基于遙感的紙坊溝流域土地利用時空變化分析

李生永，李 昂，王 磊，張永安，寧立波

(1.甘肅有色工程勘察設計研究院 中國 蘭州 730000；2.自然資源部高寒干旱區(qū)礦山地質環(huán)境修復工程技術創(chuàng)新中心, 中國 蘭州 730000；3.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，中國 武漢 430074)

近年來，隨著我國工農業(yè)建設和城市化進程的大力推進，土地資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日益突出。土地利用變化作為人地關系研究的重要組成與核心內容[1]，己成為國內外地球科學領域研究的前沿與熱點[2]。土地利用是指人類通過一定的生產生活行為，利用土地的屬性以滿足自身發(fā)展需要的過程[3]，直觀地反映了生態(tài)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務對環(huán)境變化的響應[4]，記錄了人類對土地資源利用與改造的動態(tài)過程，是評價區(qū)域發(fā)展變化的重要指標[5]。加強對區(qū)域土地利用時空變化、結構動態(tài)和驅動因素等方面的研究，對于科學管理土地資源、有效保護和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。遙感作為信息科學技術的重要支撐，具有實時性、可靠性、高效性[6]等特點，能夠客觀快捷地反映不同地物要素的空間分布特征，在土地利用變化監(jiān)測、土地資源管理與規(guī)劃等方面具有廣闊的應用前景[7]。本文以甘肅省平涼市紙坊溝流域為例，選取1987，2001和2016年3期遙感影像，結合RS和GIS技術，揭示了29 a內流域土地利用狀況的時空變化，為實現區(qū)域土地資源與經濟社會的協調發(fā)展提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

紙坊溝流域位于甘肅省平涼市城南，是涇河的一級支溝，隸屬于崆峒區(qū)，包括崆峒、峽門、柳湖3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)8個行政村，流域內有居民2 655人。地理坐標為東經106°37′～106°42′北緯35°26′～35°33′，呈狹長柳葉形(圖1)。流域為典型的隴東黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地貌類型自上游至下游依次為土石山梁區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原殘塬溝壑區(qū)[8]，總面積1 914.75 hm2，有大小溝壑121條，主溝長15.77 km，海拔最低處1 365.0 m，最高處為2 104.8 m，相對高差739.8 m，地勢由南向北逐漸降低。氣候類型為北溫帶半干旱、半濕潤大陸性氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年均氣溫8.8 ℃，年均降水量536.9 mm，年均蒸發(fā)量1 499.2 mm，年均日照時數2 381 h，無霜期171 d，多年平均風速2.0 m·s-1。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig. 1 Traffic location map of the studied area

紙坊溝流域歷史上曾多次發(fā)生水土流失災害，是黃河流域最早確立的重點治理小流域之一[8]。1954年起，流域持續(xù)開展了荒坡治理、梯田改造、筑壩治溝等防治工作，1999年開始進行第一批“退耕還林還草”試點，2001年正式啟動“退耕還林還草”工程，現已取得良好的水土保持和生態(tài)恢復效果。由平涼市水土保持研究所2010年調查統(tǒng)計結果顯示[9]：紙坊溝流域土地利用總面積為1 898.00 hm2，其中耕地為175.42 hm2，園地113.74 hm2，林地590.39 hm2，草地771.43 hm2，其他用地類型247.02 hm2。

2 研究數據與研究方法

2.1 數據來源與處理

研究選取3期時間跨度為29 a的遙感影像(由地理空間數據云提供)作為本次研究的基礎數據，具體為1987年8月28日分辨率為30 m的Landsat 5-TM影像，2001年6月30日分辨率為15 m的Landsat 7-ETM影像和2016年8月28日分辨率為16 m的高分1號影像，投影坐標系為WGS 1984 UTM Zone 48N，地理坐標系為WGS 1984。所選影像均攝于夏季無云或少云時段，紋理清晰、色彩明亮、成像效果較好，影響質量滿足研究需要。并在ENVI 5.3的支持下，結合紙坊溝流域DEM高程數據，對遙感影像進行輻射定標、幾何校正、波段融合、圖像融合、裁剪以及增強等預處理操作。

遙感影像采用基于最大似然法的監(jiān)督分類與目視解譯相結合的方法對流域土地利用類型進行解譯，同時借助于GoogleEarth和91衛(wèi)圖對解譯后的土地利用數據進行檢查校正，以減少影像混合光譜信息對分類的影響，在此基礎上通過野外實地調查對分類結果進行人工局部驗證，從而進一步提高分類精度。綜合3期遙感影像的實際解譯效果和國土資源部組織修訂的《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)國家標準，對紙坊溝流域的部分土地利用類型作出了3點調整：一是將園地劃歸入林地；二是將林地與草地合并統(tǒng)稱為林地/草地；三是將住宅用地、交通運輸用地和工礦倉儲用地合并統(tǒng)稱為建設用地。最終將紙坊溝流域土地利用類型分為以下4類：林地/草地、耕地、建設用地和未利用地。

2.2 研究方法

土地利用結構是一定時期一定范圍內的不同土地利用類型之間的比例關系或組成情況，直接反映了土地利用狀況[10]。對土地利用結構及其時空變化的分析主要體現在對區(qū)域土地利用類型、程度及數量變化等方面。

2.2.1 土地利用變化率 土地利用變化率指在時間尺度上研究區(qū)某種土地利用類型面積的變化率，反映的是某一區(qū)域土地利用狀況的總體變化情況與變化趨勢[11]，是反映區(qū)域土地利用變化強烈程度的重要指標。其表達式為

(1)

式(1)中：R為土地利用變化率，正值表示面積增加，負值表示面積減少，數值(土地利用變化率的絕對值)越大則表示變化越大；Ua和Ub分別表示研究時段初期和末期土地利用類型的面積。

2.2.2 單一土地利用類型動態(tài)度 單一土地利用類型動態(tài)度是用于表征在一定時間一定范圍內某種土地利用類型數量變化的指標[12]，其公式為

(2)

式(2)中：K為單一土地利用類型動態(tài)度，表示某種土地利用類型的年均變化率，正值表示面積增加，負值表示面積減少，其絕對值越大則變化越大；Ua、Ub依次表示研究時段初期與末期某種土地利用類型的面積；T為研究持續(xù)時間，單位為年。

2.2.3 綜合土地利用動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度指數模型用于從總體上表征研究區(qū)土地利用的變化速度[13]，其表達式為

(3)

式(3)中：Lc為Lc為綜合土地利用動態(tài)度，表示全部土地利用類型的年綜合變化率，Uai，Ubi依次表示研究時段初期和末期某種土地利用類型的面積；T為研究持續(xù)時間，單位為年；n為不同土地利用類型的個數。

2.2.4 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣源自于于系統(tǒng)科學中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉移特征的定量描述，是Markov模型在土地利用變化研究方面的應用?？梢匀娣从逞芯繒r段內的土地利用結構特征和不同土地利用類型之間的變化情況，是分析研究時段初期不同土地利用類型變化趨勢和末期不同土地利用類型的構成的重要手段[14-15]。其表達式如下：

(4)

式(4)中：S代表面積；n代表土地利用的類型的數量；i，j分別代表研究時段初期與研究時段末期的土地利用類型。在實際應用中，土地利用轉移矩陣通常以表格的形式表示。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空變化

綜合1987，2001和2016年3期紙坊溝流域土地利用結構變化解譯結果(表1、表2和圖2)可得如下結論。

圖2 1987—2016年土地利用解譯圖Fig. 2 Interpretation map of land use from 1987 to 2016

受地理位置和地形地貌等自然條件的限制，紙坊溝流域的主要土地利用類型為耕地與林地/草地，二者在流域內分布廣泛，面積之和超過流域總面積的90%，其中林地/草地主要集中于流域上游與中游，流域下游分布相對較少，耕地主要集中于流域中游與下游，流域上游分布較少；流域下游特別是溝口處臨近城區(qū)，故建設用地主要集中于此；未利用地主要分布于流域上游溝谷兩側的陡坡上，故投影面積最小。

1987—2016年期間，紙坊溝流域各土地利用類型變化程度不盡相同，變化率由大到小依次為林地/草地>耕地>建設用地>未利用地，其中前14 a中變化率由大到小依次為建設用地>未利用地>林地/草地>耕地，后15 a中變化率由大到小依次為林地/草地>耕地>建設用地>未利用地。耕地、建設用地、林地/草地、未利用地的面積占比先由1987年的55.9∶4.08∶39.85∶0.17變?yōu)?001年的50.02∶5.45∶44.39∶0.14再變?yōu)?016年的25.92∶6.22∶67.75∶0.11。3期不同土地利用類型的面積及占比由大到小依次為：耕地>林地/草地>建設用地>未利用地、耕地>林地/草地>建設用地>未利用地、林地/草地>耕地>建設用地>未利用地。

未利用地的面積在研究時段內持續(xù)減少，由1987年的3.33 hm2減少到了2016年的2.12 hm2，29 a中一共減少了1.21 hm2，變化率為-36.34%，其中前14 a減少了0.7 hm2，變化率為-21.02%，后15 a減少了0.51 hm2，變化率為-19.39%。

建設用地的面積在研究時段內持續(xù)增加，由1987年的78.03 hm2增加到了2016年的119.07 hm2，29 a中一共增加了41.04 hm2，變化率為52.6%，其中前14 a增加了26.37 hm2，變化率為33.79%，后15 a增加了14.67 hm2，變化率14.05%。

耕地的面積在研究時段內持續(xù)減少，由1987年的1 070.46 hm2減少到了2016年的496.31 hm2，29 a中一共減少了574.15 hm2，變化率為-53.64%，其中前14 a減少了112.7 hm2，變化率為-10.53%，后15 a減少了461.45 hm2，變化率-48.18%。

林地/草地面積在研究時段內持續(xù)增加，由1987年的762.93 hm2增加到了2016年的1 297.25 hm2，29 a中一共增加了534.32 hm2，變化率為70.04%，其中前14 a增加了87.03 hm2，變化率為11.41%，后15 a增加了447.29 hm2，變化率52.62%。

3.2 土地利用動態(tài)度變化

依據公式(2)與公式(3)，計算得出1987—2001年和2001—2016年紙坊溝流域土地利用動態(tài)變化結果如表3所示。

表1 紙坊溝流域1987—2016年土地利用結構變化統(tǒng)計表

表2 紙坊溝流域1987—2016年土地利用變化率統(tǒng)計表 單位：%

(1)總體而言，1987—2016年耕地、建設用地、林地/草地、未利用地的單一土地利用類型動態(tài)度依次為-1.85%，1.81%，2.42%和-1.25%；不同土地利用類型在29 a中的變化速度由大到小依次為：林地/草地>耕地>建設用地>未利用地。具體來說，1987—2001年耕地、建設用地、林地/草地、未利用地的單一土地利用類型動態(tài)度依次為-0.75%，2.41%，0.81%和-1.5%，不同土地利用類型在14 a中的變化速度由大到小依次為：建設用地>未利用地>林地/草地>耕地；2001—2016年耕地、建設用地、林地/草地、未利用地的單一土地利用類型動態(tài)度依次為-3.21%，0.94%，3.51%和-1.29%，不同土地利用類型在15 a中的變化速度由大到小依次為：林地/草地>耕地>未利用地>建設用地。從變化速度上來看，未利用地總體呈平穩(wěn)減少的趨勢，前14 a與后15 a的年變化率差別不大；建設用地后15 a的年變化率較前14 a大幅減小，表示經歷了前期快速增加后期緩慢增加兩個階段；耕地后15 a的年變化率較前14 a大幅增加，表示經歷了前期緩慢減少后期快速減少兩個階段；林地/草地后15 a的年變化率較前14 a大幅增加，表示經歷了前期緩慢增加后期快速增加兩個階段。

(2)1987—2016年紙坊溝流域的綜合土地利用動態(tài)度為1.04%，表明29 a中土地利用類型變化較為緩慢，其中1987—2001年2001—2016年的綜合土地利用動態(tài)度分別為0.42%和1.61%，表明流域土地利用類型前14 a變化緩慢而后15 a變化較快的兩個階段。

表3 紙坊溝流域1987—2016年土地利用動態(tài)度統(tǒng)計表 單位：%

3.3 土地利用轉移特征

在ENVI classic 5.3的支持下，對1987年、2001年和2016年3期解譯結果進行多時相影像動態(tài)檢測，得到流域內3個特征年的各土地利用類型面積的轉移矩陣(表4、表5)，進而探究土地利用類型的變化及成因。

由表4可以看出，1987—2001年中建設用地有26.92 hm2未發(fā)生轉移，轉入77.48 hm2，轉出51.11 hm2，其中有37.25 hm2轉出為耕地，13.86 hm2轉出為林地/草地；耕地有770.2 hm2未發(fā)生轉移，轉入187.56 hm2，轉出300.26 hm2，其中有51.35 hm2轉出為建設用地，247.95 hm2轉出為林地/草地，0.96 hm2轉出為未利用地；林地/草地有586.89 hm2未發(fā)生轉移，轉入263.07 hm2，轉出176.04 hm2，其中有26.13 hm2轉出為建設用地，148.51 hm2轉出為耕地，1.4 hm2轉出為未利用地；未利用地有0.27 hm2未發(fā)生轉移，轉入2.36 hm2，轉出3.06 hm2，其中有1.8 hm2轉出為耕地，1.26 hm2轉出為林地/草地。

表4 紙坊溝流域1987—2001年土地利用轉移矩陣 單位：hm2

由表5可以看出，2001—2016年中建設用地有43.47 hm2未發(fā)生轉移，轉入75.6 hm2，轉出60.93 hm2，其中21.47 hm2轉出為耕地，39.41 hm2轉出為林地/草地，0.05 hm2轉出為未利用地；耕地有395.2 hm2未發(fā)生轉移，轉入101.11 hm2，轉出562.56 hm2，其中有47.46 hm2轉出為建設用地，515.03 hm2轉出為林地/草地，0.07 hm2轉出為未利用地；林地/草地有740.36 hm2未發(fā)生轉移，轉入556.89 hm2，轉出109.6 hm2，其中有28.14 hm2轉出為建設用地，79.53 hm2轉出為耕地，1.93 hm2轉出為未利用地；未利用地有0.07 hm2未發(fā)生轉移，轉入2.05 hm2，轉出2.56 hm2，其中有0.11 hm2轉出為耕地，2.45 hm2轉出為林地/草地。

表5 紙坊溝流域2001—2016年土地利用轉移矩陣 單位：hm2

3.4 分析

土地利用變化受自然地理環(huán)境、經濟社會政策等多重因素的影響和制約，其中自然因素在較長時空尺度上塑造了土地利用的宏觀格局，但在短期內對土地利用的變化影響有限[16]，故應著重討論以經濟社會因素為主的人為作用。

1987—2001年，隨著紙坊溝流域城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進和經濟社會的快速發(fā)展，流域內居民對土地資源需求與日俱增，其結果表現為建設用地面積的持續(xù)快速增加。新增的建設用地主要集中于流域中游、下游和溝口處，多為居民住宅用地及道路，主要來源于林地/草地和耕地。林地/草地與耕地之間的轉化較為活躍，耕地凈轉入林地/草地99.44 hm2，這主要因為自1985年以來，紙坊溝流域持續(xù)開展林業(yè)和梯田建設等水土保持工作，具體內容包括建設梁峁防護林、坡面防護林、地梗防護林溝頭、溝頭防護林、溝底防護林和水平梯田等，涵蓋了流域的上中下游。這一系列措施改變了流域的徑流過程和輸沙量，從而使得未利用地的面積隨之減少[16]，未利用地凈轉入耕地0.84 hm2。

2001—2016年，紙坊溝流域不同土地利用類型之間的轉化較前一階段更為活躍，表現為林地/草地面積大幅上升而耕地面積大幅下降，未利用地面積依舊持續(xù)下降，耕地凈轉入林地/草地435.5 hm2，未利用地凈轉入林地/草地0.52 hm2。這是因為流域2001年以來正式啟動“退耕還林還草”工程，這一變化反映了因地制宜和市場導向的原則。減少的耕地集中分布于紙坊溝流域中下游地區(qū)，多為坡度>25°的坡耕地，部門村莊>15°的坡耕地一次性全部退耕，在此期間還開展了以生態(tài)博覽為主題的綜合開發(fā)。具體措施包括將部分原種植小麥、蕎麥等傳統(tǒng)作物的坡耕地改種為葡萄、核桃、李樹、蘋果、棗樹和花椒等經濟樹種以大力發(fā)展林果、經濟用林、畜牧業(yè)等特色產業(yè)，將陡坡耕地和嚴重沙化耕地中的非基本農田恢復為林地、草地等。在該研究時段內地方政府仍持續(xù)推動流域城鎮(zhèn)化進程并著力提升居民生活水平，包括針對居住于部分交通不便的偏遠地區(qū)的居民進行異地安置并推進流域內交通用地、工業(yè)用地、居民住宅用地建設工作，尤其是下游地區(qū)沿流域東西兩側建設一批建材廠、畜禽養(yǎng)殖場等，大力發(fā)展棚栽業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)并使其成為主導產業(yè)。流域現已形成上游地區(qū)發(fā)展以玉米、蔬菜等傳統(tǒng)作物為主的農業(yè)經濟，中游地區(qū)發(fā)展以蘋果、葡萄等經濟種為主的果業(yè)經濟，下游地區(qū)發(fā)展以輕工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)為主的工業(yè)經濟的新發(fā)展格局。