d l a n d t e m p o r a l - s p a t i a le v o l v e m e n tp a t t e r na n a l y s i se x t r a c t st h ee s s e n t i a lq u a n t i t yf e a t u r e sa n d t r a n s f o r m a t i o nm o d e so fs a l i n i z e d l a n d ，a n da l s oa n a l y z e sp a t c h e ss p a t i a lg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r ss c a l ef e a t u r e ；s p a t i a le x t e n d i n gp r o c e s sa n a l y s i sd i s c u s s e st h ec h a n g er a t ea n d e c o l o g i c a lm o d e s ；l a n d s c a p ef e a t u r ea n a l y s i su t i l i z e sl a n d s c a p eg r a p h i c si n d i c e st od e s c r i b e s a l i n i z e dl a n dm i c r o c o s m i cg r a p h i c sf e a t u r e sa n dc h a n g e s t h i sd i s s e r t a t i o nt r i e st o d e e p e n t h ea b i l i t yo fd a t am i n i n ga n dm u l t i - d i m e n s i o ne x p r e s s i o no ft u p um o d e la n dd i s c u s st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a c r o s c o p i c a l l yd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o na n dm i c r o c o s m i cf e a t u r e si n o r d e rt op r o v i d es c i e n t i f i ce v i d e n c ef o r d r i v i n gf o r c e sd i a g n o s i s ，e s t a b l i s h m e n to fm e c h a n i s m m o d e la n d f o r e c a s t i n gm o d e l f o rs a l i m z e dl a n d ， t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of o b rc h a p t e r sa sf o l l o w s ：t h ef i r s tc h a p t e rs u m m a r i z e s t h ep r e s e n ts t u d yo f g e o - i n f o r m a t i ct u p u a n ds o i ls a l i n i z a t i o n t h e ne x p l a i n st h em a i n s t u d y c o n t e n t s ，s i g n i f i c a n c e ，a i m sa n ds t u d ym e t h o d s ，d a t as o u r c ea n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d si n i i t h i ss t u d y t h es e c o n dc h a p t e ri l l u m i n a t e st h ee x t e mo fs t u d ya r e aa n df o r m a t i o n e n v i r o n m e n t o fs o i ls a l i n i z a t i o n i n c l u d i n gn a t u r a lc i r c u m s t a n c ea n ds o c i e t ye c o n o m i c a lb a c k g r o u n d t h e t h i r dc h a p t e ri sc o m p o s e do ft h r e ep a r t sw h i c ha r et h em a i nf r a m e w o r ko ft h i ss t u d y , a n d t h o s ea r ee s s e n t i a lm o d e so fs p a t i a l t e m p o r a lc h a n g e s ，s p a t i a le x t e n s i o np r o c e s sa n a l y s i sa n d l a n d s c a p ec h a r a c t e r i s t i c so fs a l i n i z e dl a n d t h ef o u r t hc h a p t e rs u m m a r i z e ss t u d yc o n t e n to f t h i sp a p e ra n ds t a t e st h ef u t u r ew o r ko f t h i s 血e s i s k e y w o r d s ：s a l i n i z e dl a n d ；g e o - i n f o r m a t i ct u p um o d e l ；g i s ；s c a l ef e a t u r e s ；s p a t i a le f f e c t l a n d s c a p ei n d i c e s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 至擞胁坦蜂直 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东：i p n 范大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：位缀扭指导教师签名 日 期：塔：臼日 期 学位论文 工作单位 通讯地址 谤三 第1 章绪论 1 1 区域信息图谱模型研究意义 1 1 1 地学信息图谱的内涵 1 地学多维图解 六十年代初，陈述彭先生以其多年的地图地理工作的理论和实践经验积累，从非 可视化角度，并远早于g i s 可视化和科学计算可视化的出现，提出了地学多维图解模式， 试图应用“图”这一信息工具为主要手段来解决特定的地学问题，获取对地学现象进一 步或新的理解和认识，建立新的地学知识。 地学多维图解具有丰富的内涵。地学多维，可理解为地学问题具有多维特征，即包 括时间维、空间维和众多的地理属性维；也可理解为对一个地学问题的观察与分析需要 不同的时间、时间尺度，不同的空间、空间尺度，不同的观察角度，不同部分聚焦、选 择等多维综合探索与处理，才能揭示出新的关系，获取新的知识。图解包含解释和解读 两方面的特征。解释，是用图形表达和传输关于某地学问题的已有认识和知识；解读， 是经过数据探索、视觉认知、地理空间认知、地学知识合成、分类、排序与匹配等交互 反馈多次循环后，获取图形中包含的关于某地学问题的新关系，是得到新知识的过程。 解读也可定义为求证图的地学问题的解，或者定义为探索图形的地学含义与地学机制。 地学多维图解试图根据类型不一的地学图解作品，总结与探讨图解规则，并建立规 则知识库。它以地学专家在地貌、地质、海洋、大气、环境工程等长期的实践中积累的 图解经验和知识为基础，结合现代计算机地图的理论与技术，试图建立地学多维图解的 理论和方法。地学多维图解研究涉及地球空间认知，地学图形思维，地学知识表达及推 理等理论和方法。地学多维图解兼顾现代图和历史积累的经典图，以解决地球系统问题， 求证图的地学解为直接目标【2 。 2 地学信息图谱 鉴于生命科学以研究“基因图谱”为主要目标，而化学界早就有“元素周期表”， 物理学界也在研究光谱、色谱、电磁波谱等方面取得很多成果，有学者曾提出：地理学 不应当只定位在“复杂的、开放巨系统的层次上”，能否也给复杂的地学问题提出简单 的表达，研究地学领域的图谱问题1 3 。陈述彭先生通过对地图学发展的分析，于1 9 9 8 年提出了地学信息图谱的概念，这是我国科学家首创的科学课题。 “地学信息图谱”( g e o i n f e - r m a t i ct u p u ) 是在经典地学图谱的原理基础上，在计 算机技术支持下，结合现代遥感、地理信息系统、网络通信、虚拟现实、计算机制图等 技术手段，不断发展、创新形成的一种研究方法和手段 4 】。它能够将复杂的地学问题通 过某些方法多层面地展布于2 维平面或多维体上，以建立起现象的图形模式，从而认识 其内在规律，并通过图形运算，建立起动态变化模型，开展预测与调控研究。地学信息 图谱既可以再现区域自然过程与社会经济发展的历史与现状，又可以虚拟其未来发展状 况，成为人们研究区域自然环境与社会发展的一种现代化的科学方法和高新技术手段， 服务于国土整治、城乡规划、资源开发、环境保护等诸多方面1 3 。5 j 。 地学信息图谱绝非简单的地理客观实体的地图化及地图集合表达，而是一种更为有 效的由图表文、由图生文的空间思维方法和手段，它利用图的形象表达能力，将大量数 据进行归类合并，抽象形成谱系。图与谱的结合，不但能表达人们已经认知的客观世界， 而且能挖掘地理事物和现象潜在的信息及其发展变化的内在规律，达到指导人们充分利 用这些信息解决实际问题的目的【3 】。 简而言之，信息图谱是采用图形思维中的抽象概括方法和信息分析中的数据挖掘方 法，对大量的地球空间信息进行分析加工的方法手段和成果结晶1 6 】。传统的地学图谱没 有应用现代的高新技术，往往缺少精确的数学意义和符号系统，地学信息图谱则在信息 技术的支持下，将地学的分析思想与计算机技术有机地结合在一起，迸一步提高了“地 学图谱”的信息含量和表现形式，使之成为地学研究的一种重要分析工具。建立图谱的 过程就是对地理研究对象的认知过程，所形成的图谱就是这一认知结果在图形上的表达 嘎 1 1 2 地学信息图谱研究意义 以吉林省西部盐碱化典型区域长岭县、镇赉县、大安市为研究区，构建盐碱化区域 信息图谱模型，探讨研究区内盐碱化土地基本演变模式、空间扩展过程以及景观特征， 在理论研究和实际应用方面都具有重要的意义。 ( 1 ) 地学信息图谱的实证研究 尽管“图谱”思想古已有之，图形思维更是人们认识客观世界的有效方式，但从总 体上看，现阶段的地学研究还处于零散的条块分割的状态，很多复杂的地学现象目前还 无法用模型来描述，从而限制了人们对地球信息机理的深刻解释和地球系统的整体认 识，致使人们对于图谱单元等级划分、图谱单元的自动提取和归纳、图形信息与地学机 制的关系等具体问题无法形成一致、系统的意见。与此同时，信息技术的发展为图谱研 究提供了多源集成的空间数据以及高级的空间分析功能，促进了地学图谱在空间信息多 维表达和数据分析方法方面的发展。因此，越来越多的应用领域实践将有助于挖掘地学 信息图谱的多维功能，使人们逐步完善和发展对于“地学信息图谱”这一既传统又富有 创新的理论及方法的认识。 实质上，图谱方法也是一种“数据驱动”的分析方法，将统计学原理和图形图表结 合对空间数据的性质进行分析，从而研究数据的空间依赖与空间异质性。但是，与空间 数据探索分析方法【8 不同的是它更加注重多维图解的表达以及数据挖掘的能力，而且其 中的图解更加侧重于地理事物的图形或由图形而得到的曲线系列；此外，地学信息图谱 还可以看作是地学信息的时空复合体，能够实现现代地理学对“空间与过程研究”的统 一和对地理景观“事、空、时的动态系统”的研究 9 l o 本文提出对于某一特定地理过程土地盐碱化过程进行信息图谱分析的基本框 架，通过对盐碱化土地的图形表达与定量分析，可以从大量纷繁复杂的图斑中抽象、提 2 取出盐碱化土地的典型图形及其组合，形成地学图谱，探讨区域盐碱化过程的多维性与 复杂性，为区域盐碱化的驱动力诊断、机理模型与预测模型的构建提供科学依据。另外， 这种分析方法也为盐碱化土地空间过程一体化研究拓展了时间表达的方法与形式，这是 地理信息系统应用技术在解决时间维的表达问题中的一个重要研究方向【】。 ( 2 ) 典型区域盐碱化研究的新视角 形成机理、动态监测、模拟预测是土壤盐碱化研究最为集中的三个方向，分别从微 观和宏观的角度研究土壤盐碱化的过程与特点，而信息图谱方法则是借助遥感、地理信 息系统等信息技术为盐碱化土地动态变化研究提供从多尺度对盐碱化土地外部特征进 行图形运算的途径和表示方法，使土地盐碱化这一复杂的地理过程可以转化成严谨的数 字化时空动态模型来加以记录、分析和研究【1 1 】：盐碱化土地信息图谱模型的最终框架是 建立在r s 、g i s 等多种方法技术综合的基础之上，集成土地盐碱化的多维信息，如时 间维、空间维、尺度维、属性维，以图表曲线的形式表达盐碱化的时空特征，从而分析 导致产生这种变化的驱动力，并预测未来的变化情况。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 信息图谱模型研究现状 图谱自古有之，主要是运用图形语言进行时间与空间的综合表达与分析【l ”。 九鼎、经洛图书、五岳真形图等等，都是古人高度抽象化的地理认知与记述，可以 看作是“地学图谱”的始祖。近代地学界的大师们也曾为地学图谱做出过伟大贡献，留 下了许多宝贵的经典工作。魏格纳的大陆漂移学说、柯本的气候区划、道库恰耶夫的自 然地带、杜能的地理区位论等，都是借助于图来表达其科学观点，或以图作为其分析研 究手段的杰出代表。翁文灏的“中国山脉考”、李四光的“中国大地构造”、竺可桢的“中 国气候区域”和“五千年气候变迁曲线”等等，更是我国地学先驱们地学图谱的经典之 作。 近代，国内外地学家广泛地运用时空融合的图谱方法，研究空间格局演化过程的轨 迹，例如地极的迁移、区域人口重心和科学中心的位移、河流中泓线与岸线的摆动、交 通线路摆动的弦律、三角洲的动态演化，景观垂直与水平地带的季相变化等等，都是以 抽象、概括、综合的图形思维实现更深层次的科学提炼和多维显示，从中获得新的规律 性的理解睁“。 2 0 世纪7 0 年代在遥感技术基础和应用研究中，曾对各种地物( 包括各类土地覆盖、 作物、森林、草地、沙漠土壤、水面等) 进行过光谱测定，建立了各类地物的光谱曲线， 但尚未系统整理成图谱【1 3 】。 2 0 世纪末到2 1 世纪初，在陈述彭院士的倡导下，国内掀起了地学信息图谱研究的 热潮，对地学信息图谱的概念、定义、内涵、分类，地学信息图谱同地图学、地理信息 系统、数字地球的关系等问题进行了不少讨论，但绝大部分都是基本理论的研究探讨与 宏观的信息图谱设计【5 1 3 “15 1 。 国内建立地学信息图谱来研究地理事物的案例较多，如中国自然景观综合信息图 谱、土地利用变化图谱、黄河三角洲新生湿地图谱、地面滑坡信息图谱、长江下游河道 演变图谱、水土流失信息图谱、城镇交通网络信息图谱等【1 6 - 1 8 】，它们都是使用动态地图 或量化地图将地理现象或过程可视化、动态化表达，罗列一定时间序列的图形图像，分 析其动态变化特征和空间结构特征。此外，地学信息图谱研究还涉及到流域结构、三角 洲发展、海岸带资源、城镇体系、城乡聚落、城乡土地利用、城市交通、城镇空间格局 与演化、城乡规划、地球化学丰度、山地垂直带、地质灾害、荒漠化、黄土高原地貌、 西部环境人口负荷与水资源供需的地区差异、资源环境的调查与评估、灾害评估等地学 的各个领域1 1 4 l 。 现阶段，地学信息图谱研究尝试与其他学科的理论和方法融合，从而发展和完善自 己的学科体系，充分发挥地学图谱的图形思维以及数据挖掘功能；在图谱单元的归纳和 提炼方法上，主要采用人工目视并结合g i s 和r s 辅助进行的方法，全自动化归纳和提 炼还有待于人类对地理现象和过程理解与认识水平的提高和人工智能的高度发达。 地学信息图谱从某种程度上可以看作是地理图形信息理论的“工具”或“媒介”， 地理图形信息理论从图形信息机理的角度来研究地理空间图形，试图建立图形描述的有 效模型，挖掘图形所蕴涵的科学意义，解释其与成因机制、相互关系、生态功能、时空 演化和环境效应等的联系，探讨地理事物或空间目标的历史、现状和趋势| 1 9 。 目前，地学领域主要运用分形分维数、景观格局指数等定量描述图形特征。 分形分维值可以表征研究对象的复杂性、不规则性和演化性等内在的规律性1 2 们，对 地理图形的发展状态与趋势实现较为精确的判定。国内外学者运用各种分形分维数研究 了水系的形状特征、地表形态的几何特征、地质体的几何形状特征以及土地利用类型分 布等1 2 ”5 | ，但分形理论与地理学的结合还处于发展阶段，分形理论能否广泛地应用于地 学分析，通过建立分形模型，揭示地理事物空间图形的地理意义，这是仍待解决的研究 课题。 景观生态学中运用景观格局指数分析景观的空间格局变化规律，如反映个体斑块形 状特征的近圆指数、方形指数，描述斑块积聚变化的分离度、距离指数、邻接比等 2 6 - 3 1 】， 土地利用变化研究运用景观格局指数来定量分析土地利用空间格局的图形信息，通过描 述图斑形态特征和空间格局变化分析土地利用变化的内在规律，为土地利用空间格局的 形成机制和生态学意义研究奠定了基础【3 2 _ 3 5 】。 1 2 2 土地盐碱化研究现状 盐碱土是指各种发生盐化和碱化过程的土壤，包括盐土、碱土和各种盐化土、碱化 土。土地盐碱化是一个世界性问题，据联合国教科文组织( u n e s c o ) 和粮农组织( f a o ) 不完全统计全球盐碱土面积达9 5 5 1 0 8 h m 2 【3 6 埘】，它是造成土壤退化、土地资源短缺和 生态环境恶化的主要原因之一。世界上许多国家广泛分布和大量存在的盐碱土严重制约 着农业生产的发展。我国盐碱土分布于2 3 个省、市自治区的平原盆地和滨海地区，面积 约2 6 7 0 万k m n i ”j ，每年由于盐碱化造成的直接经济损失达2 5 亿元。为此，长期以来国内 外学者对盐碱化土地的分布、形成机理、动态监测、模拟预测以及改良措施都进行了广 泛深入的研究。 盐碱土的形成主要是盐化过程，土壤水盐运动的研究对于盐碱地改良有很大的经济 价值，主要研究土壤中水盐在蒸发、入渗条件下的运移过程以及分布规律，采用严谨的 数学方程来描述发生在土壤中的化学、物理化学等过程，并结合实验和实践结果对这些 方程求解，它是揭示盐碱土形成及改良过程中溶质迁移规律和进行区域性水盐运动调控 的基础。水盐运动研究在三个层次两个领域里展开：土体中水盐运动过程及其机理的微 观研究，以及从田问到流域尺度的区域水盐运动过程及其机制的宏观研究。目前国内外 有关土壤水盐迁移的模型研究有很多，但总体上分为两大类，一类为确定模型，注重于 研究过程，一类为随机模型，着重对一个给定特征的可能性进行预测口9 1 。 区域土壤盐碱化状况可分为动态与静态两个方面，静态盐碱化状况指的是某一特定 时间，盐碱土盐分含量和等级，盐分组成和类型，盐分的剖面垂直分布状况以及各类盐 渍土的分布状况；动态盐碱化状况则指土壤盐分随时间的变化状况，包括含量和空间分 布的变化。静态盐碱化状况的研究方法主要是统计学理论，包括经典统计学和地统计学， 常用的方法有相关分析、聚类分析、趋势面分析以及地统计学中的空间插值等。土壤盐 渍化动态遥感监测一般采用统计数据与遥感影像数据相结合的方法，分析盐碱化土地的 动态变化及发展趋势，基本停留在目视分析比较不同时相影像差异的阶段1 4 们。随着遥感 数据的光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率和空间分辨率的不断提高，通过选用不同 传感器、不同分辨率的卫星影像可以提高土壤盐碱化动态监测的精度及效率，但目视判 读仍然是盐溃土监测研究和动态分析的重要手段，与以前不同的是研究的内容更加广泛 1 4 1 删。 另外，土壤盐碱化的动态预报研究也随着人工智能、专家系统等不确定性科学的发 展而出现了新的方法和手段，多层递阶时序法、人工神经网络模型、元胞自动机模型等 研究方法的成熟与发展，使得区域土壤盐碱化动态预报精度不断提高，对于抑制盐碱化 的发生、发展，以及区域可持续发展具有重要的意义【4 9 1 。 1 3 盐碱化区域信息图谱模型研究方法 1 3 1 研究内容与目标 1 研究内容 盐碱化区域信息图谱模型包括影像部分和分析部分。影像部分构成了土地盐碱化过 程的图形信息库，由多期遥感影像、矢量图件组成，它提供了研究期土地盐碱化过程的 直接信息和间接信息，即盐碱化土地斑块的起始、终止状态，同一时期不同空间位置上 盐碱化土地的转化形式和不同时期、不同尺度上盐碱地斑块的空间形态差异；分析部分 则是以影像为基础迸行信息提取，建立盐碱化土地时空演变基本模式、空间扩展过程、 景观特征信息图谱模型研究体系。 ( 1 ) 盐碱化土地时空演变基本模式 构建盐碱化土地时空演变征兆图谱，利用g i s 的空间分析和空间统计功能，得出研 究区内盐碱化土地变化的空间图形数据和统计数据，如盐碱化土地新增部分与减少部分 分布图，盐碱化土地数量增减，盐碱化土地与其他土地利用类型之间的转化，盐碱化土 地斑块的几何特征，并将统计分析和图形曲线结合探讨斑块的个数、面积、周长、密度 等特征随空间尺度变化而变化的规律。 ( 2 ) 盐碱化土地空间扩展过程分析 构建盐碱化土地斑块形态与空间扩展图谱，利用g i s 中的空间统计分析方法提取三 个县区的盐碱化土地斑块典型轮廓：分析盐碱化过程的扩展强度，确定其强度级别；借 鉴景观生态学中的土地利用转换镶嵌系列模式，确定土地盐碱化的转换模式。 ( 3 ) 盐碱化土地景观特征分析 构建盐碱化土地景观特征图谱，应用景观生态学的方法进行图形特征分析，建立盐 碱化土地斑块图形特征与演变过程之间的联系，借助遥感、g i s 技术将图表描述与景观 指数量化描述途径相结合，选取分维数、形状指数、内缘比、近圆指数等景观格局指数 分析人类活动对于土地盐碱化过程的影响。 2 研究目标 通过建立盐碱化土地信息图谱模型研究框架体系，对研究区内盐碱化土地状态进行 以时间为轴的特征描述和解释，并且初步提出具有一定规范模式的图谱模型，即形成图 形或曲线系列，使得该模式能够应用于其他区域相关研究。 对盐碱化过程的研究有很多角度，本文试图将时空演变基本模式与空间扩展形式、 景观指数变化特征融会贯通，发现宏观演变与微观特征变化的内在联系，从而揭示盐碱 化过程的内在规律与发展趋势，为区域土地退化改良与治理提供科学的决策依据。 1 3 2 数据资料与处理 1 数据资料 ( 1 ) 图件资料：图谱模型的建立基础是大量详实的图像和图件数据，包括；遥感 影像( 1 9 8 0 年9 月、1 9 9 5 年9 月和2 0 0 0 年9 月l a n d s a tt m ，比例尺1 ：1 0 0 0 0 0 ) 、分 幅地形图( 1 ：2 5 0 0 0 0 国家基础地理信息中心) 、2 0 0 0 年吉林省1 ：8 5 万政区图、1 9 9 9 年吉林省实用地图集、长岭县土壤类型图、长岭县地貌图、大安市土壤类型图、镇赉县 土地利用专题地图( 1 ：1 0 0 0 0 0 ) ( 2 ) 统计资料：主要是自然环境统计数据( 包括土壤、地形、植被、水文、气候、 地质构造等) 和社会经济统计数据( 包括人口、交通、经济结构等) 。 以上数据主要来自长岭县志( 1 9 9 3 ) 、大安县志( 1 9 8 9 ) 、镇赉县志( 1 9 9 4 ) 、 吉林省统计年鉴( 1 9 8 9 1 9 9 9 ) 、吉林省长岭县区域水文地质调查报告1 9 9 8 年等。 2 数据处理 本研究中所使用的工具软件包括：地理信息系统软件a r c i n f 0 8 1 、遥感图像处理软 件e r d a s 8 6 、全球定位系统仪器g p s 、统计软件e x c e l 2 0 0 0 、景观格局指数计算软件 f r a g s t a t s 3 - 3 。 在上述软件的支持下，数据处理过程如下： ( 1 ) 遥感图像配准 6 先对1 ：2 5 0 0 0 0 地形图资料进行县界的标绘，对照1 9 8 0 年l a n d s a tt m 影像均匀地选 取多个同名典型地物点作为控制点，在遥感图像处理软件e r d a s 8 6 中，完成行政界线及 控制点的数字化录入，对影像进行假彩色合成、增强和几何校币处理，实现遥感影像与 县界的配准。 ( 2 ) 土地利用分类 为动态分析盐碱化土地的转化规律，需要将研究区内土地利用类型进行分类，参照 国家土地资源遥感调查分类系统，土地利用类型分为6 个一级类型和1 9 个二级类型( 见 表1 1 ) ，结合本文研究目的进一步将其合并为7 个类型，依次为：耕地、林地、草地、 水域、居民点及工矿用地( 居工用地) 、盐碱地和未利用地，其中盐碱地类型从未利用 地中提取出来，因而合并后未利用地不包括盐碱地。 表1 - 1 土地利用类型分类衰 t a b l e 1 - il a n du s et y p e sc l a s s i f i c a t i o nt a b l e 一级 耕地林地草地水域居工用地 未利用地 分类 二一级 水h 1 旦 有灌疏 其它 高覆中覆低覆 河湖水库滩城镇 农村 沙 盐沼裸 林木林盖度盖度盖度居民 碱泽土 分类地林地渠泊坑塘地用地地 地林地草地草地草地点地地地 ( 3 ) 遥感图像目视解译及数字化 结合实地考察以及土地利用类型图、地形图、土壤图、植被覆盖图等非遥感数据， 在遥感影像上得到各类土地利用类型的解译标志，根据盐碱地的光谱特征、纹理特征等， 进行人机交互式的土地利用分类信息提取，将解译结果导入到a r c i n f o 中存储为具有拓 扑关系的c o v e r a g e 数据格式。再以1 9 8 0 年t m 影像为基准，对1 9 9 5 年、2 0 0 0 年t m 影 像进行校正，使1 9 8 0 年土地利用c o v e r a g e 中未变化图斑与1 9 9 5 年和2 0 0 0 年t m 影像 图斑准确套合，将影像与c o v e r a g e 对比，勾画出各年代的土地利用图斑，导入a r c i n f o 存储并修改，获得研究所需土地利用变化数据。 1 3 3 研究方法 1 数据搜集、整理与处理 搜集与研究内容相关的研究区统计数据、图件资料，并选取1 9 8 0 年、1 9 9 5 年和2 0 0 0 年三期l a n d s a t t m ( 分辨率为3 0 m ) 遥感影像作为数据来源。 为进行影像配准和建立盐碱地图像信息提取的解译标志，在研究区范围内选取一条 土地利用类型丰富的考察路线，沿线选取观察点，借助g p s 确定各点坐标。依据观察 到的土地利用类型、地物景观，结合遥感影像的对应点，分析各土地利用类型的光谱特 征，建立解译标志。在遥感图像处理软件e r d a s 中完成图像校正、图像增强、图像配 准以及目视解译和矢量化等工作，从而生成盐碱地分布矢量化数据层。 2 数据分析 在地理信息系统软件a r c i n t o 以及统计分析软件e x c e l 和景观格局指数计算软件 f r a g s t a t s 3 3 的支持下进行数据分析。 ( 1 ) 利用a r c i n f o 中的“i n t e r s e c t ”叠加命令将三期盐碱地分布图进行两两叠加， 7 得到2 0 年内盐碱地面积变化数据、面积增减的空间分布情况，以及盐碱地与各土地利 用类型之间的转化情况； ( 2 ) 在a r c i n f o 中提取出不同面积大小的盐碱地斑块图形典型轮廓； ( 3 ) 选取不同的分辨率尺度，在f r a g s t a t s 软件中，计算不同尺度下盐碱地斑 块的个数、平均面积、面积标准差、周长总长等参数的变化趋势，拟合出变化曲线； ( 4 ) 利用a r e i n f o 的空间统计分析功能计算不同时期盐碱化土地的空间扩展强度 并确定其空间扩展强度级别； ( 5 ) 利用网格法计算单元空间的属性值，并将不同时期土地利用图叠加，根据土 地转换镶嵌系列模式确定盐碱化土地的转换模式： ( 6 ) 计算盐碱化土地不同时期的景观格局指数，分析其变化规律；计算不同尺度 下的景观格局指数，分析其变化规律。 本研究方法工作流程如图1 1 所示。 圈1 - 1 盐碱化区域信息圈曩辏童研究工作蠢程 f i g 1 - 1t e c h n i q u e r o u t e o f s t u d y o nr e g i o n a li n f o r m a t i ct u p um o d e lo f s a l i n i z e dl a n d 第2 章研究区概况 2 1 研究区地理位置 吉林省西部位于松嫩平原中西部低洼易涝盐碱地与风沙地交错分布区，辖白城、松 原两市，土地面积4 7 0 7 5 k m 2 。该区域属半湿润半干旱气候区，也属东北地区农牧交错带， 是生态环境敏感脆弱地带，旱、碱、涝、风沙等自然灾害发生频繁，一直困扰着该地区 的经济发展。其中，沙碱化土地面积广大，是世界三大碱地之一，土地盐碱化严重地制 约了当地农牧业的发展，同时造成了土地资源的浪费。 长岭县、镇赉县、大安市是吉林省西部盐碱化土地的典型富集区，区内沙化、盐碱 化严重，其地貌、土地利用状况等具有很强的代表性。研究区地理位置见图2 1 。 圈2 - 1 研究区地理位置示意图 f i g 2 - 1r e s e a r c ha r e a s l o c a t i o ns k e t c hm a p ( 1 ) 长岭县 长岭县隶属于松原市，东与农安县接壤，南与公主岭市、双辽县交界，西与内蒙古 科尔沁左翼中旗毗连，北与通榆，乾安，前郭尔罗斯蒙古族自治县为邻。地理位置介于 1 2 3 。0 77 1 2 4 。4 5 e ，4 3 。5 97 - - 4 4 。4 5 n 之间，松辽平原的双城堡至伏龙泉隆 起地带西侧。长岭县地势平坦，从东南向西北略呈倾斜，境内无山脉，河流稀少，全境 海拔在1 4 4 m 2 6 6 m 之间。全县面积为5 7 2 8 4 3 k m 2 。境内以东起三县宝西至大兴一线为 分水岭，南北横跨松花江与辽河两大流域。 长岭县辖1 2 镇1 9 乡，2 5 1 个村，1 0 3 3 个自然屯，7 个农林牧场，1 9 9 9 年末总人口为6 3 2 万人，其中农业人口5 2 万人，城镇人口1 1 2 万人，城市化水平较低。县内有满族、朝鲜 族、蒙古族、回族等十几个少数民族，汉族人口比重在9 0 以上。多年平均人口自然增 长率为5 ，人口密度为8 7 1 人k i t l 2 。 9 ( 2 ) 镇赉县 镇赉县隶属于白城市，东濒嫩江，与黑龙江省杜尔伯特旗、肇源县隔江相望，西部 和西北部与白城市、内蒙古自治区右翼前旗毗邻，南以洮儿河与大安县为界，西南连洮 南市，北与黑龙江省泰赉县、内蒙古自治区扎赉特旗接壤。全县面积为5 3 7 1 1 4 k m 2 。地 理位置介于1 2 2 。4 7 2 4 。0 4 e ，4 5 。2 8 4 6 。1 8 7 n 之间，地处松嫩平原西部边 缘，北与大兴安岭外围台地相连，中部漫岗连绵起伏，东部和南部有嫩江、洮儿河环绕， 沿江河畔是广阔的冲积平原，地势自西北向东南由高渐低，海拔在1 3 0 m 2 3 2 5 m 之间。 镇赉县辖4 个镇，1 3 个乡，1 4 3 个行政村，据1 9 8 5 年统计，总人1 2 1 3 1 5 万，其中农业 人口2 1 - 3 万人，占全县人口的6 7 4 6 。境内有汉、蒙、锡伯、拉祜等1 5 个少数民族。 ( 3 ) 大安市 大安市为县级市，自城市代管。东与黑龙江省肇源县，隔嫩江相望，南与前郭尔罗 斯蒙古族自治县、乾安县为邻，西与洮南市、通榆县接壤，北与镇赉县以洮儿河为界。 土地面积为4 9 0 9 1 3 k m 2 。地理位置介于1 2 3 。0 9 1 2 4 。2 2 e ，4 4 。5 7 7 4 5 。4 6 7 n 之间。大安市地势平坦，东、西、北稍高，中部略低，南部平坦，海拔高度在1 2 0 m 1 6 0 m 之间。嫩江、