基于RS和GIS的伊春市土地覆盖变化与空间格局分析

韩亚军，贾炜玮*，朱万才

(1.东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150081)

基于RS和GIS的伊春市土地覆盖变化与空间格局分析

韩亚军1，贾炜玮1*，朱万才2

(1.东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150081)

选取“祖国林都”、“红松故乡”伊春市为研究区域，以伊春市1989年，1999年和2010年三个时期的LandsatTM遥感影像作为数据源，经过人机交互解译得到三个时期的土地利用/土地覆盖分布图，辅以伊春市地形图数据，分析伊春市土地覆盖动态变化，并结合GIS工具和空间测量技术进行了空间格局分析。结果表明：伊春市土地利用/覆盖类型特征明显，林地占总面积的85%～90%，占有绝对优势，其余从大到小依次为未利用土地、耕地、草地、建设用地和水域。伊春市1989-2010年间林地、耕地建设用地和草地面积都呈现增加趋势，水域和未利用土地面积呈现减少的趋势。伊春市1989-2010年间土地利用/覆盖类型转移特点明显，草地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为4 759.15 hm2和2 281.69 hm2；耕地主要转移为林地和未利用土地，转移面积分别为46 268.31 hm2和2 194.26 hm2；建设用地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为593.42 hm2和573.64 hm2；林地主要转移为耕地、建设用地和未利用土地，转移面积相对于林地总面积来说都很小；水域主要转移为林地和未利用土地，转移面积分别为206.05 hm2和58.95 hm2；未利用土地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为48 023.12 hm2和2 818.96 hm2。在国有林区全面禁止商业性采伐试点的政策下，本研究结果可以为新形势下伊春林区经济结构调整和发展林下产业提供依据。

遥感(RS)；地理信息系统(GIS)；土地利用/覆盖变化

0 引言

作为全球变化的重要组成部分，土地利用/覆盖变化也是导致全球变化的最主要的原因之一。土地利用/覆盖变化是“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)和“全球环境变化人文计划”(IHDP)的核心研究计划之一。土地利用是指人类有目的地开发利用地表土地资源的一切生产活动，IGBP和IHDP将土地覆盖定义为“地球陆地表层和近地面层的自然状态，是自然过程和人类活动共同作用下的结果”[1]。人类在利用土地资源促进自身经济发展的同时，也使地表土地覆盖格局发生了变化，从而对地球生态环境产生很大影响。研究发现，人类对地表土地资源的开发利用首先会导致地表自然形态的改变，地表下垫面自然形态的变化导致地表对太阳辐射的重新分配，影响了地表的水热平衡，进而影响地表净第一生产力，并且最终将作用于生物地球化学循环过程，引起全球或区域性的环境变化[2]。可见，对于全球和区域性的土地利用/覆盖变化情况的研究，有助于加深理解人类活动对全球环境变化所产生的影响，有助于人类对自身活动产生的地表覆盖状况变化有一个更直观的认识，为人类社会的可持续发展提供依据。近年来，随着科技水平的不断发展，许多学者利用遥感卫星技术进行对地观测研究，监测土地利用动态，主要侧重于土地利用/覆盖类型的分析解译以及相应覆被类型的光谱特征描述，利用地理信息系统和地图学的理论方法制作土地覆盖图[3]。当前，伊春市面临产业结构转型，在全面禁止商业性采伐后，发展林下经济成为政府大力扶持的发展方向[4]。本研究通过分析过去二十年间伊春市土地覆盖变化特点、过程和趋势，为伊春市土地利用结构的调整、土地管理政策的制定及生态环境的恢复重建，为林区战略转型和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况和数据获取

1.1 研究区概况

伊春市位于黑龙江省东北部，地理位置东经127°37′～130°46′，北纬46°28′～49°26′，幅员面积达39 017 km2。该区域属于小兴安岭山地，山脉呈西北—东南走向，整个地势西北高，东南低，南部较陡，北部较平缓，最高峰为平顶山，海拔1 432 m，同时也是小兴安岭的最高峰。伊春属于北温带大陆性季风气候，特殊的地理位置使得伊春市年平均气温在1℃左右，气温相对偏低；无霜期110～125 d。伊春市春秋两季时间短，冷暖多变，气温回升快，降温也快，大风天数较多；夏季湿热多雨，植被茂密，清爽宜人；冬季严寒漫长，从11月到翌年4月，降雪天数较多。年平均降水量为750～820 mm。伊春市作为“祖国林都”，动植物等自然资源极其丰富。伊春市有林地面积300多万hm2，森林覆盖率达82%，活立木蓄积102亿m3。森林类型主要是以红松为主的针阔混交林，各种名贵树种达110多种，蓄积量较大的树种有红松、兴安落叶松、云杉、冷杉、樟子松和水曲柳等。

1.2 数据获取

本研究收集的实验数据主要包括：研究区域1989、1999、2010年三期TM遥感影像数据，伊春市30m分辨率DEM数据，伊春市行政区划图，伊春市土地利用现状图，伊春市1∶5万地形图，实验数据收集见表1。

表1 实验数据收集Tab.1 Experimental data collection

2 研究方法

2.1 建立分类系统

本研究以伊春市1989年、1999年和2010年三个时期的Landsat TM遥感影像为基础数据，利用ENVI5.2对遥感影像进行解译，采用监督分类和非监督分类相结合的方法制作伊春市三个时期的土地利用类型图，拟选取中国土地分类系统为参照确定分类类别[5]，将研究区域分为6个一级类型：林地、耕地、草地、水域、建设用地和未利用土地，见表2。利用GIS空间分析技术分析伊春市土地利用变化情况，提取土地利用/覆盖变化类型、位置和面积。利用EXCEL和IDRISI软件进行统计分析，生成土地利用变化转移矩阵，对土地利用变化情况进行具体分析。

2.2 数据处理

遥感影像的处理过程包括了影像的辐射校正、几何精校正、图像增强、波段合成、图像镶嵌、图像裁剪等内容。遥感影像的分类传统上有两种方法：目视解译分类法和计算机自动分类法[6]。本研究采用了人机交互式目视解译方法对研究区土地利用覆被进行了解译分类。采用人机交互目视解译方法，按照分类解译标志，参照其他辅助信息，对伊春市土地利用/覆盖类型进行监督分类，分类结果在ArcMap软件中进行彩色重编码并制图输出。通常遥感影像解译得到的只是初步结果，一般难以达到最终应用的目的，分类后的影像进行分类后处理，才能得到理想的分类结果。常用的分类后处理包括更改分类颜色、分类统计分析等。

表2 伊春市土地利用分类系统Tab.2 Yichun City Land Use Classification System

2.3 分类精度评价

执行监督分类后需要对分类结果进行评价，ENVI提供的常用评价方法包括分类结果叠加、混淆矩阵(Confusion Matrix)和ROC曲线[7]。使用混淆矩阵工具可以把分类结果的精度显示在一个混淆矩阵里，用来比较分类结果和其他地表真实信息。

2.4 建立空间数据库

将在ENVI5.2中的伊春市1989年、1999年、2010年土地利用分类结果矢量化图导入到ArcMap10.2中，将分类结果进行合并，并完善属性表字段和相应信息的补充填写，完成土地利用/覆盖数据库的建设。至此，全部完成了研究区三期的土地利用地覆被遥感分类工作，按照已拟订好的分类后比较法提取土地利用覆被变化信息的操作步骤，下一步将要在地理信息系统软件平台上，通过叠加三期分类结果矢量化图来提取土地利用覆被变化的空间位置、数量和类型。

2.5 马尔柯夫转移矩阵

土地利用类型之间的相互转化情况，可以采用马尔柯夫转移矩阵模型来进一步描述。马尔柯夫模型是地理预测研究中的重要方法之一，它在地理、经济、生态、遗传和社会等领域具有广泛应用[8]。马尔柯夫模型主要用在无后效条件下时间和状态均为离散的随机转移问题。也就是说，其观察量第n次观察值仅和该观察量的第n-1次观察值及一个状态转移矩阵有关，而和第n-1次观察值以前的状态无关，这就是马尔柯夫性或称无后效性[9]。这对于研究土地利用类型的动态转化较为适宜，因为在一定条件下，土地利用类型演变具有马尔柯夫随机过程的性质：一定区域内，不同土地利用类型之间具有相互转化性。土地利用类型之间的转化包含许多难以用函数关系准确描述的事件，马尔柯夫模型在土地利用转化上的应用，关键在于转移概率的确定[10]。转移概率就是在事件发生的过程中，从一种状态出发，由下一时刻转移到其它状态的可能性。本研究中，计算1989-2010年近二十一年间土地利用类型变化。该转移矩阵可通过1989-2010年土地利用图经叠加分析产生的属性表来算，以斑块相互之间面积的转移值为矩阵中的元素，则转移矩阵模型为：

式中：Aij为研究时段内土地利用类型i转化为土地利用类型j的面积。

(1)转移矩阵i行表示的是1989年的i土地利用类型转换为2010年其他类型的面积；j列表示的是1989年的其他类型转换为2010年j土地利用类型的面积。

(3)Aii即为第i类土地利用类型在与时段内没有发生类型变化的面积数。该时段的转移概率矩阵中的元素Pij用土地利用类型i在研究时段内转化为类型j的面积与1989年类型i初始面积之比来表示，即：

Pij=Aij/Ai。

式中：Pij为研究时段内土地利用类型i转化为土地利用类型j的转移概率；Aij为土地利用类型i转化为土地利用类型j的面积；Ai为土地利用类型i在研究时段内的初始面积。

2.5 空间格局分析

3 结果与分析

3.1 分类结果

经过分类后处理得到伊春市1989年、1999年、2010年土地利用/土地覆盖类型分布图，结果如图1所示。

图1 伊春市1989年、1999年、2010年土地利用图Fig.1 Land use map in Yichun City in 1989，1999，2010

3.2 精度验证

本文中1989年的分类精度为82%，1999年的分类精度为85%，2010年总体的分类精度为81%，Kappa系数为0.73。从表中可以看出水域和建设用地、林地的分类精度较高，总体分类精度达到80%以上，由于水域在遥感图像上轮廓清晰，颜色呈蓝色或深蓝色，湖泊呈零星状分布，光谱特征明显，分类精度较高。林地在遥感影像上影像呈颗粒状，呈浅绿或深绿，分布于山区，面积较广，城市建设用地在图像上有明显的人为干扰痕迹，内部有白色点状分布，多呈带状分布，这三种地分类精度较高。耕地、草地和未利用土地分类结果精度较低，耕地在遥感图像上表现为纹理比较细腻，规则分布，边缘清晰，草地纹理粗糙，分布于河流、湖泊周围，未利用土地包括荒草地或沼泽地，影像呈紫红色，纹理不规则。耕地、草地和未利用土地的分布范围和影像光谱特征使得三者分类结果容易出现同物异谱、同谱异物等光谱混杂现象，分类精度不高，这也成为了提高遥感影像分类精度的重点研究方向。

表3 伊春市土地分类精度评价表(2010年)Tab.3 Yichun City land classification accuracy evaluation table(2010)

3.4 提取变化信息

将三期遥感影像解译结果在统一的坐标系下进行配准，然后利用ArcToolbox的Overlay下的Insert模块，叠置生成土地利用/覆被变化图，提取出研究区土地利用覆被总体变化的位置、数量，也可以进一步细化提取出不同类型间变化的数量和位置、土地利用/覆盖变化空间分布图[14]。在ArcMap中将三期土地利用/覆盖变化类型图各地类面积计算几何，得到6种土地利用/覆盖类型的面积见表4。

表4 伊春市1989-2010年地类面积统计数据(单位：hm2)Tab.4 Land area statistics in Yichun City during 1989 - 2010(Unit：ha)

(a)水域面积变化趋势

(b)耕地面积变化趋势

(c)草地面积变化趋势

(d)水域面积变化趋势

(e)建设用地面积变化趋势

(f)未利用地面积变化趋势

在时间序列上，将每一种土地利用/覆盖类型的面积变化制做成折线图，各种地类的变化趋势如图2所示。

伊春市的土地利用/覆盖类型总体呈现以下特点：林地面积占了绝对优势，林地面积在1989年占土地利用总面积的89.77%，1999年有小幅减少，占了84.70%，2010年，林地面积在土地利用总面积中占比增加到90.94%；耕地面积在研究期内占土地利用总面积的比例持续增加，从1989年的2.44%到1999年的4.63%，再到2010年的5.18%；草地面积在1989年占土地利用总面积的0.76%，1999年占了1.09%，2010年占了1.60%，面积呈现不断增加的趋势；水域面积1989年占土地利用总面积的0.21%，1999年呈现小幅增加，占到了0.23%，2010年减少幅度较大，在土地利用总面积中的占比从0.23%降到了0.17%。建设用地占比从1989年的0.71%提高到1999年的0.73%，2010年大幅提高到0.96%；未利用土地面积占土地利用总面积的比例从1989年的6.10%提高的1999年的8.62%，2010年，伊春市的未利用土地面积占土地利用总面积的1.15%。

表5 伊春市1989-2010年地类面积变化统计数据hm2Tab.5 Land area change statistics in Yichun City during1989 - 2010

由表5分析可知，伊春市1989-2010年间土地利用/覆盖各类型都发生了不同程度的变化，伊春市的林地面积占绝对优势，达到整个市区总面积的85%以上。从土地利用/覆盖分类面积变化趋势来看，伊春市1989-2010年间，水域和未利用土地面积减少，耕地、林地、草地和建设用地面积增加。

林地：1989-2010年林地面积先减少后增加。林地总面积由1989年的175.48万 hm2先减少到1999年的165.57万 hm2，而到了2010年又增加到了177.94万 hm2。林地面积在伊春市的土地利用/覆盖类型中占比重较大。1999-2010年间伊春市林地面积增加了12.36万 hm2，使得伊春市的林地面积在1989-2010年净增加了24 581 hm2。

耕地：伊春市的耕地面积在整个研究期间内呈现增加趋势，其中，耕地面积由1989年的47 633.5 hm2增加到1999年的90 516.8 hm2，增加面积达42 883.3 hm2增长速度较快。从1999-2010年，耕地面积增加了10 825.6 hm2，整个研究期内，伊春市耕地面积增加了53 708.9 hm2。

草地：在1989-2010年间，伊春市的草地面积由1989年的14 861 hm2增加到了31 245.3 hm2，增加了16 384.3 hm2，总体增长比较平稳。

水域：伊春市的水域面积，包括河流、水库、湖泊等，从遥感影像上的解译结果来看，在1989-1999年有小幅增加，1999-2010年间大幅减少，减少了1 029.2 hm2，2000年前后的厄尔尼诺现象造成了我国大范围、长时间的降雨，使得伊春市这一时期的水域覆盖面积较大。

建设用地：在1989-2010年间，伊春市的建设用地面积逐渐增加，建设用地包括城乡住宅和公共基础设施以及工矿用地、能源、交通、水利和通信等基础设施用地，反映了人类活动对土地利用/覆盖的影响。伊春市的建设用地面积由1989年的13 974.9hm2增加到1999年的14 300.4 hm2，到2010年又增加了4 545.3 hm2，达到18 845.7hm2，增加了4 870.8 hm2。

未利用土地：伊春市未利用土地面积在1989-2010年间先小幅增加后大幅减小。在1989-1999年间，未利用土地面积由119 304 hm2增加到168 469.9 hm2，增加了49 165.9 hm2，1999-2010年间大幅减少，减少到22 515.6 hm2，减少了145 954.3 hm2，研究期间净减少96 788.4 hm2。

3.5 空间格局分析

伊春市1989-2010年间土地利用/覆盖类型转移特点明显，草地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为4 759.15 hm2和2 281.69 hm2；耕地主要转移为林地和未利用土地，转移面积分别为46 268.31 hm2和2 194.26 hm2；建设用地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为593.42 hm2和573.64 hm2；林地主要转移为耕地、建设用地和未利用土地，转移面积相对于林地总面积来说都很小；水域主要转移为林地和未利用土地，转移面积分别为206.05 hm2和58.95 hm2；未利用土地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为48 023.12 hm2和2 818.96 hm2。

表6 1989-2010年伊春市土地利用/覆盖类型转移矩阵 hm2

续表6

草地耕地建设用地林地水域未利用土地总计建设用地00573644%131108992%593424%0170222501430036100%林地7220403430270010165494348100%1260122920165574832100%水域00083000206055%41877194%58951%445354100%未利用地5396402818962%182870480231229%01101169052069%16846990100%总计14861034763350139749317547935441906211930386195475749

4 结论

(1)伊春市的土地利用/覆盖类型总体呈现以下特点：林地面积占了绝对优势，林地面积在1989年占土地利用总面积的89.77%，1999年有小幅减少，占了84.70%，2010年，林地面积在土地利用总面积中占比增加到90.94%；耕地面积在研究期内占土地利用总面积的比例持续增加，从1989年的2.44%到1999年的4.63%，再到2010年的5.18%；草地面积在1989年占土地利用总面积的0.76%，1999年占了1.09%，2010年占了1.60%，面积呈现不断增加的趋势；水域面积1989年占土地利用总面积的0.21%，1999年呈现小幅增加，占到了0.23%，2010年减少幅度较大，在土地利用总面积中的占比从0.23%降到了0.17%。建设用地占比从1989年的0.71%提高到1999年的0.73%，2010年大幅提高到0.96%；未利用土地面积占土地利用总面积的比例从1989年的6.10%提高的1999年的8.62%，2010年，伊春市的未利用土地面积占土地利用总面积的1.15%。

(2)伊春市1989-2010年间土地利用/覆盖各类型都发生了不同程度的变化，伊春市的林地面积占绝对优势，达到整个市区总面积的85%以上。从土地利用/覆盖分类面积变化来看，伊春市1989-2010年间，水域和未利用土地面积减少，耕地、林地、草地和建设用地面积增加。

(3)伊春市1989-2010年间土地利用/覆盖类型转移特点明显，草地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为4 759.15 hm2和2 281.69hm2；耕地主要转移为林地和未利用土地，转移面积分别为46 268.31 hm2和2 194.26 hm2；建设用地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为593.42 hm2和573.64 hm2；林地主要转移为耕地、建设用地和未利用土地，转移面积相对于林地总面积来说都很小；水域主要转移为林地和未利用土地，转移面积分别为206.05 hm2和58.95 hm2；未利用土地主要转移为林地和耕地，转移面积分别为48 023.12 hm2和2 818.96 hm2。

(4)2014年中央1号文件明确提出：在东北、内蒙古重点国有林区进行停止商业性采伐试点，按照国务院要求，该项工作2017年覆盖全国林区[15-16]。这项政策为我国森林提供了休养生息的条件，但也给以木材生产为经济来源的重点林区带来了更加严峻的挑战，各级政府和重点林业企业纷纷把发展非木质经济、普惠林农作为唯一的出路。我国林业产业也会由木材生产为主转向林下经济为代表的非木质资源产业的战略转移[17]。因此，针对伊春林区来说，尤其是林地面积的演变和动态变化，可以为伊春林区在新的战略形式下发展提供科学的数据参考，为林区战略转型和可持续发展提供科学依据。

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AnalysisofLandCoverChangeandSpatialPatterninYichunCityBasedonRSandGIS

Han Yajun1，Jia Weiwei1*，Zhu Wancai2

(1.College of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Forestry Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150081)

Yichun city known as “forest capital of China” and “hometown of pinus koraiensis” was selected as the research area.The Landsat TM remote sensing images of three periods of 1989，1999 and 2010 of Yichun were used as data sources，and the land use/land cover distribution map of three periods was obtained.Based on the topographic map data of Yichun，the dynamic change of land cover was analyzed.Spatial pattern analysis was carried out with GIS tool and spatial measurement techniques.The results show that the characteristics of land use/cover type in Yichun City is obvious，and the forest land accounts for 85%-90% of the total area and occupies the absolute superiority.The percentage of the rest is from unused land，cultivated land，grassland，construction land and water area from large to small respectively.The area of forest land，cultivated land and grassland in Yichun increased from 1989 to 2010，and the area of water and unused land showed a decreasing trend.From 1989 to 2010，the land use/cover type transfer characteristics were obvious.The grassland was mainly transferred to forest land and cultivated land，and the transfer area was 4 759.15 hm2and 2 281.69 hm2respectively.The cultivated land was mainly transferred to forest land and unused land，and the transfer area was 46 268.31 hm2and 2 194.26 hm2.The construction land was mainly transferred to forest land and cultivated land，with the transfer area of 593.42 hm2and 573.64 hm2respectively.The forest land was mainly transferred to cultivated land，construction land and unused land，and the transfer area was very small relative to the total area of forest land.Water was mainly transferred to forest land and unused land，and the transfer area was 206.05 hm02 and 58.95 hm2.The unused land was mainly transferred to forest land and cultivated land，and the transfer area was 48 023.12 hm2and 2 818.96 hm2respectively.Under the policy of prohibiting commercial cutting in the state-owned forest areas，the results could provide the basis for economic structure adjustment and development of under-forest industry.

RS；GIS；land use/cover change

S 237

：A

：1001-005X(2017)05-0017-07

2017-05-08

黑龙江省森工总局基金项目(sgzjQ2012004)

韩亚军，硕士研究生。研究方向：林业遥感与地理信息系统。E-mail：hanyj2017@126.com

贾炜玮，博士，副教授。研究方向：林分生长模型。E-mail：Jiaww2002@163.com

韩亚军，贾炜玮，朱万才.基于RS和GIS的伊春市土地覆盖变化与空间格局分析[J].森林工程，2017，33(5)：17-23.