復(fù)雜地形約束下西昌市土地利用空間分布格局

魏 穎，鄭 勇，張 強(qiáng)，卿玉玲，劉宗學(xué)

(成都理工大學(xué)旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都 610059)

0 前言

土地利用是土地質(zhì)量特性和社會(huì)土地需求協(xié)調(diào)所決定的土地功能過(guò)程，是自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等眾多因素共同作用的復(fù)雜過(guò)程[1～4]。地形因子作為對(duì)土地利用變化影響程度最大的自然因素,直接影響著土地利用變化的方式和趨勢(shì)[5],是土地利用分布格局的重要影響因子[6]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者從定性與定量角度探討了海拔、坡度和坡向等地形因子對(duì)土地利用類(lèi)型時(shí)空分布及其變化的影響, 認(rèn)為地形因子與其他自然、人文因素一起復(fù)雜影響土地利用變化[7～10]。但大多是針對(duì)地形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平原地區(qū)，對(duì)復(fù)雜地形區(qū)研究還有待深入。西昌市地貌復(fù)雜，平原和山地交錯(cuò)分布，運(yùn)用遙感和GIS技術(shù)能夠快速提取土地覆被信息，并與高程、坡度、坡向、地形位信息進(jìn)行疊加處理，定量分析地形因子制約下西昌市區(qū)土地利用的空間分布規(guī)律，為該區(qū)土地利用及國(guó)土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西昌市處于川西高原的安寧河平原腹地，是涼山彝族自治州的州府所在地，也是攀西地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)文化及交通中心(見(jiàn)圖1)，東經(jīng)101°46′～102°25′、北緯27°32′～28°10′。地形以中山為主，占全市總面積的78.9%，高山、低山分別占1.1%和3.4%；河谷平坦地區(qū)面積占16.4%，是四川省第二大河谷平原。山地分布在安寧河?xùn)|西兩側(cè)，西部牦牛山，是市境內(nèi)山地的主體，占全市總面積的一半，自北向南縱貫全境，構(gòu)成安寧河與雅礱江的分水嶺。其北段許多山峰海拔超過(guò) 3 500 m，向南逐漸降低。整個(gè)山體，大部分界于 2 000 m～3 000 m之間；安寧河?xùn)|側(cè)屬螺髻山山脈，北段和南段主脊線分別在在喜德縣及西昌與普格的分界線上。

圖1 西昌市地理位置與高程Fig.1 Location and elevation of Xichang City

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文的DEM選取ASTER-GDEM，空間分辨率為30 m，來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscioud.cn/)。待解譯數(shù)據(jù)以USGS的Landsat8 一景為數(shù)據(jù)源(https://glovis.usgs.gov),成像時(shí)間為2018年2月20日，云量0.1。運(yùn)用ENVI5.3對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，并根據(jù)研究區(qū)行政邊界裁剪。根據(jù)《全國(guó)遙感監(jiān)測(cè)土地利用/覆蓋分類(lèi)體系表》，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際土地利用現(xiàn)狀和遙感解譯能力，形成適合研究區(qū)的中等分辨率地類(lèi)分類(lèi)體系，共7個(gè)地類(lèi)：林地、草地、耕地、水田、水體、建設(shè)用地、其他。

面向?qū)ο蟮膱D像分類(lèi)技術(shù)能有效利用光譜、紋理、形狀等多個(gè)特征，避免了基于像元的分類(lèi)技術(shù)產(chǎn)生的“同物異譜”、“異物同譜”和明顯的“椒鹽”現(xiàn)象，其分類(lèi)結(jié)果優(yōu)于后者[11]。本文采用eCognition9.0軟件的Cart決策樹(shù)算法對(duì)預(yù)處理后的影像進(jìn)行分類(lèi)。采用多尺度分割，分割尺度40，形狀權(quán)重0.1，緊致度權(quán)重0.5。將參照影像選取的矢量點(diǎn)訓(xùn)練為樣本，使用Cart分類(lèi)器訓(xùn)練和應(yīng)用生成土地利用現(xiàn)狀圖(見(jiàn)圖2)，土地覆被總體精度達(dá)到0.88、Kappa系數(shù)超過(guò)0.84，滿(mǎn)足研究需要。

遙感影像圖像分類(lèi)常采取分類(lèi)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將分類(lèi)正確的驗(yàn)證樣本百分比作為精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文采用現(xiàn)場(chǎng)采集樣本的精度評(píng)價(jià)方法，191個(gè)樣本混淆矩陣和Kappa系數(shù)精度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 地形因子分級(jí)及面積

地形因子(坡度、坡向、地形位)通過(guò)DEM在Arcgis10.3空間分析模塊中計(jì)算。為使高程分布梯度上具有明顯差異體現(xiàn)，采取自然斷點(diǎn)分級(jí)法將高程劃分為5個(gè)等級(jí)。坡度總變幅為0°～75.33°，參考國(guó)際地理學(xué)聯(lián)合會(huì)的6級(jí)坡度分類(lèi)法，并依據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將坡度分成6個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)。坡向按照方位角進(jìn)行劃分，將坡向劃分為平坡、陰坡、半陰坡和半陽(yáng)坡，陽(yáng)坡(見(jiàn)表2)。

圖2 西昌市土地利用現(xiàn)狀圖Fig.2 Status map of land use in Xichang City

表1土地覆被混淆矩陣及分類(lèi)精度

Tab.1 Land coverage confusion matrix and classification accuracy

地類(lèi)樣本/個(gè)混淆矩陣草地其他建設(shè)用地水田水體林地耕地合計(jì)草地3300002540其他03000003建設(shè)用地0119000424水田0001420117水體00006006林地1000051355耕地3000014246合計(jì)374191485455191總體精度0.8796Kappa系數(shù)0.8472

疊加分析是ArcGIS中重要的分析工具，是常用來(lái)提取地理事物空間隱含信息的方法之一[12]。分別將高程、坡度、坡向、地形位與土地利用圖進(jìn)行疊合，分析西昌市的地形梯度特征，建立研究區(qū)內(nèi)地形因子與土地利用的對(duì)應(yīng)面積關(guān)系(見(jiàn)表2)。

表2地形因子分級(jí)及面積

Tab.2Topographic factor classification and area

2.3地形分布指數(shù)

不同土地利用類(lèi)型在不同高程、坡度和坡向的分布情況，可以通過(guò)分布指數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和描述[13～15]。利用地形梯度對(duì)地形差異進(jìn)行新的描述后，地形條件對(duì)各土地利用類(lèi)型分布特征的影響問(wèn)題被簡(jiǎn)化為在地形梯度上不同土地利用類(lèi)型出現(xiàn)的概率問(wèn)題[16]。分布指數(shù)公式如下：

(1)

式中：P表示分布指數(shù)；e表示某一地形因子； Sie表示e地形因子下i地類(lèi)面積；Si表示i地類(lèi)面積； S表示整個(gè)區(qū)域面積； Se表示整個(gè)區(qū)域e地形因子的總面積。P=1,表示第i種地類(lèi)在第e級(jí)地形上的比重與研究區(qū)內(nèi)該地類(lèi)的比重相等;P>1,表示第i種地類(lèi)在第e級(jí)地形上的分布屬于優(yōu)勢(shì)分布,P值越大,優(yōu)勢(shì)度越高P<1,則說(shuō)明第i種地類(lèi)在第e級(jí)地形上的分布屬于劣勢(shì)分布,該地形級(jí)別不適宜該地類(lèi)分布或者發(fā)育[17]。

2.4 地形位指數(shù)

地形條件對(duì)土地利用分布的約束往往是多個(gè)地形因子的綜合作用，單一的高程或坡度因子無(wú)法反映這種綜合影響結(jié)果。為綜合反映地形因子的空間分異，引入地形位指數(shù)，以便對(duì)西昌地區(qū)的地形特征進(jìn)行重新描述和梯度分類(lèi)[18]。地形位公式如下：

(2)

式中，T——第i個(gè)單元的地形位指數(shù);

E、E——分別代表第i個(gè)單元的高程值和研究區(qū)的平均高程值;

S、S——分別代表第i個(gè)單元的坡度值和研究區(qū)的平均坡度值。

利用上式模擬后，重采樣的柵格大小為 30 m×30 m ，原來(lái)的地形屬性(包括高程與坡度)即可以由地形位指數(shù)來(lái)綜合描述。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用總體空間特征

西昌市遙感解譯結(jié)果顯示(見(jiàn)表3)，林地、耕地、草地主要分布于安寧河平原周邊的大部分地區(qū)，所有土地利用結(jié)構(gòu)中林地面積最大為 1 348.89 km2，占總面積的50.51%；耕地面積為369.43 km2，占總面積的13.83%；草地面積為318.41 km2，占總面積的11.92%。西昌位于四川第二大平原安寧河平原腹地，這為灌溉農(nóng)業(yè)提供了基礎(chǔ)的自然地理?xiàng)l件，水田主要分布在安寧河畔，南北貫穿地帶。面積為308.7 km2，

占總面積11.56%。平原和水源為城鎮(zhèn)化的孕育提供了地貌和資源條件，建設(shè)用地大部分分布在安寧河平原及邛海邊緣上。面積為271.43 km2，面積占比10.16%。西昌水資源豐富，區(qū)內(nèi)主要河流有安寧河，雅礱江，邛海等，以及安寧河平原分布有農(nóng)業(yè)用的坑塘，水體總面積為48.39 km2，占總面積的1.81%。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)其他用地主要為一些工礦用地，如采砂廠，以及少量的一些裸地，面積較小為5.3 km2，占總面積不足0.2%。

表3西昌市土地利用類(lèi)型及面積

Tab.3 Types and area of land use in Xichang City

土地類(lèi)型草地水田耕地林地建設(shè)用地水體其他面積/km2318.41308.7369.431348.89271.4348.395.3比例/%11.9211.5613.8350.5110.161.810.2

3.2 土地利用類(lèi)型在高程梯度上的分布特征

土地利用分布在各高程梯度上分布較均衡，總體上，隨著海拔高度增大土地利用分布有逐漸減小的趨勢(shì)，分布面積最大的梯度范圍為第一梯度(見(jiàn)圖3)。林地是西昌市第一大土地利用類(lèi)型，分布面積在第三梯度出現(xiàn)峰值，其他梯度隨海拔升高和降低都呈減少趨勢(shì)，分布指數(shù)大致呈現(xiàn)由低海拔至高海拔區(qū)依次遞增趨勢(shì)，表示海拔越高越有利于林地的分布，林地在高海拔區(qū)生長(zhǎng)具有優(yōu)勢(shì)；耕地主要分布在一、二高程梯度范圍內(nèi)，占總耕地面積的81.14%，且在此范圍內(nèi)分布指數(shù)均大于1，呈優(yōu)勢(shì)分布，隨著海拔升高，分布指數(shù)逐漸降低，表示耕地面積分布與高程關(guān)系密切，分布海拔到達(dá)一定高度后，海拔越高越不利于耕地分布；草地分布與海拔關(guān)系密切，分布指數(shù)在除了第一高程范圍內(nèi)均大于1，表明在研究區(qū)較高海拔處利于草地分布；水田在第一高程梯度具有優(yōu)勢(shì)分布，占總面積的92.85%，且僅在此處分布指數(shù)高于1，表明海拔越低越有利于水田分布；建設(shè)用地主要分布于一、二高程范圍，占總面積的96.89%，且隨著海拔升高分布指數(shù)逐漸降低。說(shuō)明西昌市的居民大都集中生活于較低海拔的區(qū)域，低海拔地區(qū)適宜開(kāi)展生產(chǎn)和生活；水體僅在第一、二高程梯度范圍內(nèi)分布，且在第一海拔高程上分布指數(shù)大于1，優(yōu)勢(shì)性十分顯著；其他用地類(lèi)型是指裸地和工礦用地，其他用地只分布于一、三海拔高程范圍內(nèi)。

圖3 高程、坡度、地形位分級(jí)的土地利用結(jié)構(gòu)Fig.3 Land use structure of elevation, slope and topographical classification

3.3 基于坡度分級(jí)的土地利用結(jié)構(gòu)分析

土地利用坡度分布主要集中于三、四坡度梯度范圍內(nèi)，分別占總面積的21.06%和50.61%，分布面積最小的為第一坡度梯度，占比為7.38%，隨后由小至大依第二坡度梯度、第五坡度梯度(見(jiàn)圖3)。由此可見(jiàn)，研究區(qū)地形以山地地形為主，地形較為復(fù)雜，平坦地面面積相對(duì)較小。林地主要分布于三、四、五坡度梯度范圍內(nèi)，占林地總面積的98.62%，但就分布指數(shù)而言，坡度越大分布指數(shù)數(shù)值越大，越具有分布優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明林地對(duì)坡度大的地區(qū)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；西昌耕地主要分布于三、四坡度梯度范圍內(nèi)，占耕地總面積的85.67%，但僅在在第三梯度范圍內(nèi)，分布指數(shù)均大于1，主要原因是坡度影響土壤肥力，隨著坡度增加，耕種困難，投入的成本也更大，同時(shí)坡度較小的土地被開(kāi)墾成水田；水田主要分布于第一、二、三坡度梯度范圍內(nèi)，且在此范圍分布指數(shù)大于1具有優(yōu)勢(shì)分布。建設(shè)用地在平緩坡分布面積較大，且分布指數(shù)在第一、二、三坡度梯度上大于1，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)多分布于平坦的地區(qū)，建設(shè)用地分布于坡度較平緩的地區(qū)；水體在第一坡度梯度分布面積最大，達(dá)30.26%，分布指數(shù)隨著海拔升高有逐漸降低趨勢(shì)，表示水域分布在坡度平緩地區(qū)更具有優(yōu)勢(shì)；草地面積較小，主要分布于第三坡度梯度范圍，所占比例為62.56%，分布指數(shù)隨著坡度增大越具有明顯的分布優(yōu)勢(shì)；其他用地在第三坡度梯度上面積最大，分布指數(shù)也最大。

3.4 基于地形位的土地利用結(jié)構(gòu)分析

在整個(gè)地形位指數(shù)梯度上，水田、耕地、林地和水體這4種土地利用在高程和坡度梯度上的變化基本一致，草地地形位指數(shù)變化與坡度變化規(guī)律相同，建設(shè)用地地形位指數(shù)變化與高程變化規(guī)律相同，其他用地除第三梯度外變化規(guī)律與坡度梯度變化規(guī)律相同(見(jiàn)圖3)。在1～5級(jí)地形位梯度上，水田、建設(shè)用地、水體、其他用地分布指數(shù)呈逐漸降低趨勢(shì)；林地分布指數(shù)呈逐步上升趨勢(shì)；草地和耕地呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，但是草地在第四地形位梯度、耕地在第二地形位梯度分布指數(shù)最大通過(guò)對(duì)比高程、坡向、地形位分布指數(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用地形位指數(shù)來(lái)研究土地利用類(lèi)型的分布與采用高程梯度和坡度梯度規(guī)律大致一致。引入地形位指數(shù)避免了分析土地利用類(lèi)型只使用單個(gè)地形因子評(píng)價(jià)分析的不足，多個(gè)地形因子的綜合考慮，能更有效地反映土地利用類(lèi)型的分布格局。

3.5 基于坡向分級(jí)的土地利用結(jié)構(gòu)分析

坡向?qū)ξ鞑型恋乩糜绊懖淮?，除平坡外各坡向的各土地利用?lèi)型面積分布都較平均(見(jiàn)圖4)。陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡光照和熱量條件最好，在此坡向，草地、水田和耕地面積分布具有普遍優(yōu)勢(shì)，分布指數(shù)大于1，說(shuō)明陽(yáng)坡適宜進(jìn)行耕種，光照充足，利于農(nóng)業(yè)種植；建設(shè)用地在平坡分布面積最小但分布指數(shù)較大，其余各坡向分布指數(shù)差異不明顯表明在現(xiàn)代科技和建設(shè)工藝發(fā)展影響下，坡向?qū)ㄔO(shè)用地的影響已經(jīng)逐漸減??；水體由于其獨(dú)特的性質(zhì)，在平坡具有優(yōu)勢(shì)分布；林地主要在平坡和陽(yáng)坡分布面積小，分布指數(shù)低，表明西昌市因地制宜，宜林則林；其他用地在陽(yáng)坡和陰坡分布面積大，且分布指數(shù)大于1，進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用時(shí)可以考慮該坡的用地類(lèi)型建設(shè)。

圖4 坡向分級(jí)的土地利用結(jié)構(gòu)分布Fig.4 Distribution of land use structure in graded slope

4 結(jié)論與展望

利用面向?qū)ο髨D像分類(lèi)的Cart決策樹(shù)算法對(duì)遙感影像解譯得到西昌市土地利用現(xiàn)狀圖，此種方法提取快速，精度高，對(duì)于錯(cuò)分的地塊人機(jī)交互修改方便，提取地貌復(fù)雜地區(qū)土地利用類(lèi)型效果更優(yōu)。采用DEM數(shù)據(jù)提取高程、坡度和坡向信息，利用GIS空間技術(shù)對(duì)研究區(qū)土地利用與地形因子進(jìn)行疊加處理，分析了西昌市土地利用在地形約束下空間分布特征。

(1)土地利用類(lèi)型以林地為主，占總面積的50.51%，草地、水田、耕地和建設(shè)用地分布相對(duì)均衡，分別占總面積11.92%、11.56%、13.83%、10.16%，水體面積較小，占1.81%，其他用地類(lèi)型為少量的工礦用地，以及滑坡后未恢復(fù)的裸地。占總面積不足0.2%。

(2)各土地利用類(lèi)型在不同的高程、坡度、地形位上呈現(xiàn)出階梯變化的規(guī)律：在低海拔、平緩坡度，分布著與人類(lèi)生活生產(chǎn)密切的土地利用類(lèi)型，如耕地、建設(shè)用地；在中等海拔高度和坡度上研究區(qū)所有土地利用類(lèi)型所占比例均為最大值，原因是西昌市土地以山地、丘陵地貌為主，低海拔和平坦土地面積較?。桓吆０魏推露容^陡的區(qū)域分布指數(shù)較高的是林地，這些地區(qū)受人為影響小，土地開(kāi)發(fā)程度弱，林地更新有人工種植、飛播、天然更新等方式，林地規(guī)?？奢^穩(wěn)定的維持。

(3)坡向?qū)ν恋乩玫挠绊懶?，整體來(lái)講，各地類(lèi)在陽(yáng)坡及半陽(yáng)坡上的分布水平高于陰坡、半陰坡及平坡。水體分布在較低海拔地區(qū)，受限于地形分布，坡向影響不明顯。

(4)西昌市地貌復(fù)雜，地形差異顯著，土地利用類(lèi)型受地形因素影響較大，景觀格局分布復(fù)雜。當(dāng)前的土地利用現(xiàn)狀受地形約束明顯，總體上符合自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，沒(méi)有極端的受人為或自然因素分布情況出現(xiàn)。未來(lái)對(duì)土地的開(kāi)發(fā)利用應(yīng)充分考慮地形的限制。

復(fù)雜地貌的復(fù)雜地形條件不僅約束土地利用分布格局，也一定程度影響遙感解譯的結(jié)果，不論是基于像元的監(jiān)督分類(lèi)，還是面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)方法都受到地形因子的限制，遙感影像獲取出現(xiàn)在陰坡上的陰影，地類(lèi)混合分布等情況較多。目前的面向?qū)ο髨D像分類(lèi)算法不能把這些因素充分考慮進(jìn)去，未來(lái)需要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的算法充分考慮復(fù)雜地貌的各種因素，使分類(lèi)精度從研究視角精度更多向用戶(hù)直接用于生產(chǎn)的精度轉(zhuǎn)化。