丹江口核心水源区土地利用变化研究

何 雄， 刘 海 ， 陈晓玲

(1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室， 武汉 430079； 2.湖北大学 资源环境学院， 武汉 430062)



何 雄1， 刘 海2*， 陈晓玲1

(1.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室， 武汉 430079； 2.湖北大学 资源环境学院， 武汉 430062)

南水北调工程是缓解北方缺水问题的重大战略工程与基础设施，中线工程已向北方输水，研究丹江口核心水源区土地利用变化特征，对水源区生态环境的保护有重要意义.论文确定了丹江口核心水源区的范围，基于1990年、2000年和2013年3期的Landsat遥感影像，提取了其土地利用信息；采用土地利用类型面积变化模型、土地利用动态度模型、土地利用程度变化等模型，分析了核心水源区土地利用变化特征：林地、城镇用地面积呈持续增加，耕地、草地面积呈持续减少，其它变化较小；土地利用变化速度逐渐加快，土地利用程度呈持续下降趋势.

核心水源区; 丹江口; 土地利用; 变化特征

我国水资源分布呈现的南多北少的特点，造成了北方严重缺水的形势.南水北调工程是缓解北方缺水问题的重大战略工程与基础设施[1].2014年，南水北调中线工程已经开始向北方输水，确保一库清水北调，保证水源区有良好的生态环境是关键.土地利用反映了人与自然相互影响与交叉作用，逐渐成为事关生态环境和谐的最重要因素[2-5].研究水源区土地利用变化对水源区生态环境的保护有重要意义.

有关丹江口水库的土地利用/土地覆被的研究，一些学者已经开展了研究，主要包括以下几个方面：一是土地利用信息提取与分析;二是土地利用景观分析；三是土地利用变化预测；四是土地利用对生态环境等的影响分析[6-9].当前各方面研究已较为广泛，但是各个研究大多只是从某方面展开，而将多个方面的分析结合一起综合考虑分析的研究则较少.本研究将从多个方面综合考虑分析，能挖掘出单一方面分析所不能得到的综合信息，从而更易发现土地利用存在的问题.

1 水源区确定与信息提取

1.1 水源区确定

根据南水北调中线工程水源区所涉及到搬迁的区域，即库区加高后可能被淹没的区域，本文将其定义为丹江口核心水源区，据此，确定水源区包括陕西省境内的白河县，河南省境内的淅川县和邓州市，以及湖北省境内的郧西县、郧县、十堰市区、丹江口市、竹山县、竹溪县和房县(即湖北省十堰市全域)，共10 个县(市).

图1 丹江口核心水源区行政区划图 Fig.1 The administrative zoning map of central water source area of Danjiangkou

1.2 土地利用信息提取

1.2.1 数据源介绍与数据预处理 土地利用信息提取，数据源采用美国陆地卫星(Landsat)数据，分别下载1990年、2000年和2013年3期及相近时期Landsat遥感影像，其中1990年和2000年的影像均为Landsat 5 TM遥感影像，2013年为Landsat 8遥感影像，分辨率均为30 m.

由于Landsat 8几何精度较高，以2013年丹江口遥感影像为控制影像，对1990年和2000年两期的影像进行几何校正.使用三次多项式几何纠正模型，分别与2013年的影像进行配准，并删除误差较大的点，使精度控制在1个像素以内.分别对3期影像进行拼接裁切，得到丹江口核心水源区3期的遥感影像.

1.2.2 土地利用信息提取 参照美国地质调查局(USGS)土壤覆被分类系统和研究区的实际情况，将丹江口核心水源区土地利用类型分为林地、草地、水体、湿地、城镇用地、耕地和未利用地7大类.基于最大似然的监督分类以及目视解译相结合的方法，获得丹江口1990年、2000年和2013年7期土地利用/覆盖数据(如图2).利用随机生成的300个点对分类结果进行精度评价，3时期精度分别为83.33%，84.67%和83.67%，Kappa系数分别为0.768 7，0.787 3，0.760 4，满足研究要求.

图2 丹江口核心水源区土地利用类型图Fig.2 Landuse map of central water source area of Danjiangkou

2 土地利用变化分析

2.1 土地利用变化模型

土地利用动态变化包括土地资源数量、土地利用空间格局和类型组合方式等的变化.对于土地利用动态变化过程的研究，主要是以建立模型为手段，包括土地资源数量变化模型、土地利用程度变化模型和土地利用变化驱动力模型等[10-12].建立动态变化模型是研究土地利用变化过程和变化程度以及预测未来发展趋势的主要手段，本研究对土地利用变化的分析，采用土地利用类型变化模型、程度变化模型以及动态度模型，以期既从数量变化与速率变化方面进行分析，又从变化的生态环境影响方面进行分析，使得分析更具实践指导意义.

2.1.1 土地利用类型面积变化 土地利用类型变化率指研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，用于分析每一类土地利用类型在研究时期内面积变化量，其公式如下：

式中，Ev表示研究时段内某一土地利用类型的变化率；EUa、EUb表示研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量.

根据土地利用类型面积变化率，可以对土地利用的转换趋势进行评估分级.评估分为6级，分别为：快速增加、明显增加、轻微增加、轻微减少、明显减少、快速减少，具体指标如表1所示.

表1 土地利用转换趋势评估分级

2.1.2 土地利用动态度 在自然和人为因素的影响下，区域内各种土地利用类型的数量在不同时段变化的幅度和速度是不同的，且存在空间差异.土地利用动态度模型可以用来定量分析区域土地利用变化的速率，反映不同区域土地利用变化的剧烈程度，对比不同时段土地利用变化差异和预测未来土地利用变化的趋势[13].

土地利用动态度常分为综合土地利用动态度和单一土地利用动态度，前者用来反映各土地利用类型的总体变化情况，后者用来反映某种土地利用类型的面积变化情况[8，10].综合土地利用动态度(C)和单一土地利用动态度(D)的计算公式分别为：

(1) 综合土地利用动态度

式中，C为综合土地利用动态度；Ai为研究起始时间第i类土地利用类型的面积；ΔAij为监测时段内第i类土地利用类型转为j类(非i类)土地利用类型面积的绝对值;T为监测时段长度.当T的时段设定为年时，C的值就是该研究区土地利用年变化率.土地利用动态度为研究方便，将其扩大10倍.

(2) 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度又分为反映土地利用类型变化绝对量的动态度K1和反映转入和转出变化过程的动态度K2.

式中，Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的面积；ΔU1、ΔU2分别为T年内增加、减少的某一土地利用类型面积的绝对值，T为时间间隔年；K1、K2均为研究时段内某一土地利用类型的动态度，其中K1衡量的是某一土地利用类型数量的速度变化，反映了研究时段内从研究期初到研究期末土地利用结构类型面积变化的绝对差值情况，忽略了土地利用空间区位的固定性及相关属性，掩盖了某一土地利用类型转入和转出的双向变化过程，不能很好地反映土地利用动态变化的空间转移过程[14].修正后的动态度K2为转入与转出面积变化速率的和，能更为准确地测算单一土地利用类型转移量的动态变化程度.为研究方便，将K1、K2均扩大10倍.

2.1.3 土地利用程度变化模型 土地利用程度主要反映土地利用的广度和深度，不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素与自然环境因素的综合效应[10].刘纪远等从生态学角度出发，提出了土地利用程度的综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡保持状态分为4个级别：未利用土地级、林、草、水体用地级、农业用地级和城镇聚落用地级，并对4种土地利用级赋予其本身类别的值，得到4种土地利用程度的分级指数，如表2所示，从而给定土地利用程度综合指数模型及土地利用程度变化模型的定量化表达式[15].

表2 土地利用程度分级赋值表

(1) 土地利用程度综合指数模型

式中，L为土地利用程度综合指数；Ai为第i级土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比；n是分级的数目.综合指数的大小即反映了土地利用程度的高低.

(2) 土地利用程度变化模型

ΔLb-a=Lb-La，

式中,ΔLb-a为土地利用程度的变化；Lb、La分别为b时间和a时间区域土地利用综合指数.ΔLb-a为正值表明该区域土地利用处于发展期，反之则处于调整期或衰退期.

2.2 水源区土地利用变化特征分析

2.2.1 土地利用类型结构变化 基于提取的土地利用信息，统计各时期各类型土地利用类型面积如表3.

表3 丹江库区土地利用类型统计表

从水源区3期平均土地利用类型数据来看，库区林地和耕地所占面积最大，分别占水源区总面积的44.31%和39.37%.其次是草地、建筑用地和水体，分别占水源区总面积的9.15%、3.20%和2.70%.湿地和未利用地面积最小，分别占水源区总面积的1.11%和0.15%，两类面积之和约382.50km2，仅占水源区总面积的1.26%.

表4 丹江口核心水源区土地利用类型构成表

从各时期土地利用类型数据来看，2013年水源区森林覆盖率最高，林地面积占水源区总面积的比例约为50.43%， 1990年林地覆盖率最低，约占水源区总面积的39.02%.1990年～2013年，丹江口核心水源区林地覆盖率呈持续增加的趋势.耕地分布最多的年份是1990年，约占水源区总面积的43.51%，其次是在2000年，约占水源区总面积的39.82%，2013年旱地分布最少，约占水源区总面积的34.79%，即1990年～2013年，丹江口核心水源区耕地面积呈持续减少的趋势.1990年～2013年，草地面积占丹江口核心水源区总面积的比例分别为10.76%、9.72%和6.98%，草地覆盖率逐年递减.1990年～2013年，城镇用地面积由867.61km2增加到1 089.64km2，面积持续增加.水体、湿地和未利用地面积变化相比其它用地总量变化不大，其中水体和湿地面积略微增加，未利用地面积略微减少.

分析研究区各时期土地利用类型变化情况，在1990年～2000年，各类型面积变化率相对较低.林地和城镇用地面积快速增加，变化率分别为11.45%和9.41%；水体面积变化不明显，呈轻微增加趋势；草地和耕地面积快速减少，变化率分别为9.67%和8.47%；未利用地面积明显减少，变化率约3.15%；湿地面积变化不明显，呈轻微减少趋势.

表5 丹江口核心水源区土地利用类型面积变化

2000年～2013年间，各土地利用类型面积变化率较大，均高于1990年 ～2000年间土地利用类型变化率.草地、林地、城镇用地和耕地变化率最大，变化百分比分别为28.18%、15.96%、14.79%和12.63%.林地、城镇用地、水体和湿地面积快速增加，面积净增量分别为2 101.01km2、140.42km2、87.71km2和24.31km2.草地、耕地和未利用地面积均快速减少，面积净减少量分别为828.80km2、1 521.90km2和3.82km2.

1990年 ～2013年间，林地、城镇用地、水体和湿地面积均快速增加，面积增加率分别为29.24%、25.59%、11.55%和6.78%；草地、耕地和未利用地面积均快速下降，下降率分别为35.13%、20.03%和11.19%；草地、林地、建筑用地和耕地面积变化率最大.

2.2.2 土地利用动态度 根据综合土地利用动态度和单一土地利用动态度模型，计算丹江口核心水源区各时期土地利用动态度，如表6所示.

表6 丹江口核心水源区不同时段土地利用动态度

从水源区单一土地利用动态度K1来看，1990年～2000年，林地、水体和建筑用地均以11.42%、0.37%和9.41%的年均速率增长，其它用地类型表现为减少的趋势.在面积减小的用地类型中，草地和耕地的动态度最大，分别为9.67%和8.47%；其次是未利用地，动态度为3.15%；湿地动态度最小，约0.58%.2000年～2013年，水源区各用地类型动态度均较高，草地、耕地和未利用地分别以21.68%、9.71%和6.39%的年均速率减少，其它用地类型表现为增加的趋势，其中林地和建筑用地动态度最高 ，分别为12.29%和11.38%；其次是水体和湿地，动态度分别为8.57%和5.69%.

在1990年～2000年和2000年～2013年两个时段内，修正的单一土地利用类型动态度K2明显大于传统的单一土地利用类型动态度K1，表明各用地类型均表现出明显的转入和转出双向变化过程.两个时段内，水体修正的土地利用动态度K2和传统的土地利用动态度K1均相同，主要是因为水体基本上均只有转入没有转出.1990年～2000年林地动态度K2和动态度K1无明显变化，也是因为在该时段内林地有大量转入现象和几乎无转出.而在2000年～2013年，林地动态度K2远大于动态度K1，是由于该时段有大量林地转出的现象，主要表现为林地大量转为耕地(约11.75%).

1990年～2000年，虽然林地和耕地转移变化量均远高于草地和城镇用地，但动态度K2均低于草地，主要是由于林地和耕地基数较大.未利用地和湿地虽然转移变化量很小，但是基数较小，所以动态度相对较高.2000年～2013年，耕地和林地动态度K2最高，且远高于其动态度K1，主要是由于这两大生态系统之间存在大量的转入转出现象.

比较两个不同时段内动态度，2000年～2013年各生态类型动态度K2均高于1990年～2000年各生态类型动态度K2，说明在2000年以后各生态类型变化均为明显.水源区综合土地利用动态度在1990年～2000年远低于2000年～2013年，说明在2000年～2013年，土地利用总体来讲更加活跃，土地利用变化速度逐渐加快.

2.2.3 流域土地利用程度变化 根据土地利用程度模型，计算丹江口水源区土地利用程度综合指数及其变化，如表7所示.

表7 丹江口1990年～2013年土地利用程度综合指数及其变化

1990年～2013年丹江口核心水源区土地利用程度呈持续下降的趋势，即水源区土地利用程度逐渐降低，土地利用属于衰退期，说明随着“南水北调工程”以及“退耕还林”政策的实施，丹江口重视生态的发展，减弱了土地利用的开发.而1990年～2000年水源区土地利用程度的变化低于2000年～2013年土地利用程度的变化，主要是由于部分政策是在2001年后开始落实.

3 结论

本文基于丹江口核心水源区3个时期的遥感数据，提取了20多年来的土地利用信息，并基于多种土地利用变化模型，分析了其变化特征，主要成果如下.

在3个时期中，库区所占面积最大的土地利用类型为林地和耕地，其次是草地、建筑用地和水体，湿地和未利用地面积最小.林地、城镇用地面积呈持续增加的趋势.耕地、草地面积呈持续减少的趋势.水体、湿地和未利用地面积变化相比其它用地总量变化不大，其中水体和湿地面积略微增加，未利用地面积略微减少.

在两个时段内，反映转入和转出变化过程的动态度在2000年～2013年各类型均高于1990年～2000年各类型， 2000年以后各类型变化均较明显.水源区综合土地利用动态度在1990年～2000年远低于2000年～2013年，在2000年～2013年，土地利用总体来讲更加活跃，土地利用变化速度逐渐加快.

1990年～2013年丹江口核心水源区土地利用程度呈持续下降的趋势，1990年～2000年水源区土地利用程度的变化低于2000年～2013年土地利用程度的变化，随着“南水北调工程”以及“退耕还林”政策的实施，丹江口重视生态的发展，减弱了土地利用的开发.

本文主要研究了近20年来丹江口核心水源区的土地利用变化信息，研究周期若能更长，土地利用类型若能更细，土地利用模型若能更全面，则研究将更有参考价值，这也是以后需要继续深入研究的方向.

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Land use change in central water source area of Danjiangkou

HE Xiong1， LIU Hai2， CHEN Xiaoling1

(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying， Mapping and Remote Sensing， Wuhan University， Wuhan 430079; 2.Faculty of Resources and Environmental， Hubei University， Wuhan 430062)

The south-north water diversion project is a major strategic project and infrastructure for relieve the shortage of water in the north. The middle route project has begun to diverse water to the north. Research on the land use change characteristics of Dangjiangkou central water source area is important for protecting the ecological environment of the water source area. The Paper determined the scope of danjiangkou central water source area. The land use information was extracted， based on the three period Landsat remote sensing images of the year 1990， 2000 and 2013. Through the area of land use type change model， land use dynamic degree model， the degree of land use change model， the land use change characteristics of central water source area were analyzed. Area of forest land and urban land continue to increase， while cultivated land continues to reduce and other changes were smaller. Speed of land use change gradually increases， and land use degree continues to decline．

central water source area; Dangjiangkou; land use; change

2015-01-26.

2015测绘地理信息公益性行业科研专项项目(201512026).

1000-1190(2015)03-0440-07

TV697.4+4;TU991.11

A

*通讯联系人. E-mail: liuhai11191@163.com.