基于GIS的岷江上游流域土地利用/覆被变化研究

李茂娇,杨　斌,詹金凤,高桂胜,王世举

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)



基于GIS的岷江上游流域土地利用/覆被变化研究

李茂娇,杨斌,詹金凤,高桂胜,王世举

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

摘要：以岷江上游流域为对象，选取3期9景TM/+ETM遥感影像，通过多步骤最大似然监督分类、变化检测，结合空间动态分析测算模型，分析近20年土地利用/覆被变化情况。结果表明：从整个流域分析，林地面积减少，主要转化为未利用地、建设用地和耕地；未利用地在前8年以每年3.7%、后8年以每年0.4%的速度增加；建设用地在1994—2002年以每年34%的速度增加，到2002—2010年增长速度减缓；耕地总面积减少54 431 hm2;从县域分析，1994—2002年间，松潘和黑水县大面积林地转为未利用地；2002—2010年间，松潘县未利用地转为林地和建设用地，茂县和汶川县未利用地面积大幅增加。该研究结论不仅为国土资源管理部门优化土地利用结构提供依据，亦为当地政府实现生态资源可持续发展提供数据支撑。

关键词：LUCC；GIS；多步骤分类法；转移变化；空间分析

土地利用/覆被变化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)是全球变化的重要组成部分，是社会、生态和物理过程相互作用的结果[1-2]。到20 世纪90年代，LUCC研究已成为全球环境变化研究的重要内容和多学科交叉研究的热点问题[3]。岷江上游是长江上游的重要水源区，也是成都平原和岷江中下游地区的绿色水库和生态屏障[4]，亦是我国广大山地自然环境复杂性、经济发展边缘性、社会文化过渡性的典型代表[5]。该流域地形地貌复杂，人地矛盾突出，是我国生态脆弱带和《全国生态环境治理规划》中的重点治理区域[6]。在GIS和RS技术支持下[7]，采用多步骤监督分类法和空间动态分析测算模型研究岷江上游流域LUCC，定量分析流域土地利用/覆被演变过程，有利于为国土资源管理部门优化岷江上游流域土地利用结构提供科学依据，亦为该区域乃至整个长江上游流域生态系统稳定性评价和资源可持续发展提供数据支撑。

1研究区概况

岷江上游流域地处四川盆地丘陵山地向川西北高原过渡地带，在行政区划上隶属于四川省汶川、理县、茂县、黑水和松潘县[8]，地形起伏多变，地貌主要为中、高山地，岭谷相对高度在1 500～3 000 m之间，气候、植被、土壤等自然要素呈垂直带谱分布显著。长期以来，该区域经济发展相对落后，近年随着人口急剧增长，自然资源被大量挖掘，生态环境遭到极大破坏，水土流失加剧，自然灾害频繁发生，干旱河谷面积不断扩大，尤其在汶川大地震的剧烈扰动下，该地区生态环境退化加剧，对成都平原及长江中下游生态环境造成严重影响。

2研究数据及技术路线

2.1数据源

采用中国科学院遥感与数字地球研究所提供的1994、2002及2010年3个不同时期的TM/+ETM遥感影像、1∶25万地形资料数据、国土资源部2007年8月发布的《土地利用现状分类标准(GB-T21010-2007)》、岷江上游5县1994—2010年统计年鉴。

2.2数据处理

2.2.1预处理

在GIS技术支持下，应用岷江上游流域1994、2002和2010年3个时期的遥感影像，进行预处理(包括匀色、几何精校正、融合、镶嵌、裁剪、大气校正、影像增强等)[9-11]。

2.2.2影像分类

1)分类标准的确定：鉴于TM影像分辨率为30 m，以国土资源部发布的《土地利用现状分类(GB/T21010-2007)》为参照，以提高分类精度、减小分类误差为目标，结合岷江上游土地利用实际情况，将林地、草地、园地面积合并在一起研究，研究过程中统称为“林地”；城镇建设用地、农村建设用地和其他建设用地归并一类，称“建设用地”；冰川和未利用地面积合并在一起，统称“未利用地”；“耕地”和“水域”各为一类。因此，在本次研究中共分为5大类。

2)分类方法：从各地物光谱特征、在波段及其组合上的可分性入手，选择最佳波段组合：B5、B4、B3。植入多步骤分类法的思想，从较易分离的水域开始，采用最大似然法进行监督分类，再将原始影像图上的水域掩膜掉，避免对其他地物提取造成影响，以此重复操作[12-13]，依次提取出水域、未利用地、林地、建设用地、耕地。图1为1994、2002、2010年3个不同时期的土地利用分类结果图。

图1　土地利用分类图

2.2.3精度验证

将1994、2002、2010年分类结果图与影像进行对比，得出精度评价Kappa系数分别为0.903 4、0.892 5、0.909 1。

2.2.4变化检测

研究岷江上游LUCC，仅仅得出不同时空尺度下土地利用空间分布情况还远远不够，为反映该流域土地利用/覆被动态变化过程，挖掘LUCC演变信息，对不同时期土地利用/覆被现状作变化检测，图2、图3为土地利用变化检测结果。

图2　1994—2002年土地利用变化检测图

图3　2002—2010年土地利用变化检测图

3研究方法

空间分析测算模型(见图4)与传统数量分析模型相比较，将土地利用空间区位固定性、独特性及其动态变化空间过程和相关属性考虑进去，明确反映出土地利用的新增、转移面积，能够更加准确、精细明了地刻画和测算土地利用动态变化的主要过程[14-15]。相关计算公式如下[16]：

图4　土地利用动态变化的空间涵义

100%,

100%,

CCLi=IRLi-TRLi,

式中:IRLi为第i种土地利用类型在t1→t2期间的新增速率；TRLi为转移速率；CCLi为总的变化速率；S1为区域总的转移速率;S2为区域总的新增速率。

4结果与分析

以变化检测所得转移矩阵为基础数据，利用空间动态分析测算模型，研究岷江上游流域土地利用/覆被演变过程，得出各地类转移、新增面积以及变化速度。结果如表1、表2所示。

分析表明，岷江上游流域土地利用以林地、未利用地、耕地为主，1994—2010年间各类土地面积均发生显著变化，1994—2002年，岷江上游北部和中部林地面积明显减少，未利用地面积增加；2002—2010年，东部和南部林地面积变化明显，未利用地面积增加，除其他原因外，2008年“5.12”地震的发生成为该地区林地面积急剧减少的主要原因之一。

表1　1994年—2002年岷江上游土地利用动态变化

表2　2002年—2010年岷江上游土地利用动态变化

从整个流域分析，1994—2010年期间，前8年林地转为其它土地类型面积588 635.5 hm2，新增面积为34 588.3 hm2，总面积减少554 047.2 hm2，以每年4.7%的速度减少，主要转化为未利用地和建设用地；后8年以每年1.0%的速度减少，减少面积为72 594.9 hm2，主要转化为未利用地和耕地。未利用地前8年以每年3.7%、后8年以每年0.4%的速度增加，其中大部分由林地转变过来。建设用地面积在1994—2002年间急剧增加，每年增长速度达到34%，总面积增加48 437.5 hm2。2002—2010年总面积增加速度逐渐减缓，其中新增面积为54 503.1 hm2，转移面积为31 593.9 hm2，这与2008年“5.12”地震紧密联系。1994—2010年间耕地面积一直在减少，以2002年为节点分别为7.1%、5.8%，总面积减少54 431 hm2。

从县域分析，1994—2002年，松潘和黑水县林地和未利用地变化最为显著，林地大面积减少且主要转化为未利用地；2002—2010年，松潘县土地利用状况有所好转，林地面积增加，未利用地减少，另外由于2003年九寨沟飞机场的建设，大面积林地草地被砍伐，建设用地面积大幅增加，期间理县土地利用变化相对稳定，而茂县和汶川未利用地急剧增加，干旱河谷面积持续增加，2008年“5.12”地震和县域剧烈的人类活动，大面积建筑损坏，崩滑流灾害不断，这是导致未利用地面积大幅增加的重要原因之一。

5结束语

采用多步骤最大似然监督分类法，提取岷江上游流域近20年土地利用类型，结合空间动态分析测算模型，深入研究岷江上游流域LUCC。分析表明，岷江上游流域土地利用/覆被时空变化特征显著，林地和耕地面积转移总面积大于新增面积，总体呈减少趋势；而未利用地、建设用地总体变化趋势与此相反。通过流域近20年统计年鉴及其他相关统计资料的进一步验证，研究结果符合岷江上游流域实际情况。土地利用/覆被现状及其演变过程只是LUCC研究的初步探讨，未来的研究将以土地利用变化的主要驱动力为方向展开，探求不同空间尺度上驱动力之间的联系，对土地利用/覆被变化建模并对未来进行预测。

参考文献：

[1]于兴修，杨桂山.中国土地利用/覆被变化研究的现状与问题[J].地理科学进展，2002，21(1)：51-57.

[2]杨斌,王金生.基于GIS的丘陵区耕地景观格局时空演变特征分析[J].测绘工程，2014，23(9)：1-4.

[3]DARLA K,MUNROE，DANIEL Müller.Issues in spatially explicit statistical land-use/cover change (LUCC) models：Examples from western Honduras and the Central Highlands of Vietnam[J].Land Use Policy，2007，24：521-530.

[4]李爱农，周万村，江晓波.遥感和GIS技术支持下的岷江上游15年土地利用/土地覆被动态变化研究[J].水土保持学报，2003，17(4)：153-156.

[5]赵永华，何兴元，胡远满，等.岷江上游土地利用/覆被变化及其驱动力[J].应用生态学报，2006，17(5)：862-866.

[6]张云红，王道杰，江晓波，等.岷江上游土地利用变化及其对生态环境的影响[J].西南大学学报(自然科学版)，2010，32(3)：102-108.

[7]李广生，王文杰，王彦良.RS和GIS在土地利用更新调查中的应用[J].测绘工程，2012，21(3)：74-77.

[8]杨斌，詹金凤，李茂娇.岷江上游流域环境脆弱性评价[J].国土资源遥感，2014，26(4):138-144.

[9]张利，陈影，周亚鹏.基于 RS 和 GIS 的土地利用动态监测技术及应用[J].黑龙江工程学院学报，2009，23(3):18-21.

[10] 张菁，侯康，李旭祥，等.基于GIS和RS的延安地区土地利用及生态脆弱性评价[J].测绘与空间地理信息，2015,38(6)：26-31.

[11] 李丹，杨金玲，张玉娟，等.基于RS/GIS的耕地资源变化特征分析[J].测绘与空间地理信息，2015,38(7)：9-11.

[12] 李丹，徐珊，韩冬冰，等.基于RS和GIS的土地利用现状分析[J].黑龙江工程学院学报，2014，28(1):23-26.

[13] 许榕峰，徐涵秋.多步骤分类法在土地利用/覆被专题信息提取中的应用[J].福州大学学报(自然科学版)，2003,31(4)：408-412.

[14] 邹滨，董明辉，杨令宾，等.改进型空间分析测算模型在盐碱地演化预测中的应用研究[J].地理科学,2009，29(5)：721-726.

[15] 宫传刚，严家平，陈孝杨，等.基于3S技术的采煤沉陷区土地利用变化分析:以淮北闸河矿区为例[J].测绘工程，2015,24(9)：34-38.

[16] 刘盛和,何书金.土地利用动态变化的空间分析测算模型[J].自然资源学报,2002,17(5)：33-539.

[责任编辑：张德福]

Research on land use/cover change on the upper of Minjiang River based on GISLI Maojiao，YANG Bin，ZHAN Jinfeng,GAO Guisheng,WANG Shiju

(College of Environment and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010,China)

Abstract：With the upper reaches of Minjiang River as the research object,this paper adopts 3 periods and 9 scenes from TM/ETM+remote sensing image data.Through visual interpretation,multi-step maximum likelihood supervised classification,change detection,combined with the spatial dynamic analysis calculation model,it analyzes the land use/cover changes of the basin in recent 20 years.The results show that:(1)considering the overall basin,area of woodland is declining,mainly converted into unused land,construction land and cultivated land.Unused land has increased respectively at the rate of 3.7% and 0.4% per year.Construction land has increased sharply at rate of 34% per year from 1994 to 2002,and the speed of growth has slowed down from 2002 to 2010.Arable land has decreased 54 431 hm2;(2)considering the county space,area of woodland has been converted into unused land in Songpan and Heishui from 1994 to 2002.From 2002 to 2010,the area of unused land hasbeen converted into woodland and construction land in Songpan,of which the land use/cover change in Lixian is relatively stable, and unused area greatly increases in Maoxian and Wenchuan,mainly distributed in the drought river valley.The results can be used not only for land and resources management departments to optimize the land use structure,but also for the local government to realize sustainable development of ecological resources.

Key words：Land Use/Cover Change(LUCC)；Geographic Information System(GIS)；multi-step classification；transfer-change；spatial analysis

中图分类号：P208；TP75

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)06-0041-05

通讯作者：杨斌(1979-)，男，副教授，博士，硕士生导师.

作者简介：李茂娇(1990-)，女，硕士研究生.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41201541)

收稿日期：20150310-5；修回时间：2015-10-02