基于TM／ETM＋綠洲城市土地利用時(shí)空演變分析——以新疆奎屯市為例

余慧容，蒲春玲，劉志有，李 玉

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，烏魯木齊830052）

區(qū)域尺度的土地利用／覆被變化研究是LUCC研究的重點(diǎn)和全球環(huán)境變化研究的重要組成部分［1－3］，其能夠在時(shí)間和空間上較好地反映出研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化，為區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論依據(jù)［4－5］。綠洲城市作為一種位于干旱區(qū)特殊自然條件下的城市類型，是干旱區(qū)內(nèi)部人類生產(chǎn)、生活的集聚中心，也是人地關(guān)系最為敏感的區(qū)域。但迄今為止針對(duì)綠洲城市的研究仍相對(duì)薄弱［6］，對(duì)綠洲城市的土地利用／覆被變化進(jìn)行系統(tǒng)研究的更為少見。鑒于此，本研究以新疆典型的綠洲城市——奎屯市為例，借助“3S”技術(shù)，從數(shù)量、空間遷移等角度對(duì)綠洲城市的土地利用時(shí)空演變狀況進(jìn)行全面地分析探討，以期為綠洲城市的土地利用變化研究和土地可持續(xù)發(fā)展政策制定提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況

奎屯市位于天山北麓山前凹陷地帶，準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣，轄1鄉(xiāng)（開干齊鄉(xiāng)）和5個(gè)街道辦事處，是新疆北部地區(qū)主要的交通樞紐和天山北坡的重要經(jīng)濟(jì)增長極。地理位置為東經(jīng)84°47′—85°15′，北緯44°20′—44°49′；屬?zèng)_洪積傾斜平原地貌，地勢(shì)西高東低，南高北低；地表多為戈壁或亞砂土，其土種質(zhì)地多屬砂壤土，沒有明顯的腐殖質(zhì)層，有機(jī)質(zhì)含量少；氣候?qū)俦睖貛Т箨懶詺夂?，夏熱冬寒，四季較分明，氣溫日（年）差較大，降水量少，年均潛在蒸發(fā)量約是年均降水量的9倍；地表水主要來自奎屯河水和市區(qū)北部的泉水、溝湖；地下水主要靠河床滲漏補(bǔ)給。2009年奎屯市總?cè)丝?5.29萬人，非農(nóng)業(yè)人口14.68萬人；有29個(gè)民族，其中少數(shù)民族人口1.10萬人，占總?cè)丝诘?.2%。奎屯市總面積406km2，耕地、草地和城鄉(xiāng)居民工礦用地是奎屯市的優(yōu)勢(shì)地類，三者之和占土地總面積的92.88%，而林地、水域和未利用地分別僅占土地總面積的3.06%，2.51%，1.54%。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文主要基于研究區(qū)3期遙感影像，分別是：1993年（時(shí)相9月4日，分辨率30m）、2009年（時(shí)相6月5日，分辨率30m）的TM影像及2001年（時(shí)相6月5日，分辨率30m）的ETM＋影像。此外，為提高解譯精度，本文還借助奎屯市1996年（一調(diào)數(shù)據(jù)，比例尺1∶50 000）、2003年（變更數(shù)據(jù)，比例尺1∶50 000）及2009年的土地利用現(xiàn)狀圖（二調(diào)數(shù)據(jù)，比例尺1∶10 000），奎屯市行政轄區(qū)圖及地形圖來輔助解譯。

考慮到與ArcGIS軟件的融合度，本文采用ENVI 4.8軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理（輻射校正、幾何校正、波段組合、影像裁剪）及土地利用信息的提?。ūO(jiān)督分類），得到研究區(qū)三個(gè)時(shí)期的土地利用圖。最后借助實(shí)地勘測調(diào)查、第一、二次全國土地大調(diào)查數(shù)據(jù)及變更數(shù)據(jù)建立隨機(jī)樣點(diǎn)集，在ENVI 4.8平臺(tái)下運(yùn)用混淆矩陣法（Error Matrix）將奎屯市3期遙感圖像的處理結(jié)果與隨機(jī)樣本點(diǎn)集對(duì)比，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，得到1993年、2001年和2009年的總體分類精度分別為88.57%，86.53%，89.69%，符合誤差矩陣的精度要求。土地利用分類主要參照1992年中國科學(xué)院“八五”重大應(yīng)用項(xiàng)目“國家資源與環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動(dòng)態(tài)研究”中的土地資源分類系統(tǒng)，并結(jié)合研究區(qū)的影像特征，分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地6大類。

2.2 研究方法

在ArcGIS 9.0平臺(tái)下，對(duì)1993年、2001年和2009年3個(gè)不同時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行疊加、代數(shù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)，得到不同時(shí)期土地利用變化數(shù)據(jù)和各地類的空間遷移狀況，以及研究區(qū)1993—2001年、2001—2009年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并借用Markov模型對(duì)土地利用變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測，從多角度得到研究區(qū)土地利用時(shí)空演變特征。

2.2.1 土地利用變化率 土地利用變化率（Ri）是某一時(shí)段土地利用類型面積的變化程度，反映不同土地利用類型在數(shù)量上的變化，有利于了解土地利用變化總態(tài)勢(shì)和土地利用結(jié)構(gòu)變化。其計(jì)算公式如下［7－8］：

土地利用變化率：

式中：Ua，Ub——研究期初和研究期末第i種土地利用類型的面積。

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度 土地利用變化動(dòng)態(tài)度分為單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，單一土地利用動(dòng)態(tài)度（Ki）是用于描述一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化的幅度與速度；綜合土地利用動(dòng)態(tài)度（D）反映的是某個(gè)地區(qū)土地利用類型整體的穩(wěn)定性。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下［9］：

單一土地利用動(dòng)態(tài)度：

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度：

式中：Ua，Ub——研究期初和研究期末第i種土地利用類型的面積；n——土地利用類型的個(gè)數(shù)；T——研究時(shí)段長（時(shí)間間隔），單位為年。

2.2.3 馬爾科夫（Markov）模型 馬爾科夫（Markov）模型是基于馬爾科夫鏈（Markov Chain），通過對(duì)系統(tǒng)不同狀態(tài)的初始概率以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率來確定各狀態(tài)將來各個(gè)時(shí)刻的變化趨勢(shì)，具有“無后效性”，即某隨機(jī)過程在t＋1時(shí)刻的狀態(tài)只與t時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)，與以前的狀態(tài)無關(guān)，而這一性質(zhì)對(duì)于研究土地利用動(dòng)態(tài)變化較為適宜［10－11］。其一級(jí)轉(zhuǎn)移概率矩陣為：

具有以下性質(zhì)：

其中∏1為一級(jí)轉(zhuǎn)移后的狀態(tài)向量。

根據(jù)齊次馬爾科夫鏈的性質(zhì)可計(jì)算出n級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣為Pn＝Pnn（n≥2，3，…），且n級(jí)狀態(tài)向量為∏1＝∏0Pn0，以此為依據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

奎屯市1993—2009年土地利用類型面積及其變化見表1。由表1可知，研究區(qū)的土地利用類型以草地、耕地和城鄉(xiāng)居民工礦用地為主，三者之和在3個(gè)時(shí)期均占研究區(qū)總面積的90%以上。近16a來，奎屯市土地利用發(fā)生了顯著變化。1993—2009年間，奎屯市耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，而草地、水域和未利用地減少，耕地變化幅度最大，林地與草地次之。

從分時(shí)段看，1993—2001年間耕地、林地、城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加，草地、水域、未利用地面積減少，耕地的變化程度（變化率的絕對(duì)值）最大，未利用地次之，城鄉(xiāng)居民工礦用地變化最?。?001—2009年間除草地減少外，其他地類增加，變化程度以耕地增加最為顯著，未利用地和水域變化較小。

在土地利用動(dòng)態(tài)度方面，奎屯市1993—2009年間的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為29.22%，其中2001—2009年間每年的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為34.25%，明顯大于1993—2001年間的19.75%，說明1993—2009年這16a間奎屯市土地利用類型發(fā)生了較大的替代和變更，其中以2001—2009年間的變化尤為顯著。從單一土地利用動(dòng)態(tài)度看，1993—2009年耕地、林地、草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地動(dòng)態(tài)度較大，說明這4類用地變化程度較大，而水域和未利用地則相對(duì)較為穩(wěn)定。

表1 1993－2009年奎屯市土地利用類型面積及其變化

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換

3.2.1 轉(zhuǎn)移矩陣分析 轉(zhuǎn)移矩陣可以用來全面具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)、特征及各用地類型變化方向，其方法基于馬爾科夫模型。在GIS技術(shù)支持下，將3期土地利用圖進(jìn)行疊加分析，得到不同時(shí)期土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換矩陣（表2—3）。

表2 1993－2001年奎屯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

表3 2001－2009年奎屯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 %

由表2—3可知，1993—2009年研究區(qū)地類間發(fā)生了較大程度的轉(zhuǎn)移：耕地新增主要來源于草地和水域；林地流向主要是城鄉(xiāng)工礦居民用地；草地流向以耕地為主，其次是城鄉(xiāng)工礦居民用地；水域主要轉(zhuǎn)化為草地或耕地；城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加來源于草地、林地和耕地；未利用地主要流向?yàn)椴莸睾统青l(xiāng)居民工礦用地。

分時(shí)間段上看，2001—2009年奎屯市地類轉(zhuǎn)移程度遠(yuǎn)大于1993—2001年。1993—2001年間，以林地、水域變化較為顯著；耕地變化較小，自身的繼承比例較大；林地流向主要是耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地；草地以流向耕地為主；水域主要轉(zhuǎn)化為草地或耕地；城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加來源于草地和耕地；未利用地流向有耕地、草地、城鄉(xiāng)工礦居民用地和林地。而2001—2009年間奎屯市草地變化幅度最大，主要流向?yàn)楦?；部分耕地被轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地；林地增加主要來源于耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地；水域流向主要為耕地和草地；城鄉(xiāng)工礦居民用地增加主要由耕地、林地和草地轉(zhuǎn)化而來；未利用地的流向以草地為主。

3.2.2 空間遷移特征分析 利用ArcGIS平臺(tái)中空間分析工具的柵格計(jì)算模塊得出奎屯市1993—2009年間各類用地的空間遷移狀況（圖1）。

圖1 1993－2009年奎屯市各地類空間遷移狀況

從各類用地空間轉(zhuǎn)換狀況（圖1）可知，耕地面積呈增長趨勢(shì)，增長的空間布局主要在東部的奎屯市開干齊鄉(xiāng)；林地轉(zhuǎn)換主要集中在西部的市區(qū)，增加面積遠(yuǎn)大于減少面積，可見近16a來奎屯市加強(qiáng)了市區(qū)的綠化力度；草地減少幅度十分明顯，主要集中在東部的開干齊鄉(xiāng)、市區(qū)的西部和南部開發(fā)區(qū)；水域的變化主要體現(xiàn)在東部開干齊鄉(xiāng)的沖洪積扇中下部和扇緣區(qū)；城鄉(xiāng)工礦居民用地整體增加，增加面積主要集中在奎屯市南部（城區(qū)和開干齊鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地）；未利用地轉(zhuǎn)變幅度較小，以減少為主，零星分布于東部工礦開采區(qū)及北部的開發(fā)區(qū)北二區(qū)。

3.3 土地利用變化趨勢(shì)預(yù)測

借助馬爾科夫模型的具體運(yùn)算程序，以1993—2009年為基準(zhǔn)，預(yù)測出二級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣概率（n＝2），然后將轉(zhuǎn)移概率和前一年各土地利用類型的面積相乘，對(duì)后一年份（預(yù)測年份）的土地利用類型面積進(jìn)行匯總求和，得到未來16a（即2025年）的土地利用格局（表4）。

表4 奎屯市土地利用動(dòng)態(tài)變化的Markov預(yù)測值

由表4的預(yù)測可以看出，在未來近20a中，按照當(dāng)前的發(fā)展速度，奎屯的耕地與草地的面積將持續(xù)發(fā)生顯著性的變化。其中，耕地面積將由2009年的19 123hm2上升到2025年的25 608hm2；與耕地面積相反，草地面積則將減少，由2009年的13 400hm2減少到2025年的6 000hm2；林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積會(huì)有所增加，分別上升到2025年的2 369 hm2、5 791hm2；而水域和未利用地則呈減少的趨勢(shì)，分別下降到2025年的539hm2（1.34%）、334hm2（0.82%）。

4 結(jié)論

本文以新疆奎屯市作為案例，從數(shù)量、空間等角度較系統(tǒng)地研究了近16a來干旱區(qū)綠洲城市的土地利用時(shí)空演變的過程與特征，主要結(jié)論如下：

（1）近16a來，研究區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)、空間發(fā)生了顯著變化。后8a（2001—2009年）的土地利用變化速率和變化程度遠(yuǎn)大于前8a（1993—2001年），呈現(xiàn)出土地利用變化時(shí)空不均衡的特性。

（2）土地利用結(jié)構(gòu)變化方面，耕地、林地、草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地變化幅度顯著，其中耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，草地減少，但草地、耕地和城鄉(xiāng)居民工礦用地仍是奎屯市的優(yōu)勢(shì)地類；從土地利用類型轉(zhuǎn)換，各地類間更替轉(zhuǎn)換程度大、城鄉(xiāng)差異明顯，東部市區(qū)以城鄉(xiāng)工礦居民用地和林地增加為主要特征，而西部開干齊鄉(xiāng)則主要體現(xiàn)在耕地和草地之間的更替；從變化趨勢(shì)，耕地與草地的面積將持續(xù)發(fā)生顯著性的變化，耕地增加，草地減少，林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積會(huì)有所增加，而水域和未利用地則呈減少的趨勢(shì)。

該區(qū)域的土地利用變化驅(qū)動(dòng)力和土地利用優(yōu)化配置是后續(xù)研究的主要方向。

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