甘肅祁連山保護(hù)區(qū)石羊河流域上游土地利用/覆蓋變化監(jiān)測(cè)研究

丁國(guó)民，李進(jìn)軍，邸 華，李貴琴

（甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000）

甘肅祁連山保護(hù)區(qū)石羊河流域上游土地利用/覆蓋變化監(jiān)測(cè)研究

丁國(guó)民，李進(jìn)軍，邸 華，李貴琴

（甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000）

以甘肅祁連山保護(hù)區(qū)石羊河上游為研究區(qū)，利用2001年、2011年landsat-5 TM影像解譯監(jiān)督分類結(jié)果，獲取了石羊河流域上游兩期土地利用/覆蓋分類圖，并基于土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析方法對(duì)石羊河流域上游2001-2011年土地利用/覆蓋作定量分析研究，分析了各土地利用類型的變化速率和土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。

祁連山；石羊河；土地利用；監(jiān)測(cè)研究

土地利用/土地覆被(LUCC或LC/LU)包含了土地利用與土地覆被兩層不同卻又密切相關(guān)的含義。土地利用/土地覆被變化是導(dǎo)致地球表層系統(tǒng)景觀變化的主要原因之一,顯著的反應(yīng)了短期內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境施加的影響［1，2］。土地利用/覆蓋分類是隨遙感技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新的土地利用分類方法［3］。對(duì)土地利用/覆蓋進(jìn)行遙感影像分類具有其獨(dú)特的宏觀、綜合、快速、動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)確優(yōu)勢(shì)，充分體現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的及時(shí)性、精度高、范圍廣的特點(diǎn)，在土地利用/覆蓋監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

本文應(yīng)用遙感影像及 GIS技術(shù)，對(duì) 2001、2011年研究TM衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行解譯和監(jiān)督分類，分析了石羊河上游土地利用/覆蓋狀況及變化，測(cè)算了研究區(qū)土地利用變化動(dòng)態(tài)度，以及土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，分析了研究區(qū)土地利用變化特點(diǎn)和趨勢(shì)，以期為該區(qū)域生態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河是發(fā)源于祁連山區(qū)的三大內(nèi)陸河之一，石羊河流域上游的祁連山區(qū)屬高寒半干旱濕潤(rùn)區(qū)：海拔2000～5000m，年降水量300～600mm，年蒸發(fā)量700～1200mm，干旱指數(shù)1～4。其上游全部分布在祁連山保護(hù)區(qū)轄區(qū)內(nèi)的東大河、祁連、西營(yíng)河、哈溪、烏鞘嶺、上方寺、華隆、夏瑪、古城、以及馬場(chǎng)保護(hù)站的部分區(qū)域內(nèi)。保護(hù)區(qū)內(nèi)石羊河上游面積約8851.5km2。主要有森林、草原、草甸、荒漠、農(nóng)田、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成，是石羊河上游重要水源涵養(yǎng)區(qū)，應(yīng)用遙感技術(shù)開展石羊河上游土地利用覆蓋監(jiān)測(cè)研究，具有重要科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源及其軟件工具

本研究應(yīng)用兩期LandsatTM5作為信息源（影像來源于中科院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所）。軌道號(hào)131/ 034,132/034，獲取時(shí)間分別為，2001-07和2011-06，平均云量小于5.5%，空間分辨率30m的4景影像。以及保護(hù)區(qū)邊界、石羊河上游邊界矢量圖。應(yīng)用envi4.8、arcgis10.2軟件作為影像處理與分析工具。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為提高兩期遙感影像的可比性，首先將4景影像分別進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正，再將同年獲得的2景影像鑲嵌，消除成像時(shí)間等差異造成的影像差異。其次，對(duì)拼接的遙感影像進(jìn)行幾何校正。雖然原影像已進(jìn)行過幾何校正，但經(jīng)過影像鑲嵌，兩期影像疊合仍有一定的位移誤差，為避免誤差，要對(duì)兩期影像進(jìn)行精確的幾何校正。在校正后利用envi4.8軟件將兩幅影像、石羊河上游矢量邊界矢量數(shù)據(jù)的投影和坐標(biāo)系統(tǒng)一為 transverse mercator，D-Beijing-1954。最后應(yīng)用石羊河上游矢量邊界對(duì)影像進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)。

2.3 影像變化監(jiān)測(cè)分類后比較法

2.3.1 分類系統(tǒng)的確立

根據(jù)國(guó)家土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合祁連山保護(hù)區(qū)石羊河上游土地利用/覆蓋的實(shí)際情況，以及TM影像的分辨率和地物光譜特征，確定一級(jí)分類4類：林地、草地、水域、未利用土地，二級(jí)分類10類：有林地、灌木林、疏林地、特灌林、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠庫(kù)塘、冰川雪地、裸土地、裸巖石質(zhì)地。

2.3.2 分類方法的選擇

在相同訓(xùn)練樣本下，采用監(jiān)督分類中的五種分類方法（平行六面體法、最小距離法、馬氏距離法、最大似然法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）分別提取土地利用/覆蓋變化信息，采用相同的訓(xùn)練樣本對(duì)兩期遙感影像進(jìn)行分類。分類后專題圖的正確分類程度（也稱可信度）的檢核是對(duì)影像進(jìn)行分析的重要環(huán)節(jié)，目前評(píng)定分類精度通常使用混淆矩陣，利用混淆矩陣進(jìn)行定量分析的主要參數(shù)有：總分類精度及Kappa系數(shù)［4-6］。

（1）式中：Pc為總分類精度，m為分類類別數(shù)，N為樣本總數(shù)，PKK為第K類的判別樣本數(shù)。（2）式中：K為Kappa系數(shù)，N為樣本總數(shù)，Ppi為某一類所在列總數(shù)，Pli為某一類所在行總數(shù)。

3 土地利用變化分析

3.1 研究區(qū)土地利用速度變化

土地利用/覆蓋變化速度由動(dòng)態(tài)度表示，是指單位時(shí)間內(nèi)某一土地利用類型面積的變化程度，可定量描述區(qū)域土地利用變化的速度［7，8］。土地利用動(dòng)態(tài)度其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（3）式中：Kj為土地利用類型j的土地利用類型動(dòng)態(tài)度，s為j中土地利用類型在某監(jiān)測(cè)時(shí)刻的面積，t1、t2表示監(jiān)測(cè)初始、結(jié)束的時(shí)間。

研究區(qū)石羊河流域上游10年間，土地利用動(dòng)態(tài)度大小絕對(duì)值一次為：冰川雪地>特灌林地>低覆蓋草地>裸地>庫(kù)塘河渠>有林地>中覆蓋草地>裸巖>灌木林地>高覆蓋草地>未識(shí)別區(qū)。受臨時(shí)降雪的影響，冰川雪地變化最大，除此之外，特灌林地、低覆蓋草地、裸地變化速度較其他土地利用類型變化速度快，其中有林地、灌木林地、特灌林地呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，而其他類型土地利用動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。表明這10年間，通過天然林保護(hù)、封山育林，研究區(qū)有林地、灌木林地、特灌林地出現(xiàn)了恢復(fù)性增長(zhǎng)，低覆蓋草地、裸地面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2 研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及其轉(zhuǎn)移率分析

轉(zhuǎn)移矩陣法是基于生態(tài)學(xué)中馬爾可夫鏈的數(shù)學(xué)過程，能同時(shí)表示土地利用類型的儲(chǔ)存量和流動(dòng)量，為定量分析土地利用轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)步驟。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，它描述了前后兩幅土地分類圖之間的地類發(fā)生轉(zhuǎn)變的位置和類別，列表示T1時(shí)點(diǎn)土地利用類型，行表示T2時(shí)點(diǎn)土地利用類型［6,9］。本文應(yīng)用envi4.8軟件change detection statistics工具對(duì)兩幅分類影像進(jìn)行差異分析，分別識(shí)別出那些像元發(fā)生了變化，并生成土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣。

在土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表格中，行代表的是變化的方向，列代表發(fā)生變化的土地利用/覆蓋類型，當(dāng)行、列土地利用/覆蓋類型相交，代表未變化的部分。根據(jù)研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析出研究區(qū)土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)化方向。

2001年到2011年間，土地利用類型凈增面積百分率排序依次為：特灌林地>北川雪地>灌木林地>有林地。

從轉(zhuǎn)入類型分析，新增特灌林地面積主要由低覆蓋草地和中覆蓋草地轉(zhuǎn)入而成。新增冰川雪地主要由裸巖、低覆蓋草地被降雪覆蓋所致。新增灌木林地主要由特灌林地、中、低覆蓋草地轉(zhuǎn)入所致。新增有林地主要由灌木林地、低覆蓋草地轉(zhuǎn)入所致。

土地利用類型凈減面積百分率排序依次為低覆蓋草地>裸地>裸巖>中覆蓋草地>高覆蓋草地>庫(kù)塘河渠。

從轉(zhuǎn)出類型分析，低覆蓋草地轉(zhuǎn)出的類型主要有特灌林地、中覆蓋草地、灌木林地、以及裸巖等；裸地轉(zhuǎn)出的類型主要有低覆蓋草地和特灌林地；裸巖主要轉(zhuǎn)出的類型有北川雪地、特灌林地等；中覆蓋草地轉(zhuǎn)出的類型主要有特灌林地、灌木林地等；高覆蓋草地轉(zhuǎn)出的主要類型有特灌林地、灌木林地等；庫(kù)塘河渠轉(zhuǎn)出的主要類型有北川雪地、裸巖等。2011年與2001年相比，這10年中有林地、灌木林地、特灌林地出現(xiàn)能力恢復(fù)性增長(zhǎng)，尤其是特灌林地增長(zhǎng)最明顯，增長(zhǎng)率達(dá)到16.123%；而高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋草地、裸土地出現(xiàn)了減少趨勢(shì)，低覆蓋草地減少最多，達(dá)到13.795%，裸土地減少6.46%。冰川雪地也出現(xiàn)了增加，增長(zhǎng)了6.767%，這主要是從遙感影像無法將冰川和雪地區(qū)分，積雪面積增加，導(dǎo)致冰川積雪增長(zhǎng)的結(jié)果。其原因是10年來，保護(hù)區(qū)相繼實(shí)施了天然林保護(hù)工程和生態(tài)公益林建設(shè)項(xiàng)目，加強(qiáng)了保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)，保護(hù)區(qū)植被出現(xiàn)了恢復(fù)性增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

4 結(jié)果與討論

1）由動(dòng)態(tài)度表示的土地利用變化速率看，除高山區(qū)冰川雪地受臨時(shí)降雪的影響變化最大外，特灌林地、低覆蓋草地、裸地變化速度較其它土地利用類型變化速度快，其中有林地、灌木林地、特灌林地呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，而其它類型土地利用動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

2）從田地利用轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移方向看，土地利用類型凈增面積百分率排序依次為：特灌林地＞北川雪地＞灌木林地＞有林地;土地利用類型凈減面積百分率排序依次為低覆蓋草地＞裸地＞裸巖＞中覆蓋草地＞高覆蓋草地＞庫(kù)塘河渠。從實(shí)地調(diào)查對(duì)比，與實(shí)際情況相符。

3）應(yīng)用遙感影像進(jìn)行土地利用覆蓋變化監(jiān)測(cè)研究，為宏觀開展土地利用變化監(jiān)測(cè)提供了一條便捷的途徑，但也存在諸多的不足。一是數(shù)據(jù)方面。雖然選擇了云量小于5%的遙感影像，但在部分地區(qū)仍然出現(xiàn)了云遮蓋地物的現(xiàn)象。為增加兩期影像的可比性，選擇了成像時(shí)間接近的影像，并進(jìn)行了輻射校正、幾何校正，但Landsat TM5分辨率較低，存在誤差在所難免。二是受遙感影像分辨率的影響，分類精度任由一定的誤差，應(yīng)用遙感影像開展土地利用覆蓋監(jiān)測(cè)中，要通過幾何校正、輻射校正、光譜和紋理判讀，以及實(shí)地驗(yàn)證等多種方法提高分類的精度，從而提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。

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