近30年来渭河关中地区土地利用时空格局的遥感分析

2012-09-25宋维念占车生李景玉徐宗学王会肖

中国土地科学 2012年2期

宋维念，占车生，李景玉，徐宗学，王会肖

（1.深圳市水务规划设计院，广东深圳518036；2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101；3.中国土地勘测规划院，北京100035；4.北京师范大学水科学研究院，北京100875）

1 引言

土地利用/覆被变化对区域生态、水文过程有着极其显著的影响，可引起土壤状况、地表产水量、土壤侵蚀量及生物多样性等许多自然和生态过程的变化[1]。土地利用正在改变地球表面土地覆被格局，不仅改变了陆地生态系统的结构，而且改变其功能[2]，能直接反映当今全球环境变化的主导因子——人类活动对区域生态环境的影响。

渭河是黄河的最大支流，也是陕西省的第一大河，聚集了陕西省64%的人口、56%的耕地、72%的灌溉面积、82%的工业总产值和81%的国民生产总值，是关中地区的“母亲河”。渭河流经的关中盆地，东西长约360 km，南北宽30—80 km，总面积约2—3万km2。平原区由于悠久的农垦历史，自然植被已被人工种植代替，农业种植多以小麦、棉花、玉米等为主。南部秦岭气候温湿，地势崎岖，由于数千年的人类活动，原生的天然植被已被破坏，栽植有大面积的林果树，表现出稀疏低矮、植物种类单一、结构简单的特征。近年来，渭河流域的土地利用变化及其引起的生态环境效应受到越来越多学者的重视。张海龙等[3]基于1988年和2003年两期渭河土地利用类型图，研究了渭河盆地景观动态变化特征以及由此所引起的一系列生态环境效应。李景宜等[4]基于1989年和2000年两期渭河土地利用类型图，研究渭河下游洪泛区土地景观格局变化及其驱动力。胡宏昌等[5]基于1986年和2000年两期渭河土地利用类型图，研究了渭河流域土地利用及覆被变化对径流量变化的贡献程度。程磊等[6]基于1980年、1990年和2000年3期渭河流域土地利用类型图，研究了渭河流域1980—2000年间土地利用变化规律。

为了探讨2000年以后研究区土地利用的新变化，本文采用1980、1990、2000、2005和2007年5个时相的Landsat MSSTMETM影像数据，结合历史资料和野外定点采样验证，对渭河关中地区土地利用变化进行遥感动态监测，从土地利用/覆被变化幅度、变化速度和变化趋势等方面，分析渭河关中地区近30年来的土地利用/覆被变化格局的时空变化。

2 研究方法

2.1 数据处理

选用的遥感影像资料为美国陆地卫星数据，5期数据包括20世纪80年代初（1977年、1978年、1979年）和90年代初（1988年、1990年）、2000年、2005年、2007年5个典型时期数据，成像时间均为每年的生长季。

以2000年Landsat TM图像为控制影像，选取20—25个大地控制点，应用双线性插值法对图像进行几何纠正，重采样后，误差在半个像元内，再进行拼接裁减等数据预处理。经过辐射校正和几何校正的影像，携带有丰富的地物信息，为了能全面的利用这些信息，对影像进行波段组合、图像融合、直方图拉伸等处理。MSS选用3、2、1波段，TM选择4、3、2波段，ETM选择4、3、2波段并与PAN波段进行融合，合成假彩色影像。

2.2 图像解译

根据Landsat影像的实际可解译力，充分考虑研究区域土地利用的基本特点和历史土地调查资料情况，参考中国土地资源分类系统，把渭河关中地区的土地利用/覆被类型化分为6个一级类型：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地；各大类又进一步划分为有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆被草地、中覆被草地、低覆被草地、河渠、湖泊、水库和坑塘、滩地、城镇用地、农村居民点用地、公交建设用地、沙地、盐碱地、沼泽地、裸土、裸岩石砾地、山区水田、丘陵区水田、平原区水田、山区旱地、丘陵区旱地、平原区旱地、＞25°旱地共计26个二级类型。然后在地理信息系统平台支持下，用线性拉伸和直方图均衡化对影像进行处理，提高可识别性，建立解译标志，进行目视解译，利用专家经验和辅助资料验证，得到不同时期土地利用/覆被变化数据，并从中提取相关土地利用类型数据建立转移矩阵。

为提高解译土地覆被类型的精度，咨询了当地的居民和流域管理人员，对当地土地利用现状及历史作了比较全面的了解，并对渭河流域土地利用现状进行了现场考察和验证，修定原分类图。

2.3 数据分析

土地利用与土地覆被变化，可以通过土地覆被类型的变化幅度、土地覆被类型的动态速度和土地覆被类型的变化趋势来反映。土地覆被类型变化还包括不同类型间的相互转移过程，可用土地覆被转移矩阵描述。利用GIS软件，将不同时期的土地覆被图两两分别进行叠加，获得1980—2007年5个时段的土地覆被类型转移信息。

（1）土地利用与土地覆被变化幅度。土地利用与土地覆被变化的幅度是指土地利用与覆被类型在面积方面的变化幅度，表达区域一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况。通过分析土地利用与覆被类型的总量变化，可了解土地利用与覆被变化总的态势和土地利用结构的变化，计算公式为：

式 1 中，Ud 表示第 i类土地覆被类型在 t1—t2过程中的变化幅度，U（i，t1）、U（i，t2）表示研究初期 t1和末期 t2某一土地覆被类型i的面积。

（2）土地利用/覆被变化速度。区域一定时间内某一土地利用与覆被类型变化的速度，用单一土地利用/覆被类型动态度表达，包括转出速度和转入速度。计算公式为：

式2中，Vout、Vint分别代表第i类土地覆被类型在t1—t2过程中的转出和转入速度；△out、△int分别代表第i类土地覆被类型在t1—t2过程中的转出和转入面积。

（3）土地利用/覆被变化的趋势。土地利用/覆被变化的趋势用状态指数来表达，计算公式为：

式3中，P代表第i类土地覆被类型在t1—t2过程期间的状态指数；Vint、Vout分别代表第i类土地覆被类型在t1—t2过程中的转出和转入速度。

对于P，一般认为，当0＜P＜1时，则该土地利用与覆被类型朝着规模增大的方向发展，该类型处于“涨势”状态。P越接近0，表明该土地利用与覆被类型的规模增长缓慢，且双向转换频繁，呈现平衡势，但转换为其他类型的面积略小于其他类型转为该类型的面积；P越接近于1说明土地类型的转换方向主要为其他类型转换为该类型，呈现极端非平衡趋势，致使该类面积稳定增加。当-1＜P＜0时，则土地利用与覆被类型朝着规模减小的方向发展，该类型处于“落势”状态。越接近0表明该土地利用与覆被类型的规模处于缓慢减少的态势，呈现双向转换均衡趋势，但转换为其他类型的面积略大于其他类型转换为该类型的面积；P越接近于-1，说明土地类型的转换方向主要为该类型转换为其他类型，呈现极端非平衡趋势，致使该类型规模逐步萎缩。

（4）土地利用/覆被变化的方向。土地覆被转移矩阵可以有效地描述土地利用/覆被变化的方向及在不同方向上的分量。利用GIS软件，将不同时期的土地覆被类型图两两分别进行叠加运算，可获得1980—2007年5个时段的土地覆被类型转移信息。

3 结果分析

3.1 土地利用/覆被特征

通过遥感解译，得出不同时期渭河关中地区土地利用/土地覆被类型图（图1，封二）。渭河关中地区主要土地覆被类型是耕地，占地面积接近50%，其次是林地和草地，建设用地、水域、未利用地土地面积比重不大。不同年份不同土地覆被类型面积有一定变化。从1980—2007年间，建设用地面积持续增长，这是城市化发展的表现。1980—1990年时期，林地、草地、水域有所增加，耕地面积减小。1990—2000年时期，林地、草地、水域面积大幅度减小，耕地面积增加，土地利用程度提高。2000—2005年、2005—2007年两个时期，林地、草地面积增加，水域面积仍保持较低的状态，耕地面积减小。

图1 不同时期渭河关中地区土地利用/土地覆被类型图Fig.1 LUCC maps in different periods in Guanzhong plain of Weihe river basin

3.2 土地利用变化幅度分析

如表1所示，不同土地利用/覆被类型比较，耕地、草地、建设用地变化幅度均是在1980—1990年期间、1990—2000年期间大于2000—2005年期间、2005—2007年期间，体现了不同时期，人类活动对土地利用变化影响强度的差异。

表1 不同土地利用/覆被类型的变化幅度单位：%Tab.1 The land use/cover change amplitude from 1976 to 1990 unit:%

3.3 土地利用/覆被变化速度和趋势分析

如表2所示，1990—2000年之间水体状态指数为-0.43，水域转入速度小于转出速度，在该段时间大幅转移为其他类型。而后两个时期，水域面积基本保持不变。建设用地近30年间面积逐渐增大，并且增长的速度越来越快，处于增长趋势。耕地在1990—2000年之间规模增大，而后呈现减小的趋势。近30年间，林地、草地状态指数有正有负，在1990—2000年呈现减小的趋势，随后规模增大。

3.4 土地利用类型转移矩阵分析

如表3所示，不同时期，同一土地覆被类型变化的方向大致相同。林地主要向草地和耕地转移，草地、水域、居民地转移的主要方向都是耕地。1980—1990年间，林地、草地、水域、居民地转移的主要方向都是耕地，其中说明这段时间农业发展，砍伐森林、开垦草地，使得农田规模变大。耕地转移的主要方向是草地和居民地，其中平原区旱地向高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地分别转移了24.47 km2、79.87 km2、406.377 km2。这可能是汛期蓄洪滞洪作用以及渭河游荡型河床特征的综合作用的结果。而耕地向农村居民点、城市用地、公交建设用地分别转移了80.90 km2、344.16 km2、8.77 km2，其中城市用地占了大部分，说明该时期城市扩张迅速。1990—2000年，林地、草地、水域转移的主要方向仍然是耕地，并且转移的幅度有所增加，说明农业化程度加大。其中水域转移的主要方向是平原区旱地32.35 km2，滩地14.37 km2，表现了游荡型河流河边耕地与水域之间明显相互转化，体现了渭河水量在此期间的锐减。在此期间，建设用地持续扩大，是以耕地的减少为代价，有458.26 km2的耕地转移为居民地及建设用地。其中有344.16 km2是由旱地农田向农村居民用地转移的。说明此时期，农村发展迅速，大量开挖建设，不透水用地面积增大，不利于地表水与地下水质之间的交流。2000—2005年，林地、草地向耕地转移的程度减小很多。2005—2007年，主要是林地和草地之间的转移。耕地向林地转移309.67 km2、向草地转移223.28 km2。

4 结论和讨论

渭河关中地区主要的土地覆被类型是耕地，占地面积接近50%，耕地规模在1990—2000年之间大幅增加，而后呈现减小的趋势，并在2005—2007年之间趋于平衡。建设用地面积持续增大，并且增大得越来越快，在2005—2007年仍表现为增大的趋势。水域面积在1990—2000年出现了大幅减小，其中以河渠面积减小最为强烈。林地与草地规模处于波动中，变化趋势在不同时期表现不同，在1990—2000年呈现减小的趋势，随后规模增大。

表2 不同土地覆被类型的动态趋势和状态指数Tab.2 The change indexes of the single land-use/cover type

土地利用/覆被变化的幅度、方向表现了区域生态系统演变的强度和方向。1980—1990年，河流水量丰富，河谷、河漫滩及附近地带，由农田生态系统向草地生态系统转变。同时城市向其边缘的耕地迅速扩张，农田生态系统向城市生态系统转变，影响局地气候、水文状况、以及景观格局。1990—2000年，河流水量锐减，河流附近林地、草地被开垦，向物种单一的农田生态系统转化，物种多样性减少。在此期间，农村发展迅速，建设用地继续向耕地扩张，耕地向林地、草地扩张，林地、草地规模大量减小。2000—2005年，建设用地仍在扩张，由于良好的生态环境建设政策，林地、草地保持相对稳定状态。2005—2007年，建筑面积仍在扩张中，人为不透水面仍在出现，隔断了地上水和地下水的交流，对流域水文状况不利。河流水量减小，耕地、林地、草地三者处于互相转变中，体现了人类活动的活跃性[7]。

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［1］邓慧平.气候与土地利用变化对水文水资源的影响研究［J］.地球科学进展，2001，16（3）：436-441.

［2］史培军，江源，王静爱，等.土地利用/覆被变化与生态安全响应机制［M］.北京：科学出版社，2004.

［3］李景宜.渭河下游洪泛区土地景观格局变化及驱动力研究［J］.干旱区研究，2007，24（5）：618-623.

［4］张海龙，蒋建军，解修平，等.基于GIS与马尔可夫模型的渭河盆地景观动态变化研究［J］.干旱区资源与环境，2005，19（7）：119-125.