基于Landsa t8 TM的石漠化地区土地利用/覆盖变化分析——以粤北连江流域为例

江学顶，梁钊雄，王兮之，张翼

（佛山科学技术学院环境工程系，广东佛山528000）

基于Landsa t8 TM的石漠化地区土地利用/覆盖变化分析——以粤北连江流域为例

江学顶，梁钊雄，王兮之，张翼

（佛山科学技术学院环境工程系，广东佛山528000）

在RS和GIS技术的支持下，利用粤北连江流域1988年和2013年2期Landsat8 TM数据，对该地区土地利用/覆盖进行动态变化研究。结合连江流域的岩溶特性，在原有土地分类体系的基础上，在石漠化地区增加重度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化和潜在石漠化4种类型。结果表明：（1）林地的面积增加最多，其次是建设用地。而在石漠化区，重度石漠化土地的面积减少最多，中度石漠化次之。轻度石漠化的面积则有所增加。（2）在非石漠化区，转出的类型主要是灌丛、林地和耕地。灌丛主要向林地转出，林地和耕地主要向建设用地和潜在石漠化区转出。而在石漠化区，主要表现为重度、中度和轻度石漠化土地向潜在石漠化转移。（3）石漠化区面积的减少主要在连州市南部和北部、连南的东北部以及阳山县的南部。灌丛向林地的转移主要表现在流域的西部，耕地向建设用地的转移则主要发生在水域附近和下游地区。

土地利用/覆盖；Landsat8 TM；石漠化；连江流域

随着人口增长、环境恶化、资源短缺、空气污染等一系列全球性问题的产生和激化，土地利用/覆盖变化（LUCC）已成为全球环境变化和可持续发展研究的重要内容［1］。LUCC既是全球变化的重要组成部分，同时能够反映出自然格局、过程与人类社会之间最直接的相互作用关系，因此成为人口-资源-环境可持续发展的基本问题［2］。目前，LUCC的研究主要是通过对长期的历史资料整理以及遥感与GIS技术，国内外已开展相应的研究。美国全球变化研究委员会（USGCRP）于1996年开展的北美洲土地覆被变化的研究项目，分析了北美（包括美洲大陆的赤道带地区）自1970年以来的土地覆被空间变化［3］。国际应用系统研究所于1995年启动了“欧洲和北亚土地利用/土地覆盖变化模拟”的项目，旨在分析1900—1990年欧洲和北亚地区土地利用/土地覆盖变化的空间特征、时间动态和环境效应［4］。在国内，杜国明等采用2005年基准年的Landsat TM/ETM遥感影像数据提取1980—2005年巴西土地利用/覆盖变化信息，分析其变化的时空格局及驱动因素［5］。娄和震等利用Landsat TM影像和中国环境卫星影像对延河流域2000—2010年土地利用/覆盖变化及其驱动力进行了研究［6］。石漠化是指在热带与亚热带湿润、半湿润气候条件和岩溶环境中，受人类不合理社会经济活动的干扰破坏、气候变化等因素作用，造成地表植被退化、土壤侵蚀、地表水流失、基岩裸露、土地生产力严重下降，形成类似石质荒漠景观的土地退化过程。石漠化是一种脆弱的生态环境，其成土慢、土壤蓄水性差等特点，对植被生长极为不利。本文选取1988年和2013年2期的TM数据，以粤北岩溶山区连江流域作为研究区域，研究石漠化地区LUCC的动态变化特征及规律，为该流域的水土保持、生态恢复及石漠化治理提供决策支持。

1　研究区概况

连江是珠江流域北江最大的一级支流，发源于广东省连州市潭岭镇三姊妹峰，流经连州、连南、连山、阳山、英德，在英德连江口镇汇入北江，河流全长275 km。流域位于东经112°40″～113°18″、北纬24°58″～24°02″之间，集水面积10 061 km2。流域形状呈扇形，地势西北高，东南低，主要由中、低山脉、局部山区丘陵、河谷或盆地组成，石灰岩地形约占流域面积的40％，多为溶洞、裂隙发育的喀斯特地形。连江流域属亚热带季风气候区，冬短夏长，气候温和，雨量充沛，年平均气温为19.5℃，多年平均年降水量为1 685.7mm，多年平均蒸发量为903.9mm。连江上游森林覆盖率高［7-8］，植被状态相对良好，主要有针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、混交林、灌木林和管草丛，土壤类型以红壤及由碳酸盐溶蚀残余物发育而成的石灰岩土为主［9］，石灰岩地形显著，约占流域面积的60％，岩溶地貌发育。石漠化的发展造成岩溶地区土地生产力下降、地表植被覆盖率锐减、系统水源涵养能力削弱、地表水源枯竭而导致土地资源丧失、粮食减产，使得该地区农业发展受到很大的制约。

图1　连江流域位置示意

2　研究方法

2.1数据处理

采用能够覆盖整个流域的1988年12月和2013年12月的4幅Landsat8 TM影像，空间分辨率均为30m。利用ENVI软件对遥感数据进行几何校正、拼接以及裁剪等预处理。通过目视解译建立土地利用/覆盖及石漠化土地类型解译标志，以监督分类的方法提取其不同时期的土地利用类型。利用GIS软件，对2个时期的数据以及研究区内的岩溶区与非岩溶区数据进行叠加处理与统计对比，分析连江流域土地利用/覆盖及石漠化土地类型动态变化情况。

2.2分析方法

转移矩阵是定量分析地类间相互转移的常用方法。它能够具体反映土地利用/覆盖变化的结构特征和各种类型之间的转移方向［10］。该方法来源于系统分析中对系统状态与转移的定量描述［11］。其中，二维矩阵应用最为广泛，其数学形式为

其中，A表示面积，n表示土地利用类型数，i与j分别表示研究初期与末期的土地利用类型，Aij为研究期内第i类土地转化为第j类土地的面积［12］。

本文中的转移矩阵是利用ArcGIS工具箱中的相交（Intersect）工具计算生成。Intersect工具的作用是计算2个输入图层中的几何对象的交集部分，并保留原来2个输入图层的属性表，主要用来分析图层之间的空间以及属性的变化情况。

2.3石漠化土地分类体系

参照土地利用/覆盖分类标准并结合连江流域的实际情况，将连江流域分为岩溶区与非岩溶区。非岩溶区分为8种土地利用类型：耕地、园地、林地、灌丛、草地、建设用地、水域及未利用土地。岩溶区根据是否发生石漠化及发育程度分为非石漠化区和石漠化区，其中非石漠化区分为6种土地利用类型，即耕地、园地、林地、建设用地、水域和潜在石漠化，石漠化区划分为轻度、中度和重度3类分级方法。

遥感影像采用Landset8 TM的影像，波段5、4、3分别为近红外波段、红波段、绿波段，此波段组合显示图像为标准假彩色图像，不同的植被呈深浅不同的红色，水体呈深色，易于区分。熟悉各类地物在图像中的颜色、形状、分布特征，建立判读流域土地类型和石漠化土地等级的解译标志，如表1所示。

表1　连江流域土地利用/覆盖解译标志

3　结果与分析

3.1流域石漠化土地时间变化分析

1988—2013年，连江流域土地利用/覆盖及石漠化土地变化明显，如表2、图2与3所示。从增加的数量来看，林地的面积增加最多，从1988年的3 294.2 km2增加到2013年的4 022.83 km2，所占比例从32.56％上升到39.78％，变化率为22.12％。其次是建设用地，从1.71％上升到3.29％，变化率为91.64％。园地、轻度石漠化、潜在石漠化、水域等面积都有不同程度的增加，增加的面积分别为112.09、64.7、45.67和12.86 km2；灌丛的面积减少最多，从1988年的1 829.36 km2减少到2013年的1 400.04 km2，所占比例从18.09％下降到13.84％，变化率为23.47％。再次是未利用地和耕地，从1988年的268.51和1 143.51 km2减少到2013年的13.63和925.52 km2，所占比例分别从2.66％和11.31％下降到0.13％和9.15％。

在石漠化区，1988年重度石漠化占石漠化土地比例最高，为46.15％。而到2013年，轻度石漠化变为土地石漠化土地中比例最高的类型，面积占石漠化土地面积的41.02％。从1988—2013年，重度石漠化土地面积减少的面积最多，中度石漠化土地次之，减少的面积分别为114.08和45.64 km2，变化率分别为69.03％和30.51％。轻度石漠化面积有所增加，从1988年的43.20 km2增加到2013年的107.90 km2，变化率为149.77％。

表2　连江流域土地利用/覆盖及石漠化土地的时间变化

图2　1988年连江流域土地利用/覆盖

图3　2013年连江流域土地利用/覆盖

3.2流域石漠化土地空间变化分析

在ArcGIS软件中将研究区1988年和2013年2期土地利用/覆盖数据进行相交（Intersect）操作，得到其土地利用/覆盖类型之间在空间上的转移情况，如表3所示。

表3　1988—2013年连江流域土地利用/覆盖及石漠化土地转移矩阵

注：表3中，面积单位均为km2，转出率、转入率单位均为％。

在非石漠化区，从1988—2013年土地利用/覆盖类型转出的主要是灌丛、林地和耕地，转出的面积分别是1 250.04、858.52、665.62 km2。其中，灌丛转出的类型主要是林地，转出的面积为987.97 km2；其次是耕地、草地和园地，转出的面积分别为95.86、66.6和60.86 km2。林地转出的类型主要是灌丛，转出的面积为417.54 km2，其次是潜在石漠化，转出的面积为242.79 km2。耕地转出的类型主要是潜在石漠化，转出的面积为223.22 km2，其次是灌丛和建设用地，转出的面积分别为208.72和145.82 km2。

石漠化土地退化较严重的类型有向退化程度较轻的类型转移的趋势，各级石漠化土地向潜在石漠化转移的比例均最高。潜在石漠化土地面积的增加在石漠化土地中主要来自重度、中度和轻度石漠化土地的逆转，转移到潜在石漠化土地的面积分别为106.39、99.23和31.16 km2，转出率分别是64.54％、66.49％、72.41％。另外还有19.54％的耕地、16.38％的耕地和10.65％的建设用地退化为潜在石漠化。同时，有6.34％的潜在石漠化土地发展成新的石漠化土地。

从表3可以看出，1988—2013年流域土地利用/覆盖及石漠化土地总体变化面积达4 428.22 km2，占流域总面积的43.79％。其中变化较为明显的地区分布在流域的西北部（即连州市的西南和东南部）、西南部（即连南瑶族自治县南部和阳山县南部）及东南部（英德市西部）；稳定区主要分布在流域东北部边缘地带（连州市东部、阳山县东北部、乳源瑶族自治县南部和英德市北部）。

3.3流域主要土地利用类型变化方向分析

在石漠化区，经过生态治理，近15年来石漠化土地面积明显减少。减少的区域主要分布在连州市南部、连南瑶族自治县东北部以及阳山县与英德市交界的南部。另外，连州市北部也有较为明显的石漠化土地改善。潜在石漠化向林地的转移主要发生在岩溶区的东部和南部，林地向潜在石漠化的转移在岩溶区的北部较多，原因可能是该区域地势较高，更容易造成水土流失，而岩溶区东部和南部地势较低较平坦，利于水土的涵养。潜在石漠化与耕地的相互转移也表现出相似的特征。

而在非石漠化区，灌丛向林地的转移在整个区域都有不同程度的发生，主要表现在西部的转移多于东部的转移，在河流的上中游更容易连片发生。耕地向建设用地的转移则多数发生在水域的附近和下游地区，这两种转移特征可能与城市化的进程有关。随着城市化的发展，越来越多城镇建设用地占用了耕地，而耕地多分布在河流两侧，并且下游地区地势平坦更利于城市建成区的扩张。另外，在连州市东部有一片未利用土地分别向耕地和灌丛大量转出，说明该地区的城市化进程在逐步扩大。

4　结论

利用TM数据对岩溶流域进行土地利用/植被覆盖的时空变化分析，方法简单易行，具有较好的应用前景。通过以上分析可以得出以下结论。

（1）连江流域土地利用/覆盖空间分布特征表现为：岩溶区以潜在石漠化为主要类型，非岩溶区以林地为主要类型。时间变化特征表现为：1988—2013年，轻度石漠化、潜在石漠化、水域、林地、建设用地、林地总体面积增加，重度石漠化、中度石漠化、耕地、灌丛、草地和未利用土地总体面积减少。

（2）人类活动干扰是岩溶地区石漠化发展的主导因素。人类活动范围迁移到水土条件较好的地区，石漠化地区人类活动的干扰强度降低，再经过植树造林等举措，有效改善了区域的生态环境。1988—2013年，连江流域岩溶区以潜在石漠化为主要土地利用/覆盖类型，石漠化土地面积总体上减少，退化程度高的石漠化土地有逐渐向退化程度低的石漠化土地转移的趋势，各级石漠化土地向潜在石漠化土地转移的比例均为最高。重度石漠化土地大量减少，轻度石漠化土地有所增加，轻度石漠化土地取代了重度石漠化土地，成为研究区分布面积最广的石漠化类型。石漠化土地中，在岩溶区非石漠化土地中，潜在石漠化与林地、耕地之间有大量的相互转化，另外有少量林地和耕地转移成退化程度更高的石漠化土地。水域、园地和建设用地面积都有少量增加。

（3）耕地面积大量减少，建设用地面积大量增加，主要来源于耕地的转移，这是由于城市化过程中建设用地对耕地的占用造成的。另外，由于生态治理政策的推行，林地面积大量增加，主要来源于灌丛和草地的转入。灌丛和草地面积减少，园地面积增加，总体植被覆盖面积增加。

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【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Change analysis of land use/land cover in rocky desert area base on Landsat8 TM——in north Guangdong Lianjiang basin as an example

JIANG Xue-ding，LIANG Zhao-xiong，WANG Xi-zhi，ZHANG Yi

（Department of Environmental Engineering，Foshan University，Foshan 528000，China）

Research the dynamic change of the land use/land cover with two images of Landsat8 TM data of Lianjiang basin with the support of RS and GIS technology.Combining the karst features of Lianjiang basin，increase 4 types of severe rocky desertification，moderate rocky desertification，mild rocky desertification and potential rocky desertification on the basis of the existing land classification system.The results show that：（1）The forest area increases most，the second is construction land.In rocky desertification area，severe rocky desertification land area reduces most，the second is Moderate rocky desertification.Mild rocky desertification area increases.（2）In none rocky desertification area，the transfer type is brush，forest and farmland.Brush mainly transfer to forest land，forest land and farmland mainly transfer to construction land and potential rocky desertification area.In rocky desertification area，severe，moderate and mild rocky desertification land is mainly transfer to potential rocky desertification.（3）The decrease of rocky desertification area mainly in the south and north of Lianzhou city，northeast of the Liannan county，and the south of Yangshan country.Bush transfer to the forest land mainly show in the west of the river basin，and the transfer of farmland to construction land mainly occurred in the waters near and the downstream areas.

land use/land cover；Landsat8 TM；rocky desertification；Lianjiang basin

X143

A

1008-0171（2016）05-0011-08

2016-01-15

国家自然科学基金项目资助（41571091）；佛山市科技发展专项基金资助项目（2009031）；佛山科学技术学院博士启动项目；佛山科学技术学院优秀青年教师培养计划项目（fsyq201413）

江学顶（1979-），男，湖北荆州人，佛山科学技术学院讲师，博士。