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)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 甘肅 蘭州 730000;4.中國地質(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,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度開發(fā)自然資源的問題,不同景區(qū)自然資源稟賦與生態(tài)環(huán)境問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程可以通過不同時(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 黃 河上游干旱盆地自然資源的發(fā)展變化過程,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、理論研究和國土空間生態(tài)監(jiān)測(cè)及規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。
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
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,本研究采用已購買的、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)過以上數(shù)據(jù)處理后,獲得研究區(qū)的正射影像。
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、種類繁多,且不同類型資源相互交錯(cuò),這為自然資源類別的劃分及統(tǒng)一管理帶來極大的難度[27]。當(dāng)前,關(guān)于自然資源的定義、分類及觀測(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題[28-32]。因此,尚未有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)用于自然資源分類。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),采用我國生態(tài)系統(tǒng)分類體系和分類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)遙感影像進(jìn)行影像分類和自然資源信息提取。該分類系統(tǒng)共有三級(jí)分類,其中一級(jí)為8 類,二級(jí)為26 類,三級(jí)為29 類(表1)。需要說明的是,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,作為自然資源類型進(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,在分類過程中參照地理國情分類結(jié)果對(duì)生態(tài)系統(tǒng)分類進(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。
采用人機(jī)交互的方法進(jìn)行影像分類。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)量滿足監(jiān)督分類的樣本數(shù)要求。然后,以手工勾繪圖斑為分類的標(biāo)準(zhǔn)樣本圖斑,利用ENVI 軟件,采用監(jiān)督分類方法,對(duì)影像進(jìn)行自然資源類型自動(dòng)分類。自動(dòng)分類完成后,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)分類結(jié)果進(jìn)行比對(duì),統(tǒng)計(jì)分類的準(zhǔn)確性,若自動(dòng)分類結(jié)果不滿足精度要求,修改分類樣本,調(diào)整分類參數(shù)設(shè)置,直到分類結(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型變化很小及高分影像分類結(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結(jié)果對(duì)2020 年Landsat 影像的自然資源分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。由于兩個(gè)數(shù)據(jù)源所采用的分類系統(tǒng)相同,在評(píng)價(jià)時(shí),先將2019 年的分類結(jié)果中部分二級(jí)類轉(zhuǎn)換為一級(jí)類,使得轉(zhuǎn)換后的自然資源類型與2020 年Landsat 影像分類結(jié)果中的類型一致。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,Landsat 影像的自然資源分類總體精度為88.25%,Kappa 系數(shù)為0.829 7。
蘭州地區(qū)2019 年自然資源類型及城鎮(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
通過數(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
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 年自然資源類型變化的面積轉(zhuǎn)移矩陣,其中1990-2000 年間,大量裸地被開墾為耕地,另有草地及少量灌叢、林地區(qū)域開墾為耕地,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?,另?.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)楣鄥病⒉莸?,亦有少量灌叢和草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀傮w來看,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)椴莸兀幢闳绱?,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;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,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)期自然資源類型的變化相比,2010-2020 年區(qū)域內(nèi)自然資源類型的轉(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。
圖6 蘭州地區(qū)1990-2000 年自然資源類型變化空間分布圖Figure 6 Spatial distribution of changes in natural resource types in the Lanzhou Basin from 1990 to 2000
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)椴莸兀慌d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)度加劇;蘭州盆地北部大片的裸地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀辉摃r(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。
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。