甘肃祁连山保护区石羊河流域上游土地利用/覆盖变化监测研究

丁国民，李进军，邸 华，李贵琴

（甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖 734000）

甘肃祁连山保护区石羊河流域上游土地利用/覆盖变化监测研究

丁国民，李进军，邸 华，李贵琴

（甘肃祁连山国家级自然保护区管理局，甘肃 张掖 734000）

以甘肃祁连山保护区石羊河上游为研究区，利用2001年、2011年landsat-5 TM影像解译监督分类结果，获取了石羊河流域上游两期土地利用/覆盖分类图，并基于土地利用动态度、土地利用转移矩阵分析方法对石羊河流域上游2001-2011年土地利用/覆盖作定量分析研究，分析了各土地利用类型的变化速率和土地利用类型间的相互转化关系。

祁连山；石羊河；土地利用；监测研究

土地利用/土地覆被(LUCC或LC/LU)包含了土地利用与土地覆被两层不同却又密切相关的含义。土地利用/土地覆被变化是导致地球表层系统景观变化的主要原因之一,显著的反应了短期内人类活动对自然环境施加的影响［1，2］。土地利用/覆盖分类是随遥感技术发展而出现的新的土地利用分类方法［3］。对土地利用/覆盖进行遥感影像分类具有其独特的宏观、综合、快速、动态和准确优势，充分体现了监测的及时性、精度高、范围广的特点，在土地利用/覆盖监测中得到广泛应用。

本文应用遥感影像及 GIS技术，对 2001、2011年研究TM卫星遥感影像进行解译和监督分类，分析了石羊河上游土地利用/覆盖状况及变化，测算了研究区土地利用变化动态度，以及土地利用变化转移矩阵，分析了研究区土地利用变化特点和趋势，以期为该区域生态监测与保护提供科学依据。

1 研究区概况

石羊河是发源于祁连山区的三大内陆河之一，石羊河流域上游的祁连山区属高寒半干旱湿润区：海拔2000～5000m，年降水量300～600mm，年蒸发量700～1200mm，干旱指数1～4。其上游全部分布在祁连山保护区辖区内的东大河、祁连、西营河、哈溪、乌鞘岭、上方寺、华隆、夏玛、古城、以及马场保护站的部分区域内。保护区内石羊河上游面积约8851.5km2。主要有森林、草原、草甸、荒漠、农田、湿地等自然生态系统构成，是石羊河上游重要水源涵养区，应用遥感技术开展石羊河上游土地利用覆盖监测研究，具有重要科研价值和现实意义。

2 材料与方法

2.1 数据源及其软件工具

本研究应用两期LandsatTM5作为信息源（影像来源于中科院计算机应用研究所）。轨道号131/ 034,132/034，获取时间分别为，2001-07和2011-06，平均云量小于5.5%，空间分辨率30m的4景影像。以及保护区边界、石羊河上游边界矢量图。应用envi4.8、arcgis10.2软件作为影像处理与分析工具。

2.2 数据预处理

为提高两期遥感影像的可比性，首先将4景影像分别进行辐射定标、大气校正，再将同年获得的2景影像镶嵌，消除成像时间等差异造成的影像差异。其次，对拼接的遥感影像进行几何校正。虽然原影像已进行过几何校正，但经过影像镶嵌，两期影像叠合仍有一定的位移误差，为避免误差，要对两期影像进行精确的几何校正。在校正后利用envi4.8软件将两幅影像、石羊河上游矢量边界矢量数据的投影和坐标系统一为 transverse mercator，D-Beijing-1954。最后应用石羊河上游矢量边界对影像进行裁剪，得到研究区的影像数据。

2.3 影像变化监测分类后比较法

2.3.1 分类系统的确立

根据国家土地利用分类标准，结合祁连山保护区石羊河上游土地利用/覆盖的实际情况，以及TM影像的分辨率和地物光谱特征，确定一级分类4类：林地、草地、水域、未利用土地，二级分类10类：有林地、灌木林、疏林地、特灌林、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠库塘、冰川雪地、裸土地、裸岩石质地。

2.3.2 分类方法的选择

在相同训练样本下，采用监督分类中的五种分类方法（平行六面体法、最小距离法、马氏距离法、最大似然法、神经网络）分别提取土地利用/覆盖变化信息，采用相同的训练样本对两期遥感影像进行分类。分类后专题图的正确分类程度（也称可信度）的检核是对影像进行分析的重要环节，目前评定分类精度通常使用混淆矩阵，利用混淆矩阵进行定量分析的主要参数有：总分类精度及Kappa系数［4-6］。

（1）式中：Pc为总分类精度，m为分类类别数，N为样本总数，PKK为第K类的判别样本数。（2）式中：K为Kappa系数，N为样本总数，Ppi为某一类所在列总数，Pli为某一类所在行总数。

3 土地利用变化分析

3.1 研究区土地利用速度变化

土地利用/覆盖变化速度由动态度表示，是指单位时间内某一土地利用类型面积的变化程度，可定量描述区域土地利用变化的速度［7，8］。土地利用动态度其数学表达式为：

（3）式中：Kj为土地利用类型j的土地利用类型动态度，s为j中土地利用类型在某监测时刻的面积，t1、t2表示监测初始、结束的时间。

研究区石羊河流域上游10年间，土地利用动态度大小绝对值一次为：冰川雪地>特灌林地>低覆盖草地>裸地>库塘河渠>有林地>中覆盖草地>裸岩>灌木林地>高覆盖草地>未识别区。受临时降雪的影响，冰川雪地变化最大，除此之外，特灌林地、低覆盖草地、裸地变化速度较其他土地利用类型变化速度快，其中有林地、灌木林地、特灌林地呈现增多的趋势，而其他类型土地利用动态度呈现减少的趋势。表明这10年间，通过天然林保护、封山育林，研究区有林地、灌木林地、特灌林地出现了恢复性增长，低覆盖草地、裸地面积呈现下降趋势。

3.2 研究区土地利用转移矩阵及其转移率分析

转移矩阵法是基于生态学中马尔可夫链的数学过程，能同时表示土地利用类型的储存量和流动量，为定量分析土地利用转变的基础步骤。土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，它描述了前后两幅土地分类图之间的地类发生转变的位置和类别，列表示T1时点土地利用类型，行表示T2时点土地利用类型［6,9］。本文应用envi4.8软件change detection statistics工具对两幅分类影像进行差异分析，分别识别出那些像元发生了变化，并生成土地利用变化转移矩阵。

在土地利用转移矩阵表格中，行代表的是变化的方向，列代表发生变化的土地利用/覆盖类型，当行、列土地利用/覆盖类型相交，代表未变化的部分。根据研究区土地利用转移矩阵分析出研究区土地利用/覆盖类型转化方向。

2001年到2011年间，土地利用类型净增面积百分率排序依次为：特灌林地>北川雪地>灌木林地>有林地。

从转入类型分析，新增特灌林地面积主要由低覆盖草地和中覆盖草地转入而成。新增冰川雪地主要由裸岩、低覆盖草地被降雪覆盖所致。新增灌木林地主要由特灌林地、中、低覆盖草地转入所致。新增有林地主要由灌木林地、低覆盖草地转入所致。

土地利用类型净减面积百分率排序依次为低覆盖草地>裸地>裸岩>中覆盖草地>高覆盖草地>库塘河渠。

从转出类型分析，低覆盖草地转出的类型主要有特灌林地、中覆盖草地、灌木林地、以及裸岩等；裸地转出的类型主要有低覆盖草地和特灌林地；裸岩主要转出的类型有北川雪地、特灌林地等；中覆盖草地转出的类型主要有特灌林地、灌木林地等；高覆盖草地转出的主要类型有特灌林地、灌木林地等；库塘河渠转出的主要类型有北川雪地、裸岩等。2011年与2001年相比，这10年中有林地、灌木林地、特灌林地出现能力恢复性增长，尤其是特灌林地增长最明显，增长率达到16.123%；而高覆盖、中覆盖、低覆盖草地、裸土地出现了减少趋势，低覆盖草地减少最多，达到13.795%，裸土地减少6.46%。冰川雪地也出现了增加，增长了6.767%，这主要是从遥感影像无法将冰川和雪地区分，积雪面积增加，导致冰川积雪增长的结果。其原因是10年来，保护区相继实施了天然林保护工程和生态公益林建设项目，加强了保护区生态保护，保护区植被出现了恢复性增长的态势。

4 结果与讨论

1）由动态度表示的土地利用变化速率看，除高山区冰川雪地受临时降雪的影响变化最大外，特灌林地、低覆盖草地、裸地变化速度较其它土地利用类型变化速度快，其中有林地、灌木林地、特灌林地呈现增多的趋势，而其它类型土地利用动态度呈现减少的趋势。

2）从田地利用转移矩阵和转移方向看，土地利用类型净增面积百分率排序依次为：特灌林地＞北川雪地＞灌木林地＞有林地;土地利用类型净减面积百分率排序依次为低覆盖草地＞裸地＞裸岩＞中覆盖草地＞高覆盖草地＞库塘河渠。从实地调查对比，与实际情况相符。

3）应用遥感影像进行土地利用覆盖变化监测研究，为宏观开展土地利用变化监测提供了一条便捷的途径，但也存在诸多的不足。一是数据方面。虽然选择了云量小于5%的遥感影像，但在部分地区仍然出现了云遮盖地物的现象。为增加两期影像的可比性，选择了成像时间接近的影像，并进行了辐射校正、几何校正，但Landsat TM5分辨率较低，存在误差在所难免。二是受遥感影像分辨率的影响，分类精度任由一定的误差，应用遥感影像开展土地利用覆盖监测中，要通过几何校正、辐射校正、光谱和纹理判读，以及实地验证等多种方法提高分类的精度，从而提高监测的准确率。

［1］ 张靖，同丽嘎，董建军，等.土地利用/覆盖变化研究方法［J］.内蒙古大学学报（自然科学版），2013,44（3）：329～333.

［2］ 陈改英，郭达志.北京市昌平区土地利用/覆盖变化的遥感监测与热环境响应分析［J］.测绘通报，2011（11）37～40.

［3］ 王丰，刘书明，卢文虎，等.基于遥感的天津滨海新区土地利用/覆盖变化分析［J］.海洋通报，2014，33（6）：683～689.

［4］ 白洪伟，吴满意，葛艳.芜湖市土地利用/覆盖变化的遥感分析［J］.西昌学院学报（自然科学版），2015，29（4）：74～77.

［5］ 何春阳，陈晋，陈云浩，等.土地利用/覆盖变化混合动态监测方法研究［J］.自然资源学报，2001，16（3），255～262.

［6］ 邓书斌.ENVI遥感图像处理方法［M］.科学出版社，2010. 6，北京.128～164.

［7］ 谢余初，巩杰，赵彩霞，等.干旱区绿洲土地利用变化的生态系统服务价值响应：以甘肃省金塔县为例［J］.水土保持研究，2012，19(2)：165－170.

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