基于土地利用的长江经济带1970s末至2015年人类活动强度数据集 中华文库

基于土地利用的长江经济带1970s末至2015年人类活动强度数据集
作者：李士成　张学珍
2018年9月21日
本作品收录于《中国科学数据》
李士成, 张学珍. 基于土地利用的长江经济带1970年代末至2015年人类活动强度数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2018, 3(3). (2019-01-16). DOI: 10.11922/csdata.2018.0025.zh.


    摘要&关键词

    摘要：人类活动强度数据集可以用于评估人类活动对生物多样性的影响等。本数据集以中国国家尺度土地利用数据库（China’s Land-Use/cover Datasets，CLUDs）为数据源，采用生态系统综合人类扰动指数赋值方案，研制了长江经济带1970年代末、1980年代末、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年共7期1 km分辨率人类活动强度数据集。本研究建立的人类活动强度数据与县域人口密度和单位面积GDP数据具有显著的相关关系，相关系数分别为0.615和0.709，表明本数据集较好地刻画了人类活动强度。与全球数据集对比，本数据集精度至少提高了26%以上。长江经济带人类活动强度数据集可深化对长江经济带人地关系的认识，为“共抓大保护，不搞大开发”政策的实施提供科学数据支撑。

    关键词：长江经济带；土地利用；人类活动强度；长时间序列；栅格数据

    Abstract & Keywords

    Abstract: Data of human activity intensity can be used to assess the effects of human activities on biodiversity. Based on China’s land use/cover datasets and a land use-based index measuring human disturbance on ecosystem, we developed the dataset of human activity intensity (HAI) along the Yangtze River Economic Belt (YREB) for seven time periods, namely, late 1970s, late 1980s, 1995, 2000, 2005, 2010, and 2015. The dataset has a resolution of 1 km. The correlation coefficients of HAI and county-level population density data, and of HAI and gross domestic production (GDP) data are 0.615 and 0.709 respectively, indicating that the dataset is of good rationality. A validation against the global human footprint dataset indicates that the accuracy of our dataset is at least 26% higher than the global human footprint dataset. The dataset presented here can help deepen our understanding of the human-nature relationship, and provides statistical references for policymakers with regard to ecological conservation and economic development in YREB.

    Keywords: Yangtze River Economic Belt, land use, human activity intensity, long time series, raster format

    数据库（集）基本信息简介

    数据库（集）名称 基于土地利用的长江经济带1970s末至2015年人类活动强度数据集
    数据作者 李士成、张学珍
    数据通信作者 张学珍（xzzhang@igsnrr.ac.cn）
    数据时间范围 1970s末至2015年
    地理区域 长江经济带，包括上海市、江苏省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重庆市、四川省、云南省、贵州省等11个省市
    空间分辨率 1000 m
    数据量 106.82 MB（压缩后4.02 MB）
    数据格式 *.GRID（压缩为.rar格式）
    数据服务系统网址 http://220.194.54.102/sjzx/sjzxDetail?id=756c50ad-503c-4ef7-b051-4130ed0317b7 ；http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/631
    基金项目 国家重点研发计划（2017YFA0603304），中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（CUGL170823），国家自然科学基金（41790424，41561020），中国科学院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-DQC005）。
    数据库（集）组成 数据集包含7个时段的人类活动强度栅格数据文件，分别为：1970s末.zip，1980s末.zip，1995.zip，2000.zip，2005.zip，2010.zip，2015.zip。

    Dataset Profile

    Title Land use-based human activity intensity along the Yangtze River Economic Belt, China (1970s – 2015)
    Data corresponding author Zhang Xuezhen (xzzhang@igsnrr.ac.cn)
    Data authors Li Shicheng, Zhang Xuezhen
    Time range From late 1970s to 2015
    Geographical scope Yangtze River Economic Belt in China (including Shanghai, Jiangsu, Zhejiang, Anhui, Jiangxi, Hubei, Hunan, Chongqing City, Sichuan, Yunnan, and Guizhou)
    Spatial resolution 1000 m
    Data volume 106.82 MB (4.02 MB when compressed)
    Data format *.GRID (32 bit float)
    Data service system <http://220.194.54.102/sjzx/sjzxDetail?id=756c50ad-503c-4ef7-b051-4130ed0317b7>; <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/631>
    Sources of funding National Key Research and Development Program of China on Global Change (No. 2017YFA0603304), Fundamental Research Funds for the Central Universities, China University of Geosciences (Wuhan) (No. CUGL170823), National Natural Science Foundation of China (No. 41790424, 41561020), and the CAS Key Research Program of Frontier Sciences (No. QYZDB-SSW-DQC005).
    Dataset composition The dataset consists of seven subsets on human activity intensity. They are: 1970s.zip, 1980s.zip, 1995.zip, 2000.zip, 2005.zip, 2010.zip, and 2015.zip.


    引 言

    人类活动显著改变了地球表面的环境，使地表的生态环境遭受严重破坏[1]。评估人类活动强度空间分布及其变化特征，可以加深对人地关系的认识，有助于实现人类可持续发展[2]。人类活动强度数据集可以应用于多个领域[3][4]，可以用于评估人类活动对生物多样性和生态系统服务功能的影响[3]，也可用于评估自然保护区等生态工程的保护成效等[5][6][3]。

    已经有大量研究尝试对人类活动强度进行评估，并研制了相关数据集[7]。如全球人类足迹数据集[8][6]，北美人类足迹数据集[9]，中国生态系统综合人类扰动数据集[10]，青藏高原人类活动强度数据集[3][4]等。然而相关的研究大多是静态的[9][8]，或者是短时间序列的[3]，展示人类活动强度长时间尺度变化的研究尚不多见；并且，大多是基于政区的评估研究[11][7]，难以精细刻画人类活动强度的空间差异，从而限制了数据集的应用范围。

    长江经济带的人口和经济总量占全国40%以上，是长江流域人类活动与生态保护矛盾最为突出的地区[12]。过去几十年，该地区经济发展迅速，但资源环境压力日益突出，环境治理任务日益繁重[13][12]。因此在国家层面，政府提出要对这里进行大保护。为了科学实施大保护政策，急需对这里人类活动强度的现状及历史变化趋势进行系统评估。

    鉴于此，本文利用遥感数据拟对长江经济带1970s末至2015年人类活动强度进行评估并研制基于空间格网（1 km分辨率）的人类活动强度数据集，以期为科学实施长江经济带乃至长江流域大保护政策提供科学数据支撑。

    1 数据采集和研制方法

    1.1 数据来源

    刘纪远等[14]通过人工目视解译建成中国国家尺度1:10万比例尺土地利用数据库（China’s Land-Use/cover Datasets, CLUDs），并每隔5年采用同类卫星遥感数据对其进行更新。CLUDs是以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型，分类精度超过90%[14]。本文采用1970年代末、1980年代末、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年7期1 km栅格数据（每个1 km栅格的属性为一种主导的土地利用类型）来评估长江经济带的人类活动强度，由中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/）提供。

    1.2 数据研制方法

    人类多种活动形式均对生态系统带来影响，这种活动的强度较难定量评估。但其中人类的土地利用活动导致陆地表层的土地覆盖发生变化是人类对生态系统扰动最直接的表现，是生物多样性受到威胁的首要驱动因素[1]。因此，陆地表层人类活动强度可以被定义为人类土地利用活动对陆地表层自然覆盖开发利用和改造的程度，可以通过土地利用/覆盖类型表征[7]。而且，基于土地利用/覆盖类型的人类活动强度评估方法能够较好地刻画人地关系[15]、人类活动对生物多样性[16]和生态系统的扰动[17]。虽然Sanderson等[8]采用土地利用、人口密度、道路和夜间灯光指数等过个因子刻画人类活动强度，但人口密度、道路和夜间灯光指数均和土地利用高度相关，其信息能够通过土地利用较好地表征。综上所述，本研究采用土地利用/覆盖类型来表征人类活动强度，并选用生态系统综合人类扰动指数的赋值方案（表1）[10]来研制长江经济带1970s末至2015年人类活动强度数据集。


    表1 各类土地利用的人类活动强度分值[10]

    级别 自然未利用级 自然再生利用级 人为再生利用级 人为非再生利用级
    土地利用类型 未利用土地，永久性冰川、雪地 林地、草地，水域（不包含永久性冰川、雪地） 水田、旱地 城镇用地，农村居民点，工矿用地、交通用地等其他建设用地
    人类活动强度分值 0 0.25 0.50 1


    2 数据样本描述

    本数据集包含1970s末、1980s末、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年共7期人类活动强度数据。这些数据存放在7个文件夹中，总数据量106.82 MB，保存为1个压缩文件（长江经济带1970年代末-2015年基于土地利用的人类活动强度数据集.rar），压缩文件数据量为4.02 MB。每个文件夹中单独存储1个时期的GRID栅格数据文件，为32 bit栅格数据结构；采用的坐标系为Krasovsky_1940_Albers。

    数据样本长江经济带2015年基于土地利用的人类活动强度如图1所示。


    图1 长江经济带2015年基于土地利用的人类活动强度空间分布图（审图号：GS(2018)4935号）


    3 数据质量控制和评估

    人类活动强度是一个较为综合的概念，目前还不能通过和观测数据直接对比的方式验证其合理性。人口密度反映了人类活动强度的行为主体“人口”的空间分布状态，对人类活动强度及其变化起着主导性作用。国内生产总值（GDP）是人类活动强度的一个重要表征指标。因此，本研究通过将人口密度和单位面积GDP与人类活动强度进行相关分析来从一定程度上佐证人类活动强度数据的可靠性和合理性[7]。将2010年人类活动强度数据以县域为单位进行空间聚合，并与来自中国县市社会经济统计年鉴[18]的2010年县域人口密度数据和单位面积GDP数据（人口总量和GDP总量分别除以政区面积得到单位面积的人口数量和GDP数据）分别进行拟合，发现其与人口密度和单位面积GDP均符合指数函数的关系（图2），相关系数分别为0.615和0.709，相关性较好，表明本文研制的人类活动强度数据在一定程度上较为可靠。


    图2 2010年县域单元人类活动强度与人口密度和单位面积GDP的相关关系


    此外，长江经济带人类活动强度空间分布与人口密度的空间分布格局较为一致。苏皖地区，长三角地区，江汉平原，四川盆地人类活动强度较高，这些地区人口密度也较高，这亦表明本文研制数据集较为可靠。

    4 数据价值

    考虑土地利用、人口密度、道路和夜间灯光指数等多个因子对生态环境的相对扰动，综合专家知识，Sanderson等将上述因子赋值量化，绘制了全球人类活动强度图[8]，并进行了更新和应用[19]。我们将本文研制的人类活动强度数据集和全球人类活动强度数据集[6]分别归一化处理以后进行空间格局的大致比对（图3），以明晰本数据集的价值。


    图3 不同数据集长江经济带人类活动强度对比（审图号：GS(2018)4935号）


    本研究采用的源数据CLUDs土地利用一级类型综合评价精度94.3%以上，二级类型分类综合精度91.2%以上；而全球人类活动强度数据集采用的UMD数据集平均精度只有65%，采用的10 km分辨率的牧草地数据则存在更大的不确定性[19]。我们进一步分析其采用的耕地数据，发现全球数据集在四川盆地南部、贵州中西部地区耕地分布明显偏多，导致这里的人类活动强度和四川盆地较为接近，这存在较大的不确定性。此外，数据处理的过程中，全球数据集采用了多个来源的遥感产品来绘制人类活动强度图，比如耕地数据采用了UMD数据集，而牧草地则采用了MODIS和GLC2000融合，且经普查数据校正后的产品，各个数据产品的同化过程可能也会引入一定的误差。全球数据集采用的人口数据（空间分辨率2.5′，约相当于5 km）精度较差，就中国区域而言，只适用于部分平原和盆地地区[19]。上述对比分析表明，仅从土地利用的角度，本数据集的精度高出全球数据集至少26个百分点。

    本数据集也存在不确定性，需要引起数据用户和科技工作者的注意。第一，本数据集是对人类活动强度的保守估计。人类活动对生态环境带来多种扰动和破坏，如人类工业生产产生的各种废水、废气和固体废弃物对环境带来污染，噪声[20]、人造灯光[21]对生态系统的扰动等。虽然土地利用能够较好表征上述人类活动因子对生态系统的扰动，但只考虑土地利用得到的人类活动强度结果仍是对人类活动强度的保守估计。第二，本数据集适用于长江经济带人类活动有关的宏观决策分析。由于长江经济带国土面积较大，面积约205万km2，横跨中国三级阶梯，自然地理环境复杂，本研究采用的源数据CLUDs的土地利用分类系统和人类活动强度赋值原则能够反映长江经济带近40年以来人类活动强度变化的整体趋势，适用于宏观的决策分析，若要应用于局部地区相关政策的制定，则需秉持审慎的态度。

    人类活动强度数据集具有广泛的应用价值[16][4]。比如，它可以用来评估人类活动对动物行为的影响[22]，对生态系统服务和生物多样性损失的影响[2]，也可以用来评估生态工程的有效性[23][6]，还可以测算人类活动的效率[19][13]等。

    参考文献

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    数据引用格式

    李士成, 张学珍. 基于土地利用的长江经济带1970年代末至2015年人类活动强度数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-08-16). DOI: 10.11922/sciencedb.631.