基于Landsat8影像的依蘭縣土地利用變化分析

宋志超

(牡丹江師范學(xué)院 歷史與文化學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

土地是人類(lèi)生產(chǎn)生活的重要空間載體，是提供人類(lèi)賴(lài)以生存物質(zhì)基礎(chǔ)的重要保障.土地利用變化是全球自然環(huán)境變化的重要因素，也是區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障.[1-3]利用遙感衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)大面積的區(qū)域同步觀測(cè)，是監(jiān)測(cè)土地利用變化的重要方式和手段.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn)，采用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat8 OLI傳感器影像.本文選取2013，2016，2020年三個(gè)典型年份的遙感影像作為依蘭縣土地利用變化的研究對(duì)象.為了減少氣候、季節(jié)等方面因素的影響，成像時(shí)間的研究期定為每年的7月份，此時(shí)影像云量值低于5%，選條帶號(hào)為116，行編號(hào)為28，空間分辨率為30米.依蘭縣矢量數(shù)據(jù)集來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/).

1.2 遙感影像預(yù)處理

利用ENVI5.3的裁剪工具對(duì)多光譜數(shù)據(jù)集按矢量邊界進(jìn)行裁剪.利用ENVI5.3軟件的輻射定標(biāo)工具對(duì)三幅影像進(jìn)行處理，糾正因輻射誤差而引起的圖像畸變.利用FLAASH工具進(jìn)行大氣校正，校正時(shí)需要設(shè)置成像時(shí)間、研究區(qū)域平均海拔高度、大氣模型和氣溶膠類(lèi)型，成像時(shí)間通過(guò)影像頭文件獲取，平均海拔高度利用ENVI自帶全球高程數(shù)據(jù)計(jì)算.大氣模型設(shè)置為中緯度夏季，氣溶膠類(lèi)型選擇鄉(xiāng)村.

1.3 監(jiān)督分類(lèi)和方法選擇

根據(jù)依蘭縣土地利用現(xiàn)狀特點(diǎn)將研究區(qū)土地利用類(lèi)型分為：林地、耕地、建筑用地、水體、裸地和草地共計(jì)6類(lèi).使用ENVI5.3軟件對(duì)2013，2016，2020年三幅遙感影像進(jìn)行分類(lèi)處理，對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行可分離性檢驗(yàn)，可分離性大于0.8時(shí)執(zhí)行研究區(qū)的監(jiān)督分類(lèi)，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行Majority/Minority分析，將細(xì)小斑塊合并處理，采用混淆矩陣比較分類(lèi)結(jié)果與實(shí)測(cè)值.主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為總體分類(lèi)精度和Kappa系數(shù).[4-5]

總體分類(lèi)精度：

(1)

Kappa系數(shù)：

(2)

式(1)和式(2)中，Pc為總體分類(lèi)精度，m為圖像分類(lèi)類(lèi)別數(shù)，N為樣本總數(shù)；Pkk為第k類(lèi)樣本判別數(shù)；K為Kappa系數(shù)；Ppi為某一類(lèi)所在的列總數(shù)；Pli為某一類(lèi)所在行總數(shù).Pc和K系數(shù)越大，分類(lèi)精度越高.

同一訓(xùn)練樣本下，使用不同的監(jiān)督分類(lèi)方法得到的Pc和K系數(shù)見(jiàn)表1.表1結(jié)果顯示，最大擬然法分類(lèi)的總體精度Pc和Kappa系數(shù)在四種分類(lèi)結(jié)果中最高，表明其分類(lèi)結(jié)果在四種分類(lèi)方法中最準(zhǔn)確，故選擇此類(lèi)方法作為分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)評(píng)價(jià).

表1 分類(lèi)方法比較

2 結(jié)果與分析

2.1 依蘭縣土地利用類(lèi)型分布

從空間格局上看，2013-2020年，依蘭縣土地利用類(lèi)型主要為耕地和林地為主，其中耕地主要分布在縣域中心區(qū)域，處在松花江、牡丹江和倭肯河沖擊平原上；林地主要分布在北部小興安嶺和南部張廣才嶺的山地地帶;建筑用地主要分布在三條河流交匯處的依蘭縣城，其余散布在縣域中部平原地帶上；水體主要由河流和水庫(kù)湖泊組成，較大的河流有松花江、牡丹江和倭肯河，以依蘭縣城為中心呈十字交叉狀分布，水庫(kù)湖泊主要分布在縣域東南地區(qū)的平原上；裸地主要分布在西部的達(dá)連河礦區(qū)和倭肯河岸兩側(cè)；草地較少，分布在河流中心沙洲、林地與耕地的過(guò)度地帶.

2.2 土地利用分類(lèi)面積變化分析

對(duì)依蘭縣三期土地類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出2013，2016，2020三年變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2.

表2 依蘭縣2013-2020年土地利用面積

表3 依蘭縣2013-2020年土地利用面積變化率 %

2013-2016年依蘭縣林地面積減少了252.9 km2，減幅為18.07%；耕地面積減少了13.7 km2，減幅為0.48%；建筑面積增加了3.8 km2，增幅為2.37%；水體減少了13.2 km2，減幅為15.47%；裸地增加了142.7 km2，增幅為122.70%；草地增加了133.3 km2，增幅為680.70%.此期間土地利用面積變化的總體趨勢(shì)是林地面積減少，草地和裸地面積增加.

2016-2020年依蘭縣林地面積增加了51.6 km2，增幅為4.50%；耕地面積增加了44.8 km2，增幅為1.59%；建筑面積增加了85.9 km2，增幅為52.63%；水體增加了6.3 km2，增幅為8.67%；裸地減少了48.9 km2，減幅為18.86%；草地減少了139.4 km2，減幅為91.20%.此期間土地利用面積變化的總體趨勢(shì)是林地、耕地、建筑用地面積增加，草地和裸地面積減少.

2013-2020年依蘭縣林地面積減少了201.3 km2，減幅為14.38%；耕地面積增加了31.1 km2，增幅為1.10%；建筑面積增加了89.7 km2，增幅為56.26%；水體減少了6.9 km2，減幅為8.14%；裸地增加了93.8 km2，增幅為80.69%；草地減少了6.1 km2，減幅為31.34%.近7 年間土地利用面積變化的總體趨勢(shì)是林地和草地面積減少，建筑用地和裸地面積增加，耕地和水體面積變化不明顯.

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是ENVI5.3中自帶的工具，可以用來(lái)反映一段時(shí)間尺度內(nèi)兩種地類(lèi)之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量，通過(guò)對(duì)2013,2016,2020年三個(gè)年份柵格影像數(shù)據(jù)的處理，得到變化數(shù)據(jù)表，如表4所示.

表4 2013-2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表5 2016-2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2013-2016年，依蘭縣土地利用轉(zhuǎn)移的總體趨勢(shì)以林地-耕地、耕地-草地、耕地-裸地為主，三種方式的轉(zhuǎn)移面積均在100 km2以上.其中,林地的轉(zhuǎn)換類(lèi)型主要是耕地，為308.56 km2；耕地的轉(zhuǎn)換類(lèi)型主要是裸地和草地，分別為154.68 km2和132.66 km2；建筑用地的轉(zhuǎn)換類(lèi)型主要是裸地和耕地，分別為40.78 km2和20.01 km2；水體的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是建筑用地，為13.45 km2；裸地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是耕地，為55.98 km2；草地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是耕地，為16.45 km2.

2016-2020年，依蘭縣土地利用轉(zhuǎn)移的總體趨勢(shì)是耕地-林地、耕地-裸地、耕地-建筑用地、裸地-耕地、草地-耕地.其中林地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是耕地，為58.33 km2；耕地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是林地和裸地，分別為105.14 km2和107.32 km2；建筑用地主要轉(zhuǎn)換為耕地和裸地，分別為28.15 km2和32.19 km2；水體的轉(zhuǎn)換類(lèi)型主要是裸地，為3.48 km2；裸地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是耕地，為133.68 km2；草地的轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要是耕地，為121.98 km2.

2.4 土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)分析

2.4.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度是表示研究區(qū)某段時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化狀況，公式為：

(3)

式(3)中，L表示研究區(qū)土地利用類(lèi)型的年變化率，Ua和Ub分別表示研究期初和研究期末某種土地類(lèi)型的數(shù)量，T為研究時(shí)長(zhǎng)，一般以年為單位.依蘭縣2013-2016年、2016-2020年、2013-2020年土地利用動(dòng)態(tài)度見(jiàn)表6.

從表6可知，2013-2016年依蘭縣土地利用年變化率中草地變化率最大，裸地次之；2016-2020年草地變化率最大，建筑用地次之；2013-2020年裸地變化率最大，建筑用地次之.綜合來(lái)看，建筑用地大幅增加的年份在2016-2020年，說(shuō)明城市化進(jìn)程加快，道路等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步完善；林地從2013-2016年間的負(fù)增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)?016-2020年間的正增長(zhǎng)，說(shuō)明生態(tài)環(huán)境保護(hù)得到增強(qiáng).

表6 單一土地利用動(dòng)態(tài)度 %

2.4.2 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

研究區(qū)內(nèi)土地利用的變化速率可以用綜合土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)表達(dá)，其表達(dá)式為：

(4)

式(4)中，Ui為開(kāi)始監(jiān)測(cè)時(shí)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型的總面積，Ui-j是由開(kāi)始到結(jié)束監(jiān)測(cè)時(shí)第i類(lèi)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)為非i類(lèi)面積的絕對(duì)值，t為時(shí)間間隔，通常用年為單位，C表示在t年內(nèi)對(duì)應(yīng)研究區(qū)土地利用的變化速率.依蘭縣2013-2016年、2016-2020年、2013-2020年間綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別是3.39%，2.17%和1.31%.

3 結(jié)果與討論

(1)林地在2013-2020年面積變化最大，由2013年1 399.6 km2減少到1 198.2 km2.2013-2016年面積變化最大，共減少252.9 km2.林地在2016-2020年間略有恢復(fù)，增加到1 198.2 km2，恢復(fù)到2013年面積的85.62%.

(2)依蘭縣2013，2016，2020年耕地面積始終占比最大，分別為61.33%，61.03%，62%.2013-2020年，耕地面積始終保持在2 800 km2以上，土地利用動(dòng)態(tài)度最小僅為0.16%，有效地保障了區(qū)域內(nèi)的食品供應(yīng)和糧食安全.

(3)建筑用地由2013年的159.4 km2增加到2020年的249.1 km2，面積增幅達(dá)到56.26%，其中2016-2020年面積增加85.9 km2，此期間建筑用地大幅度提高，加快了城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為居民的生產(chǎn)生活提供了便利.

(4)依蘭縣的水體主要由松花江、牡丹江、倭肯河等河流和小水庫(kù)構(gòu)成，2013，2016，2020年面積分別為85.4，72.2，78.4 km2，2013-2020年水體的土地利用動(dòng)態(tài)度為-1.16%，幅度變化僅高于耕地，總體來(lái)說(shuō)土地利用變化相對(duì)穩(wěn)定.

(5)裸地在2013-2020年間土地利用動(dòng)態(tài)度最大，為11.53%.裸地的面積主要分布在西部的達(dá)連河礦區(qū)和倭肯河兩岸.倭肯河下游河段坡降較緩，河面寬闊，如遇突發(fā)降雨極易形成洪水，洪水褪去土地就會(huì)裸露出來(lái)，而夏季降雨較少時(shí)不會(huì)形成汛期，會(huì)轉(zhuǎn)化成耕地進(jìn)行耕種.

(6)草地的面積占比最小，2013，2016，2020年分別為0.43%，3.32%，0.29%.2013-2016年草地變化率最大，為680.70%，主要由耕地轉(zhuǎn)換而來(lái).2016-2020年草地變化率為-91.20%，草地則主要轉(zhuǎn)換成耕地.

綜合來(lái)看，依蘭縣以耕地為主要的土地利用類(lèi)型，2013-2020年耕地?cái)?shù)量相對(duì)穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)資源得到有效保護(hù)，能夠保障糧食的穩(wěn)定供給；林地資源在經(jīng)歷2013-2016年急劇衰減后在2020年取得一定的恢復(fù)；河流、水庫(kù)等水體面積保持相對(duì)穩(wěn)定，能夠有效保障居民生活用水以及農(nóng)業(yè)的灌溉；建筑用地在2016-2020年得到顯著提升，主要體現(xiàn)在公路交通等基礎(chǔ)設(shè)施方面.依蘭縣應(yīng)該確保耕地紅線不動(dòng)搖，繼續(xù)提升鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)，保護(hù)好小興安嶺和張廣才嶺林業(yè)資源，恢復(fù)倭肯河下游的濕地保護(hù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展.