基于地学信息图谱的霍城县土地利用变化

丁吉达, 蒲 智, 鲁文蕊

(新疆农业大学 计算机与信息工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052)

土地利用变化(land use and cover change, LUCC)在环境变化和可持续发展中占有重要的地位[1-2]。近年来,随着人口增长和城市化进程的不断推进,对土地的需求不断上升,与此同时,环境污染等问题也愈发严重。因此,研究区域土地利用格局已成为LUCC研究的重要组成部分。地学信息图谱是由陈述彭院士首次提出的概念, 它将“时间”与“空间”紧密结合, 具有挖掘生态规律的优势[3]。于海鹏等[4]基于动态度模型和地学信息图谱理论,探讨蒙阴县土地利用变化特征和图谱变化原因。路昌等[5]基于多期土地利用数据,运用地学信息图谱论,分析山东省国土空间时空转型特征,表明城镇扩张高于农村,国土空间转型后期比前期强烈。可见,地学信息图谱能够有机结合土地利用类型的分布与变化的时空属性,在研究土地利用格局方面效果良好。

霍城县历史悠久,自汉代起就是中国领土不可分割的一部分,是出入“亚欧大陆桥”的咽喉要道,也是古丝绸之路的北道重镇,被誉为“中国薰衣草之乡”。本文以霍城县为研究区,基于1997、2011及2021年的3期Landsat遥感影像提取土地利用情况,构建地学信息图谱以及计算土地利用变化程度综合指数,分析霍城县土地利用时空演变的特征,为霍城县资源优化调度、生态环境治理和区域经济发展提供科学依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

霍城县位于新疆维吾尔自治区西部,地处伊犁河谷,地势为东北高、西南低,北部山区是天然林区、河流发源地和高山草场,中部是黄土丘陵、南部是伊犁河冲积平原、西南部为戈壁沙漠区,南北长约120 km,东西宽85 km,地理坐标东经80°11′～81°24′,北纬43°39′～44°50′。霍城县属温带半干旱气候,四季分明,年平均气温为8.2～9.4 ℃,年降水量为14～460 mm。

1.2 数据来源及预处理

本研究使用的遥感影像数据来自美国地质勘探局官网(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)的1997、2011及2021年成像较好且无云的Landsat TM/OLI多时相影像。基于MapGIS软件通过大气校正、镶嵌、裁剪等预处理得到可使用的3幅霍城县遥感影像,借助Google Earth进行目视解译,选取特征较明显的样本进行最大似然分类以及分类后处理,将地类划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地[6],并分别赋编码1、2、3、4、5、6。经精度验证,3期遥感影像的解译精度均大于0.85,可用于后续研究。

1.3 构建地学信息图谱

1.3.1 确定图谱单元

地学信息图谱是以图谱单元进行“空间格局”和“时间过程”研究的时空复合体[7-8]。选取30 m×30 m的空间分辨率作为图谱的空间单元;选择1997—2011年和2011—2021年这2个时段作为图谱的时间单元。

1.3.2 土地利用变化图谱

利用ArcGIS 10.8软件将相邻两期土地利用数据通过地图代数运算构建土地利用变化图谱[9-10]。图谱属性为二位数的编码,个位数为起始年份的地类编码,十位数为结束年份的地类编码,通过二位数编码可查看地类的变化。

土地利用变化比率表示发生变化的地类占研究区所有发生变化的地类的百分比[11-12],其公式为

(1)

式中:P为研究时段土地利用变化比率;sij为前期第i类土地利用类型转变为后期第j类土地利用类型的图谱单元的面积;n为土地利用类型的个数。

1.3.3 土地利用涨落势图谱

涨落势意为土地类型的增长与减少,即转入和转出2个概念,当其他地类转变为该地类称为转入,即涨势;当该地类转化为其他地类称为转出,即落势[13-15]。统计转入转出情况构建土地利用涨落势图谱,分析霍城县1997—2011年、2011—2021年2个时段的涨落势情况。

1.3.4 土地利用变化模式图谱

将1997、2011及2021年的3期土地利用数据通过叠加计算得到土地利用变化模式图谱,图谱变化模式分为5种类型:全期稳定型,1997—2021年期间土地利用类型一直保持不变;反复变化型,1997年与2021年的地类相同,中间发生土地利用类型变化;全期变化型,土地利用类型一直发生变化,未出现连续相同的土地利用类型转移;仅在第1个时段发生土地利用变化的为前期变化型;仅在后1个时段年发生土地利用变化的为后期变化型[16]。

1.4 土地利用程度综合指数

通过计算得到土地利用程度综合指数[17]及土地利用程度变化指数。土地利用程度综合指数用来反映人类对区域内土地利用开发的程度,数值越大,土地利用程度越大。土地利用程度变化指数表示土地利用变化情况,正数表示发展,负数表示衰退。

土地利用程度综合指数为

(2)

土地利用程度变化指数为

ΔL=Lb-La。

(3)

式中:Ai为第i级土地利用程度分级指数;Ci为第i级土地利用程度分级面积所占的比例;n为分级数;Lb为末期土地利用程度综合指数;La为初期土地利用程度综合指数。

2 土地利用时空变化特征分析

2.1 土地利用类型结构变化

1997、2011及2021年霍城县土地利用类型结构占比如表1所示。由表1可知:研究区的主要用地类型为草地,占比均在50%以上,草地占地面积在减少;其次是耕地,耕地面积在增加;林地占比排第3,在1997—2011年林地减少,在2011—2021年时段林地增加;未利用地一直在减少;建设用地持续增加;水域占比最小。

表1 1997、2011及2021年霍城县土地利用类型占比统计Table 1 Land use type percentage statistics of Houcheng County in 1997, 2011, and 2021

2.2 土地利用变化图谱分析

由1997、2011及2021年土地利用数据相交得到2个时段土地利用变化图谱如图1所示,发生改变的类型有29类,其中改变较明显的有14类(表2)。

图1 1997—2021年霍城县土地利用变化图谱Fig.1 Mapping land use changes in Huocheng County, 1997—2021

表2 1997—2021年霍城县主要土地利用变化情况Table 2 Major land use changes in Huocheng County, 1997—2021

由表2可知,1997—2011年土地利用发生变化最为明显的是草地向耕地的变化,占总体变化面积的40.44%,变化面积为220.50 km2。该变化主要集中在霍城县中部和南部的平原地区,其原因是居民的耕地开垦行为;其次是耕地向草地的变化,占比21.24%,面积为115.82 km2,主要分布在缓坡和山脚下,这主要是因为进行了退耕还林和退耕还草措施,以保护山林资源。第3大变化是林地向草地的变化,占比5.52%,面积为30.08 km2,主要分布在海拔较高的山区。在此时段内,草地和耕地之间的相互转换最为明显,相对于耕地向草地的转换,草地向耕地的变化更为显著。居民在平原地区开垦耕地,同时在缓坡和山脚下进行退耕还林还草。耕地和建设用地之间的相互转换同样也较为明显,耕地改变为建设用地占比4.27%,面积为23.27 km2;建设用地改变为耕地占比4.99%,面积为27.22 km2。

2011—2021年相较于1997—2011年,土地利用的变化更加明显。其中,最为明显的是草地和耕地之间的相互转换,草地向耕地的变化占据了总体变化的38.40%,变化面积为241.41 km2。这种变化主要分布在低矮山丘上。其次,耕地向草地的变化占比18.17%,面积为114.26 km2,主要分布在缓坡地带。第3是草地向林地的转变,占比6.85%,面积达到43.05 km2,主要分布在海拔较高的山区。第4是耕地转变为建设用地,变化面积占比5.74%,为36.10 km2,主要分布在人口较为集中的平原地区。在这个时段内,林地的增加也非常明显,未利用地主要转化为草地,这说明生态环境正在逐步改善。

2.3 1997—2021年土地利用涨落势图谱分析

2.3.1 土地利用涨势图谱

1997—2021年霍城县土地利用涨势情况如图2和表3所示。由图2和表3可知:1997—2011年耕地呈现最大涨势,转入面积为262.86 km2,主要分布在海拔较低的平原,其面积增长主要来源是草地;第2大涨势是草地,转入面积为193.00 km2,主要分布在山区以及沙漠等地;建设用地的转入面积为51.26 km2,主要分布在居民集中的平原地区;未利用地从1997—2011年转入了27.00 km2,主要分布在霍城县南部的沙漠地区,说明沙漠治理情况有所改善。2011—2021年,耕地仍然呈现最大涨势,转入面积为279.39 km2,主要分布在居民集中区;第2大涨势依旧是草地,转入面积为165.91 km2。此外,水域的转入面积为22.95 km2,主要分布在伊犁河流域。

图2 1997—2021年霍城县土地利用涨势图谱Fig.2 Land use rise mapping for Huocheng County, 1997—2021

表3 1997—2021年霍城县土地利用涨势情况Table 3 Land use rise in Huocheng County, 1997—2021

2.3.2 土地利用落势图谱

1997—2021年霍城县土地利用落势情况如图3和表4所示。由图3和表4可知:1997—2011年期间霍城县的土地利用类型按转出面积由大到小的排序为草地、耕地、建设用地、林地、未利用地和水域。在该时段内,草地的转出面积最大,为276.64 km2,主要分布在海拔较低的平原地区;其次是耕地,转出面积为141.71 km2,主要分布在平原、缓坡处、山脚;建设用地的转出面积为45.74 km2,主要分布在居民集中的平原地区;林地的转出面积为40.50 km2,主要分布在霍城县北部海拔较高的山区。2011—2021年这一时段内,草地仍然为最大的转出类型,转出面积为356.45 km2,主要分布在霍城县北部的低矮山区、丘陵等;其次是耕地,转出面积为167.89 km2;未利用地的转出面积为40.44 km2,主要分布在霍城县南部的沙漠地区,沙漠治理持续改善;建设用地的转出面积为39.42 km2,主要分布在居民较为集中的平原地区。

图3 1997—2021年霍城县土地利用落势图谱Fig.3 Land use fall mapping for Huocheng County, 1997—2021

表4 1997—2021年霍城县土地利用落势情况Table 4 Land use fall in Huocheng County, 1997—2021

2.4 土地利用变化模式图谱分析

1997—2021年霍城县土地利用变化模式图谱及情况见图4和表5,由于反复变化型与全期变化型存在重叠,故图4(a)反复变化型优先级高于全期变化型,图4(b)全期变化型优先级高于反复变化型,表5 采用了图4(a)的数据。由图4和表5可知,1997—2021年土地利用变化模式图谱以全期稳定型为主,变化面积1 924.40 km2,最大图谱单元类型为 “草地→草地→草地”,占全期稳定型面积的72.88%,空间分布较为集中;第2是前期变化型,变化面积338.64 km2,最大图谱单元类型为“草地→耕地→耕地”,占前期变化型面积的37.17%;第3为反复变化型,变化面积198.77 km2,最大图谱单元变化类型为“草地→耕地→草地”,占反复变化型面积的37.25%;后期变化型位居第4,变化面积为167.05 km2,主要图谱单元变化类型为“耕地→耕地→草地”,占后期变化型面积的20.15%;全期变化型所占比例最小,面积仅有81.72 km2,在霍城县南部平原呈现空间聚集特征,最大图谱单元类型为“草地→耕地→建设用地”,占全期变化型面积的14.23%。

图4 1997—2021年霍城县土地利用变化模式图谱Fig.4 Mapping land use change patterns in Huocheng County, 1997—2021

表5 1997—2021年霍城县土地利用变化模式情况Table 5 Patterns of land use change in Huocheng County, 1997—2021

综上所述,1997—2021年霍城县土地利用变化模式以全期稳定型为主,前期变化型占比大于后期变化型,即2011—2021年时段土地利用结构更稳定。

2.5 土地利用程度变化情况分析

结合土地利用类型分级指数计算土地利用程度综合指数ΔL,见表6。由表6可知,1997、2011及2021年土地利用程度综合指数分别为2.166 2、2.134 2、2.478 8,呈先降后升趋势,研究区土地利用具有充足的上升空间。1997—2011年期间ΔL<0,表明该阶段霍城县土地利用程度降低,处于衰退期;2011—2021年ΔL>0,说明这一时段霍城县土地利用程度提高。整体来看,1997—2021年ΔL>0,说明近25年来,霍城县土地利用处于发展期。土地利用程度提升使现代化步伐加速,林地、草地开垦为耕地,而土地利用程度减少主要是因为国家更加注重对环境的保护,退耕还林等措施使得林草地面积增加。

表6 1997、2011及2021年霍城县土地利用程度综合指数Table 6 Composite index of the extent of integrated land use in Huocheng County, 1997, 2011 and 2021

3 结论与建议

本研究基于1997、2011及2021年的3期土地利用数据,对霍城县土地利用进行时空变化特征分析,得出以下结论。

霍城县土地利用结构以草地、耕地和林地为主,三者占研究区总面积的80%以上。1997—2021年,霍城县土地利用变化以耕地的总体扩张和草地的总体减少为主,建设用地稳定增长,未利用地持续减少,林地后期增长,水域变化不稳定。

土地利用变化图谱以草地和耕地之间的相互转变为主。林地面积稳步增长,主要分布在海拔较高的山区;耕地面积增长较大,主要分布于海拔较低的平原以及缓坡;未利用地后期持续减少,主要减少在海拔较高的裸岩以及海拔较低的沙地处;水域的变化多分布在河流区域;建设用地面积总体增长,增长多为居民集中的平原地区;草地面积总体减少。

土地利用涨势图谱中涨势最大为耕地,主要集中于平原的居民集中区域,大多由草地转变;落势最大为草地,减少集中于平原,大多向耕地转变。

土地利用变化模式图谱以全期稳定型为主,其次为前期变化型,显示1997—2011年时段研究区土地利用变化更为频繁,2011—2021年土地利用结构较稳定。

1997—2011年霍城县土地利用程度降低;2011—2021年霍城县土地利用程度提高。整体来看,1997—2021年霍城县土地利用处于发展期。

霍城县是“绿水青山就是金山银山”的实践创新基地,对于霍城县未来的土地利用应该进行合理规划:平原地区用地类型以耕地、建设用地、水域、未利用地为主,是社会经济发展重点区域,应该高质量利用耕地,合理规划居民建设用地,保护河流生态,加快沙漠治理;缓坡、山区以林地、耕地和草地为主,应该重视乱砍乱伐、病虫害及缓坡耕种等现象,加强对林地、草地的保护与恢复,根据实际情况有选择地推行退耕还林还草工程,促进生态环境健康发展。