基于转移矩阵的准格尔旗土地利用变化分析

张建国, 李晶晶,2, 殷宝库, 高云飞, 刘晓燕

(1.黄河上中游管理局, 陕西 西安710021; 2.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 3.黄河水利委员会, 河南 郑州 450003)

土地利用变化类因子是影响水土流失变化的重要类型因子，了解土地利用变化是分析区域水土流失强度和面积变化的基础。目前比较常用的土地利用遥感动态监测信息的分析方法主要包括传统的数理统计法、构造参数法、土地利用转移矩阵法以及景观格局特征分析法[1]。土地利用转移矩阵在土地利用变化分析中具有重要作用，并得到较为广泛的应用[2-4]。相对于其他分析方法，其科学性及优势性在于矩阵的生成灵活多变，分析的结果不受地物类别、数量限制，同时又可以对多时期的数据进行分析处理[5]。土地利用转移矩阵是将土地利用变化的类型转移面积以矩阵的形式列出，作为用地结构与变化方向分析的基础，可以直观地反映出某一区域土地利用面积的变化，也可细致反映各地类之间的相互转化关系及来源概率，进而了解转移前后各地类的结构特征，在土地利用变化分析和地类模拟方面具有重要作用。

准格尔旗位于毛乌素沙漠和西北黄土高原过渡地带的沙化区，属于陕晋蒙农牧交错区，生态环境脆弱，水土流失严重。研究该区土地利用类型变化规律，对于了解该土地利用变化驱动因素和水土流失变化研究具有十分重要的意义。本文在遥感与GIS技术的支持下，通过引入土地利用转换矩阵，对准格尔旗两不变年度的土地利用格局进行分析，获取土地利用变化特征，并结合土壤侵蚀数据，以期分析该区域水土流失变化情况，为该地区土地可持续利用与管理提供基础数据与决策支持。

1 研究区概况及信息源

准格尔旗位于内蒙古西南部、鄂尔多斯高原东部，地处黄土高原边缘，是晋陕蒙金三角地带，位于东经110°05′—111°27′，北纬39°16′—40°21′，南北长116.5 km，东西宽115.2 km，总面积7 692 km2。

研究数据主要来源于2013—2017年全国水土流失动态监测与公告项目黄河流域监测成果：准格尔旗2014和2016年遥感影像及土地利用和土壤侵蚀解译成果。土地利用主要包括耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿交通用地、水域及水利设施用地及其他土地这7个1级地类，其中其他土地包括沙地和裸岩裸地等地类。信息源以天绘1号遥感影像为主，辅以高分1号影像和资源3号卫星影像。融合影像包括红、绿、蓝3个波段，影像分辨率达到2 m。准格尔旗水蚀区坡度信息由1∶1万DEM提取，风蚀区坡度信息由1∶5万DEM提取。高斯—克吕格(Gauss-Kruger)投影，CGCS 2000国家大地坐标系，1985国家高程基准，D_China_2 000基准面。

2 土地利用转移矩阵

2.1 土地利用转移矩阵定义

土地利用转移矩阵，就是根据同一地区不同时相的土地覆盖现状的变化关系，求得一个二维矩阵。通过对得到的转移矩阵进行分析，能够得到2个时相，不同的地类之间相互转化的情况，它描述了不同的土地利用的类型在不同年份发生变化的土地类别以及发生变化的位置和变化面积。不仅能够反映上述静态的固定区域固定时间的各个地类面积数据，还能够反映更加丰富的初期各个地类的面积转出以及末期各个地类面积的转入情况。从面积入手，反应区域土地利用变化。面积变化首先反映在不同土地利用类型的总量变化上，通过分析土地利用类型的总量变化，可了解土地利用变化总的变化趋势和土地利用结构的变化。

转移矩阵的应用主要表现在：采用GIS技术对两期土地利用图进行叠置分析从而获得土地利用转移矩阵，研究两期之间各土地利用类型的转移变化情况，了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各类型土地的来源与构成，通常结合土地利用数量变化、程度变化、空间变化等指数进行分析[6]。具体操作可描述为:在ArcMap中同时打开两期土地利用现状数据，根据土地利用类型字段对现有图进行融合，利用叠加分析模块下的交叉分析功能，对融合后的两期土地利用数据进行叠加交叉操作，之后对获得的交集图层属性表赋值并计算其面积，导出dbf属性表，并在Excel中打开，执行数据透视表和数据透视图操作，即可生成土地利用转移矩阵。

根据以上描述，运用ArcGIS的空间分析功能对准格尔旗2014，2016年2期土地利用现状数据分析，获取了准格尔旗两期的土地利用转移矩阵(表1)。

2.2 土地利用转移矩阵动态变化指标

土地利用转移矩阵动态变化指标主要包括土地利用类型转换概率(P)和土地利用类型动态度(D)。

在获取的土地利用转移矩阵的基础上，为了更好地分析土地利用动态变化的主导过程，建立土地利用转移模型，其模型公式为：

(1)

式中：Pij——2014—2016年土地利用类型i转换为土地利用类型j的转换概率；Sij——土地利用类型i转变为土地利用类型j的面积(km2)。根据式(1)中计算，获得土地利用转换概率矩阵(表2)。

土地利用动态度可以定量描述区域土地利用变化的速度，它对比较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积极的作用。单一土地利用类型动态度表达的是研究区域一定时段范围内某土地利用类型的数量变化情况，其表达式为：

D=(Ab-Aa)/Aa×1/T×100%

(2)

式中：D——研究时段某一土地利用类型动态度；Aa——研究时期初某一土地利用类型的数量；Ab——研究期末某一土地利用类型的数量；T——研究时段长，当T的时段设定为年时，D值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。

表1 准格尔旗土地利用转移矩阵

表2 准格尔旗土地利用转换概率矩阵 %

根据公式(1)和(2)，获得准格尔旗某一土地利用类型的年变化率如表4所示。

表3 准格尔旗土地利用年变化率

3 结果与分析

3.1 土地利用变化的主导过程

根据表1—3可以看出，准格尔旗2014—2016年3 a内的各土地利用类型面积总体变化不显著。由准格尔旗土地利用年变化率可以看出，该区内园地、其他土地、居民点及工矿交通用地和耕地的年变化率为正，表明这4种土地利用类型的面积呈增加趋势；林地、草地和水域及水利设施用地年变化率为负，表明这3种土地利用类型的面积呈减少趋势。准格尔旗3 a的土地利用变化的主导主要集中于其他土地和耕地面积的增加、农村居民点的扩张以及工矿交通用地的扩建，林地和草地大量减少，转变为其他土地利用类型。

3.2 土地利用变化率分析

林地和草地年变化率分别为-0.15%和-0.17%，林地面积由2014年3 456.94 km2减少到2016年3 440.92 km2，减少了16.02 km2；水域及水利设施用地年转换率为-0.31%，面积由2014年的269.49 km2，减少到2016年266.6 km2。尽管林地和草地的自身转换率比较高，分别为98.34%的林地和97.79%的草地，但自身转换之间可能导致该区域的林地和草地的覆盖度发生变化，结合减少的水域及水利设施面积可以推断，该区域的植被覆盖度出现降低趋势。

居民点及工矿交通用地年变化率为1.31%，面积由2014年的474.68 km2增加到2016年的493.31 km2，净增加18.63 km2，除92.53%来源于自身外，4.71%的草地和1.26%的林地转变为居民点及工矿交通用地。调查研究发现，导致居民点及工矿交通用地面积增加的主要原因为准旗境内拥有丰富矿业资源，新建工矿用地、扩建工矿用地较多，破坏了林地和草地面积；除此之外，正在新修的呼准铁路和大路镇周围新建的公路也是导致林地草地面积减少，居民点及工矿交通用地增加的原因。

其他土地面积年转化率2.31%，增加了10.53 km2，除86.7%为原有的其他土地外，其余主要由草地、居民点及工矿交通用地和林地转移而来，转移比例分别占3.65%，3.38%和4.48%。其他土地面积增加主要原因为人为扰动因素的影响，在建设前期场地平整阶段的土地面积以及工矿用地弃土弃渣场植被恢复前表土覆盖增加较多，在影像上显示为裸地。

3.3 土地利用变化综合分析与水土流失变化响应

准格尔旗2014和2016年不同土壤侵蚀强度面积如表4所示。该区域水土流失面积为除微度侵蚀以外的其他侵蚀的面积之和，可以看出准格尔水土流失面积增加了70.80 km2，结合土地利用变化可以看出，增加的水土流失面积与林地、草地和水域及水利设施用地减少有密切关系。除直接减少的林地和草地的面积导致了水土流失面积增加外，水域面积的减少以及98.34%的林地和97.79%的草地自身转换引起的林地和草地覆盖度等级的变化，也是导致该区域水土流失面积增加得另一个原因。

表4 准格尔旗土壤侵蚀统计

4 结 论

(1) 2014—2016年，准格尔旗各土地利用类型均发生了变化，其中园地、其他土地、居民点及工矿交通用地和耕地面积表现出增加趋势；林地、草地和水域及水利设施用地面积表现出呈减少趋势。林地和草地面积的减少与李忠峰等[7]研究的研究结果不一致，导致结果不一致的原因主要是2014—2016年，该区矿区的开采及铁路的建设等人为扰动因素增加导致了该区的林地和草地面积减少。通过土地利用转移矩阵的变化可以看出减少的林地和草地主要向居民点及工矿交通用地和其他土地转移，转移概率表现为：林地转移工矿交通用地和其他土地的分别为0.79%和0.42%，是林地转移耕地的4.6倍和2.5倍，草地转移工矿交通用地和其他土地分别为0.68%和0.34%，是草地转移耕地的4倍和2倍。

(2) 2014—2016年该区水土流失面积增加了70.80 km2。水土流失面积的增加主要与林地和草地面积减少以及林地和草地植被覆盖度的变化有关。陈桂荣等[8]研究了2015年准格尔旗水土流失动态变化，表明该区水土流失增加与呼准铁路和其它公路的修建、大路镇周围施工带来了人为扰动，从而植被面积减少，工矿、裸地面积增加，此外，准格尔旗降雨量逐年减少，导致植被覆盖度整体降低，也是导致该区水土流失增加的原因之一。

[1] 郑艳慧,靲海亮,贾露,等.基于马尔柯夫模型平顶山市土地动态变化预测[J].北京测绘,2011(4):1-4.

[2] 张伟,彭淑贞,程鹏,等.泰安市土地利用动态变化研究[J].国土与自然资源研究,2011(4):17-19.

[3] 岳东霞,杜军,刘俊艳,等.基于RS和转移矩阵的泾河流域生态承载力时空动态研究[J].生态学报,2011,31(9):2550-2558.

[4] 刘瑞,朱道林.基于转移矩阵的土地利用变化信息挖掘方法探讨[J].资源科学,2010,32(8):1544-1550.

[5] 陆平.基于转移矩阵的城市土地利用变化分析[J].北京测绘,2011(1):13-16.

[6] 乔伟峰,盛业华,方斌,等.基于转移矩阵的高度城市化区域土地利用演变信息挖掘:以江苏省苏州市为例[J].地理研究,2013,32(8):1497-1507.

[7] 李忠锋,王一谋,马安青.准格尔旗土地利用变化与影响因素分析[J].水土保持通报,2003,23(3):42-44.

[8] 陈桂荣,杜婧.基于遥感监测分析准格尔旗水土流失动态变化[J].内蒙古水利,2016(9):41-42.