基于RS與GIS的土地利用動(dòng)態(tài)變化分析
——以準(zhǔn)格爾旗為例

張曉玲，徐艷紅，姚喜軍，魯麗波

(內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

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基于RS與GIS的土地利用動(dòng)態(tài)變化分析
——以準(zhǔn)格爾旗為例

張曉玲，徐艷紅，姚喜軍，魯麗波

(內(nèi)蒙古自治區(qū)土地調(diào)查規(guī)劃院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

利用2008、2010、2013年的3期遙感數(shù)據(jù)，基于RS與GSI技術(shù)，研究準(zhǔn)格爾旗土地利用變化規(guī)律，使用分層分類的方法對(duì)各土地利用類型進(jìn)行土地專題信息提取，獲得準(zhǔn)格爾旗2008～2010年、2010～2013年2個(gè)時(shí)段的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣。據(jù)此全面分析了準(zhǔn)格爾旗的土地利用時(shí)空變化特征。在利用傳統(tǒng)土地利用變化模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了土地利用動(dòng)態(tài)分析模型，從總動(dòng)態(tài)度、地類活躍度的層面結(jié)合3期遙感數(shù)據(jù)分析了5年來(lái)準(zhǔn)格爾旗土地利用總動(dòng)態(tài)變化度、土地利用類型轉(zhuǎn)換活躍度。

動(dòng)態(tài)變化；總動(dòng)態(tài)度；地類活躍度；準(zhǔn)格爾旗

區(qū)域環(huán)境變化的直接原因與響應(yīng)是土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化，土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化不僅是研究全球變化的重要領(lǐng)域一種[1-2]，也是全球土地利用變化研究的核心主題之一[3]。通過利用遙感技術(shù)對(duì)地觀測(cè)，揭示土地利用空間變化規(guī)律，建立區(qū)域土地利用變化動(dòng)態(tài)分析模型，分析引起變化的驅(qū)動(dòng)力，有助于解決那些廣泛存在于全球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性中的眾多不確定性問題，同時(shí)，也是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)得以動(dòng)態(tài)、有效地管理其資源與環(huán)境問題的重要保障[4]。目前關(guān)于土地利用變化研究的方法主要集中在：通過獲取遙感數(shù)據(jù)，利用區(qū)域土地利用變化動(dòng)態(tài)分析模型對(duì)過去一定時(shí)期土地利用時(shí)空變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5-6]；引入“土地利用動(dòng)態(tài)度”等指標(biāo)對(duì)過去和當(dāng)前土地利用狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)未來(lái)土地利用情況進(jìn)行數(shù)量上的預(yù)測(cè)[7-8]；建立時(shí)空動(dòng)態(tài)模型，對(duì)未來(lái)的土地利用格局及其效應(yīng)進(jìn)行研究評(píng)價(jià)[9-10]。為了研究準(zhǔn)格爾旗土地利用變化規(guī)律，筆者以TM和SPOT衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，以GSI為技術(shù)手段，對(duì)準(zhǔn)格爾旗2008～2010年、2010～2013年2個(gè)時(shí)段的土地利用變化狀況進(jìn)行了研究和分析。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1 研究區(qū)概況

1.1.1自然條件。準(zhǔn)格爾(蒙語(yǔ)，漢意為“左翼”)旗地處內(nèi)蒙古西南部、鄂爾多斯市東部，黃河沿北、東、南流經(jīng)197 km，隔河與山西、陜西毗鄰，有“雞鳴三省”之稱。 地理坐標(biāo)為110°05′～117°27′ E、39°16′～40°20′ N。準(zhǔn)格爾旗地貌以丘陵溝壑為主 。全旗轄9個(gè)蘇木鄉(xiāng)鎮(zhèn)、159個(gè)行政村。項(xiàng)目區(qū)屬于大陸性溫帶干旱氣候，春季多風(fēng)，以西北風(fēng)為主，風(fēng)速一般為16～20 m/s，年最大風(fēng)速40 m/s，夏季溫?zé)岫虝?，寒暑變化劇烈，晝夜溫差較大，年平均氣溫5.3～7.6 ℃，最高氣溫39.5 ℃，最低氣溫-36.3 ℃，一般結(jié)冰期為每年10月至翌年4月，最大凍土深度1.50 m，降雨最多集中于7～9月，占總降水量的60%～70%，年總降水量為231～459 mm，年總蒸發(fā)量為1 875～2 657.4 mm，是降雨量的5～8倍，常發(fā)生春旱，全年無(wú)霜期為150 d，初霜日在每年9月30日左右，積雪厚度20～150 mm。

2013年末全旗戶籍總?cè)丝?1.47萬(wàn)，常住人口36.9萬(wàn)，城鄉(xiāng)居民收入水平穩(wěn)步提升，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入37 586元，較往年增長(zhǎng)8.6%，農(nóng)民人均純收入12 828元，較往年增長(zhǎng)12%，城鄉(xiāng)居民生活水平顯著提高，社會(huì)保障覆蓋面進(jìn)一步擴(kuò)大。近年來(lái)，準(zhǔn)格爾旗依托豐富的資源優(yōu)勢(shì)，形成以煤炭為主導(dǎo)，化工、林沙、交通運(yùn)輸、商飲服務(wù)等為輔助的幾大產(chǎn)業(yè)，綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷壯大，人民生活水平顯著提高，成為全國(guó)縣域經(jīng)濟(jì)提升速度最快的百?gòu)?qiáng)縣之一，是鄂爾多斯經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要增長(zhǎng)極。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源選取了2008、2010、2013年3個(gè)時(shí)相的三景衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第一步要獲得本次研究范圍，將獲得影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌，用準(zhǔn)格爾旗二調(diào)行政區(qū)邊界對(duì)鑲嵌后的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪；第二步建立解譯標(biāo)志，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源的形狀、紋理等特征來(lái)建立解譯標(biāo)志；第三步進(jìn)行監(jiān)督分類，利用最大似然估計(jì)等方法并結(jié)合野外實(shí)測(cè)資料，對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類；第四步對(duì)分類的結(jié)果做進(jìn)一步處理，使用聚合和過濾等分類后處理操作，使分類后的結(jié)果更加準(zhǔn)確；最后，修改混分和錯(cuò)分結(jié)果并劃分土地利用類型，在此過程中要結(jié)合野外考察、并輔以相關(guān)參考資料，根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)以及土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的，把研究區(qū)土地利用類型分為6大類，即耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他地類。

1.3 研究方法該研究利用3期遙感數(shù)據(jù)(2008、2010、2013年)，在遙感圖像處理系統(tǒng)ENVI4.7的支持下先進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的幾何校正以及圖像增強(qiáng)等處理以便提高解譯精度。并采用AcrGIS工具，在對(duì)遙感柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加處理的基礎(chǔ)上，從總動(dòng)態(tài)度、地類活躍度2個(gè)層面描述土地利用變化的方向和數(shù)量關(guān)系，從而揭示土地利用動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1.3.1總動(dòng)態(tài)度。土地利用總動(dòng)態(tài)度從整體角度分析不同時(shí)間間隔內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移的數(shù)量和速率問題，其中，U為研究區(qū)整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)的綜合土地利用平均變化率，St為某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的整體土地利用變化度。若StU，則在這一時(shí)間間隔內(nèi)整體土地利用變化速率較快[11]。計(jì)算公式如下：

U=所有時(shí)間間隔內(nèi)土地利用變化總量/研究區(qū)面積/整個(gè)時(shí)間間隔×100%

(1)

St=[Yt，Yt+1]時(shí)間間隔內(nèi)土地利用變化總量/研究區(qū)面積/[Yt，Yt+1]時(shí)間間隔×100%

(2)

1.3.2地類活躍度。地類活躍度是在總動(dòng)態(tài)度分析的基礎(chǔ)上針對(duì)具體的土地利用類型展開的分析。地類活躍度分析計(jì)算公式如下：

Gtj=[Yt，Yt+1]時(shí)間間隔內(nèi)用地類型j的轉(zhuǎn)入/[Yt，Yt+1]時(shí)間間隔/用地類型j在Yt時(shí)刻的面積×100%

(3)

Ltj=[Yt，Yt+1]時(shí)間間隔內(nèi)用地類型j的轉(zhuǎn)出/[Yt，Yt+1]時(shí)間間隔/用地類型j在Yt時(shí)刻的面積×100%

(4)

在土地利用變化過程中，每種土地利用類型都對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出2種變化。結(jié)合式(3)、式(4)模型對(duì)每種地類進(jìn)行轉(zhuǎn)入Gtj和轉(zhuǎn)出Ltj分析，并與總動(dòng)態(tài)度進(jìn)行對(duì)比分析。若是轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出比總動(dòng)態(tài)度大，則說明該種地類變化比較活躍；若是轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出比總動(dòng)態(tài)度小，該種地類則比較穩(wěn)定[11]。

2 結(jié)果與分析

該研究以2008、2010和2013年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS中統(tǒng)一地類分類體系、統(tǒng)一空間分辨率、統(tǒng)一投影和坐標(biāo)系統(tǒng)等處理基礎(chǔ)上，經(jīng)圖層疊加后分別得到2008～2013年土地利用變化統(tǒng)計(jì)(表1)，2008～2010年、2010～2013年、2008～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2～4)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)準(zhǔn)格爾旗5年來(lái)的土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。

表1 2008～2013年土地利用變化統(tǒng)計(jì)

表2 2008～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表3 2008～2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表4 2010～2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

2.1 數(shù)量變化與空間變化分析

2.1.1數(shù)量變化。從表1可以看出，2008～2013年準(zhǔn)格爾旗林地、耕地面積減少較大，建設(shè)用地、草地面積顯著增加。其中林地面積減少了3 689.93 hm2，耕地面積減少了2 265.26 hm2；建設(shè)用地面積增加了3 976.34 hm2，草地面積增加了2 265.26 hm2。從年均變化率來(lái)看，建設(shè)用地年均增幅最大，為3.39%。

2.1.2空間變化。從表2～4土地利用變化類型的轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出，在空間上建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化最為顯著，主要由耕地、林地、草地其他地類向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。建設(shè)用地迅速增加，主要因?yàn)闇?zhǔn)格爾旗憑借資源優(yōu)勢(shì)建成亞洲最大的黑岱溝露天煤礦、地企合建的典范項(xiàng)目黃河萬(wàn)家寨水利樞紐工程、火電項(xiàng)目國(guó)華準(zhǔn)格爾發(fā)電廠等大項(xiàng)目，加之煤電能源戰(zhàn)略大力實(shí)施和地方煤炭企業(yè)蓬勃崛起的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)濟(jì)得到了較快的發(fā)展，同時(shí)也占用了大量的耕地、林地、草地。

2.2 總動(dòng)態(tài)度分析利用式(1)，得出2008～2010年、2010～2013年、2008～2013年土地利用變化平均速率分別為0.225%、0.372%和0.307%。其計(jì)算過程可分解為計(jì)算不同時(shí)期的土地變化絕對(duì)量(動(dòng)態(tài))、相對(duì)于總研究區(qū)面積的相對(duì)量(動(dòng)態(tài)比)和在相對(duì)量計(jì)算基礎(chǔ)上的單位時(shí)間內(nèi)用地變化的速率(動(dòng)態(tài)度)(表5)。

表5 2008～2013年土地動(dòng)態(tài)度

總動(dòng)態(tài)變化度是內(nèi)部與外部驅(qū)動(dòng)因素共同作用的結(jié)果。國(guó)家啟動(dòng)了西部大開發(fā)戰(zhàn)略、國(guó)家能源戰(zhàn)略等系列政策措施的支持和優(yōu)惠政策的導(dǎo)向，是引起土地利用劇烈變化的外在原因，使得準(zhǔn)格爾旗經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展。而2010～2013年GDP逐年增加，人口數(shù)量迅速增加，是導(dǎo)致2010～2013年土地利用變化動(dòng)態(tài)在2個(gè)時(shí)段中最大，整體土地利用變化最顯著的因素。

2.3 地類活躍度分析活躍度是針對(duì)某類用地的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出展開研究的，用來(lái)表達(dá)該種地類在特定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定程度。同上述方法，計(jì)算2008～2013年不同地類轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的絕對(duì)量(動(dòng)態(tài))、相對(duì)量(動(dòng)態(tài)比)和速率(動(dòng)態(tài)度)(表6～8)。在此基礎(chǔ)上，各地類轉(zhuǎn)移活躍度分別用轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出動(dòng)態(tài)度的均值離差表示：負(fù)值表示用地轉(zhuǎn)移低于平均狀況，表示不活躍；正值表示用地轉(zhuǎn)移高于平均狀況，表示活躍。

表6 2008～2013年各用地類型轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)度

表7 2008～2013年各用地類型轉(zhuǎn)出動(dòng)態(tài)度

表8 2008～2013年各用地類型出入活躍度 %

由表6～8可知，2008～2013年研究區(qū)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出總量最大，是最活躍的土地利用類型；而且，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入均大于轉(zhuǎn)出，反映出建設(shè)用地的數(shù)量在逐年增加，草地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出指數(shù)都在基準(zhǔn)線0.307%以下，活躍度為負(fù)值，反映出草地是一種比較穩(wěn)定的土地利用類型。

3 結(jié)論

該研究系統(tǒng)地構(gòu)建了土地利用動(dòng)態(tài)模型，并以2008、2010、2013年3期遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)由淺入深地揭示準(zhǔn)格爾旗土地利用總體動(dòng)態(tài)變化速率及類型轉(zhuǎn)換活躍程度。土地利用總動(dòng)態(tài)度從整體角度分析不同時(shí)間間隔內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移的數(shù)量和速率問題。從2008～2010年與2010～2013年2個(gè)時(shí)段的年均變化動(dòng)態(tài)來(lái)看，研究區(qū)土地利用變化的平均速率是0.307%，其中2010～2013年土地變化動(dòng)態(tài)大于2008～2010年，為0.372%。2008～2013年準(zhǔn)格爾旗林地、耕地面積減少較大，建設(shè)用地顯著增加且年均增幅最大為3.39%。各用地類型轉(zhuǎn)移活躍度建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入最為頻繁，轉(zhuǎn)出最活躍的是耕地，而草地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出活躍度都為負(fù)值，反映出草地是一種比較穩(wěn)定的土地利用類型。

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張曉玲(1985- )，女，內(nèi)蒙古扎蘭屯人，助理工程師，碩士，從事地理信息系統(tǒng)與土地資源管理研究。

2015-02-11

S 28

A

0517-6611(2015)09-295-03