2012—2015年中緬油氣管道重要節(jié)點(diǎn)土地利用/覆被時(shí)空變化分析

周峻松，李石華,2

(1. 云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南 昆明 650034； 2. 云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

土地利用/覆被(land use/land cover，LULC)變化是在不同時(shí)間和空間尺度上由自然和社會(huì)系統(tǒng)相互作用引起的一種復(fù)雜變化，是人類活動(dòng)改變和干預(yù)自然地理環(huán)境，直接影響地表覆蓋狀況的改變[1]。土地利用/覆蓋變化現(xiàn)已被普遍認(rèn)為是全球環(huán)境變化的關(guān)鍵素因，是引發(fā)氣候、生態(tài)過程、生物化學(xué)循環(huán)、生物多樣等變化的重要驅(qū)動(dòng)力[2]。土地利用/覆被變化引起的區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者針對Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展了大量的土地利用/覆被變化研究[3]，形成了基于遙感技術(shù)的各種土地利用/覆被變化的信息提取算法，包括：①傳統(tǒng)基于光譜特征的分類算法[4]；②基于混合像元分解的分類算法[5]；③基于像素光譜特征、基于像素光譜、紋理和形狀特征的分類算法[6]；④面向?qū)ο笥跋穹治龇椒╗7]；⑤新型智能分類算法，如深度學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、流形學(xué)習(xí)、條件隨機(jī)場、馬爾可夫隨機(jī)場等[8]。

“中緬油氣管道”是我國陸上第三大能源通道，是國家能源戰(zhàn)略通道的重要組成部分，也是國家“一帶一路”戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目[9]?！爸芯捰蜌夤艿馈逼鹩诰挼轲ㄆ?，經(jīng)若開邦、馬圭省、曼德勒和撣邦，從中緬邊境地區(qū)進(jìn)入我國的瑞麗，再延伸至昆明，輻射四川、重慶、貴州、廣西等省區(qū)，管道全長約1100 km，總投資約25億美元，該項(xiàng)目于2010年6月正式開工建設(shè)，2013年中緬油氣管道全線貫通。該項(xiàng)目的建設(shè)將改善沿線地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，但是該項(xiàng)目途經(jīng)地區(qū)多為地形地貌復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，項(xiàng)目建設(shè)將改變沿線地區(qū)的土地利用/覆被現(xiàn)狀，進(jìn)而影響沿線地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。為此，利用遙感技術(shù)監(jiān)測“中緬油氣管道”建設(shè)前(2012年)和建設(shè)完成(2015年)2個(gè)時(shí)期的土地利用/覆被變化具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1　研究區(qū)概況

本文根據(jù)“中緬油氣管道”項(xiàng)目的規(guī)劃綱要及相關(guān)設(shè)計(jì)和生態(tài)環(huán)境相關(guān)影響，選出云南省內(nèi)的11個(gè)(德宏芒市、保山隆陽區(qū)、大理下關(guān)區(qū)、昆明富民縣、昆明晉寧縣、玉溪紅塔區(qū)、紅河蒙自市、文山富寧縣、昆明嵩明縣、曲靖麒麟?yún)^(qū)、曲靖富源縣)重要節(jié)點(diǎn)地區(qū)和緬甸國4個(gè)省/邦(撣邦、曼德勒省、馬圭省、若開邦)重要節(jié)點(diǎn)地區(qū)(如圖1所示)作為研究區(qū)。

本文從USGS網(wǎng)站上選擇研究區(qū)云蓋量小于1%的2012年Landsat7 ETM+和2015年Landsat8 OLI的共42景成像時(shí)間接近的2期遙感影像作為數(shù)據(jù)源。采用ENVI軟件中的相關(guān)批處理程序完成Landsat數(shù)據(jù)的條帶填充、輻射校正、幾何校正、影像鑲嵌等預(yù)處理工作。

1.2　研究方法

利用預(yù)處理后的Landsat衛(wèi)星ETM+和OLI影像計(jì)算地表反射率，再計(jì)算歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)[10]、歸一化建筑物指數(shù)(normalized difference build index，NDBI)[11]、改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)(modified normalized difference water index，MNDWI)3個(gè)指數(shù)[12]。然后采用決策樹分類方法提取2012年和2015年2期“中緬油氣管道”重要節(jié)點(diǎn)區(qū)域的土地利用/覆被信息。通過分析緬甸、云南地區(qū)Landsat衛(wèi)星遙感影像的地物光譜特征，在城市和部分村落地區(qū)建筑和植被及建筑和裸土存在異物同譜現(xiàn)象，因此本文將利用NDVI、NDBI和MNDWI 3個(gè)指數(shù)進(jìn)行決策樹分類。該決策樹方法分類具體流程如下：

(1) 首先使用MNDWI識(shí)別水體(湖泊、河流、水庫、河渠、海)和非水體。

(2) 在非水體子節(jié)點(diǎn)處，用NDVI閾值和光譜閾值(NIR>SWIR1)識(shí)別含有建筑用地和植被混合地類及建筑用地和祼土地類。

(3) 利用NDBI指數(shù)和光譜閾值將建筑用地和植被混合地類進(jìn)一步分成植被和建筑用地二類。

(4) 利用NDBI和光譜閾值將建筑用地和祼土混合地類進(jìn)一步分為祼土和建筑用地二類。

利用決策樹分類獲得2012年和2015年2期“中緬油氣管線”沿線15個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的土地利用/覆被數(shù)據(jù)(水體、植被、建筑、裸土)。

2　結(jié)果與分析

通過2012年和2015年2期土地利用/覆被分類數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移圖譜(如圖2所示)，“中緬油氣管道”沿線重要節(jié)點(diǎn)的土地利用/覆被具有如下的時(shí)空變化規(guī)律。

(1) 2012—2015年期間，大理下關(guān)區(qū)、昆明富民縣、昆明晉寧縣、玉溪紅塔區(qū)、紅河蒙自市、文山富寧縣、昆明嵩明縣、曲靖麒麟?yún)^(qū)、曲靖富源縣、撣邦、曼德勒省、馬圭省12個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的土地利用/覆被變化率為20%左右，德宏芒市土地利用/覆被變化率為8.96%，保山隆陽區(qū)土地利用/覆被變化率為7.25%，緬甸若開邦土地利用/覆被變化率為8.74%，總體緬甸地區(qū)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的土地覆被變化比例，尤其是建筑面積增加，低于云南省的11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。

(2) 在該研究區(qū)12個(gè)節(jié)點(diǎn)的土地利用/覆被的變化主要為植被轉(zhuǎn)化為裸土、裸土轉(zhuǎn)化為植被，二者總計(jì)占總體變化比例的56.03%(德宏芒市)、95.95%(文山富寧)不等；其次為植被和裸土轉(zhuǎn)化為建筑，最高為25.97%(德宏芒市)和24.29%(玉溪紅塔區(qū))到最低1.45%(文山富寧)和0.94%(緬甸馬圭省)不等。

(3) 15個(gè)節(jié)點(diǎn)中，水體的變化有增有減，其中，大理州大理市、昆明富民縣、曲靖富源縣、撣邦、馬圭省、曼德勒省、若開邦水體面積減少，德宏芒市、保山隆陽區(qū)、昆明晉寧縣、玉溪紅塔區(qū)、紅河蒙自市、文山富寧縣、昆明嵩明縣、曲靖麒麟?yún)^(qū)水體面積增加；植被的變化同樣有增有減，除昆明嵩明縣、曲靖麒麟?yún)^(qū)、曲靖富源縣和馬圭省以外，其他地區(qū)植被覆蓋均有所下降；裸土的變化與植被相反，除昆明嵩明縣、曲靖麒麟?yún)^(qū)、曲靖富源縣和馬圭省有所減少以外，其他11個(gè)節(jié)點(diǎn)均有所增加；建筑在15個(gè)節(jié)點(diǎn)中，均有所增加，增加面積從0.30 km2(文山州富寧)至553.20 km2(撣邦)不等。

圖1　緬甸關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)示意圖　　　　　　　　　　　圖2　試驗(yàn)區(qū)(代表性區(qū)域)土地覆被變化

2.1　云南省土地利用/覆被變化分析

2012—2015年3年間，發(fā)生在云南省內(nèi)芒市、隆陽區(qū)、大理市、富民縣、晉寧縣、紅塔區(qū)、蒙自市、富寧縣8個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)的主要土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)換為植被的減少和裸土的增加，嵩明縣、麒麟?yún)^(qū)和富源縣中，植被的增加和裸土的減少尤為顯著，其中占主要的為植被向裸土的轉(zhuǎn)換和裸土向植被的轉(zhuǎn)換；其次，在2012—2015年間，云南省全部11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)的建筑面積都有所增加。將11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)的主要土地利用/土地覆被變化歸結(jié)為3種主要變化：林草地的開墾、草地/林地好轉(zhuǎn)、建筑用地?cái)U(kuò)張。

2.2　云南省土地利用/覆被變化驅(qū)動(dòng)分析

目前，在土地利用/覆被及生態(tài)狀況變化驅(qū)動(dòng)力研究中，越來越多的研究與實(shí)踐是基于“自然—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)”這一復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)概念框架，綜合考慮“氣候變化等自然因素和政府、社會(huì)個(gè)體或群體追求效益最大化的人類生產(chǎn)活動(dòng)及其與區(qū)域自然條件的相互影響”[13]。2012—2015年間，云南省內(nèi)的林草地的開墾、草地/林地好轉(zhuǎn)、建筑用地?cái)U(kuò)張一直主導(dǎo)著當(dāng)?shù)氐耐恋乩?土地覆被變化，其變化驅(qū)動(dòng)力分析如下：①2012—2015年間，所有云南省11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大量的植被與裸土的相互轉(zhuǎn)換的原因有二：一是由于2011年云南全境的極旱情況，以及而后2012—2015年的降水豐沛，造成大量的植被好轉(zhuǎn)，即原有的裸土轉(zhuǎn)換為植被；二是由于云南省內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)，如比較典型的“一帶一路”項(xiàng)目的推進(jìn)、中緬油氣管道項(xiàng)目的建設(shè)、滬昆高鐵的建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，對本試驗(yàn)11個(gè)研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)有所推動(dòng)，大量原有的耕地，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，耕種的作物種類有所改變，使得耕地物候期改變，許多裸土轉(zhuǎn)換為植被，促進(jìn)了植被的好轉(zhuǎn)，同時(shí)也促進(jìn)了林草地的開墾，造成大量的植被向裸土的轉(zhuǎn)換。②2012—2015年間，所有云南省11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)最少15.13 km2(富寧縣)的建筑用地面積擴(kuò)張的原因主要是由于近些年云南省高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如“一帶一路”國家戰(zhàn)略的實(shí)施，中緬油氣管道項(xiàng)目的建設(shè)與投產(chǎn)，滬昆高鐵、廣昆高鐵項(xiàng)目的建設(shè)，中緬邊貿(mào)的繁榮等；同時(shí)還有當(dāng)?shù)匾恍┨厣叩膶?shí)施，如紅鋼(蒙自市)、昆鋼(紅塔區(qū))的產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，加之人口增加帶來的住房需求，導(dǎo)致2012—2015年短短3年內(nèi)，云南省內(nèi)11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)，即使處于偏遠(yuǎn)的富寧縣，借由中緬油氣管道項(xiàng)目建設(shè)和廣昆高鐵建設(shè)，同樣出現(xiàn)0.30 km2的建筑用地的擴(kuò)張，在保山市隆陽區(qū)，借由邊貿(mào)、中緬油氣管道項(xiàng)目保山門站建設(shè)等帶來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其建筑用地?cái)U(kuò)張面積高達(dá)113.08 km2。

2.3　緬甸土地利用/覆被變化分析

在2012—2015年3年間，除馬圭省植被面積增加和裸土面積減少外，其他3個(gè)研究區(qū)內(nèi)，土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)換主要為植被的減少和裸土的增加，其中占主要的為植被向裸土的轉(zhuǎn)換和裸土向植被的轉(zhuǎn)換；其次，緬甸境內(nèi)全部4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)的建筑面積都有所增加。將4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)的主要土地利用/覆被變化歸結(jié)為3種主要變化，即林草地的開墾、草地/林地好轉(zhuǎn)、建筑用地?cái)U(kuò)張。

2.4　緬甸土地利用/覆被變化驅(qū)動(dòng)分析

2012—2015年間，緬甸境內(nèi)林草地的開墾、草地/林地好轉(zhuǎn)、建筑用地?cái)U(kuò)張一直主導(dǎo)著當(dāng)?shù)氐耐恋乩?覆被變化，其變化驅(qū)動(dòng)力分析如下：①2012—2015年間，緬甸境內(nèi)的4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)的主要變化絕大多數(shù)為植被與裸土的相互轉(zhuǎn)換，具體原因主要是4個(gè)節(jié)點(diǎn)皆為緬甸境內(nèi)的重要農(nóng)耕區(qū)，隨著中緬油氣管道項(xiàng)目的建設(shè)、緬甸2012—2015年間的和平發(fā)展及中緬邊貿(mào)的繁榮發(fā)展，4個(gè)研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平有所提高，同時(shí)也由于中國高產(chǎn)水稻在緬甸地區(qū)的推廣，造成耕種的作物有所改變，耕地區(qū)的物候期有所改變，最終造成遙感成像時(shí)間近似的2012年和2015年出現(xiàn)植被與裸土的相互轉(zhuǎn)換，即造成4個(gè)研究區(qū)大量的林草地的開墾和植被好轉(zhuǎn)。②2012—2015年間，緬甸境內(nèi)4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了最少83.44 km2(曼德勒省)的建筑用地面積的擴(kuò)張，但總體比例仍小于云南省內(nèi)11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，這與緬甸國情(仍處于典型農(nóng)業(yè)國的現(xiàn)狀)不無關(guān)系，但借由中緬油氣管道項(xiàng)目的建設(shè)及中緬邊貿(mào)的繁榮發(fā)展，如NH3公路周邊、撣邦木姐特區(qū)的發(fā)展、曼德勒市中緬油氣管道分壓站、若開邦皎漂油氣碼頭建設(shè)等，輻射并促進(jìn)這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造成這些地區(qū)建筑面積的大量擴(kuò)張。

3　結(jié)論與討論

本文分析了2012—2015年中緬油氣管道建設(shè)期間云南省內(nèi)11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)和緬甸境內(nèi)4個(gè)節(jié)點(diǎn)在3年間的LUCC的過程及空間格局，得出如下結(jié)論：

(1) 受地形及氣候影響，所有15個(gè)研究區(qū)內(nèi)最主要的土地覆被類型是植被與裸土，二者相加占全區(qū)(除大理和晉寧因?yàn)槎：偷岢囟鴮?dǎo)致植被與裸土相加占全區(qū)比例為82.81%和90.30%)95%以上。

(2) 所有15個(gè)研究區(qū)中，土地利用/覆被變化最劇烈的為植被與裸土的相互轉(zhuǎn)換。其主要原因是由于中緬油氣管道等項(xiàng)目和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造成研究區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的更改，作物物候期的改變，進(jìn)而造成相近時(shí)間內(nèi)的土地覆被的變化，如植被向裸土的轉(zhuǎn)換和裸土向植被的轉(zhuǎn)換，而且隨著2012—2015年降水的豐沛，緩慢恢復(fù)著2011年云南大旱造成的影響。

(3) 所有的15個(gè)研究區(qū)中，唯一全部都呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢的是建筑面積。具體原因是由于中緬油氣管道的建設(shè)及沿線一系列的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目等的發(fā)展，加之人口的增長，因此所有15個(gè)研究區(qū)內(nèi)，建筑面積都有所擴(kuò)張，同時(shí)由于中國與緬甸的國情差異，導(dǎo)致云南省內(nèi)11個(gè)重要節(jié)點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)的建筑面積擴(kuò)張比例都要大于緬甸境內(nèi)的4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。

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