基于地學(xué)信息圖譜的霍城縣土地利用變化

丁吉達, 蒲 智, 魯文蕊

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

土地利用變化(land use and cover change, LUCC)在環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位[1-2]。近年來,隨著人口增長和城市化進程的不斷推進,對土地的需求不斷上升,與此同時,環(huán)境污染等問題也愈發(fā)嚴重。因此,研究區(qū)域土地利用格局已成為LUCC研究的重要組成部分。地學(xué)信息圖譜是由陳述彭院士首次提出的概念, 它將“時間”與“空間”緊密結(jié)合, 具有挖掘生態(tài)規(guī)律的優(yōu)勢[3]。于海鵬等[4]基于動態(tài)度模型和地學(xué)信息圖譜理論,探討蒙陰縣土地利用變化特征和圖譜變化原因。路昌等[5]基于多期土地利用數(shù)據(jù),運用地學(xué)信息圖譜論,分析山東省國土空間時空轉(zhuǎn)型特征,表明城鎮(zhèn)擴張高于農(nóng)村,國土空間轉(zhuǎn)型后期比前期強烈?？梢?地學(xué)信息圖譜能夠有機結(jié)合土地利用類型的分布與變化的時空屬性,在研究土地利用格局方面效果良好。

霍城縣歷史悠久,自漢代起就是中國領(lǐng)土不可分割的一部分,是出入“亞歐大陸橋”的咽喉要道,也是古絲綢之路的北道重鎮(zhèn),被譽為“中國薰衣草之鄉(xiāng)”。本文以霍城縣為研究區(qū),基于1997、2011及2021年的3期Landsat遙感影像提取土地利用情況,構(gòu)建地學(xué)信息圖譜以及計算土地利用變化程度綜合指數(shù),分析霍城縣土地利用時空演變的特征,為霍城縣資源優(yōu)化調(diào)度、生態(tài)環(huán)境治理和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

霍城縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西部,地處伊犁河谷,地勢為東北高、西南低,北部山區(qū)是天然林區(qū)、河流發(fā)源地和高山草場,中部是黃土丘陵、南部是伊犁河沖積平原、西南部為戈壁沙漠區(qū),南北長約120 km,東西寬85 km,地理坐標(biāo)東經(jīng)80°11′～81°24′,北緯43°39′～44°50′?；舫强h屬溫帶半干旱氣候,四季分明,年平均氣溫為8.2～9.4 ℃,年降水量為14～460 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)的1997、2011及2021年成像較好且無云的Landsat TM/OLI多時相影像?；贛apGIS軟件通過大氣校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理得到可使用的3幅霍城縣遙感影像,借助Google Earth進行目視解譯,選取特征較明顯的樣本進行最大似然分類以及分類后處理,將地類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地[6],并分別賦編碼1、2、3、4、5、6。經(jīng)精度驗證,3期遙感影像的解譯精度均大于0.85,可用于后續(xù)研究。

1.3 構(gòu)建地學(xué)信息圖譜

1.3.1 確定圖譜單元

地學(xué)信息圖譜是以圖譜單元進行“空間格局”和“時間過程”研究的時空復(fù)合體[7-8]。選取30 m×30 m的空間分辨率作為圖譜的空間單元;選擇1997—2011年和2011—2021年這2個時段作為圖譜的時間單元。

1.3.2 土地利用變化圖譜

利用ArcGIS 10.8軟件將相鄰兩期土地利用數(shù)據(jù)通過地圖代數(shù)運算構(gòu)建土地利用變化圖譜[9-10]。圖譜屬性為二位數(shù)的編碼,個位數(shù)為起始年份的地類編碼,十位數(shù)為結(jié)束年份的地類編碼,通過二位數(shù)編碼可查看地類的變化。

土地利用變化比率表示發(fā)生變化的地類占研究區(qū)所有發(fā)生變化的地類的百分比[11-12],其公式為

(1)

式中:P為研究時段土地利用變化比率;sij為前期第i類土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘趈類土地利用類型的圖譜單元的面積;n為土地利用類型的個數(shù)。

1.3.3 土地利用漲落勢圖譜

漲落勢意為土地類型的增長與減少,即轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出2個概念,當(dāng)其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)樵摰仡惙Q為轉(zhuǎn)入,即漲勢;當(dāng)該地類轉(zhuǎn)化為其他地類稱為轉(zhuǎn)出,即落勢[13-15]。統(tǒng)計轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況構(gòu)建土地利用漲落勢圖譜,分析霍城縣1997—2011年、2011—2021年2個時段的漲落勢情況。

1.3.4 土地利用變化模式圖譜

將1997、2011及2021年的3期土地利用數(shù)據(jù)通過疊加計算得到土地利用變化模式圖譜,圖譜變化模式分為5種類型:全期穩(wěn)定型,1997—2021年期間土地利用類型一直保持不變;反復(fù)變化型,1997年與2021年的地類相同,中間發(fā)生土地利用類型變化;全期變化型,土地利用類型一直發(fā)生變化,未出現(xiàn)連續(xù)相同的土地利用類型轉(zhuǎn)移;僅在第1個時段發(fā)生土地利用變化的為前期變化型;僅在后1個時段年發(fā)生土地利用變化的為后期變化型[16]。

1.4 土地利用程度綜合指數(shù)

通過計算得到土地利用程度綜合指數(shù)[17]及土地利用程度變化指數(shù)。土地利用程度綜合指數(shù)用來反映人類對區(qū)域內(nèi)土地利用開發(fā)的程度,數(shù)值越大,土地利用程度越大。土地利用程度變化指數(shù)表示土地利用變化情況,正數(shù)表示發(fā)展,負數(shù)表示衰退。

土地利用程度綜合指數(shù)為

(2)

土地利用程度變化指數(shù)為

ΔL=Lb-La。

(3)

式中:Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù);Ci為第i級土地利用程度分級面積所占的比例;n為分級數(shù);Lb為末期土地利用程度綜合指數(shù);La為初期土地利用程度綜合指數(shù)。

2 土地利用時空變化特征分析

2.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)變化

1997、2011及2021年霍城縣土地利用類型結(jié)構(gòu)占比如表1所示。由表1可知:研究區(qū)的主要用地類型為草地,占比均在50%以上,草地占地面積在減少;其次是耕地,耕地面積在增加;林地占比排第3,在1997—2011年林地減少,在2011—2021年時段林地增加;未利用地一直在減少;建設(shè)用地持續(xù)增加;水域占比最小。

表1 1997、2011及2021年霍城縣土地利用類型占比統(tǒng)計Table 1 Land use type percentage statistics of Houcheng County in 1997, 2011, and 2021

2.2 土地利用變化圖譜分析

由1997、2011及2021年土地利用數(shù)據(jù)相交得到2個時段土地利用變化圖譜如圖1所示,發(fā)生改變的類型有29類,其中改變較明顯的有14類(表2)。

圖1 1997—2021年霍城縣土地利用變化圖譜Fig.1 Mapping land use changes in Huocheng County, 1997—2021

表2 1997—2021年霍城縣主要土地利用變化情況Table 2 Major land use changes in Huocheng County, 1997—2021

由表2可知,1997—2011年土地利用發(fā)生變化最為明顯的是草地向耕地的變化,占總體變化面積的40.44%,變化面積為220.50 km2。該變化主要集中在霍城縣中部和南部的平原地區(qū),其原因是居民的耕地開墾行為;其次是耕地向草地的變化,占比21.24%,面積為115.82 km2,主要分布在緩坡和山腳下,這主要是因為進行了退耕還林和退耕還草措施,以保護山林資源。第3大變化是林地向草地的變化,占比5.52%,面積為30.08 km2,主要分布在海拔較高的山區(qū)。在此時段內(nèi),草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)換最為明顯,相對于耕地向草地的轉(zhuǎn)換,草地向耕地的變化更為顯著。居民在平原地區(qū)開墾耕地,同時在緩坡和山腳下進行退耕還林還草。耕地和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)換同樣也較為明顯,耕地改變?yōu)榻ㄔO(shè)用地占比4.27%,面積為23.27 km2;建設(shè)用地改變?yōu)楦卣急?.99%,面積為27.22 km2。

2011—2021年相較于1997—2011年,土地利用的變化更加明顯。其中,最為明顯的是草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)換,草地向耕地的變化占據(jù)了總體變化的38.40%,變化面積為241.41 km2。這種變化主要分布在低矮山丘上。其次,耕地向草地的變化占比18.17%,面積為114.26 km2,主要分布在緩坡地帶。第3是草地向林地的轉(zhuǎn)變,占比6.85%,面積達到43.05 km2,主要分布在海拔較高的山區(qū)。第4是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,變化面積占比5.74%,為36.10 km2,主要分布在人口較為集中的平原地區(qū)。在這個時段內(nèi),林地的增加也非常明顯,未利用地主要轉(zhuǎn)化為草地,這說明生態(tài)環(huán)境正在逐步改善。

2.3 1997—2021年土地利用漲落勢圖譜分析

2.3.1 土地利用漲勢圖譜

1997—2021年霍城縣土地利用漲勢情況如圖2和表3所示。由圖2和表3可知:1997—2011年耕地呈現(xiàn)最大漲勢,轉(zhuǎn)入面積為262.86 km2,主要分布在海拔較低的平原,其面積增長主要來源是草地;第2大漲勢是草地,轉(zhuǎn)入面積為193.00 km2,主要分布在山區(qū)以及沙漠等地;建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積為51.26 km2,主要分布在居民集中的平原地區(qū);未利用地從1997—2011年轉(zhuǎn)入了27.00 km2,主要分布在霍城縣南部的沙漠地區(qū),說明沙漠治理情況有所改善。2011—2021年,耕地仍然呈現(xiàn)最大漲勢,轉(zhuǎn)入面積為279.39 km2,主要分布在居民集中區(qū);第2大漲勢依舊是草地,轉(zhuǎn)入面積為165.91 km2。此外,水域的轉(zhuǎn)入面積為22.95 km2,主要分布在伊犁河流域。

圖2 1997—2021年霍城縣土地利用漲勢圖譜Fig.2 Land use rise mapping for Huocheng County, 1997—2021

表3 1997—2021年霍城縣土地利用漲勢情況Table 3 Land use rise in Huocheng County, 1997—2021

2.3.2 土地利用落勢圖譜

1997—2021年霍城縣土地利用落勢情況如圖3和表4所示。由圖3和表4可知:1997—2011年期間霍城縣的土地利用類型按轉(zhuǎn)出面積由大到小的排序為草地、耕地、建設(shè)用地、林地、未利用地和水域。在該時段內(nèi),草地的轉(zhuǎn)出面積最大,為276.64 km2,主要分布在海拔較低的平原地區(qū);其次是耕地,轉(zhuǎn)出面積為141.71 km2,主要分布在平原、緩坡處、山腳;建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出面積為45.74 km2,主要分布在居民集中的平原地區(qū);林地的轉(zhuǎn)出面積為40.50 km2,主要分布在霍城縣北部海拔較高的山區(qū)。2011—2021年這一時段內(nèi),草地仍然為最大的轉(zhuǎn)出類型,轉(zhuǎn)出面積為356.45 km2,主要分布在霍城縣北部的低矮山區(qū)、丘陵等;其次是耕地,轉(zhuǎn)出面積為167.89 km2;未利用地的轉(zhuǎn)出面積為40.44 km2,主要分布在霍城縣南部的沙漠地區(qū),沙漠治理持續(xù)改善;建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出面積為39.42 km2,主要分布在居民較為集中的平原地區(qū)。

圖3 1997—2021年霍城縣土地利用落勢圖譜Fig.3 Land use fall mapping for Huocheng County, 1997—2021

表4 1997—2021年霍城縣土地利用落勢情況Table 4 Land use fall in Huocheng County, 1997—2021

2.4 土地利用變化模式圖譜分析

1997—2021年霍城縣土地利用變化模式圖譜及情況見圖4和表5,由于反復(fù)變化型與全期變化型存在重疊,故圖4(a)反復(fù)變化型優(yōu)先級高于全期變化型,圖4(b)全期變化型優(yōu)先級高于反復(fù)變化型,表5 采用了圖4(a)的數(shù)據(jù)。由圖4和表5可知,1997—2021年土地利用變化模式圖譜以全期穩(wěn)定型為主,變化面積1 924.40 km2,最大圖譜單元類型為 “草地→草地→草地”,占全期穩(wěn)定型面積的72.88%,空間分布較為集中;第2是前期變化型,變化面積338.64 km2,最大圖譜單元類型為“草地→耕地→耕地”,占前期變化型面積的37.17%;第3為反復(fù)變化型,變化面積198.77 km2,最大圖譜單元變化類型為“草地→耕地→草地”,占反復(fù)變化型面積的37.25%;后期變化型位居第4,變化面積為167.05 km2,主要圖譜單元變化類型為“耕地→耕地→草地”,占后期變化型面積的20.15%;全期變化型所占比例最小,面積僅有81.72 km2,在霍城縣南部平原呈現(xiàn)空間聚集特征,最大圖譜單元類型為“草地→耕地→建設(shè)用地”,占全期變化型面積的14.23%。

圖4 1997—2021年霍城縣土地利用變化模式圖譜Fig.4 Mapping land use change patterns in Huocheng County, 1997—2021

表5 1997—2021年霍城縣土地利用變化模式情況Table 5 Patterns of land use change in Huocheng County, 1997—2021

綜上所述,1997—2021年霍城縣土地利用變化模式以全期穩(wěn)定型為主,前期變化型占比大于后期變化型,即2011—2021年時段土地利用結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

2.5 土地利用程度變化情況分析

結(jié)合土地利用類型分級指數(shù)計算土地利用程度綜合指數(shù)ΔL,見表6。由表6可知,1997、2011及2021年土地利用程度綜合指數(shù)分別為2.166 2、2.134 2、2.478 8,呈先降后升趨勢,研究區(qū)土地利用具有充足的上升空間。1997—2011年期間ΔL<0,表明該階段霍城縣土地利用程度降低,處于衰退期;2011—2021年ΔL>0,說明這一時段霍城縣土地利用程度提高。整體來看,1997—2021年ΔL>0,說明近25年來,霍城縣土地利用處于發(fā)展期。土地利用程度提升使現(xiàn)代化步伐加速,林地、草地開墾為耕地,而土地利用程度減少主要是因為國家更加注重對環(huán)境的保護,退耕還林等措施使得林草地面積增加。

表6 1997、2011及2021年霍城縣土地利用程度綜合指數(shù)Table 6 Composite index of the extent of integrated land use in Huocheng County, 1997, 2011 and 2021

3 結(jié)論與建議

本研究基于1997、2011及2021年的3期土地利用數(shù)據(jù),對霍城縣土地利用進行時空變化特征分析,得出以下結(jié)論。

霍城縣土地利用結(jié)構(gòu)以草地、耕地和林地為主,三者占研究區(qū)總面積的80%以上。1997—2021年,霍城縣土地利用變化以耕地的總體擴張和草地的總體減少為主,建設(shè)用地穩(wěn)定增長,未利用地持續(xù)減少,林地后期增長,水域變化不穩(wěn)定。

土地利用變化圖譜以草地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)變?yōu)橹?。林地面積穩(wěn)步增長,主要分布在海拔較高的山區(qū);耕地面積增長較大,主要分布于海拔較低的平原以及緩坡;未利用地后期持續(xù)減少,主要減少在海拔較高的裸巖以及海拔較低的沙地處;水域的變化多分布在河流區(qū)域;建設(shè)用地面積總體增長,增長多為居民集中的平原地區(qū);草地面積總體減少。

土地利用漲勢圖譜中漲勢最大為耕地,主要集中于平原的居民集中區(qū)域,大多由草地轉(zhuǎn)變;落勢最大為草地,減少集中于平原,大多向耕地轉(zhuǎn)變。

土地利用變化模式圖譜以全期穩(wěn)定型為主,其次為前期變化型,顯示1997—2011年時段研究區(qū)土地利用變化更為頻繁,2011—2021年土地利用結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

1997—2011年霍城縣土地利用程度降低;2011—2021年霍城縣土地利用程度提高。整體來看,1997—2021年霍城縣土地利用處于發(fā)展期。

霍城縣是“綠水青山就是金山銀山”的實踐創(chuàng)新基地,對于霍城縣未來的土地利用應(yīng)該進行合理規(guī)劃:平原地區(qū)用地類型以耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地為主,是社會經(jīng)濟發(fā)展重點區(qū)域,應(yīng)該高質(zhì)量利用耕地,合理規(guī)劃居民建設(shè)用地,保護河流生態(tài),加快沙漠治理;緩坡、山區(qū)以林地、耕地和草地為主,應(yīng)該重視亂砍亂伐、病蟲害及緩坡耕種等現(xiàn)象,加強對林地、草地的保護與恢復(fù),根據(jù)實際情況有選擇地推行退耕還林還草工程,促進生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。