基于Logistic回歸模型的會(huì)澤縣草地資源變化及驅(qū)動(dòng)力分析

孫曉莉，趙 然，和萬(wàn)榮*，鄭 毅，袁 磊，郭朝元

(1.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院國(guó)土空間信息學(xué)院，云南 昆明 652501；2.徐州工程學(xué)院管理學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3.云南師范大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

【研究意義】土地利用/覆被變化(land use/land cover change，LUCC)是影響全球變化的重要因素，其對(duì)地表水文、氣候、生物等過(guò)程產(chǎn)生較為直接的影響[1]，而土地利用覆被變化驅(qū)動(dòng)力研究是其研究的核心領(lǐng)域[2-3]。草地資源在水土流失、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用，開(kāi)展草地資源變化驅(qū)動(dòng)力研究可為L(zhǎng)UCC研究提供一定的幫助?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者基于Logistic回歸模型對(duì)沙地動(dòng)態(tài)變化[4]、耕地變化[5]、居民點(diǎn)變化[6-7]、城鎮(zhèn)擴(kuò)張[8]等進(jìn)行研究，高曉霞等研究表明固定沙地減少的驅(qū)動(dòng)力為降雨量和放牧強(qiáng)度、裸沙地增加的驅(qū)動(dòng)力為放牧強(qiáng)度和氣溫；姜楠等研究表明耕地變化的驅(qū)動(dòng)力主要為高程、距農(nóng)村居民點(diǎn)距離等。對(duì)草地資源方面的研究主要集中在草地植被覆蓋變化[9]、微生物對(duì)草地資源數(shù)量、質(zhì)量的影響[10]等，馬昊翔等研究得出青海省草地植被覆被變化與溫度和降雨量密切相關(guān)，其是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)綜合作用的結(jié)果?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】縱觀前人研究，基于兩期數(shù)據(jù)、直接從變化圖斑角度出發(fā)，基于Logistic回歸模型對(duì)草地資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力研究的相對(duì)較為少見(jiàn)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究選擇云南省會(huì)澤縣作為研究區(qū)域，以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為研究尺度，基于ArcGIS10.0和SPSS，從草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度、地學(xué)信息圖譜對(duì)研究區(qū)2009-2016年草地資源變化進(jìn)行分析，并基于Logistic回歸模型對(duì)草地資源變化驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究，以期為會(huì)澤縣草地資源保護(hù)等政策制定提供一定的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

會(huì)澤縣位于云南省東北部、曲靖市西北部，處于東經(jīng)103°03′～103°55′、北緯25°48′～27°04′。地勢(shì)南高北低，呈階梯狀下降，境內(nèi)相對(duì)高差3322.3 m[11]。會(huì)澤縣立體氣候特點(diǎn)突出，從南亞熱帶至寒溫帶氣候均有分布，其境內(nèi)草地資源豐富，主要包括暖性灌草叢類(lèi)、熱性灌草叢類(lèi)以及山地草甸類(lèi)，其中山地草甸類(lèi)占到了草地資源總量的64.57%。2016年全縣土地總面積為588 912.70 hm2，其中草地資源面積為97062.89 hm2，占研究區(qū)土地總面積的16.48%。2016年全縣年均氣溫為12.46 ℃，年均降雨量為1038.06 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

數(shù)據(jù)來(lái)源：草地資源圖斑數(shù)據(jù)主要包含2009年和2016年兩期遙感影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5 m，主要采用目視解譯、豐草期外業(yè)核查等方式獲取兩期草地資源圖斑數(shù)據(jù)；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于會(huì)澤縣全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局會(huì)澤調(diào)查隊(duì)；溫度、降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于會(huì)澤縣氣象部門(mén)。

采用ArcGIS10.0、SPSS軟件等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理為研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 研究方法

1.3.1 草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度 土地利用綜合動(dòng)態(tài)變化度[12]是指研究區(qū)域在一定的時(shí)間段內(nèi)土地利用動(dòng)態(tài)變化的強(qiáng)弱程度。為了反映草地資源的動(dòng)態(tài)變化幅度，文中利用草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度來(lái)反映研究區(qū)草地資源動(dòng)態(tài)變化的強(qiáng)弱程度。計(jì)算公式為：

(1)

式中：LC為草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度，LUi為研究期初草地資源面積;ΔLUi-j為研究時(shí)段內(nèi)草地資源向其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換的面積;T為研究時(shí)段。

1.3.2 地學(xué)信息圖譜 地學(xué)信息圖譜可以同時(shí)表達(dá)地理空間結(jié)構(gòu)特征以及時(shí)間動(dòng)態(tài)變化等[13]。草地資源地學(xué)信息圖譜實(shí)質(zhì)上是指在GIS、RS以及空間分析等相關(guān)技術(shù)支持下，對(duì)研究區(qū)草地資源圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并獲得草地資源變化信息的過(guò)程[14]。

1.3.3 Logistic回歸模型 Logistic回歸模型主要通過(guò)對(duì)各個(gè)自變量的回歸系數(shù)來(lái)研究某一類(lèi)事件發(fā)生的概率與各個(gè)自變量之間的相應(yīng)關(guān)系[1]，其已廣泛應(yīng)用于農(nóng)村居民點(diǎn)變化的驅(qū)動(dòng)力分析[6-7],、耕地變化分析與模擬[5,15-17]、城市擴(kuò)展預(yù)測(cè)[8,18]等方面的相關(guān)研究。文中主要采用Logistic回歸模型對(duì)草地資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。

(2)

式中：x1、x2、x3......xn為各驅(qū)動(dòng)力影響因子；a為常數(shù)項(xiàng)；βn為偏回歸系數(shù)。

Logistic回歸分析結(jié)果中主要包括各驅(qū)動(dòng)力影響因子的回歸系數(shù)(B)、回歸系數(shù)估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差(S.E)、回歸系數(shù)估計(jì)的Waldx2統(tǒng)計(jì)量、回歸系數(shù)估計(jì)的顯著性水平等。其中Waldx2表示每個(gè)變量對(duì)事件預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)度大小。

1.3.4 草地資源變化驅(qū)動(dòng)力因子選取與處理 通過(guò)草地資源動(dòng)態(tài)變化地學(xué)信息圖譜分析結(jié)果可以得出草地資源增加、減少以及總體變化的圖斑區(qū)域。草地資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力影響因子Logistic回歸模型的結(jié)果會(huì)受到樣本選擇的影響，由于草地資源圖斑發(fā)生增加、減少等變化部分占研究區(qū)總面積的比重相對(duì)較小，如果在研究區(qū)內(nèi)采用隨機(jī)的方式選擇樣本將會(huì)導(dǎo)致草地資源圖斑發(fā)生變化的樣本所占比重較少的情況出現(xiàn)，最終會(huì)造成Logistic回歸模型存在較大偏差。為了保證所選擇的樣本數(shù)量多且模式多樣化，采用分層隨機(jī)取樣的方式選擇樣本數(shù)據(jù)，確保發(fā)生變化和未發(fā)生變化的樣本數(shù)據(jù)有大致相同的精度。

選擇高程(x1)、坡度0°～2°(x2)、坡度2°～6°(x3)、坡度6°～15°(x4)、坡度15°～25°(x5)、坡度25°～90°(x6)、年平均溫度(x7)、年平均降雨量(x8)、人口密度(x9)、人均純收入(x10)、距公路的距離(x11)、距農(nóng)村道路的距離(x12)共12個(gè)驅(qū)動(dòng)力因子，其中溫度和降雨量數(shù)據(jù)是通過(guò)氣象觀測(cè)站2009-2016年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，并對(duì)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)年平均值進(jìn)行空間內(nèi)插獲得。首先使用ArcGIS10.0軟件獲得各個(gè)驅(qū)動(dòng)力影響因子?xùn)鸥駡D(柵格單元大小為10 m×10 m)，然后將所選擇的樣本點(diǎn)在指定位置分別提取各驅(qū)動(dòng)因子?xùn)鸥駡D層的像元屬性值，獲得含有各柵格屬性值的樣本點(diǎn)屬性表數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地資源變化分析

2.1.1 草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度 以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為研究尺度，根據(jù)式1可得出研究區(qū)各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))2009-2016年草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度(圖1)。

圖1 各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度

從草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度結(jié)果來(lái)看，全縣草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度為5.85%。從各個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))來(lái)看，草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度變化較為劇烈的為新街鄉(xiāng)和田壩鄉(xiāng)，分別達(dá)到了14.21%、14.00%，主要是受退林還草等因素影響，草地資源面積2016年與2009年相比增加較大；其次為雨碌鄉(xiāng)、駕車(chē)鄉(xiāng)和大井鎮(zhèn)，分別為9.40%、7.89%和7.68%；草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度變化較小相對(duì)較為穩(wěn)定的鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為五星鄉(xiāng)、金鐘鎮(zhèn)和火紅鄉(xiāng)，分別為2.53%、3.41%和3.44%，該區(qū)域2009-2016年期間草地資源面積有增有減，但增加和減少的數(shù)量總體上保持動(dòng)態(tài)平衡。

2.1.2 草地資源動(dòng)態(tài)變化地學(xué)信息圖譜分析 草地資源動(dòng)態(tài)變化可以通過(guò)地學(xué)信息圖譜進(jìn)行分析，其包括增勢(shì)圖譜和減勢(shì)圖譜[16]。增勢(shì)圖譜是指2009-2016年由非草地資源土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)入草地資源的部分，即新增草地資源；減勢(shì)圖譜是指2009-2016年由草地資源轉(zhuǎn)為非草地資源土地利用類(lèi)型的部分，即草地資源減少。

從表1可看出，2009-2016年新增草地資源來(lái)源的不同地類(lèi)中，林地和耕地總占比為56.85%，其主要有兩方面原因：一是當(dāng)?shù)赝肆诌€草等生態(tài)保護(hù)措施初具成效；二是在影像解譯過(guò)程中考慮到林地種植存在一定的周期性，當(dāng)種植的樹(shù)木較小時(shí)，影像解譯時(shí)判讀為草地，使得新增草地大多來(lái)源于林地，而當(dāng)樹(shù)木生長(zhǎng)較為茂密時(shí)，出現(xiàn)遮蓋草地資源的情況，使得影像解譯時(shí)判讀為林地，出現(xiàn)草地資源減少為林地的情況。新增草地資源來(lái)源的其他地類(lèi)中主要包括零散的草地圖斑、裸地、內(nèi)陸灘涂等，而園地、建設(shè)用地以及水域增加為草地資源的占比相對(duì)較少。

表1 2009-2016年新增草地資源來(lái)源不同地類(lèi)演化統(tǒng)計(jì)

從表2可看出，2009-2016年草地資源流向不同地類(lèi)中，林地和耕地總占比為52.20%，主要受到退草還耕政策的實(shí)施以及影像解譯等因素影響；草地資源流向園地、建設(shè)用地和水域的占比相對(duì)較少；流向的其他地類(lèi)中其他草地占有一定的比例，主要原因?yàn)椴莸刭Y源是指集中連片的草地，而草地資源由于受到人為因素等干擾，使得部分草地資源轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆闵⒌牟莸貓D斑。從新增草地資源來(lái)源地類(lèi)和草地資源流向不同地類(lèi)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2009-2016年草地資源未發(fā)生變化部分的面積為55109.46 hm2，凈增加面積為21 134.51 hm2。

行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于會(huì)澤縣全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)

表2 2009-2016年草地資源流向不同地類(lèi)演化統(tǒng)計(jì)

2.2 草地資源變化驅(qū)動(dòng)力分析

使用SPSS軟件進(jìn)行Logistic回歸模型分析之前，需要對(duì)所選取的各個(gè)自變量之間進(jìn)行共線性問(wèn)題診斷，往往需要?jiǎng)h除共線性較為明顯的影響因子，從而提高Logistic回歸模型擬合的精度。文中刪除了顯著性P>0.05不符合要求的自變量，保留了P<0.05的自變量，然后分別構(gòu)建草地資源增加、草地資源減少及草地資源總體變化的二元Logistic回歸模型(圖3)。

圖3 會(huì)澤縣草地資源增加、減少及總體變化的Logistic回歸模型

2.2.1 草地資源增加的驅(qū)動(dòng)力分析 根據(jù)草地資源增加驅(qū)動(dòng)因子模型結(jié)果(表3)，驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率(Wald統(tǒng)計(jì)量)從大到小依次為年均降雨量(x8)、距公路的距離(x11)、坡度25°～90°(x6)、人均純收入(x10)。由此可見(jiàn)，草地資源增加是自然、距離、經(jīng)濟(jì)等因素共同耦合作用的結(jié)果，其中影響最大的驅(qū)動(dòng)力為年均降雨量。此外，隨著人均收入和距離公路距離的增加，草地資源增加的可能性增大，主要是因?yàn)殡S著與公路的距離增加，交通便利性降低，為農(nóng)耕帶來(lái)一定的困難。另外隨著人均純收入不斷提高，現(xiàn)有的耕地能夠滿足人們生活，占用草地資源進(jìn)行耕種的情況有所改善；在坡度25°～90°內(nèi)，隨著坡度增大，草地資源增加的可能性在降低，說(shuō)明坡度陡峭的區(qū)域不利于草地資源的生長(zhǎng)。

表3 草地資源增加驅(qū)動(dòng)因子模型結(jié)果

2.2.2 草地資源減少的驅(qū)動(dòng)力分析 根據(jù)草地資源減少驅(qū)動(dòng)因子模型結(jié)果(表4)，驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率(Wald統(tǒng)計(jì)量)從大到小依次為年均降雨量(x8)、坡度25°～90°(x6)、距公路的距離(x11)。由此可見(jiàn)，草地資源的減少是自然、距離等因素共同作用的結(jié)果，其中年均降雨量驅(qū)動(dòng)因子對(duì)草地資源減少影響最大，草地資源減少與年均降雨量呈負(fù)相關(guān)，即隨著降雨量的增加，草地資源減少的可能性降低。此外，隨著距公路距離的增加，草地資源減少的可能性降低，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即距離公路距離越遠(yuǎn)，草地資源受到人為因素干擾越少，草地資源被其他地類(lèi)占用的可能性降低；在坡度25°～90°內(nèi)，隨著坡度增大，草地資源減少的可能性增大，二者呈現(xiàn)正相關(guān)。

表4 草地資源減少驅(qū)動(dòng)因子模型結(jié)果

2.2.3 草地資源總體變化的驅(qū)動(dòng)力分析 根據(jù)草地資源減少驅(qū)動(dòng)因子模型結(jié)果(表5)，驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率(Wald統(tǒng)計(jì)量)從大到小依次為坡度25°～90°(x6)、坡度15°～25°(x5)、坡度6°～15°(x4)、坡度2°～6°(x3)、年平均降雨量(x8)、高程(x1)、距公路的距離(x11)。從草地資源總體變化來(lái)看其是由自然、距離等因素共同耦合作用的結(jié)果，各驅(qū)動(dòng)力影響因子與草地資源總體變化之間均呈現(xiàn)正相關(guān)，即在2°～6°、6°～15°、15°～25°、25°～90°內(nèi)隨著坡度增加、年均降雨量增加以及距離公路距離增加，草地資源發(fā)生變化的可能性增大。

表5 草地資源總體變化驅(qū)動(dòng)因子模型結(jié)果

3 討 論

本研究分析了2009-2016年會(huì)澤縣草地資源動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)力分析，結(jié)果與一些學(xué)者在草地資源植被覆蓋與驅(qū)動(dòng)因素的研究基本一致。例如李元春等[19]研究表明溫度和降雨量對(duì)甘南和川西北地區(qū)草地植被NDVI的變化呈正向驅(qū)動(dòng)；趙旺林等[20]研究表明西藏典型高寒荒漠草地植被指數(shù)變化受到溫度、降雨量以及牲畜存欄數(shù)的影響。研究區(qū)2009-2016年平均降雨量整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，年均溫度相對(duì)較為穩(wěn)定，豐沛的降雨量對(duì)研究區(qū)草地資源增加有著積極作用。草地資源動(dòng)態(tài)變化是人類(lèi)活動(dòng)、自然因素、經(jīng)濟(jì)因素以及土地利用變化等因素共同耦合作用的結(jié)果，本研究在驅(qū)動(dòng)力因子選擇時(shí)僅考慮自然因素、經(jīng)濟(jì)因素等12個(gè)影響因子，未考慮人為因素中放牧強(qiáng)度、牲畜存欄數(shù)等因素，進(jìn)一步細(xì)化反映人類(lèi)活動(dòng)等影響因素，量化各人為因素對(duì)研究區(qū)草地資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力的影響仍有待深入分析和探討。

土地利用覆被動(dòng)態(tài)變化具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間異質(zhì)性，但研究尺度不同也會(huì)對(duì)其結(jié)果造成一定的影響。文中以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為研究尺度，但在部分驅(qū)動(dòng)力因子數(shù)據(jù)采集時(shí)存在一定的難度，例如降雨量、溫度等數(shù)據(jù)則需要通過(guò)空間內(nèi)插的方式對(duì)20個(gè)氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲得整個(gè)研究區(qū)的降雨量和溫度數(shù)據(jù)。若能以更小的尺度村級(jí)區(qū)域單元進(jìn)行研究，再結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)加以修正，將能夠更加精確的對(duì)草地資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。

4 結(jié) 論

以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為研究尺度，從草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度、地學(xué)信息圖譜分析2009-2016年草地資源動(dòng)態(tài)變化情況，并基于Logistic回歸模型對(duì)研究區(qū)草地資源動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)力因子進(jìn)行分析。結(jié)果表明各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))草地資源綜合動(dòng)態(tài)變化度較大的為新街鄉(xiāng)、田壩鄉(xiāng)；草地資源面積整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，2009-2016年期間草地資源凈增加21 134.51 hm2，說(shuō)明當(dāng)?shù)赝烁€草、加快草原生態(tài)恢復(fù)等政策的實(shí)施初現(xiàn)成效。草地資源變化是自然因素、經(jīng)濟(jì)因素和距離因素等共同耦合作用的結(jié)果，尤其年均降雨量和坡度的驅(qū)動(dòng)力影響較大，隨著年均降雨量的增加和坡度尤其是25°～90°內(nèi)坡度的增加，草地資源發(fā)生變化的可能性越大。文中研究結(jié)果可為今后研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策制定以及草地資源保護(hù)等提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。