1990-2015年图们江流域耕地时空变化遥感分析

相恒星，王一航，张敬瑶，朱卫红,3，*

(1.延边大学理学院，吉林 延吉 133000；2.吉林师范大学，吉林 四平 136000； 3. 长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，吉林 延吉 133000)

1990-2015年图们江流域耕地时空变化遥感分析

相恒星1，王一航1，张敬瑶2，朱卫红1,3，*

(1.延边大学理学院，吉林 延吉 133000；2.吉林师范大学，吉林 四平 136000； 3. 长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，吉林 延吉 133000)

研究图们江流域的耕地变化对加强图们江流域土地利用调控与管理有重要作用.以Landsat MSS/TM/OLI 遥感影像为数据源，基于GIS软件，利用转移矩阵、统计分析等方法，计算图们江流域耕地变化情况和耕地相对转化情况，分析图们江流域1990-2015年共计25年间的耕地面积时空变化规律.结果表明：图们江流域的耕地广泛分布在中游区域，尤其旱地面积显著大于水田的面积，在25年间耕地总面积先增加后减少.1990—2015年，图们江上游耕地面积呈缓慢增长趋势，但后十五年增长速度高于前十年；图们江中游耕地面积前十年呈快速增长趋势，后十五年缓慢下降；而图们江下游25年内耕地面积变化不显著.1990—2015年，图们江流域水旱地结构发生了相互转换，水田向旱地的转化量大于旱地向水田的转化量.

遥感；时空变化；图们江流域；耕地

土地是人们生存与发展当中不能忽缺的重要的资源，耕地面积的大小与耕地的产量反映了一个国家的基本国情，从而代表着国家的人口承载量与可持续发展的能力.随着我国经济的不断发展与人口数量的增长，人类的各项活动与耕地系统之间的矛盾日益明显，从而造成耕地的需求量不断增加[1].利用遥感数据准确获取土地利用面积的变化信息，分析耕地变化的原因，可以为耕地保护政策的实施和实现经济可持续发展奠定基础[2,3].同时土地利用在数量和空间布局上都发生了巨大的变化，因此研究耕地面积变化可以准确预测未来耕地变化趋势和数量并分析其影响因素，这对政府决策具有重要的现实意义[4-6].

图们江流域植被资源十分丰富，土壤肥沃，水源充足，是全省乃至全国公认的“生态后花园”.其植被覆盖率达80%以上，在这个环境恶劣的时代，对东北亚乃至更大范围的生态系统和气候调节有着十分重要的地位.研究该地区的耕地时空变化，就能了解该地区整体耕地变化情况，对图们江流域生态环境保护、经济建设以及预测未来耕地变化趋势和数量提供理论依据[7,8].

现如今，耕地问题日益突出，备受关注.专家学者们也纷纷从不同的角度出发，对各研究区多年的耕地变化趋势展开研究.满卫东对1990-2013年东北地区耕地时空变化进行了分析，得出了耕地变化的原因.满卫东认为变化原因应从人为因素到自然因素结合分析.张运利用1999-2009年的耕地统计数据，对长沙市的耕地总量和人均量的时序变化及空间地域分异特征进行分析[9]. 本文利用图们江流域1990年、2000年和2015年3期遥感影像数据，结合GIS相关计算机软件与空间分析技术，分析了图们江流域的耕地分布与变化情况，分析了水田与旱地的转化特征，通过不同时期耕地面积的变化，探究影响耕地面积大小的因素，为城市发展规划与决策提供指导性建议，对维护图们江地区粮食生产和吉林省粮食安全具有重要的意义.

1 研究区概况与数据处理

1.1研究区概况

图们江流域地处中国、俄罗斯与朝鲜三国交界处，长白山北麓，东邻日本海，吉林省东部边界地区.经纬度范围处于北纬41°59′47″至44°30′42″，东经127°27′43″至131°18′33″之间.研究区面积约为22860平方千米，占吉林省总面积的11.9%.图们江流域范围的界定是通过ArcGIS10.2软件的流域水文分析模块，根据DEM数据地形特征，提取出盆域、流域范围及水系图.图们江发源于长白山山脉主峰，沿着山脉东北方向顺势流下，一路蜿蜒盘旋，最终注入日本海，干流全长525公里，总落差1297米.中朝界河段长510公里，俄朝界河15公里.本文所研究的区域为图们江流域中国一侧，属延边州管辖范围.

图1 研究区地理位置

图2 图们江流域水系图

1.2数据来源与处理

研究采用的遥感影像数据源为LandsatMSS/TM /OLI，分别为1990年、2000年和2015年共3期，对图们江流域的耕地信息进行提取，共使用了12景遥感影像，其中Landsat TM影像4景，MSS影像4景，OLI影像4景.采用的DEM ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/search).

数据处理包括，利用ENVI和ArcGIS对3期影像分别进行大气校正、几何校正、裁剪及拼接等；利用2015年的OLI数据作为基准影像，对1990年和2000年的MSS/TM数据进行校正，使3期影像的几何误差较小，从而提高精度[10,11].

1.3研究方法

采用面向对象分类法与目视解译法相结合的方法.其中面向对象的影像分析方法( object- based image analysis，OBIA)基本原理是对影像进行分割，能够避免“同物异谱”和“同谱异物”的问题，是一种实用的操作方法.面向对象的分类方法不局限于地物的光谱特性，还依据于对象的大小形状、颜色、纹理特征完成分类[12].本文以eCognition8.64软件为平台，先对数据源进行预处理，对影像进行多尺度分割，根据图们江流域遥感影像特征，分割尺度为100，建立解译标志，解译标志如表1所示.根据对象特征自动分类获取初步的解译结果，再结合目视解译修改得到准确的解译结果，对分类结果进行精度评价，输出解译结果，同时基于ArcGIS进行数据处理与分析，充分利用Arctoolbox中的分析工具对3期数据进行分析与解译[13].

表1 图们江流域耕地解译标志

在图们江流域共计调查98个点，其中安图县12个调查点，和龙市9个调查点，珲春市13个调查点，龙井市22个调查点，图们市13个调查点，汪清县20个调查点，延吉市9个调查点.98个点当中有89个点可以与影像分类相匹配，准确率接近91%.这98个调查点遵循均匀分布研究区各区域的原则，详细分布情况见图3.

图3 图们江流域调查点分布

2 结果与分析

2.1不同时期图们江流域耕地分布

1990年、2000年和2015年耕地面积分别为2702.1km2、2953.9km2和3059km2，分布图见图4.1990年旱地面积为2257.5km2，水田面积为444.6km2，土地总面积为22634.7km2，旱地占土地总面积的9.97%、水田占土地总面积的1.96%；2000年旱地面积为2559.4km2、水田面积为394.5km2，旱地占土地总面积的11.3%、水田占土地总面积的1.74%；2015年旱地面积为2717.8km2、水田面积为341.2km2，旱地占土地总面积的12.0%、水田占土地总面积的1.51%.详情见表2.

表2 1990-2015年图们江耕地面积及比例(单位：平方千米)

旱地广泛分布在图们江中游.水田受水源供应和气温等因素限制，主要分布在图们江的主要支流海兰河、嘎呀河、布尔哈通河、大汪清河、浑春河等河流周围，从图4得知图们江上游水田较少.人口密度的变化并不会引起耕地的减少.由于当前相关的社会保障体系尚不健全，无法在制度上给予进城农民以生存保障，难以让其主动放弃收益不高的耕地收入，因此尽管人口密度增大会促进耕地增加，但耕地并不会因人口密度的减小而减少.

图4 1990-2015年图们江流域旱地、水田分布情况

1990年到2000年水田减少了50.1km2，2000年到2015年水田减少了53.3km2.总体来看，25年水田共减少了103.4 km2.从趋势上看，水田有逐年减少的趋势，这与降水量减少、退耕还湿等因素有密不可分的关系.1990年到2000年旱地增加了301.9km2，2000年到2015年旱地增加了158.4km2，1990-2015年旱地共增加460.3 km2，总体呈增加趋势.详细情况见图5.

图5 1990-2015年图们江流域水田、旱地面积变化量

2.2图们江不同流域耕地时空变化特征

图们江各流域1990-2015年耕地面积增速变化特征不同.图们江上游耕地面积持续增加，但增加幅度较小，1990-2000年面积变化量(增加0.53 km2)低于2000-2015年面积变化量(增加2.27 km2)；图们江中游耕地面积持续增加，增加幅度较大，耕地变化较为明显，1990-2000年面积变化量(增加254.55 km2)高于2000-2015年面积变化量(增加102.68 km2)；图们江下游耕地面积持续减少，减少幅度较小，1990-2000年减少了2.88km2，2000-2015年，减少了0.13km2.详细数据见表3.

表3 1990-2015年图们江上中下游耕地面积及面积变化量(单位：平方千米)

2.3图们江流域水田和旱地的面积转化特征

1990-2000年图们江流域旱地未发生变化的面积为2247km2，旱地转换成水田共计3km2，水田转换成旱地共计43km2，水田未发生变化的面积为392km2，详细情况见表4.

表4 1990-2000年图们江流域水、旱田转移矩阵(单位：平方千米)

2000-2015年图们江流域旱地未发生变化的面积为2286km2，旱地转换成水田共计27km2，水田转换成旱地共计59km2，水田未发生变化的面积为306km2，详细情况见表5.

表5 2000-2015年图们江流域水、旱田转移矩阵(单位：平方千米)

1990-2015年图们江流域旱地未发生变化的面积为2034km2，旱地转换成水田共计25km2，水田转换成旱地共计95km2，水田未发生变化的面积为308km2，详细情况见表6.1990-2015年期间水田向旱地的转化量大于旱地向水田的转化量，从而可以得知水改旱明显.结合近25年图们江流域情况，得出降雨量减少等因素造成了水田向旱地的转化量增加.面积变化如图6所示.

表6 1990-2015年图们江流域水、旱田转移矩阵(单位：平方千米)

图6 1990-2015年水田、旱地面积转化图

3 结论

在提取1990-2015年，图们江流域范围内耕地信息变化情况方面，面向对象分类法与目视解译法相结合的方法具有显著的优势，能够迅速、精准地完成耕地信息提取.1990年、2000年和2015年3期耕地分类结果的准确率与耕地动态数据的准确率均较高.图们江流域属于温带湿润季风气候，四季分明，降水量十分丰富，潮湿多雨为本区域内的共性，年平均降水量大约为400-650毫米，居吉林省首位.水田分布明显表现出受水源限制的特征，多分布于图们江主要支流附近.

25年间，虽然气候变化对图们江流域耕地变化有一定影响，但政策调控、经济发展、科技进步、人口增长、城市扩张等人文因素仍然是耕地变化和时空分异特征的重要驱动因素，其中政策因素占主导地位.1990年延边州地区GDP为422441万元，截至2015年GDP增长至8588402万元.由于经济的快速发展，耕地已经由以规模农业效益，转向科技农业效益.1990年延边州地区人口数为206.9万人，截至2015年延边州地区人口增至213.58万人，表明近25年人口呈增长趋势，人口的增长直接促进粮食需求增长和生存生活必需基础设施与场所的规模扩大，进而导致图们江流域耕地面积的扩张.本论文还存在一定不足，只是从耕地数据上来分析近25年图们江流域耕地时空变换，并未做更细化的研究，缺乏地面实测数据，对于结果的准确性有待进一步验证.宜选取比较精细的数据集，结合合适的分析模型，加上实测数据，进一步反演出更精细的耕地变换情况[14-16].

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RemoteSensingAnalysisofCultivatedLandSpatial-temporalChangeinTumenRiverBasinfrom1990to2015

XIANG Hengxing1，WANG Yihang1，ZHANG Jingyao2，ZHU Weihong1，3，*

(1.College of Science, Yanbian University, Yanji Jilin 133000, China; 2.Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China; 3.Changbai Mountain Key Laboratory of Biological Resources and Functional Molecules, Yanji Jilin 133000, China)

The study of cultivated land change in Tumen river basin plays an important role in strengthening the regulation and management of land use in Tumen river basin. Based on GIS software and with remote sensing images of Landsat MSS/TM/OLI as the data source, this paper calculates the variation and the relative transformation of cultivated land in Tumen river basin using the methods of transition matrix and statistical analysis, and analyzes the 25-year spatio-temporal variation rules of cultivated land area in Tumen river basin from 1990 to 2015.The result shows that: The cultivated land is widely distributed in the middle reaches of Tumen river basin, especially the area of dry farmland is significantly higher than that of paddy field; And the total area of cultivated land increased first and then decreased among the 25 years. From 1990 to 2015, the area of cultivated land increased gradually in the upper reaches of the Tumen river, and the growth rate of the latter fifteen years was higher than the previous ten years. While the cultivated land area in the middle reaches of Tumen river showed a rapid growth trend in the first ten years, and declined slowly in the last fifteen years. However, the area in the lower reaches has not changed significantly within the 25 years. From 1990 to 2015, the structure of paddy and dry farmland in Tumen river basin was of a mutual conversion—the transformation of paddy-to-dry is much higher than that of paddy-to-dry.

remote sensing ; spatial-temporal change; Tumen river basin; cultivated land

S127

A

1008-4681(2017)05-0008-06

2017-09-01

国家自然科学基金(批准号：41361015)资助项目；延边州湿地保护发展中心地方横向项目(批准号：201600001).

相恒星(1993— ),女,吉林白山人，延边大学理学院硕士生.研究方向：资源环境遥感.

*通讯作者：朱卫红(1972— )，女，吉林延吉人，延边大学理学院教授，博士.研究方向：湿地保护、生态遥感.

(责任编校：晴川)