遙感監(jiān)測(cè)蘭州盆地1990-2020 年自然資源分布及變化趨勢(shì)

王 兵，王 軍，高亞芳，王玉璽，劉曉煌，李小強(qiáng)，曹 泊，魯 蕾，胡振波，潘保田

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局煙臺(tái)海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心, 山東 煙臺(tái) 264004；2.蘭州文理學(xué)院旅游學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 甘肅 蘭州 730000；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心, 北京 100055；5.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000；6.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院, 甘肅 蘭州 730000）

國(guó)家戰(zhàn)略要求黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的全流域要協(xié)調(diào)發(fā)展[1-5]。在全球氣候變化大背景下，冰川資源、水資源、森林資源、土地資源、草地等資源的變化規(guī)律及其相互影響機(jī)制均為當(dāng)下較重要的研究課題[6-14]。然而，就現(xiàn)有研究資料來(lái)看，自然資源生態(tài)變化規(guī)律、預(yù)判發(fā)展趨勢(shì)的支撐能力和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均較為匱乏[11,15-17]。近年來(lái)，自然資源管理體系實(shí)行了“多規(guī)合一”和“自然資源兩統(tǒng)一”的管理模式[18-19]，目的是要掌握我國(guó)各地自然資源底數(shù)及其變化情況，進(jìn)而預(yù)判自然資源的發(fā)展變化趨勢(shì)，從而有效地支撐自然資源管理工作[8,11,15-16]。黃河流域普遍存在過(guò)度開(kāi)發(fā)自然資源的問(wèn)題，不同景區(qū)自然資源稟賦與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題具有不同程度的復(fù)雜性和特殊性[17,20-22]。黃河上游流域目前主要問(wèn)題是土地沙化和水土流失導(dǎo)致可利用土地面積嚴(yán)重萎縮及人口負(fù)載過(guò)重[6,7, 12,23-25]。遙感監(jiān)測(cè)被廣泛應(yīng)用于自然資源的觀測(cè)分析研究，地表自然資源變化的特征與過(guò)程可以通過(guò)不同時(shí)期的遙感數(shù)據(jù)定量 地 分 析 和 確 定[8-9,14, 20,26]。為 研 究 近30 年 來(lái) 黃 河上游干旱盆地自然資源的發(fā)展變化過(guò)程，本研究以黃河上游的蘭州盆地為研究對(duì)象，利用遙感監(jiān)測(cè)，對(duì)該區(qū)自然資源空間分布特征和1990-2020 年的自然資源變化特征統(tǒng)計(jì)分析，從而為自然資源的統(tǒng)一管理、理論研究和國(guó)土空間生態(tài)監(jiān)測(cè)及規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本研究選取黃河流域上游的蘭州盆地作為研究對(duì)象(圖1)，具體包含了蘭州市主城區(qū)及南北兩山和蘭州以東的榆中盆地，總面積約3 580 km2。黃河在蘭州盆地自西向東流經(jīng)，全長(zhǎng)約45 km。受黃河河谷地形限制，蘭州盆地呈現(xiàn)近東西狹長(zhǎng)狀。盆地西南山地為祁連山東段余脈，該地區(qū)海拔較高(最高為3 600 m)，山體主要以質(zhì)地堅(jiān)硬的石質(zhì)山為主，同時(shí)植被覆蓋率也高，例如皋蘭山、興隆山和石佛溝等地森林覆蓋度均較高。蘭州盆地北側(cè)山地平均海拔較南山略低，在2 500 m 左右，山地地表大部分為黃土或中新生代期間的松散沉積物覆蓋。由于受黃河及其支流的切割剝蝕，蘭州盆地邊緣溝壑縱橫，地形較為破碎。

圖1 研究區(qū)位置及數(shù)字高程圖Figure 1 Location and digital elevation map of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究利用1990、2000、2010、2020 年4 期Landsat系列遙感數(shù)據(jù)(分辨率30 m)提取自然資源信息，并分析其變化趨勢(shì)。從USGS(United States Geological Survey)上收集研究區(qū)1990、2000、2010、2020 年的Landsat 遙感影像?？紤]到存檔數(shù)據(jù)的可獲得性和適用性，前3 個(gè)年份為L(zhǎng)andsat TM 影像，2020 年為L(zhǎng)andsat OLI 影像，數(shù)據(jù)時(shí)相為每年的夏季。為了精確獲取研究區(qū)自然資源現(xiàn)狀及其空間分布，本研究采用已購(gòu)買(mǎi)的、與2020 年相鄰近的2019 年該區(qū)域的高分2 號(hào)遙感影像作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行自然資源信息提取。高分2 號(hào)影像全色波段分辨率為1 m，多光譜分辨率為4 m。

對(duì)Landsat 原始影像進(jìn)行波段融合、輻射定標(biāo)、幾何糾正、數(shù)據(jù)鑲嵌和裁切等數(shù)據(jù)處理。對(duì)高分2 號(hào)原始影像經(jīng)過(guò)以上數(shù)據(jù)處理后，獲得研究區(qū)的正射影像。

2.2 自然資源分類(lèi)

自然資源作為生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類(lèi)繁多，且不同類(lèi)型資源相互交錯(cuò)，這為自然資源類(lèi)別的劃分及統(tǒng)一管理帶來(lái)極大的難度[27]。當(dāng)前，關(guān)于自然資源的定義、分類(lèi)及觀測(cè)監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵和外延等，在學(xué)術(shù)層面、管理層面、技術(shù)層面仍然存在諸多不明確的問(wèn)題[28-32]。因此，尚未有統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)用于自然資源分類(lèi)。黨的十八大提出“山水林田湖草是生命共同體”，要統(tǒng)籌各類(lèi)資源的綜合治理[27,33]，且自然資源綜合觀測(cè)監(jiān)測(cè)要素與生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)要素具有部分的相似性或重合度[34]。因此，結(jié)合本研究的背景及目標(biāo)，采用我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)體系和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)遙感影像進(jìn)行影像分類(lèi)和自然資源信息提取。該分類(lèi)系統(tǒng)共有三級(jí)分類(lèi)，其中一級(jí)為8 類(lèi)，二級(jí)為26 類(lèi)，三級(jí)為29 類(lèi)(表1)。需要說(shuō)明的是，城鎮(zhèn)本身并不屬于自然資源，但作為影響地表其他顯性自然資源的重要類(lèi)型，其面積消長(zhǎng)與其他自然資源面積變化具有密切關(guān)系，因此被納入本研究自然資源分類(lèi)及面積的統(tǒng)計(jì)分析范疇。

表1 蘭州盆地自然資源系統(tǒng)分類(lèi)表Table 1 Classification of natural resources in the Lanzhou Basin

由于高分二號(hào)遙感影像空間分辨率高，結(jié)合蘭州地區(qū)的實(shí)際情況，將該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)劃分到二級(jí)類(lèi)，作為自然資源類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為了保證最終的生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)精度，將處理后的高分二號(hào)影像重采樣為5 m 分辨率，在分類(lèi)過(guò)程中參照地理國(guó)情分類(lèi)結(jié)果對(duì)生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)進(jìn)行修正。對(duì)于Landsat影像，綜合考慮遙感影像的空間分辨率(30 m)及其對(duì)自然資源類(lèi)型的實(shí)際可分辨能力、研究區(qū)的自然資源特征等因素，將研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)資源分為耕地、林地、灌叢、草地、裸地、濕地、城鎮(zhèn)7 大類(lèi)。

采用人機(jī)交互的方法進(jìn)行影像分類(lèi)。根據(jù)衛(wèi)星影像的光譜特征、顏色、紋理和粗糙度，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，分別在衛(wèi)星影像上人工手動(dòng)勾繪出一定數(shù)量的各類(lèi)自然資源圖斑作為樣本圖斑，并且要求圖斑分

布較為均勻，數(shù)量滿(mǎn)足監(jiān)督分類(lèi)的樣本數(shù)要求。然后，以手工勾繪圖斑為分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)樣本圖斑，利用ENVI 軟件，采用監(jiān)督分類(lèi)方法，對(duì)影像進(jìn)行自然資源類(lèi)型自動(dòng)分類(lèi)。自動(dòng)分類(lèi)完成后，在研究區(qū)選取一定數(shù)量的檢查區(qū)域，利用衛(wèi)星影像進(jìn)行目視解譯，將解譯結(jié)果與自動(dòng)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)分類(lèi)的準(zhǔn)確性，若自動(dòng)分類(lèi)結(jié)果不滿(mǎn)足精度要求，修改分類(lèi)樣本，調(diào)整分類(lèi)參數(shù)設(shè)置，直到分類(lèi)結(jié)果符合精度要求。此外，對(duì)居住地、森林、草地、灌叢、耕地等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行目視檢查，特別是對(duì)裸巖、裸地、鹽堿地的識(shí)別。

鑒于2019、2020 年兩個(gè)相鄰年份自然資源類(lèi)型變化很小及高分影像分類(lèi)結(jié)果的精確度，本研究利用2019 年高分2 號(hào)影像的自然資源分類(lèi)結(jié)果對(duì)2020 年Landsat 影像的自然資源分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。由于兩個(gè)數(shù)據(jù)源所采用的分類(lèi)系統(tǒng)相同，在評(píng)價(jià)時(shí)，先將2019 年的分類(lèi)結(jié)果中部分二級(jí)類(lèi)轉(zhuǎn)換為一級(jí)類(lèi)，使得轉(zhuǎn)換后的自然資源類(lèi)型與2020 年Landsat 影像分類(lèi)結(jié)果中的類(lèi)型一致。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，Landsat 影像的自然資源分類(lèi)總體精度為88.25%，Kappa 系數(shù)為0.829 7。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然資源分布現(xiàn)狀

蘭州地區(qū)2019 年自然資源類(lèi)型及城鎮(zhèn)用地的空間分布表明該區(qū)域主要自然資源類(lèi)型包括耕地、園地、草地、森林、灌叢、城市綠地、河流、湖泊、裸巖、裸土、鹽堿地(圖2)。其中，草地主要分布在研究區(qū)北部黃土丘陵地區(qū)，耕地集中分布在蘭州以南郊區(qū)、榆中盆地。區(qū)域內(nèi)有石佛溝國(guó)家森林公園、官灘溝風(fēng)景區(qū)、興隆山自然保護(hù)區(qū)，森林集中分布在該區(qū)域。蘭州盆地草地面積最大，占區(qū)域面積的45.36%；耕地91 043 hm2，占區(qū)域面積的24.29%；森林、灌叢面積分別為25 617、23 660 hm2，分別占6.84%、6.31%。城鎮(zhèn)工礦用地(包括居住地、城市綠地、工礦交通)占區(qū)域面積的8.54%，湖泊面積為0.22 hm2(圖3)。

圖2 蘭州地區(qū)2019 年自然資源分布狀況Figure 2 Distribution map of natural resources in the Lanzhou Basin, 2019

圖3 蘭州地區(qū)2019 年自然資源分布現(xiàn)狀面積統(tǒng)計(jì)Figure 3 Area statistics of natural resources in the Lanzhou Basin, 2019

3.2 蘭州盆地1990-2020 年自然資源時(shí)空分布

通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理獲得蘭州地區(qū)1990、2000、2010、2020 年的自然資源空間分布(圖4)和不同類(lèi)型自然資源分布面積(圖5)。結(jié)果表明：1990 年區(qū)域總面積為373 447 hm2，該區(qū)域裸地面積占比達(dá)45.15%，草地面積占14.5%，耕地占25.99%。至2000年，區(qū)域耕地、草地面積有所增長(zhǎng)，分別占區(qū)域總面積(373 206 hm2)的27.87%和22.95%，裸地面積占比下降至32.08%。2010 年，區(qū)域耕地面積較2000年略有減少，占區(qū)域總面積(373 361 hm2)比例為21.23%，草地面積則進(jìn)一步增長(zhǎng)為35.54%，裸地面積下降至25.62%。2020 年區(qū)域面積為372 739 hm2，草地面積比例增至44.84%，耕地面積比例為25.71%，裸地面積占比僅為5.24%；總體來(lái)看，區(qū)域內(nèi)森林面積覆蓋較少，約占總面積的6%。1990-2020 年間，森林面積略有減少；城鎮(zhèn)面積呈持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，其占區(qū)域總面積的比例由1990 年的4.77%上升至2020 年的10.39%；灌叢面積也呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其面積比例由1990 年的2.08%增長(zhǎng)至2020 年的7.23%；濕地面積略有增加。

圖4 蘭州盆地1990、2000、2010 和2020 年自然資源及城鎮(zhèn)分布狀況遙感解譯圖Figure 4 Distribution map of natural resources and urban zones in the Lanzhou Basin, 1990, 2000, 2010, and 2020

圖5 蘭州地區(qū)1990-2020 年自然資源及城鎮(zhèn)分布面積統(tǒng)計(jì)Figure 5 Statistics illustrating the distribution areas of natural resources and urban zones in the Lanzhou Basin from 1990 to 2020

3.3 蘭州盆地1990-2020 年自然資源變化特征

使用ENVI 軟件的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工具對(duì)1990-2020 年蘭州盆地的自然資源變化進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)(表2，表3，表4)。結(jié)果表明，蘭州盆地每10 年自然資源類(lèi)型變化的面積轉(zhuǎn)移矩陣，其中1990-2000 年間，大量裸地被開(kāi)墾為耕地，另有草地及少量灌叢、林地區(qū)域開(kāi)墾為耕地，使耕地面積增長(zhǎng)近7%；此外，裸地成為該時(shí)段草地增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)，另有部分林地、灌叢轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍?000-2010 年，約19.31%的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀碛?.93%的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)；有11.84%、20.77%的林地分別轉(zhuǎn)變?yōu)楣鄥?、草地，亦有少量灌叢和草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，總體來(lái)看，在該時(shí)期內(nèi)，森林面積呈減少的態(tài)勢(shì)。2010-2020 年間，有25.69%的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，即便如此，耕地面積總體增長(zhǎng)16 566.5 hm2，其中大部分由草地、裸地轉(zhuǎn)變而來(lái)；該時(shí)期內(nèi)，草地面積增長(zhǎng)34 470.84 hm2，有36.9%的草地由裸地轉(zhuǎn)變而來(lái)，亦有20.38%的草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀?.97%的草地轉(zhuǎn)變?yōu)楣鄥病？傮w來(lái)看，1990-2020 年間，蘭州盆地草地、灌叢及濕地等自然資源面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，裸地面積大幅減少，而城鎮(zhèn)使生態(tài)環(huán)境脆弱性的要素面積持續(xù)增長(zhǎng)。

表2 1990-2000 年蘭州盆地土地轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Land area transfer matrix in the Lanzhou Basin from 1990 to 2000 hm2

表3 2000-2010 年蘭州盆地土地轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land area transfer matrix in the Lanzhou Basin from 2000 to 2010 hm2

表4 2010-2020 年蘭州盆地土地轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land area transfer matrix in the Lanzhou Basin from 2010 to 2020 hm2

為了更為直觀地顯示自然資源類(lèi)型的變化，分析了1990-2000、2000-2010、2010-2020 年蘭州地區(qū)面積增加及面積減少的自然資源類(lèi)型空間分布(圖6)。在1990-2000 年間，蘭州地區(qū)中部城區(qū)南、北兩山區(qū)域的大面積裸地被開(kāi)墾為耕地，體現(xiàn)出該時(shí)期蘭州城市向西擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。此外，在興隆山區(qū)域部分森林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍?000-2010 年間，研究區(qū)的自然資源變化體現(xiàn)了蘭州城區(qū)繼續(xù)向西、以及向南北擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)，主要占用了耕地和草地資源。整個(gè)區(qū)域北部的大部分裸地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?。在興隆山區(qū)域，有部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸丶肮鄥?。與1990-2000、2000-2010 年兩個(gè)時(shí)期自然資源類(lèi)型的變化相比，2010-2020 年區(qū)域內(nèi)自然資源類(lèi)型的轉(zhuǎn)變?cè)诳臻g分布上呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的形勢(shì)。在該時(shí)間段內(nèi)，蘭州市主要城區(qū)的擴(kuò)張有所減緩，而榆中盆地的城市建設(shè)強(qiáng)度加??；區(qū)域北部大片的裸地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?；灌叢的面積顯著增加，主要分布在北部部分區(qū)域及興隆山區(qū)域，且主要由林地、草地轉(zhuǎn)變而來(lái)。

圖6 蘭州地區(qū)1990-2000 年自然資源類(lèi)型變化空間分布圖Figure 6 Spatial distribution of changes in natural resource types in the Lanzhou Basin from 1990 to 2000

4 討論與結(jié)論

本研究基于高分辨率遙感影像和Landsat 遙感影像的監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)得到黃河上游蘭州盆地2019 年主要自然資源類(lèi)型包括耕地、園地、草地、森林、灌叢、城市綠地、河流、湖泊、裸巖、裸土和鹽堿地，其中草地面積最大，占區(qū)域面積的45.36%；耕地占區(qū)域面積的24.29%；森林、灌叢面積分別占6.84%、6.31%；湖泊面積為0.22 hm2。

1990-2000 年間，蘭州盆地中部城區(qū)南、北兩山區(qū)域的大面積裸地被開(kāi)墾為耕地，該時(shí)期蘭州城市呈現(xiàn)向西擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。此外，在興隆山區(qū)域部分森林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍?000-2010 年間，蘭州城區(qū)繼續(xù)向西、以及南北向擴(kuò)張，占用了耕地和草地資源。盆地北部的大部分裸地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?；興隆山一帶部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾凸鄥病?010-2020 年間，蘭州市城區(qū)的擴(kuò)張有所減緩，榆中盆地的城市建設(shè)強(qiáng)度加??；蘭州盆地北部大片的裸地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?；該時(shí)期蘭州北部山區(qū)以及南部的興隆山地區(qū)的的灌叢面積顯著增加，且表現(xiàn)為主要由林地和草地等轉(zhuǎn)變而來(lái)。

蘭州盆地近30 年自然資源分布變化情況顯示，黃河沿岸及榆中盆地是城鎮(zhèn)及耕地的主要分布區(qū)域，自然環(huán)境基礎(chǔ)較好，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平較高，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和保護(hù)力度較大，該區(qū)域應(yīng)該作為重點(diǎn)監(jiān)督監(jiān)測(cè)區(qū)域，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時(shí)，協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的人地關(guān)系，預(yù)防人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的惡化。南部山區(qū)森林覆蓋度較高，應(yīng)該將該區(qū)域作為重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)，控制土壤侵蝕，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度。