基于RS和GIS的LUCC研究——以重慶市萬(wàn)州區(qū)為例

周 楊，周廷剛，馮 沖

(西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

1 研究背景

土地利用和土地覆蓋(被)變化(Land Use/Cover Change，簡(jiǎn)稱LUCC)是可持續(xù)發(fā)展的重要核心問(wèn)題之一，也是全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題，被列入“國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃(IGBP)”的核心項(xiàng)目，成為管理決策的依據(jù)［1－4］?；贚UCC 的研究無(wú)論從生態(tài)環(huán)境還是從社會(huì)經(jīng)濟(jì)的角度均具有重要的意義。將遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)引入LUCC研究領(lǐng)域，可以快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取大面積的土地利用/土地覆蓋方面的實(shí)時(shí)信息，對(duì)土地利用變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［5］，為解決復(fù)雜的空間問(wèn)題提供條件，為可持續(xù)發(fā)展研究提供技術(shù)支撐。

目前，我國(guó)的LUCC研究主要集中在熱點(diǎn)地區(qū)和脆弱區(qū)，前者即人文和自然驅(qū)動(dòng)力極為活躍的地區(qū)，后者指隨著人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源的消耗，產(chǎn)生的各種各樣的“脆弱區(qū)”［6］。本文研究區(qū)域是重慶市“一圈兩翼”發(fā)展戰(zhàn)略中渝東北翼:三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群的中心城，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度增長(zhǎng)快，但生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，即屬于“熱點(diǎn)區(qū)”同時(shí)也是“脆弱區(qū)”，特別是由于重慶市建設(shè)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌試驗(yàn)區(qū)發(fā)展的需要，土地在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用。因此，在GIS技術(shù)支持下，以衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，研究重慶市萬(wàn)州區(qū)LUCC問(wèn)題具有重要意義。

2 萬(wàn)州區(qū)概況

重慶市萬(wàn)州區(qū)地處四川盆地東緣，重慶市東北邊緣。面積3 457km2(耕地面積66 667 hm2，其中田地38 993 hm2;大于25°坡地 33 427 hm2，其中旱地21 660 hm2)，城市面積21 667 hm2。區(qū)內(nèi)山丘起伏，低山、丘陵面積約占四分之一，低中山和山間平地面積約占四分之一，極少平壩和臺(tái)地，且零星散布。

境內(nèi)河流縱橫，河流、溪澗切割深，落差大，高低懸殊，呈枝狀分布，均屬長(zhǎng)江水系;屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)帶，氣候四季分明，天氣溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，霜雪稀少;境內(nèi)多年平均氣溫17.7℃，多年平均年日照時(shí)數(shù)1 484.4 h，多年平均降水 1 243mm。

3 數(shù)據(jù)整理與模型簡(jiǎn)介

3.1 數(shù)據(jù)源概況

以萬(wàn)州區(qū)2000年TM和2004年的ETM遙感影像，1∶50 000紙質(zhì)地形圖用于遙感影像的幾何校正，并完成圖像增強(qiáng)、轉(zhuǎn)換等，得到2年的土地覆蓋特征圖件，作為L(zhǎng)UCC研究的基本資料。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

本研究利用2000年TM和2004年的ETM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，在遙感圖像處理軟件ENVI 4.6.1平臺(tái)下用地形圖(1∶50 000)進(jìn)行幾何精糾正處理，目標(biāo)解譯圖像采用標(biāo)準(zhǔn)的假彩色RGB－432合成，并進(jìn)行相應(yīng)圖像增強(qiáng)處理。通過(guò)野外考查建立遙感解譯標(biāo)志庫(kù)，采用人機(jī)交互的判讀方式，根據(jù)實(shí)際情況提取出林地(有林地、灌木林、疏林地)、草地、耕地(旱地、水田)、園地、建設(shè)用地和水域等數(shù)據(jù)。

3.3 研究模型

基于GIS空間信息分析技術(shù)的測(cè)算模型，包括單一動(dòng)態(tài)度、開(kāi)發(fā)度、耗減度、綜合動(dòng)態(tài)度4個(gè)指數(shù)，分別用于對(duì)LUCC速度、新開(kāi)發(fā)速度和被耗損的速度的度量，且互為補(bǔ)充。其中，單一動(dòng)態(tài)度能夠揭示土地單一利用/覆蓋類型的凈變化速度;開(kāi)發(fā)度、耗損度有力地支撐單一動(dòng)態(tài)度，分別揭示各類型實(shí)際新開(kāi)發(fā)和實(shí)際耗減的速率;而綜合動(dòng)態(tài)度則可以測(cè)算和比較區(qū)域土地利用/覆蓋的總體或者綜合活躍程度［7－8］。

單一土地利用/覆蓋類型動(dòng)態(tài)度，是研究區(qū)內(nèi)一定時(shí)間范圍某單個(gè)土地利用/覆蓋類型的數(shù)量變化情況，這是一種最傳統(tǒng)和最簡(jiǎn)單的分析模型，其公式為［9］

式中:K為研究時(shí)段內(nèi)某土地利用/覆蓋類型動(dòng)態(tài)度;Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某種土地利用/覆蓋類型的數(shù)量;T為研究時(shí)段長(zhǎng)，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用/覆蓋類型年變化率。

單一土地利用/覆蓋類型開(kāi)發(fā)度。其表達(dá)的是單位時(shí)間內(nèi)某類型土地利用/覆蓋類型實(shí)際增加的速度，以單位時(shí)期內(nèi)新開(kāi)發(fā)面積占初期該類型面積比例來(lái)表示。公式為［10］

式中:Dab為從a時(shí)刻到b時(shí)刻新開(kāi)發(fā)某類型土地利用的面積，即由其它類型土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃愋屯恋乩妹娣e的總和;Ua表示a時(shí)刻該土地利用類型的面積;T為a時(shí)刻到b時(shí)刻的研究時(shí)段長(zhǎng)，以年為單位。

單一土地利用/覆蓋類型耗損度。其表達(dá)的是單位時(shí)間內(nèi)某種類型土地利用/覆蓋類型實(shí)際減少的速度，以單位時(shí)期內(nèi)新耗損年紀(jì)占初期面積的比例來(lái)表示。公式為［9］

式中:Cab為從a時(shí)刻到b時(shí)刻某種土地利用類型的面積，即該類型土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋屯恋乩玫耐恋孛娣e的總和;Ua表示a時(shí)刻該土地利用類型的面積;T為a時(shí)刻到b時(shí)刻的研究時(shí)段長(zhǎng)，以年為單位。

區(qū)域綜合土地利用/覆蓋動(dòng)態(tài)度?？擅枋鰹閰^(qū)域土地利用變化的速度。用公式表示為［11］

在這寒風(fēng)漸緊的冬天，親友重逢，或是佳人相會(huì)，舉一杯雙桶陳釀的美酒，品味威士忌陳年酒桶的特別風(fēng)味，把最獨(dú)特的馥郁香醇送給最珍惜的人，何其樂(lè)哉！或者夜深人靜時(shí)，一個(gè)人在靜靜獨(dú)酌，品味時(shí)間的味道，感受那一刻的歲月靜好。

式中:LUi為監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類土地利用類型面積;ΔLUi－j為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值;T為監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率。

4 動(dòng)態(tài)度指數(shù)分析

4.1 總體格局與數(shù)量變化

利用軟件ARCGIS9.2對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到研究區(qū)2000年和2004年土地覆蓋圖見(jiàn)圖1和圖2，LUCC結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 2000年萬(wàn)州區(qū)土地覆蓋圖Fig.1 Land covers in wanzhou in 2000

通過(guò)對(duì)圖1、圖2和表1的分析，可以看出關(guān)于萬(wàn)州區(qū)土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)整體上的以下特點(diǎn):

(1)林地分布廣闊、面積比重大。以疏林地為主，占到總體16.79%;有林地和灌木林不及5%。面積在2000年和2004年都分別達(dá)到83 056 hm2和82 589 hm2占總體的24%左右，在此期間林地面積下降，但不明顯，影響林地面積的因素來(lái)自于灌木林和疏林地，分別減少了354 hm2和122 hm2，變化最大的兩塊地分別位于南部和中部。

圖2 2004年萬(wàn)州區(qū)土地覆蓋圖Fig.2 Land covers in wanzhou in 2004

表1 2000—2004年萬(wàn)州區(qū)主要土地利用/覆蓋類型面積變化情況Table 1 Changes of land use/land cover areas in Wanzhou district from 2000 to 2004

(2)耕地主要分布在萬(wàn)州區(qū)的西部和西北部，面積較少。在河流兩岸和西北角均較密集。總面積2000年為51 795 hm2，2004年為49 798 hm2，耕地和水田面積占整體比重為別為12.05%和2.35%，4年間耕地面積變化顯著，減少了1 998 hm2。

(3)草地主要分布于萬(wàn)州區(qū)的東部和東南部?？偯娣e2000年為66 915 hm2，到2004年增長(zhǎng)了138 hm2，達(dá)到67 053 hm2占總體的19.39%，整體變化不大。

(4)園地占總體面積最大地域最廣，是萬(wàn)州區(qū)最主要的土地利用類型?？偯娣e達(dá)136 653 hm2，占總體39.52%，包括桑園、果園等。2000年到2004年減少的絕對(duì)值為1 195 hm2，變化率達(dá)到1.3%。

(5)建設(shè)用地成倍增長(zhǎng)，變化幅度最大。從2000年1 365 hm2到2004年的4 146 hm2，盡管絕對(duì)增加值為2 781 hm2在整體中并不算大，但是由于其總量基數(shù)較小，增長(zhǎng)率達(dá)到了203.8%。增加區(qū)域主要沿著原有建設(shè)用地向四周蔓延以及在除區(qū)域中心以外的其它地方則零星分布。

4.2 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

根據(jù)所選的模型，對(duì)遙感解譯得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分別提取了林地、草地、耕地、園地、建設(shè)用地、水域等2000年和2004年2期空間分布的柵格數(shù)據(jù)(其中，林地細(xì)分到了疏林地、灌木林、有林地，而耕地則細(xì)分到了旱地和水田)利用ARCGIS9.2中的柵格計(jì)算工具對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在2期數(shù)據(jù)表里添加新字段，將需要分析的土地利用類型賦值為1，其他各類型為0，柵格大小為30m×30m，將2期數(shù)據(jù)進(jìn)行減法運(yùn)算，得到新數(shù)據(jù)層，數(shù)值1表示期間新開(kāi)發(fā)的區(qū)域，數(shù)值0則是沒(méi)有變化的區(qū)域，而數(shù)值－1則是新耗損的區(qū)域，再統(tǒng)計(jì)其面積進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算，即得到了需要的動(dòng)態(tài)度指數(shù)。

4.2.2 動(dòng)態(tài)度分析

土地利用變化速度指數(shù)以土地利用類型的面積為基礎(chǔ)，關(guān)注研究時(shí)段內(nèi)類型面積變化的結(jié)果。其意義在于可以直觀地反映類型變化的速度，也易于通過(guò)類型間的比較反映變化的差異［12］。本文選用的動(dòng)態(tài)度指數(shù)包含上文提及的單一動(dòng)態(tài)度、單一開(kāi)發(fā)度、單一耗損度和綜合動(dòng)態(tài)度，經(jīng)過(guò)上述模型計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，得到各個(gè)指數(shù)如表2。

表2 2000—2004年萬(wàn)州區(qū)主要土地利用/覆蓋類型動(dòng)態(tài)度Table 2 Dynamic degrees of land use/land cover in Wanzhou district from 2000 to 2004 %

通過(guò)表2，可以看到，單一耗損度和單一開(kāi)發(fā)度有效地彌補(bǔ)了單一動(dòng)態(tài)度對(duì)于各類型土地相互轉(zhuǎn)化描述中的遺漏。最為顯著的是草地和園地2類，由于開(kāi)發(fā)度和耗損度的抵消，使得單一動(dòng)態(tài)度反映出的情況低于2類用地實(shí)際的變化。同時(shí)，綜合動(dòng)態(tài)度也得到了土地類型整體的變遷，站在更全面的視角對(duì)萬(wàn)州區(qū)的土地類型變化速率進(jìn)行分析，整體而言，大部分的土地在期間保持了原有的利用類型，變化并不明顯。這樣的結(jié)果也印證了模型中4個(gè)指數(shù)的相輔相成。

4.2.2.1 單一動(dòng)態(tài)度、開(kāi)發(fā)度與耗減度

(1)林地的開(kāi)發(fā)度、動(dòng)態(tài)度基本依存于耗減度而存在，單一動(dòng)態(tài)度比較準(zhǔn)確。其中有林地因開(kāi)發(fā)度和耗減度的抵消而動(dòng)態(tài)度為0;灌木林和疏林地的開(kāi)發(fā)度也低于或者等于0.001%，對(duì)于動(dòng)態(tài)度的影響很小，與此相對(duì)應(yīng)的是，其耗減度較大，特別是灌木林的耗減度達(dá)到了1.003%。由此可見(jiàn)，正處于砍伐多而栽種少的階段。林地面積的減少對(duì)于萬(wàn)州這類地處三峽庫(kù)區(qū)的區(qū)縣是致命的。值得注意的是，最大的一塊耗減的林地在2004年開(kāi)發(fā)為了草地，是為方便成為耕地做鋪墊，或者是僅僅因?yàn)榭撤?shù)木而荒廢成草地，只能等待進(jìn)一步的研究。

(2)草地早期的變化也較大，開(kāi)發(fā)度達(dá)到0.088%，耗減度達(dá)到0.037%，單一動(dòng)態(tài)度為0.052%，這沒(méi)真實(shí)反映情況。前文中提到了林地轉(zhuǎn)化為草地，在對(duì)草地的分析就不能像林地一樣依托單一動(dòng)態(tài)度來(lái)了解變化速率，應(yīng)當(dāng)結(jié)合開(kāi)發(fā)度和耗減度來(lái)表述:草地的更替較為激烈，無(wú)論是轉(zhuǎn)出還是轉(zhuǎn)入，都具有較大的面積。其激烈更替會(huì)直接導(dǎo)致草地質(zhì)量的下降，新開(kāi)墾的草地幾乎是耗減草地的1倍，其中75.23%來(lái)源于灌木林。

(3)耕地內(nèi)部的分異較大，但總體卻呈耗減趨勢(shì)。旱地和水田的單一動(dòng)態(tài)度分別為－1.071%和－0.4%，開(kāi)發(fā)度均為0。這說(shuō)明耕地特別是旱地的減少是以不計(jì)代價(jià)和沒(méi)有補(bǔ)償在進(jìn)行，這與林地的減少有一定的相似之處。旱地的單一耗減度達(dá)到1.071%，旱地減少1 866 hm2，這對(duì)于一個(gè)耕地本身就少的地區(qū)是不理智不科學(xué)的。水田的單一動(dòng)態(tài)度看似遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于旱地的，但水田基數(shù)小，132 hm2的減少面積和0.372%的耗減度仍然是比較大的變動(dòng)。鑒于萬(wàn)州區(qū)水田的地塊小而散，難以統(tǒng)一耕種和管理，建議應(yīng)該保有當(dāng)前甚至開(kāi)發(fā)新水田，以確保耕地的保質(zhì)保量。

(4)園地的情況和草地很相似，無(wú)論是開(kāi)發(fā)度還是耗減度都比較大。兩相抵消，單一動(dòng)態(tài)度無(wú)法反映真實(shí)的LUCC情況。在開(kāi)發(fā)度達(dá)到0.094%、耗減度達(dá)到0.176%的情況下，單一動(dòng)態(tài)度僅僅為－0.083%?？傮w而言，園地的面積改變并不大，但其地域改變劇烈，有逐漸東南移動(dòng)的趨勢(shì)。

(5)建設(shè)用地是變化最大的土地利用類型，基數(shù)小、耗減少、開(kāi)發(fā)大、變化快。建設(shè)用地是除草地外唯一單一動(dòng)態(tài)度為正值的土地利用類型。其開(kāi)發(fā)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他類型，達(dá)到了51.389%，與之對(duì)比的是耗損度僅為0.445%，因此單一動(dòng)態(tài)度也超過(guò)了50%。整體而言，建設(shè)用地的基數(shù)和改變量都較小，即使4年翻了幾番，但依舊僅占總體的1%左右，但建設(shè)用地如此快速的增長(zhǎng)是需要警惕的，若持續(xù)保持這樣的增速，勢(shì)必對(duì)整體格局的平衡產(chǎn)生不利的影響。

4.2.2.2 綜合動(dòng)態(tài)度

綜合動(dòng)態(tài)度為0.422%。土地利用變化速度一般，綜合動(dòng)態(tài)度可以作為調(diào)控土地利用類型內(nèi)部改變不影響萬(wàn)州區(qū)整體土地利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一個(gè)指標(biāo)。能控制在0.3%到0.5%之間就能夠保證土地利用類型的變化不會(huì)對(duì)土地性質(zhì)、環(huán)境產(chǎn)生大的影響。0.422%表示在2000—2004年間，參與變化的土地面積比較適中，其中建設(shè)用地和耕地中的旱地是變化絕對(duì)數(shù)值最大的2個(gè)部分，達(dá)到總體變化數(shù)值的79.591%，在綜合動(dòng)態(tài)度指數(shù)的計(jì)算中具有舉足輕重的作用。

5 結(jié)論與展望

本研究以LUCC理論為基礎(chǔ)，在GIS技術(shù)的支持下，對(duì)萬(wàn)州區(qū)2000年(TM)和2004年(ETM)影像進(jìn)行處理，對(duì)其LUCC現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論:

(1)研究區(qū)園地占總體土地的比例最大，達(dá)到了39.52%，且分布廣泛。林地草地多分布東南而耕地集中西北。其中，林地以疏林地為主;耕地呈現(xiàn)旱地遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于水田的態(tài)勢(shì)。建議，林地應(yīng)該進(jìn)一步的擴(kuò)大，耕地應(yīng)注意保持。

(2)研究區(qū)各個(gè)土地利用類型變化多樣，整體而言，林地、耕地、園地減少而草地、建設(shè)用地增加。其中，草地與園地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出均明顯，其他各類型則屬于開(kāi)發(fā)度與耗減度差額較大的范疇。值得注意的是建設(shè)用地增加了2 781 hm2。其單一動(dòng)態(tài)度達(dá)到50.95%，十分突出，應(yīng)予以重視。

(3)研究區(qū)綜合動(dòng)態(tài)度正常，對(duì)于土地整體格局和生態(tài)環(huán)境沒(méi)形成大的影響。對(duì)綜合動(dòng)態(tài)度計(jì)算影響較大的土地類型是建設(shè)用地和旱地，應(yīng)注意控制。

在研究過(guò)程中，也還有一些問(wèn)題研究不足，存在的主要問(wèn)題包括:

(1)本文解譯遙感圖像采用的是人機(jī)交互的判讀方式，不能消除誤差，因此在解譯上需要進(jìn)一步的研究。

(2)由于時(shí)間序列不足，還不能很好地反應(yīng)研究區(qū)域LUCC的動(dòng)態(tài)變化。

(3)本文僅對(duì)萬(wàn)州區(qū)LUCC的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，還沒(méi)有涉及與之緊密結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力研究以及預(yù)警預(yù)測(cè)研究，還需進(jìn)一步開(kāi)展工作。

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