基于RS與GIS的杞麓湖流域土地利用變化分析

白少云，馬晨燕，劉 斌，劉雨晴，朱小寧，余珮珩

(1. 云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021；2. 武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，武漢 430079)

1 研究背景

土地利用變化是人類活動最直觀的表現(xiàn)，受自然因素和人文因素的影響，自然因素對土地利用變化有一定的控制作用，而經(jīng)濟、社會、技術(shù)和政策等各種人文因素則在一定程度上起決定性作用。土地利用變化研究是當前全球環(huán)境變化研究的熱點與前沿，分析土地利用變化的驅(qū)動機制是變化研究的核心問題，不僅可以為土地利用規(guī)劃提供依據(jù),還能夠為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策基礎(chǔ)[1-2]。

目前，不少學者對土地利用變化驅(qū)動機制進行了深入研究，由于區(qū)域土地利用類型、變化過程以及驅(qū)動因子與空間區(qū)域尺度密切相關(guān)，不同的驅(qū)動因子對不同的空間區(qū)域影響形式及程度大相徑庭。鑒于土地利用變化與驅(qū)動因子的復雜性，將RS與GIS技術(shù)相結(jié)合能夠快速準確地分析區(qū)域土地利用動態(tài)變化及其驅(qū)動機制，也是當前研究區(qū)域土地利用變化的趨勢[3]。

本文以杞麓湖流域為研究區(qū)域，根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，分析流域土地利用變化情況，探討影響該流域土地利用變化的驅(qū)動因子，為政府合理規(guī)劃流域空間布局提供科學依據(jù)和理論支持，并采用利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)制作專題地圖的形式進行直觀展示，以期為流域的土地利用規(guī)劃提供幫助。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

杞麓湖流域位于云南省中部，是云南省九大高原湖泊之一。杞麓湖流域為斷陷盆地，地形復雜，地勢四周高、中部低。杞麓湖面積約35 km2，流域總面積約354 km2，約占通海縣面積的49.1%，涉及7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。杞麓湖與秀山共同構(gòu)成通?？h“山-城-湖”的空間格局，是流域重要的水資源來源，也是通?？h經(jīng)濟社會發(fā)展的主要依靠和重要基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文基礎(chǔ)遙感影像資料分別選擇1988年和1996年的Landsat-5數(shù)據(jù)、2006年的Landsat-7數(shù)據(jù)、2016年的Landsat-8數(shù)據(jù)。其他的輔助資料包括杞麓湖流域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、道路交通數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、Google Earth高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)及通海縣統(tǒng)計年鑒、玉溪市統(tǒng)計年鑒等。

數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預處理與遙感影像解譯兩階段。結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)，將研究區(qū)土地分為耕地、建筑用地、林地、其他用地和水域5類。并且通過遙感解譯精度驗證，4期遙感影像分類結(jié)果精度整體在87%以上，Kappa系數(shù)均超過0.8，滿足數(shù)據(jù)處理和分析要求。

3 土地利用時空變化指標及研究方法

土地利用變化主要從土地利用變化過程和土地利用動態(tài)變化2方面進行分析，采用土地利用動態(tài)變化模型，根據(jù)土地利用動態(tài)變化綜合指數(shù)以及土地利用變化速率、程度、空間重心、方位等指標，結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣，定量分析杞麓湖流域1988—2016年期間土地利用變化特征[4]。

3.1 土地利用變化過程

針對土地利用變化過程分析，從土地利用結(jié)構(gòu)、空間格局、區(qū)位指數(shù)及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣4個方面進行研究[5]。利用轉(zhuǎn)移矩陣分析該流域土地利用類型流向，不僅可以全面具體分析區(qū)域土地利用變化的面積，還能夠揭示各土地利用類型轉(zhuǎn)換概率[6]。

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)及其空間格局變化

在GIS軟件支持下，運用統(tǒng)計分析功能對該流域1988—2016年間的土地利用結(jié)構(gòu)及其空間格局進行匯總。

3.1.2 土地利用區(qū)位指數(shù)

土地利用區(qū)位指數(shù)是綜合性指標，定量分析土地利用變化的區(qū)位意義，反映各土地利用類型相對于高層次區(qū)域空間的相對聚集程度。具體計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：D為區(qū)位指數(shù)，當D>1時，該種土地類型具有區(qū)位意義[7]；i為土地利用類型；n為土地利用類型總數(shù)；ti為研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)第i種土地利用類型面積；Ti為研究區(qū)第i種土地利用類型面積。

3.2 土地利用動態(tài)變化

3.2.1 土地利用變化速率

土地利用變化動態(tài)度可以定量描述為區(qū)域土地利用變化速率，它對區(qū)域土地利用差異比較以及土地利用變化趨勢預測都有重要意義。土地利用變化速率分析可以利用研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型面積的變化情況計算，具體計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：KiT為土地利用類型動態(tài)度；Uib和Uia為研究區(qū)末期和初期各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)第i種土地利用類型面積；T為研究時段長[8]。

3.2.2 土地利用程度變化

針對土地利用開發(fā)程度，結(jié)合土地利用的可持續(xù)發(fā)展提出了土地利用程度的綜合分析方法，對不同土地利用類型設定分級指數(shù)，建筑用地、耕地、林地、水域、其他用地利用程度分級指數(shù)分別為4、3、2、2、1。用土地利用程度綜合指數(shù)來表示表達區(qū)域土地利用程度，計算公式如式(3)所示。

(3)

式中：L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i種土地利用類型的分級指數(shù);Ci為第i種土地利用類型面積的百分比。

本文用土地利用程度及其變化量ΔLb-a和變化率(變化量與時間跨度的比值)定量反映土地利用的綜合水平和變化趨勢。若ΔLb-a>0，土地利用處于發(fā)展期；反之，則處于調(diào)整期或衰退期[9]。計算公式如式(4)所示。

ΔLb-a=Lb-La。

(4)

式中Lb和La分別是末期和初期時的土地利用程度綜合指數(shù)。

表1 杞麓湖流域1988—2016年各土地利用類型面積變化統(tǒng)計Table1 Statistics of area change of various land use types in Qilu Lake watershed from 1988 to 2016

3.2.3 土地利用空間重心變化

通過比較研究期始末的土地利用類型重心分布，可以得出某時間段內(nèi)土地利用變化及分布的特征，該指標主要反映土地利用類型在空間上的集中分布情況。計算公式如式(5)和式(6)所示。

(5)

(6)

式中：Xt和Yt是t年某類土地利用類型的重心坐標；m為研究區(qū)域內(nèi)小區(qū)域(按鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道行政邊界劃分)的個數(shù)；Cn是某類土地利用類型的面積；Xj和Yj為第j個區(qū)域的幾何質(zhì)心坐標。

3.2.4 土地利用方位變化

以杞麓湖流域質(zhì)心為中心點，將杞麓湖流域均分為8個方向，分別匯總4個時期在8個方向上所有土地利用類型的面積，通過ArcGIS和Excel匯總獲得各分區(qū)在多個空間方位的面積變化圖。

4 土地利用變化結(jié)果與分析

4.1 土地利用變化過程結(jié)果分析

4.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

結(jié)合研究區(qū)土地利用類型特征，把研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、建筑用地、水域、其他用地5大類。

通過對土地利用類型面積變化(表1)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化具有如下特點：①耕地和水域面積變化率相對穩(wěn)定，兩者面積呈穩(wěn)定減少；②1996—2006年，林地面積有所增加；1988—1996年和2006—2016年，林地面積沒有發(fā)生太大變化，但總體呈現(xiàn)增加的趨勢；③其他用地總體來說所占面積為第三，在1996年有所增加，1996年之后呈現(xiàn)出下降的趨勢；④建筑用地與其他用地的變化率較大。

4.1.2 土地利用類型空間格局變化

對研究區(qū)域土地利用類型的空間格局變化進行研究能夠更好地了解和調(diào)整土地利用相關(guān)決策[10]。如圖1所示，杞麓湖流域土地利用類型變化在空間上表現(xiàn)為：耕地和建筑用地多在湖泊周圍的平坦地區(qū)，林地和其他用地環(huán)繞在四周。建筑用地的面積逐漸增加，呈現(xiàn)出不斷向外擴張的趨勢，且建筑用地的增加都是由耕地轉(zhuǎn)化而來的。其他用地的面積逐漸減少，主要轉(zhuǎn)化為耕地和林地。杞麓湖湖面在不斷收縮，耕地逐年吞并湖濱濕地。

圖1 1988—2016年土地利用類型空間格局Fig.1 Spatial distribution of land use types from1988 to 2016

通過計算分析，得出1988—1996年、1996—2006年、2006—2016年3個時段流域的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，再結(jié)合土地利用類型面積變化統(tǒng)計(表1)，得出：1996—2006年，除了其他用地未變面積占30%外，其他的土地利用類型78%以上的面積均未發(fā)生變化；2006—2016年，建筑用地和水域超過91%的面積沒有發(fā)生變化。杞麓湖流域土地利用類型變化幅度較大的是耕地、建筑用地和其他用地，耕地和其他用地不斷減少，建筑用地大幅度增加。

4.1.3 土地利用區(qū)位指數(shù)

杞麓湖流域涉及7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中不包含杞麓湖，因此，這里統(tǒng)一把杞麓湖的面積剔除。又因為水域大都來自杞麓湖流域，因此，去掉土地類型中的水域類型。根據(jù)式(1)區(qū)位指數(shù)計算公式計算該區(qū)域的區(qū)位指數(shù)，如表2所示。

據(jù)表2可知：①就耕地而言，1988—2016年，杞麓湖流域九龍街道、四街鎮(zhèn)、興蒙鄉(xiāng)、秀山街道的區(qū)位指數(shù)>1，具有區(qū)位意義，說明耕地的聚集程度較高。2016年，楊廣鎮(zhèn)的耕地區(qū)位指數(shù)也>1，說明楊廣鎮(zhèn)的耕地在不斷地聚集。②就建筑用地而言，興蒙鄉(xiāng)在2016年區(qū)位指數(shù)最高，為2.243，這與興蒙鄉(xiāng)人均耕地少、大力發(fā)展旅游業(yè)和服務業(yè)有關(guān)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)位指數(shù)>1的區(qū)域都具有共同特點，就是集中分布在流域的中心區(qū)域，呈現(xiàn)中間高、四周低的區(qū)位優(yōu)勢，這與整個流域的地形條件和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平一致。③2016年河西鎮(zhèn)、九龍街道、納古鎮(zhèn)和楊廣鎮(zhèn)的林地區(qū)位指數(shù)都>1，林地散落分布在流域邊緣周圍的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。主要是因為杞麓湖四周高、中間低平的地形地勢，林業(yè)資源集中分布于此，充分體現(xiàn)其經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。④其他用地中，河西鎮(zhèn)、楊廣鎮(zhèn)具有顯著的區(qū)位意義。綜合以上分析，杞麓湖流域每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)每種土地利用類型的區(qū)位意義與鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地形和經(jīng)濟發(fā)展有關(guān)，這也是自然因素和社會經(jīng)濟因素相結(jié)合的結(jié)果。

表2 1988—2016年杞麓湖流域土地利用區(qū)位指數(shù)Table 2 Land use location index in Qilu Lake watershedfrom 1988 to 2016

4.2 土地利用動態(tài)變化結(jié)果分析

4.2.1 土地利用變化速率

根據(jù)土地利用動態(tài)度變化結(jié)果(表3)分析得出：就單一土地利用動態(tài)度而言，杞麓湖流域3個時段中，耕地和水域動態(tài)度一直為負數(shù)，該區(qū)耕地與水域面積得到很好的控制保持；建筑用地動態(tài)度一直呈現(xiàn)增長趨勢，該區(qū)建筑用地的擴張速度逐漸加快；林地面積逐漸增加，相反,其他用地面積呈現(xiàn)減少趨勢。針對綜合土地利用率而言，該區(qū)土地利用經(jīng)歷了一個變化高峰值，主要是因為1996年以前，耕地主要以水田為主。1996年以后，耕地從水田逐漸向以蔬菜為主導的耕種方式轉(zhuǎn)變。近年來，該區(qū)主要以蔬菜為主導、糧食為主控的耕種方式已經(jīng)確定，這即為流域綜合土地利用動態(tài)度變化的主要原因。

4.2.2 土地利用程度變化

根據(jù)土地利用程度綜合指數(shù)與土地利用程度變化(表4)，結(jié)合土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用程度綜合指數(shù)數(shù)據(jù)，計算得出3個時段各級及綜合土地利用程度變化量和變化率。結(jié)果顯示，各個時段的土地利用程度變化量和變化率均為正數(shù)，說明土地利用整體處于發(fā)展期。其中，建筑用地一直處于發(fā)展期，而耕地一直處于衰退期；其他用地在1988—1996年時處于發(fā)展期，在1996—2016年間處于衰退期。相反地，林地和水域在1988—1996年間處于衰退期，而到了1996—2016年間處于發(fā)展期，這是林地面積的不斷增加造成的。對于綜合土地利用變化率來說，1988—1996年的綜合變化率僅有0.004 2，說明在1988—1996年間，發(fā)展速度較緩慢；而1996—2006年和2006—2016年相較1988—1996年綜合土地利用程度的變化率和變化量都有了明顯的提高，即土地利用程度有明顯提高。1996—2006年間隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是特色種植業(yè)的發(fā)展，杞麓湖流域土地利用程度顯著提高。

表3 杞麓湖流域土地利用動態(tài)度Table 3 Dynamic degree of land use in Qilu Lakewatershed %/a

圖2 杞麓湖流域各土地利用類型重心及轉(zhuǎn)移路徑Fig.2 Transfer path of each land use type center in Qilu Lake watershed with time

表4 杞麓湖流域土地利用程度變化量和變化率Table 4 Changes and change rates of land use degreein Qilu Lake watershed

4.2.3 土地利用重心變化

根據(jù)土地利用類型重心變化(圖2)分析得出：總體上，各類土地利用類型重心位置偏移分布明顯。耕地、建筑用地各年份的空間重心分布比較聚集，且都不斷向流域的幾何中心方向發(fā)展。尤其是建筑用地，空間重心不斷地向北發(fā)展，說明北部的建筑用地面積增加速率比南部的快，這就說明在1988—2016年間，北部的城鎮(zhèn)化率和經(jīng)濟發(fā)展速率要高于南部。東部的其他用地很大一部分轉(zhuǎn)化成為了耕地，導致耕地的重心不斷向東轉(zhuǎn)移。林地的空間重心逐漸由幾何中心向西發(fā)展，結(jié)合土地利用類型圖可以發(fā)現(xiàn)東部的林地面積在不斷縮減，而西部的林地面積在不斷增加，這就導致了林地空間重心向西偏移。2006—2016年杞麓湖流域水位下降嚴重，導致杞麓湖湖面面積縮減嚴重，尤其是東北部水域轉(zhuǎn)化成濕地，然后逐漸轉(zhuǎn)化成了耕地，水域重心偏回西南。

4.2.4 土地利用方位變化成果分析

土地利用方位面積變化(圖3)表明：總體上耕地面積在各個方位隨時間呈現(xiàn)減小趨勢，和整體上耕地面積降低的趨勢相一致；建筑用地面積在各個方位上隨時間呈現(xiàn)增加的趨勢，和整體上建筑用地面積增加的趨勢一致；林地面積在各個方位上隨時間的變化不一，其中，西部、西北、西南和東部4個方位的林地面積比重較大，其他方位呈較小變化或局部下降的趨勢；水域各方位的面積變化不大，但總體呈現(xiàn)出向里收縮的狀態(tài)，尤其是東部方向，這說明杞麓湖湖面面積也在不斷縮減，從土地利用類型圖來看，水域周圍的優(yōu)勢土地利用類型是耕地，從耕地面積空間方位變化圖來看，東部耕地的面積逐漸增加，說明圍湖造田是水域面積減少的主要原因[11-12]。

圖3 各土地利用類型方位面積變化Fig.3 Changes in azimuth area of each land use type

5 結(jié) 論

(1)杞麓湖流域土地利用在空間上表現(xiàn)為：林地面積最多；其次為耕地。耕地和建筑用地多在湖泊周圍的河谷盆地，林地和其他用地環(huán)繞在四周。建筑用地的面積逐漸增加，呈現(xiàn)出不斷向外擴張的趨勢，且建筑用地的增加大都是由耕地轉(zhuǎn)化而來的。其他用地的面積逐漸減少，主要轉(zhuǎn)化為耕地和林地。杞麓湖湖面在不斷收縮，耕地逐年吞并湖濱濕地。土地利用存在明顯的區(qū)域差異性，各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用類型的區(qū)位指數(shù)與自然和社會經(jīng)濟因素有關(guān)。

(2)建筑用地、林地和其他用地的面積變化最大，建筑用地和其他用地動態(tài)度變化最大，而耕地和水域的面積及動態(tài)度變化一直較小，總體顯示了杞麓湖流域耕地、水域和其他用地呈現(xiàn)遞減趨勢。流域土地利用總體處于發(fā)展期，建筑用地處于發(fā)展期，但是耕地處于衰退期?？臻g重心不斷地向北發(fā)展，說明杞麓湖流域北部的經(jīng)濟及城鎮(zhèn)化發(fā)展比南部快；方位變化表明，杞麓湖流域東西部發(fā)展較快，尤其是正西方向，且西部的發(fā)展?jié)摿Υ笥跂|部。

(3)土地利用變化驅(qū)動力包括自然因素、社會經(jīng)濟因素。自然因素相對穩(wěn)定，主要通過時間積累引起土地利用變化；相反社會經(jīng)濟因素在土地利用變化過程中活躍，影響決策者對土地利用類型的政策決定。

耕地和林地轉(zhuǎn)化為建筑用地一定程度上會影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡，應當在保障生態(tài)穩(wěn)定的前提下，減少對水域和林地的侵占。杞麓湖流域面積較小，且承擔著通?？h社會經(jīng)濟發(fā)展主體的作用，本文也為相似流域提供了一種衡量土地利用變化的新技術(shù)和新方法。