西辽河平原土地利用/覆被变化特征分析

何俊仕，王志新，付玉娟，高振东(沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161)

0 引 言

土地利用/覆被变化(LUCC)是环境变化的主要原因之一，其主要驱动力是自然条件的改变以及人为活动的影响[1]。目前国内外对于土地利用/覆被变化的研究主要集中在土地利用变化特征及趋势[2,3]、驱动机制以及生态环境效应[4,5]等方面。本研究基于Landsat卫星TM/ETM+的1995年、2005年和2014年3期遥感影像为基础，分析19年来西辽河平原区土地利用/覆被的演变特征，为预测未来土地利用变化的方向提供依据，并为西辽河流域土地资源合理利用和可持续发展提供决策支持。

1 研究区概况

西辽河平原地处中国北方农牧交错带的东段三北交界区，位于北纬41°05′～45°13′和东经116°32′～124°30′之间，大部分在通辽境内，局部位于赤峰境内，小部分属于辽宁省和吉林省，总面积为52 563 km2。地形总体趋势为自西、西南、西北方向向东、东南、东北方向缓倾斜，主要地貌单元为冲积平原。西辽河平原属于干旱和半干旱大陆性气候区，大部分地区多年平均气温5～6 ℃，多年平均降雨量在380 mm，主要集中在6-8月份。多年平均蒸发量在1 800～2 100 mm(蒸发皿为20 cm口径)，以4-6月份蒸发量最大。西辽河平原土壤主要是钙栗土，质地为黏土、壤土和沙土。河流多为过境河流，主要河流有西辽河及支流老哈河、西拉木伦河、新开河、乌力吉木仁河和教来河。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究以地形图和Landsat卫星遥感影像为基础数据。运用1995年、2005年、2014年3期7景时相均为7-9月，云量低于10%，影像质量较好的TM/ETM+遥感影像，结合通辽市1∶50 000地形图以及实地调研资料对西辽河平原区土地利用变化时空演变特征进行分析。

2.2 数据处理

2.2.1图像预处理

本研究对研究区3期7景遥感影像在ENVI遥感处理软件的支持下，进行了几何校正、辐射定标、大气校正、影像裁剪及图像增强等处理[6]，首先在三期遥感影像范围内均匀选取15个地物特征位置，如主要的交通道路交叉口、规则建筑物的棱角及特殊点位等作为地面控制点(GCP)进行几何纠正，对控制点平差后的影像几何均方差(RMS)控制在一个像元内。对裁剪后的流域影像图使用基于概率统计的滤波法(Occurrence measures)进行图像增强处理，以突出影像中的线状地物及局部细部特征等纹理特征，使得图像中的色调在空间上的变化明显化，从而提高影像解译的精度。

2.2.2监督分类

土地利用分类参考中国科学院资源环境科学数据中心的土地资源分类系统，结合西辽河平原的自然条件，将研究区划分为耕地、草地、林地、水域、建设用地和未利用地6大类型。

土地利用类型的解译采用ENVI软件人机交互的人工目视解译法对各时期的图像进行解译，选择最大似然法进行监督分类。该方法是根据已知训练区提供的典型样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数以对各个待分类影像进行的图像分类。分类精度能够满足研究要求，同时该分类器分类效果好，且适用性强。

2.2.3分类后处理

分类后处理主要包括：主/次要分析(Majority/Minority Analysis)、聚类分析(clump)、过滤处理(Sieve)等。本研究主要进行了聚类分析以及过滤处理。通过上述处理，通过滤波功能消除被隔离的分类像元，并将临近的类似分类区域结合在一起，最终获得研究区土地利用分类结果。通过ArcGIS数据处理平台制作土地利用分类图，并通过计算统计出不同时期各土地利用类型的面积、动态度和转移矩阵。

2.3 研究方法

2.3.1土地利用动态度

土地利用动态度是指某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[7,8]。包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。本研究选用单一土地动态度，其表达式为：

(1)

式中：K表示研究时段内某一种土地类型单一动态度；Ua，Ub分别表示研究期初与研究期末某一种土地类型的数量；T表示研究时段长，当T的单位为年时，K即为研究区内某一种土地利用类型的年变化率。

2.3.2土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可以显示从某一年到另外一年间某一土地利用类型的动态变化[9,10]。它反映的是在特定的时间间隔下，某一类型由T1时刻向T2时刻转化的过程，即某一类型土地有多少发生了转变，又有多少保持不变。其模型表达如表1。

表1 土地利用转移矩阵Tab.1 Land use transfer matrix

表1中，行表示T1时点土地利用类型，列表示T2时点土地利用类型。Pij表示T1-T2期间土地类型i转换为土地类型j的面积占土地总面积的百分比；Pii表示T1-T2期间i种土地利用类型保持不变的面积百分比。Pi+表示T1时点地类i的总面积百分比。P+j表示T2时点j种土地利用类型的总面积百分比。Pi+-Pii为T1-T2期间地类i面积减少的百分比；P+j-Pjj为T1-T2期间地类j面积增加的百分比。

3 结果分析

3.1 土地利用/覆被变化幅度

土地利用/覆被变化主要是指土地面积的变化，即通过各类型土地面积总量的变化来反映土地利用结构的变化形式。通过ENVI对研究区3期TM/ETM+遥感影像进行分类解译后，得到如图1所示结果。

通过分类后处理后，对分类结果进行评价，主要采用总体分类精度与Kappa系数来表示。评价结果如下：

其中：1995年总体分类精度=88.895 3%，Kappa系数=0.884 5；2005年总体分类精度=87.792 4%，Kappa系数=0.870 3；2014年总体分类精度=87.890 7%，Kappa系数=0.872 3。

分类统计结果表明：3期影像的分类结果均较好。各类型土地利用的面积统计结果如表2所示。

从表2可以看出，研究区1995年到2014年的土地利用发生了如下变化：

建设用地和耕地面积都发生了大幅增长。其中，建设用地面积19 a间从308.379 km2增加到701.904 km2，增长了一倍；耕地面积由1 4709.064 km2增加到22 389.084 km2，增长了52.2%。随着经济的发展，2005-2014年的土地利用面积变化幅度要比1995-2005年的增长幅度大。

图1 西辽河平原土地利用分类图Fig.1 Land use classification map of West Liao River Plain

表2 各类型土地利用面积统计表 km2Tab.2 Statistical table of all types of land use

水域、未利用土地、草地的面积都有不同程度的缩减。其中，水域面积由644.290 km2缩减到176.982 km2,缩减了72.53%，这是由于在通辽境内的西辽河近些年出现了严重的断流现象所导致的；草地面积也由原来的26 208.472 km2减少到21 096.652 km2，这是由于近年来畜牧业发展较为迅速，因此草地的退化程度在逐渐恶化。

3.2 土地利用/覆被变化动态度

由上述单一土地利用动态度计算公式计算得到近19年西辽河平原区土地利用的动态度K的值，结果如表3所示。

表3 西辽河平原区土地利用面积变化Tab.3 Changes of land use area in West Liao River Plain

由表3可知，综合19年的土地利用变化动态度可以发现，西辽河平原区的土地动态变化主要以建设用地的大幅增加以及水域与林地的缩减为主，其动态度分别达到了6.716%、-3.817%和-3.829%。其中：1995-2005年的10 a间，水域面积以-6.106%的年变化率大幅减少，未利用土地与林地也有一定程度的缩减；2005-2014年的9 a间，以建设用地的大幅增加为主，年变化率达到了13.235%，耕地面积也在以3.058%的年变化率增长，但水域与林地面积依然在逐渐缩减。

3.3 土地转移矩阵

除了通过统计地类面积、计算动态度来反映土地利用在数量上的变化以外，还可以根据土地利用转移矩阵来定量描述始末状态土地利用的转移情况。根据西辽河平原区3期遥感影像的分类结果统计出1995-2005年和2005-2014年两个时段的土地利用转移矩阵，分别如表4、表5所示。

表4 1995-2005年土地利用转移矩阵 %Tab.4 Land use transfer matrix from 1995 to 2005

表5 2005-2014年土地利用转移矩阵 %Tab.5 Land use transfer matrix from 2005 to 2014

由转移矩阵可以得出：两个时段内各土地利用类型均有转入与转出。

1995-2005年间：除了耕地与草地的转化比例较低外，其他类型土地的转移比例均超过50%。其中：有40.442%的未利用土地转化为草地，49.491%的林地转化为耕地，草地与耕地面积的增加与人口的增长以及畜牧业的发展具有很大的关系。此外，有20.864%的水域面积转化为未利用土地，这是由于1999年开始西辽河因干旱出现连续6年的断流现象造成的。

2005-2014年间：建设用地与耕地的转化比例较小，其他类型土地的转移比例仍然高于40%。其中：草地面积的27.999%与林地面积的38.920%均转化为耕地，这是由于社会经济的发展迅速，城镇化进程加快，导致人口持续增长，造成粮食需求量增大；同时由于干旱断流造成部分河滩地也被开垦成耕地，因此耕地面积增长迅速。此外，由于西辽河平原降水量较少，干旱影响林草地的生长，同时畜牧业发展迅速，这两方面原因就导致11.351%的草地与21.536%的林地转化为未利用地。

3.4 驱动力分析

土地利用/覆被变化受自然与人文因素的影响，其中自然因素在较短的十几年间的变化较社会经济因素变化缓慢，影响也相对较小，因此社会经济因素占据主导地位。

(1)自然因素方面，西辽河平原区主要受气温与降水的影响。西辽河平原区降水量较少，且夏季气温较高，蒸发量大，干旱导致西辽河常年断流，致使水域面积在不断缩减，林、草地有一定程度的退化，而未利用土地有一定程度的增加。

(2)社会经济方面，主要是人类活动与经济发展两方面的影响。人口是影响土地利用/覆被变化的主要驱动力之一。其中人口增长最主要的影响即为建设用地与耕地面积的增加。因为人类通过改变土地利用的类型与结构来满足对生存环境的需求，因此直接影响了土地利用/覆被的变化。除此之外，社会经济因素也影响着土地利用/覆被的变化。社会经济的发展，导致城镇化进程加快，同时西辽河平原区GDP的增长主要依靠第一产业，其中农业与畜牧业占据很大比重，农业的发展就要求耕地面积需要不断增长，而畜牧业的发展则导致草地面积逐步缩减。

4 结 语

本研究综合运用RS与GIS技术，通过对西辽河平原区1995年、2005年和2014年3期遥感影像分类解译，分析结果得出土地利用/覆被变化的特征如下：水域、林地与未利用土地发生了大面积的流出，这反映出西辽河流域生态的脆弱性；草地的面积波动较小，主要受到自然条件与畜牧业的影响；建设用地与耕地面积在大幅增加，这反映了西辽河平原区人口增长与社会经济发展迅速，因此，社会经济因素对该地区的土地利用影响较为强烈。

土地利用/覆被变化的驱动因子较多。其中：经济发展、人口增长与国家宏观政策的调控是西辽河平原区建设用地与耕地面积变化的主要影响因素；而气候的变化与畜牧业的发展则共同驱动着草地面积的变化。因此自然因素与社会经济因素是影响西辽河平原区土地利用/覆被变化较大的两种驱动力。

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[1] 李传哲,于福亮,刘 佳,等.近20年来黑河干流中游地区土地利用/覆被变化及驱动力定量研究[J].自然资源学报,2011,26(3):353-363.

[2] 黄 方,张学敏.白山市土地利用/覆被变化轨迹分析与趋势预测[J].应用基础与工程科学学报,2015,23(3):439-451.

[3] 孙小舟,周致远,刘双圆,等.鄂北岗地土地利用变化特征研究[J].西北师范大学学报(自然科学版),2015,51(4):109-113.

[4] 张 杨,刘艳芳,顾渐萍,等.武汉市土地利用覆被变化与生态环境效应研究[J].地理科学,2011,(10):1 280-1 285.

[5] 赵锐锋,姜朋辉,陈亚宁,等.塔里木河干流区土地利用/覆被变化及其生态环境效应[J].地理科学,2012,32(2):244-250.

[6] 邓书斌,陈秋锦,杜会建,等.ENVI遥感图像处理方法[M]. 北京：高等教育出版社,2014.

[7] 姚安坤,张志强,郭军庭,等.北京密云水库上游潮河流域土地利用/覆被变化研究[J].水土保持研究,2013,20(2):53-59.

[8] 杨 霞,卫智军,运向军.北方典型草原区近30年土地覆被变化研究——以锡林浩特市为例[J].中国农业大学学报,2015,20(4):196-204.

[9] 王 丰,刘书明,卢文虎,等.基于遥感的天津滨海新区土地利用/覆被变化分析[J].海洋通报,2014,33(6):683-689.

[10] 陈海燕,邵全琴,安 如.1980s-2005年内蒙古地区土地利用/覆被变化分析[J].地球信息科学学报,2013,15(2):225-232.