基于LandsatTM/OLI數(shù)據(jù)的吐魯番綠洲土地利用/覆被變化研究

寧岸新

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830046)

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基于LandsatTM/OLI數(shù)據(jù)的吐魯番綠洲土地利用/覆被變化研究

寧岸新

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830046)

摘要[目的]運用3S技術(shù)研究1990～2015年吐魯番地區(qū)土地利用/覆被變化情況。[方法]以吐魯番地區(qū)1990年landsat5 TM影像及2015年landsat8 OLI影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用3S技術(shù)，基于光譜特征的最大似然監(jiān)督分類法和人機(jī)交互式目視解譯方法，獲取 1990、2015 年吐魯番綠洲土地利用類型數(shù)據(jù)。最后運用土地利用格局變化指標(biāo)分析方法及空間轉(zhuǎn)移矩陣方法，探討了1990～2015年吐魯番綠洲土地資源的結(jié)構(gòu)特點和變化規(guī)律。[結(jié)果]吐魯番綠洲呈擴(kuò)大趨勢，綠洲面積增加，未利用地減少。其中，耕地、草地、園林地面積增加顯著，裸地和鹽堿地面積減少，沙地面積小幅增加。綠洲區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地和水域面積增加，但綠洲外圍的尾閭湖—艾丁湖卻呈萎縮趨勢。[結(jié)論]該研究為吐魯番地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞吐魯番綠洲；土地利用/覆被變化；Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)

人地關(guān)系一直是地理學(xué)研究的核心問題之一，而最直接的表現(xiàn)形式是土地利用/覆蓋類型的變化。土地利用動態(tài)變化反映了土地利用的發(fā)展變化趨勢。目前，我國正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化的過程促使大規(guī)模的土地利用/覆蓋變化發(fā)生，城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村的經(jīng)濟(jì)和人口等要素相互滲透與擴(kuò)散，區(qū)域土地利用/土地覆蓋變化較快，其帶來了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、人口遷移等各種復(fù)雜的社會和經(jīng)濟(jì)問題，并產(chǎn)生了局部氣候變化、生物多樣性改變、環(huán)境污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題。城市化大背景下的土地利用/覆蓋變化研究已成為學(xué)者關(guān)注的重點問題[1-4]。

干旱區(qū)綠洲是干旱區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)，人類活動也集中于此。但由于干旱區(qū)綠洲受氣象、地理環(huán)境及水資源的影響，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，生態(tài)環(huán)境較濕潤區(qū)域脆弱。與此同時,由于土地資源的不合理利用，引發(fā)的土地退化問題顯著，從而加劇了綠洲生態(tài)環(huán)境的次生脆弱化[5]。因此，筆者選取新疆東部生態(tài)環(huán)境極其脆弱的吐魯番綠洲為研究區(qū)，基于3S技術(shù)開展了1990～2015年吐魯番地區(qū)土地利用/覆被變化研究，以期為當(dāng)?shù)赝恋刭Y源可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況吐魯番地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)中東部，地理坐標(biāo)為87°16′～91°55′E、41°12′～43°40′N。行政區(qū)劃上分為吐魯番市、托克遜縣、鄯善縣。四周高山環(huán)抱，形成一個封閉性盆地。盆地中有東西走向的火焰山，將盆地綠洲分成南北兩部分。吐魯番盆地屬大陸荒漠性氣候，干旱炎熱，年降水量約16mm，蒸發(fā)量高達(dá)3 000mm，夏季最高氣溫曾高達(dá)49.6 ℃，6～8月平均最高氣溫在38.0 ℃以上。因此自古有“火洲”之稱。日照時間長，全年約3 200h，無霜期210d左右。由于盆地氣壓低，吸引氣流流入，該地也是我國有名的“風(fēng)庫”[6]。

1.2數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)源主要采用覆蓋研究區(qū)的1990年2景l(fā)andsat5-TM影像(成像時間9月16日，10月9日)和2015年2景Landsat8-OLI影像(成像時間9月12日，9月21日)。影像數(shù)據(jù)資料季相較為一致，無云覆蓋，質(zhì)量較好?？紤]到吐魯番綠洲整體沿東西向分布于盆地中心，出于實際研究需要，并未按照行政界限劃定研究區(qū)，而是截取涵蓋整個綠洲區(qū)域及鄯善庫姆塔格沙漠的矩形區(qū)域(6 170行×2 109列)為研究區(qū)。邊界范圍：左上角為88°21′10.33″E，43°9′3.10″N,右下角為90°38′59.22″E,42°30′25.00″N。此外，還有吐魯番市1∶10萬地形圖，1990年吐魯番市土地利用圖件及2015年野外考察GPS采樣點及實地景觀照片庫，選出有效樣點220個。

利用Landsat系列衛(wèi)星影像資料，在ENVI遙感處理軟件中，提取2個時期的吐魯番綠洲土地利用覆被信息。采用轉(zhuǎn)移矩陣分析方法和土地利用動態(tài)變化的綜合分析指標(biāo)體系， 揭示1990～2015年研究區(qū)土地利用類型變化的幅度、速度和轉(zhuǎn)移方向?？紤]到干旱區(qū)綠洲環(huán)境特征，以及吐魯番地區(qū)自然、社會、經(jīng)濟(jì)等實際特點，將土地利用的景觀類型劃分為建設(shè)用地、耕地、園林地、草地、水域、裸露湖床、裸地、沙地、鹽堿地9類。

1.3圖像預(yù)處理在遙感數(shù)字影像處理中，為了取得良好的處理效果，首先，須對影像進(jìn)行幾何校正(幾何粗校正和幾何精校正)、輻射校正等處理后才能提取信息[7]。因此，筆者以2期吐魯番綠洲Landsat系列衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)，借助1∶10萬地形圖對4景影像進(jìn)行幾何精校正，使得不同時相的影像具有相同的投影方式和空間范圍，校正誤差控制在0.5個像元內(nèi)。其次，為消除大氣的影響，使得影像數(shù)據(jù)更接近實際，采用FLAASH方法對影像進(jìn)行大氣校正。最后，對不同景的影像進(jìn)行鑲嵌處理，并根據(jù)研究區(qū)范圍完成圖像的裁剪、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。

1.4土地利用/覆被類型提取選取吐魯番地區(qū)1990年Landsat5TM影像及2015年Landsat8OLI影像，通過基于光譜特征的最大似然監(jiān)督分類法和人機(jī)交互式目視解譯方法，結(jié)合野外調(diào)查與室內(nèi)解譯方法，獲取1990、2015 年吐魯番綠洲土地利用類型數(shù)據(jù)。參考同期地面資料, 通過隨機(jī)選取若干樣本區(qū), 計算分類混淆矩陣和kappa系數(shù)的方法, 對最后得到的土地利用結(jié)果圖進(jìn)行精度檢驗。得到分類后的 1990年(kappa系數(shù)為0.846)和2015年(kappa系數(shù)為0.897)均在0.800以上，分類結(jié)果精度較高，可用于進(jìn)一步分析土地利用/覆被動態(tài)變化。分類結(jié)果見圖1、2。

圖1　1990年土地利用分類Fig.1　Land use classification in 1990

圖2　2015年土地利用分類Fig.2　Land use classification in 2015

從圖1、2可直觀地看出，吐魯番綠洲在盆地中央呈東西走向，由中心向外分別為綠洲—綠洲與荒漠交錯帶—荒漠分布，荒漠面積分布較廣，主要以裸地、沙地、鹽堿地為主；水域和建設(shè)用地相對較少。綠洲東南部為庫木塔格沙漠，鹽堿地主要分布在托克遜以東艾丁湖以北；2015年綠洲植被覆蓋區(qū)域較1990年明顯擴(kuò)大，城鎮(zhèn)居民點用地增加，尤其以吐魯番市周邊建設(shè)用地增加較為明顯；艾丁湖湖區(qū)面積呈減少趨勢。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用/覆蓋變化結(jié)構(gòu)通過分析各用地類型面積的變化，可以了解研究區(qū)土地利用變化總體態(tài)勢和區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的變化特征。土地資源數(shù)量變化可用土地利用動態(tài)度模型來反映。單一土地利用動態(tài)度是指在某一時段內(nèi)某種土地利用變化類型的數(shù)量變化情況[8-12]，其表達(dá)式為：

(1)

式中，K為T時段內(nèi)某種土地利用類型動態(tài)度；Ua和Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長度(以年為單位)，K為某種土地利用類型的年變化率。

根據(jù)吐魯番綠洲1990和2015年影像提取的土地利用類型數(shù)據(jù)和土地利用變更數(shù)據(jù)，可得到土地利用面積、構(gòu)成、變化幅度(表1)。

由表1可知，1990～2015年吐魯番綠洲土地利用/覆被類型面積發(fā)生了變化。主要特點體現(xiàn)在以下幾方面：①吐魯番綠洲呈擴(kuò)大趨勢，植被覆蓋區(qū)面積增大，未利用地面積減少。其中，耕地、草地、園林地面積均呈增加趨勢，分別增加了145.36、266.03、64.72km2，動態(tài)度分別為1.58%、2.44%、2.34%。植被覆蓋區(qū)面積合計增加476.11km2，綠地面積增加的主要原因是隨著人口的增長及農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，吐魯番地區(qū)25年來開展新開墾耕地，發(fā)展林果業(yè)，積極推進(jìn)生態(tài)文明，加強(qiáng)防護(hù)林建設(shè)， 與中韓合作固沙造林等政策及項目。②建設(shè)用地大幅增加，城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著。由1990年的17.28km2增加到2015年的42.29km2，增幅144.73%，動態(tài)度9.65%。這與吐魯番地區(qū)人口增加及城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張有直接關(guān)系。③未利用土地面積明顯減少，其中,裸地、鹽堿地面積分別減少了265.98和253.56km2，動變度為0.24%、2.60%；而沙地面積小幅增加，增加了50.20km2，動態(tài)度為0.15%。這表明綠洲土地利用程度提高，沙漠化進(jìn)程有所減緩。④水域面積有所增加，由1990年的3.36km2增加到2015年的8.30km2，增加了4.94km2，動態(tài)度為9.80%。但水域面積占總研究區(qū)面積比重仍較低，僅為0.07%，可見吐魯番綠洲水資源量仍較缺乏。盡管如此，水域面積的增加并不能代表該區(qū)域25年來水資源總量的變化趨勢。水體不同于其他地類，年內(nèi)及年際差異較大，且多光譜影像提取水域信息僅反映水體的瞬時分布面積，卻不能反映水資源總量的變化。位于吐魯番盆地中心最低處的艾丁湖作為綠洲區(qū)域環(huán)境特征的“指示器”，已經(jīng)從常年性湖泊演變成季節(jié)性湖泊[13]。對季節(jié)性湖泊而言，湖床面積可以反映前期湖泊最大水域面積，比瞬時湖泊水域面積更具有代表性。為此，筆者將艾丁湖裸露湖床單獨分析。裸露湖床從1990年的75.86km2減少到2015年的38.77km2，減少了48.89%。相關(guān)資料顯示[14]，20世紀(jì)70年代以來，進(jìn)入艾丁湖的水量大量減少。由此可見，雖然吐魯番綠洲區(qū)域內(nèi)水域面積增加，但是艾丁湖湖泊明顯萎縮，兩者具有一定相關(guān)性。

表1　1990～2015年吐魯番綠洲土地利用類型面積變化情況

2.2土地利用/覆被變化轉(zhuǎn)移矩陣研究土地利用變化除了數(shù)量、程度變化外，還要研究各種類型之間的相互轉(zhuǎn)化面積、方向[15]。得到土地利用分類圖后，在envi遙感軟件中用變化檢測工具疊加2個時期的分類結(jié)果圖，統(tǒng)計所有地類之間相互轉(zhuǎn)化的面積和方向。

由表2可知，1990～2015年吐魯番綠洲區(qū)域各地類轉(zhuǎn)移的特征表現(xiàn)在以下幾方面：①耕地面積有所增加，主要源于裸地及草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為115.43、147.81km2，扣除耕地轉(zhuǎn)出面積，耕地凈增145.36km2。②草地面積大幅增加，新增面積266.03km2，主要由裸地及鹽堿地轉(zhuǎn)入，其轉(zhuǎn)入面積分別占草地總轉(zhuǎn)入面積的53.01%和20.41%。③園林地面積增加明顯，主要源于耕地、裸地和草地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積分別為93.31、59.38、42.44km2，園林地凈增64.72km2。④水域面積變化較大，主要源于裸地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)入面積達(dá)到7.46km2。⑤裸露湖床面積明顯減少，主要轉(zhuǎn)出為鹽堿地和裸地，轉(zhuǎn)出面積分別為1.16和7.94km2。⑥裸地和鹽堿地面積大幅減少，均以向草地和耕地轉(zhuǎn)出為主。⑦沙地面積小幅增加，48.56km2裸地轉(zhuǎn)化為沙地。⑧建設(shè)用地的面積增加明顯，主要轉(zhuǎn)入類型為裸地和草地，轉(zhuǎn)入面積分別為19.63和10.17km2。

表2　1990～2015年吐魯番綠洲土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

3結(jié)論與討論

(1)1990～2015年，隨著吐魯番地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，吐魯番綠洲呈擴(kuò)大趨勢，綠洲植被覆蓋面積增加，未利用地減少。主要以裸地和鹽堿地向耕地、草地、園林地類型轉(zhuǎn)移為主，耕地、草地、園林地面積增加顯著，植被覆蓋區(qū)面積合計增加476.11km2。裸地、鹽堿地面積大幅減少，沙地面積小幅增加。耕地面積的持續(xù)增加反映出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍是吐魯番綠洲重要的經(jīng)濟(jì)活動。

(2)吐魯番地區(qū)建設(shè)用地大幅增加，城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著。由1990年的17.28km2增加到2015年的42.29km2，增幅為144.73%，年變化率為9.65%。

(3)綠洲內(nèi)部水域面積增加，由1990年的3.36km2增加到2015年的8.30km2，年變化率為9.80%。而在綠洲外圍吐魯番盆地周邊各河流的尾閭湖—艾丁湖區(qū)裸露湖床面積大幅減少，從1990年的75.86km2減少至2015年的38.77km2，減少了48.89%。這說明綠洲用水量大幅增加，下游艾丁湖入湖水量嚴(yán)重減少，艾丁湖湖區(qū)面積萎縮，建議采取相關(guān)措施加強(qiáng)湖區(qū)環(huán)境保護(hù)。

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作者簡介寧岸新(1984- )，男，新疆吐魯番人，工程師，碩士，從事土地利用與農(nóng)田水利規(guī)劃研究。

收稿日期2016-04-15

中圖分類號P 208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-064-04

StudyonLandUse/CoverChangeinTurpanOasisBasedonLandsatTM/OLIData

NINGAn-xin

(XinjiangCorpsSurvey&DesignInstitute(Group)Co.Ltd.,Urumqi,Xinjiang830046)

Abstract[Objective] The aim was to study the change of land use/coverage in Turpan area during 1990-2015 using 3S technology. [Method]With Turpan landsat5 TM images in 1990 and 2015 landsat8 OLI images as basic data, by using 3S technique, two temporal Turpan Oasis land use types were derived by visual interpretation and maximum likelihood supervised classification method based on spectral feature. Finally using comprehensive index of land use dynamic change analysis and spatial transfer matrix method, the land resource structure characteristics and change rules in the past 25 years in Turpan Oasis were discussed. [Result]The results indicated that the Turpan Oasis showed an obvious trend of expansion, oasis area which include cultivated land, grassland, garden area was increased significantly, unused land which include bare land and saline land area was decreased. Meanwhile, the construction land and water area were increased significantly, but the oasis peripheral Rump Lake - Aydingkol Lake presented shrinking trend. [Conclusion] The study can provide basic data and scientific basis for eco-environment protection in Turpan area.

Key wordsTurpan Oasis; Land use /cover change; Landsat TM/OLI data