基于RS和GIS的LUCC研究——以重庆市万州区为例

周 杨，周廷刚，冯 冲

(西南大学地理科学学院，重庆 400715)

1 研究背景

土地利用和土地覆盖(被)变化(Land Use/Cover Change，简称LUCC)是可持续发展的重要核心问题之一，也是全球环境变化研究的前沿和热点问题，被列入“国际地圈与生物圈计划(IGBP)”的核心项目，成为管理决策的依据［1－4］。基于LUCC 的研究无论从生态环境还是从社会经济的角度均具有重要的意义。将遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术引入LUCC研究领域，可以快速、准确、及时地获取大面积的土地利用/土地覆盖方面的实时信息，对土地利用变化进行动态监测［5］，为解决复杂的空间问题提供条件，为可持续发展研究提供技术支撑。

目前，我国的LUCC研究主要集中在热点地区和脆弱区，前者即人文和自然驱动力极为活跃的地区，后者指随着人口的增长、经济的发展和资源的消耗，产生的各种各样的“脆弱区”［6］。本文研究区域是重庆市“一圈两翼”发展战略中渝东北翼:三峡库区城镇群的中心城，经济发展速度增长快，但生态环境复杂，即属于“热点区”同时也是“脆弱区”，特别是由于重庆市建设城乡统筹试验区发展的需要，土地在经济发展的过程中起着越来越重要的作用。因此，在GIS技术支持下，以卫星遥感影像为主要数据源，研究重庆市万州区LUCC问题具有重要意义。

2 万州区概况

重庆市万州区地处四川盆地东缘，重庆市东北边缘。面积3 457km2(耕地面积66 667 hm2，其中田地38 993 hm2;大于25°坡地 33 427 hm2，其中旱地21 660 hm2)，城市面积21 667 hm2。区内山丘起伏，低山、丘陵面积约占四分之一，低中山和山间平地面积约占四分之一，极少平坝和台地，且零星散布。

境内河流纵横，河流、溪涧切割深，落差大，高低悬殊，呈枝状分布，均属长江水系;属亚热带季风湿润带，气候四季分明，天气温和，无霜期长，霜雪稀少;境内多年平均气温17.7℃，多年平均年日照时数1 484.4 h，多年平均降水 1 243mm。

3 数据整理与模型简介

3.1 数据源概况

以万州区2000年TM和2004年的ETM遥感影像，1∶50 000纸质地形图用于遥感影像的几何校正，并完成图像增强、转换等，得到2年的土地覆盖特征图件，作为LUCC研究的基本资料。

3.2 数据的处理

本研究利用2000年TM和2004年的ETM卫星影像数据，在遥感图像处理软件ENVI 4.6.1平台下用地形图(1∶50 000)进行几何精纠正处理，目标解译图像采用标准的假彩色RGB－432合成，并进行相应图像增强处理。通过野外考查建立遥感解译标志库，采用人机交互的判读方式，根据实际情况提取出林地(有林地、灌木林、疏林地)、草地、耕地(旱地、水田)、园地、建设用地和水域等数据。

3.3 研究模型

基于GIS空间信息分析技术的测算模型，包括单一动态度、开发度、耗减度、综合动态度4个指数，分别用于对LUCC速度、新开发速度和被耗损的速度的度量，且互为补充。其中，单一动态度能够揭示土地单一利用/覆盖类型的净变化速度;开发度、耗损度有力地支撑单一动态度，分别揭示各类型实际新开发和实际耗减的速率;而综合动态度则可以测算和比较区域土地利用/覆盖的总体或者综合活跃程度［7－8］。

单一土地利用/覆盖类型动态度，是研究区内一定时间范围某单个土地利用/覆盖类型的数量变化情况，这是一种最传统和最简单的分析模型，其公式为［9］

式中:K为研究时段内某土地利用/覆盖类型动态度;Ua，Ub分别为研究期初及研究期末某种土地利用/覆盖类型的数量;T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区某种土地利用/覆盖类型年变化率。

单一土地利用/覆盖类型开发度。其表达的是单位时间内某类型土地利用/覆盖类型实际增加的速度，以单位时期内新开发面积占初期该类型面积比例来表示。公式为［10］

式中:Dab为从a时刻到b时刻新开发某类型土地利用的面积，即由其它类型土地利用转变为该类型土地利用面积的总和;Ua表示a时刻该土地利用类型的面积;T为a时刻到b时刻的研究时段长，以年为单位。

单一土地利用/覆盖类型耗损度。其表达的是单位时间内某种类型土地利用/覆盖类型实际减少的速度，以单位时期内新耗损年纪占初期面积的比例来表示。公式为［9］

式中:Cab为从a时刻到b时刻某种土地利用类型的面积，即该类型土地利用转变为其它类型土地利用的土地面积的总和;Ua表示a时刻该土地利用类型的面积;T为a时刻到b时刻的研究时段长，以年为单位。

区域综合土地利用/覆盖动态度。可描述为区域土地利用变化的速度。用公式表示为［11］

在这寒风渐紧的冬天，亲友重逢，或是佳人相会，举一杯双桶陈酿的美酒，品味威士忌陈年酒桶的特别风味，把最独特的馥郁香醇送给最珍惜的人，何其乐哉！或者夜深人静时，一个人在静静独酌，品味时间的味道，感受那一刻的岁月静好。

式中:LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积;ΔLUi－j为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值;T为监测时段长度。当T的时段设定为年时，LC的值就是该研究区土地利用年变化率。

4 动态度指数分析

4.1 总体格局与数量变化

利用软件ARCGIS9.2对经过处理后的数据进行分析，得到研究区2000年和2004年土地覆盖图见图1和图2，LUCC结果见表1。

图1 2000年万州区土地覆盖图Fig.1 Land covers in wanzhou in 2000

通过对图1、图2和表1的分析，可以看出关于万州区土地利用/覆盖结构整体上的以下特点:

(1)林地分布广阔、面积比重大。以疏林地为主，占到总体16.79%;有林地和灌木林不及5%。面积在2000年和2004年都分别达到83 056 hm2和82 589 hm2占总体的24%左右，在此期间林地面积下降，但不明显，影响林地面积的因素来自于灌木林和疏林地，分别减少了354 hm2和122 hm2，变化最大的两块地分别位于南部和中部。

图2 2004年万州区土地覆盖图Fig.2 Land covers in wanzhou in 2004

表1 2000—2004年万州区主要土地利用/覆盖类型面积变化情况Table 1 Changes of land use/land cover areas in Wanzhou district from 2000 to 2004

(2)耕地主要分布在万州区的西部和西北部，面积较少。在河流两岸和西北角均较密集。总面积2000年为51 795 hm2，2004年为49 798 hm2，耕地和水田面积占整体比重为别为12.05%和2.35%，4年间耕地面积变化显著，减少了1 998 hm2。

(3)草地主要分布于万州区的东部和东南部。总面积2000年为66 915 hm2，到2004年增长了138 hm2，达到67 053 hm2占总体的19.39%，整体变化不大。

(4)园地占总体面积最大地域最广，是万州区最主要的土地利用类型。总面积达136 653 hm2，占总体39.52%，包括桑园、果园等。2000年到2004年减少的绝对值为1 195 hm2，变化率达到1.3%。

(5)建设用地成倍增长，变化幅度最大。从2000年1 365 hm2到2004年的4 146 hm2，尽管绝对增加值为2 781 hm2在整体中并不算大，但是由于其总量基数较小，增长率达到了203.8%。增加区域主要沿着原有建设用地向四周蔓延以及在除区域中心以外的其它地方则零星分布。

4.2 土地利用动态度分析

根据所选的模型，对遥感解译得出的数据进行分类，分别提取了林地、草地、耕地、园地、建设用地、水域等2000年和2004年2期空间分布的栅格数据(其中，林地细分到了疏林地、灌木林、有林地，而耕地则细分到了旱地和水田)利用ARCGIS9.2中的栅格计算工具对其进行数据分析，在2期数据表里添加新字段，将需要分析的土地利用类型赋值为1，其他各类型为0，栅格大小为30m×30m，将2期数据进行减法运算，得到新数据层，数值1表示期间新开发的区域，数值0则是没有变化的区域，而数值－1则是新耗损的区域，再统计其面积进行进一步的计算，即得到了需要的动态度指数。

4.2.2 动态度分析

土地利用变化速度指数以土地利用类型的面积为基础，关注研究时段内类型面积变化的结果。其意义在于可以直观地反映类型变化的速度，也易于通过类型间的比较反映变化的差异［12］。本文选用的动态度指数包含上文提及的单一动态度、单一开发度、单一耗损度和综合动态度，经过上述模型计算和统计，得到各个指数如表2。

表2 2000—2004年万州区主要土地利用/覆盖类型动态度Table 2 Dynamic degrees of land use/land cover in Wanzhou district from 2000 to 2004 %

通过表2，可以看到，单一耗损度和单一开发度有效地弥补了单一动态度对于各类型土地相互转化描述中的遗漏。最为显著的是草地和园地2类，由于开发度和耗损度的抵消，使得单一动态度反映出的情况低于2类用地实际的变化。同时，综合动态度也得到了土地类型整体的变迁，站在更全面的视角对万州区的土地类型变化速率进行分析，整体而言，大部分的土地在期间保持了原有的利用类型，变化并不明显。这样的结果也印证了模型中4个指数的相辅相成。

4.2.2.1 单一动态度、开发度与耗减度

(1)林地的开发度、动态度基本依存于耗减度而存在，单一动态度比较准确。其中有林地因开发度和耗减度的抵消而动态度为0;灌木林和疏林地的开发度也低于或者等于0.001%，对于动态度的影响很小，与此相对应的是，其耗减度较大，特别是灌木林的耗减度达到了1.003%。由此可见，正处于砍伐多而栽种少的阶段。林地面积的减少对于万州这类地处三峡库区的区县是致命的。值得注意的是，最大的一块耗减的林地在2004年开发为了草地，是为方便成为耕地做铺垫，或者是仅仅因为砍伐树木而荒废成草地，只能等待进一步的研究。

(2)草地早期的变化也较大，开发度达到0.088%，耗减度达到0.037%，单一动态度为0.052%，这没真实反映情况。前文中提到了林地转化为草地，在对草地的分析就不能像林地一样依托单一动态度来了解变化速率，应当结合开发度和耗减度来表述:草地的更替较为激烈，无论是转出还是转入，都具有较大的面积。其激烈更替会直接导致草地质量的下降，新开垦的草地几乎是耗减草地的1倍，其中75.23%来源于灌木林。

(3)耕地内部的分异较大，但总体却呈耗减趋势。旱地和水田的单一动态度分别为－1.071%和－0.4%，开发度均为0。这说明耕地特别是旱地的减少是以不计代价和没有补偿在进行，这与林地的减少有一定的相似之处。旱地的单一耗减度达到1.071%，旱地减少1 866 hm2，这对于一个耕地本身就少的地区是不理智不科学的。水田的单一动态度看似远远低于旱地的，但水田基数小，132 hm2的减少面积和0.372%的耗减度仍然是比较大的变动。鉴于万州区水田的地块小而散，难以统一耕种和管理，建议应该保有当前甚至开发新水田，以确保耕地的保质保量。

(4)园地的情况和草地很相似，无论是开发度还是耗减度都比较大。两相抵消，单一动态度无法反映真实的LUCC情况。在开发度达到0.094%、耗减度达到0.176%的情况下，单一动态度仅仅为－0.083%。总体而言，园地的面积改变并不大，但其地域改变剧烈，有逐渐东南移动的趋势。

(5)建设用地是变化最大的土地利用类型，基数小、耗减少、开发大、变化快。建设用地是除草地外唯一单一动态度为正值的土地利用类型。其开发度远远超过其他类型，达到了51.389%，与之对比的是耗损度仅为0.445%，因此单一动态度也超过了50%。整体而言，建设用地的基数和改变量都较小，即使4年翻了几番，但依旧仅占总体的1%左右，但建设用地如此快速的增长是需要警惕的，若持续保持这样的增速，势必对整体格局的平衡产生不利的影响。

4.2.2.2 综合动态度

综合动态度为0.422%。土地利用变化速度一般，综合动态度可以作为调控土地利用类型内部改变不影响万州区整体土地利用结构系统的一个指标。能控制在0.3%到0.5%之间就能够保证土地利用类型的变化不会对土地性质、环境产生大的影响。0.422%表示在2000—2004年间，参与变化的土地面积比较适中，其中建设用地和耕地中的旱地是变化绝对数值最大的2个部分，达到总体变化数值的79.591%，在综合动态度指数的计算中具有举足轻重的作用。

5 结论与展望

本研究以LUCC理论为基础，在GIS技术的支持下，对万州区2000年(TM)和2004年(ETM)影像进行处理，对其LUCC现状进行分析研究，得出以下结论:

(1)研究区园地占总体土地的比例最大，达到了39.52%，且分布广泛。林地草地多分布东南而耕地集中西北。其中，林地以疏林地为主;耕地呈现旱地远远多于水田的态势。建议，林地应该进一步的扩大，耕地应注意保持。

(2)研究区各个土地利用类型变化多样，整体而言，林地、耕地、园地减少而草地、建设用地增加。其中，草地与园地转入转出均明显，其他各类型则属于开发度与耗减度差额较大的范畴。值得注意的是建设用地增加了2 781 hm2。其单一动态度达到50.95%，十分突出，应予以重视。

(3)研究区综合动态度正常，对于土地整体格局和生态环境没形成大的影响。对综合动态度计算影响较大的土地类型是建设用地和旱地，应注意控制。

在研究过程中，也还有一些问题研究不足，存在的主要问题包括:

(1)本文解译遥感图像采用的是人机交互的判读方式，不能消除误差，因此在解译上需要进一步的研究。

(2)由于时间序列不足，还不能很好地反应研究区域LUCC的动态变化。

(3)本文仅对万州区LUCC的现状进行分析，还没有涉及与之紧密结合的驱动力研究以及预警预测研究，还需进一步开展工作。

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