基于遙感的衡邵干旱走廊土地利用空間格局演變

趙 莎，鄭文武

（衡陽師范學院城市與旅游學院，湖南衡陽 421002）

土地利用變化研究是全球變化研究的核心議題之一，旨在揭示區(qū)域土地利用變化特征、內(nèi)部機制和變化過程，并探尋影響土地利用變化的因素和驅(qū)動機制。當前，得益于遙感技術(shù)的快速發(fā)展，基于遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域土地利用動態(tài)監(jiān)測是土地利用研究領域的熱點，從早期的基于NOAA 衛(wèi)星的AVHRR 數(shù)據(jù)的土地覆被制圖發(fā)展到利用MODIS、Landsat 和LiDAR數(shù)據(jù)的土地利用制圖，制圖精度越來越高［1，2］，相關研究方法從目視解譯制圖到計算機輔助的半自動和自動提取，分類算法從ISODATA 和最大似然法發(fā)展到支持向量機、蟻群算法等智能算法，遙感逐漸成為土地利用研究領域的主要技術(shù)。遙感技術(shù)的支持進一步促進了土地利用空間格局演變分析研究的發(fā)展，王秀蘭等［3］總結(jié)了近年來研究土地利用變化的分析方法，探討了多種定量研究的方法模型；朱會義等［4］利用GIS 空間分析技術(shù)分析了北京市土地利用變化動態(tài)；王思遠等［5］結(jié)合遙感和GIS 構(gòu)建土地利用類型的數(shù)據(jù)庫，并針對多種指數(shù)和土地遷移模型等分析了中國的土地利用格局及其空間演變模式；韓會然等［6］以北京市為研究案例，應用CLUE-S 模型和邏輯逐步回歸分析方法研究了區(qū)域土地利用類型演變的驅(qū)動因素；王少華［7，8］采用鄭州市旅游區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)，利用GIS 技術(shù)分析了研究區(qū)土地轉(zhuǎn)移情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的土地利用主要向旅游用地進行轉(zhuǎn)變；鄭建華［9］采用GIS 空間分析技術(shù)并結(jié)合景觀生態(tài)學的部分理論，分析了杭州市近20 年間各類土地利用變化的時空特征和成因，并預測了杭州市土地利用變化的趨向。衡邵地區(qū)是湖南省的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，受降水季節(jié)分布不均、土壤保水性差等自然因素以及人口快速增長、城鎮(zhèn)擴張等人文因素的綜合影響，干旱頻發(fā)，逐漸被稱為衡邵干旱走廊［10，11］。土地利用變化是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的關鍵因素［12］，也能在一定程度上加劇干旱災害，對衡邵干旱走廊而言，優(yōu)化的土地利用方式對干旱災害防治至關重要。基于此，本研究分析了21 世紀以來衡邵干旱走廊各類土地利用空間格局、土地利用的數(shù)量變化和空間轉(zhuǎn)移特征，并分析在不同程度的干旱狀況下，該區(qū)域土地利用的變化特征。

1 數(shù)據(jù)來源與預處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為湖南省中部偏南的衡邵干旱走廊，包括衡陽、婁底、邵陽全境及永州市北部4 個縣在內(nèi)的一共33 個縣級行政區(qū)［13］（圖1）。

衡邵干旱走廊是湖南省衡陽盆地和邵陽盆地的連接區(qū)域，該區(qū)域是從湖南省衡陽市東部四方山開始，途經(jīng)衡陽縣西北部直至邵東縣的狹長狀走廊通道。研究區(qū)四周群山盤繞，包括有大云山、九峰山、四方山、衡山等多座海拔較高的山脈，由于高大山脈的阻擋，從東南方向產(chǎn)生的濕潤季風難以到達，從而導致該地區(qū)降水稀少。研究區(qū)位于亞熱帶季風氣候區(qū)，年內(nèi)的降水較集中且季節(jié)變化較大，降水空間分布也存在差異。由于該區(qū)域干旱災害發(fā)生率很高，尤其以夏、秋季節(jié)居多，而且特大旱情占比近1/3，因此稱之為衡邵干旱走廊［11］。衡邵干旱走廊覆蓋面積有506 600.23 km2。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與預處理

遙感影像數(shù)據(jù)來源為地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)下載的2000—2017年3期Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)。為保證遙感影像的清晰度，獲取時間為2000年、2009年、2017 年左右云量低于10%的遙感影像數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)質(zhì)量要求以及獲取限制，其中有部分數(shù)據(jù)使用與研究年份相近年份數(shù)據(jù)，詳細數(shù)據(jù)見表1。降水數(shù)據(jù)來自政府機構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

Landsat TM 與OLI 遙感圖像預處理主要包括輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌、裁剪。對2000—2017年研究區(qū)的3 期遙感影像進行輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌，獲得了具有更加精確地表反射率的研究區(qū)遙感影像，然后使用研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)，對已經(jīng)進行過預處理的遙感影像進行裁剪，以獲取研究區(qū)范圍內(nèi)的遙感影像。

2 研究方法與過程

21 世紀以來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，衡邵干旱走廊土地利用變化也在不斷加劇，土地利用的變化體現(xiàn)在土地利用類型的數(shù)量變化、向其他地類轉(zhuǎn)移及其轉(zhuǎn)移速度等多個方面，具有較多的衡量指標。本研究主要計算衡邵干旱走廊的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和各類土地的單一土地利用動態(tài)度，以分析衡邵干旱走廊土地利用數(shù)量變化特征。

2.1 土地信息提取

根據(jù)研究區(qū)域地表覆蓋特征和研究目的，土地利用類型分為建設用地、林地、農(nóng)業(yè)用地（含菜地、基本農(nóng)田）、水體（農(nóng)村溝渠、魚塘、江河湖泊）、未利用地（裸地）五大類，如表2 所示。使用ENVI 軟件對各個時期的遙感影像進行監(jiān)督分類處理，為了保證分類精度的可靠性，根據(jù)Googel地球的歷史影像，對每種地類隨機選擇100 個點，分析分類精度，得到2000年、2009 年、2017 年影像監(jiān)督分類的 Kappa 系數(shù)分別為0.771 8、0.760 2、0.735 4，分類質(zhì)量屬于很好程度，分類后處理的結(jié)果如圖2 至圖4 所示。

表1 遙感數(shù)據(jù)信息

表2 土地利用分類系統(tǒng)

根據(jù)遙感解譯結(jié)果，分別對研究區(qū)內(nèi)2000 年、2009 年和2017 年不同土地類型的面積進行統(tǒng)計分析，得到近18年來衡邵干旱走廊區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)，詳見表3。從表3可以看出，衡邵干旱走廊內(nèi)的主要土地利用類型分別是林地和農(nóng)業(yè)用地，二者占了研究區(qū)總面積的90%以上。2000—2017年，農(nóng)業(yè)用地的面積一直在減少，且減少的速度越來越快，說明研究區(qū)內(nèi)發(fā)展尤其是建設用地的擴張所占用的都是農(nóng)業(yè)用地。建設用地在2009—2017 年增長的面積最大，反映了在該時期內(nèi)衡邵干旱走廊內(nèi)發(fā)展較為迅速。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣能夠清楚地看出研究區(qū)內(nèi)土地利用類型流轉(zhuǎn)的方向和數(shù)量［14］，其數(shù)據(jù)模型如下。

2.3 單一土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度可以直觀地反映在一定時期內(nèi)某種土地利用類型的變化程度［15］，其數(shù)學模型如下。

表3 2000—2017 年衡邵干旱走廊土地利用結(jié)構(gòu)

式中，K為在Tb至Ta時期內(nèi)某類土地利用類型的動態(tài)度，K越小，則表明該類土地轉(zhuǎn)化為其他類型土地的數(shù)量就越少，在研究期內(nèi)相對穩(wěn)定；Ua、Ub為在Ta、Tb時期的某種土地利用類型斑塊數(shù)量。

2.4 SPI指數(shù)的計算

衡邵干旱走廊受旱范圍十分廣泛，發(fā)生頻率較高且因旱災損失巨大。干旱已經(jīng)嚴重影響了該區(qū)域社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展、人民生活水平的改善和生態(tài)環(huán)境安全的保證等。本研究對衡邵干旱走廊2000—2017 年的降水數(shù)據(jù)進行計算，分析2000 年、2009年、2017 年衡邵干旱走廊的干旱程度，探究不同干旱情況下土地利用類型的空間分布有何特征和土地利用類型的轉(zhuǎn)移特征。

SPI指數(shù)（標準化降水指數(shù)）是對某一時期內(nèi)的降水量分布概率進行標準化處理，再由此劃分干旱等級的一種干旱指數(shù)［16］。其計算方法是假定研究區(qū)的降水量變化服從Gamma 分布，再通過數(shù)學計算將累計頻率分布轉(zhuǎn)為標準正態(tài)分布［17］，將偏態(tài)概率分布的降水量進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。SPI計算公式如下：

當G（x）>0.5時，S=1；當G（x）≤ 0.5時，S=-1。G（x）由Γ 分布函數(shù)概率密度積分公式計算。

式中，γ、β分別為 Γ 分布函數(shù)的形狀和尺度參數(shù)；根據(jù)上述方法在Excel 中計算出SPI指數(shù)，參照國家氣候中心的劃分標準（GB/T 20481—2006）劃分旱澇等級，并確定相應的SPI指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用數(shù)量變化分析

3.1.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析 采用GIS 軟件對衡邵干旱走廊 2000 年、2009 年、2017 年 3 期的土地利用現(xiàn)狀圖進行空間疊加分析，分別計算2000—2009 年和2009—2017 年衡邵干旱走廊土地利用動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣（表4、表5）。

由表 3、表 4、表 5 可知，2000—2009 年，各類土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化程度相對較低。首先，變化最劇烈的為水體，由2000 年的1 460.48 km2減少到了 2009 年的 627.52 km2，增長率為-57.03%，流出方向主要是林地和農(nóng)業(yè)用地，是農(nóng)村居民大多圍湖造田造成的。其次是建設用地由2000 年的676.49 km2增加到 2009 年的 859.93 km2，增長率為 27.12%，主要流入源是農(nóng)業(yè)用地，說明城鎮(zhèn)擴張大部分是通過侵占農(nóng)業(yè)用地而實現(xiàn)的。變化較小的是林地和農(nóng)業(yè)用地，林地由 2000 年的 21 586.37 km2增長到 2009 年的24 497.52 km2，增長率為13.49%；農(nóng)業(yè)用地由2000 年的 26 664.31 km2減少到 2009 年的 24 387.23 km2，增長率為-8.54%，流出的主要方向是林地。裸地面積由2000 年的272.58 km2增長到2009 年的288.03 km2，基本沒有變化。

表4 2000—2009 年衡邵干旱走廊土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

表5 2009—2017 年衡邵干旱走廊土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

2009—2017 年，各類土地利用類型之間的變化較劇烈，土地流轉(zhuǎn)復雜。變化最劇烈的是建設用地，由2009年的859.93 km2增長為2017年的2 431.09 km2，增長率達182.71%；其次為農(nóng)業(yè)用地，由2009 年的24 387.23 km2減少到2017年的19 699.22 km2，減少了19.22%；林地、水體和裸地的變化接近，其中，林地由2009年的24 497.52 km2增加到2017年的27 660.86 km2，增長率為12.91%；水體由2009 年的627.52 km2減少到2017年的547.82 km2，減少了12.70%；裸地由2009 年 的 288.03 km2增 長 為 2017 年 的 321.24 km2，增長率為11.53%，主要流入源為農(nóng)業(yè)用地。

建設用地持續(xù)增長，主要是由于近18 年來建設用地的流出比流入面積小得多，流入的主要來源是農(nóng)業(yè)用地，2000—2009 年、2009—2017 年的流入面積分別為436.74、1 611.19 km2；而建設用地流出面積最多類型的為農(nóng)業(yè)用地，2000—2009 年、2009—2017 年流出面積分別為322.46、225.31 km2。這說明了農(nóng)業(yè)用地與建設用地之間存在雙向流轉(zhuǎn)，但是農(nóng)業(yè)用地的流出面積遠比流入面積要大得多，大部分流入到了建設用地和林地。一方面，由于近年來城市擴張明顯，城市建設用地不斷向原城區(qū)四周擴大，城區(qū)周邊的耕地不斷被侵占；另一方面是因為城鎮(zhèn)化過快，生態(tài)環(huán)境愈加脆弱，各地方政府響應國家退耕還林號召。建設用地的流入?yún)^(qū)域主要集中在研究區(qū)發(fā)展較快的大城市區(qū)域。

3.1.2 單一土地利用動態(tài)度分析 由衡邵干旱走廊土地利用單一動態(tài)度可知（表6），2000—2009 年建設用地、林地面積增長較為明顯，二者的土地利用動態(tài)度分別為2.98%/年、1.48%/年，水體的利用動態(tài)度為-6.27%/年，農(nóng)業(yè)用地的利用動態(tài)度是-0.94%/年。主要原因是該研究時段衡邵干旱走廊經(jīng)濟發(fā)展速度較快，主城區(qū)不斷調(diào)整擴張，擴大建設用地的面積；該區(qū)域干旱現(xiàn)狀是造成水體面積大量減少的原因之一。

2009—2017 年，建設用地和裸地的面積仍然在不斷增加，且土地利用動態(tài)度相對2000—2009 年明顯增高，分別為22.84%/年、1.44%/年；農(nóng)業(yè)用地和水體的土地利用動態(tài)度則繼續(xù)下降，分別為-2.40%/年、-1.59%/年，但減少速度有所減慢，2017 年農(nóng)業(yè)用地和水體面積僅為19 699.22、547.82 km2；林地的土地利用動態(tài)度為1.61%/年，總面積也有所增加。上述現(xiàn)象主要原因是，近年來衡邵干旱走廊區(qū)域快速發(fā)展，城市面積不斷增加，城市建設用地增加主要是依靠侵占其周邊的農(nóng)業(yè)用地，導致農(nóng)業(yè)用地持續(xù)減少；此外，由于農(nóng)村土地資源有限，農(nóng)民為了擴建，占用水池、魚塘等進行建設，從而導致水體面積減少。

表6 2000—2017 年衡邵干旱走廊單一土地利用動態(tài)度（單位：%/年）

3.1.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移空間分析 根據(jù)上述分析可知，2000—2017 年衡邵干旱走廊土地利用變化類型主要為建設用地、耕地、林地。為更加直觀地描述該時期衡邵干旱走廊土地利用數(shù)量變化特征，根據(jù)2000 年和2017 年2 期土地利用遙感解譯結(jié)果，運用GIS 空間疊置空間分析功能計算得到2000—2017 年衡邵干旱走廊主要土地利用類型轉(zhuǎn)移圖（圖5、圖6）。

2000—2017年主要土地利用類型轉(zhuǎn)換特征：①農(nóng)業(yè)用地變?yōu)榱值氐膮^(qū)域分布最廣，面積也比較大，除了位于西南部林地面積較廣的綏寧縣和城步苗族自治縣，每個縣市都有大面積的變化；②農(nóng)業(yè)用地變?yōu)榻ㄔO用地的區(qū)域集中分布在城市周圍。這主要是由于每個城市一般都是按照原來的規(guī)模大面積向外圍擴張，擴張較明顯的主要是衡陽市區(qū)、邵陽市區(qū)、常寧市、耒陽市、邵東縣和冷水灘區(qū)；③農(nóng)業(yè)用地變成裸地的區(qū)域集中在常寧市和新田縣南部，處于衡邵干旱走廊的東南部；④林地變成裸地的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東南和西南部。

3.2 不同干旱狀況下的土地利用變化分析

基于研究區(qū)內(nèi)2000—2017 年的降水數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每年5—9 月的降水總量，再計算SPI指數(shù)，劃分干旱等級，在ArcMap 平臺中進行分級顯示，如圖7 至圖9所示。從圖7 可以看出，2000 年干旱情況不嚴重，大部分區(qū)域為無旱，還有幾個縣區(qū)呈濕潤狀態(tài)，只存在輕旱的情況，主要分布在衡邵干旱走廊的北部和東部的幾個區(qū)縣。結(jié)合圖2 可知，在輕旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用地的面積占比大，濕潤地區(qū)主要是有較多的林地覆蓋。從圖8 可以看出，2009 年干旱情況加重，出現(xiàn)了中旱和重旱的情況，重旱出現(xiàn)在衡邵干旱走廊中部的邵東縣，中旱出現(xiàn)在邵東縣西部的邵陽市以及研究區(qū)的西南部，輕旱則出現(xiàn)在重旱和中旱區(qū)域的周圍地區(qū)，濕潤區(qū)處于研究區(qū)東部的縣區(qū)。結(jié)合圖3可知，重旱的邵陽縣也是以農(nóng)業(yè)用地為主，四周被海拔較高的林地包圍，中旱區(qū)域的土地類型同樣是以農(nóng)業(yè)用地為主，研究區(qū)南部的輕旱地區(qū)土地利用類型主要以林地為主，北部的輕旱區(qū)則主要以農(nóng)業(yè)用地為主。從圖9 可以看出，2017 年干旱情況有所好轉(zhuǎn)，屬于重旱和中旱的縣區(qū)有所減少，主要以衡陽市、綏寧縣和武岡市為主，這幾個縣區(qū)在2009年干旱程度也相對嚴重。這說明2017 年衡邵干旱走廊的干旱情況有所緩解，政府也致力于生態(tài)環(huán)境的改善。

將衡邵干旱走廊的干旱情況與圖5 與圖6 結(jié)合進行分析可知，干旱嚴重的地區(qū)存在較為劇烈的土地流轉(zhuǎn)，且主要是農(nóng)業(yè)用地發(fā)生轉(zhuǎn)化。在研究區(qū)西南方向的大區(qū)域林地和東南部的部分林地基本沒有發(fā)生土地利用的轉(zhuǎn)移，只有少量的林地轉(zhuǎn)換為其他用地，且該區(qū)域的干旱情況也不是十分嚴重。在重旱區(qū)域，土地利用類型的流轉(zhuǎn)主要是從農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換為林地或裸地；在中旱地區(qū)，土地類型轉(zhuǎn)移較少；東北部的干旱情況不是很嚴重，主要存在農(nóng)業(yè)用地向林地流轉(zhuǎn)的情況；建設用地的擴張主要是城市化進程加快的結(jié)果，向主城區(qū)四周侵占耕地擴張，且主要出現(xiàn)在干旱情況不嚴重的地區(qū)，如研究區(qū)的東部，干旱程度也在一定的程度上影響城鎮(zhèn)化的進程。

4 小結(jié)與討論

1）衡邵干旱走廊農(nóng)業(yè)用地、水體面積持續(xù)減少，農(nóng)業(yè)用地減少速度加快，主要減少區(qū)域分布在研究區(qū)內(nèi)較大的主城區(qū)如衡陽市、邵陽市等及周邊自然、經(jīng)濟區(qū)位條件相對較好的區(qū)縣。農(nóng)業(yè)用地減少的原因有2 點，一方面是由于城鎮(zhèn)化加快，侵占了農(nóng)業(yè)用地；另一方面是由于研究區(qū)常年干旱，作物生長季節(jié)缺乏水資源，農(nóng)戶拋棄了耕地和園地等農(nóng)業(yè)用地。

2）2000—2017 年，建設用地、林地和裸地的面積呈不斷擴大的趨勢，尤其是在2009—2017 年增長速度極快，擴大的面積主要來自對農(nóng)業(yè)用地的侵占。建設用地的增加主要來源于對農(nóng)業(yè)用地的占用；林地面積的增加主要由于該區(qū)域的干旱情況，政府號召居民多種植樹木，有利于涵養(yǎng)水源，保持水土。

3）各類用地之間轉(zhuǎn)移方向越來越單一。農(nóng)業(yè)用地一直都是其他土地利用類型尤其是建設用地最重要的轉(zhuǎn)入來源之一，水體同樣也是其他土地利用類型轉(zhuǎn)入的來源之一，但轉(zhuǎn)移面積遠小于農(nóng)業(yè)用地；隨著城市化步伐的不斷加快，建設用地已經(jīng)逐漸成為所有其他地類的主要轉(zhuǎn)出方向，在2000—20009 年主要是農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)出方向之一，2009—2017 年已經(jīng)變成了其他所有地類的主要轉(zhuǎn)出方向之一。

4）干旱程度較低的地區(qū)土地利用流轉(zhuǎn)復雜，大部分林地沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化；干旱程度比較嚴重的地區(qū)土地轉(zhuǎn)移較為單一。干旱較為嚴重的區(qū)域大部分都是農(nóng)業(yè)用地，受干旱的影響，農(nóng)作物很難存活，部分農(nóng)業(yè)用地不得不向其他用地進行轉(zhuǎn)化，主要向林地和裸地轉(zhuǎn)入。研究區(qū)中部干旱情況并不嚴重，是由于存在大量的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為林地的情況；在干旱情況較好的地區(qū)，農(nóng)業(yè)用地主要向裸地和建設用地轉(zhuǎn)化；干旱情況較好的地區(qū)發(fā)展較快。在衡邵干旱走廊統(tǒng)籌發(fā)展過程中，需要從土地利用格局特征出發(fā)，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的不同程度的干旱情況，協(xié)調(diào)不同土地利用類型與干旱區(qū)相適應，實現(xiàn)土地利用的可持續(xù)發(fā)展。