基于RS和GIS的内蒙古自治区土地利用及景观格局变化

高利峰，张磊，赵先贵

（1.商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000；2.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062）

基于RS和GIS的内蒙古自治区土地利用及景观格局变化

高利峰1，张磊1，赵先贵2

（1.商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000；2.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062）

内蒙古地区属于生态环境脆弱区，其土地覆被变化的研究对于全球环境变化有重要意义。为了解内蒙古地区土地利用及景观格局时空变化特征，以2001，2005，2010年3期遥感影像为基础，利用ArcGIS 10.0和FRAGSTATS4.0软件，对研究区2001—2010年土地利用和景观格局时空变化特征进行分析研究。结果表明，内蒙古景观要素类型以草地、未利用地和耕地为主；2001—2010年草地和建设用地面积增加，耕地、林地、未利用地和水域面积持续减少；建设用地的动态变化幅度最大，林地最小；草地、耕地和未利用地转换频繁；研究区多样性指数从1.304下降到1.204，均匀度指数从0.728下降到0.627，优势度指数从0.598上升到0.614，景观异质性降低。

遥感；地理信息系统；土地利用；动态；景观格局

地表岩石—土壤—生物—水—大气相互作用带被称之为地球关键带（The Critical Zone），其作为与人类联系最密切的地球圈层，对于维持和支撑经济社会发展具有不可替代的重要作用，土地利用等方式作用于关键带，成为关键带变化越来越重要的驱动力[1-2]。土地利用/土地覆被变化（LUCC）是全球环境变化的主要原因之一，亦是核心研究领域和土地可持续利用的重要课题[3-4]。景观格局及其变化影响着区域的生态过程和边缘效应，对其研究有助于揭示其生态状况及空间变异特征[5]。随着信息科学技术的发展和普及，特别是3S技术的广泛应用，使得定量分析和描述土地利用景观空间特征及景观格局动态变化研究成为现实[6-7]。

内蒙古自治区属于生态环境变化的敏感区域，对其土地覆被研究一直受到学术界的重视。前人对内蒙古土地利用/覆被变化（LUCC）的研究大多基于Landsat数据在相对较小的区域尺度上进行，对内蒙古整个地区的土地利用变化研究则倾向于单个的土地利用变化动态研究及其对其他自然因素产生的影响[8-11]。

本试验基于内蒙古自治区2001，2005，2010年3期土地覆盖矢量数据，对不同土地利用方式的动态变化、土地利用动态度和景观格局特征及其成因进行探讨研究，以期为内蒙古地区的生态环境保护与土地资源可持续利用提供决策支持与科学支撑。

1 研究区概况

内蒙古自治区地处欧亚大陆内部，位于我国北部边疆，界于东经97°12′～126°04′，北纬37°24′～53°23′，总面积1.183×106km2。地处华北板块、内蒙古板块、松辽板块的拼接地带，地层发育齐全，成矿条件优越。大部分地区属典型的温带大陆性气候，自东北向西南依次跨越了5个气候带，相应地发育形成5个地带性植被亚型[10]。年降水量在50～450mm，呈现出由东北向西南递减，年均温在0～8℃，全年太阳辐射量从东北向西南递增[11]。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究使用的2001，2005，2010年3期土地覆盖矢量数据来源于美国波士顿大学生产的MODIS Collection5数据集，其次，采用NASA网站上提供的MODIS重投影工具（MODISReprojection Tool，MRT）对MCD12Q1产品进行数据镶嵌、投影体系及数据格式转换，并采用重采样方式生成符合项目要求的500 m分辨率的3期土地覆盖栅格数据。数据整体精度在75%左右，符合较大尺度土地覆被变化的研究需求。最后，将栅格数据在ArcGIS10.0软件中用滤波方法进行预处理，建立了3个时期土地利用图和相应的属性数据。

2.2 土地利用分类

参照我国土地利用编码，采用两级分类系统，包括6个一级类型和21个二级类型[12]。结合研究需要，本研究将内蒙古自治区土地覆被按照6个一级类型划分为耕地、草地、林地、水域、建设用地以及未利用地。

2.3 分析方法

2.3.1 土地利用类型转移矩阵（马尔可夫模型）马尔可夫转移矩阵模型如下。

式中，i表示转移前的土地利用类型，i＝1，2，…，n；j表示转移后的土地利用类型，j＝1，2，…，n；n为转移前与转移后的土地利用类型数；A为土地利用类型面积；Aij为转移前的i类转换成转移后的j类面积[12-13]。

2.3.2 土地利用动态度土地利用动态度公式如下。

式中，Ub，Ua分别为研究期初、研究期末某一土地类型数量；T为研究时段，以年为基本单位时间；Rd为年变化率[14-15]。

2.3.3 景观格局指数景观格局指数可以定量地描述景观格局，亦能更好地理解与解释景观功能[16]。在借鉴前人研究的基础上，选取了均匀度指数、多样性指数、优势度指数、形状指数、分形维数、分离度6个指数进行分析[17-19]。

3 结果与分析

3.1 土地利用景观要素分布及基本变化特征

从图1可以看出，研究区耕地主要分布在呼伦贝尔高原的东侧以及大兴安岭的东北和东南侧；草地主要分布在呼伦贝尔高原、鄂尔多斯高原、锡林郭勒高原、乌珠穆沁高原、阴山以及大兴安岭的南侧；林地主要集中在大兴安岭北侧以及鄂尔多斯高原的西南角；呼伦湖、嘎顺诺尔海、乌梁素海以及额尔古纳河构成了研究区水域的主体；建设用地主要集中在呼和浩特、包头、鄂尔多斯等自然条件相对优越的农牧交错地带；未利用地主要集中在鄂尔多斯高原和阴山北侧以及阿拉善高原，主要由浑善达克沙地、毛乌素沙地、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠构成。

景观要素类型分类结果表明，研究区以耕地、草地和未利用地为主，其中又以草地面积最大。2001—2010年草地面积均占研究区总面积的42%以上，其次是未利用地和耕地，分别占研究区总面积的24%和12%以上，表明研究区以牧业生产为主。林地面积虽有所下降，但维持在10%以上；水域和建设用地所占面积较少，均在0.3%以下（表1）。

表1 2001—2010年景观要素类型面积变化

从研究区2001—2010年时间变化特征看，各景观要素类型面积亦有较大幅度的变化，草地所占比例增加了9.59百分点，面积增加了11 340 700 hm2，由于基数大的缘故，动态幅度为2.53。耕地9 a间下降了1.56百分点，面积缩小了1 844 225 hm2，动态变化幅度为-1.19，这和国家实施的退耕还草政策有密切关系。林地由2001年的14.42%下降到2010年的10.66%，共缩小了4 446 975 hm2，这与研究区以牧业生产为主的特点和土地分类标准密切相关。水域用地面积有所减少，但是幅度较小；9 a间建设用地面积动态度变化幅度为6.90，9 a间所占比例增加了0.11百分点，这与经济的发展和人类的活动有关；未利用地9 a间动态变化幅度为-1.69，减少了5 141 825 hm2，这是由研究区实施的退耕还林还草政策所致（表2）。

表2 研究区2001—2010年土地利用单一动态度

3.2 土地利用景观要素转移特征

从表3可以看出，耕地的主要转移方向是草地和林地，转移比例分别为75.39%，24.36%，转移面积分别为3 987 765.75，1 288 435.98 hm2，向建设用地转移面积6 553.58 hm2，但比例不足0.01%；草地的主要转出方向集中在耕地、林地、未利用地，转移的比例分别为38.91%，30.97%，29.76%，转移面积分别为6 268 576.51，4 988 166.91，4 793 188.27 hm2，主要转入方向是耕地，耕地与草地互相转换，这与土地利用景观要素类型面积变化中提到的退耕还草政策、农业发展方式的转变和草地更易开垦为耕地有关。

林地的转入方向主要是草地和耕地，转出方向主要是耕地和未利用地；水域的主要转出方向为耕地和草地，这与某些地区水平面下降以及气候因素有关；建设用地79.00%转向草地，这是由于建设用地在建成后，原来废弃荒芜的用地被用作人工草地；未利用地面积有99.1%未发生变动，主要侵占了林地和草地，这主要是由于在西部干旱半干旱草原区，湿润年份当地牧民常会增加草原的载畜量，造成草场扩展进而引起草地退化，对此需采取恢复草地的措施[20]。

表3 2001—2010年景观要素转移矩阵hm2

3.3 景观格局动态变化分析

3.3.1 景观多样性分析从图2可以看出，2001—2010年研究区景观多样性和均匀度指数均呈下降趋势，而优势度指数呈现出逐步上升的趋势。其中，多样性指数从1.304下降到1.204，均匀度指数从0.728下降到0.627，优势度指数从0.598上升到0.614。多样性指数降低表明了景观异质性降低；均匀度的减小，优势度的增加，表明了优势景观即草地景观面积在增加。其主要是研究区以畜牧为主，近年来畜牧业发展迅速，人工草地面积增大，以及防沙治沙工程增加了草地面积等。

3.3.2 景观形状指数和分形维数分析从表4可以看出，2001，2005，2010年研究区耕地的形状指数和分形维数均最大，分形维数随着时间有递增的趋势，从1.339提高到了1.351，表明耕地的形状和边界最复杂。草地和林地形状指数和分形维数次之，均呈现出下降趋势。水域的形状指数和分形维数最小，说明斑块形状和边界有所简化，但简化幅度较小；建设用地形状指数和分形维数先上升后略微下降，表明斑块结构有所简化。这主要是由于随着社会经济的发展，前期规划不完善，后期建设更加有序。未利用地的形状指数和分形维数总体上有所下降，表明防沙治沙工程使得斑块结构有所简化。

3.3.3 景观分离度分析景观分离度指某一景观类型中不同斑块个体分布的分离程度。从表4可以看出，研究区耕地分离度指数呈现出较小的上升趋势，主要是由于人类活动的影响使得斑块空间不断分散和破碎化。2001—2010年草地的分离度指数呈持续降低趋势，从0.883下降到0.802，表明草地在人类活动的干预下趋于集中分布，水域的地域分布较为稳定。建设用地和未利用地分离度指数相对较大，表明这2种景观类型分散程度很大，易受人类活动等因素干扰而破碎化。

表4 2001—2010年景观格局指数变化

4 结论

本研究结果表明，研究区以耕地、草地和未利用地为主，其中又以草地面积最大。2001—2010年草地和建设用地的面积增加，而耕地、林地、未利用地和水域面积则持续减少。草地、耕地和未利用地转换频繁，耕地的转出方向主要是草地和林地，草地的主要转出方向集中在耕地、林地和未利用地，各景观类型要素之间互相转换与退耕还草政策、生产方式密切相关。2001—2010年建设用地的动态变化幅度最大，为6.90，面积增加了124 850 hm2，林地变化幅度最小，为-2.90；草地绝对面积增幅最大，为11 340 700 hm2。

2001—2010年研究区景观多样性指数和均匀度指数均呈现出逐步下降的趋势，而优势度指数呈现出逐步上升的趋势；多样性指数从1.304下降到1.204，均匀度指数从0.728下降到0.627，优势度指数从0.598上升到0.614；景观异质性降低；草地对于景观控制增强；耕地具有最复杂的形状和边界；人类活动的影响使得斑块空间不断分散和破碎化。

运用3期遥感数据对内蒙古自治区土地利用/覆被变化进行了动态变化和景观格局研究，克服了传统依赖统计数据的局限性。但是大、中尺度的研究受限于遥感影像的分辨率，在以后的研究中土地利用类型的划分精度要更深入。未讨论内蒙古不同地貌单元对土地利用/覆被变化的响应，有待进一步深入研究。

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Changes of Land Use and Landscape Pattern in Inner Mongolia Region Based on RS and GIS

GAO Li-feng1，ZHANG Lei1，ZHAO Xian-gui2
（1.College of Urban，Rural Planning and Architectural Engineering，Shangluo University，Shangluo726000，China；2.College of Tourism and Environmental Sciences，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China）

Inner Mongolia region belongs to the fragile ecological environment,research for their land cover change for global environmental change is important.To understand the spatial and temporal variation characteristics of land use and landscape pattern in Inner Mongolia region,based on 2001,2005 and 2010 three remote sensing images and using FRAGSTATS 4.0,Arc GIS 10.0 software, the study area from 2001 to 2010 land use and landscape characteristics of temporal and spatial variation were analyzed.The results showed that the landscape element types were mainly grassland，unused land and cultivated land of Inner Mongolia.The areas of grassland and construction land were on the rise,the cultivated land,forest land,unused land and the water area continued to decline from 2001 to 2010.The dynamic change of the construction land was maximum,and the forest land was minimum.The grassland,forest land and the unused land were converted frequently.Diversity index in the study area decreased from 1.304 to 1.204,evenness index decreased from0.728 to0.627,respectively,dominance increased from0.598 to0.614,landscape heterogeneity reduced.

remote sensing;geographic information systems;land use;dynamic;landscape pattern

F301.24

A

1002-2481（2016）02-0255-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.02.32

2015-10-28

国家社会科学基金资助项目（14XKS019）；陕西省教育厅专项科研计划项目（12JK0652）

高利峰（1981-），男，陕西宝鸡人，讲师，主要从事资源环境与城乡规划研究工作。