基于GIS 的川藏铁路沿线LUCC 动态变化

曹宇鹏，方江平，关丽雪，徐 迪

（西藏农牧学院高原生态研究所/西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站/西藏高原森林生态教育部重点实验室/西藏自治区生态安全联合实验室，西藏 林芝 860000）

土地利用与覆被变化（LUCC）是当前研究的热点之一。随着社会的发展，土地利用与覆被的变化形态会在时间序列上发生相应的改变［1］，进而可以反映所在地的环境状况与环境变化。目前，土地利用与覆被变化已经被列入全球变化研究中的核心内容［2］。纵观目前的研究现状，对于县域、市域、省域和流域的研究是学者们研究的重心［3-9］。基于Landsat 遥感影像，利用 RS 与 GIS 对 LUCC 进行分析已经形成较成熟的理论与方法［10-14］。

川藏铁路是中国继青藏铁路之后的第二条进藏铁路，对维护祖国统一、区域社会经济稳定发展都具有重要的意义［15］。铁路全线通车后，成都市对西藏自治区的影响可能会比青藏铁路上的西宁市更大。目前，成雅段已建成通车，拉林段已建成准备通车，雅林段正在建设当中。由于铁路的建设，铁路沿线生态状况将会成为人们研究的热点之一。本研究基于Landsat 遥感影像，利用GIS 空间分析工具对其土地利用变化情况进行深入研究，以期对川藏铁路沿途生态状况、各县域未来实现可持续发展，以及为铁路建成后进行土地利用结构优化调整与生态安全评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

川藏铁路东起四川省省会成都市，西至西藏自治区首府拉萨市，全长约1 838 km，耗资3 000 多亿元，途径四川省和西藏自治区33 个县（区），是连接四川与西藏的大动脉。川藏铁路从四川盆地爬升至青藏高原，高差达3 000 余米，期间多次横穿雅鲁藏布江，施工难度在世界范围都实属罕见。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用类型转移矩阵 土地利用类型转移矩阵是以土地利用变化面积为基础，以矩阵方式显示，直观地展示各时间段内不同土地利用类型之间转移变化的情况。其计算公式如下。

式中，K表示土地利用类型的面积；i，j分别表示转移之前与转移之后的土地利用类型；Kij表示土地利用类型从i转变为j的面积；n表示转移前后的土地利用类型［16］。

1.2.2 标准差椭圆 标准差椭圆是衡量要素空间分布与特征的工具［17］，可直观揭示数据在空间上的方向性。其计算公式如下。

式中，X和Y表示数据的空间坐标；n为样本总数［18］。

1.3 数据来源

本研究LUCC 分类数据来源于中国科学院国家青藏高原数据中心，选用 2000、2005、2010、2015 年的分类数据。该数据是基于各年份Landsat TM/ETM 遥感影像，通过人工目视解译而成，包括6 个一级土地利用类型与25 个二级土地利用类型。空间分辨率为1 km，选用WGS 坐标系［19］。为便于研究，采用一级土地利用类型进行分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用状况

2000—2015 年土地川藏铁路沿线LUCC 结构与统计情况如表1 所示。由表1、图1 可知，2000—2015 年，川藏铁路沿线土地利用类型以草地为主，平均占总面积的46.34%。其次是林地，平均占总面积的27.55%。然后是未利用地，平均占总面积的18.50%。草地、林地与未利用地三者平均共占总面积的92.39%。最后依次是水域、耕地和建筑用地，面积平均占比分别为3.90%、3.26%和0.45%。由图2可以看出，昌都市八宿县至雅安市天全县间的路段自然资源丰富。成雅段人口较多，大部分地区都被开辟为建筑用地与耕地。

图1 川藏铁路沿线各县域分布情况

表1 2000—2015 年川藏铁路沿线LUCC 结构与统计

图2 2015 年川藏铁路沿线土地类型分布

由表2 可以看出，建筑用地的面积变化率最明显，除2005—2010 年只有1.77%的变化率外，其余2个时期变化率都在10%以上。耕地面积在2000—2015 年呈下降趋势，但其降幅减少，2010—2015 年降幅只有0.46%。林地、草地与未利用地变幅不大，林地在研究期间先增后减，未利用地则逐渐增加，变化率较小。水域面积在2000—2005 年几乎没有发生变化，在2005—2015 年缓慢下降。2000—2015 年各土地利用类型的平均变化率绝对值大小排序表现为建筑用地＞耕地＞未利用地＞水域＞林地＞草地。

表2 2000—2015 年川藏铁路沿线面积变化

2.2 土地利用类型转移分析

利用GIS 对4 个时期LUCC 数据进行处理，得到2000—2005、2005—2010 年与 2010—2015 年 3 期土地利用类型转移矩阵，结果见表3。

表3 2000—2015 年川藏铁路沿线土地类型利用转移矩阵 （单位：km2）

2000—2015 年，建筑用地、林地、未利用地与水域面积均有增加，耕地与草地面积减少。总体来看，2005—2010 年与 2010—2015 年 2 个时间段土地类型变化程度明显高于2000—2005 年。

由表4 可知，2000—2015 年建筑用地面积增加了181.62 km2，增量在所有土地利用类型中最大，其面积历年均扩张明显。说明在研究期间川藏铁路沿线各县域经济发展迅速。耕地是建筑面积最主要输入源与输出源。研究期间耕地面积减少了171.63 km2，形势严峻。耕地主要转为草地与林地，2005—2010、2010—2015 年草地和林地分别转入486.06、716.04 km2和 503.04、783.35 km2，主要转出为建筑用地、林地和草地。草地作为研究区内最主要的土地利用类型，其面积变化量并不大。2000—2015 年草地面积共减少85.37 km2，主要转出为林地，输入来源以林地与未利用地为主。未利用地面积增加35.68 km2，林地与草地是主要输入源，主要输出为草地。水域面积增加12.73 km2，在4 种面积增加的地类中增加量最少，其主要输入来源为林地与草地，主要输出为未利用地与草地。林地面积占比仅次于草地，其变化量较小，2000—2015 年共增加26.92 km2。因林地与草地面积总量大，其动态变化主要是二者之间的相互转换。

表4 2000—2015 年各土地利用类型面积增量

从图 3 可以看出，2000—2015 年，面积变化区域主要集中于川藏铁路东部的成都市，其主要发生由耕地转化为建筑用地的动态变化；雅安市至甘孜藏族自治州段主要发生草地转化为林地的动态变化；昌都市卡若区和江达县北部主要发生草地转化为林地和未利用地的动态变化；林芝市巴宜区主要发生草地转化为建筑用地的动态变化；拉林段发生动态变化区域不大，主要集中在拉萨市的城关区和堆龙德庆区，主要发生草地转化为建筑用地的动态变化。总体来看，发生变化的主要区域都是人口较多的地区，土地类型的动态变化与人为活动具有正相关性，东部段变化程度明显高于中部段与西部段。

图3 2000—2015 年川藏铁路沿线土地利用类型转移动态变化

2.3 土地利用类型标准差椭圆分析

利用 ArcGIS 提 取 2000—2005 年、2005—2010年、2010—2015 年3 期土地利用变化情况，采取第一级别标准差（68%）对其进行标准差椭圆分析，结果见表 5 和图 4。

如表5 和图4 所示，椭圆面积代表土地利用主要变化范围，扁率表示变化的方向性趋势。3 期标准差椭圆显示，2000—2005 年的椭圆位置明显异于2005—2010 年 、2010—2015 年 2 个 时 期 。 2000—2005 年变化中心点位于四川省白玉县东部，2005—2010 年向东南迁移至康定市西北部，此后向西小幅移动。2000—2005 年椭圆面积大于后2 个时期，表明后2 个时期的变化范围明显小于2000—2005 年，数据空间集聚性则大于2000—2005 年。椭圆扁率显示，2000—2005 年土地利用类型变化的方向性较弱；2005—2015 年椭圆扁率大于 2000—2005 年，表明后2 个时期数据空间离散度大于2000—2005 年，且趋于稳定状态。后2 个时期椭圆旋转角度有向南、向西扩张的趋势。综上，在2000—2015 年，川藏铁路沿线各类土地利用类型变化的空间范围在缩小后逐渐扩大，方向性变化趋于稳定。

图4 2000—2015 年川藏铁路沿线土地利用变化标准差椭圆

表5 川藏铁路沿线2000—2015 年土地利用变化类型标准差椭圆参数

3 小结与讨论

本研究以GIS 为技术手段，对川藏铁路沿线土地利用类型面积的变化情况与方向性特征进行深入分析，结论如下。

1）川藏铁路沿线土地利用类型在2005—2015年较2000—2005 年变化明显，但各类土地利用类型总量占比变化很小。草地所占面积最大，平均占总面积的46.34%。林地面积仅次于草地，平均占总面积的27.55%。其余面积由大到小依次为未利用地、水域、耕地与建筑用地，平均分别占总面积的18.50%、3.90%、3.26%和0.45%。

2）研究期间，建筑用地、林地、未利用地与水域面积增加，耕地与草地面积则有缩减。其中，建筑用地面积增加量最大，为181.62 km2。林地、未利用地和水域面积分别增加了26.92、35.68 和12.73 km2。耕地面积减少量最大，研究期间减少了171.63 km2；草地面积减少了85.37 km2。

3）建筑用地变化率最大，除2005—2010 年约有2%的变化率外，其余2 个时期均有10%以上的变化。耕地变化率仅次于建筑用地，前2 个时期有1.5%左右的变化率，2010—2015 年变化率大幅下降至0.46%。林地、草地与未利用地的变化率较小。水域在2000—2005 年几乎没有变化，在2005—2010年与2010—2015 年2 个时期内变化率提升较大，分别为0.42%和0.22%。

4）川藏铁路沿线土地变化范围有明显的区域性，大部分集中于铁路东部的四川段，主要发生耕地转化为建筑用地的变化与草地转化为林地的变化。西部的拉萨市主要发生草地转化为建筑用地的变化。雅林段发生变化的区域主要位于昌都市卡若区与江达县北部县域边界上，主要发生草地转化为林地和未利用地的变化。

5）川藏铁路沿线2000—2005 年与后2 个时期土地利用变化的空间特征差异明显。2000—2005 年土地利用类型变化空间集聚性远低于后2 个时期。2000—2005 年主要变化中心位于白玉县东部，后2个时期主要变化范围中心转移至东部的康定市，之后缓慢向西移动。主要变化覆盖范围有向西、南方向扩张的趋势。2000—2005 年变化空间离散度小于 2005—2010 年与 2010—2015 年这后 2 个时期，空间集聚性小于后2 个时期，且后2 个时期空间离散度较稳定。

本文是对川藏铁路开工建设前沿途的各县域土地利用类型进行研究。在铁路通车后，沿途流动的人口大幅增加，势必会造成土地利用类型的剧烈变动。因此，之后还需对其进行相应分析，将其与铁路未通车前的情况进行深入对比研究，以维护沿线生态环境为主要研究目的，最大限度优化土地利用类型，以满足社会发展的需要。