基于IRS-P6遙感影像的高原區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

張 兵, 秦元萍, 韋 銳, 趙 晴

(1.石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 石家莊 050035; 2.北京通拓工程科技有限公司, 北京 100044)

水保監(jiān)測(cè)與應(yīng)用技術(shù)

基于IRS-P6遙感影像的高原區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

張 兵1, 秦元萍2, 韋 銳1, 趙 晴1

(1.石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 石家莊 050035; 2.北京通拓工程科技有限公司, 北京 100044)

[目的] 對(duì)青海省天峻縣重點(diǎn)區(qū)域2005—2014年的土地利用變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地利用政策制定提供依據(jù)。[方法] 利用2005—2014兩期IRS-P6衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，研究了針對(duì)該區(qū)域土地利用變化遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法和操作流程。實(shí)踐表明，該方法用于對(duì)土地利用變化的監(jiān)測(cè)與制圖能夠有效地提高土地利用信息提取的精度和效率。[結(jié)果] 2009年，土地利用仍以草地為主，雖比2005年略微減少，但基本保持平衡；內(nèi)陸灘涂和未利用地總面積則略微增加，面積占比最小的依然是建設(shè)用地，雖然年均增長(zhǎng)速度較快，但占比僅為0.29%。從年均變化上看，10 a間，水域面積減少近66.2%，年均減少速度達(dá)到了6.62%；建設(shè)用地增長(zhǎng)過(guò)快，10 a間增長(zhǎng)了59.98%，年均增長(zhǎng)達(dá)到了6.00%。[結(jié)論] 當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)在這10 a間有了較快的發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平得到一定程度的提高，但占總面積比例不足。監(jiān)測(cè)區(qū)土地利用總體變化不大，年均變化率僅為0.13%。

IRS-P6衛(wèi)星; 高原地區(qū); 土地利用; 遙感監(jiān)測(cè); 青海省天峻縣

文獻(xiàn)參數(shù)： 張兵, 秦元萍, 韋銳, 等.基于IRS-P6遙感影像的高原區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：118-122.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.021； Zhang Bing, Qin Yuanping, Wei Rui, et al. Land-use dynamic changes in plateau area based on image of IRS-P6 satellite[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：118-122.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.021

土地利用是指人類在生產(chǎn)活動(dòng)中為了達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益對(duì)土地自然屬性的使用方式，是為了獲得物質(zhì)產(chǎn)品和某種服務(wù)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口的過(guò)度增長(zhǎng)，為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)生活需求，人類對(duì)土地資源的利用已經(jīng)逐漸超過(guò)了大自然所能承受的程度，由此帶來(lái)了一系列嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，如：生態(tài)失衡，環(huán)境污染加劇，資源枯竭等[1]。因此，為了加強(qiáng)對(duì)土地資源的有效管理，必須要加強(qiáng)對(duì)土地利用現(xiàn)狀的調(diào)查和土地利用變化趨勢(shì)的研究，為合理利用土地、控制非法用地，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。遙感技術(shù)應(yīng)用于土地利用變化監(jiān)測(cè)由來(lái)已久，之前，人們利用80 m空間分辨率的美國(guó)MSS遙感影像數(shù)據(jù)以及30 m空間分辨率的Landsat TM，ETM遙感影像數(shù)據(jù)在大區(qū)域、大尺度范圍內(nèi)對(duì)土地利用現(xiàn)狀及其變化的監(jiān)測(cè)已取得了很多的研究成果[2-4]，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展以及影像分辨率的大幅提高，利用遙感技術(shù)對(duì)土地利用現(xiàn)狀及其變化的監(jiān)測(cè)已經(jīng)逐漸延伸到了小范圍、小尺度領(lǐng)域，已經(jīng)由國(guó)家、省級(jí)區(qū)域范圍擴(kuò)展到市級(jí)，縣級(jí)行政區(qū)范圍[5-7]。姜慶虎等[8]，利用1995，2006年2期TM遙感影像，采用RS和GIS技術(shù)手段，對(duì)青海剛察縣的土地利用/覆被情況進(jìn)行了提取，利用指數(shù)模型、轉(zhuǎn)化傾向模型以及轉(zhuǎn)移矩陣模型方法探討了剛察縣土地利用變化的時(shí)空變化，對(duì)其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了探討。但是，利用近5 m分辨率的IRS-P6遙感影像對(duì)高原地區(qū)進(jìn)行土地利用動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、制作1∶50 000比例尺土地利用圖的研究還相對(duì)較少。本文擬以GIS和RS技術(shù)為基礎(chǔ)，以IRS-P6衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)已有的地形圖，地貌圖等矢量數(shù)據(jù)成果，研究利用多源數(shù)據(jù)提取土地利用信息、制作1∶50 000土地利用圖的方法，對(duì)天峻縣重點(diǎn)區(qū)域近10 a來(lái)的土地利用變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，為當(dāng)?shù)剡M(jìn)行科學(xué)的土地資源管理和利用提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天峻縣隸屬于青海省海西蒙古族藏族自治州，位于柴達(dá)木盆地東緣，青海湖西北部,總面積為2.57×104km2,總?cè)丝诩s5萬(wàn)人，天峻縣最高海撥5 826.8 m，最低海撥2 850 m，相對(duì)高差近3 000 m。天峻縣是海西州唯一的牧業(yè)縣，煤炭和畜牧業(yè)是其主要產(chǎn)業(yè)。該區(qū)土地利用類型以是草地為主，草地主要包括天然草地和人工牧草地，多年來(lái)草地面積占整個(gè)土地利用總面積的比例一直維持在87%左右的水平，其次，該區(qū)域的土地利用類型主要是內(nèi)陸灘涂和未利用地，其他土地類型占總面積的比例非常小。監(jiān)測(cè)區(qū)范圍控制點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)范圍控制點(diǎn)經(jīng)緯度

研究區(qū)介于98°30′—99°53′E， 37°21′—37°29′N，總面積約1 700 km2，涉及到的1∶50 000標(biāo)準(zhǔn)分幅的地形圖有天峻縣(J47 E017013)、哈德木(J47 E016013)、陶特克(J47 E015012)等12幅。

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)及其處理 研究采用的遙感數(shù)據(jù)是印度IRS-P6衛(wèi)星的LISS-4傳感器于2005年10月和2014年10月獲取的遙感影像，該影像由青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局提供，同時(shí)利用其提供的1∶50 000地形圖對(duì)影像進(jìn)行投影幾何精校正。IRS-P6衛(wèi)星是印度在2003年10月發(fā)射的“資源衛(wèi)星一號(hào)”遙感衛(wèi)星，該衛(wèi)星攜帶3個(gè)傳感器:多光譜傳感器LISS-3，LISS-4以及高級(jí)廣角傳感器AWIFS。LISS-4傳感器可獲取多光譜(MX)和全色(MN)影像數(shù)據(jù)。LISS-4傳感器的波段頻譜有綠，紅，近紅外3種，MX數(shù)據(jù)幅寬為23.9 km，對(duì)應(yīng)于地面398 km的范圍，并可得到立體像對(duì)；MN模式下，其空間分辨率為5.8 m，該衛(wèi)星的重訪周期為5 d。

為了使影像數(shù)據(jù)能更好的應(yīng)用于土地利用變化監(jiān)測(cè)，使用前，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的處理，目的是為了增強(qiáng)影像的對(duì)比度、消除影像在采集過(guò)程中由于地形起伏、地球曲率和大氣折光等影響而引起的畸變、偏移誤差[9-10]等，以提高影像質(zhì)量。影像處理主要基于ENVI軟件，主要包括：幾何較正、影像融合與增強(qiáng)、投影變換、影像鑲嵌與裁剪等[11-14]。

1.2.2 矢量數(shù)據(jù)及其處理 矢量數(shù)據(jù)主要包括工作區(qū)1∶50 000，1∶100 000矢量地形圖和一些土壤、植被分布圖等輔助資料，由于工作區(qū)面積較大，涉及到12幅標(biāo)準(zhǔn)分幅的1∶50 000地形圖，因此，為了便于進(jìn)行土地利用變化的信息提取，首先需要將矢量格式的地形圖進(jìn)行拼接，對(duì)接邊存在的問(wèn)題進(jìn)行修改，保證拼接后地形圖的完整性和統(tǒng)一性。由于區(qū)域內(nèi)海拔高，1∶50 000地形圖的等高線過(guò)于稠密，為使圖面簡(jiǎn)潔，使用方便，對(duì)地形圖進(jìn)行抽稀處理，主要是加大等高距，刪除多余等高線。

1.3 研究方法

土地利用變化的監(jiān)測(cè)方法很多，本文選擇以MapGIS軟件為技術(shù)平臺(tái)，將處理之后的遙感影像和拼接后地形圖分別導(dǎo)入MapGIS平臺(tái)，將二者進(jìn)行疊加，再對(duì)主要土地利用類型進(jìn)行分類，分別建立解譯標(biāo)志，然后結(jié)合遙感影像、地形圖和其他參考資料，逐一對(duì)土地利用類型進(jìn)行信息提取，最后，對(duì)存在疑似問(wèn)題的信息進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果修正信息，制作1∶50 000土地利用圖，并對(duì)2005和2014年的土地利用變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。具體如圖1所示。

圖1 土地利用變化監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

1.4 土地利用變化監(jiān)測(cè)流程

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，以土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21 010—2007)[15]為依據(jù)，將研究區(qū)主要土地利用類型分為草地、建設(shè)用地、水域、內(nèi)陸灘涂和未利用地5個(gè)大類，然后對(duì)每個(gè)類別建立解譯標(biāo)志[16-18]，解譯標(biāo)志(表2)是直接反映判別地物信息的影像特征，它對(duì)于判斷地物的性質(zhì)、類型等具有重要的指導(dǎo)作用，是提取目標(biāo)地物信息的主要依據(jù)，因此，客觀的合理解譯標(biāo)志能夠明顯的提高目標(biāo)地物信息提取的精度和效率。在解譯標(biāo)志的建立過(guò)程中，一是需要參考同地區(qū)已有的遙感解譯成果，二是在標(biāo)志建立之后需要到實(shí)地進(jìn)行抽查驗(yàn)證。

表2 土地利用類型遙感解譯標(biāo)志特征

解譯標(biāo)志建立好之后，根據(jù)影像特征，可對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)的土地利用變化情況進(jìn)行信息提取與制圖，結(jié)合1∶50 000地形圖，分層勾繪影像上每一種土地類型，為了面積統(tǒng)計(jì)方便，將每種土地利用類型的線文件轉(zhuǎn)換為面文件，并按照規(guī)范規(guī)定的分類顏色標(biāo)準(zhǔn)填充顏色，信息提取完成后，將解譯初步成果打印出圖，對(duì)存在疑似問(wèn)題的土地類型要到實(shí)地進(jìn)行驗(yàn)證、核查，同時(shí)對(duì)成果進(jìn)行抽查檢驗(yàn)，并根據(jù)核查和檢查的結(jié)果對(duì)土地利用圖進(jìn)行修改。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

依據(jù)2005年10月和2014年10月監(jiān)測(cè)區(qū)兩期的遙感影像數(shù)據(jù)，按照上述方法，分別制作了2005年和2014年監(jiān)測(cè)區(qū)土地利用變化圖，通過(guò)對(duì)2幅圖的土地利用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了研究區(qū)近2005—2014年的土地利用變化情況。土地利用圖制作完成后，利用MapGIS 軟件的統(tǒng)計(jì)功能對(duì)每一個(gè)土地利用區(qū)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)工作底圖的比例尺對(duì)每個(gè)統(tǒng)計(jì)面積進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為面積常用單位。表3是2005與2014年監(jiān)測(cè)區(qū)土地利用變化對(duì)比表。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 土地利用面積變化分析 為了能夠?qū)ξ磥?lái)土地利用的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，分別對(duì)單一土地類型動(dòng)態(tài)度(KS)和土地利用綜合動(dòng)態(tài)度(LC)進(jìn)行了計(jì)算[19]。表3中KS一列反映的是監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)各土地利用類型面積年均變化量，用式(1)計(jì)算;LC一列表示的是該區(qū)2005—2014來(lái)的土地利用綜合動(dòng)態(tài)度，用式(2)計(jì)算。

(1)

式中：KS——單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度;Ua,Ub——某一時(shí)間段開(kāi)始時(shí)和結(jié)束時(shí)的土地利用類型的面積;T——某一時(shí)間段的長(zhǎng)度(a)。

表3 2005與2014年土地利用變化對(duì)比

(2)

從表3可知，2005年該區(qū)域土地利用類型主要是草地，占總面積的87.45%，其次是內(nèi)陸灘涂和未利用地，分別占總面積的5.36，5.29%，建設(shè)用地占地最小，僅為0.18%；2009年，土地利用仍以草地為主，占比87.28%，比2005年略微減少，內(nèi)陸灘涂和未利用地總面積還是位居第2和第3位，分別為6.41%和5.44%，比2005年略微增加，占地面積最小的依然是建設(shè)用地，雖然年均增長(zhǎng)速度較快，但占總面積的比例還是很小，為0.29%。

從年均變化上看，10 a間，水域面積減少近66.2%，年均減少速度達(dá)到了6.62%，說(shuō)明了由于人類生活、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)對(duì)河流水資源的不當(dāng)利用，使當(dāng)?shù)睾恿鲄^(qū)域的生態(tài)環(huán)境破壞比較嚴(yán)重。建設(shè)用地增長(zhǎng)過(guò)快,10 a間增長(zhǎng)了59.98%，年均增長(zhǎng)達(dá)到了6.00%，這從側(cè)面反映了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)在這10 a間有了較快的發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平得到一定程度的提高，但從總面積占比看，還有待提高。草地的年均變化很小，基本保持平衡。從綜合動(dòng)態(tài)度來(lái)看，10 a間，監(jiān)測(cè)區(qū)土地利用總體變化不大，年均變化率僅為0.13%。

2.2.2 土地利用空間變化分析 通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量的研究土地利用類型的轉(zhuǎn)化方向，從而更直觀的分析土地利用變化的時(shí)空演變過(guò)程[20-22]。表4列出了研究區(qū)2005—2014年土地利用類型面積轉(zhuǎn)化過(guò)程，表5則為土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣。

表4 2005與2014年研究區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表5 2005與2014年研究區(qū)土地利用類型概率轉(zhuǎn)移矩陣 %

由表4—5可知，研究區(qū)各土地類型保持不變的概率最大為草地，為99.567%，說(shuō)明了草地面積在10 a間基本處于平衡狀態(tài)，最小的為水域，為18.458%，這進(jìn)一步說(shuō)明了，10 a間水域面積變化迅速，隨著人們對(duì)河流資源的不當(dāng)利用，導(dǎo)致河水流量減少，從而使得原來(lái)水域部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)陸灘涂、草地和未利用地，轉(zhuǎn)化概率分別為60.452%，7.655%和13.407%。從表5中還可知，雖然建設(shè)用地保持不變的概率為92.176%，但是相對(duì)于除水域之外的土地利用類型而言，變化則是最大的。

3 結(jié) 論

(1) 將IRS-P6衛(wèi)星全色影像和多光譜影像融合處理后，其影像精度能夠滿足1∶50 000土地利用圖的制作要求，并且，利用GIS平臺(tái)將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，能夠充分發(fā)揮各種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，提高信息提取與制圖的精度和效率。

(2) 通過(guò)多年來(lái)研究區(qū)水域和建設(shè)用地面積變化情況及變化趨勢(shì)的分析可知： ① 當(dāng)?shù)厝藗儗?duì)河流水資源的不當(dāng)利用，已經(jīng)給河流水資源造成了很大破壞，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn)； ② 多年來(lái)當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化水平和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)雖然得到了較快的發(fā)展，但從其所占總面積的比例來(lái)看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

(3) 通過(guò)對(duì)土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣和概率轉(zhuǎn)移矩陣分析可知，除水域外，其他土地利用類型保持不變的概率都維持在90%以上，尤其是草地，其不變的概率為99.57%，這說(shuō)明了當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋?005—2014年間總體變化不大，基本處于相對(duì)平衡狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)，未來(lái)10 a除水域外，其他土地利用類型總體變化依然不會(huì)太大。

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[21] 施益強(qiáng),吳志強(qiáng).近20 a廈門(mén)市土地利用動(dòng)態(tài)變化及預(yù)測(cè)[J].水土保持通報(bào),2014,34(5):176-186.

[22] 任秀金,蓋艾鴻,宋金蕊.1999—2009年青海省德令哈市土地利用/覆蓋變化特征[J].水土保持通報(bào),2014,34(5):248-253.

Land-use Dynamic Changes in Plateau Area Based on Image of IRS-P6 Satellite

ZHANG Bing1, QIN Yuanping2, WEI Rui1, ZHAO Qing1

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalScience,ShijiazhuangUniversity,Shijiazhuang,Hebei050035,China; 2.BeijingTopstoneEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Beijing100044,China)

[Objective] The land-use change during 2005—2014 was monitored in order to provide the scientific data for the policy making and ecological environment protection in Tianjun County of Qinghai Province. [Methods] Based on the IRS-P6 satellite image of 2005 and 2014, the technical methods and operation process of remote sensing monitoring for the land-use change in the key region of Tianjun county was studied. [Results] In 2009, the dominated land-use type was grass, which was slightly less than that in 2005. The area of mud flat and unused land was slightly increased. The area of the construction land was still smallest because the area proportion was only as low as 0.29%, although its annual growth rate was increasing rapidly. Regarding to the annual changes, the water area decreased by almost 66.2% in the past ten years and the annual decreasing rate was 6.62%. The area of construction land increased fast and reached 59.98% in the past 10 years and the annual increasing rate was 6.00%. [Conclusion] Local economy has developed fast during 2005—2014, and the urbanization level has been improved greatly. However, regarding to the total area proportion of construction land, the change of land-use in the monitoring area is little and the annual change rate is only 0.13%.

IRS-P6 satellite; plateau area; land-use; remote sensing monitoring; Tianjun County of Qinghai Province

2015-11-03

2015-12-18

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目“山區(qū)土地利用變化的生態(tài)地學(xué)要素和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究”(2237126D-3)； 河北省自然科學(xué)資助項(xiàng)目“生態(tài)功能區(qū)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與綜合評(píng)價(jià)研究”(D2010001952)

張兵(1979—),男(漢族),河南省潢川縣人,博士研究生,副教授,注冊(cè)測(cè)繪師,主要從事“3S”技術(shù)集成應(yīng)用、土地資源開(kāi)發(fā)利用等研究。E-mail:zhbing1020@126.com。

B

1000-288X(2017)01-0118-05

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