基于GIS的长白山保护区林地时空变化图制作方法研究

柴新宇

(广东工贸职业技术学院，广州 510510)

长白山为东北-西南山脉，总面积约2 019.97 km2，因其良好的生态吸引了众多开发商。2009-2011年，长白山卫星地图显示有大量“黄斑”，这些“黄点”便是别墅和高尔夫俱乐部，短短两年的时间里，这里开发了近3.60 km2的林地[1]。

土地利用/覆被变化(LUCC)是全球生态环境变化和全球气候变化研究的重点[2]。为探索长白山自然保护区林地土地利用/覆盖变化规律，以此为长白山自然保护区林地保护提供参考，采用土地利用统计[3]、转移矩阵和净变化[4](NC)等方法，设计了长白山自然保护区林地时空变化图。

选用分辨率为30 m的时间相差25年的吉林省土地覆被栅格两期数据及长白山保护区边界，运用ArcGIS软件进行数据处理。根据研究需要，使用标准C专项一级类对土地覆被类型进行划分(如表1所示)。

长白山保护开发区的发展应更加注重对其生态环境的保护，制定相关的政策措施，对长白山保护开发区的土地利用进行控制，更好地管理长白山保护开发区及其生态环境，解决保护与利用的矛盾，推进长白山保护区发展工作顺利实施。根据城市规划编制方法和长白山保护开发区的保护要求，将其空间控制划分为禁区、限制区和适宜区三个区域。

表1 标准C专项一级类Tab.1 Class A of standard C special project

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

长白山自然保护区[5]位于吉林省东南部，与延边朝鲜族自治州安图县、浑江地区抚松县、长白县隔海相望，东南与朝鲜接壤，总面积2 019.97 km2，森林覆盖率87.9%，是以森林生态系统为主要保护对象的自然综合体。全区最大南北长80 km，东西长42 km。

长白山天池是一个由积水形成的火山口湖[6]，复杂的地质构造形成了面积1 000多m2的温泉群。长白山自然保护区有三个地貌单元，即长白山中心的火山锥、长白山脚下的倾斜熔岩台和熔岩台地。从圆锥体下部到山前熔岩高原，再到熔岩台地，地形向下倾斜，高度降低，坡度减慢[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 转移矩阵

土地利用转移矩阵[8]是土地利用类型间相互转化的数量和方向定量研究的主要方法，它能够具体反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向。

土地利用转移矩阵的数学表达为：

(1)

式中：Sij为研究期内第i类土地向第j类转化的面积 (km2)；i为第一时期土地利用类型；j为第二时期土地利用类型；n为土地利用类型的数量。利用土地利用转移矩阵分析长白山保护区两期数据不同土地利用类型的转移方向和数量。

1.2.2 净变化量

地类的净变化量[9]指研究时段内某土地类型 (a) 期末面积与期初面积之差的绝对值。从土地转入转出过程来看，即研究期末各地类转入a的面积与a地类转出面积之差的绝对值。净变化量NCa可表述为：

(2)

式中：n表示地类数，i、j(i，j=1，2，…，n)分别表示转移后与转移前的土地利用类型；Saj为第j地类转入到a地类的面积；Sia为a地类转出到第i地类的面积；Saa为a地类不变面积[10]。

2 数据处理

2.1 数据预处理

在系统工具箱中选择Spatial Analyst Tools-提取分析-按掩膜提取：用长白山保护区边界分别对第一期、第二期吉林省土地覆被栅格数据进行裁剪。在系统工具箱中选择Conversion Tools-由栅格转出-栅格转面。对第一期、第二期长白山保护区土地覆被栅格数据进行栅格转面，得到第一期、第二期长白山保护区土地覆被矢量数据。

使用标准C专项一级类对code1990、code2015字段进行编码修改，当gridcode分别为1、2、3、4、5、6时，土地类型为人工表面、草地、湿地、林地、耕地、其他，用字段计算器在code1990字段和code2015字段输入对应的一级类编码：5、2、4、1、3、6。在code字段分别按属性选择不同的一级类编码，分别于所选记录中在其name字段右键字段计算器输入对应的一级类名称。

2.2 数据融合

在ArcGIS里分别打开两个时相的图层，打开系统工具箱，选择Dissolve功能。Input Feature选择第一期、第二期长白山保护区矢量数据图层，Output Feature Class选择输出结果存储的位置及名称，Dissolve Field(s)选择土地覆被类型字段name，勾选Creat multipart features选项并点击确定。

在ArcGIS中打开融合后的长白山保护区第一期和第二期数据的矢量数据，在系统工具箱中选择Analysis Tools-Overlay-Intersect求交集工具，Input Features选择融合后的长白山保护区第一期和第二期数据的矢量数据，输出特征类选择叠加结果存储的位置及名称，得到两期长白山保护区矢量数据。

2.3 转移矩阵

2.3.1 矢量数据制作转移矩阵表

打开完成数据相交操作后保存为dbf格式的矢量数据属性表，另存为电子表格格式并打开。在电子表格中勾选全部数据，点击“插入”功能，勾选“数据透视表”-“数据透视表”，点击“OK”。在打开的数据透视表中按图示把字段放到指定位置。Excel会自行推算矩阵，将该表进行修饰得到土地利用转移矩阵。在矩阵中，土地面积用r(i,j)表示i类型向j类型转移，空值表示i类型向j类型一点没有转移。

2.3.2 栅格数据制作转移矩阵表

在系统工具箱中选择Spatial Analyst Tools-地图代数-栅格计算器，在计算框中输入“第一期数据栅格数据*10+ 第二期数据栅格数据”，选择输出路径，点击“OK”完成。

在属性表中选择Option-Export，将属性表保存为格式为dbf文件。

在Excel中，open保存的dbf文件另存为电子表格格式且打开，用EXCEL的“分列”功能将编码列分为第一期数据土地利类型编码和第二期数据土地利类型编码。在电子表格中勾选全部数据，点击“插入”选项卡，选择“数据透视表”-“数据透视表”，点击“确定”。在打开的数据透视表中按图示将字段拖入相应区域。Excel自动推算矩阵将该表修饰得到土地利用转移矩阵。在矩阵中，r(i,j)表示i类型向j类型转移的土地面积，空值表示i类型向j类型没有转移。

用电子表格打开“土地覆被类型变化表”，提取第一期数据和第二期数据林地的转入量和转出量。林地的转入量为由某种土地利用类型转移到林地的面积，林地的转出量为由林地转移到另一种土地利用类型的面积，根据净变化量公式(2)计算，净变化量为转入量减去转出量。

3 结果分析

3.1 现状统计与林地统计分析

如表2所示，第一期数据长白山保护区的林地面积为1 742.77 km2，占总面积的86.27%；草地面积为4.40 km2，占总面积的0.22%；耕地面积为3.00 km2，占总面积的0.15%；湿地面积为8.28 km2，占总面积的0.41%；人工表面面积为3.16 km2，占总面积的0.16%；其他面积为258.36 km2，占总面积的12.79%。其中，林地、其他为长白山保护区的主要土地覆被类型，占到了总面积的99.06%，远高于其他类型所占比例。

表2 长白山保护区第一期数据土地覆被面积统计表Tab.2 Land cover area statistics table of the first phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

从图1来看，长白山保护区的土地覆被类型有6种，分别是林地、草地、耕地、湿地、人工表面、其他。长白山保护区林地分布最为广泛，是保护区的主要土地覆被类型，在研究区的北部、西部和南部分布较为完整。草地面积较少且比较分散，主要分布在研究区的东部和西南部。耕地的占地面积最少，主要分布于研究区的西南部。湿地呈线状分布和块状分布，分布在研究区的东部、北部和西南部。人工表面呈现出线状和点状分布特征，集中分布在北部、东北部和南部。其他类型在研究区东部分布较为完整，在研究区南部呈碎块状分布。

图1 长白山保护区第一期数据土地覆被类型和林地分布图Fig.1 Data of the first phase of land cover types and forest distribution map of Changbai Mountain Nature Reserve

如表3所示，第二期数据长白山保护区的林地面积为1 773.24 km2，占总面积的87.79%；草地面积为3.51 km2，占总面积的0.17%；耕地面积为2.73 km2，占总面积的0.14%；湿地面积为8.30 km2，占总面积的0.41%；人工表面面积为3.16 km2，占总面积的0.16%；其他类型面积为229.04 km2，占总面积的11.33%。林地和其他类型依然是研究区主要的土地覆被类型，占总面积的99.12%。

表3 长白山保护区第二期数据土地覆被面积统计表Tab.3 Land cover area statistics table of the second phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

图2 长白山保护区第二期数据土地覆被类型和林地分布图Fig.2 Data of the second phase of land cover types and forest distribution map of Changbai Mountain Nature Reserve

从图2可以看出，林地的面积相比于第一期数据有了明显的增加，呈现出增长趋势，其增长主要分布在研究区东南部，说明该保护区在这25年内林地保护取得了较大的成效。在研究区东南部，其他和草地的面积明显减少。耕地、湿地及人工表面等土地覆被类型相比于第一期数据，长白山保护区的土地类型分布没有太大的差异。

3.2 土地覆被面积对比分析

长白山保护区第一期和第二期土地覆被类型面积统计数据如表4所示。 长白山保护区第一期和第二期土地覆被类型面积对比如表4～7所示。

表4 长白山保护区第一期和第二期数据土地覆被类型面积统计表Tab.4 Land cover area statistics table of the first and second phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

第一期数据-第二期数据：林地面积增加，增加了30.47 km2；湿地和人工表面的面积几乎不变；草地、耕地和其他都在不同程度地减少。

3.3 转移矩阵分析

3.3.1 矢量数据转移矩阵分析

通过分析土地覆被转移矩阵，能够得到不同土地覆被类型之间相互转化的数量关系，进而分析土地覆被变化的过程及其空间变化。从表5可知，研究期间：

林地向草地、耕地、湿地、人工表面和其他均有微量转移，其中林地向耕地转移的面积最大，转移面积为1.8 km2，向其他转移面积为0.90 km2，向草地转移的面积为0.16 km2，向湿地转移了0.10 km2，向人工表面转移了0.08 km2。

草地主要向林地转移，转移面积为0.96 km2，草地向耕地转移了0.09 km2。 耕地仅向林地转移，转移面积为2.26 km2。湿地向林地和其他略微有所转移，转移面积均为0.03 km2。湿地向耕地有所转移，转移面积为0.01 km2。人工表面仅向耕地转移，转移面积为0.08 km2。其他主要向林地转移，转移面积为30.26 km2。其他是本设计中转移量最大的土地类型。

3.3.2 栅格数据转移矩阵分析

栅格数据转移矩阵如表6所示。

表5 矢量数据转移矩阵 (km2)

表6 栅格数据转移矩阵 (km2)

通过对比表5和表6可以看出，矢量数据与栅格数据在面积计算上存在一定的差异。

长白山保护区两期数据的矢量数据土地覆被类型转移主要集中在研究区的东南部和西南部，其中大部分为林地，能够直观地看到土地覆被类型之间的转移方向。

3.4 林地净变化量分析

从表7中能够看出，第一期到第二期数据这25年间，长白山保护区土地覆被类型的转入量和转出量及净变化量。林地的转入量为由某种土地覆被类型转移到林地的面积。林地的转出量为由林地转移到另一种土地覆被类型的面积。净变化量为转入量减去转出量。因此林地的转入情况为：由草地转入0.96 km2，由耕地转入2.26 km2，由湿地转入0.03 km2，由其他转入30.26 km2；林地的转出情况为：林地转出为草地0.16 km2，转出为耕地1.80 km2，转出为湿地0.10 km2，转出为人工表面0.08 km2，转出为其他0.90 km2；林地的净变化量为30.47 km2。由此可见，林地的转入量大于转出量，说明长白山保护区25年林地的面积呈现增长趋势，林地保护取得了一定成效。

表7 长白山保护区第一期数据-第二期数据林地净变化量表Tab.7 Forest net change scale of the first and second phase data of Changbai Mountain Nature Reserve

从图3可以看出，林地转入的面积远大于转出的面积，说明长白山保护区林地面积的转入主要来自于其他向林地的转移，耕地和草地次之，来自湿地和人工表面转入很少。

图3 长白山保护区第一期数据和第二期数据林地转移变化柱状图Fig.3 Histogram of forest land transfer of the first and second phase of data of Changbai Mountain Nature Reserve

4 结论

以第一期和第二期两期长白山保护区土地覆被栅格数据为基础，在ArcGIS 10.2软件的支持下，提取出第一期和第二期长白山保护区土地覆被数据，运用转移矩阵模型和净变化量模型，对长白山保护区的土地覆被数据进行处理，研究长白山保护区林地的变化情况。数据处理包括数据裁剪、格式转换、编码修改、数据融合、数据相交、制作转移矩阵和计算净变化量。研究结果表明：

第一期数据长白山保护区的林地面积为1 742.77 km2，占总面积的86.28%；第二期数据长白山保护区的林地面积为1 773.24 km2，占总面积的87.79%，长白山保护区这25年林地面积增加了30.47 km2，增长率为1.75%。

两期数据中，林地来自其他的转移面积最大，为30.26 km2。林地向耕地转移了1.8 km2，向其他转移了0.90 km2，向草地转移了0.16 km2，向湿地转移了0.10 km2，向人工表面转移了0.08 km2。

两期数据中，长白山保护区林地的转入量大于转出量，净变化量为30.47 km2。林地面积呈现增长趋势，发生转移变化的位置主要集中在研究区的西南和东南部。可以看出，该保护区25年内林地保护取得了一定的成效。

矢量数据与栅格数据在面积计算上存在一定的差异，由此对长白山保护区未来土地覆被变化研究应考虑以下情况：在对长白山保护区林地时空变化进行分析时使用的数据期数较少，在今后的研究中应使用研究期内的多期数据进行研究，以探究林地的时空连续变化情况；在对长白山保护区林地的时空变化进行分析时使用的数据分辨率为30 m，在今后的研究中应使用不同分辨率的数据进行研究，以探究分辨率对林地时空变化分析的影响。