基於土地利用的長江經濟帶1970s末至2015年人類活動強度數據集

基於土地利用的長江經濟帶1970s末至2015年人類活動強度數據集
作者：李士成　張學珍
2018年9月21日

本作品收錄於《中國科學數據》

李士成, 張學珍. 基於土地利用的長江經濟帶1970年代末至2015年人類活動強度數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018, 3(3). (2019-01-16). DOI: 10.11922/csdata.2018.0025.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：人類活動強度數據集可以用於評估人類活動對生物多樣性的影響等。本數據集以中國國家尺度土地利用數據庫（China’s Land-Use/cover Datasets，CLUDs）為數據源，採用生態系統綜合人類擾動指數賦值方案，研製了長江經濟帶1970年代末、1980年代末、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年共7期1 km分辨率人類活動強度數據集。本研究建立的人類活動強度數據與縣域人口密度和單位面積GDP數據具有顯著的相關關係，相關係數分別為0.615和0.709，表明本數據集較好地刻畫了人類活動強度。與全球數據集對比，本數據集精度至少提高了26%以上。長江經濟帶人類活動強度數據集可深化對長江經濟帶人地關係的認識，為「共抓大保護，不搞大開發」政策的實施提供科學數據支撐。

關鍵詞：長江經濟帶；土地利用；人類活動強度；長時間序列；柵格數據

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

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	基於土地利用的長江經濟帶1970s末至2015年人類活動強度數據集
數據作者	李士成、張學珍
數據通信作者	張學珍（xzzhang@igsnrr.ac.cn）
數據時間範圍	1970s末至2015年
地理區域	長江經濟帶，包括上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重慶市、四川省、雲南省、貴州省等11個省市
空間分辨率	1000 m
數據量	106.82 MB（壓縮後4.02 MB）
數據格式	*.GRID（壓縮為.rar格式）
數據服務系統網址	http://220.194.54.102/sjzx/sjzxDetail?id=756c50ad-503c-4ef7-b051-4130ed0317b7 ；http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/631
基金項目	國家重點研發計劃（2017YFA0603304），中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（CUGL170823），國家自然科學基金（41790424，41561020），中國科學院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-DQC005）。
數據庫（集）組成	數據集包含7個時段的人類活動強度柵格數據文件，分別為：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

人類活動顯著改變了地球表面的環境，使地表的生態環境遭受嚴重破壞^[1]。評估人類活動強度空間分布及其變化特徵，可以加深對人地關係的認識，有助於實現人類可持續發展^[2]。人類活動強度數據集可以應用於多個領域^[3][4]，可以用於評估人類活動對生物多樣性和生態系統服務功能的影響^[3]，也可用於評估自然保護區等生態工程的保護成效等^[5][6][3]。

已經有大量研究嘗試對人類活動強度進行評估，並研製了相關數據集^[7]。如全球人類足跡數據集^[8][6]，北美人類足跡數據集^[9]，中國生態系統綜合人類擾動數據集^[10]，青藏高原人類活動強度數據集^[3][4]等。然而相關的研究大多是靜態的^[9][8]，或者是短時間序列的^[3]，展示人類活動強度長時間尺度變化的研究尚不多見；並且，大多是基於政區的評估研究^[11][7]，難以精細刻畫人類活動強度的空間差異，從而限制了數據集的應用範圍。

長江經濟帶的人口和經濟總量占全國40%以上，是長江流域人類活動與生態保護矛盾最為突出的地區^[12]。過去幾十年，該地區經濟發展迅速，但資源環境壓力日益突出，環境治理任務日益繁重^[13][12]。因此在國家層面，政府提出要對這裡進行大保護。為了科學實施大保護政策，急需對這裡人類活動強度的現狀及歷史變化趨勢進行系統評估。

鑑於此，本文利用遙感數據擬對長江經濟帶1970s末至2015年人類活動強度進行評估並研製基於空間格網（1 km分辨率）的人類活動強度數據集，以期為科學實施長江經濟帶乃至長江流域大保護政策提供科學數據支撐。

1 數據採集和研製方法

1.1 數據來源

劉紀遠等^[14]通過人工目視解譯建成中國國家尺度1:10萬比例尺土地利用數據庫（China’s Land-Use/cover Datasets, CLUDs），並每隔5年採用同類衛星遙感數據對其進行更新。CLUDs是以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型，分類精度超過90%^[14]。本文採用1970年代末、1980年代末、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年7期1 km柵格數據（每個1 km柵格的屬性為一種主導的土地利用類型）來評估長江經濟帶的人類活動強度，由中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/）提供。

1.2 數據研製方法

人類多種活動形式均對生態系統帶來影響，這種活動的強度較難定量評估。但其中人類的土地利用活動導致陸地表層的土地覆蓋發生變化是人類對生態系統擾動最直接的表現，是生物多樣性受到威脅的首要驅動因素^[1]。因此，陸地表層人類活動強度可以被定義為人類土地利用活動對陸地表層自然覆蓋開發利用和改造的程度，可以通過土地利用/覆蓋類型表徵^[7]。而且，基於土地利用/覆蓋類型的人類活動強度評估方法能夠較好地刻畫人地關係^[15]、人類活動對生物多樣性^[16]和生態系統的擾動^[17]。雖然Sanderson等^[8]採用土地利用、人口密度、道路和夜間燈光指數等過個因子刻畫人類活動強度，但人口密度、道路和夜間燈光指數均和土地利用高度相關，其信息能夠通過土地利用較好地表徵。綜上所述，本研究採用土地利用/覆蓋類型來表徵人類活動強度，並選用生態系統綜合人類擾動指數的賦值方案（表1）^[10]來研製長江經濟帶1970s末至2015年人類活動強度數據集。

表1 各類土地利用的人類活動強度分值[10]

級別	自然未利用級	自然再生利用級	人為再生利用級	人為非再生利用級
土地利用類型	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	城鎮用地，農村居民點，工礦用地、交通用地等其他建設用地
人類活動強度分值	0	0.25	0.50	1

2 數據樣本描述

本數據集包含1970s末、1980s末、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年共7期人類活動強度數據。這些數據存放在7個文件夾中，總數據量106.82 MB，保存為1個壓縮文件（長江經濟帶1970年代末-2015年基於土地利用的人類活動強度數據集.rar），壓縮文件數據量為4.02 MB。每個文件夾中單獨存儲1個時期的GRID柵格數據文件，為32 bit柵格數據結構；採用的坐標係為Krasovsky_1940_Albers。

數據樣本長江經濟帶2015年基於土地利用的人類活動強度如圖1所示。

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圖1 長江經濟帶2015年基於土地利用的人類活動強度空間分布圖（審圖號：GS(2018)4935號）

3 數據質量控制和評估

人類活動強度是一個較為綜合的概念，目前還不能通過和觀測數據直接對比的方式驗證其合理性。人口密度反映了人類活動強度的行為主體「人口」的空間分布狀態，對人類活動強度及其變化起着主導性作用。國內生產總值（GDP）是人類活動強度的一個重要表徵指標。因此，本研究通過將人口密度和單位面積GDP與人類活動強度進行相關分析來從一定程度上佐證人類活動強度數據的可靠性和合理性^[7]。將2010年人類活動強度數據以縣域為單位進行空間聚合，並與來自中國縣市社會經濟統計年鑑^[18]的2010年縣域人口密度數據和單位面積GDP數據（人口總量和GDP總量分別除以政區面積得到單位面積的人口數量和GDP數據）分別進行擬合，發現其與人口密度和單位面積GDP均符合指數函數的關係（圖2），相關係數分別為0.615和0.709，相關性較好，表明本文研製的人類活動強度數據在一定程度上較為可靠。

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圖2 2010年縣域單元人類活動強度與人口密度和單位面積GDP的相關關係

此外，長江經濟帶人類活動強度空間分布與人口密度的空間分布格局較為一致。蘇皖地區，長三角地區，江漢平原，四川盆地人類活動強度較高，這些地區人口密度也較高，這亦表明本文研製數據集較為可靠。

4 數據價值

考慮土地利用、人口密度、道路和夜間燈光指數等多個因子對生態環境的相對擾動，綜合專家知識，Sanderson等將上述因子賦值量化，繪製了全球人類活動強度圖^[8]，並進行了更新和應用^[19]。我們將本文研製的人類活動強度數據集和全球人類活動強度數據集^[6]分別歸一化處理以後進行空間格局的大致比對（圖3），以明晰本數據集的價值。

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圖3 不同數據集長江經濟帶人類活動強度對比（審圖號：GS(2018)4935號）

本研究採用的源數據CLUDs土地利用一級類型綜合評價精度94.3%以上，二級類型分類綜合精度91.2%以上；而全球人類活動強度數據集採用的UMD數據集平均精度只有65%，採用的10 km分辨率的牧草地數據則存在更大的不確定性^[19]。我們進一步分析其採用的耕地數據，發現全球數據集在四川盆地南部、貴州中西部地區耕地分布明顯偏多，導致這裡的人類活動強度和四川盆地較為接近，這存在較大的不確定性。此外，數據處理的過程中，全球數據集採用了多個來源的遙感產品來繪製人類活動強度圖，比如耕地數據採用了UMD數據集，而牧草地則採用了MODIS和GLC2000融合，且經普查數據校正後的產品，各個數據產品的同化過程可能也會引入一定的誤差。全球數據集採用的人口數據（空間分辨率2.5′，約相當於5 km）精度較差，就中國區域而言，只適用於部分平原和盆地地區^[19]。上述對比分析表明，僅從土地利用的角度，本數據集的精度高出全球數據集至少26個百分點。

本數據集也存在不確定性，需要引起數據用戶和科技工作者的注意。第一，本數據集是對人類活動強度的保守估計。人類活動對生態環境帶來多種擾動和破壞，如人類工業生產產生的各種廢水、廢氣和固體廢棄物對環境帶來污染，噪聲^[20]、人造燈光^[21]對生態系統的擾動等。雖然土地利用能夠較好表徵上述人類活動因子對生態系統的擾動，但只考慮土地利用得到的人類活動強度結果仍是對人類活動強度的保守估計。第二，本數據集適用於長江經濟帶人類活動有關的宏觀決策分析。由於長江經濟帶國土面積較大，面積約205萬km2，橫跨中國三級階梯，自然地理環境複雜，本研究採用的源數據CLUDs的土地利用分類系統和人類活動強度賦值原則能夠反映長江經濟帶近40年以來人類活動強度變化的整體趨勢，適用於宏觀的決策分析，若要應用於局部地區相關政策的制定，則需秉持審慎的態度。

人類活動強度數據集具有廣泛的應用價值^[16][4]。比如，它可以用來評估人類活動對動物行為的影響^[22]，對生態系統服務和生物多樣性損失的影響^[2]，也可以用來評估生態工程的有效性^[23][6]，還可以測算人類活動的效率^[19][13]等。

參考文獻

1. ^ ^{1.0 1.1} FOLEY J A, DEFRIES R, ASNER G P, et al. Global consequences of land use[J]. Science, 2005, 309(5734): 570-574.
2. ^ ^{2.0 2.1} JOHNSON C N, BALMFORD A, BROOK B W, et al. Biodiversity losses and conservation responses in the Anthropocene[J]. Science, 2017, 356(6335): 270-274.
3. ^ ^{3.0 3.1 3.2 3.3 3.4} LI S C, ZHANG Y L, WANG Z F, et al. Mapping human influence intensity in the Tibetan Plateau for conservation of ecological service functions[J]. Ecosystem Services, 2018, 30: 276-286.
4. ^ ^{4.0 4.1 4.2} ZHAO H D, LIU S L, DONG S K, et al. Analysis of vegetation change associated with human disturbance using MODIS data on the rangelands of the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Rangeland Journal, 2015, 37(1): 77-87.
5. TAPIA-ARMIJOS M F, HOMEIER J, DRAPER M D. Spatio-temporal analysis of the human footprint in South Ecuador: Influence of human pressure on ecosystems and effectiveness of protected areas[J]. Applied Geography, 2017, 78: 22-32.
6. ^ ^{6.0 6.1 6.2 6.3} VENTER O, SANDERSON E W, MAGRACH A, et al. Data Descriptor: Global terrestrial Human Footprint maps for 1993 and 2009[J]. Scientific Data, 2016, 3: 160067
7. ^ ^{7.0 7.1 7.2 7.3} 徐勇, 孫曉一, 湯青. 陸地表層人類活動強度: 概念、方法及應用[J]. 地理學報, 2015, 70(7): 1068-1079.
8. ^ ^{8.0 8.1 8.2 8.3} SANDERSON E W, JAITEH M, LEVY M A, et al. The human footprint and the last of the wild[J]. Bioscience, 2002, 52(10): 891-904.
9. ^ ^{9.0 9.1} WOOLMER G, TROMBULAK S C, RAY J C., et al. Rescaling the Human Footprint: A tool for conservation planning at an ecoregional scale[J]. Landscape and Urban Planning, 2008, 87(1): 42-53.
10. ^ ^{10.0 10.1} 趙國松, 劉紀遠, 匡文慧, 等. 1990-2010年中國土地利用變化對生物多樣性保護重點區域的擾動[J]. 地理學報, 2014, 69(11): 1640-1650.
11. 劉紀遠. 西藏自治區土地利用[M]. 北京: 科學出版社. 1992.
12. ^ ^{12.0 12.1} 劉毅, 周成虎, 王傳勝, 等. 長江經濟帶建設的若干問題與建議[J]. 地理科學進展, 2015, 34(11): 1345-1355.
13. ^ ^{13.0 13.1} 金貴, 鄧祥征, 趙曉東, 等. 2005-2014 年長江經濟帶城市土地利用效率時空格局特徵[J]. 地理學報, 2018, 73(7): 1227-1237.
14. ^ ^{14.0 14.1} 劉紀遠, 匡文慧, 張增祥, 等. 20世紀80年代末以來中國土地利用變化的基本特徵與空間格局[J]. 地理學報, 2014, 69(1): 3-14.
15. 盛科榮, 樊傑. 地域功能的生成機理:基於人地關係地域系統理論的解析[J]. 經濟地理, 2018, 38(5): 11-19.
16. ^ ^{16.0 16.1} 劉慧明, 高吉喜, 張海燕, 等. 2010-2015年中國生物多樣性保護優先區域人類干擾程度評估[J]. 地球信息科學學報, 2017, 19(11): 1456-1465.
17. 吳艷艷, 吳志峰, 余世孝, 等. 定量評價人類活動對淨初級生產力的影響[J]. 應用生態學報, 2017, 28(8): 2535-2544.
18. 國家統計局農村社會經濟調查總隊. 中國縣(市)社會經濟統計年鑑[M]. 北京: 中國統計出版社. 2011.
19. ^ ^{19.0 19.1 19.2 19.3} VENTER O, SANDERSON E W, MAGRACH A, et al. Sixteen years of change in the global terrestrial human footprint and implications for biodiversity conservation[J]. Nature Communications, 2016, 7: 12558.
20. Buxton R T, McKenna M F, Mennitt D, et al. Noise pollution is pervasive in US protected areas[J]. Science, 2017, 356(6337): 531-533
21. Koen E L, Minnaar C, Roever C L, et al. Emerging threat of the 21st century lightscape to global biodiversity[J]. Global Change Biology, 2018, 24(6): 2315-2324.
22. TUCKER M A, BOHNING-GAESE K, FAGAN W F, et al. Moving in the Anthropocene: Global reductions in terrestrial mammalian movements[J]. Science, 2018, 359(6374): 466-469.
23. Jones K R., Venter O, Fuller R A, et al. One-third of global protected land is under intense human pressure[J]. Science, 2018, 360(6390): 788-791.

數據引用格式

李士成, 張學珍. 基於土地利用的長江經濟帶1970年代末至2015年人類活動強度數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-08-16). DOI: 10.11922/sciencedb.631.