不同矢量—柵格轉(zhuǎn)換尺度下黃泛平原風(fēng)沙區(qū)縣域土地利用面積損失特征

袁利 王暉 張芷溫 高睿瑜 張榮華 明成霞

［關(guān)鍵詞］ 土地利用；矢量—柵格轉(zhuǎn)換；面積損失；水土流失；動態(tài)監(jiān)測；蘭考縣黃泛平原風(fēng)沙區(qū)

［摘 要］ 土地利用是區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)計算、水土保持功能評價和深度分析的前提，以矢量格式為主。為進(jìn)一步分析土地利用空間分布特征及其與其他水土流失影響因子的關(guān)系，需將矢量格式轉(zhuǎn)換成柵格格式。以黃泛平原風(fēng)沙區(qū)河南省蘭考縣為例，基于ArcGIS 10.2平臺，分析2種轉(zhuǎn)換原則、5種柵格尺度下不同土地利用類型的轉(zhuǎn)換特征及差異，探索縣域土地利用柵格化最優(yōu)原則和尺度。結(jié)果表明：綜合考慮土地利用類型等因素，黃泛平原風(fēng)沙區(qū)縣域尺度土地利用矢量數(shù)據(jù)柵格化時，宜選擇RCC原則、10 m尺度。

［中圖分類號］ S157? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.015

隨著《全國水土流失動態(tài)監(jiān)測實施方案（2023—2027年）》的印發(fā)實施，水土流失動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容由水土流失狀況監(jiān)測擴展到水土保持功能評價和深度分析，而土地利用是水土流失動態(tài)監(jiān)測重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，迫切需要進(jìn)一步提高土地利用和水土流失空間疊加分析的效率。水土流失動態(tài)監(jiān)測中土地利用數(shù)據(jù)以矢量格式為主，為進(jìn)一步分析其空間分布特征及與其他水土流失影響因子的關(guān)系，需將矢量格式轉(zhuǎn)換成柵格格式[1]。進(jìn)行矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，需明確柵格單元的大小，確定合適的柵格化方法，從而盡量保持地表的真實性及信息容量的最大化。不同柵格化方法的原理、過程存在差異，導(dǎo)致矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果存在損失面積和精度損失差異。目前，已有的矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研究多針對山地丘陵區(qū)，尺度涵蓋各級行政區(qū)域，涉及各類型數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換方法與尺度[2-3]，但關(guān)于平原地區(qū)矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的損失面積、精度損失的相關(guān)研究較少。筆者以黃泛平原風(fēng)沙區(qū)河南省蘭考縣為研究區(qū)域，基于常用的兩種矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原則，將區(qū)域土地利用矢量數(shù)據(jù)分別按2、5、10、30、90 m 5種尺度進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換分析對比后，獲取不同矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原則下不同土地利用類型的損失特征。研究成果可確定黃泛平原風(fēng)沙區(qū)縣域土地利用數(shù)據(jù)柵格化的適宜尺度和轉(zhuǎn)換原則，為黃泛平原風(fēng)沙區(qū)水土保持功能評價和深度分析提供參考和科學(xué)依據(jù)，有效支撐水土保持高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)保護(hù)修復(fù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘭考縣位于豫東平原西北部，地理位置為114°41′～115°15′E、34°44′～35°01′N，土地總面積1 116 km2，是我國重要的糧棉油產(chǎn)區(qū)。研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，多風(fēng)季節(jié)與干旱季節(jié)基本同步，為區(qū)域風(fēng)蝕發(fā)生、發(fā)展提供了條件；年均降水量678.2 mm，主要集中在7—8月；多東北風(fēng)和西南風(fēng)，冬春季平均風(fēng)速4.0～5.0 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)28.4 m/s，起沙風(fēng)日數(shù)年平均43.9 d，主要集中在冬春季節(jié)。主要土壤類型為潮土和風(fēng)沙土，質(zhì)地多為砂壤土。植被以落葉闊葉林為主，有楊樹、泡桐等。歷史上黃河曾多次泛濫、決口和改道，區(qū)域內(nèi)河道呈S形，引黃總灌渠橫貫全縣。耕作制度為一年兩熟、一年一熟，主要農(nóng)作物為小麥、玉米等，冬春季部分耕地閑置。

1.2 研究方法

本研究采用的主要數(shù)據(jù)來源為2017年GF-1、GF-2和ZY-3衛(wèi)星遙感影像，分辨率2 m。借助ArcGIS 10.2進(jìn)行人機交互解譯，經(jīng)過建立解譯標(biāo)志、野外調(diào)查復(fù)核驗證，完成土地利用矢量數(shù)據(jù)解譯。依據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定（試行）》，蘭考縣土地利用類型共分為7個一級類和14個二級類（見表1）。由表1可以看出，蘭考縣土地利用類型豐富，以耕地為主，其次為建設(shè)用地、林地，水域及水利設(shè)施用地、交通運輸用地、園地和草地占比較小。

常用的矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原則包括中心屬性值（Rule of Cell Center，RCC，由像元中心重疊的面要素決定）和最大面積值（Rule of Maximum Area，RMA，由像元中具有最大面積的單個要素決定）兩種。本研究依據(jù)RCC、RMA原則，借助ArcGIS 10.2，結(jié)合土壤侵蝕模型計算要求的柵格尺度、各類型數(shù)據(jù)精度，將土地利用矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為尺度為2、5、10、30、90 m的柵格數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計RCC、RMA原則下5種柵格尺度的各土地利用類型面積。

以矢量數(shù)據(jù)中的面積為基準(zhǔn)，對比、分析不同矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原則和柵格尺度下各土地利用類型的損失面積及精度損失特征。

損失面積計算公式為

E=Ag－Ab（1）

式中：Ag為柵格化后的面積，單位hm2；Ab為矢量數(shù)據(jù)的面積，單位hm2；E為損失面積，單位hm2。

精度損失計算公式為

L=E/Ab×100%（2）

式中：L為精度損失，單位%，小于0表示柵格化后面積減少，大于0表示柵格化后面積增加。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用總面積損失分析

表2為蘭考縣RMA和RCC原則下不同柵格尺度的土地利用損失面積及精度損失統(tǒng)計。隨著柵格尺度的變大，蘭考縣土地利用的損失面積、精度損失同樣變大，但是RCC、RMA原則下的變化趨勢存在差異。

RMA原則下，損失面積、精度損失隨柵格尺度增大而減小，證明其表示的土地利用面積收縮且逐漸減?。欢鳵CC原則下，收縮擴張趨勢較為隨機。當(dāng)柵格尺度為2、5及10 m時，采用RMA和RCC原則進(jìn)行矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，面積均未出現(xiàn)明顯損失；但是在30 m和90 m柵格尺度下，損失面積與精度損失變化幅度明顯增大，且RMA、RCC兩種原則下的柵格化結(jié)果差異較明顯。

2.2 不同土地利用類型損失分析

2.2.1 耕地

表3為不同耕地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。隨著柵格尺度的增大，RMA原則下耕地?fù)p失面積的絕對值基本呈增加趨勢，尤以柵格尺度大于等于10 m時增加明顯。其中：水澆地面積損失明顯，柵格尺度小于10 m時損失面積為負(fù)值，柵格面積小于矢量面積，大于等于10 m時損失面積為正值，即柵格面積大于矢量面積，30 m時面積增加1 615.45 hm2，90 m時面積增加3 396.55 hm2；水田面積損失較小，柵格面積均大于矢量面積，柵格尺度小于10 m時僅損失0.02 hm2，大于等于10 m時損失面積增加明顯，30 m時面積增加9.31 hm2，90 m時面積增加量略有減少，基本與30 m柵格尺度持平，為8.59 hm2。導(dǎo)致上述變化的主要原因是蘭考縣水澆地及水田的分布均較為集中。伴隨柵格尺度增大，水澆地、水田在柵格單元內(nèi)占比增大，使面積呈明顯增大趨勢。

RCC原則下，耕地面積在實際值上下波動，其中水田在30 m柵格尺度面積增加1.48 hm2，水澆地面積稍有減少，精度損失為-0.023%。柵格尺度增大時，占據(jù)柵格單元中心的隨機性較大，導(dǎo)致耕地面積在實際值上下波動。

2.2.2 園地

表4為園地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。除2 m柵格尺度外，在其余尺度下，隨著柵格尺度的增大，RMA原則下園地柵格面積均大于矢量數(shù)據(jù)的面積。從5 m開始，園地柵格面積增大，精度損失為正值且逐漸增大；柵格尺度為30 m時，園地面積增加38.23 hm2；90 m時，面積增加95.74 hm2。蘭考縣園地分布集中，且具有一定規(guī)模，矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中占據(jù)單元內(nèi)面積比例較大，園地面積隨柵格尺度增大而增加。

RCC原則下，園地?fù)p失面積、精度損失在0 hm2附近波動。柵格尺度為30 m時，面積減少4.61 hm2；柵格尺度為90 m時，面積增加15.55 hm2。在以不同尺度進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換時，占據(jù)柵格單元中心的隨機性大，園地面積在實際值上下波動。

2.2.3 林地

表5為不同林地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。RMA原則下，有林地面積在柵格尺度為30 m時大于矢量面積，而在其余4種柵格尺度下，面積均小于矢量面積，且柵格尺度為90 m時損失面積最大，減少607.84 hm2。其他林地在柵格尺度5 m和10 m時小于矢量面積，在其余尺度下大于矢量面積，原因是其他林地分布較集中，而有林地主要在河道、道路、村莊周圍呈線狀分布。當(dāng)選擇較大尺度進(jìn)行矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，有林地周圍的地塊更易在柵格單元中占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了有林地的面積損失。

RCC原則下，林地?fù)p失面積隨柵格尺度增大在0 hm2上下浮動，當(dāng)柵格尺度為90 m時，其他林地面積增加10.52 hm2，有林地面積減少18.97 hm2，但變幅均較小，精度損失絕對值均不超過0.50%。因林地分布分散且面積較少，柵格化過程中占據(jù)單元中心的隨機性較大，故損失面積在0 hm2上下波動。

2.2.4 草地

表6為不同草地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。RMA原則下，人工牧草地面積在5 m柵格尺度較矢量面積減少，在其余尺度下隨柵格尺度變大均呈增大趨勢；當(dāng)柵格尺度為30 m時，較矢量面積增加2.28 hm2；尺度為90 m時，增幅略減小。其他草地在5 m和30 m柵格尺度較矢量面積增加，在其余尺度下較矢量面積減少，在90 m時較矢量面積減少29.35 hm2。上述變化的主要原因是人工牧草地分布集中且有一定規(guī)模，在矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，占據(jù)單元大部分面積；而其他草地分布較分散、形狀不規(guī)則，故轉(zhuǎn)為90 m柵格時面積損失明顯。

RCC原則下，損失面積在0? hm2上下波動。尺度為30 m時，其他草地柵格面積為173.52 hm2，較矢量面積減少1.63 hm2；當(dāng)尺度大于30 m時，其損失面積和精度損失變化趨于平穩(wěn)，90 m時其面積較矢量面積減少1.81 hm2。當(dāng)尺度為90 m時，人工牧草地?fù)p失面積和精度損失絕對值最大，精度損失為-3.607%，面積較矢量面積減少2.94 hm2。主要原因為蘭考縣其他草地分布較分散，當(dāng)尺度不同時，柵格單元中心的概率不確定，使損失面積在0 hm2上下波動。

2.2.5 建設(shè)用地

表7為不同建設(shè)用地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。RMA原則下，隨柵格變大，各建設(shè)用地二級類面積在柵格尺度超過10 m后呈現(xiàn)不同變化趨勢，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地面積呈增加趨勢，且前者增幅更明顯；當(dāng)尺度為90 m時，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加289.76 hm2，增幅為4.077%。采礦用地、其他建設(shè)用地面積減少，尺度為30 m時減幅逐漸明顯；90 m時面積減至最小，當(dāng)尺度為90 m時其他建設(shè)用地面積減少量最大，較矢量面積減少30.91 hm2。主要原因是：城鎮(zhèn)建設(shè)用地多聚集分布，農(nóng)村建設(shè)用地面積大、分布廣、斑塊多，矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地在單元內(nèi)占一定優(yōu)勢，面積擴張；相對而言，采礦用地、其他建設(shè)用地面積小且分布零散、斑塊小。

RCC原則下，各建設(shè)用地二級類面積隨柵格尺度增大，呈不同的變化趨勢，且建設(shè)用地面積總體趨勢為減少。城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地面積精度損失變化趨勢較為相近。柵格尺度為30 m時，采礦用地面積最小，面積減少3.36 hm2，精度損失1.351%；之后面積呈增加趨勢，尺度為90 m時，較矢量面積增加0.78 hm2。主要原因是：采礦用地分布分散且面積小，矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后占據(jù)單元中心的概率不確定，故其損失面積在0 hm2上下波動。其他建設(shè)用地在尺度大于等于5 m后面積減小，精度損失絕對值增大；尺度為30 m時，面積損失逐漸明顯；90 m時，面積減少量最大，為4.99 hm2，這主要是因為其他建設(shè)用地分布相對獨立，矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后單元中心易被周圍大面積其他土地利用類型占據(jù)，導(dǎo)致面積減少。

2.2.6 交通運輸用地

表8為不同交通運輸用地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。RMA原則下，柵格尺度超過10 m時，交通運輸用地面積隨柵格變大逐漸減小，其中農(nóng)村道路減少幅度更明顯。當(dāng)柵格尺度為30 m時，趨近于100%損失；90 m時，損失全部面積。原因是：道路多呈線性分布，且北方農(nóng)村道路路寬多為4～6 m，當(dāng)矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換選擇的尺度超過5 m時，其柵格易被水澆地或農(nóng)村建設(shè)用地柵格覆蓋，導(dǎo)致?lián)p失過多。

RCC原則下，當(dāng)柵格尺度為10 m時，農(nóng)村道路面積損失0.91 hm2；30 m時，比矢量面積減少0.02 hm2。其他交通用地變幅不大，精度損失絕對值均小于0.30%。原因是：區(qū)域交通道路交錯，矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時占據(jù)單元中心的概率不確定，精度損失在0上下波動，且幅度較小。

2.2.7 水域及水利設(shè)施用地

表9為水域及水利設(shè)施用地RMA和RCC兩種原則下?lián)p失面積及精度損失。RMA原則下，當(dāng)柵格尺度超過10 m時，水域面積逐漸減小，精度損失、損失面積絕對值持續(xù)增大；當(dāng)尺度為90 m時，精度損失30.729%，面積較矢量面積減少1 518.15 hm2。河流、水系多為條帶狀，除主要干渠、河流外，寬度均小于30 m，故以較大尺度進(jìn)行矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，河流、水系在柵格單元內(nèi)所占面積易丟失，導(dǎo)致柵格化后面積減小。

RCC原則下，柵格尺度小于30 m時， 精度損失為負(fù)值；大于等于30 m后，柵格面積增加；當(dāng)尺度為90 m時，精度損失最大（0.652%），柵格面積較矢量面積增加32.19 hm2。蘭考縣內(nèi)除黃河外，支流、干渠多為南北向均勻分布，河道彎曲，矢量—柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時占據(jù)單元中心的概率不確定，導(dǎo)致精度損失在0上下波動。

3 結(jié)論

本研究通過對RMA和RCC兩種原則下不同土地利用類型柵格化損失面積和精度損失特征分析，可以看出隨著柵格尺度的增加，大部分土地利用類型損失面積絕對值呈增加趨勢，但RCC原則下，5種柵格尺度下土地利用總面積損失均不超過4.75 hm2，精度損失均不超過4.00%，總體損失小于RMA原則；在同一柵格尺度下，RMA原則條帶狀地類柵格化面積負(fù)向損失明顯，集中分布的塊狀地類柵格化面積正向損失明顯。綜合考慮不同地類在不同矢量—柵格轉(zhuǎn)換原則、不同柵格尺度下的面積損失特征，蘭考縣土地利用柵格化宜選擇RCC原則下轉(zhuǎn)換成10 m柵格，能有效提升水土流失動態(tài)監(jiān)測深度分析的效率，為黃泛平原風(fēng)沙區(qū)水土保持功能評價和深度分析提供參考和科學(xué)依據(jù)。

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