基于LandsatTM/OLI数据的吐鲁番绿洲土地利用/覆被变化研究

宁岸新

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830046)



基于LandsatTM/OLI数据的吐鲁番绿洲土地利用/覆被变化研究

宁岸新

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830046)

摘要[目的]运用3S技术研究1990～2015年吐鲁番地区土地利用/覆被变化情况。[方法]以吐鲁番地区1990年landsat5 TM影像及2015年landsat8 OLI影像数据为基础，运用3S技术，基于光谱特征的最大似然监督分类法和人机交互式目视解译方法，获取 1990、2015 年吐鲁番绿洲土地利用类型数据。最后运用土地利用格局变化指标分析方法及空间转移矩阵方法，探讨了1990～2015年吐鲁番绿洲土地资源的结构特点和变化规律。[结果]吐鲁番绿洲呈扩大趋势，绿洲面积增加，未利用地减少。其中，耕地、草地、园林地面积增加显著，裸地和盐碱地面积减少，沙地面积小幅增加。绿洲区域内建设用地和水域面积增加，但绿洲外围的尾闾湖—艾丁湖却呈萎缩趋势。[结论]该研究为吐鲁番地区生态环境保护提供了基础数据与科学依据。

关键词吐鲁番绿洲；土地利用/覆被变化；Landsat TM/OLI数据

人地关系一直是地理学研究的核心问题之一，而最直接的表现形式是土地利用/覆盖类型的变化。土地利用动态变化反映了土地利用的发展变化趋势。目前，我国正处于工业化和城镇化的加速发展阶段，城镇化的过程促使大规模的土地利用/覆盖变化发生，城镇与乡村的经济和人口等要素相互渗透与扩散，区域土地利用/土地覆盖变化较快，其带来了产业转型、人口迁移等各种复杂的社会和经济问题，并产生了局部气候变化、生物多样性改变、环境污染等一系列生态环境问题。城市化大背景下的土地利用/覆盖变化研究已成为学者关注的重点问题[1-4]。

干旱区绿洲是干旱区重要的生态系统，人类活动也集中于此。但由于干旱区绿洲受气象、地理环境及水资源的影响，生态系统稳定性差，生态环境较湿润区域脆弱。与此同时,由于土地资源的不合理利用，引发的土地退化问题显著，从而加剧了绿洲生态环境的次生脆弱化[5]。因此，笔者选取新疆东部生态环境极其脆弱的吐鲁番绿洲为研究区，基于3S技术开展了1990～2015年吐鲁番地区土地利用/覆被变化研究，以期为当地土地资源可持续利用及生态环境保护提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况吐鲁番地区位于新疆维吾尔自治区中东部，地理坐标为87°16′～91°55′E、41°12′～43°40′N。行政区划上分为吐鲁番市、托克逊县、鄯善县。四周高山环抱，形成一个封闭性盆地。盆地中有东西走向的火焰山，将盆地绿洲分成南北两部分。吐鲁番盆地属大陆荒漠性气候，干旱炎热，年降水量约16mm，蒸发量高达3 000mm，夏季最高气温曾高达49.6 ℃，6～8月平均最高气温在38.0 ℃以上。因此自古有“火洲”之称。日照时间长，全年约3 200h，无霜期210d左右。由于盆地气压低，吸引气流流入，该地也是我国有名的“风库”[6]。

1.2数据来源数据源主要采用覆盖研究区的1990年2景landsat5-TM影像(成像时间9月16日，10月9日)和2015年2景Landsat8-OLI影像(成像时间9月12日，9月21日)。影像数据资料季相较为一致，无云覆盖，质量较好。考虑到吐鲁番绿洲整体沿东西向分布于盆地中心，出于实际研究需要，并未按照行政界限划定研究区，而是截取涵盖整个绿洲区域及鄯善库姆塔格沙漠的矩形区域(6 170行×2 109列)为研究区。边界范围：左上角为88°21′10.33″E，43°9′3.10″N,右下角为90°38′59.22″E,42°30′25.00″N。此外，还有吐鲁番市1∶10万地形图，1990年吐鲁番市土地利用图件及2015年野外考察GPS采样点及实地景观照片库，选出有效样点220个。

利用Landsat系列卫星影像资料，在ENVI遥感处理软件中，提取2个时期的吐鲁番绿洲土地利用覆被信息。采用转移矩阵分析方法和土地利用动态变化的综合分析指标体系， 揭示1990～2015年研究区土地利用类型变化的幅度、速度和转移方向。考虑到干旱区绿洲环境特征，以及吐鲁番地区自然、社会、经济等实际特点，将土地利用的景观类型划分为建设用地、耕地、园林地、草地、水域、裸露湖床、裸地、沙地、盐碱地9类。

1.3图像预处理在遥感数字影像处理中，为了取得良好的处理效果，首先，须对影像进行几何校正(几何粗校正和几何精校正)、辐射校正等处理后才能提取信息[7]。因此，笔者以2期吐鲁番绿洲Landsat系列卫星影像为基础，借助1∶10万地形图对4景影像进行几何精校正，使得不同时相的影像具有相同的投影方式和空间范围，校正误差控制在0.5个像元内。其次，为消除大气的影响，使得影像数据更接近实际，采用FLAASH方法对影像进行大气校正。最后，对不同景的影像进行镶嵌处理，并根据研究区范围完成图像的裁剪、图像增强等预处理。

1.4土地利用/覆被类型提取选取吐鲁番地区1990年Landsat5TM影像及2015年Landsat8OLI影像，通过基于光谱特征的最大似然监督分类法和人机交互式目视解译方法，结合野外调查与室内解译方法，获取1990、2015 年吐鲁番绿洲土地利用类型数据。参考同期地面资料, 通过随机选取若干样本区, 计算分类混淆矩阵和kappa系数的方法, 对最后得到的土地利用结果图进行精度检验。得到分类后的 1990年(kappa系数为0.846)和2015年(kappa系数为0.897)均在0.800以上，分类结果精度较高，可用于进一步分析土地利用/覆被动态变化。分类结果见图1、2。

图1　1990年土地利用分类Fig.1　Land use classification in 1990

图2　2015年土地利用分类Fig.2　Land use classification in 2015

从图1、2可直观地看出，吐鲁番绿洲在盆地中央呈东西走向，由中心向外分别为绿洲—绿洲与荒漠交错带—荒漠分布，荒漠面积分布较广，主要以裸地、沙地、盐碱地为主；水域和建设用地相对较少。绿洲东南部为库木塔格沙漠，盐碱地主要分布在托克逊以东艾丁湖以北；2015年绿洲植被覆盖区域较1990年明显扩大，城镇居民点用地增加，尤其以吐鲁番市周边建设用地增加较为明显；艾丁湖湖区面积呈减少趋势。

2结果与分析

2.1土地利用/覆盖变化结构通过分析各用地类型面积的变化，可以了解研究区土地利用变化总体态势和区域土地利用结构的变化特征。土地资源数量变化可用土地利用动态度模型来反映。单一土地利用动态度是指在某一时段内某种土地利用变化类型的数量变化情况[8-12]，其表达式为：

(1)

式中，K为T时段内某种土地利用类型动态度；Ua和Ub分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型的数量；T为研究时段长度(以年为单位)，K为某种土地利用类型的年变化率。

根据吐鲁番绿洲1990和2015年影像提取的土地利用类型数据和土地利用变更数据，可得到土地利用面积、构成、变化幅度(表1)。

由表1可知，1990～2015年吐鲁番绿洲土地利用/覆被类型面积发生了变化。主要特点体现在以下几方面：①吐鲁番绿洲呈扩大趋势，植被覆盖区面积增大，未利用地面积减少。其中，耕地、草地、园林地面积均呈增加趋势，分别增加了145.36、266.03、64.72km2，动态度分别为1.58%、2.44%、2.34%。植被覆盖区面积合计增加476.11km2，绿地面积增加的主要原因是随着人口的增长及农业发展的需要，吐鲁番地区25年来开展新开垦耕地，发展林果业，积极推进生态文明，加强防护林建设， 与中韩合作固沙造林等政策及项目。②建设用地大幅增加，城镇化进程显著。由1990年的17.28km2增加到2015年的42.29km2，增幅144.73%，动态度9.65%。这与吐鲁番地区人口增加及城镇用地扩张有直接关系。③未利用土地面积明显减少，其中,裸地、盐碱地面积分别减少了265.98和253.56km2，动变度为0.24%、2.60%；而沙地面积小幅增加，增加了50.20km2，动态度为0.15%。这表明绿洲土地利用程度提高，沙漠化进程有所减缓。④水域面积有所增加，由1990年的3.36km2增加到2015年的8.30km2，增加了4.94km2，动态度为9.80%。但水域面积占总研究区面积比重仍较低，仅为0.07%，可见吐鲁番绿洲水资源量仍较缺乏。尽管如此，水域面积的增加并不能代表该区域25年来水资源总量的变化趋势。水体不同于其他地类，年内及年际差异较大，且多光谱影像提取水域信息仅反映水体的瞬时分布面积，却不能反映水资源总量的变化。位于吐鲁番盆地中心最低处的艾丁湖作为绿洲区域环境特征的“指示器”，已经从常年性湖泊演变成季节性湖泊[13]。对季节性湖泊而言，湖床面积可以反映前期湖泊最大水域面积，比瞬时湖泊水域面积更具有代表性。为此，笔者将艾丁湖裸露湖床单独分析。裸露湖床从1990年的75.86km2减少到2015年的38.77km2，减少了48.89%。相关资料显示[14]，20世纪70年代以来，进入艾丁湖的水量大量减少。由此可见，虽然吐鲁番绿洲区域内水域面积增加，但是艾丁湖湖泊明显萎缩，两者具有一定相关性。

表1　1990～2015年吐鲁番绿洲土地利用类型面积变化情况

2.2土地利用/覆被变化转移矩阵研究土地利用变化除了数量、程度变化外，还要研究各种类型之间的相互转化面积、方向[15]。得到土地利用分类图后，在envi遥感软件中用变化检测工具叠加2个时期的分类结果图，统计所有地类之间相互转化的面积和方向。

由表2可知，1990～2015年吐鲁番绿洲区域各地类转移的特征表现在以下几方面：①耕地面积有所增加，主要源于裸地及草地的转入，转入面积分别为115.43、147.81km2，扣除耕地转出面积，耕地净增145.36km2。②草地面积大幅增加，新增面积266.03km2，主要由裸地及盐碱地转入，其转入面积分别占草地总转入面积的53.01%和20.41%。③园林地面积增加明显，主要源于耕地、裸地和草地转化，转入面积分别为93.31、59.38、42.44km2，园林地净增64.72km2。④水域面积变化较大，主要源于裸地转化，转入面积达到7.46km2。⑤裸露湖床面积明显减少，主要转出为盐碱地和裸地，转出面积分别为1.16和7.94km2。⑥裸地和盐碱地面积大幅减少，均以向草地和耕地转出为主。⑦沙地面积小幅增加，48.56km2裸地转化为沙地。⑧建设用地的面积增加明显，主要转入类型为裸地和草地，转入面积分别为19.63和10.17km2。

表2　1990～2015年吐鲁番绿洲土地利用类型转移矩阵

3结论与讨论

(1)1990～2015年，随着吐鲁番地区经济发展和人口增加，吐鲁番绿洲呈扩大趋势，绿洲植被覆盖面积增加，未利用地减少。主要以裸地和盐碱地向耕地、草地、园林地类型转移为主，耕地、草地、园林地面积增加显著，植被覆盖区面积合计增加476.11km2。裸地、盐碱地面积大幅减少，沙地面积小幅增加。耕地面积的持续增加反映出农业生产仍是吐鲁番绿洲重要的经济活动。

(2)吐鲁番地区建设用地大幅增加，城镇化进程显著。由1990年的17.28km2增加到2015年的42.29km2，增幅为144.73%，年变化率为9.65%。

(3)绿洲内部水域面积增加，由1990年的3.36km2增加到2015年的8.30km2，年变化率为9.80%。而在绿洲外围吐鲁番盆地周边各河流的尾闾湖—艾丁湖区裸露湖床面积大幅减少，从1990年的75.86km2减少至2015年的38.77km2，减少了48.89%。这说明绿洲用水量大幅增加，下游艾丁湖入湖水量严重减少，艾丁湖湖区面积萎缩，建议采取相关措施加强湖区环境保护。

参考文献

[1] 周锡饮,师华定,王秀茹,等． 蒙古高原近 30 年来土地利用变化时空特征与动因分析[J].浙江农业学报，2012(6):56-61．

[2] 肖瑶,王艳慧,尹川. 北京城区近 20 年土地利用变化及其驱动力分析[J].测绘与空间地理信息，2013，36(7):29-32

[3] 顾朝林．北京土地利用/覆盖变化机制研究[J].自然资源学报,1994,14(4):307-312．

[4] 宁岸新.阿克苏市土地利用动态变化分析及驱动力研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2007.

[5] 冉小伟，邓良基，潘根兴.华东地区典型县域近20年土地利用动态变化分析[J].中国农学通报，2009,25(12):246-251

[6] 吐鲁番地区地方志编纂委员会.吐鲁番地区志[M].乌鲁木齐:新疆人民出版社,2004:20-22．

[7] 钱乐祥．遥感数字影像处理与地理特征提取[M]．北京：科学出版社，2004：96-201.

[8] 朱会义,李秀彬.关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J].地理学报,2003(5):643-650.

[9] 史培军,陈晋,潘耀忠.深圳市土地利用变化机制分析[J].地理学报,2000(2):151-160.

[10] 罗湘华,倪晋仁.土地利用/土地覆盖变化研究进展[J].应用基础与工程科学学报,2000(3):262-272.

[11] 陈百明.试论中国土地利用和土地覆被变化及其人类驱动力研究[J].自然资源,1997(2):31-36.

[12] 王秀兰.土地利用/土地覆盖变化中的人口因素分析[J].资源科学,2000(3):39-42.

[13] 王冰.艾丁湖生态需水研究[D].北京：中国水利水电科学研究,2015.

[14] 杨发相,穆桂金，赵兴有.艾丁湖萎缩与湖区环境变化分析[J].干旱区地理，1996(3)：73-76.

[15] 阿迪力·吐尔干.基于3S技术的土地利用时空变化分析：以迪那河绿洲为例[J].水土保持研究，2015，22(1)：305-309.

作者简介宁岸新(1984- )，男，新疆吐鲁番人，工程师，硕士，从事土地利用与农田水利规划研究。

收稿日期2016-04-15

中图分类号P 208

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)16-064-04

StudyonLandUse/CoverChangeinTurpanOasisBasedonLandsatTM/OLIData

NINGAn-xin

(XinjiangCorpsSurvey&DesignInstitute(Group)Co.Ltd.,Urumqi,Xinjiang830046)

Abstract[Objective] The aim was to study the change of land use/coverage in Turpan area during 1990-2015 using 3S technology. [Method]With Turpan landsat5 TM images in 1990 and 2015 landsat8 OLI images as basic data, by using 3S technique, two temporal Turpan Oasis land use types were derived by visual interpretation and maximum likelihood supervised classification method based on spectral feature. Finally using comprehensive index of land use dynamic change analysis and spatial transfer matrix method, the land resource structure characteristics and change rules in the past 25 years in Turpan Oasis were discussed. [Result]The results indicated that the Turpan Oasis showed an obvious trend of expansion, oasis area which include cultivated land, grassland, garden area was increased significantly, unused land which include bare land and saline land area was decreased. Meanwhile, the construction land and water area were increased significantly, but the oasis peripheral Rump Lake - Aydingkol Lake presented shrinking trend. [Conclusion] The study can provide basic data and scientific basis for eco-environment protection in Turpan area.

Key wordsTurpan Oasis; Land use /cover change; Landsat TM/OLI data