岷江上游土地利用變化遙感動態(tài)監(jiān)測

邱姝月, 曹禮剛, 楊武年

(成都理工大學 a.地球科學學院，b.地球物理學院，成都 610059)

0 引言

土地是人類賴以生存的根本，社會發(fā)展的物質基石。土地利用/覆被變化是人文和自然綜合作用結果，對人類發(fā)展和全球變化產(chǎn)生重要影響。在LUCC驅動機制以及生態(tài)環(huán)境效應研究中，首先需要明確區(qū)域土地利用程度內部結構和變化特征，其可以反映人類活動和自然因素對區(qū)域的干擾程度和發(fā)展趨勢。因此，區(qū)域土地利用程度的研究得到廣泛重視。首先莊大方[1]提出中國土地利用程度"極地"模式，后學者將其與數(shù)學模型、遙感與GIS相結合，分別利用半變異函數(shù)分析法[2]、土地利用率模型[3]、因子分析法[4]、土地利用變化指數(shù)模型[5-6]等，對土地利用程度進行空間分析和探討。其中土地利用變化指數(shù)模型很好反映了一個地區(qū)自然條件、自然資源和社會經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域結構，廣泛應用于人文經(jīng)濟活躍區(qū)[7-9]和生態(tài)脆弱區(qū)[10-11]。同時土地利用變化具有明顯的地域性和綜合性，但國內大多研究主要分析土地利用程度總體特征，對區(qū)域內部空間分布的依賴性和異質性的探討相對不足，分析各縣區(qū)域差異程度，有利于按區(qū)調整土地利用方式。

岷江上游作為西南山地農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)，國內學者對其土地利用進行不同程度研究[12-14]。多數(shù)研究從該區(qū)域土地利用/覆被的數(shù)量結構變化進行研究，較少進行土地利用程度探討或區(qū)域差異對比分析。2008年汶川地震后，政府采取相關政策積極開展災后重建和植被恢復工作。1994年至2014年，由于建設長江上游生態(tài)屏障的需要，阿壩州開啟第一輪的退耕還林還草工程。同時受自然災害和國家政策影響，岷江上游土地利用/覆被在該時段發(fā)生明顯變化。本研究利用遙感技術、GIS對該區(qū)20 a的土地利用/覆被變化進行長期動態(tài)監(jiān)測，探索人文因素和自然因素對岷江上游土地利用程度和區(qū)域差異的影響，有利于客觀了解當?shù)赝恋乩脙炔拷Y構，為解決我國西南地區(qū)土地利用資源中所存在的普遍問題提出建設性意見。

1 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江是長江上游的重要分支，發(fā)源于岷山南麗松潘縣郎架嶺，其上游區(qū)域地處橫斷山脈和高山峽谷之間的過渡帶，位于北緯 31°26′～ 33°16′，東經(jīng) 102°59′～104°14′，流域面積約為 24 650 km2，東西寬為 125 km，南北長為 341 km，其行政區(qū)域包括四川省阿壩藏族羌族自治州的黑水縣、松潘縣、茂縣、理縣和汶川縣(圖1)。該區(qū)地形地貌總體呈現(xiàn)由西北向東南傾斜的分布趨勢，受其影響，氣候、土壤、植被等都具有顯著的水平和垂直分異特征。降雨主要集中在5月—10月，年均降水量為700 mm～900 mm，植被覆蓋度高且差異大，如草甸、高山灌草、灌木、喬木等。土壤類型主要由褐土、石質土、棕壤等。

1.2 基礎數(shù)據(jù)與預處理

筆者采用的遙感數(shù)據(jù)有：1994年6月26日、2008年7月18日的Landsat TM 和2014年6月1日Landsat OLI三期數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)來源:http://www.gscloud.cn/。其他輔助數(shù)據(jù)包括：四川省各地市、區(qū)縣矢量邊界數(shù)據(jù)，2015年岷江上游的谷歌影像數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)。將所有基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影至WGS_1984_UTM_Zone_48N坐標系下，對三期Landsat遙感影像分別進行輻射定標、大氣校正和影像鑲嵌等預處理?；谶b感影像選取樣本數(shù)據(jù)，將其分為70%分類子集和30%檢驗子集，分別采用監(jiān)督分類方法提取土地利用信息，并結合谷歌影像進行精度評價。利用混淆矩陣得到1994年、2008年、2014年土地利用分類精度分別為78.42%、80.16%、76.15%。

1.3 土地利用轉移矩陣

轉移矩陣作為土地利用變化分析指標，它可以對土地利用的結構和方向進行定量描述，其數(shù)學表達式為：

(1)

其中：n代表某種土地利用類型；i、j分別代表研究期初和期末的土地利用類型；Sij表示由i用地轉移到j類用地的面積，即對角線Snn表示研究期間第i類未變化的面積。矩陣行元素之和表示轉移前該類土地的面積，某一列元素之和表示轉移后該類用地面積。

1.4 土地利用變化指數(shù)模型

1.4.1 土地利用動態(tài)度

基于土地利用轉移矩陣對土地利用數(shù)量結構進行研究，將土地利用動態(tài)度[15]作為評價指標，可分為兩種類型：①單一土地利用動態(tài)度；②綜合土地利用動態(tài)度。

單一土地利用動態(tài)度表達式為式(2)。

(2)

其中：Ua為某種土地利用類型研究初期面積；Ub為同類土地利用類型研究期面積；T為變化的時間間隔定為年；K為面積年變化率。

綜合土地利用動態(tài)度表達式為式(3)。

(3)

其中：ΔLUij表示一定研究時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型的面積絕對值；T單位為年；LU為土地利用年變化率。

1.4.2 土地利用程度綜合指數(shù)

通過土地利用程度綜合指數(shù)以及土地利用程度變化量和變化率，定量地表達該研究區(qū)土地利用的綜合情況和變化趨勢。土地自然復合體在自然社會人文等因素的影響下，可按其保持的狀態(tài)分為4級(表1)[16]。

以土地利用程度分級指數(shù)和岷江上游各類型地物面積為基礎，利用計算地理模型可計算出岷江上游各年份的土地利用綜合指數(shù)(Li)以及變化量(ΔLb-a)[17]，計算公式為式(4)至式(5)。

(4)

(5)

式中：n為土地利用程度分級數(shù)；Ai為研究區(qū)第i級土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級土地利用面積百分比；Lb和La分別是b和a時間的區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Cib和Cia分別為某區(qū)域b和a時間第i級土地利用程度面積百分比。當ΔLb-a>0，則該區(qū)域土地利用處于發(fā)展期，若當ΔLb-a<0，則該區(qū)域土地利用處于調整期或衰退期。

表1 土地利用程度分級賦值Tab.1 Land use degree classification assignment

2 結果與分析

2.1 土地利用數(shù)量結構分析

研究區(qū)土地利用1994年、2008年、2014年土地利用現(xiàn)狀如圖2所示。岷江上游地區(qū)主要土地利用類型為林地和草地。其中，林地主要分布于東北部，草地分布于西南部。岷江上游西南地區(qū)耕地明顯多于東北地區(qū)，建筑用地幾乎與耕地保持一致。根據(jù)圖2可知，1994年-2014年西部地區(qū)變化明顯，耕地增多，林地減少，建筑用地分布不均。低海拔地區(qū)建筑用地和耕地面積明顯增加。水域幾乎保持不變。根據(jù)表2可知，1994年-2008年，林地、草地、水域年均變化率分別為-0.21%、-0.36%、-0.35%。而耕地、建筑用地和未利用地面積增加，其中建筑用地年均變化率(5.4%)最大，新增 346.28 km2。；2008年-2014年，林地、耕地、未利用地年均變化率分別為-3.19%、-1.6%、-16.19%，而草地和建筑用地面積增加，其年均變化率分別為4.51%、3.54%；20年間，耕地、草地、建筑用地面積增加，建筑用地年變化率(4.84%)最大，新增 500.33 km2。而林地、水域、未利用地面積減少，年變化率分別為-1.12%、-0.07%、-2.05%。

2.2 土地利用程度分析

由表3可知，1994年-2014年岷江上游綜合土地利用動態(tài)度較小，該期間研究區(qū)土地類型變化平穩(wěn)。2008年-2014年較1994年-2008年階段土地利用類型轉化頗為劇烈，城鎮(zhèn)化發(fā)展和政府決策加速推動2008年-2014年當?shù)赝恋乩脿顩r。未利用地的動態(tài)度在2008年-2014年這個時期最高，是由于2008年強震引發(fā)大量滑坡，使得山體裸露，在政府決策下，當?shù)胤e極開展地震受損區(qū)的植被恢復。其次，建筑用地的20 a間土地利用動態(tài)度較高，達到1.91%，2008年-2014年(6.21%)明顯高于1994年-2008年(2.20%)階段，主要受經(jīng)濟的快速發(fā)展影響。水域動態(tài)度變化較大，但總量基本保持不變，說明在地質構造運動和人類活動作用下，水系變化比較活躍。1994年-2014年草地和林地的動態(tài)度較低，耕地較高，但2008年-2014年三者土地利用動態(tài)度均高于1994年-2008年。該時段其他用地轉化為耕地，而耕地轉化為林地或草地，同時耕地面積遠小于林地和草地，因此其土地利用動態(tài)度較大。主要原因阿壩州自1999年率先啟動退耕還林工程以來，加強補植補造和后續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展導致該時段耕地、林地、草地的相互轉化。

圖2 岷江上游土地利用Fig.2 Land use in the upper reaches of the Minjiang river(a)1994年；(b)2008年；(c)2014年

表2 1994年-2014年岷江上游土地利用類型年變化率Tab.2 Annual change rate of land class in the upper reaches of the Minjiang river from 1994 to 2014

圖3 土地利用程度綜合指數(shù)Fig.3 Comprehensive index of land use degree

由圖3、表4可知，1994年、2008年和2014年的土地利用綜合指數(shù)分別為206.7、210.17、211.56。各階段土地利用變化量和變化率均為正值，說明研究區(qū)土地利用程度普遍不高，但整體處于速率有所減緩的發(fā)展期。林地和耕地面積總量較大，由于汶川強震后，森林破壞，建筑物受損，存在較多潛在自然災害隱患，但隨災后重建工作積極開展和經(jīng)濟迅速發(fā)展，岷江上游總體土地利用程度呈緩慢上升。

表3 1994年-2014年岷江上游土地利用動態(tài)度Tab.3 Dynamic degree of land use in the upper reaches of Minjiang river from 1994 to 2014

表4 岷江上游土地利用程度變化量和變化率Tab.4 The amount and rate of land use change in the upper reaches of the Minjiang river

表5 岷江上游各區(qū)縣土地利用程度變化量Tab.5 Changes in the degree of land use in the upper reaches of the Minjiang river

圖4 岷江上游各區(qū)縣土地利用程度綜合指數(shù)Fig.4 Comprehensive index of land use degree of districts and counties in the upper Minjiang river

2.3 土地利用區(qū)縣差異

由表5可知，1994年-2008 年、2008年-2014年以及1994年-2014年，松潘縣和汶川縣的變化量均為正值，其中汶川縣的變化量和變化率均相對較高，分別達到9.28、2.68。黑水縣、理縣、茂縣土地利用程度變化量均有負值的出現(xiàn)。因此，黑水縣、理縣、茂縣處于調整期或衰退期，而汶川縣和松潘縣處于發(fā)展期。由圖4可知，各縣土地利用程度都有所提高，主要由于2008年地震后，政府出臺相關政策，大力改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，優(yōu)化空間結構。但理縣2008年-2014年土地利用綜合指數(shù)有所下降，由于該縣屬高山峽谷地帶，地形切割強烈，地震后，區(qū)域地質環(huán)境問題突出，地質災害及不良地質現(xiàn)象十分發(fā)育。

3 結論與討論

通過GIS、土地利用程度指數(shù)模型和區(qū)域差異模型，利用1994年、2008年、2014年Landsat遙感影像對岷江上游20a土地利用現(xiàn)狀及變化進行定量分析，揭示了岷江上游土地利用內部結構和利用程度。結果表明：

1)至2014年，岷江上游土地利用類型以林地和草地為主。耕地、建筑用地、草地在20 a間呈現(xiàn)增長趨勢，建筑用地增加幅度最大，林地是呈現(xiàn)減少趨勢；1994年-2014年全區(qū)土地類型間轉化相對平穩(wěn)，耕地、建筑用地、林地、水域2008年-2014年轉化較1994年-2008年更為劇烈；黑水縣、理縣、茂縣處于調整期或衰退期，而汶川縣和松潘縣處于發(fā)展期。

2)1994年-2008年岷江上游土地利用主要受地質構造活動影響，2008年-2014年政府決策明顯改善當?shù)赝恋乩贸潭?。前一時期由于岷江上游地處青藏高原的高山峽谷地帶，地質構造活動強大，森林砍伐和過渡放牧等人類活動加劇了林草地減少，自阿壩州1999年率先啟動退耕還林工程以來，當?shù)胤e極響應退耕還林還草工程，耕地和林草地之間劇烈轉化，林草地減少有所控制。2008年地震后，研究區(qū)大量山體裸露，植被減少，房屋受損。在政府政策積極引導下，岷江上游整體土地利用程度呈緩慢增長。

3)岷江上游不同區(qū)縣土地利用程度存在明顯差異。汶川縣在國家政策支持，大力推進城鎮(zhèn)化發(fā)展；理縣屬于典型中高山峽谷地貌，區(qū)域地質環(huán)境問題突出，泥石流滑坡現(xiàn)象頻發(fā)。

4)2014年國家在岷江上游啟動新一輪退耕還林還草計劃，在未來土地利用研究中可延長監(jiān)測周期，優(yōu)化該區(qū)土地可持續(xù)發(fā)展，可從以下三個方面進行改善和監(jiān)管：①堅持政府決策，積極引導全區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，合理調整空間布局；②完善法律法規(guī)，提高人口素質，減少森林砍伐，過渡放牧；③加強自然災害防御工作，避免經(jīng)濟損失。