1990-2015年圖們江流域耕地時(shí)空變化遙感分析

相恒星，王一航，張敬瑤，朱衛(wèi)紅,3，*

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院，吉林 延吉 133000；2.吉林師范大學(xué)，吉林 四平 136000； 3. 長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 延吉 133000)

1990-2015年圖們江流域耕地時(shí)空變化遙感分析

相恒星1，王一航1，張敬瑤2，朱衛(wèi)紅1,3，*

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院，吉林 延吉 133000；2.吉林師范大學(xué)，吉林 四平 136000； 3. 長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 延吉 133000)

研究圖們江流域的耕地變化對加強(qiáng)圖們江流域土地利用調(diào)控與管理有重要作用.以Landsat MSS/TM/OLI 遙感影像為數(shù)據(jù)源，基于GIS軟件，利用轉(zhuǎn)移矩陣、統(tǒng)計(jì)分析等方法，計(jì)算圖們江流域耕地變化情況和耕地相對轉(zhuǎn)化情況，分析圖們江流域1990-2015年共計(jì)25年間的耕地面積時(shí)空變化規(guī)律.結(jié)果表明：圖們江流域的耕地廣泛分布在中游區(qū)域，尤其旱地面積顯著大于水田的面積，在25年間耕地總面積先增加后減少.1990—2015年，圖們江上游耕地面積呈緩慢增長趨勢，但后十五年增長速度高于前十年；圖們江中游耕地面積前十年呈快速增長趨勢，后十五年緩慢下降；而圖們江下游25年內(nèi)耕地面積變化不顯著.1990—2015年，圖們江流域水旱地結(jié)構(gòu)發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換，水田向旱地的轉(zhuǎn)化量大于旱地向水田的轉(zhuǎn)化量.

遙感；時(shí)空變化；圖們江流域；耕地

土地是人們生存與發(fā)展當(dāng)中不能忽缺的重要的資源，耕地面積的大小與耕地的產(chǎn)量反映了一個(gè)國家的基本國情，從而代表著國家的人口承載量與可持續(xù)發(fā)展的能力.隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與人口數(shù)量的增長，人類的各項(xiàng)活動(dòng)與耕地系統(tǒng)之間的矛盾日益明顯，從而造成耕地的需求量不斷增加[1].利用遙感數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取土地利用面積的變化信息，分析耕地變化的原因，可以為耕地保護(hù)政策的實(shí)施和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)[2,3].同時(shí)土地利用在數(shù)量和空間布局上都發(fā)生了巨大的變化，因此研究耕地面積變化可以準(zhǔn)確預(yù)測未來耕地變化趨勢和數(shù)量并分析其影響因素，這對政府決策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-6].

圖們江流域植被資源十分豐富，土壤肥沃，水源充足，是全省乃至全國公認(rèn)的“生態(tài)后花園”.其植被覆蓋率達(dá)80%以上，在這個(gè)環(huán)境惡劣的時(shí)代，對東北亞乃至更大范圍的生態(tài)系統(tǒng)和氣候調(diào)節(jié)有著十分重要的地位.研究該地區(qū)的耕地時(shí)空變化，就能了解該地區(qū)整體耕地變化情況，對圖們江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及預(yù)測未來耕地變化趨勢和數(shù)量提供理論依據(jù)[7,8].

現(xiàn)如今，耕地問題日益突出，備受關(guān)注.專家學(xué)者們也紛紛從不同的角度出發(fā)，對各研究區(qū)多年的耕地變化趨勢展開研究.滿衛(wèi)東對1990-2013年東北地區(qū)耕地時(shí)空變化進(jìn)行了分析，得出了耕地變化的原因.滿衛(wèi)東認(rèn)為變化原因應(yīng)從人為因素到自然因素結(jié)合分析.張運(yùn)利用1999-2009年的耕地統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對長沙市的耕地總量和人均量的時(shí)序變化及空間地域分異特征進(jìn)行分析[9]. 本文利用圖們江流域1990年、2000年和2015年3期遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件與空間分析技術(shù)，分析了圖們江流域的耕地分布與變化情況，分析了水田與旱地的轉(zhuǎn)化特征，通過不同時(shí)期耕地面積的變化，探究影響耕地面積大小的因素，為城市發(fā)展規(guī)劃與決策提供指導(dǎo)性建議，對維護(hù)圖們江地區(qū)糧食生產(chǎn)和吉林省糧食安全具有重要的意義.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1研究區(qū)概況

圖們江流域地處中國、俄羅斯與朝鮮三國交界處，長白山北麓，東鄰日本海，吉林省東部邊界地區(qū).經(jīng)緯度范圍處于北緯41°59′47″至44°30′42″，東經(jīng)127°27′43″至131°18′33″之間.研究區(qū)面積約為22860平方千米，占吉林省總面積的11.9%.圖們江流域范圍的界定是通過ArcGIS10.2軟件的流域水文分析模塊，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)地形特征，提取出盆域、流域范圍及水系圖.圖們江發(fā)源于長白山山脈主峰，沿著山脈東北方向順勢流下，一路蜿蜒盤旋，最終注入日本海，干流全長525公里，總落差1297米.中朝界河段長510公里，俄朝界河15公里.本文所研究的區(qū)域?yàn)閳D們江流域中國一側(cè)，屬延邊州管轄范圍.

圖1 研究區(qū)地理位置

圖2 圖們江流域水系圖

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

研究采用的遙感影像數(shù)據(jù)源為LandsatMSS/TM /OLI，分別為1990年、2000年和2015年共3期，對圖們江流域的耕地信息進(jìn)行提取，共使用了12景遙感影像，其中Landsat TM影像4景，MSS影像4景，OLI影像4景.采用的DEM ASTER GDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search).

數(shù)據(jù)處理包括，利用ENVI和ArcGIS對3期影像分別進(jìn)行大氣校正、幾何校正、裁剪及拼接等；利用2015年的OLI數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)影像，對1990年和2000年的MSS/TM數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，使3期影像的幾何誤差較小，從而提高精度[10,11].

1.3研究方法

采用面向?qū)ο蠓诸惙ㄅc目視解譯法相結(jié)合的方法.其中面向?qū)ο蟮挠跋穹治龇椒? object- based image analysis，OBIA)基本原理是對影像進(jìn)行分割，能夠避免“同物異譜”和“同譜異物”的問題，是一種實(shí)用的操作方法.面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ú痪窒抻诘匚锏墓庾V特性，還依據(jù)于對象的大小形狀、顏色、紋理特征完成分類[12].本文以eCognition8.64軟件為平臺，先對數(shù)據(jù)源進(jìn)行預(yù)處理，對影像進(jìn)行多尺度分割，根據(jù)圖們江流域遙感影像特征，分割尺度為100，建立解譯標(biāo)志，解譯標(biāo)志如表1所示.根據(jù)對象特征自動(dòng)分類獲取初步的解譯結(jié)果，再結(jié)合目視解譯修改得到準(zhǔn)確的解譯結(jié)果，對分類結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)，輸出解譯結(jié)果，同時(shí)基于ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，充分利用Arctoolbox中的分析工具對3期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解譯[13].

表1 圖們江流域耕地解譯標(biāo)志

在圖們江流域共計(jì)調(diào)查98個(gè)點(diǎn)，其中安圖縣12個(gè)調(diào)查點(diǎn)，和龍市9個(gè)調(diào)查點(diǎn)，琿春市13個(gè)調(diào)查點(diǎn)，龍井市22個(gè)調(diào)查點(diǎn)，圖們市13個(gè)調(diào)查點(diǎn)，汪清縣20個(gè)調(diào)查點(diǎn)，延吉市9個(gè)調(diào)查點(diǎn).98個(gè)點(diǎn)當(dāng)中有89個(gè)點(diǎn)可以與影像分類相匹配，準(zhǔn)確率接近91%.這98個(gè)調(diào)查點(diǎn)遵循均勻分布研究區(qū)各區(qū)域的原則，詳細(xì)分布情況見圖3.

圖3 圖們江流域調(diào)查點(diǎn)分布

2 結(jié)果與分析

2.1不同時(shí)期圖們江流域耕地分布

1990年、2000年和2015年耕地面積分別為2702.1km2、2953.9km2和3059km2，分布圖見圖4.1990年旱地面積為2257.5km2，水田面積為444.6km2，土地總面積為22634.7km2，旱地占土地總面積的9.97%、水田占土地總面積的1.96%；2000年旱地面積為2559.4km2、水田面積為394.5km2，旱地占土地總面積的11.3%、水田占土地總面積的1.74%；2015年旱地面積為2717.8km2、水田面積為341.2km2，旱地占土地總面積的12.0%、水田占土地總面積的1.51%.詳情見表2.

表2 1990-2015年圖們江耕地面積及比例(單位：平方千米)

旱地廣泛分布在圖們江中游.水田受水源供應(yīng)和氣溫等因素限制，主要分布在圖們江的主要支流海蘭河、嘎呀河、布爾哈通河、大汪清河、渾春河等河流周圍，從圖4得知圖們江上游水田較少.人口密度的變化并不會引起耕地的減少.由于當(dāng)前相關(guān)的社會保障體系尚不健全，無法在制度上給予進(jìn)城農(nóng)民以生存保障，難以讓其主動(dòng)放棄收益不高的耕地收入，因此盡管人口密度增大會促進(jìn)耕地增加，但耕地并不會因人口密度的減小而減少.

圖4 1990-2015年圖們江流域旱地、水田分布情況

1990年到2000年水田減少了50.1km2，2000年到2015年水田減少了53.3km2.總體來看，25年水田共減少了103.4 km2.從趨勢上看，水田有逐年減少的趨勢，這與降水量減少、退耕還濕等因素有密不可分的關(guān)系.1990年到2000年旱地增加了301.9km2，2000年到2015年旱地增加了158.4km2，1990-2015年旱地共增加460.3 km2，總體呈增加趨勢.詳細(xì)情況見圖5.

圖5 1990-2015年圖們江流域水田、旱地面積變化量

2.2圖們江不同流域耕地時(shí)空變化特征

圖們江各流域1990-2015年耕地面積增速變化特征不同.圖們江上游耕地面積持續(xù)增加，但增加幅度較小，1990-2000年面積變化量(增加0.53 km2)低于2000-2015年面積變化量(增加2.27 km2)；圖們江中游耕地面積持續(xù)增加，增加幅度較大，耕地變化較為明顯，1990-2000年面積變化量(增加254.55 km2)高于2000-2015年面積變化量(增加102.68 km2)；圖們江下游耕地面積持續(xù)減少，減少幅度較小，1990-2000年減少了2.88km2，2000-2015年，減少了0.13km2.詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3.

表3 1990-2015年圖們江上中下游耕地面積及面積變化量(單位：平方千米)

2.3圖們江流域水田和旱地的面積轉(zhuǎn)化特征

1990-2000年圖們江流域旱地未發(fā)生變化的面積為2247km2，旱地轉(zhuǎn)換成水田共計(jì)3km2，水田轉(zhuǎn)換成旱地共計(jì)43km2，水田未發(fā)生變化的面積為392km2，詳細(xì)情況見表4.

表4 1990-2000年圖們江流域水、旱田轉(zhuǎn)移矩陣(單位：平方千米)

2000-2015年圖們江流域旱地未發(fā)生變化的面積為2286km2，旱地轉(zhuǎn)換成水田共計(jì)27km2，水田轉(zhuǎn)換成旱地共計(jì)59km2，水田未發(fā)生變化的面積為306km2，詳細(xì)情況見表5.

表5 2000-2015年圖們江流域水、旱田轉(zhuǎn)移矩陣(單位：平方千米)

1990-2015年圖們江流域旱地未發(fā)生變化的面積為2034km2，旱地轉(zhuǎn)換成水田共計(jì)25km2，水田轉(zhuǎn)換成旱地共計(jì)95km2，水田未發(fā)生變化的面積為308km2，詳細(xì)情況見表6.1990-2015年期間水田向旱地的轉(zhuǎn)化量大于旱地向水田的轉(zhuǎn)化量，從而可以得知水改旱明顯.結(jié)合近25年圖們江流域情況，得出降雨量減少等因素造成了水田向旱地的轉(zhuǎn)化量增加.面積變化如圖6所示.

表6 1990-2015年圖們江流域水、旱田轉(zhuǎn)移矩陣(單位：平方千米)

圖6 1990-2015年水田、旱地面積轉(zhuǎn)化圖

3 結(jié)論

在提取1990-2015年，圖們江流域范圍內(nèi)耕地信息變化情況方面，面向?qū)ο蠓诸惙ㄅc目視解譯法相結(jié)合的方法具有顯著的優(yōu)勢，能夠迅速、精準(zhǔn)地完成耕地信息提取.1990年、2000年和2015年3期耕地分類結(jié)果的準(zhǔn)確率與耕地動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率均較高.圖們江流域?qū)儆跍貛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，降水量十分豐富，潮濕多雨為本區(qū)域內(nèi)的共性，年平均降水量大約為400-650毫米，居吉林省首位.水田分布明顯表現(xiàn)出受水源限制的特征，多分布于圖們江主要支流附近.

25年間，雖然氣候變化對圖們江流域耕地變化有一定影響，但政策調(diào)控、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、人口增長、城市擴(kuò)張等人文因素仍然是耕地變化和時(shí)空分異特征的重要驅(qū)動(dòng)因素，其中政策因素占主導(dǎo)地位.1990年延邊州地區(qū)GDP為422441萬元，截至2015年GDP增長至8588402萬元.由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，耕地已經(jīng)由以規(guī)模農(nóng)業(yè)效益，轉(zhuǎn)向科技農(nóng)業(yè)效益.1990年延邊州地區(qū)人口數(shù)為206.9萬人，截至2015年延邊州地區(qū)人口增至213.58萬人，表明近25年人口呈增長趨勢，人口的增長直接促進(jìn)糧食需求增長和生存生活必需基礎(chǔ)設(shè)施與場所的規(guī)模擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致圖們江流域耕地面積的擴(kuò)張.本論文還存在一定不足，只是從耕地?cái)?shù)據(jù)上來分析近25年圖們江流域耕地時(shí)空變換，并未做更細(xì)化的研究，缺乏地面實(shí)測數(shù)據(jù)，對于結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證.宜選取比較精細(xì)的數(shù)據(jù)集，結(jié)合合適的分析模型，加上實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步反演出更精細(xì)的耕地變換情況[14-16].

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RemoteSensingAnalysisofCultivatedLandSpatial-temporalChangeinTumenRiverBasinfrom1990to2015

XIANG Hengxing1，WANG Yihang1，ZHANG Jingyao2，ZHU Weihong1，3，*

(1.College of Science, Yanbian University, Yanji Jilin 133000, China; 2.Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China; 3.Changbai Mountain Key Laboratory of Biological Resources and Functional Molecules, Yanji Jilin 133000, China)

The study of cultivated land change in Tumen river basin plays an important role in strengthening the regulation and management of land use in Tumen river basin. Based on GIS software and with remote sensing images of Landsat MSS/TM/OLI as the data source, this paper calculates the variation and the relative transformation of cultivated land in Tumen river basin using the methods of transition matrix and statistical analysis, and analyzes the 25-year spatio-temporal variation rules of cultivated land area in Tumen river basin from 1990 to 2015.The result shows that: The cultivated land is widely distributed in the middle reaches of Tumen river basin, especially the area of dry farmland is significantly higher than that of paddy field; And the total area of cultivated land increased first and then decreased among the 25 years. From 1990 to 2015, the area of cultivated land increased gradually in the upper reaches of the Tumen river, and the growth rate of the latter fifteen years was higher than the previous ten years. While the cultivated land area in the middle reaches of Tumen river showed a rapid growth trend in the first ten years, and declined slowly in the last fifteen years. However, the area in the lower reaches has not changed significantly within the 25 years. From 1990 to 2015, the structure of paddy and dry farmland in Tumen river basin was of a mutual conversion—the transformation of paddy-to-dry is much higher than that of paddy-to-dry.

remote sensing ; spatial-temporal change; Tumen river basin; cultivated land

S127

A

1008-4681(2017)05-0008-06

2017-09-01

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：41361015)資助項(xiàng)目；延邊州濕地保護(hù)發(fā)展中心地方橫向項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：201600001).

相恒星(1993— ),女,吉林白山人，延邊大學(xué)理學(xué)院碩士生.研究方向：資源環(huán)境遙感.

*通訊作者：朱衛(wèi)紅(1972— )，女，吉林延吉人，延邊大學(xué)理學(xué)院教授，博士.研究方向：濕地保護(hù)、生態(tài)遙感.

(責(zé)任編校：晴川)