1980-2016年科尔沁沙地土地利用重心的时空迁移特征

赵珍珍, 冯建迪

(山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255000)

近一个多世纪以来，全球生态环境发生了剧烈的变化，其中，土地荒漠化是当今社会面临的最严重的世界性的生态环境问题之一。荒漠化不仅威胁生态环境，同时也危害人类生存和社会稳定。我国沙漠化潜在发生面积约为4.50×106km2，占国土总面积的47.1%，而且沙漠化类型多、分布范围广，严重的影响了生态系统的安全以及制约我国经济社会的可持续发展[1]。为了履行《中华人民共和国防沙治沙法》和《联合国防治荒漠化公约》的相关义务，国家林业局从1994—2014年分别组织完成了全国五次荒漠化和沙化监测工作。我国每年因土地荒漠化和沙化造成的直接经济损失约为541亿人民币，占当年全国GDP的1.41%[2-4]。

为了控制沙漠化产生的危害，新中国成立以来，国家和地方政府开展了大规模的防沙治沙工作，如：“三北防护林体系建设工程”、“天然林资源保护”、“退耕还林(草)”、“京津风沙源治理”和“退牧还草”等生态保护与恢复建设工程[5-6]。但是，现有的研究缺乏对科尔沁沙地进行系统的、长时间序列的分析和研究。为了评价各项生态修复工程建设的成效，需要对荒漠化和沙化土地进行动态监测与评价，及时地、准确地掌握沙漠化和沙化土地的现状以及动态演替规律，从而更加高效地、有针对性地实施各项防沙治沙的政策和规划[7-8]。本文对科尔沁沙地进行长时间序列的动态监测，基于土地利用重心迁移模型，分析其自20世纪80年代到2016年土地利用重心迁移特征，探明该地区不同时期间各土地利用类型空间格局、重心迁移轨迹和重心迁移速率，并以此揭示科尔沁沙地生态环境的不稳定性和脆弱性。

1 研究区域与数据来源

1.1 科尔沁沙地区域特征

科尔沁沙地，位于北纬42°30′—45°30′，东经119°—124°，东北平原西部，内蒙古自治区东南部，介于西辽河中下游的赤峰市和通辽市之间，面积约为4.23×104km2，是我国最大的沙地。科尔沁沙地属于半干旱温带大陆性季风气候区，年平均降水量为300～400 mm，且多集中于夏季，年平均气温约为7.1 ℃，年平均日照时数约为2 959.3 h，年平均风速约为3.7 m/s，风大是该地区气候的最突出特点之一。科尔沁沙地人口由1980年的236.5万人增长到2016年的316.4万人，为满足生活需求，耕地面积和牲畜存栏量也在不断增加。新中国成立以前的多种蒙地开垦政策，以及新中国成立初期经历的四次垦荒人潮，使科尔沁沙地不断经历着“开垦—沙化—弃耕”。然而，20世纪以前，科尔沁沙地也曾是水草丰美的大草原，受气候变化，主要是气温升高和降雨量少，以及人类活动的影响，草地和林地受到破坏，沙地不断扩张，生态环境不断恶化。故分析科尔沁沙地土地利用格局演变过程，可为该地区调整土地利用结构和改善生态环境提供可靠的数据基础。

1.2 数据来源与预处理

研究所用的空间数据是覆盖科尔沁沙地的1980，1990，2000，2010，2014和2016年6个时期的Landsat系列卫星影像数据和通辽行政区划矢量数据，影像来源于“地理空间数据云”平台。根据Landsat卫星的全球参考系统WRS(world wide reference system)，共四景影像覆盖本研究区域，其条带号/行编号为(120,29)，(120,30)，(121,29)和(121,30)。影像选取条件：时间以研究年份为主，若本年度无最佳影像可向前或向后两年；每景影像的云量小于1%；具体日期以7—9月中下旬为最佳，此时植被生长状况较好。

基于ENVI软件进行预处理，主要过程包括辐射定标、FLAASH大气校正、几何校正、镶嵌、去背景值等。根据科尔沁沙地范围界限，裁剪预处理后的数据，并进行匀色处理。值得注意的是，Landsat8OLI影像处理过程须在ENVI 5.0及以上版本进行处理，并下载该传感器对应的波谱响应函数sli。

1.3 Landsat系列卫星影像分类

根据遥感影像空间分辨率的高低以及研究区的特点，确保遥感影像能够完成解译目标的前提条件下，参考《土地利用现状分类(GB/T21010-2007)》，将科尔沁沙地分为植被、水体、建筑用地、沙地和耕地5类。本研究选择监督分类与人工目视解译相结合的方法进行Landsat影像分类，在提高解译速度的同时，又能够保证解译精度。现有的监督分类方法很多，常用的有最大似然法、最小距离法、决策树分类法、SVM分类法等[15-16]。首先在ENVI软件平台上，采用监督分类方法中的最小距离法进行影像分类，获取初步分类结果，该结果会出现错分和漏分的现象。因此，下一步需要将该分类结果保存成矢量格式，并转到ArcGIS软件平台上进行纠错改正。从分类结果中，选取200个样本，与Google Earth软件上的高分辨率遥感影像进行对比，使最终分类精度达到95%以上(附图5)。

2 土地利用重心迁移模型

重心的概念源自于物理学，是指在重力场中用于支撑目标物体在任何方位时重力合力的作用点。自1984年起，这一概念逐渐被引入到社会经济学领域，用于研究人口、经济等方面重心变化情况[9-11]。土地利用重心迁移模型是借鉴人口分布重心变化的原理，用于揭示各类土地资源空间格局变化的过程[12-14]。本文利用土地利用重心迁移模型计算科尔沁沙地不同时期各土地利用类型的重心坐标，以及相邻时期间各土地利用类型重心迁移距离和重心迁移速率，直观地反映该地区土地利用空间格局变迁的过程和变化的速度，进而体现出科尔沁沙地生态环境的不稳定性和脆弱性。t时期土地利用类型为j的重心坐标计算公式为：

(1)

(2)

式中：X(j,t)，Y(j,t)——t时期土地利用类型为j的重心经度和纬度坐标；n——t时期土地利用类型为j的斑块总数； LA(i,t)——t时期土地利用类型为j的第i个图斑的面积；X(i,t)，Y(i,t)——t时期土地利用类型为j的第i个图斑的几何中心经度坐标和几何中心纬度坐标。

同一土地利用类型不同时期重心迁移距离测度的计算公式为：

D(i,m-n)={〔X(i,m)-X(i,n)〕2+

〔Y(i,m)-Y(i,n)〕2}1/2

(3)

式中：D(i,m-n)——m时期和n时期间土地利用类型为i的重心移动距离； 〔X(i,m),Y(i,m)〕，〔X(i,n),Y(i,n)〕——m时期和n时期间土地利用类型为i的重心坐标。

同一土地利用类型不同时期重心迁移速率的计算公式为：

V(i,m-n)=D(i,m-n)/(tm-tn)

(4)

式中：V(i,m-n)——土地利用类型为i的重心迁移速率；tm，tn——研究末期和研究初期。

3 结果与分析

基于各时期土地利用数据，利用重心迁移模型，计算得出1980—2016年科尔沁沙地不同时期各土地利用类型的重心坐标(如表1所示)。1980—2016年期间，科尔沁沙地的植被重心总体上向西北方向移动，植被最西北重心出现在2000年，最东南重心出现在1990年，两个时期植被重心经向移动了0.106°，纬向移动了0.077°。水体重心经向移动方向为西，移动了0.153°，纬向移动方向为南，移动了0.035°。建筑用地重心的最小经度和最小纬度均出现在1990年，坐标为(121.918°,43.382°)，最大经度和最大纬度出现在2016年，坐标为(121.943°,43.405°)，建筑用地的重心总体上向东北方向移动，移动的最大经度为0.025°，最大纬度为0.023°。沙地重心总体上向西南方向移动，重心经向移动的最大值为0.102°，重心纬向移动的最大值为0.128°。耕地重心总体上向东北方向移动，重心经向移动的最大值为0.041°，重心纬向移动的最大值为0.040°。

表1 1980-2016年科尔沁沙地各土地利用类型重心坐标 (°)

根据图1可知，从1980到1990年期间，植被重心经向移动0.053°，纬向移动0.058°，移动方向为东南，移动距离为7 647.1 m。从1990—2000年，植被重心经向移动0.106°，纬向移动0.077°，移动方向为西北，移动距离为12 035.8 m。从2000—2010年，植被重心经向移动0.016°，纬向移动0.037°，移动方向为东南，移动距离为4 386.7 m。从2010—2014年，植被重心经向移动0.010°，纬向移动0.017°，移动方向为东南，移动距离为2 039.3 m。从2014—2016年，植被重心经向移动0.001°，纬向移动0.038°，移动方向为东北，移动距离为4 205.4 m。其中，1990—2000年植被重心移动距离最大，其次是1980—1990年。

图1 1980-2016年科尔沁沙地植被重心迁移特征

从1980—1990年，研究区水体重心经向移动0.022°，纬向移动0.027°，移动方向为东南，移动距离为3 577.8 m(图2)。从1990—2000年，水体重心经向移动0.015°，纬向移动0.012°，移动方向为西南，移动距离为1 804.2 m。从2000—2010年，水体重心经向移动0.101°，纬向移动0.003°，移动方向为东南，移动距离为8 200.2 m。从2010—2014年，水体重心经向移动0.042°，纬向移动0.010°，移动方向为东北，移动距离为3 533.8 m。从2014—2016年，水体重心经向移动0.003°，纬向移动0.003°，移动方向为东南，移动距离为385.1 m。其中，2000—2010年水体重心移动距离最大，其次是1980—1990年。

图2 1980-2016年科尔沁沙地水体重心迁移特征

1980—2016年期间，建筑用地重心移动距离的幅度大小不一，移动方向也有所不同。1980—1990年，水体重心的移动方向为西南，移动距离为1 475.0 m，经向移动0.015°，纬向移动0.009°，是水体重心移动最快的时期(图3)。1990—2016年的4个时期内，水体重心移动的距离分别为648.3，900.7，1 313.5和535.2 m，移动方向均为东北。

图3 1980-2016年科尔沁沙地建筑用地重心迁移特征

1980—2016年期间，沙地重心变化幅度最大、最复杂。1980—1990年，沙地重心向西北方向移动，移动距离为3 812.6 m，经向移动0.042°，纬向移动0.018°(图4)。1990—2000年期间，沙地重心的移动转向为东南，而且移动距离达到了11 382.5 m，是沙地重心移动最快的时期。2000—2010年，沙地重心的移动方向开始掉头转为西北，移动距离为5 429.6 m。2010—2014年，沙地重心的移动方向与1990—2000年期间的方向相反，移动距离为6 799.8 m，经向移动0.080°，纬向移动0.018°。2014—2016年期间，沙地重心往南移动，移动距离为9 720.5 m，纬向移动了0.087°。

相邻时期，耕地重心的移动方向和移动距离各有不同(图5)。1990—2000年和2010—2014年两个时期，耕地重心的方向变化和距离变化最为突出，其中，1990—2000年，耕地重心的移动方向为东南，移动距离为4 018.4 m，经向移动了0.033°；2010—2014年，耕地重心转向东北方向，移动距离为4 009.7 m，经向移动0.028°，纬向移动0.030°。

图5 1980-2016年科尔沁沙地耕地重心迁移特征

各土地利用类型的重心迁移速率能够更加直观地反映土地利用空间格局变化的速度。从表2可知，1980—2016年，植被重心的迁移速率为64.6 m/a，其中2014—2016年期间重心迁移速率为2 012.7 m/a，达到最大值，最小值出现在2000—2010年期间。1980—2016年，水体重心的迁移速率为389.3 m/a，是植被重心迁移速率的6倍多，其中在2010—2014年，水体重心迁移速率达到最大值。1980—2016年，建筑用地重心迁移速率为53.6 m/a，说明该地区建筑用地的扩张主要发生在原有建筑用地的基础上，与植被重心迁移速率接近。沙地总体重心迁移速率为379.5 m/a，2014—2016年沙地重心迁移速率高达4 860.3 m/a，说明沙地重心变化波动较大。耕地总体重心迁移速率为148.3 m/a，2014—2016年和2000—2010年期间重心迁移速率分别达到最大值和最小值，分别为1 002.4和158.2 m/a。各土地利用类型在不同时期的重心迁移速率有较大差异，建筑用地总体迁移速率最小，水体和沙地的重心迁移速率相对较大，该现象主要与科尔沁沙地生态环境脆弱，造成的水资源持续性减少以及沙地随时反弹有关。

表2 1980-2016年科尔沁沙地 土地利用重心迁移速率 m/a

4 结 论

本文基于1980—2016年科尔沁沙地土地利用数据，利用土地利用重心迁移模型，计算了不同时期各土地利用类型的重心坐标，以及相邻时期间各土地利用类型重心迁移距离和重心迁移速率。研究结果显示，35 a来科尔沁沙地的植被重心向西北方向迁移，水体重心向东南方向迁移，建筑用地重心向东北方向迁移，沙地重心向西南方向迁移，耕地重心向东北方向迁移；各时期间，各土地利用类型重心迁移距离变化剧烈，但总的重心迁移速率有所减缓。科尔沁沙地近35 a的土地利用重心迁移轨迹和迁移速率，直观地反映了该地区土地利用空间格局变迁的过程，以及人类利用和改造土地资源在空间上的轨迹，揭示了科尔沁沙地生态环境的不稳定性和脆弱性，为土地资源的合理开发和生态环境的改善提供参考依据。