漓江流域土地利用時空變化動態(tài)監(jiān)測與分析

● 左天惠，陸飛揚，黃 妤

（1.廣西自然資源調查監(jiān)測院，廣西 南寧 531002；2.梧州市自然資源局，廣西 梧州 543002）

隨著漓江流域內經(jīng)濟活動規(guī)模的不斷擴大，流域內生態(tài)環(huán)境有逐步失衡的趨勢[1]。為全面了解漓江流域土地利用時空的變化，研究小組利用“3S”技術進行動態(tài)監(jiān)測，通過提取1980—2020 年間共8 期各類土地利用時空變化數(shù)據(jù)后，運用土地利用動態(tài)和轉移矩陣方法，分析漓江流域土地利用時空變化的特征及驅動力。研究結果表明：（1）流域最主要的土地利用類型為林地，多年平均占比為 62.21%，其次為耕地、草地、建設用地和水域；（2）1980—2020 年以來，流域各土地利用類型整體變化幅度不大，主要表現(xiàn)為耕地、林地和草地面積減小，建設用地和水域面積增加；（3）1980—2020 年期間流域內各土地利用類型均發(fā)生不同程度變化，林地面積先減后增再減，整體變化不大。耕地面積先減少后增加，再急劇減少。水域面積先增加后減少再增加。草地面積先增加后減少。建設用地面積持續(xù)增加，且增加趨勢明顯。

1 流域概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 流域概況

漓江流域位于廣西東北部、南嶺山系西南端，是珠江水系西江（珠江上游干流）的支流桂江上游河段的通稱，發(fā)源于廣西興安縣華江鄉(xiāng)（四百里越城嶺山脈的最高峰）貓兒山東北面海拔1.732 km（黃?；妫┑睦仙浇缒蟼?，流域范圍主要包括象山、七星、疊彩、秀峰、雁山、臨桂等6 個區(qū)以及靈川縣、興安縣、陽朔縣、平樂縣部分區(qū)域，第七次全國人口普查數(shù)據(jù)及《2021 廣西統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2020 年，該流域范圍內總人口為306.97 萬，生產總值為1 454.78 億元，流域總面積為6 352.78 km2，干流全長214 km。整體地勢北高南低，以漓江為中軸線，呈南北向狹長帶狀分布，北部為碎屑巖中低山地貌，中南部主要為低山、丘陵、巖溶地貌，具有典型的喀斯特地貌特征。漓江流域屬于南亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫在20℃左右，年降雨量超過1 000 mm，降雨空間分布特征為由北向南遞減[2]。

1.2 流域基礎數(shù)據(jù)來源

（1）流域的基礎數(shù)據(jù)主要來源于漓江流域SRTM_V4 DEM 90 m、ASTER GDEM 30 m、ALOS DEM 12.5 m 分辨率數(shù)字高程模型（來源自USGS、NASA 和JAXA），交通、水系、居民點、行政駐地、行政區(qū)劃界限和注記等。其中，交通數(shù)據(jù)包括鐵路、高速路、國道、縣道；水系包括主要的河流、水庫、濕地和湖泊；居民點包括農村居民點和城鎮(zhèn)居民點；行政區(qū)劃分到鄉(xiāng)級并標有行政駐地的位置和注記等。

（2）選取1980 年（1980 年末期）、1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年 和2020 年共8 期流域的土地利用數(shù)據(jù)，其中前7 期數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，研究小組以Landsat TM/ETM 和Landsat 8 為主要信息源解譯以上數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。該流域2020年的土地利用數(shù)據(jù)是通過Landsat 8 影像數(shù)據(jù)人工解譯獲得的。研究小組將該流域的1980—2020 年的土地利用分類系統(tǒng)分為2 級，一是5 個一級土地利用類型，分別為耕地、林地、草地、水域及建設用地，二是14 個二級土地利用類型。

（3）漓江流域內的高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及相關的規(guī)劃資料等，主要有《漓江流域生態(tài)保護條例》、桂林市 1 ∶5 萬地形圖、2009 年桂林市1 ∶1 萬土地利用現(xiàn)狀圖、2020 年桂林市行政區(qū)劃圖、《桂林市志（1991—2005 年）》《桂林市社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒（1973—2020 年）》《桂林市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報（2013 年）》《桂林市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020 年）》《桂林旅游發(fā)展總體規(guī)劃（2001—2020 年）》《桂林市城市總體規(guī)劃（2010—2020 年）》以及《桂林市重點旅游片區(qū)規(guī)劃（2014—2020 年）》等。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

為保證漓江流域邊界及河網(wǎng)提取準確性，研究小組利用90 m、30 m 和12.5 m 多種分辨率DEM數(shù)據(jù)，加入流域高分辨率影像數(shù)據(jù)自行矢量化的主河道數(shù)據(jù)，然后利用ArcSWAT 軟件中Burn-in功能、Pre-defined 功能實現(xiàn)對原始DEM 及流域邊界等進行修正后提取[3]。最后，提取流域范圍對所有地理信息數(shù)據(jù)進行裁剪、重投影、重分類等預處理，將投影統(tǒng)一定義為CSGS2000-49N。

1.4 2020 年漓江流域土地利用數(shù)據(jù)解譯關鍵技術

1.4.1 影像數(shù)據(jù)預處理

利用 ENVI 軟件，以流域高程數(shù)據(jù)和歷年影像數(shù)據(jù)為地理參考，在流域四周選擇易識別地物處20 個作為地面控制點，通過多項式變換模型，對2020 年遙感影像進行幾何精校正，采用回歸分析去除大氣輻射后，利用正射校正降低山體陰影對影像的影響。首先，對校正后的影像進行波段計算，使用Band Math 工具分別計算獲得NDVI、NDWI、WET、NDBSI、LST、NDBI、LCI 等 遙 感指數(shù)圖層；其次，對流域DEM 數(shù)據(jù)進行坡度、坡向等常用地形參數(shù)計算；再次利用Gram-schmidt Pan Sharpening（GS）工具融合以上所有圖層；最后利用提取的流域矢量邊界進行裁剪，獲得漓江流域遙感影像數(shù)據(jù)。

1.4.2 遙感影像解譯

研究小組基于大數(shù)據(jù)思維，結合流域實際情況以及已有的成果數(shù)據(jù)，利用自主研發(fā)的隨機森林影像分類軟件對流域影像進行土地利用類型識別與分類，包括訓練樣本制作、模型訓練及參數(shù)調試、地物分類提取等步驟。研究小組制作訓練樣本時主要參考了2015 年土地利用類型數(shù)據(jù)及流域高分辨率影像，分別針對5 類土地利用類型制作了100 個樣本；然后利用該樣本數(shù)據(jù)進行模型訓練和參數(shù)調試；最后利用優(yōu)化后的訓練模型及其參數(shù)對2020 年漓江流域影像進行土地利用數(shù)據(jù)。

1.4.3 分類后處理

研究小組利用聚類分析（Clump）和去除分析（Eliminate）工具將＜4 個像元的破碎小圖斑進行地類歸并，然后結合土地利用現(xiàn)狀圖、高分辨率遙感影像等資料對分類后的影像進行目視人工修正和檢驗，應注意調整山體陰影和水體的錯分，并利用已有水系、交通矢量數(shù)據(jù)對分類結果進行修正，以提高解譯結果的精度。

1.4.4 精度評價

研究小組采用隨機抽樣方式，在影像分類結果中隨機抽取約 300 個隨機點，結合土地利用現(xiàn)狀圖、流域高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)等資料，分別把隨機點與其實際類型進行比對，輸入各隨機點的實際類別，生成分類精度報告，經(jīng)精度評估的總體分類精度為89.73%，達到研究需求。

2 研究方法

2.1 土地利用變化特征

研究小組主要選取單一土地利用動態(tài)度（K）和綜合土地利用動態(tài)度（LC）2 個指標，表示土地利用變化的速率與程度，從類型水平和整體來定量評估土地利用變化動態(tài)特征。單一土地利用動態(tài)度（K）用于表示某種土地利用類型在具體研究時段的變化速率，綜合土地利用動態(tài)度（LC）則用于表征某一時段內研究區(qū)土地利用類型轉化的劇烈程度，LC的數(shù)值越大，說明土地利用變化越劇烈，反之則較弱，計算公式如下[4]：

式（1）中，Ua和Ub分別表示研究期初、期末某種土地利用類型的面積；LU表示土地利用類型的年際動態(tài)變化率；△LUi-j為研究時段T內i類型土地轉為j類型土地的面積；T為監(jiān)測時長。

2.2 土地利用轉移矩陣分析

研究小組基于GDAL 庫進行二次開發(fā)，開發(fā)了兩期土地利用轉移矩陣快速計算工具，對漓江流域1980—2020 年以來的8 個時段的土地利用數(shù)據(jù)進行轉移矩陣分析，之后統(tǒng)計各土地利用類型轉移的趨向、面積及變化率，分析各研究階段土地利用轉移特征。

2.3 土地利用變化驅動力分析

研究小組采用定量分析與定性描述相結合的方法，分析不同時段土地利用變化的驅動力。通過對比不同時期土地利用轉移特征、三次產業(yè)比例、人口數(shù)、城市人口數(shù)等社會經(jīng)濟指標變化特征，查閱相應時段漓江流域內出臺的政策措施等，分析不同時段土地利用變化的主要驅動力。

3 流域土地利用變化情況分析

過去40 年中，伴隨著城鎮(zhèn)化進程的加快、旅游活動的增加，特別是桂林國際旅游勝地建設的持續(xù)推進，漓江流域的土地利用發(fā)生顯著變化。

3.1 流域土地利用總體變化

從土地利用類型構成特征來看（見表1），1980—2020 年間漓江流域各土地利用類型均發(fā)生了不同程度的變化，到2020 年該流域的林地、耕地和草地面積減少，水域和建設用地面積增加，其中，耕地和建設用地面積變幅最大。林地一直為漓江流域的主要土地利用類型，占總面積的62%左右，主要分布在流域的北部貓兒山、越城嶺和東部的都龐嶺、海洋山等大型山脈，由1980 年前的3 969.10 km2減少到2020 年的3 937.00 km2，凈減32.1 km2。耕地作為流域第二大土地利用類型，主要分布在漓江河谷地勢平緩地帶，為城鎮(zhèn)化建設主要區(qū)域，因種植結構調整以及建設用地的侵占致使面積持續(xù)減少，由1980年的1 520.71 km2減少到2020 年的 1 426.03 km2，凈減94.68 km2；草地面積減少了18.19 km2；水域面積增加了18.44 km2；建設用地占比不大，約3%～5%，主要分布在流域內的桂林市區(qū)，興安、靈川、陽朔等縣城及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)等，特別是臨桂新區(qū)和靈川縣等地的建設用地面積，呈快速增加之勢，面積由1980 年的 179.01 km2快速增加到 2020年的305.54 km2，凈增126.53 km2，增長幅度達到70.7%。這主要是由流域內城鎮(zhèn)擴張、工業(yè)用地以及旅游景區(qū)開發(fā)等因素驅動的。

表1 1980—2020 年漓江流域土地利用結構特征表

3.2 流域土地利用動態(tài)變化分析

1980—2020 年間漓江流域各土地利用類型均發(fā)生不同程度變化，林地面積先減后增再減，幅度不大。耕地面積先減少再增加，之后急劇減少，2010—2015 年間減幅最大，凈減值為43.19 km2，約占1980—2020 年總減少量的45.6%，近年來桂林市持續(xù)進行“旱改水”耕地提質改造項目和“先補后占”“占優(yōu)補優(yōu)”的耕地占補平衡等措施使得耕地銳減趨勢得到有效控制。草地面積先增加后減少。水域面積先增加后減少，而后持續(xù)增加，且增幅較大。建設用地隨著靈川縣、臨桂新區(qū)建設和桂林市其他區(qū)、興安縣、陽朔縣、平樂縣等城鎮(zhèn)化建設的持續(xù)進行而增加，2010—2015 年間增幅最大，5 年內凈增69.7 km2，約占1980—2020 年總增加量的55.1%，增長趨勢較為明顯。

3.3 流域土地利用轉移特征分析

綜上所述，研究小組對1980—2020 年漓江流域的土地利用類型進行分析，得到以下結論：

（1）漓江流域的耕地、林地、草地、水域和建設用地在1980—2020 年間的轉化率分別為：1.49、0.51、0.28、0.29、1.99，轉化率大小排列依次是建設用地＞耕地＞林地＞水域＞草地（見表1）。

（2）漓江流域林地主要轉化為至建設用地。早期主要轉化為耕地，主要由開荒種糧、種菜等引起；后期則主要轉化為建設用地，主要由流域內城鎮(zhèn)化建設而導致的；而后，退耕還林和石漠化治理等措施使林地面積得到一定補充，減緩林地流出趨勢。

（3）耕地的變更范圍比較廣泛，與其他各類要素間均有轉換發(fā)生，40 年間轉出變化率最高，達到1.49%（見表1），主要轉出流向建設用地、林地和水域，耕地轉出建設用地過程也印證了流域內2 次城鎮(zhèn)化建設高潮，即1980—1990 年改革開放后城市快速發(fā)展和2010—2015 年間桂林主城區(qū)發(fā)展及靈川縣、臨桂新區(qū)建設，同時也反映出流域內土地利用結構發(fā)生了改變，從農業(yè)逐步調整為工業(yè)、旅游產業(yè)等。

（4）流域內水域面積增加主要來源于耕地和林地。早期主要來源于耕地，是因為魚類的養(yǎng)殖效益高，導致大量耕地被用于挖塘養(yǎng)魚；2000 年后水域面積逐年增加，也主要來源于耕地和林地，且增加趨勢較為明顯。2011 年后漓江流域持續(xù)進行的生態(tài)環(huán)境修復，建成斧子口、小榕江、川江等多座漓江補水樞紐工程以及建設漓江蓄水壩等的建設，增加流域的水域面積。

（5）草地的變更較為單一，變化幅度也最小。1980—1995 年間草地面積增加主要來源于林地，而后2010—2020 年間因經(jīng)濟發(fā)展，大量農民進城務工，開荒種糧種果樹減少，且部分耕作條件差的農田被撂荒變?yōu)椴莸?，所以草地面積大量增加；草地面積減少主要是由于轉為林地、建設用地和耕地等，反映出當?shù)赝烁€林和生態(tài)修復的效果，有效改善了流域內生態(tài)環(huán)境，同時也保障了經(jīng)濟發(fā)展用地需求。

4 結 語

研究小組以漓江流域為研究對象，基于1980—2020 年以來8 期土地利用數(shù)據(jù)，運用“3S”技術和相關分析方法，綜合分析1980—2020 年間漓江流域土地利用時空變化及驅動力，得到以下結論：

（1）1980—2020 年漓江流域最主要土地利用類型為林地，多年平均占比為 62.20%，其次為耕地、草地、建設用地和水域，多年平均占比分別為23.29%、9.45%、3.58%、1.48%。林地分布廣泛，耕地和草地分布較為分散，建設用地主要沿河分布，集中在流域中部河谷盆地。

（2）1980—2020 年以來，漓江流域各土地利用類型整體變化幅度不大，主要表現(xiàn)為耕地、林地和草地面積減小，建設用地和水域面積增加。在此期間，經(jīng)濟進一步發(fā)展加快城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和旅游產業(yè)化步伐，使得社會經(jīng)濟用地大量侵占生態(tài)環(huán)境用地，社會經(jīng)濟用地驟增。

（3）1980—1990 年間流域內各土地利用類型轉移的主要去向為建設用地和草地，此階段由于改革開放發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設迅速起步，建設用地大量增加；1990—2000 年間各土地利用類型轉移的主要去向為林地、耕地和水域，此階段流域內的主要活動為農業(yè)生產，各類型土地間的轉移主要受農林種植結構調整、挖塘養(yǎng)魚和占用草地用于農林開發(fā)等因素驅動；2000—2010 年后，耕地、建設用地、林地和水域成為流入的主要土地利用類型，耕地和林地則是土地利用轉出的主要類型，造成這一時期土地利用變化的主要驅動力是城鎮(zhèn)化進程加速、產業(yè)結構調整、果業(yè)種植等因素；2010—2020 年間林地、耕地和建設用地是土地利用的主要流入類型，城鎮(zhèn)快速擴張、工業(yè)化、旅游業(yè)快速發(fā)展、農業(yè)種植結構調整以及林業(yè)、生態(tài)建設是此階段土地利用變化的主要驅動因素。

研究小組分析了漓江流域 1980—2020 年間8期土地利用變化的時空特征以及驅動因素，受遙感影像數(shù)據(jù)和分辨率等因素限制，所提取的土地利用類型僅為一級大類，包括耕地、林地、草地、水域和建設用地，僅能宏觀分析流域的土地利用時空變化情況及趨勢，很難滿足流域內土地利用精細化的監(jiān)管要求。利用“空—天—地”立體化自然資源調查監(jiān)測手段可提高流域內影像數(shù)據(jù)獲取頻次和分辨率，實現(xiàn)流域自然資源利用精細化時空變化監(jiān)測及模擬預測。

綜上所述，研究小組為漓江流域的經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境保護的協(xié)調發(fā)展提出以下3 點建議：（1）嚴格落實耕地保護政策，持續(xù)進行“旱改水”耕地提質改造項目和“先補后占”“占優(yōu)補優(yōu)”的耕地占補平衡等措施，有效解決流域耕地減少問題；（2）合理確定規(guī)模布局，強化節(jié)約集約用地，嚴格控制建設用地中交通、商業(yè)、工業(yè)用地的規(guī)模，并按照總體規(guī)劃的布局，引導向控制協(xié)調區(qū)集中。（3）持續(xù)開展流域生態(tài)環(huán)境修復，增加流域林地及水域面積。特別是在流域源頭核心區(qū)域，要按照生態(tài)系統(tǒng)演替的規(guī)律和方向，結合生態(tài)環(huán)境保護政策，處理好開發(fā)與保護的關系、人與自然的關系，按自然資源保護規(guī)劃“分級保”“分區(qū)護”的要求，合理、科學地進行退耕還林、退園還林，加強封山育林，合理利用現(xiàn)有草地規(guī)模，轉為灌木林地、喬木林地等林地，增大林地的范圍，提高森林覆蓋率。