基于GIS的岷江上游流域土地利用/覆被變化研究

李茂嬌,楊　斌,詹金鳳,高桂勝,王世舉

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

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基于GIS的岷江上游流域土地利用/覆被變化研究

李茂嬌,楊斌,詹金鳳,高桂勝,王世舉

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

摘要：以岷江上游流域?yàn)閷ο螅x取3期9景TM/+ETM遙感影像，通過多步驟最大似然監(jiān)督分類、變化檢測，結(jié)合空間動(dòng)態(tài)分析測算模型，分析近20年土地利用/覆被變化情況。結(jié)果表明：從整個(gè)流域分析，林地面積減少，主要轉(zhuǎn)化為未利用地、建設(shè)用地和耕地；未利用地在前8年以每年3.7%、后8年以每年0.4%的速度增加；建設(shè)用地在1994—2002年以每年34%的速度增加，到2002—2010年增長速度減緩；耕地總面積減少54 431 hm2;從縣域分析，1994—2002年間，松潘和黑水縣大面積林地轉(zhuǎn)為未利用地；2002—2010年間，松潘縣未利用地轉(zhuǎn)為林地和建設(shè)用地，茂縣和汶川縣未利用地面積大幅增加。該研究結(jié)論不僅為國土資源管理部門優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，亦為當(dāng)?shù)卣畬?shí)現(xiàn)生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：LUCC；GIS；多步驟分類法；轉(zhuǎn)移變化；空間分析

土地利用/覆被變化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)是全球變化的重要組成部分，是社會(huì)、生態(tài)和物理過程相互作用的結(jié)果[1-2]。到20 世紀(jì)90年代，LUCC研究已成為全球環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容和多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)問題[3]。岷江上游是長江上游的重要水源區(qū)，也是成都平原和岷江中下游地區(qū)的綠色水庫和生態(tài)屏障[4]，亦是我國廣大山地自然環(huán)境復(fù)雜性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展邊緣性、社會(huì)文化過渡性的典型代表[5]。該流域地形地貌復(fù)雜，人地矛盾突出，是我國生態(tài)脆弱帶和《全國生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃》中的重點(diǎn)治理區(qū)域[6]。在GIS和RS技術(shù)支持下[7]，采用多步驟監(jiān)督分類法和空間動(dòng)態(tài)分析測算模型研究岷江上游流域LUCC，定量分析流域土地利用/覆被演變過程，有利于為國土資源管理部門優(yōu)化岷江上游流域土地利用結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)，亦為該區(qū)域乃至整個(gè)長江上游流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和資源可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1研究區(qū)概況

岷江上游流域地處四川盆地丘陵山地向川西北高原過渡地帶，在行政區(qū)劃上隸屬于四川省汶川、理縣、茂縣、黑水和松潘縣[8]，地形起伏多變，地貌主要為中、高山地，嶺谷相對高度在1 500～3 000 m之間，氣候、植被、土壤等自然要素呈垂直帶譜分布顯著。長期以來，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，近年隨著人口急劇增長，自然資源被大量挖掘，生態(tài)環(huán)境遭到極大破壞，水土流失加劇，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，干旱河谷面積不斷擴(kuò)大，尤其在汶川大地震的劇烈擾動(dòng)下，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化加劇，對成都平原及長江中下游生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

2研究數(shù)據(jù)及技術(shù)路線

2.1數(shù)據(jù)源

采用中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的1994、2002及2010年3個(gè)不同時(shí)期的TM/+ETM遙感影像、1∶25萬地形資料數(shù)據(jù)、國土資源部2007年8月發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB-T21010-2007)》、岷江上游5縣1994—2010年統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1預(yù)處理

在GIS技術(shù)支持下，應(yīng)用岷江上游流域1994、2002和2010年3個(gè)時(shí)期的遙感影像，進(jìn)行預(yù)處理(包括勻色、幾何精校正、融合、鑲嵌、裁剪、大氣校正、影像增強(qiáng)等)[9-11]。

2.2.2影像分類

1)分類標(biāo)準(zhǔn)的確定：鑒于TM影像分辨率為30 m，以國土資源部發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2007)》為參照，以提高分類精度、減小分類誤差為目標(biāo)，結(jié)合岷江上游土地利用實(shí)際情況，將林地、草地、園地面積合并在一起研究，研究過程中統(tǒng)稱為“林地”；城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地和其他建設(shè)用地歸并一類，稱“建設(shè)用地”；冰川和未利用地面積合并在一起，統(tǒng)稱“未利用地”；“耕地”和“水域”各為一類。因此，在本次研究中共分為5大類。

2)分類方法：從各地物光譜特征、在波段及其組合上的可分性入手，選擇最佳波段組合：B5、B4、B3。植入多步驟分類法的思想，從較易分離的水域開始，采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，再將原始影像圖上的水域掩膜掉，避免對其他地物提取造成影響，以此重復(fù)操作[12-13]，依次提取出水域、未利用地、林地、建設(shè)用地、耕地。圖1為1994、2002、2010年3個(gè)不同時(shí)期的土地利用分類結(jié)果圖。

圖1　土地利用分類圖

2.2.3精度驗(yàn)證

將1994、2002、2010年分類結(jié)果圖與影像進(jìn)行對比，得出精度評(píng)價(jià)Kappa系數(shù)分別為0.903 4、0.892 5、0.909 1。

2.2.4變化檢測

研究岷江上游LUCC，僅僅得出不同時(shí)空尺度下土地利用空間分布情況還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為反映該流域土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化過程，挖掘LUCC演變信息，對不同時(shí)期土地利用/覆被現(xiàn)狀作變化檢測，圖2、圖3為土地利用變化檢測結(jié)果。

圖2　1994—2002年土地利用變化檢測圖

圖3　2002—2010年土地利用變化檢測圖

3研究方法

空間分析測算模型(見圖4)與傳統(tǒng)數(shù)量分析模型相比較，將土地利用空間區(qū)位固定性、獨(dú)特性及其動(dòng)態(tài)變化空間過程和相關(guān)屬性考慮進(jìn)去，明確反映出土地利用的新增、轉(zhuǎn)移面積，能夠更加準(zhǔn)確、精細(xì)明了地刻畫和測算土地利用動(dòng)態(tài)變化的主要過程[14-15]。相關(guān)計(jì)算公式如下[16]：

圖4　土地利用動(dòng)態(tài)變化的空間涵義

100%,

100%,

CCLi=IRLi-TRLi,

式中:IRLi為第i種土地利用類型在t1→t2期間的新增速率；TRLi為轉(zhuǎn)移速率；CCLi為總的變化速率；S1為區(qū)域總的轉(zhuǎn)移速率;S2為區(qū)域總的新增速率。

4結(jié)果與分析

以變化檢測所得轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用空間動(dòng)態(tài)分析測算模型，研究岷江上游流域土地利用/覆被演變過程，得出各地類轉(zhuǎn)移、新增面積以及變化速度。結(jié)果如表1、表2所示。

分析表明，岷江上游流域土地利用以林地、未利用地、耕地為主，1994—2010年間各類土地面積均發(fā)生顯著變化，1994—2002年，岷江上游北部和中部林地面積明顯減少，未利用地面積增加；2002—2010年，東部和南部林地面積變化明顯，未利用地面積增加，除其他原因外，2008年“5.12”地震的發(fā)生成為該地區(qū)林地面積急劇減少的主要原因之一。

表1　1994年—2002年岷江上游土地利用動(dòng)態(tài)變化

表2　2002年—2010年岷江上游土地利用動(dòng)態(tài)變化

從整個(gè)流域分析，1994—2010年期間，前8年林地轉(zhuǎn)為其它土地類型面積588 635.5 hm2，新增面積為34 588.3 hm2，總面積減少554 047.2 hm2，以每年4.7%的速度減少，主要轉(zhuǎn)化為未利用地和建設(shè)用地；后8年以每年1.0%的速度減少，減少面積為72 594.9 hm2，主要轉(zhuǎn)化為未利用地和耕地。未利用地前8年以每年3.7%、后8年以每年0.4%的速度增加，其中大部分由林地轉(zhuǎn)變過來。建設(shè)用地面積在1994—2002年間急劇增加，每年增長速度達(dá)到34%，總面積增加48 437.5 hm2。2002—2010年總面積增加速度逐漸減緩，其中新增面積為54 503.1 hm2，轉(zhuǎn)移面積為31 593.9 hm2，這與2008年“5.12”地震緊密聯(lián)系。1994—2010年間耕地面積一直在減少，以2002年為節(jié)點(diǎn)分別為7.1%、5.8%，總面積減少54 431 hm2。

從縣域分析，1994—2002年，松潘和黑水縣林地和未利用地變化最為顯著，林地大面積減少且主要轉(zhuǎn)化為未利用地；2002—2010年，松潘縣土地利用狀況有所好轉(zhuǎn)，林地面積增加，未利用地減少，另外由于2003年九寨溝飛機(jī)場的建設(shè)，大面積林地草地被砍伐，建設(shè)用地面積大幅增加，期間理縣土地利用變化相對穩(wěn)定，而茂縣和汶川未利用地急劇增加，干旱河谷面積持續(xù)增加，2008年“5.12”地震和縣域劇烈的人類活動(dòng)，大面積建筑損壞，崩滑流災(zāi)害不斷，這是導(dǎo)致未利用地面積大幅增加的重要原因之一。

5結(jié)束語

采用多步驟最大似然監(jiān)督分類法，提取岷江上游流域近20年土地利用類型，結(jié)合空間動(dòng)態(tài)分析測算模型，深入研究岷江上游流域LUCC。分析表明，岷江上游流域土地利用/覆被時(shí)空變化特征顯著，林地和耕地面積轉(zhuǎn)移總面積大于新增面積，總體呈減少趨勢；而未利用地、建設(shè)用地總體變化趨勢與此相反。通過流域近20年統(tǒng)計(jì)年鑒及其他相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的進(jìn)一步驗(yàn)證，研究結(jié)果符合岷江上游流域?qū)嶋H情況。土地利用/覆被現(xiàn)狀及其演變過程只是LUCC研究的初步探討，未來的研究將以土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力為方向展開，探求不同空間尺度上驅(qū)動(dòng)力之間的聯(lián)系，對土地利用/覆被變化建模并對未來進(jìn)行預(yù)測。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Research on land use/cover change on the upper of Minjiang River based on GISLI Maojiao，YANG Bin，ZHAN Jinfeng,GAO Guisheng,WANG Shiju

(College of Environment and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010,China)

Abstract：With the upper reaches of Minjiang River as the research object,this paper adopts 3 periods and 9 scenes from TM/ETM+remote sensing image data.Through visual interpretation,multi-step maximum likelihood supervised classification,change detection,combined with the spatial dynamic analysis calculation model,it analyzes the land use/cover changes of the basin in recent 20 years.The results show that:(1)considering the overall basin,area of woodland is declining,mainly converted into unused land,construction land and cultivated land.Unused land has increased respectively at the rate of 3.7% and 0.4% per year.Construction land has increased sharply at rate of 34% per year from 1994 to 2002,and the speed of growth has slowed down from 2002 to 2010.Arable land has decreased 54 431 hm2;(2)considering the county space,area of woodland has been converted into unused land in Songpan and Heishui from 1994 to 2002.From 2002 to 2010,the area of unused land hasbeen converted into woodland and construction land in Songpan,of which the land use/cover change in Lixian is relatively stable, and unused area greatly increases in Maoxian and Wenchuan,mainly distributed in the drought river valley.The results can be used not only for land and resources management departments to optimize the land use structure,but also for the local government to realize sustainable development of ecological resources.

Key words：Land Use/Cover Change(LUCC)；Geographic Information System(GIS)；multi-step classification；transfer-change；spatial analysis

中圖分類號(hào)：P208；TP75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)06-0041-05

通訊作者：楊斌(1979-)，男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師.

作者簡介：李茂嬌(1990-)，女，碩士研究生.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201541)

收稿日期：20150310-5；修回時(shí)間：2015-10-02