基于矢量属性的宁夏中部干旱带土地利用变化信息挖掘

马彩虹, 贾科利, 邹淑燕, 樊新刚

〔1.宁夏大学 资源环境学院, 宁夏 银川 750021; 宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室， 宁夏 银川 750021〕

基于矢量属性的宁夏中部干旱带土地利用变化信息挖掘

马彩虹1,2, 贾科利1,2, 邹淑燕1,2, 樊新刚1,2

〔1.宁夏大学资源环境学院,宁夏银川750021;宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，宁夏银川750021〕

[目的] 增加对土地利用变化矢量属性的认知，进一步挖掘潜藏于土地利用变化中的特征和规律，丰富土地利用变化研究方法，为区域土地资源调控提供参考依据。 [方法] 基于土地转移流视角，提出土地转移率和土地转移链概念，采用Landsat MSS/TM/ETM遥感影像数据，对宁夏中部干旱带同心县的土地变化过程进行研究。 [结果] 1978—2015年同心县耕地和草地比例增大，未利用地减少。区县尺度上土地转移率渐次降低；类型尺度上，耕地转移率先升后降，草地转移率先降后升，未利用地转移率呈“降—升—降”特征。1978—1987年的土地转移流以草地转未利用地为主，1987—1996年则呈现多元特征，1996年表现为退耕还林还草和对未利用地的改造利用。1978—2015年土地利用转移围绕着耕地的流失与保护进行，土地转移单向链以31型(草地转耕地)和61型(未利用地转耕地)为主，往复链以Ⅱa型为主，主要是161型(耕地—未利用地—耕地)和131型(耕地—草地—耕地)。 [结论] 同心县土地利用变化存在较大份额的“往复链”。在土地资源开发与管理中要重视往复链所揭示的内涵并采取针对性措施。

土地利用变化; 土地转移流; 土地转移链; 宁夏中部干旱带

文献参数： 马彩虹, 贾科利, 邹淑燕, 等.基于矢量属性的宁夏中部干旱带土地利用变化信息挖掘[J].水土保持通报，2017,37(4)：260-265.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.044； Ma Caihong, Jia Keli, Zou Shuyan, et al. Information mining in arid area of central Ningxia Hui Autonomous Region based on vector properties of land use change[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：260-265.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.044

土地利用变化中既存在地类数量的变化[1-3]，又存在转移方向的变化[4]，存在明显的矢量变化属性[5]。土地变化的复杂性与其矢量属性关系密切[5-7]。

近年来对土地转移矢量属性的探究明显增多，从内容上可分为3类： (1) 对土地转移流向的研究，如孙强等[8]在北京地区耕地流失与调控的研究中，分别就耕地的流入和流出作了对比分析，金淑婷等[9]对甘肃省土地利用转移方向作了深入探究，吴琳娜等[10]的研究表明，北洛河流域呈现出耕地和草地主要转化为林地的特点； (2) 对土地转移关系的研究，如武鹏飞等[11]对官厅水库流域不同土地利用类型的转换关系做了探讨，汪建珍[12]对影响干旱区河谷城市土地转移关系进行识别，蔺小虎等[13]研究发现，退耕还林明显改变了纸坊沟流域各类土地之间的流转关系； (3) 对矢量属性涉及的数量和方向均作探讨。如马彩虹等[5]提出了土地转移流的概念及计算方法，廖谌婳等[14]在对中老缅泰交界地区的土地利用矢量属性作了深入的挖掘与分析，王曼曼等[15]分析了盐池北部风沙区土地类型的相互转移关系，吕立刚[16]对江苏省发现1985—1995年耕地与建设用地、水域3种地类是江苏省土地利用变化的关键地类。已有研究基于单一时期的各地类的转移分析[16-20]，为探究土地转移矢量属性积累了良好的基础，但如何对连续时段区域土地利用演变信息进行记录和变化规律挖掘，仍然是制约土地利用变化过程研究的瓶颈之一。

本文以宁夏中部干旱带同心县为例，在土地转移流的基础上，提出土地利用转移率和转移链概念及计量方法，以进一步丰富土地利用变化研究的方法体系，为土地资源调控提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏自治区中部干旱带地理位置地处104°17′—107°39′E，36°54′—38°23′N，位于黄土高原北缘，受腾格里、乌兰布和、毛乌素3大沙漠包围，包括沙坡头区、中宁县、利通区、红寺堡开发区、灵武市、盐池县、同心县、红寺堡区、原州区北部等县区的64个乡镇，总面积2.85×104km2，约占宁夏总面积的43%[21-22]。年均降水量259 mm左右，蒸发量2 325 mm以上，属典型的温带大陆性气候，冬春季多干旱、沙尘暴等灾害性天气[23-24]；土壤以灰钙土和风沙土为主，结构松散，沙粒含量大；地带性植被为荒漠、荒漠草原和干草原，植被覆盖度低，土地沙化严重，是北方农区与天然草地牧区接壤的过渡地带。本次研究的典型区——同心县，海拔1 240-2 625 m，总面积4 662.16 km2。按照地质地貌和开发程度可分为西部扬黄灌区、中部干旱山区及东部旱作塬区3块区域。

1.2 研究方法

1.2.1 土地转移流 为有效表达矢量特性，引入动态物质变化中“流”的概念，把由一种土地利用类型转为另外一种土地利用类型的情况称作土地转移流[5]。

1.2.2 土地转移率 可分为两类，其一是区域土地利用转移率，为发生在一定区域上的土地利用转移流总量与区域面积之比；其二是类型土地利用转移率，为发生在某种土地利用类型的转移流占该类土地利用类型面积之比。计算公式为：

(1)

(2)

式中：R——区域土地转移率；Ft——就是时段t中发生的土地转移数量；S——研究区域土地利用总面积；Ri——类型土地转移率；i——土地利类型；Si0——i土地利用类型在t时段初期的面积。

1.2.3 土地转移链 指由一种土地利用类型转为其他用地类型的过程构成的过程链。土地变化链的构建可采用逆推法和顺推法。逆推法是以报告期的遥感影像起算，顺推法是以研究基期的遥感影像起算。

根据GIS的叠加分析功能，依次获取土地利用类型转换编码，称为土地转移原始链。对原始链中相邻期同类链合并，获得简化的土地转移链。参照《土地利用现状调查技术规程》，把宁夏中部干旱带土地利用类型划分为6个一级类型。分类及代码为1-耕地，2-林地，3-草地，4-水域，5-建设用地，6-未利用地。由于土地转移情况多样，根据链的长短、特征划分土地转移链类型详见表1。

表1 土地转移链类型及涵义

1.3 数据来源与处理

以1978年MSS及1987，1996，2007和2015年Landsat TM/ETM 遥感影像为基本数据源。其中1978，1987和1996年数据由国家科技基础条件平台建设项目:地球系统科学数据共享网(www.geodata.cn)提供。所选影像成像时间均在7—8月，已经经过了辐射校正和几何粗校正。以宁夏回族自治区1∶25万地形图为参照，对照5期图像选取控制点，采用多项式变换模型，在ERDAS IMAGINE8．7软件对图像进行几何校正和镶嵌处理。对经过校正的数字影像进行拼接、分割和融合处理，用TM4(R)，3(G)，2(B)波段合成假彩色影像,结合野外实测资料,建立解译标志，用人机交互方式解译出同心县土地利用图。2015年的总体分类精度为83.174 4%，kappa系数为0.794 1，解译精度符合相关要求，可作为下一步研究的基础数据。

2 结果与分析

2.1 同心县土地利用数量变化情况分析

从土地利用结构来看，同心县土地利用是以牧业为主，农牧结合，耕地和草地面积较大，比例均为40%左右；由于该县三面临近沙区，未利用地(主要是沙化地)比例较高，林地比例小。从研究期内各时段来看，1978—1987年耕地、林地大幅增长而草地大幅减少，1987—1996年主要表现为耕地的大幅减少和林地及未利用地的增多，1996—2007年及2007—2015年均表现为林草面积的增加和未利用地的减少。显见，在研究时段内，不同地类之间发生了明显的转移，尤其在耕地、草地和未利用地之间的转移显著，1978—2015年，耕地增加了6.04%，林地增加了7.44%，未利用地减少了10.23%。

2.2 同心县土地转移率特征分析

区域尺度上，1978—2015年同心县土地转移率表现为渐次降低的特征。其中，1978—1987年最高，为27.13%，到2007—2015年降低到16.05%。类型尺度上，主要考虑土地利用结构中比例较大的耕地、草地和未利用地。研究时段内，土地利用活跃程度最高的类型为未利用地。从耕地、草地和未利用地转移率的变化趋势来看，同心县的耕地转移率呈现先升后降的态势，草地转移率表现为降—升特征，未利用地转移率表现为降—升—降态势。平均来看，未利用地的转移率最高，耕地其次，草地居于第3。造成这种变化特征的原因需要在土地转移流中做进一步分析(图1)。

表2 同心县1978-2015年土地利用结构变化

图1 同心县土地利用转移率构成及动态变化

2.3 同心县关键土地利用转移流特征对比分析

按照累计百分比99%的转移流进行制图(表3)，1978—1987年同心县以草地转耕地流(31型)、未利用地转耕地流(31型)为主，分别占这一时期土地转移流的37.81%和21.22%，合计占59.04%，这使得该时期同心县耕地增幅明显；1987—1996年，以草地转未利用地流和退耕还草为主要特征；1996年后土地利用转移流总量有所降低，转移趋势呈现多样化态势，表现为以加强对未利用地的改造利用和耕地退耕还草为主要特征。居于前列的转移流在1978—1987年为31和61型，1987—1996年为36和13型，1996—2007年为13和61型，2007—2015年为36，13和61型。这些相反流向的土地转移流是否存在土地利用变化的反复情况，无法通过两期内的土地转移流两两比较得出，需要考虑土地转移链的情况。

表3 同心县1978-2015年土地利用转移流比例比较 %

2.4 同心县关键土地转移链对比分析

以1978，1987，1996，2007，2015年为研究截面，统计同心县初始类型为耕地、草地和未利用地的转移流，根据上文提出的编码原则进行编码，对该类土地利用转移面积大于1%以上的土地利用转移链进行统计制图(图2)。由图2可以看出，研究时段内同心县的土地利用变化围绕着耕地的流失与保护进行，典型转移链以往复链和单向链为主。其中，往复链又以Ⅱa型为主，如161，131型，单向链以31和61型为主；初始耕地转移链以161型和131型的比例明显高于其它类型。161型达15 582 hm2，占耕地转移面积的13.97%；131型为12 027 hm2，占同期耕地转移面积的11.40%。初始草地转移链中，31型比例最高，达15 934.30 hm2，占耕地转移面积的13.85%。初始未利用地转移链中，以61型比例最高，转移15 582 hm2，占未利用地转移总量的13.97%。

图2 同心县1978-2015年土地利用转移链对比

3 讨论与结论

3.1 讨 论

土地变化的矢量属性研究与表达，对于提高人们对土地系统的认知和土地变化特征、机制、效应的研究具有十分重要的作用。土地利用转移流可以从数量和方向上对土地利用转移信息进行反映，应该说比以净值计算的土地利用数量结构变化反映更多的信息；基于转移流的土地转移率，对土地利用活跃度的研究也有较好的价值；土地转移链则可以探究在一个较长时段内土地利用变化的过程信息。这些信息无法通过两期内的土地转移流两两比较得出。如本研究发现，研究期内同心县的土地利用转移链的长短不一，有些发生了一次转换，如31，21，61等，有些两次转换，如131,132等，有些链更长，甚至有4次转换，如36 361，63 161等。土地利用转移链比较短，反映出土地利用较为稳定，土地转移链较长，则表明土地利用不稳定，转换频率高。因此，土地转移流、转移率和转移链可以从不同的功能层面，加强对土地利用利用过程信息的挖掘。今后将进一步对不同尺度下，对上述指标的变化内涵及其对土地利用变过程的指示意义作进一步探究。

3.2 结 论

(1) 1978—2015年同心县土地利用变化的特征如下：1978—1987年为耕地增加、草地减少，1987年后耕地、草地持续增加，未利用地持续减少，反映出人进沙退，自然生态条件有所改善。

(2) 区县尺度上，土地利用转移率渐次降低。类型尺度上，耕地转移率先升后降，草地转移率先降后升，未利用地转移率为降—升—降特征。

(3) 1978—1987年，同心县以草地转未利用地流为主，1987—1996年，土地利用转移流呈现多元特征；1996年后，加强了退耕还林还草和对未利用地的改造利用。

(4) 研究时段内同心县围绕着耕地的流失与保护进行，典型转移链以往复链和单向链为主。单向链以31(草地转耕地)和61(未利用地转耕地)为主，往复链以Ⅱa型为主，如161(耕地—未利用地—耕地)和131(耕地—草地—耕地)。土地资源开发与管理中要重视往复链所揭示的内涵并采取针对性措施。

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Information Mining in Arid Area of Central Ningxia Hui Autonomous Region Based on Vector Properties of Land Use Change

MA Caihong1,2, JIA Keli1,2, ZOU Shuyan1,2, FAN Xingang1,2

〔1.School of Resource and Environment, Ningxia University, Yinchuan， Ningxia 750021, China; 2.Ningxia(China-Arab) Key Laboratory of Resources Evaluation and Environmental Regulation in Arid Area, Yinchuan， Ningxia, 750021, China〕

[Objective] This paper was aimed to deepen the cognition to the vector properties of land use change, to further extract the profundity information in the characteristics and the rule of land use change, and to enrich the land use change research methods, to provide relevant reference for the regulation of land resources. [Methods] On a perspective of land use transfer flow, two concepts termed land use transfer rate and the land use transfer chain were introduced. Data of MSS/TM/ETM remote sensing image were used to make a case study of land change process in Tongxin County in arid area of central Ningxia Hui Aotonomous Region. [Results] Cultivated land and grassland had increased in the study region, however, the area of unused land had reduced during 1978—2015. At countywide scale, land use transfer rate had decreased gradually in Tongxin County. With respect to the land use transfer of different lands, the transfer rate of cultivated land increased firstly and then decreased; land use transfer rate of grassland reduced firstly and then rose; and land use transfer rate of unused land experienced a variation of deduce-rise-deduce in Tongxin County. From 1978 to 1987, grasslands were mostly transformed to unused lands in Tongxin County. From 1987 to 1996, the land use transfer flow was diversified. Since 1996, grasslands were expanded in the processes of cultivated land transformation and the unused land was also amplified, for it was exploited attentively. From 1978 to 2015, the transformation of land use in Tongxin County was mainly referred to the loss and protection of arable land. Among the transformation types, one-way chain had two main types referring to 31(grass turn arable land) and 61(unused cultivated land); reciprocating chain called Ⅱa, mainly had the types of 161(cultivated land-unused-cultivated land) and 131(cultivated land-grassland-cultivated land). [Conclusion] There existed a great proportion of “reciprocating chain” of land use change in Tongxin County during 1978—2015. In the future, more attention should be paid to the connotation revealed by the called reciprocating chain of land use change, and relevant countermeasures should be taken in the development and management of land resources.

landusechange;landusetransferflow；landusetransferchain；AridareaofcentralNingxiaHuiAotonomousRegion

B

： 1000-288X(2017)04-0260-06

： F301.2

2016-11-04

：2016-12-13

国家自然科学基金项目“回汉民族文化对土地利用变化的影响研究”(41361014); 宁夏科技发展计划项目(软科学，021500000432); 宁夏大学引进人才启动项目(BQD2016005)

马彩虹(1974—),女(汉族),宁夏自治区西吉县人,博士,硕士生导师,副教授,主要从事生态经济与区域可持续发展、资源环境评价与GIS/RS应用研究。E-mail:mchyanni@163.com。