基于RS和GIS的內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用及景觀格局變化

高利峰，張磊，趙先貴

（1.商洛學院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西商洛726000；2.陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西西安710062）

基于RS和GIS的內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用及景觀格局變化

高利峰1，張磊1，趙先貴2

（1.商洛學院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西商洛726000；2.陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西西安710062）

內(nèi)蒙古地區(qū)屬于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，其土地覆被變化的研究對于全球環(huán)境變化有重要意義。為了解內(nèi)蒙古地區(qū)土地利用及景觀格局時空變化特征，以2001，2005，2010年3期遙感影像為基礎，利用ArcGIS 10.0和FRAGSTATS4.0軟件，對研究區(qū)2001—2010年土地利用和景觀格局時空變化特征進行分析研究。結(jié)果表明，內(nèi)蒙古景觀要素類型以草地、未利用地和耕地為主；2001—2010年草地和建設用地面積增加，耕地、林地、未利用地和水域面積持續(xù)減少；建設用地的動態(tài)變化幅度最大，林地最??；草地、耕地和未利用地轉(zhuǎn)換頻繁；研究區(qū)多樣性指數(shù)從1.304下降到1.204，均勻度指數(shù)從0.728下降到0.627，優(yōu)勢度指數(shù)從0.598上升到0.614，景觀異質(zhì)性降低。

遙感；地理信息系統(tǒng)；土地利用；動態(tài)；景觀格局

地表巖石—土壤—生物—水—大氣相互作用帶被稱之為地球關鍵帶（The Critical Zone），其作為與人類聯(lián)系最密切的地球圈層，對于維持和支撐經(jīng)濟社會發(fā)展具有不可替代的重要作用，土地利用等方式作用于關鍵帶，成為關鍵帶變化越來越重要的驅(qū)動力[1-2]。土地利用/土地覆被變化（LUCC）是全球環(huán)境變化的主要原因之一，亦是核心研究領域和土地可持續(xù)利用的重要課題[3-4]。景觀格局及其變化影響著區(qū)域的生態(tài)過程和邊緣效應，對其研究有助于揭示其生態(tài)狀況及空間變異特征[5]。隨著信息科學技術的發(fā)展和普及，特別是3S技術的廣泛應用，使得定量分析和描述土地利用景觀空間特征及景觀格局動態(tài)變化研究成為現(xiàn)實[6-7]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)屬于生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)域，對其土地覆被研究一直受到學術界的重視。前人對內(nèi)蒙古土地利用/覆被變化（LUCC）的研究大多基于Landsat數(shù)據(jù)在相對較小的區(qū)域尺度上進行，對內(nèi)蒙古整個地區(qū)的土地利用變化研究則傾向于單個的土地利用變化動態(tài)研究及其對其他自然因素產(chǎn)生的影響[8-11]。

本試驗基于內(nèi)蒙古自治區(qū)2001，2005，2010年3期土地覆蓋矢量數(shù)據(jù)，對不同土地利用方式的動態(tài)變化、土地利用動態(tài)度和景觀格局特征及其成因進行探討研究，以期為內(nèi)蒙古地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護與土地資源可持續(xù)利用提供決策支持與科學支撐。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處歐亞大陸內(nèi)部，位于我國北部邊疆，界于東經(jīng)97°12′～126°04′，北緯37°24′～53°23′，總面積1.183×106km2。地處華北板塊、內(nèi)蒙古板塊、松遼板塊的拼接地帶，地層發(fā)育齊全，成礦條件優(yōu)越。大部分地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，自東北向西南依次跨越了5個氣候帶，相應地發(fā)育形成5個地帶性植被亞型[10]。年降水量在50～450mm，呈現(xiàn)出由東北向西南遞減，年均溫在0～8℃，全年太陽輻射量從東北向西南遞增[11]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的2001，2005，2010年3期土地覆蓋矢量數(shù)據(jù)來源于美國波士頓大學生產(chǎn)的MODIS Collection5數(shù)據(jù)集，其次，采用NASA網(wǎng)站上提供的MODIS重投影工具（MODISReprojection Tool，MRT）對MCD12Q1產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)鑲嵌、投影體系及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，并采用重采樣方式生成符合項目要求的500 m分辨率的3期土地覆蓋柵格數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整體精度在75%左右，符合較大尺度土地覆被變化的研究需求。最后，將柵格數(shù)據(jù)在ArcGIS10.0軟件中用濾波方法進行預處理，建立了3個時期土地利用圖和相應的屬性數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用分類

參照我國土地利用編碼，采用兩級分類系統(tǒng)，包括6個一級類型和21個二級類型[12]。結(jié)合研究需要，本研究將內(nèi)蒙古自治區(qū)土地覆被按照6個一級類型劃分為耕地、草地、林地、水域、建設用地以及未利用地。

2.3 分析方法

2.3.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣（馬爾可夫模型）馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣模型如下。

式中，i表示轉(zhuǎn)移前的土地利用類型，i＝1，2，…，n；j表示轉(zhuǎn)移后的土地利用類型，j＝1，2，…，n；n為轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型數(shù)；A為土地利用類型面積；Aij為轉(zhuǎn)移前的i類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)移后的j類面積[12-13]。

2.3.2 土地利用動態(tài)度土地利用動態(tài)度公式如下。

式中，Ub，Ua分別為研究期初、研究期末某一土地類型數(shù)量；T為研究時段，以年為基本單位時間；Rd為年變化率[14-15]。

2.3.3 景觀格局指數(shù)景觀格局指數(shù)可以定量地描述景觀格局，亦能更好地理解與解釋景觀功能[16]。在借鑒前人研究的基礎上，選取了均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、形狀指數(shù)、分形維數(shù)、分離度6個指數(shù)進行分析[17-19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用景觀要素分布及基本變化特征

從圖1可以看出，研究區(qū)耕地主要分布在呼倫貝爾高原的東側(cè)以及大興安嶺的東北和東南側(cè)；草地主要分布在呼倫貝爾高原、鄂爾多斯高原、錫林郭勒高原、烏珠穆沁高原、陰山以及大興安嶺的南側(cè)；林地主要集中在大興安嶺北側(cè)以及鄂爾多斯高原的西南角；呼倫湖、嘎順諾爾海、烏梁素海以及額爾古納河構(gòu)成了研究區(qū)水域的主體；建設用地主要集中在呼和浩特、包頭、鄂爾多斯等自然條件相對優(yōu)越的農(nóng)牧交錯地帶；未利用地主要集中在鄂爾多斯高原和陰山北側(cè)以及阿拉善高原，主要由渾善達克沙地、毛烏素沙地、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠構(gòu)成。

景觀要素類型分類結(jié)果表明，研究區(qū)以耕地、草地和未利用地為主，其中又以草地面積最大。2001—2010年草地面積均占研究區(qū)總面積的42%以上，其次是未利用地和耕地，分別占研究區(qū)總面積的24%和12%以上，表明研究區(qū)以牧業(yè)生產(chǎn)為主。林地面積雖有所下降，但維持在10%以上；水域和建設用地所占面積較少，均在0.3%以下（表1）。

表1 2001—2010年景觀要素類型面積變化

從研究區(qū)2001—2010年時間變化特征看，各景觀要素類型面積亦有較大幅度的變化，草地所占比例增加了9.59百分點，面積增加了11 340 700 hm2，由于基數(shù)大的緣故，動態(tài)幅度為2.53。耕地9 a間下降了1.56百分點，面積縮小了1 844 225 hm2，動態(tài)變化幅度為-1.19，這和國家實施的退耕還草政策有密切關系。林地由2001年的14.42%下降到2010年的10.66%，共縮小了4 446 975 hm2，這與研究區(qū)以牧業(yè)生產(chǎn)為主的特點和土地分類標準密切相關。水域用地面積有所減少，但是幅度較??；9 a間建設用地面積動態(tài)度變化幅度為6.90，9 a間所占比例增加了0.11百分點，這與經(jīng)濟的發(fā)展和人類的活動有關；未利用地9 a間動態(tài)變化幅度為-1.69，減少了5 141 825 hm2，這是由研究區(qū)實施的退耕還林還草政策所致（表2）。

表2 研究區(qū)2001—2010年土地利用單一動態(tài)度

3.2 土地利用景觀要素轉(zhuǎn)移特征

從表3可以看出，耕地的主要轉(zhuǎn)移方向是草地和林地，轉(zhuǎn)移比例分別為75.39%，24.36%，轉(zhuǎn)移面積分別為3 987 765.75，1 288 435.98 hm2，向建設用地轉(zhuǎn)移面積6 553.58 hm2，但比例不足0.01%；草地的主要轉(zhuǎn)出方向集中在耕地、林地、未利用地，轉(zhuǎn)移的比例分別為38.91%，30.97%，29.76%，轉(zhuǎn)移面積分別為6 268 576.51，4 988 166.91，4 793 188.27 hm2，主要轉(zhuǎn)入方向是耕地，耕地與草地互相轉(zhuǎn)換，這與土地利用景觀要素類型面積變化中提到的退耕還草政策、農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和草地更易開墾為耕地有關。

林地的轉(zhuǎn)入方向主要是草地和耕地，轉(zhuǎn)出方向主要是耕地和未利用地；水域的主要轉(zhuǎn)出方向為耕地和草地，這與某些地區(qū)水平面下降以及氣候因素有關；建設用地79.00%轉(zhuǎn)向草地，這是由于建設用地在建成后，原來廢棄荒蕪的用地被用作人工草地；未利用地面積有99.1%未發(fā)生變動，主要侵占了林地和草地，這主要是由于在西部干旱半干旱草原區(qū)，濕潤年份當?shù)啬撩癯黾硬菰妮d畜量，造成草場擴展進而引起草地退化，對此需采取恢復草地的措施[20]。

表3 2001—2010年景觀要素轉(zhuǎn)移矩陣hm2

3.3 景觀格局動態(tài)變化分析

3.3.1 景觀多樣性分析從圖2可以看出，2001—2010年研究區(qū)景觀多樣性和均勻度指數(shù)均呈下降趨勢，而優(yōu)勢度指數(shù)呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。其中，多樣性指數(shù)從1.304下降到1.204，均勻度指數(shù)從0.728下降到0.627，優(yōu)勢度指數(shù)從0.598上升到0.614。多樣性指數(shù)降低表明了景觀異質(zhì)性降低；均勻度的減小，優(yōu)勢度的增加，表明了優(yōu)勢景觀即草地景觀面積在增加。其主要是研究區(qū)以畜牧為主，近年來畜牧業(yè)發(fā)展迅速，人工草地面積增大，以及防沙治沙工程增加了草地面積等。

3.3.2 景觀形狀指數(shù)和分形維數(shù)分析從表4可以看出，2001，2005，2010年研究區(qū)耕地的形狀指數(shù)和分形維數(shù)均最大，分形維數(shù)隨著時間有遞增的趨勢，從1.339提高到了1.351，表明耕地的形狀和邊界最復雜。草地和林地形狀指數(shù)和分形維數(shù)次之，均呈現(xiàn)出下降趨勢。水域的形狀指數(shù)和分形維數(shù)最小，說明斑塊形狀和邊界有所簡化，但簡化幅度較??；建設用地形狀指數(shù)和分形維數(shù)先上升后略微下降，表明斑塊結(jié)構(gòu)有所簡化。這主要是由于隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，前期規(guī)劃不完善，后期建設更加有序。未利用地的形狀指數(shù)和分形維數(shù)總體上有所下降，表明防沙治沙工程使得斑塊結(jié)構(gòu)有所簡化。

3.3.3 景觀分離度分析景觀分離度指某一景觀類型中不同斑塊個體分布的分離程度。從表4可以看出，研究區(qū)耕地分離度指數(shù)呈現(xiàn)出較小的上升趨勢，主要是由于人類活動的影響使得斑塊空間不斷分散和破碎化。2001—2010年草地的分離度指數(shù)呈持續(xù)降低趨勢，從0.883下降到0.802，表明草地在人類活動的干預下趨于集中分布，水域的地域分布較為穩(wěn)定。建設用地和未利用地分離度指數(shù)相對較大，表明這2種景觀類型分散程度很大，易受人類活動等因素干擾而破碎化。

表4 2001—2010年景觀格局指數(shù)變化

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，研究區(qū)以耕地、草地和未利用地為主，其中又以草地面積最大。2001—2010年草地和建設用地的面積增加，而耕地、林地、未利用地和水域面積則持續(xù)減少。草地、耕地和未利用地轉(zhuǎn)換頻繁，耕地的轉(zhuǎn)出方向主要是草地和林地，草地的主要轉(zhuǎn)出方向集中在耕地、林地和未利用地，各景觀類型要素之間互相轉(zhuǎn)換與退耕還草政策、生產(chǎn)方式密切相關。2001—2010年建設用地的動態(tài)變化幅度最大，為6.90，面積增加了124 850 hm2，林地變化幅度最小，為-2.90；草地絕對面積增幅最大，為11 340 700 hm2。

2001—2010年研究區(qū)景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢，而優(yōu)勢度指數(shù)呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢；多樣性指數(shù)從1.304下降到1.204，均勻度指數(shù)從0.728下降到0.627，優(yōu)勢度指數(shù)從0.598上升到0.614；景觀異質(zhì)性降低；草地對于景觀控制增強；耕地具有最復雜的形狀和邊界；人類活動的影響使得斑塊空間不斷分散和破碎化。

運用3期遙感數(shù)據(jù)對內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用/覆被變化進行了動態(tài)變化和景觀格局研究，克服了傳統(tǒng)依賴統(tǒng)計數(shù)據(jù)的局限性。但是大、中尺度的研究受限于遙感影像的分辨率，在以后的研究中土地利用類型的劃分精度要更深入。未討論內(nèi)蒙古不同地貌單元對土地利用/覆被變化的響應，有待進一步深入研究。

參考文獻：

［1］張磊，王嘉學，劉保強，等.喀斯特山原紅壤退化過程中土壤表層團聚體變化規(guī)律[J].山地學報，2015，33（1）：8-15.

［2］楊建鋒，張翠光.地球關鍵帶：地質(zhì)環(huán)境研究的新框架[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41（3）：98-104，110.

［3］翟俊，邵全琴，劉紀遠.內(nèi)蒙古高原土地利用/覆被變化對氣溫變化的影響分析[J].自然資源學報，2014，29（6）：967-978.

［4］劉曉娜，封志明，姜魯光，等.西雙版納土地利用/土地覆被變化時空格局分析[J].資源科學，2014，36（2）：233-244.

［5］胡玉福，鄧良基，張世熔，等.基于RS和GIS的西昌市土地利用及景觀格局變化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（10）：322-327.

［6］伍星，沈珍瑤.長江上游地區(qū)土地利用/覆被和景觀格局變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（10）：86-92.

［7］陳文波，鄭蕉，鄢幫有.鄱陽湖區(qū)土地利用景觀格局特征研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（4）：79-83.

［8］陳玉福，徐新良，王石英.內(nèi)蒙古高原渾善達克沙地區(qū)土地利用與覆被變化及退化趨勢[J].山地學報，2006，24（1）：60-64.

［9］張繼平，常學禮，李健英，等.內(nèi)蒙古奈曼旗農(nóng)牧交錯區(qū)土地利用/覆被變化的區(qū)域分異[J].應用生態(tài)學報，2008，19（3）：613-620.

［10］袁燁城，李寶林，高錫章，等.內(nèi)蒙古自治區(qū)土地覆被相互轉(zhuǎn)換現(xiàn)象研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（5）：58-63.

［11］張靚，曾輝.基于MODIS數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古土地利用/覆被變化研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（1）：31-36.

［12］謝葉偉，劉兆剛，趙軍，等.基于RS與GIS的典型黑土區(qū)土地利用變化分析：以海倫市為例[J].地理科學，2010，30（3）：428-434.

［13］喬偉峰，盛業(yè)華，方斌，等.基于轉(zhuǎn)移矩陣的高度城市化區(qū)域土地利用演變信息挖掘：以江蘇省蘇州市為例[J].地理研究，2013，32（8）：1497-1507.

［14］謝花林，劉黎明.土地利用變化的多尺度空間自相關分析：以內(nèi)蒙古翁牛特旗為例[J].地理學報，2006，61（4）：389-400.

［15］朱會義，何書金，張明.環(huán)渤海地區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力分析[J].地理研究，2001，20（6）：669-678.

［16］薛劍，鄖文聚，杜國明，等.基于遙感的現(xiàn)代與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)域土地利用格局差異分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（24）：245-251.

［17］田錫文，王新軍，卡迪羅夫KG，等.近40 a凱拉庫姆庫區(qū)土地利用/覆蓋變化及景觀格局分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（6）：232-241.

［18］邱劍南，侯淑濤，范永輝，等.富錦市土地利用景觀格局遙感分析[J].測繪科學，2015，40（2）：115-118，154.

［19］張海燕，樊江文，邵全琴.2000—2010年中國退牧還草工程區(qū)土地利用/覆被變化[J].地理科學進展，2015，34（7）：840-853.

［20］王娟，李寶林，余萬里.近30年內(nèi)蒙古自治區(qū)植被變化趨勢及影響因素分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（2）：132-138.

Changes of Land Use and Landscape Pattern in Inner Mongolia Region Based on RS and GIS

GAO Li-feng1，ZHANG Lei1，ZHAO Xian-gui2
（1.College of Urban，Rural Planning and Architectural Engineering，Shangluo University，Shangluo726000，China；2.College of Tourism and Environmental Sciences，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China）

Inner Mongolia region belongs to the fragile ecological environment,research for their land cover change for global environmental change is important.To understand the spatial and temporal variation characteristics of land use and landscape pattern in Inner Mongolia region,based on 2001,2005 and 2010 three remote sensing images and using FRAGSTATS 4.0,Arc GIS 10.0 software, the study area from 2001 to 2010 land use and landscape characteristics of temporal and spatial variation were analyzed.The results showed that the landscape element types were mainly grassland，unused land and cultivated land of Inner Mongolia.The areas of grassland and construction land were on the rise,the cultivated land,forest land,unused land and the water area continued to decline from 2001 to 2010.The dynamic change of the construction land was maximum,and the forest land was minimum.The grassland,forest land and the unused land were converted frequently.Diversity index in the study area decreased from 1.304 to 1.204,evenness index decreased from0.728 to0.627,respectively,dominance increased from0.598 to0.614,landscape heterogeneity reduced.

remote sensing;geographic information systems;land use;dynamic;landscape pattern

F301.24

A

1002-2481（2016）02-0255-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.02.32

2015-10-28

國家社會科學基金資助項目（14XKS019）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（12JK0652）

高利峰（1981-），男，陜西寶雞人，講師，主要從事資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃研究工作。