基于高分影像的貴州省晴隆縣2016年土地利用狀況分析

劉曉林，亢 慶,2，劉超群，尹 斌，李樹波

(1.珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會(huì) 珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，廣東 廣州 510611)

土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，土地利用是人類活動(dòng)作用于陸地表層環(huán)境的一種重要方式[2]。土地利用現(xiàn)狀分析是對(duì)土地利用類型、數(shù)量、分布及其組合特征進(jìn)行評(píng)價(jià)和研究的過程，其結(jié)果可反映區(qū)域內(nèi)土地資源的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)，診斷土地利用是否合理，從而為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和土地利用總體規(guī)劃提供重要依據(jù)[3-4]。

貴州省晴隆縣喀斯特地貌發(fā)育強(qiáng)烈，屬于典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，土地利用不合理導(dǎo)致土地極端退化，出現(xiàn)了喀斯特石漠化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了人類的生存和社會(huì)的發(fā)展。為了探索石漠化成因，許多學(xué)者對(duì)晴隆縣的土地利用現(xiàn)狀、變化及趨勢(shì)開展了大量研究[5-8]，但目前研究所用的土地利用數(shù)據(jù)主要基于中分辨率的Landsat衛(wèi)星影像獲取，未見基于國(guó)產(chǎn)高分影像進(jìn)行晴隆縣土地利用的研究。晴隆縣屬于國(guó)家級(jí)貧困縣，新時(shí)期為了加快脫貧步伐，急需開展最新的、高精度的土地利用現(xiàn)狀分析，而國(guó)產(chǎn)高分1號(hào)衛(wèi)星融合影像分辨率可達(dá)到2 m，相比Landsat衛(wèi)星影像30 m的精度而言，獲取到的土地利用數(shù)據(jù)更為精確。

本研究以晴隆縣為對(duì)象，基于高分1號(hào)衛(wèi)星影像，采用面向?qū)ο蠛腿斯そ换ナ綀D像處理方法，獲取研究區(qū)2016年土地利用數(shù)據(jù)，借助計(jì)量地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)理論，對(duì)區(qū)域土地利用狀況進(jìn)行較為全面的分析，以期為土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和石漠化地區(qū)惡劣生態(tài)環(huán)境的改善提供參考依據(jù)，這對(duì)于喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

1 研究區(qū)概況

晴隆縣位于貴州省西南部、云貴高原中段，地理位置介于25°33′～26°11′N、105°01′～105°25′E，南北長(zhǎng)69 km，東西寬33 km，總面積1 324.43 km2，轄14個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)(圖1)。研究區(qū)屬高原峽谷區(qū)，地形起伏較大，海拔881～1 627 m，具有山高、谷深、坡陡的特點(diǎn)， 山地及丘陵面積占總面積的95.30%。屬溫涼濕潤(rùn)的高原亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑，年平均氣溫14.7 ℃左右，年降水量1 500～1 650 mm，降雨主要集中在5—8月。境內(nèi)主要河流有西泌河、大橋河、麻布河，屬珠江流域。土壤有黃棕壤、黃壤、石灰土、紫色土、水稻土、潮泥土、灌淤土等8個(gè)土類。植被屬亞熱帶常綠落葉闊葉混交林，原生植被早已遭受破壞，取而代之的是次生植被和人工植被，總體植被資源豐富[9]。

圖1 研究區(qū)地理位置示意

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

選取2016年覆蓋晴隆縣的8景高分1號(hào)衛(wèi)星影像，其中多光譜分辨率為8 m、全色分辨率為2 m，影像數(shù)據(jù)均來源于中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http://www.cresda.com/CN/)。采用ENVI遙感數(shù)字圖像處理軟件對(duì)獲取影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣糾正、圖像融合等預(yù)處理，得到研究區(qū)范圍內(nèi)2 m空間分辨率的遙感影像。參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)研究的需要，將研究區(qū)的土地分為6類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地。利用eCognition Developer軟件，基于面向?qū)ο笄懈钣跋竦姆椒?，獲取土地利用解譯圖斑。利用ArcGIS軟件，進(jìn)行人機(jī)交互式解譯[10]，得到研究區(qū)2016年土地利用圖。解譯后采用野外考察獲取的無人機(jī)影像對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，總體解譯精度達(dá)到91.26%。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用多樣化程度分析

土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)多樣化用于表征區(qū)域內(nèi)各種地類的齊全程度，其主要的分析方法是運(yùn)用吉布斯-馬丁多樣化指數(shù)模型來衡量多樣化程度[11]。該模型的數(shù)學(xué)公式為

(1)

式中：GM為吉布斯-馬丁多樣化指數(shù)；fi為區(qū)域內(nèi)第i種土地利用類型的占地面積。

GM的取值范圍是0～1，當(dāng)GM接近于1時(shí)，表明該類型土地利用的多樣化程度高；當(dāng)GM接近于0時(shí)，表明該類型土地利用的多樣化程度低。如果一個(gè)區(qū)域土地利用類型豐富且不同類型的土地面積比較均衡，則GM接近于1；如果一個(gè)區(qū)域土地利用類型單一，則GM接近于0。因此，用吉布斯-馬丁多樣化指數(shù)也能夠反映土地利用類型的齊全程度。

2.2.2 土地利用程度分析

土地利用程度主要反映了土地系統(tǒng)中人為因素的影響程度，而土地系統(tǒng)本身是一個(gè)復(fù)雜的自然社會(huì)綜合體。計(jì)算土地利用程度綜合指數(shù)(La)的公式[12]為

(2)

式中：Ai為一個(gè)區(qū)域中第i類土地利用類型的程度分級(jí)指數(shù)，其中耕地的土地利用分級(jí)指數(shù)為1，林地、水域和草地的為2，建設(shè)用地的為3，未利用地的為4；Ci為第i類土地利用類型的面積百分比。

由式(2)可知，土地利用程度綜合指數(shù)是一個(gè)取值區(qū)間為[100,400]的連續(xù)函數(shù)。在一定的單位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，綜合指數(shù)的大小反映了土地利用程度的高低。任何地區(qū)的土地利用程度均可以通過計(jì)算其綜合指數(shù)而得到。由于土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子來源于自然和社會(huì)兩個(gè)方面，故通過土地利用程度綜合指數(shù)，可以很好地體現(xiàn)自然和人類社會(huì)因子對(duì)土地利用的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)

根據(jù)晴隆縣2016年土地利用圖(略)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)， 全縣主要的土地利用類型為林地、草地和耕地，3種地類面積占全縣面積的92%以上。林地和草地面積相當(dāng)，分別為420.51、416.30 km2，占全縣總面積的比例分別為31.75%和31.43%；耕地面積為385.20 km2，占比為29.09%；建設(shè)用地、水域和未利用地面積較小，分別為53.04、25.76和23.61 km2，占比分別為4.01%、1.94%和1.78%。各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)特征與全縣相似，個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)有所差異。空間分布上，林地、草地和耕地在全縣均勻分布，林地一般分布在海拔較高的地方，縣城中部草地分布較多。全縣各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，雞場(chǎng)鎮(zhèn)耕地面積最大，花貢鎮(zhèn)林地和水域面積最大，茶馬鎮(zhèn)草地面積最大，光照鎮(zhèn)未利用地面積最大，大廠鎮(zhèn)建設(shè)用地面積最大。

表1 晴隆縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2016年度土地利用狀況

3.2 土地利用多樣化

土地利用狀況多樣化指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，晴隆縣整體土地利用多樣化指數(shù)為0.71，土地利用類型較豐富，土地面積較均衡。其中，長(zhǎng)流鄉(xiāng)的土地利用多樣化指數(shù)最大，為0.73，6種土地利用類型的面積較為均衡；花貢鎮(zhèn)、東觀街道和中營(yíng)鎮(zhèn)為0.71，與全縣的值相等；其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均低于全縣平均水平，茶馬鎮(zhèn)的值最低，僅為0.65，土地利用類型最為單一，其草地面積占到了全鎮(zhèn)面積的47%以上。

表2 晴隆縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2016年土地利用多樣化指數(shù)和土地利用程度綜合指數(shù)

3.3 土地利用程度

土地利用程度分析結(jié)果(表2)顯示：全縣土地利用程度綜合指數(shù)為178.49；光照鎮(zhèn)的土地利用程度最高，指數(shù)達(dá)到213.24；雞場(chǎng)鎮(zhèn)的土地利用程度最低，指數(shù)僅為159.03；茶馬鎮(zhèn)、東觀街道、蓮城街道、花貢鎮(zhèn)的土地利用程度均高于全縣的平均水平，安谷鄉(xiāng)、 碧痕鎮(zhèn)、大廠鎮(zhèn)、三寶彝族鄉(xiāng)、沙子鎮(zhèn)、長(zhǎng)流鄉(xiāng)、中營(yíng)鎮(zhèn)、紫馬鄉(xiāng)的土地利用程度均低于全縣的平均水平。

4 結(jié) 論

本研究以晴隆縣為對(duì)象，基于高分1號(hào)衛(wèi)星影像，采用面向?qū)ο蠛腿斯そ换ナ綀D像處理方法，獲取了研究區(qū)2016年土地利用數(shù)據(jù)，借助計(jì)量地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)理論，對(duì)區(qū)域土地利用狀況進(jìn)行了較為全面的分析，結(jié)果如下：晴隆縣主要的土地利用類型為林地、草地和耕地，3種地類面積占全縣面積的92%以上，各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)特征與全縣相似，個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)有所差異；空間分布上，林地、草地和耕地在全縣均勻分布，林地一般分布在海拔較高的地方，縣城中部草地分布較多；全縣土地利用類型較豐富，土地面積較均衡，茶馬鎮(zhèn)的土地利用最為單一；土地利用程度方面，光照鎮(zhèn)的土地利用程度最高，雞場(chǎng)鎮(zhèn)的最低。