西遼河平原土地利用/覆被變化特征分析

何俊仕，王志新，付玉娟，高振東(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110161)

0 引 言

土地利用/覆被變化(LUCC)是環(huán)境變化的主要原因之一，其主要驅(qū)動(dòng)力是自然條件的改變以及人為活動(dòng)的影響[1]。目前國內(nèi)外對(duì)于土地利用/覆被變化的研究主要集中在土地利用變化特征及趨勢(shì)[2,3]、驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[4,5]等方面。本研究基于Landsat衛(wèi)星TM/ETM+的1995年、2005年和2014年3期遙感影像為基礎(chǔ)，分析19年來西遼河平原區(qū)土地利用/覆被的演變特征，為預(yù)測(cè)未來土地利用變化的方向提供依據(jù)，并為西遼河流域土地資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

西遼河平原地處中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的東段三北交界區(qū)，位于北緯41°05′～45°13′和東經(jīng)116°32′～124°30′之間，大部分在通遼境內(nèi)，局部位于赤峰境內(nèi)，小部分屬于遼寧省和吉林省，總面積為52 563 km2。地形總體趨勢(shì)為自西、西南、西北方向向東、東南、東北方向緩傾斜，主要地貌單元為沖積平原。西遼河平原屬于干旱和半干旱大陸性氣候區(qū)，大部分地區(qū)多年平均氣溫5～6 ℃，多年平均降雨量在380 mm，主要集中在6-8月份。多年平均蒸發(fā)量在1 800～2 100 mm(蒸發(fā)皿為20 cm口徑)，以4-6月份蒸發(fā)量最大。西遼河平原土壤主要是鈣栗土，質(zhì)地為黏土、壤土和沙土。河流多為過境河流，主要河流有西遼河及支流老哈河、西拉木倫河、新開河、烏力吉木仁河和教來河。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以地形圖和Landsat衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。運(yùn)用1995年、2005年、2014年3期7景時(shí)相均為7-9月，云量低于10%，影像質(zhì)量較好的TM/ETM+遙感影像，結(jié)合通遼市1∶50 000地形圖以及實(shí)地調(diào)研資料對(duì)西遼河平原區(qū)土地利用變化時(shí)空演變特征進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1圖像預(yù)處理

本研究對(duì)研究區(qū)3期7景遙感影像在ENVI遙感處理軟件的支持下，進(jìn)行了幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、影像裁剪及圖像增強(qiáng)等處理[6]，首先在三期遙感影像范圍內(nèi)均勻選取15個(gè)地物特征位置，如主要的交通道路交叉口、規(guī)則建筑物的棱角及特殊點(diǎn)位等作為地面控制點(diǎn)(GCP)進(jìn)行幾何糾正，對(duì)控制點(diǎn)平差后的影像幾何均方差(RMS)控制在一個(gè)像元內(nèi)。對(duì)裁剪后的流域影像圖使用基于概率統(tǒng)計(jì)的濾波法(Occurrence measures)進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，以突出影像中的線狀地物及局部細(xì)部特征等紋理特征，使得圖像中的色調(diào)在空間上的變化明顯化，從而提高影像解譯的精度。

2.2.2監(jiān)督分類

土地利用分類參考中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的土地資源分類系統(tǒng)，結(jié)合西遼河平原的自然條件，將研究區(qū)劃分為耕地、草地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類型。

土地利用類型的解譯采用ENVI軟件人機(jī)交互的人工目視解譯法對(duì)各時(shí)期的圖像進(jìn)行解譯，選擇最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類。該方法是根據(jù)已知訓(xùn)練區(qū)提供的典型樣本，通過選擇特征參數(shù)，求出特征參數(shù)作為決策規(guī)則，建立判別函數(shù)以對(duì)各個(gè)待分類影像進(jìn)行的圖像分類。分類精度能夠滿足研究要求，同時(shí)該分類器分類效果好，且適用性強(qiáng)。

2.2.3分類后處理

分類后處理主要包括：主/次要分析(Majority/Minority Analysis)、聚類分析(clump)、過濾處理(Sieve)等。本研究主要進(jìn)行了聚類分析以及過濾處理。通過上述處理，通過濾波功能消除被隔離的分類像元，并將臨近的類似分類區(qū)域結(jié)合在一起，最終獲得研究區(qū)土地利用分類結(jié)果。通過ArcGIS數(shù)據(jù)處理平臺(tái)制作土地利用分類圖，并通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)出不同時(shí)期各土地利用類型的面積、動(dòng)態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 研究方法

2.3.1土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度是指某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[7,8]。包括單一土地利用動(dòng)態(tài)度和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。本研究選用單一土地動(dòng)態(tài)度，其表達(dá)式為：

(1)

式中：K表示研究時(shí)段內(nèi)某一種土地類型單一動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別表示研究期初與研究期末某一種土地類型的數(shù)量；T表示研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T的單位為年時(shí)，K即為研究區(qū)內(nèi)某一種土地利用類型的年變化率。

2.3.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以顯示從某一年到另外一年間某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化[9,10]。它反映的是在特定的時(shí)間間隔下，某一類型由T1時(shí)刻向T2時(shí)刻轉(zhuǎn)化的過程，即某一類型土地有多少發(fā)生了轉(zhuǎn)變，又有多少保持不變。其模型表達(dá)如表1。

表1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.1 Land use transfer matrix

表1中，行表示T1時(shí)點(diǎn)土地利用類型，列表示T2時(shí)點(diǎn)土地利用類型。Pij表示T1-T2期間土地類型i轉(zhuǎn)換為土地類型j的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1-T2期間i種土地利用類型保持不變的面積百分比。Pi+表示T1時(shí)點(diǎn)地類i的總面積百分比。P+j表示T2時(shí)點(diǎn)j種土地利用類型的總面積百分比。Pi+-Pii為T1-T2期間地類i面積減少的百分比；P+j-Pjj為T1-T2期間地類j面積增加的百分比。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用/覆被變化幅度

土地利用/覆被變化主要是指土地面積的變化，即通過各類型土地面積總量的變化來反映土地利用結(jié)構(gòu)的變化形式。通過ENVI對(duì)研究區(qū)3期TM/ETM+遙感影像進(jìn)行分類解譯后，得到如圖1所示結(jié)果。

通過分類后處理后，對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要采用總體分類精度與Kappa系數(shù)來表示。評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

其中：1995年總體分類精度=88.895 3%，Kappa系數(shù)=0.884 5；2005年總體分類精度=87.792 4%，Kappa系數(shù)=0.870 3；2014年總體分類精度=87.890 7%，Kappa系數(shù)=0.872 3。

分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：3期影像的分類結(jié)果均較好。各類型土地利用的面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，研究區(qū)1995年到2014年的土地利用發(fā)生了如下變化：

建設(shè)用地和耕地面積都發(fā)生了大幅增長(zhǎng)。其中，建設(shè)用地面積19 a間從308.379 km2增加到701.904 km2，增長(zhǎng)了一倍；耕地面積由1 4709.064 km2增加到22 389.084 km2，增長(zhǎng)了52.2%。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2005-2014年的土地利用面積變化幅度要比1995-2005年的增長(zhǎng)幅度大。

圖1 西遼河平原土地利用分類圖Fig.1 Land use classification map of West Liao River Plain

表2 各類型土地利用面積統(tǒng)計(jì)表 km2Tab.2 Statistical table of all types of land use

水域、未利用土地、草地的面積都有不同程度的縮減。其中，水域面積由644.290 km2縮減到176.982 km2,縮減了72.53%，這是由于在通遼境內(nèi)的西遼河近些年出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷流現(xiàn)象所導(dǎo)致的；草地面積也由原來的26 208.472 km2減少到21 096.652 km2，這是由于近年來畜牧業(yè)發(fā)展較為迅速，因此草地的退化程度在逐漸惡化。

3.2 土地利用/覆被變化動(dòng)態(tài)度

由上述單一土地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式計(jì)算得到近19年西遼河平原區(qū)土地利用的動(dòng)態(tài)度K的值，結(jié)果如表3所示。

表3 西遼河平原區(qū)土地利用面積變化Tab.3 Changes of land use area in West Liao River Plain

由表3可知，綜合19年的土地利用變化動(dòng)態(tài)度可以發(fā)現(xiàn)，西遼河平原區(qū)的土地動(dòng)態(tài)變化主要以建設(shè)用地的大幅增加以及水域與林地的縮減為主，其動(dòng)態(tài)度分別達(dá)到了6.716%、-3.817%和-3.829%。其中：1995-2005年的10 a間，水域面積以-6.106%的年變化率大幅減少，未利用土地與林地也有一定程度的縮減；2005-2014年的9 a間，以建設(shè)用地的大幅增加為主，年變化率達(dá)到了13.235%，耕地面積也在以3.058%的年變化率增長(zhǎng)，但水域與林地面積依然在逐漸縮減。

3.3 土地轉(zhuǎn)移矩陣

除了通過統(tǒng)計(jì)地類面積、計(jì)算動(dòng)態(tài)度來反映土地利用在數(shù)量上的變化以外，還可以根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來定量描述始末狀態(tài)土地利用的轉(zhuǎn)移情況。根據(jù)西遼河平原區(qū)3期遙感影像的分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)出1995-2005年和2005-2014年兩個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分別如表4、表5所示。

表4 1995-2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %Tab.4 Land use transfer matrix from 1995 to 2005

表5 2005-2014年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %Tab.5 Land use transfer matrix from 2005 to 2014

由轉(zhuǎn)移矩陣可以得出：兩個(gè)時(shí)段內(nèi)各土地利用類型均有轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出。

1995-2005年間：除了耕地與草地的轉(zhuǎn)化比例較低外，其他類型土地的轉(zhuǎn)移比例均超過50%。其中：有40.442%的未利用土地轉(zhuǎn)化為草地，49.491%的林地轉(zhuǎn)化為耕地，草地與耕地面積的增加與人口的增長(zhǎng)以及畜牧業(yè)的發(fā)展具有很大的關(guān)系。此外，有20.864%的水域面積轉(zhuǎn)化為未利用土地，這是由于1999年開始西遼河因干旱出現(xiàn)連續(xù)6年的斷流現(xiàn)象造成的。

2005-2014年間：建設(shè)用地與耕地的轉(zhuǎn)化比例較小，其他類型土地的轉(zhuǎn)移比例仍然高于40%。其中：草地面積的27.999%與林地面積的38.920%均轉(zhuǎn)化為耕地，這是由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，導(dǎo)致人口持續(xù)增長(zhǎng)，造成糧食需求量增大；同時(shí)由于干旱斷流造成部分河灘地也被開墾成耕地，因此耕地面積增長(zhǎng)迅速。此外，由于西遼河平原降水量較少，干旱影響林草地的生長(zhǎng)，同時(shí)畜牧業(yè)發(fā)展迅速，這兩方面原因就導(dǎo)致11.351%的草地與21.536%的林地轉(zhuǎn)化為未利用地。

3.4 驅(qū)動(dòng)力分析

土地利用/覆被變化受自然與人文因素的影響，其中自然因素在較短的十幾年間的變化較社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素變化緩慢，影響也相對(duì)較小，因此社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素占據(jù)主導(dǎo)地位。

(1)自然因素方面，西遼河平原區(qū)主要受氣溫與降水的影響。西遼河平原區(qū)降水量較少，且夏季氣溫較高，蒸發(fā)量大，干旱導(dǎo)致西遼河常年斷流，致使水域面積在不斷縮減，林、草地有一定程度的退化，而未利用土地有一定程度的增加。

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面，主要是人類活動(dòng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面的影響。人口是影響土地利用/覆被變化的主要驅(qū)動(dòng)力之一。其中人口增長(zhǎng)最主要的影響即為建設(shè)用地與耕地面積的增加。因?yàn)槿祟愅ㄟ^改變土地利用的類型與結(jié)構(gòu)來滿足對(duì)生存環(huán)境的需求，因此直接影響了土地利用/覆被的變化。除此之外，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素也影響著土地利用/覆被的變化。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，導(dǎo)致城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，同時(shí)西遼河平原區(qū)GDP的增長(zhǎng)主要依靠第一產(chǎn)業(yè)，其中農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)占據(jù)很大比重，農(nóng)業(yè)的發(fā)展就要求耕地面積需要不斷增長(zhǎng)，而畜牧業(yè)的發(fā)展則導(dǎo)致草地面積逐步縮減。

4 結(jié) 語

本研究綜合運(yùn)用RS與GIS技術(shù)，通過對(duì)西遼河平原區(qū)1995年、2005年和2014年3期遙感影像分類解譯，分析結(jié)果得出土地利用/覆被變化的特征如下：水域、林地與未利用土地發(fā)生了大面積的流出，這反映出西遼河流域生態(tài)的脆弱性；草地的面積波動(dòng)較小，主要受到自然條件與畜牧業(yè)的影響；建設(shè)用地與耕地面積在大幅增加，這反映了西遼河平原區(qū)人口增長(zhǎng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)該地區(qū)的土地利用影響較為強(qiáng)烈。

土地利用/覆被變化的驅(qū)動(dòng)因子較多。其中：經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)與國家宏觀政策的調(diào)控是西遼河平原區(qū)建設(shè)用地與耕地面積變化的主要影響因素；而氣候的變化與畜牧業(yè)的發(fā)展則共同驅(qū)動(dòng)著草地面積的變化。因此自然因素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是影響西遼河平原區(qū)土地利用/覆被變化較大的兩種驅(qū)動(dòng)力。

□

[1] 李傳哲,于福亮,劉 佳,等.近20年來黑河干流中游地區(qū)土地利用/覆被變化及驅(qū)動(dòng)力定量研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(3):353-363.

[2] 黃 方,張學(xué)敏.白山市土地利用/覆被變化軌跡分析與趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2015,23(3):439-451.

[3] 孫小舟,周致遠(yuǎn),劉雙圓,等.鄂北崗地土地利用變化特征研究[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,51(4):109-113.

[4] 張 楊,劉艷芳,顧漸萍,等.武漢市土地利用覆被變化與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究[J].地理科學(xué),2011,(10):1 280-1 285.

[5] 趙銳鋒,姜朋輝,陳亞寧,等.塔里木河干流區(qū)土地利用/覆被變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].地理科學(xué),2012,32(2):244-250.

[6] 鄧書斌,陳秋錦,杜會(huì)建,等.ENVI遙感圖像處理方法[M]. 北京：高等教育出版社,2014.

[7] 姚安坤,張志強(qiáng),郭軍庭,等.北京密云水庫上游潮河流域土地利用/覆被變化研究[J].水土保持研究,2013,20(2):53-59.

[8] 楊 霞,衛(wèi)智軍,運(yùn)向軍.北方典型草原區(qū)近30年土地覆被變化研究——以錫林浩特市為例[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,20(4):196-204.

[9] 王 豐,劉書明,盧文虎,等.基于遙感的天津?yàn)I海新區(qū)土地利用/覆被變化分析[J].海洋通報(bào),2014,33(6):683-689.

[10] 陳海燕,邵全琴,安 如.1980s-2005年內(nèi)蒙古地區(qū)土地利用/覆被變化分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2013,15(2):225-232.