基于TM影像的漳河流域土地利用时空演变分析

张玉杰，刘新侠，张安兵，王贺封

(1.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北 邯郸 056038)



基于TM影像的漳河流域土地利用时空演变分析

张玉杰1，2，刘新侠1，张安兵1，2，王贺封1，2

(1.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北 邯郸 056038)

摘要：为获取和进一步探讨漳河流域土地利用时空演变规律，基于1993、2006及2010年3期Landsat TM 遥感影像数据和2011年SPOT5高分影像数据，利用ArcGIS空间分析功能与ENVI动态监测功能对流域土地利用时空演变特征进行研究。分析结果显示：1993-2010年，漳河上游区域下垫面土地利用发生了巨大改变；耕地和裸地呈减少趋势，各减少411.23、341.11 km2；林地、城镇与建设用地和水域用地分别增加了656.8、72.01、23.53 km2；耕地与裸地主要转入林地，部分耕地转入城镇与建设用地。

关键词：TM影像；土地利用/覆被变化；漳河流域

土地利用/覆被变化可引起许多自然现象和生态环境的变化。它反应了不同时期人类出于各种目的对土地利用方式的改变。这种变化既包括土地资源数量、质量随时间的变化，也包括土地利用空间格局的变化及土地利用类型组合方式的变化[1-2]。近年来对土地利用变化的研究成果较多，如朱运海等[3]探讨了土地利用/覆被变化(LUCC)自动检测方法，得出综合应用上述方法能够高效、准确的自动监测出LUCC信息；HAO Hui mei等[4]对中国北部农牧交错带地区的土地利用/覆被变化及引起的生态环境效应进行研究；黄宝荣等[5]分析了北京市城乡结合部11年的土地利用/覆被变化情况，总结了造成该地区景观格局演变的主要驱动因子；陈松林[6]、邹亚荣[7]等研究了土地利用类型与土壤侵蚀的分布相关关系；陈龙泉[8]等分析了基于Markov-CA的土地利用/土地覆盖变化动态模型并进行了验证；李忠锋[9]等利用RS与GIS分析榆林地区土地利用变化情况，得出该地区土地利用类型发生了显著变化；Xiaohe Gu 等[10]基于遥感图像对北京地区近30年土地利用/覆被变化进行动态监测并结合驱动因子进行了针对性分析。漳河上游流域地区随着社会经济的快速发展，人类活动不断加剧，以及自然降雨的减少，土地利用/土地覆被变化较大，土地类型间转换频繁。为探索分析该区域多年间地表覆被变化状况，本文利用RS、GIS技术对该流域土地利用类型变化强度进行了分析，得出该区域土地类型基本变化趋势。

1 研究区概况

漳河位于海河流域西南部，属漳卫河水系一级支流，由上游的清漳河和浊漳河汇合而成。跨晋、冀、豫三省四个地级市的22个县(市、区)，流域总面积18 284 km2。漳河上游区域以山区地貌为主，东部为太行山脉，西部为太岳山脉，两山之间是长治盆地，面积1 169 km2，是流域内主要农耕区。漳河流域四季分明，属温带大陆性气候。

2 数据与处理

2.1数据获取

通过USGS(united states Geological Survey)、中国地理空间数据云(Geospatial Data Cloud)获得美国陆地卫星(Landsat-5)拍摄的1993、2006、2010年的Landsat TM5卫星图像(见表1)，该研究采用空间分辨率为30 m的1-5、7等六个波段。选取图像时，为确保数据分析效果，采用了云量低于5%，且直接判读标志(色调、色彩、纹理、形状等)较清晰，植被生长良好、植被生长状况近似月份的图像。需要指出的是1993年植被长势较好的7、8、9月份因图像云量过大，不能满足信息提取的要求，本实验选取了相近的6、10两个月份的图像予以代替。辅助验证数据采用由法国发射的spot-5卫星拍摄的2011年5 m分辨率遥感图像。

表1 获取LANDSAT-5数据

2.2 数据处理方法

土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化的速度，它对描述土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有较好的应用。单一土地利用类型动态度和综合土地动态度都是土地利用资源数量变化模型，本文采用单一土地利用类型动态度模型来进行研究区土地利用变化研究。单一土地利用类型动态度反映的是某一研究区域一定时期内某种土地利用类型的数量变化情况，其计算公式如下：

式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究初期及研究末期某一土地利用类型的数量；T为研究时段长，当T的时段设定为年时， K的值就是该研究区内某种土地利用类型的年变化率，当K为正值时，表示该类土地的年增加率，K为负值时表示该类土地的年减少率；K的绝对值越大说明该类土地年变化率越大。转移矩阵可全面而又具体地分析区域土地利用变化的结构特征与各用地类型变化的方向。该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，为国际、国内所常用[11]。ENVI软件具备该项分析功能模块，本项目采用该模块进行应用分析，得出了该区域土地利用类型间的转换关系。

3 漳河上游地区土地覆盖变化特征

3.1 土地覆盖类型图

利用ENVI软件进行数据预处理，以现场采集和SPOT5目视解译结果为训练和验证样本，针对该研究区域选取了600个样本，并按照2:1的比例进行分配，其中训练样本、验证样本分别为400、200个。采用监督分类方法中的最大似然法(Maximum Likelihood method)进行图像分类，通过该分类方法分别提取出1993、2006、2010年各类土地覆盖类型的空间分布信息，如图1。

表2 漳河上游地区土地覆盖类型面积状况

3.2 土地覆盖空间格局与动态变化

(1) 土地覆盖类型统计分析

由表2可得该地区土地覆盖类型的具体变化情况，林地、耕地、裸地是漳河上游流域主要土地利用类型，城镇与建设用地、水域占地面积较小，两者占地面积不足2%。1993-2010年，林地、城镇与建设用地及水域占地面积均呈增加趋势，但耕地、裸地情况相反；1993-2006年，耕地减少面积最大，减少了356.89 km2，占总面积的比例下降2%；林地、城镇与建设用地、水域3种类别占地面积均增加，其中林地面积增加量最大，增加了515.25 km2，城镇与建设用地和水域增加面积分别为39.38、8.32 km2；2006-2010年之间，裸地面积减少量最大，减少135.05 km2；耕地面积减少幅度相对于前14年有所减缓，耕地面积减少54.34 km2。林地、城镇与建设用地和水域仍保持增加趋势，分别增加141.58、32.6、15.21 km2。

(2)土地覆盖类型变化分析

由表3和图1可知，1993-2006年间漳河上游流域土地覆盖类型变化情况：林地、城镇与建设用地、水域占地面积呈增加趋势，其中林地面积增加515.25 km2，增加面积占林地现状面积的4.93%，林地面积变化速度36.80 km2/y；城镇与建设用地面积增加39.38 km2，增加面积占城镇与建设用地现状面积的14.52%；年变化速度为2.81 km2/y；水域面积增加8.32 km2，增加面积占水域现状面积的14.52%，年变化速度达0.594 km2/y；耕地、裸地占地面积呈减少趋势，其中耕地面积减少356.89 km2，减少面积占耕地现状面积的8.1%，年变化速度为-25.49 km2/y；裸地面积减少206.06 km2，减少面积占裸地现状面积的9.03%，年变化速度为-14.72 km2/y。

2006～2010年间，漳河上游流域土地利用变化情况：该时间段内各土地类型变化趋势未变，但变化幅度发生一定改变：林地面积增加141.58 km2，增加面积占林地现状面积的1.34%，林地面积变化速度达28.316 km2/y；城镇与建设用地面积增加32.6 km2，增加面积占城镇与建设用地现状面积的10.73%，年变化速度为6.52 km2/y；水域面积增加15.21 km2，增加面积占水域现状面积的8.86%，年变化速度达3.042 km2/y；耕地面积减少54.34 km2，减少面积占耕地现状面积的1.25%，年变化速度为-10.868 km2/y；裸地面积减少135.05 km2，减少面积占裸地现状面积的1.34%，年变化速度为-27.01 km2/y。

表3 1993、2006、2010年漳河上游流域土地覆盖类型转移速度

由本文2.2中公式求得漳河上游流域单一土地利用类型年变化率，见图2。由该图可知：1993-2006年，城镇与建设用地的变化率最大，城镇与建设用地的年增加率为1.213 %，其次为裸地，该地类年减少率为-0.592%；2006-2010年间，耕地、林地年变化率较低，其中耕地年变化率最小为-0.246%；林地年增加率为0.271%；水域年变化率呈上升趋势，由0.401% 变为1.944 %；城镇与建设用地的年变化率仍为最大，并且有上增趋势，为2.404%；裸地的年减少率由1993-2006年的-0.592%变为2006-2010年间的-1.184%；表明漳河上游流域土地类型变化幅度较大，城镇与建设用地尤为突出。

3.3 土地覆盖类型的时空变化

单纯从面积的变化来看，很难揭示土地利用的内部结构变化，为更好地揭示各种土地利用类型的内部变化特征，采用土地利用转移矩阵定量说明土地利用类型之间的相互转化状况，分析区域土地利用变化特征[12]。

利用ENVI的动态监测功能中的分类比较法工具—Change Detection Statistics和流程化动态监测工具—Thematic Change Workflow ，对1993、2010年两期土地覆盖分类结果进行动态监测：获得该地区土地利用的变化类型、面积、百分比等变化矩阵信息(表4)，该矩阵可以反映出漳河上游地区不同时期土地覆盖类型的转变过程；并得到1993-2010年间，漳河上游地区土地覆盖类型空间转换情况(图3)。由表4和图3得出，该流域土地覆盖的时空变化特点如下：

(1)总面积情况：1993年，漳河上游地区五种地型的占地面积分别为水域148.2 km2，城镇与建设用地231.83 km2，森林占地面积为9 928.07 km2，耕地4 768.8 km2，裸地 2 488.13 km2；2010年，各地类占地面积分别为，水域171.73 km2，城镇与建设用地303.81 km2，森林占地面积为10 584.9 km2，耕地4 357.57 km2，裸地 2 147.02 km2。

(2)不同时期同种地型的差别：从1993～2010年，水域面积增加23.53 km2，城镇与建设用地增加71.98 km2，森林占地面积变化量最大，相比2010年，增加656.83 km2；耕地占地面积和裸地面积均呈减少趋势，其中裸地减少量最大，减少面积为411.23 km2，耕地面积减少341.11 km2。

(3)土地类别转移情况：1993-2010年间，耕地面积转移量最大，面积为2 114.19 km2，其中耕地面积主要转变为林地，转移面积量为1 537.34 km2，其次为裸地400.13 km2，少量转变为城镇与建设用地和水域，分别为128.57 、48.15 km2；水域面积转出75.19 km2，主要转变为林地和耕地，面积分别为35.87、28.56 km2，少量转变为城镇与建设用地和裸地；林地面积转出2 106.81 km2，其面积转移量仅次于耕地，林地主要转变为裸地，面积为1 183.92 km2，868.09 km2的林地转入耕地，少量林地面积转入水域和城镇与建设用地；139.81 km2的城镇与建设用地转入其他土地类别，主要转变为耕地，面积为83.88 km2，另外31.56 km2转入林地，少量转入水域和裸地；裸地转出1 938.72 km2，主要转入林地和耕地，面积分别为1 166.18、715.12 km2，少量转移到水域11.25 km2、城镇与建设用地46.17 km2。

表 4 1993～2010年漳河上游流域土地利用类型转移矩阵(km2)

4 结论

1) 耕地、林地为漳河上游流域土地利用的主要类型。1993-2010年，林地、水域、城镇与建设用地均呈递增趋势，但耕地和裸地呈递减趋势。

2) 近18年，漳河上游地区不同地类转移频繁且复杂，土地利用变化强度较大，其中耕地面积大幅度降低，且主要转化为林地，少部分转变为水体；同时1 695.65 km2其他土地类别转入耕地，主要来自林地与裸地。表明该时期漳河上游流域耕地转化较活跃，生态环境得到一定改善，土地利用强度增大，实施垦荒种田。

3)1993-2010年，漳河上游区域林地面积呈增加趋势，耕地与裸地为主要补充来源，说明该地区实施退耕还林政策，大力倡导植树造林、发展林业；同时城镇与建设用地、水域用地呈不同程度增加，说明人类活动加剧，城市化进程加快，人口压力增大，对该地区的生态环境产生一定压力；大量水渠、水库的修建改变该地区的土

地利用类型，对生物及周围环境产生一定影响。在未来建设中可继续鼓励正确的植树造林、植草，加强该地区蓄水能力，减缓地下水开采；减缓城市化进程，保护道路及水渠、水库附近的植被。

参考文献：

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[5]黄宝荣，张慧智，王学志.城市扩张对北京市城乡结合部自然和农业景观的影响——以昌平区三镇为例[J].生态学报，2014(22)：6756-6766.

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(责任编辑王利君)

Analysis on the temporal and spatial process of dynamic change of land use and land cover in upstream of zhanghe river basin using Landsat TM

ZHANG Yu-jie1,2, LIU Xin-xia1, ZHANG An-bing1,2, WANG He-feng1,2

(1. College of Resources, Hebei University of Engineering,Hebei Handan 056038,China;2. Collaborative Innovation Center of the Comprehensive Development and Utilization of Coal Resource, Hebei Handan 056038,China)

Abstract：Land use/land cover change in upstream of Zhanghe river basin was affected by natural and human factors. During the past decades, reduced natural rainfall and frequent human activities has an influence on this region, so this research is important. Through analyzing the spatio-temporal characteristics of dynamic change of land use /land cover change in basin, Land use/land cover change for many years will be extracted in zhanghe river basin ,using the method of ENVI change detection and ArcGIS Spatial analyst, based on 1993,2006,2010 images derived from Thematic Mapper (TM) imagery .Moreover,Spot-5 image derived from 2011,will be used for precision evaluation. These results provide an important statistic reference for land use planning and sustainable development in this region. Finally, results indicate that forest, buildings and water was respectively increased by 656.8km2、72.01km2、23.53km2,rather cultivated and barren was decreased by 411.23 km2、341.11 km2,from 1993 to 2010.The input forest area was mainly originated from farmland and barren. Part of the farmland was transformed into urban land.

Key words：landsat TM; land use and land cover; upstream of Zhanghe

中图分类号：X171

文献标识码：A

文章编号：1673-9469(2016)01-0076-05

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.017

作者简介：张玉杰(1988-)，女，山东潍坊人，硕士，研究方向为遥感应用。

基金项目：河北省自然科学基金资助项目(D2015402134)；河北省教育厅自然科学研究项目(QN2014184，YQ2013012)

收稿日期：2015-09-26