丹江口核心水源區(qū)土地利用變化研究

何 雄， 劉 海 ， 陳曉玲

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079； 2.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 武漢 430062)

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何 雄1， 劉 海2*， 陳曉玲1

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079； 2.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 武漢 430062)

南水北調(diào)工程是緩解北方缺水問題的重大戰(zhàn)略工程與基礎(chǔ)設(shè)施，中線工程已向北方輸水，研究丹江口核心水源區(qū)土地利用變化特征，對(duì)水源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義.論文確定了丹江口核心水源區(qū)的范圍，基于1990年、2000年和2013年3期的Landsat遙感影像，提取了其土地利用信息；采用土地利用類型面積變化模型、土地利用動(dòng)態(tài)度模型、土地利用程度變化等模型，分析了核心水源區(qū)土地利用變化特征：林地、城鎮(zhèn)用地面積呈持續(xù)增加，耕地、草地面積呈持續(xù)減少，其它變化較小；土地利用變化速度逐漸加快，土地利用程度呈持續(xù)下降趨勢(shì).

核心水源區(qū); 丹江口; 土地利用; 變化特征

我國(guó)水資源分布呈現(xiàn)的南多北少的特點(diǎn)，造成了北方嚴(yán)重缺水的形勢(shì).南水北調(diào)工程是緩解北方缺水問題的重大戰(zhàn)略工程與基礎(chǔ)設(shè)施[1].2014年，南水北調(diào)中線工程已經(jīng)開始向北方輸水，確保一庫(kù)清水北調(diào)，保證水源區(qū)有良好的生態(tài)環(huán)境是關(guān)鍵.土地利用反映了人與自然相互影響與交叉作用，逐漸成為事關(guān)生態(tài)環(huán)境和諧的最重要因素[2-5].研究水源區(qū)土地利用變化對(duì)水源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義.

有關(guān)丹江口水庫(kù)的土地利用/土地覆被的研究，一些學(xué)者已經(jīng)開展了研究，主要包括以下幾個(gè)方面：一是土地利用信息提取與分析;二是土地利用景觀分析；三是土地利用變化預(yù)測(cè)；四是土地利用對(duì)生態(tài)環(huán)境等的影響分析[6-9].當(dāng)前各方面研究已較為廣泛，但是各個(gè)研究大多只是從某方面展開，而將多個(gè)方面的分析結(jié)合一起綜合考慮分析的研究則較少.本研究將從多個(gè)方面綜合考慮分析，能挖掘出單一方面分析所不能得到的綜合信息，從而更易發(fā)現(xiàn)土地利用存在的問題.

1 水源區(qū)確定與信息提取

1.1 水源區(qū)確定

根據(jù)南水北調(diào)中線工程水源區(qū)所涉及到搬遷的區(qū)域，即庫(kù)區(qū)加高后可能被淹沒的區(qū)域，本文將其定義為丹江口核心水源區(qū)，據(jù)此，確定水源區(qū)包括陜西省境內(nèi)的白河縣，河南省境內(nèi)的淅川縣和鄧州市，以及湖北省境內(nèi)的鄖西縣、鄖縣、十堰市區(qū)、丹江口市、竹山縣、竹溪縣和房縣(即湖北省十堰市全域)，共10 個(gè)縣(市).

圖1 丹江口核心水源區(qū)行政區(qū)劃圖 Fig.1 The administrative zoning map of central water source area of Danjiangkou

1.2 土地利用信息提取

1.2.1 數(shù)據(jù)源介紹與數(shù)據(jù)預(yù)處理 土地利用信息提取，數(shù)據(jù)源采用美國(guó)陸地衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)，分別下載1990年、2000年和2013年3期及相近時(shí)期Landsat遙感影像，其中1990年和2000年的影像均為L(zhǎng)andsat 5 TM遙感影像，2013年為L(zhǎng)andsat 8遙感影像，分辨率均為30 m.

由于Landsat 8幾何精度較高，以2013年丹江口遙感影像為控制影像，對(duì)1990年和2000年兩期的影像進(jìn)行幾何校正.使用三次多項(xiàng)式幾何糾正模型，分別與2013年的影像進(jìn)行配準(zhǔn)，并刪除誤差較大的點(diǎn)，使精度控制在1個(gè)像素以內(nèi).分別對(duì)3期影像進(jìn)行拼接裁切，得到丹江口核心水源區(qū)3期的遙感影像.

1.2.2 土地利用信息提取 參照美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)土壤覆被分類系統(tǒng)和研究區(qū)的實(shí)際情況，將丹江口核心水源區(qū)土地利用類型分為林地、草地、水體、濕地、城鎮(zhèn)用地、耕地和未利用地7大類.基于最大似然的監(jiān)督分類以及目視解譯相結(jié)合的方法，獲得丹江口1990年、2000年和2013年7期土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)(如圖2).利用隨機(jī)生成的300個(gè)點(diǎn)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，3時(shí)期精度分別為83.33%，84.67%和83.67%，Kappa系數(shù)分別為0.768 7，0.787 3，0.760 4，滿足研究要求.

圖2 丹江口核心水源區(qū)土地利用類型圖Fig.2 Landuse map of central water source area of Danjiangkou

2 土地利用變化分析

2.1 土地利用變化模型

土地利用動(dòng)態(tài)變化包括土地資源數(shù)量、土地利用空間格局和類型組合方式等的變化.對(duì)于土地利用動(dòng)態(tài)變化過程的研究，主要是以建立模型為手段，包括土地資源數(shù)量變化模型、土地利用程度變化模型和土地利用變化驅(qū)動(dòng)力模型等[10-12].建立動(dòng)態(tài)變化模型是研究土地利用變化過程和變化程度以及預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的主要手段，本研究對(duì)土地利用變化的分析，采用土地利用類型變化模型、程度變化模型以及動(dòng)態(tài)度模型，以期既從數(shù)量變化與速率變化方面進(jìn)行分析，又從變化的生態(tài)環(huán)境影響方面進(jìn)行分析，使得分析更具實(shí)踐指導(dǎo)意義.

2.1.1 土地利用類型面積變化 土地利用類型變化率指研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，用于分析每一類土地利用類型在研究時(shí)期內(nèi)面積變化量，其公式如下：

式中，Ev表示研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的變化率；EUa、EUb表示研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量.

根據(jù)土地利用類型面積變化率，可以對(duì)土地利用的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估分級(jí).評(píng)估分為6級(jí)，分別為：快速增加、明顯增加、輕微增加、輕微減少、明顯減少、快速減少，具體指標(biāo)如表1所示.

表1 土地利用轉(zhuǎn)換趨勢(shì)評(píng)估分級(jí)

2.1.2 土地利用動(dòng)態(tài)度 在自然和人為因素的影響下，區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的數(shù)量在不同時(shí)段變化的幅度和速度是不同的，且存在空間差異.土地利用動(dòng)態(tài)度模型可以用來(lái)定量分析區(qū)域土地利用變化的速率，反映不同區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，對(duì)比不同時(shí)段土地利用變化差異和預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化的趨勢(shì)[13].

土地利用動(dòng)態(tài)度常分為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和單一土地利用動(dòng)態(tài)度，前者用來(lái)反映各土地利用類型的總體變化情況，后者用來(lái)反映某種土地利用類型的面積變化情況[8，10].綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(C)和單一土地利用動(dòng)態(tài)度(D)的計(jì)算公式分別為：

(1) 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

式中，C為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；Ai為研究起始時(shí)間第i類土地利用類型的面積；ΔAij為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為j類(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)，C的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率.土地利用動(dòng)態(tài)度為研究方便，將其擴(kuò)大10倍.

(2) 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度又分為反映土地利用類型變化絕對(duì)量的動(dòng)態(tài)度K1和反映轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出變化過程的動(dòng)態(tài)度K2.

式中，Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的面積；ΔU1、ΔU2分別為T年內(nèi)增加、減少的某一土地利用類型面積的絕對(duì)值，T為時(shí)間間隔年；K1、K2均為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度，其中K1衡量的是某一土地利用類型數(shù)量的速度變化，反映了研究時(shí)段內(nèi)從研究期初到研究期末土地利用結(jié)構(gòu)類型面積變化的絕對(duì)差值情況，忽略了土地利用空間區(qū)位的固定性及相關(guān)屬性，掩蓋了某一土地利用類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的雙向變化過程，不能很好地反映土地利用動(dòng)態(tài)變化的空間轉(zhuǎn)移過程[14].修正后的動(dòng)態(tài)度K2為轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出面積變化速率的和，能更為準(zhǔn)確地測(cè)算單一土地利用類型轉(zhuǎn)移量的動(dòng)態(tài)變化程度.為研究方便，將K1、K2均擴(kuò)大10倍.

2.1.3 土地利用程度變化模型 土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性，同時(shí)也反映了人類因素與自然環(huán)境因素的綜合效應(yīng)[10].劉紀(jì)遠(yuǎn)等從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，提出了土地利用程度的綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會(huì)因素影響下的自然平衡保持狀態(tài)分為4個(gè)級(jí)別：未利用土地級(jí)、林、草、水體用地級(jí)、農(nóng)業(yè)用地級(jí)和城鎮(zhèn)聚落用地級(jí)，并對(duì)4種土地利用級(jí)賦予其本身類別的值，得到4種土地利用程度的分級(jí)指數(shù)，如表2所示，從而給定土地利用程度綜合指數(shù)模型及土地利用程度變化模型的定量化表達(dá)式[15].

表2 土地利用程度分級(jí)賦值表

(1) 土地利用程度綜合指數(shù)模型

式中，L為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為第i級(jí)土地利用程度分級(jí)面積百分比；n是分級(jí)的數(shù)目.綜合指數(shù)的大小即反映了土地利用程度的高低.

(2) 土地利用程度變化模型

ΔLb-a=Lb-La，

式中,ΔLb-a為土地利用程度的變化；Lb、La分別為b時(shí)間和a時(shí)間區(qū)域土地利用綜合指數(shù).ΔLb-a為正值表明該區(qū)域土地利用處于發(fā)展期，反之則處于調(diào)整期或衰退期.

2.2 水源區(qū)土地利用變化特征分析

2.2.1 土地利用類型結(jié)構(gòu)變化 基于提取的土地利用信息，統(tǒng)計(jì)各時(shí)期各類型土地利用類型面積如表3.

表3 丹江庫(kù)區(qū)土地利用類型統(tǒng)計(jì)表

從水源區(qū)3期平均土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)看，庫(kù)區(qū)林地和耕地所占面積最大，分別占水源區(qū)總面積的44.31%和39.37%.其次是草地、建筑用地和水體，分別占水源區(qū)總面積的9.15%、3.20%和2.70%.濕地和未利用地面積最小，分別占水源區(qū)總面積的1.11%和0.15%，兩類面積之和約382.50km2，僅占水源區(qū)總面積的1.26%.

表4 丹江口核心水源區(qū)土地利用類型構(gòu)成表

從各時(shí)期土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)看，2013年水源區(qū)森林覆蓋率最高，林地面積占水源區(qū)總面積的比例約為50.43%， 1990年林地覆蓋率最低，約占水源區(qū)總面積的39.02%.1990年～2013年，丹江口核心水源區(qū)林地覆蓋率呈持續(xù)增加的趨勢(shì).耕地分布最多的年份是1990年，約占水源區(qū)總面積的43.51%，其次是在2000年，約占水源區(qū)總面積的39.82%，2013年旱地分布最少，約占水源區(qū)總面積的34.79%，即1990年～2013年，丹江口核心水源區(qū)耕地面積呈持續(xù)減少的趨勢(shì).1990年～2013年，草地面積占丹江口核心水源區(qū)總面積的比例分別為10.76%、9.72%和6.98%，草地覆蓋率逐年遞減.1990年～2013年，城鎮(zhèn)用地面積由867.61km2增加到1 089.64km2，面積持續(xù)增加.水體、濕地和未利用地面積變化相比其它用地總量變化不大，其中水體和濕地面積略微增加，未利用地面積略微減少.

分析研究區(qū)各時(shí)期土地利用類型變化情況，在1990年～2000年，各類型面積變化率相對(duì)較低.林地和城鎮(zhèn)用地面積快速增加，變化率分別為11.45%和9.41%；水體面積變化不明顯，呈輕微增加趨勢(shì)；草地和耕地面積快速減少，變化率分別為9.67%和8.47%；未利用地面積明顯減少，變化率約3.15%；濕地面積變化不明顯，呈輕微減少趨勢(shì).

表5 丹江口核心水源區(qū)土地利用類型面積變化

2000年～2013年間，各土地利用類型面積變化率較大，均高于1990年 ～2000年間土地利用類型變化率.草地、林地、城鎮(zhèn)用地和耕地變化率最大，變化百分比分別為28.18%、15.96%、14.79%和12.63%.林地、城鎮(zhèn)用地、水體和濕地面積快速增加，面積凈增量分別為2 101.01km2、140.42km2、87.71km2和24.31km2.草地、耕地和未利用地面積均快速減少，面積凈減少量分別為828.80km2、1 521.90km2和3.82km2.

1990年 ～2013年間，林地、城鎮(zhèn)用地、水體和濕地面積均快速增加，面積增加率分別為29.24%、25.59%、11.55%和6.78%；草地、耕地和未利用地面積均快速下降，下降率分別為35.13%、20.03%和11.19%；草地、林地、建筑用地和耕地面積變化率最大.

2.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度 根據(jù)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和單一土地利用動(dòng)態(tài)度模型，計(jì)算丹江口核心水源區(qū)各時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度，如表6所示.

表6 丹江口核心水源區(qū)不同時(shí)段土地利用動(dòng)態(tài)度

從水源區(qū)單一土地利用動(dòng)態(tài)度K1來(lái)看，1990年～2000年，林地、水體和建筑用地均以11.42%、0.37%和9.41%的年均速率增長(zhǎng)，其它用地類型表現(xiàn)為減少的趨勢(shì).在面積減小的用地類型中，草地和耕地的動(dòng)態(tài)度最大，分別為9.67%和8.47%；其次是未利用地，動(dòng)態(tài)度為3.15%；濕地動(dòng)態(tài)度最小，約0.58%.2000年～2013年，水源區(qū)各用地類型動(dòng)態(tài)度均較高，草地、耕地和未利用地分別以21.68%、9.71%和6.39%的年均速率減少，其它用地類型表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，其中林地和建筑用地動(dòng)態(tài)度最高 ，分別為12.29%和11.38%；其次是水體和濕地，動(dòng)態(tài)度分別為8.57%和5.69%.

在1990年～2000年和2000年～2013年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，修正的單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度K2明顯大于傳統(tǒng)的單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度K1，表明各用地類型均表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出雙向變化過程.兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，水體修正的土地利用動(dòng)態(tài)度K2和傳統(tǒng)的土地利用動(dòng)態(tài)度K1均相同，主要是因?yàn)樗w基本上均只有轉(zhuǎn)入沒有轉(zhuǎn)出.1990年～2000年林地動(dòng)態(tài)度K2和動(dòng)態(tài)度K1無(wú)明顯變化，也是因?yàn)樵谠摃r(shí)段內(nèi)林地有大量轉(zhuǎn)入現(xiàn)象和幾乎無(wú)轉(zhuǎn)出.而在2000年～2013年，林地動(dòng)態(tài)度K2遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)度K1，是由于該時(shí)段有大量林地轉(zhuǎn)出的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為林地大量轉(zhuǎn)為耕地(約11.75%).

1990年～2000年，雖然林地和耕地轉(zhuǎn)移變化量均遠(yuǎn)高于草地和城鎮(zhèn)用地，但動(dòng)態(tài)度K2均低于草地，主要是由于林地和耕地基數(shù)較大.未利用地和濕地雖然轉(zhuǎn)移變化量很小，但是基數(shù)較小，所以動(dòng)態(tài)度相對(duì)較高.2000年～2013年，耕地和林地動(dòng)態(tài)度K2最高，且遠(yuǎn)高于其動(dòng)態(tài)度K1，主要是由于這兩大生態(tài)系統(tǒng)之間存在大量的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出現(xiàn)象.

比較兩個(gè)不同時(shí)段內(nèi)動(dòng)態(tài)度，2000年～2013年各生態(tài)類型動(dòng)態(tài)度K2均高于1990年～2000年各生態(tài)類型動(dòng)態(tài)度K2，說明在2000年以后各生態(tài)類型變化均為明顯.水源區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度在1990年～2000年遠(yuǎn)低于2000年～2013年，說明在2000年～2013年，土地利用總體來(lái)講更加活躍，土地利用變化速度逐漸加快.

2.2.3 流域土地利用程度變化 根據(jù)土地利用程度模型，計(jì)算丹江口水源區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)及其變化，如表7所示.

表7 丹江口1990年～2013年土地利用程度綜合指數(shù)及其變化

1990年～2013年丹江口核心水源區(qū)土地利用程度呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，即水源區(qū)土地利用程度逐漸降低，土地利用屬于衰退期，說明隨著“南水北調(diào)工程”以及“退耕還林”政策的實(shí)施，丹江口重視生態(tài)的發(fā)展，減弱了土地利用的開發(fā).而1990年～2000年水源區(qū)土地利用程度的變化低于2000年～2013年土地利用程度的變化，主要是由于部分政策是在2001年后開始落實(shí).

3 結(jié)論

本文基于丹江口核心水源區(qū)3個(gè)時(shí)期的遙感數(shù)據(jù)，提取了20多年來(lái)的土地利用信息，并基于多種土地利用變化模型，分析了其變化特征，主要成果如下.

在3個(gè)時(shí)期中，庫(kù)區(qū)所占面積最大的土地利用類型為林地和耕地，其次是草地、建筑用地和水體，濕地和未利用地面積最小.林地、城鎮(zhèn)用地面積呈持續(xù)增加的趨勢(shì).耕地、草地面積呈持續(xù)減少的趨勢(shì).水體、濕地和未利用地面積變化相比其它用地總量變化不大，其中水體和濕地面積略微增加，未利用地面積略微減少.

在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，反映轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出變化過程的動(dòng)態(tài)度在2000年～2013年各類型均高于1990年～2000年各類型， 2000年以后各類型變化均較明顯.水源區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度在1990年～2000年遠(yuǎn)低于2000年～2013年，在2000年～2013年，土地利用總體來(lái)講更加活躍，土地利用變化速度逐漸加快.

1990年～2013年丹江口核心水源區(qū)土地利用程度呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，1990年～2000年水源區(qū)土地利用程度的變化低于2000年～2013年土地利用程度的變化，隨著“南水北調(diào)工程”以及“退耕還林”政策的實(shí)施，丹江口重視生態(tài)的發(fā)展，減弱了土地利用的開發(fā).

本文主要研究了近20年來(lái)丹江口核心水源區(qū)的土地利用變化信息，研究周期若能更長(zhǎng)，土地利用類型若能更細(xì)，土地利用模型若能更全面，則研究將更有參考價(jià)值，這也是以后需要繼續(xù)深入研究的方向.

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Land use change in central water source area of Danjiangkou

HE Xiong1， LIU Hai2， CHEN Xiaoling1

(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying， Mapping and Remote Sensing， Wuhan University， Wuhan 430079; 2.Faculty of Resources and Environmental， Hubei University， Wuhan 430062)

The south-north water diversion project is a major strategic project and infrastructure for relieve the shortage of water in the north. The middle route project has begun to diverse water to the north. Research on the land use change characteristics of Dangjiangkou central water source area is important for protecting the ecological environment of the water source area. The Paper determined the scope of danjiangkou central water source area. The land use information was extracted， based on the three period Landsat remote sensing images of the year 1990， 2000 and 2013. Through the area of land use type change model， land use dynamic degree model， the degree of land use change model， the land use change characteristics of central water source area were analyzed. Area of forest land and urban land continue to increase， while cultivated land continues to reduce and other changes were smaller. Speed of land use change gradually increases， and land use degree continues to decline．

central water source area; Dangjiangkou; land use; change

2015-01-26.

2015測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201512026).

1000-1190(2015)03-0440-07

TV697.4+4;TU991.11

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: liuhai11191@163.com.