从1973年到2000年美国的土地覆盖变化外文翻译资料

 2022-04-27 20:26:41

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从1973年到2000年美国的土地覆盖变化

文章历史：

2012年8月29日收到

于2013年3月18日收到修改后的2013年3月23日

关键词:

土地利用

土地覆盖

生态区域

地球资源卫星

城市化

林业

农业

摘要

通过对84个生态区样本的卫星图像变化的样本分层的解释，对美国的土地覆盖变化进行了量化。在陆地卫星图像(1973年、1980年、1986年、1992年和2000年)的5个日期估计了11个陆地覆盖类别的总和净变化。据估计，在研究期间，美国陆地面积约673,000 km2(8.6%)的土地覆盖面积至少有一次发生变化。在1973年到2000年期间，森林覆盖率达到了97000平方公里的最大净下降。森林覆盖率的大幅下降在总体变化百分比最高的两个地区中表现突出，海洋西海岸森林(24.5%的地区经历了一个变化在至少一个时期)和东部温带森林(11.4%的地区至少有一个变化)。在1986年至1992年期间，农业减少了约9万km2，每年净损失达1.2万km2。开发面积增加了33%，随着时间的推移，其转化速率加快。年增长率为47000 km2 yr- 1(0.6% /年)的时间区间为1986-1992年。这个国家综合文件记录了1973年到2000年间土地变化的时空动态变化。这些结果以一项全国一致的监测议定书为基础，对土地变化进行了量化，并做出了基本的估计，以了解在美国境内的土地变化的原因和后果。

1. 介绍

土地利用和土地覆盖(LULC)变化是一种普遍存在的现象，影响到当地的全球范围的过程，经常涉及到满足人类需求和保护生态系统功能的权衡。LULC的变化已经成为全球变化研究的焦点领域;在美国，它直接影响天气和气候系统，表面辐射强迫和生物地球化学循环。虽然对全球都很重要，但LULC的变化发生在本地，需要更精细的地理尺度进行整合研究。然而，尽管最近在地面监测和观测方面取得了进展，但缺乏综合的足够长的时间周期、景观和LULC类的中尺度评估。

美国有几个土地使用或覆盖监测项目，有价值的信息有助于我们理解的改变,但是没有单独提供一个完整的、全国综合评估基于时空上一致的方法。在美国为例,统计调查,如美国农业部(USDA)的森林调查和分析和自然资源库存(NRI)已经实施了，美国农业部农业普查和美国人口普查局的十年人口普查提供了农业土地利用和人口动态的信息。然而，这些项目仅限于特定的土地或土地使用类别，因此不能提供充分的美国土地变化的全国性综合。由于这些调查和人口普查项目使用不同的空间和时间尺度以及不同的土地覆盖类定义，因此构建一个一致的、全面的土地覆盖变化综合也很复杂。例如，森林使用可能包括没有树木覆盖的区域，例如最近的砍伐森林，而森林覆盖分类通常以符合某些标准的植被的生物物理存在为特征。“森林”的不同定义导致了不同数据源对森林覆盖趋势的描述的有用性。

与统计调查和人口普查方法来量化土地变化相比，遥感提供了另一个监测平台。土地覆盖变化的相对稀缺性——特别是在短时间间隔和较大的空间范围内——使得对区域土地覆盖变化的准确映射和估算变得困难。早期当中努力要么依赖粗分辨率传感器,如AVHRR(先进的高分辨率辐射计),专注于描述土地覆盖在一个单一的时间点,或者使用针对单一类映射中分辨率影像或区域研究。最近，美国地质调查局利用遥感技术，绘制了一张30米times;30米像素分辨率的土地覆盖产品的国家土地覆盖数据库(NLCD)。NLCD目前有3个日期，1992年，2001和2006年。NLCD提供了一个很有前景的未来监控框架;然而，当前的NLCD数据在足够长的时间周期内是不可用的。基于概率的抽样方法作为一种替代墙-墙地图的替代方法，已被证明是一种有效的方法，可以利用遥感，特别是森林覆盖损失。

由于大量的时间记录和相对一致的空间和辐射测量特性，地球观测卫星数据提供了一个独特的机会来描述广泛的生态系统中主要的土地覆盖类之间的变化。陆地卫星档案，由6颗卫星在40年的时间内获得的数据组成，提供了一种一致的数据来源，这对于在足够长的时间内对土地的变化进行量化是至关重要的。

美国地质调查局的土地覆盖趋势项目的目标是估计最近美国的生态区域s的历史土地覆盖变化的速率和类型。本研究中所述的主要土地覆盖变化是与森林收获有关的过程;城市化;农业集约化、集约化、退耕;和采矿业。在本文中,我们报告大规模覆盖模式变化增加国家结果与区域的结果提出了以下六个区域:东部温带森林,平原,西部山脉,海洋西海岸森林,北美的沙漠和地中海加州(图1)。国家整体变化的估计首先是由土地变化足迹(或改变足迹)来总结在1973-1980年、1980-1986年、1986-1992年和1992-2000年的四个时间间隔中，至少有一次土地覆盖发生变化的土地总面积，即1973-2000年的研究期间。

A

B

图1所示.(A)报告六个区域划分美国相接的(MWCF西海岸是海洋森林,MC是地中海加州WC西部山脉,河畔是北美的沙漠,全科医生是大平原,东部温带森林和ETF),和(B)估计土地变化的足迹,或改变的区域至少一次在1973年和2000年之间生态区域面积(%)。

区域的估计总体变化是基于六个主要地区的土地变化足迹。结果在全国范围内出现了三种主要变化:森林覆盖率下降、城市扩张(增加发展)和农业损失。完整的结果可以在数据集S1中找到。虽然主要目标是对土地变化进行量化，但对潜在驱动力的解释也伴随着一些对变化的估计。在深入的区域分析和研究中，基于本研究收集到的数据的变化的原因和后果的研究正在进展中或在媒体上，例如，加州的土地覆盖变化;以及美国西部;伟大的平原和美国东部。

2. 材料和方法

从美国84个生态区域地层(图2)中选取了2688个10公里长(20公里times;20公里)块的分层随机样本(图2)。生态区域最初是由Omernik(1987)开发的，后来由美国环境保护署(1999)修改，为采样设计和分析提供了空间框架(图1，表S1)。生态区域已经被证明是一个有效的框架来描述美国土地覆盖的变化。土地覆盖分类根据修改版本的安德森水平，我分类方案组成的11土地覆盖类、水、开发、矿业、贫瘠、森林、草地、灌木地、农业、湿地、雪/冰和两个干扰类:机械(人为)和非机械(自然)(表1),陆地卫星MSS TM、ETM 图像被使用在连续的图像日期之间，解释器识别和映射LULC的变化。在分类后，将图像进行比较，以确定每个样本块在11个土地覆盖类之间的每一种可能类型的变化区域。通过使用已经过辐射测量和几何校正的陆地卫星数据，我们选择了在1973-1980年、1980年- 1986年、1986-1992年和1992-2000年的四次变更间隔，以利用时间和节省的费用计算每年的变化速率，以允许比较不同长度的时间段。重要的是要注意到，虽然年化期间的估计值提供了一种比较不同长度的时间间隔的方法，但是年利率忽略了使用我们6-8年的变化间隔可能漏掉的周期内变化。

在这里,我们提供了一个简短的概述的主要研究方法论的组件,包括时空采样、分类系统用于描述覆盖变化、技术分类土地变化和最后变化的统计估计。

2.1 生态区域分层和样本选择

连接美国的区域分层是基于1999年版本的美国环保署的第三级生态区 (图2)。在生态区域地图上覆盖一个10公里长、10公里长的固定网格，根据块的中心点位置将每个块分配给一个生态区域。沿着海岸线和国际边界发现了一些不完整的石块。在这些实例中，条块被附加到相邻的“父”块，以确保条块的区域能够被取样。

图2所示。生态区域s, sample blocks, and 1992 land cover从1992年的NLCD重新分类到表S1的分类(参见表S2在分类方案之间的“crosswalk”)。黑色线条是生态区域的边界，黑色的盒子是2688个样品块。生态区域数字如表S2所示。

表1

地表覆盖类和描述

水

发达

长期被水覆盖的地区，如溪流、运河、湖泊、水库、海湾或海洋。

密集领域使用的土地覆盖着结构或人为不透水表面(如高密度住宅、商业、工业、道路、等)或更少的密集使用,包括植被和土地覆盖矩阵结构(例如,低密度住宅、休闲设施、墓地、停车场、实用走廊,等等),包括任何土地功能相关的城市或组合环境中(例如,公园、高尔夫球场、等等)。

具有明显地表表现的采掘活动区域。这包括(在一定程度上可以检测到这些特征)采矿建筑物、采石场、覆盖层、浸出、蒸发、尾矿或其他相关部件。

土地由土壤、沙子或岩石组成，其中不到百分之十的区域是植被。贫瘠的土地通常是自然发生的。

树木覆盖的土地，树木覆盖密度大于10%。注意清除林地(即根据当前的覆盖物(例如，机械扰动或草地/灌木丛)绘制。

以草、叉或灌木为主的土地。植被覆盖面积必须至少占总面积的10%。在植物或无植被的状态下用于生产食物和纤维的土地。这包括培养和未开垦的农田、干草、牧草、果园、葡萄园和有限的牲畜作业。注意，无论使用木材产品，森林种植园都被认为是森林。

水饱和度是土壤特征、植被类型和动物群落的决定性因素。湿地通常包括水和植被。

在夏季，雪和冰的堆积并不完全融化(如高山冰川和雪域)。

由于机械手段的干扰，土地处于一种被改变的，经常是没有植被的状态，处于从一个覆盖类型到另一个覆盖类型的过渡。机械扰动包括森林砍伐、土方、刮、链、储层压降和其他类似的人为变化。

由于非机械手段的干扰，土地处于一种变化的、经常是无植被的状态，从一种覆盖类型转变为另一种覆盖类型。非机械扰动是由火灾、风、洪水、动物和其他类似的现象引起的。

矿业

贫瘠的

森林

草原/灌木地农业

湿地

雪/冰

机械扰动

非机械干扰

从每个生态群落中选取简单的随机样本，根据生态群落的大小和生态群落内部变化的预期变异性，选取每个生态群落的样本大小。第一个取样的生态区有20公里*20公里的样本块，但是这些生态区的早期结果表明，如果减少块的大小，将会得到更精确的变化估计。样本的大小从9到11个街区，用20公里的街区和25到48个样本块为生态区域使用10公里的街区。在本文报道的一些结果中，III级生态区被聚合成6个类似于一级生态系统的宏观区域(表S1)。

2.2 时间采样和陆地卫星数据收集

时间采样的目的是利用尽可能多的低成本或自由的几何和辐射校正数据集，同时保留观测之间6-8年的间隔。与使用现有卫星数据有关的时间和成本节约决定使用不同长度的时间周期。这5个日期分别是1973年、1980年、1986年、1992年和2000年。在1973年、1986年和1992年收集了北美景观特征(NALC)项目的陆地卫星多光谱扫描仪(MSS)三份。这些数据是精确和地形校正的，并注册到一个公共的地图基础上，以确保准确的像素到像素的注册。1992年，我们还从多分辨率土地特征(MRLC)项目中获得了陆地卫星专题制图仪(TM)数据，该项目由精度和地形组成，修正了用于生产1992年国家土地覆盖数据集(NLCD)的30m 陆地卫星 TM数据。在2000年，我们使用陆地卫星增强主题Mapper Plus (ETM )数据来自MRLC 2001收集。这些收藏品通常包括在1999年到2002年间收集的三个或更多的ETM 收购。在某些情况下，还包括来自陆地卫星5的TM数据。唯一需要的新数据是1980年。这些数据是一级系统处理、地形校正。所有的陆地卫星数据将MSS数据重新投影到60-m分辨率，TM和ETM 到30-m分辨率的Albers圆锥等面积投影。

2.3 分类方案

两个主要因素影响了我们的分类系统的设计。第一个因素是认识到使用中分辨率图像陆地卫星 TM/ETM 和MSS将需要一个相当普遍的土地覆盖分类系统，以达到较高的解释精度和一致性。我们识别和绘制土地覆盖的能力受到陆地卫星 MSS、TM和ETM 传感器技术规范的限制，以及当地和区域的景观特征，这些特征影响到卫星图像中可见的形态和对比。这在解释陆地卫星 MSS数据时尤其如此。第二个因素涉及到选择捕获土地覆盖变化的兴趣。由于我们对土地使用的变化感兴趣，土地覆盖作为土地用途的替代品，我们决定使用Anderson Level I classes，因为这个分类计划是为土地使用代理人提供的。为了描述覆盖类型之间过渡的土地，我们通过添加两个干扰类别来修改Anderson系统：机械扰动(人类感应)和非机械扰动(自然)(表1)。机械干扰类被用来捕获最近被机械方法干扰的区域，特别有助于识别有经验的森林清晰记录的区域。机械扰动的土地还包括其他相对较小的变化，如水库水位下降、刮擦、土方移动和链锁，以及其他人为引起的变化。非机械化干扰类被用来捕获被扰动的土地，如野火，以及较小程度的风、洪水、动物(如甲虫虫害)和其他类似的现象。

2.4 映射基线土地覆盖

我们使用1992年的NLCD作为土地覆盖映射的起始点。为每个样本块提取NLCD土地覆盖，然后重新分类，以符合我们的分类方案(表S2)。

图3所示。陆地卫星 TM (A)， 1

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