基于TM影像的漳河流域土地利用時(shí)空演變分析

張玉杰，劉新俠，張安兵，王賀封

(1.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

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基于TM影像的漳河流域土地利用時(shí)空演變分析

張玉杰1，2，劉新俠1，張安兵1，2，王賀封1，2

(1.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

摘要：為獲取和進(jìn)一步探討漳河流域土地利用時(shí)空演變規(guī)律，基于1993、2006及2010年3期Landsat TM 遙感影像數(shù)據(jù)和2011年SPOT5高分影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析功能與ENVI動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能對(duì)流域土地利用時(shí)空演變特征進(jìn)行研究。分析結(jié)果顯示：1993-2010年，漳河上游區(qū)域下墊面土地利用發(fā)生了巨大改變；耕地和裸地呈減少趨勢(shì)，各減少411.23、341.11 km2；林地、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地和水域用地分別增加了656.8、72.01、23.53 km2；耕地與裸地主要轉(zhuǎn)入林地，部分耕地轉(zhuǎn)入城鎮(zhèn)與建設(shè)用地。

關(guān)鍵詞：TM影像；土地利用/覆被變化；漳河流域

土地利用/覆被變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)環(huán)境的變化。它反應(yīng)了不同時(shí)期人類(lèi)出于各種目的對(duì)土地利用方式的改變。這種變化既包括土地資源數(shù)量、質(zhì)量隨時(shí)間的變化，也包括土地利用空間格局的變化及土地利用類(lèi)型組合方式的變化[1-2]。近年來(lái)對(duì)土地利用變化的研究成果較多，如朱運(yùn)海等[3]探討了土地利用/覆被變化(LUCC)自動(dòng)檢測(cè)方法，得出綜合應(yīng)用上述方法能夠高效、準(zhǔn)確的自動(dòng)監(jiān)測(cè)出LUCC信息；HAO Hui mei等[4]對(duì)中國(guó)北部農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)的土地利用/覆被變化及引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究；黃寶榮等[5]分析了北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部11年的土地利用/覆被變化情況，總結(jié)了造成該地區(qū)景觀格局演變的主要驅(qū)動(dòng)因子；陳松林[6]、鄒亞榮[7]等研究了土地利用類(lèi)型與土壤侵蝕的分布相關(guān)關(guān)系；陳龍泉[8]等分析了基于Markov-CA的土地利用/土地覆蓋變化動(dòng)態(tài)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證；李忠鋒[9]等利用RS與GIS分析榆林地區(qū)土地利用變化情況，得出該地區(qū)土地利用類(lèi)型發(fā)生了顯著變化；Xiaohe Gu 等[10]基于遙感圖像對(duì)北京地區(qū)近30年土地利用/覆被變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并結(jié)合驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了針對(duì)性分析。漳河上游流域地區(qū)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)不斷加劇，以及自然降雨的減少，土地利用/土地覆被變化較大，土地類(lèi)型間轉(zhuǎn)換頻繁。為探索分析該區(qū)域多年間地表覆被變化狀況，本文利用RS、GIS技術(shù)對(duì)該流域土地利用類(lèi)型變化強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得出該區(qū)域土地類(lèi)型基本變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況

漳河位于海河流域西南部，屬漳衛(wèi)河水系一級(jí)支流，由上游的清漳河和濁漳河匯合而成?？鐣x、冀、豫三省四個(gè)地級(jí)市的22個(gè)縣(市、區(qū))，流域總面積18 284 km2。漳河上游區(qū)域以山區(qū)地貌為主，東部為太行山脈，西部為太岳山脈，兩山之間是長(zhǎng)治盆地，面積1 169 km2，是流域內(nèi)主要農(nóng)耕區(qū)。漳河流域四季分明，屬溫帶大陸性氣候。

2 數(shù)據(jù)與處理

2.1數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)USGS(united states Geological Survey)、中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云(Geospatial Data Cloud)獲得美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat-5)拍攝的1993、2006、2010年的Landsat TM5衛(wèi)星圖像(見(jiàn)表1)，該研究采用空間分辨率為30 m的1-5、7等六個(gè)波段。選取圖像時(shí)，為確保數(shù)據(jù)分析效果，采用了云量低于5%，且直接判讀標(biāo)志(色調(diào)、色彩、紋理、形狀等)較清晰，植被生長(zhǎng)良好、植被生長(zhǎng)狀況近似月份的圖像。需要指出的是1993年植被長(zhǎng)勢(shì)較好的7、8、9月份因圖像云量過(guò)大，不能滿(mǎn)足信息提取的要求，本實(shí)驗(yàn)選取了相近的6、10兩個(gè)月份的圖像予以代替。輔助驗(yàn)證數(shù)據(jù)采用由法國(guó)發(fā)射的spot-5衛(wèi)星拍攝的2011年5 m分辨率遙感圖像。

表1 獲取LANDSAT-5數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

土地利用動(dòng)態(tài)度可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度，它對(duì)描述土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)具有較好的應(yīng)用。單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度和綜合土地動(dòng)態(tài)度都是土地利用資源數(shù)量變化模型，本文采用單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度模型來(lái)進(jìn)行研究區(qū)土地利用變化研究。單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度反映的是某一研究區(qū)域一定時(shí)期內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況，其計(jì)算公式如下：

式中，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期及研究末期某一土地利用類(lèi)型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)， K的值就是該研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的年變化率，當(dāng)K為正值時(shí)，表示該類(lèi)土地的年增加率，K為負(fù)值時(shí)表示該類(lèi)土地的年減少率；K的絕對(duì)值越大說(shuō)明該類(lèi)土地年變化率越大。轉(zhuǎn)移矩陣可全面而又具體地分析區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類(lèi)型變化的方向。該方法來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，為國(guó)際、國(guó)內(nèi)所常用[11]。ENVI軟件具備該項(xiàng)分析功能模塊，本項(xiàng)目采用該模塊進(jìn)行應(yīng)用分析，得出了該區(qū)域土地利用類(lèi)型間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3 漳河上游地區(qū)土地覆蓋變化特征

3.1 土地覆蓋類(lèi)型圖

利用ENVI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以現(xiàn)場(chǎng)采集和SPOT5目視解譯結(jié)果為訓(xùn)練和驗(yàn)證樣本，針對(duì)該研究區(qū)域選取了600個(gè)樣本，并按照2:1的比例進(jìn)行分配，其中訓(xùn)練樣本、驗(yàn)證樣本分別為400、200個(gè)。采用監(jiān)督分類(lèi)方法中的最大似然法(Maximum Likelihood method)進(jìn)行圖像分類(lèi)，通過(guò)該分類(lèi)方法分別提取出1993、2006、2010年各類(lèi)土地覆蓋類(lèi)型的空間分布信息，如圖1。

表2 漳河上游地區(qū)土地覆蓋類(lèi)型面積狀況

3.2 土地覆蓋空間格局與動(dòng)態(tài)變化

(1) 土地覆蓋類(lèi)型統(tǒng)計(jì)分析

由表2可得該地區(qū)土地覆蓋類(lèi)型的具體變化情況，林地、耕地、裸地是漳河上游流域主要土地利用類(lèi)型，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地、水域占地面積較小，兩者占地面積不足2%。1993-2010年，林地、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地及水域占地面積均呈增加趨勢(shì)，但耕地、裸地情況相反；1993-2006年，耕地減少面積最大，減少了356.89 km2，占總面積的比例下降2%；林地、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地、水域3種類(lèi)別占地面積均增加，其中林地面積增加量最大，增加了515.25 km2，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地和水域增加面積分別為39.38、8.32 km2；2006-2010年之間，裸地面積減少量最大，減少135.05 km2；耕地面積減少幅度相對(duì)于前14年有所減緩，耕地面積減少54.34 km2。林地、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地和水域仍保持增加趨勢(shì)，分別增加141.58、32.6、15.21 km2。

(2)土地覆蓋類(lèi)型變化分析

由表3和圖1可知，1993-2006年間漳河上游流域土地覆蓋類(lèi)型變化情況：林地、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地、水域占地面積呈增加趨勢(shì)，其中林地面積增加515.25 km2，增加面積占林地現(xiàn)狀面積的4.93%，林地面積變化速度36.80 km2/y；城鎮(zhèn)與建設(shè)用地面積增加39.38 km2，增加面積占城鎮(zhèn)與建設(shè)用地現(xiàn)狀面積的14.52%；年變化速度為2.81 km2/y；水域面積增加8.32 km2，增加面積占水域現(xiàn)狀面積的14.52%，年變化速度達(dá)0.594 km2/y；耕地、裸地占地面積呈減少趨勢(shì)，其中耕地面積減少356.89 km2，減少面積占耕地現(xiàn)狀面積的8.1%，年變化速度為-25.49 km2/y；裸地面積減少206.06 km2，減少面積占裸地現(xiàn)狀面積的9.03%，年變化速度為-14.72 km2/y。

2006～2010年間，漳河上游流域土地利用變化情況：該時(shí)間段內(nèi)各土地類(lèi)型變化趨勢(shì)未變，但變化幅度發(fā)生一定改變：林地面積增加141.58 km2，增加面積占林地現(xiàn)狀面積的1.34%，林地面積變化速度達(dá)28.316 km2/y；城鎮(zhèn)與建設(shè)用地面積增加32.6 km2，增加面積占城鎮(zhèn)與建設(shè)用地現(xiàn)狀面積的10.73%，年變化速度為6.52 km2/y；水域面積增加15.21 km2，增加面積占水域現(xiàn)狀面積的8.86%，年變化速度達(dá)3.042 km2/y；耕地面積減少54.34 km2，減少面積占耕地現(xiàn)狀面積的1.25%，年變化速度為-10.868 km2/y；裸地面積減少135.05 km2，減少面積占裸地現(xiàn)狀面積的1.34%，年變化速度為-27.01 km2/y。

表3 1993、2006、2010年漳河上游流域土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)移速度

由本文2.2中公式求得漳河上游流域單一土地利用類(lèi)型年變化率，見(jiàn)圖2。由該圖可知：1993-2006年，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地的變化率最大，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地的年增加率為1.213 %，其次為裸地，該地類(lèi)年減少率為-0.592%；2006-2010年間，耕地、林地年變化率較低，其中耕地年變化率最小為-0.246%；林地年增加率為0.271%；水域年變化率呈上升趨勢(shì)，由0.401% 變?yōu)?.944 %；城鎮(zhèn)與建設(shè)用地的年變化率仍為最大，并且有上增趨勢(shì)，為2.404%；裸地的年減少率由1993-2006年的-0.592%變?yōu)?006-2010年間的-1.184%；表明漳河上游流域土地類(lèi)型變化幅度較大，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地尤為突出。

3.3 土地覆蓋類(lèi)型的時(shí)空變化

單純從面積的變化來(lái)看，很難揭示土地利用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，為更好地揭示各種土地利用類(lèi)型的內(nèi)部變化特征，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣定量說(shuō)明土地利用類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化狀況，分析區(qū)域土地利用變化特征[12]。

利用ENVI的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能中的分類(lèi)比較法工具—Change Detection Statistics和流程化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工具—Thematic Change Workflow ，對(duì)1993、2010年兩期土地覆蓋分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：獲得該地區(qū)土地利用的變化類(lèi)型、面積、百分比等變化矩陣信息(表4)，該矩陣可以反映出漳河上游地區(qū)不同時(shí)期土地覆蓋類(lèi)型的轉(zhuǎn)變過(guò)程；并得到1993-2010年間，漳河上游地區(qū)土地覆蓋類(lèi)型空間轉(zhuǎn)換情況(圖3)。由表4和圖3得出，該流域土地覆蓋的時(shí)空變化特點(diǎn)如下：

(1)總面積情況：1993年，漳河上游地區(qū)五種地型的占地面積分別為水域148.2 km2，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地231.83 km2，森林占地面積為9 928.07 km2，耕地4 768.8 km2，裸地 2 488.13 km2；2010年，各地類(lèi)占地面積分別為，水域171.73 km2，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地303.81 km2，森林占地面積為10 584.9 km2，耕地4 357.57 km2，裸地 2 147.02 km2。

(2)不同時(shí)期同種地型的差別：從1993～2010年，水域面積增加23.53 km2，城鎮(zhèn)與建設(shè)用地增加71.98 km2，森林占地面積變化量最大，相比2010年，增加656.83 km2；耕地占地面積和裸地面積均呈減少趨勢(shì)，其中裸地減少量最大，減少面積為411.23 km2，耕地面積減少341.11 km2。

(3)土地類(lèi)別轉(zhuǎn)移情況：1993-2010年間，耕地面積轉(zhuǎn)移量最大，面積為2 114.19 km2，其中耕地面積主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，轉(zhuǎn)移面積量為1 537.34 km2，其次為裸地400.13 km2，少量轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)與建設(shè)用地和水域，分別為128.57 、48.15 km2；水域面積轉(zhuǎn)出75.19 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾透兀娣e分別為35.87、28.56 km2，少量轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)與建設(shè)用地和裸地；林地面積轉(zhuǎn)出2 106.81 km2，其面積轉(zhuǎn)移量?jī)H次于耕地，林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，面積為1 183.92 km2，868.09 km2的林地轉(zhuǎn)入耕地，少量林地面積轉(zhuǎn)入水域和城鎮(zhèn)與建設(shè)用地；139.81 km2的城鎮(zhèn)與建設(shè)用地轉(zhuǎn)入其他土地類(lèi)別，主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，面積為83.88 km2，另外31.56 km2轉(zhuǎn)入林地，少量轉(zhuǎn)入水域和裸地；裸地轉(zhuǎn)出1 938.72 km2，主要轉(zhuǎn)入林地和耕地，面積分別為1 166.18、715.12 km2，少量轉(zhuǎn)移到水域11.25 km2、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地46.17 km2。

表 4 1993～2010年漳河上游流域土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

4 結(jié)論

1) 耕地、林地為漳河上游流域土地利用的主要類(lèi)型。1993-2010年，林地、水域、城鎮(zhèn)與建設(shè)用地均呈遞增趨勢(shì)，但耕地和裸地呈遞減趨勢(shì)。

2) 近18年，漳河上游地區(qū)不同地類(lèi)轉(zhuǎn)移頻繁且復(fù)雜，土地利用變化強(qiáng)度較大，其中耕地面積大幅度降低，且主要轉(zhuǎn)化為林地，少部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗w；同時(shí)1 695.65 km2其他土地類(lèi)別轉(zhuǎn)入耕地，主要來(lái)自林地與裸地。表明該時(shí)期漳河上游流域耕地轉(zhuǎn)化較活躍，生態(tài)環(huán)境得到一定改善，土地利用強(qiáng)度增大，實(shí)施墾荒種田。

3)1993-2010年，漳河上游區(qū)域林地面積呈增加趨勢(shì)，耕地與裸地為主要補(bǔ)充來(lái)源，說(shuō)明該地區(qū)實(shí)施退耕還林政策，大力倡導(dǎo)植樹(shù)造林、發(fā)展林業(yè)；同時(shí)城鎮(zhèn)與建設(shè)用地、水域用地呈不同程度增加，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)加劇，城市化進(jìn)程加快，人口壓力增大，對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定壓力；大量水渠、水庫(kù)的修建改變?cè)摰貐^(qū)的土

地利用類(lèi)型，對(duì)生物及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生一定影響。在未來(lái)建設(shè)中可繼續(xù)鼓勵(lì)正確的植樹(shù)造林、植草，加強(qiáng)該地區(qū)蓄水能力，減緩地下水開(kāi)采；減緩城市化進(jìn)程，保護(hù)道路及水渠、水庫(kù)附近的植被。

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(責(zé)任編輯王利君)

Analysis on the temporal and spatial process of dynamic change of land use and land cover in upstream of zhanghe river basin using Landsat TM

ZHANG Yu-jie1,2, LIU Xin-xia1, ZHANG An-bing1,2, WANG He-feng1,2

(1. College of Resources, Hebei University of Engineering,Hebei Handan 056038,China;2. Collaborative Innovation Center of the Comprehensive Development and Utilization of Coal Resource, Hebei Handan 056038,China)

Abstract：Land use/land cover change in upstream of Zhanghe river basin was affected by natural and human factors. During the past decades, reduced natural rainfall and frequent human activities has an influence on this region, so this research is important. Through analyzing the spatio-temporal characteristics of dynamic change of land use /land cover change in basin, Land use/land cover change for many years will be extracted in zhanghe river basin ,using the method of ENVI change detection and ArcGIS Spatial analyst, based on 1993,2006,2010 images derived from Thematic Mapper (TM) imagery .Moreover,Spot-5 image derived from 2011,will be used for precision evaluation. These results provide an important statistic reference for land use planning and sustainable development in this region. Finally, results indicate that forest, buildings and water was respectively increased by 656.8km2、72.01km2、23.53km2,rather cultivated and barren was decreased by 411.23 km2、341.11 km2,from 1993 to 2010.The input forest area was mainly originated from farmland and barren. Part of the farmland was transformed into urban land.

Key words：landsat TM; land use and land cover; upstream of Zhanghe

中圖分類(lèi)號(hào)：X171

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2016)01-0076-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.017

作者簡(jiǎn)介：張玉杰(1988-)，女，山東濰坊人，碩士，研究方向?yàn)檫b感應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(D2015402134)；河北省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(QN2014184，YQ2013012)

收稿日期：2015-09-26